BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN - NGÀNH KỸ THUẬT HẠT NHÂN - NGÀNH VẬT LÝ Y KHOA

KỸ THUẬT PHÂN TÍCH HẠT NHÂN

(NUCLEAR ANALYTICAL TECHNIQUES - NAT)

Kỹ thuật phân tích hạt nhân (NAT) là một kỹ thuật để xác định các thành phần và hàm lượng của nguyên tố trong mẫu (môi trường, địa chất, khảo cổ,…) bằng việc chiếu các bức xạ hạt nhân vào mẫu phân tích. Đây là phương pháp phân tích không phá huỷ, có độ nhạy và độ chính xác cao, có thể xác định đồng thời nhiều nguyên tố và thời gian phân tích nhanh. NAT ngày càng đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu khoa học và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: môi trường, khoa học vật liệu, địa chất, khảo cổ, y học,… Bài viết này cung cấp kiến thức tổng quan về các kỹ thuật phân tích hạt nhân: nguyên lý cơ bản, các phương pháp phân tích khác nhau và các ứng dụng và triển vọng trong tương lai của chúng.

1. Nguyên lý kỹ thuật phân tích hạt nhân

Nguyên lý chính của kỹ thuật phân tích hạt nhân là tương tác giữa các hạt mang điện tích như neutron, proton, hoặc tia gamma với các nguyên tử hạt nhân, từ đó tạo ra các bức xạ đặc trưng. Những bức xạ đặc trưng này là cơ sở để nhận diện và xác định hàm lượng của các nguyên tố trong mẫu phân tích. Hiện nay có nhiều kỹ thuật phân tích hạt nhân như phân tích kích hoạt neutron, phân tích huỳnh quang tia X, phân tích phổ hấp thụ nguyên tử, phân tích ICP-MS. Trong bài viết này chúng tôi đề cập đến hai phương pháp phổ biến hiện nay: phân tích kích hoạt neutron và phân tích huỳnh quang tia X. Hai phương pháp này cũng đang được sử dụng tại phòng thí nghiệm của Bộ môn Vật lý hạt nhân (VLHN), Khoa Vật lý – Vật lý kỹ thuật, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM.

Kỹ thuật phân tích kích hoạt neutron (Neutron Activation Analysis (NAA))

Nguyên lý của phương pháp phân tích kích hoạt neutron (NAA) là biến các đồng vị bền của nguyên tố cần phân tích thành những đồng vị phóng xạ thông qua phản ứng hạt nhân khi chiếu xạ các mẫu bằng neutron. Khi một hạt nhân bền bắt giữ một neutron, nó sẽ trở thành chất phóng xạ và sau đó phát ra các tia gamma đặc trưng khi phân rã. Bằng cách phân tích phổ tia gamma, các nhà khoa học có thể xác định các nguyên tố có trong mẫu và nồng độ tương ứng của chúng.

Hình 1. Trái: Nguyên lý phân tích kích hoạt neutron. Phải: Hệ phân tích kích hoạt neutron tại Bộ môn VLHN

Kỹ thuật phân tích huỳnh quang tia X (X-ray fluorescence (XRF))

Phân tích huỳnh quang tia X (XRF) là phương pháp xác định thành phần nguyên tố của mẫu bằng cách đo tia X huỳnh quang (thứ cấp) phát ra từ nguyên tử khi mẫu bị kích thích bởi nguồn tia X sơ cấp. Khi một tia X sơ cấp va chạm với một nguyên tử, nó sẽ làm xáo trộn trạng thái cân bằng của nó. Một electron bị đẩy ra khỏi mức năng lượng thấp, và một khoảng trống được tạo ra, làm cho nguyên tử không ổn định. Để khôi phục sự ổn định, một electron từ mức năng lượng cao hơn rơi vào chỗ trống này, sau đó phát ra tia X có năng lượng đặc trưng của từng nguyên tố. Các tia X này sau đó được thu thập bởi đầu dò và phân tích để xác định thành phần nguyên tố của mẫu.

 Hình 2. Trái: Nguyên lý phân tích huỳnh quang tia X. Phải: Hệ phân tích huỳnh quang tia X tại Bộ môn VLHN

2. Một số ứng dụng của kỹ thuật phân tích hạt nhân

Ứng dụng trong môi trường

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của NAT là trong nghiên cứu môi trường. NAT được sử dụng cho việc phát hiện và định lượng các chất gây ô nhiễm, kim loại nặng và các nguyên tố phóng xạ trong không khí, nước, đất và sinh vật. Với sự hiểu biết về phân bố và nồng độ của các nguyên tố này, các nhà khoa học có thể đánh giá sức khỏe môi trường, xác định các nguồn gây ô nhiễm và đánh giá hiệu quả của các biện pháp khắc phục.

Ứng dụng trong vật liệu và công nghiệp

Kỹ thuật phân tích hạt nhân được ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, bao gồm luyện kim, sản xuất chất bán dẫn và thăm dò khoáng sản. Việc phân tích chính xác thành phần nguyên tố giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm, giám sát quy trình sản xuất và tối ưu hóa việc sử dụng nguyên liệu. Hơn nữa, phân tích đồng vị là điều cần thiết trong việc truy tìm nguồn gốc và tính xác thực của vật liệu trong chuỗi cung ứng toàn cầu.

Ứng dụng trong khảo cổ học và di sản văn hoá

Kỹ thuật phân tích hạt nhân đóng một vai trò thiết yếu trong nghiên cứu khảo cổ học, cung cấp những hiểu biết sâu sắc về nguồn gốc và niên đại của các hiện vật và nền văn minh cổ đại. Bằng cách phân tích thành phần nguyên tố của đồ gốm, gốm sứ và các di tích khác, các nhà nghiên cứu có thể truy tìm nguồn gốc, tuyến đường thương mại và kết nối văn hóa của chúng. Ngoài ra, việc phân tích các sắc tố trong tranh và các tác phẩm nghệ thuật khác bằng cách sử dụng NAT đã hỗ trợ cho việc xác thực và bảo quản các di sản văn hoá.

Hình 3. Các bản sao của đồ gốm Mochica cổ đại được phân tích bằng kỹ thuật phân tích kích hoạt neutron. (Ảnh: Instituto Peruano de Energía Nuclear, Peru)

3. Triển vọng trong tương lai

Với những tiến bộ công nghệ và nhu cầu phân tích chính xác ngày càng tăng, các kỹ thuật phân tích hạt nhân ngày càng phát triển. Các kỹ thuật hiện đại, chẳng hạn như Phát xạ gamma do hạt cảm ứng (PIGE) và Cấu hình độ sâu neutron (NDP), đang được phát triển để giải quyết các thách thức phân tích cụ thể và cải thiện độ nhạy cũng như độ phân giải của các phép đo.

Hơn nữa, sự phát triển công nghệ của các đầu dò như đầu dò Germani siêu tinh khiết (HPGe) và đầu dò silicon drift (SDD) đã nâng cao khả năng đo phổ gamma và phát hiện tia X, từ đó làm cho phép phân tích chính xác và hiệu quả hơn.