Luận văn Thạc sĩ Vật lí: Nghiên cứu đo tuổi carbon phóng xạ mẫu địa chất bằng đetectơ nhấp nháy lỏng

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:61

Thêm vào BST

Báo xấu

60
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của luận văn Thạc sĩ Vật lí: Nghiên cứu đo tuổi carbon phóng xạ mẫu địa chất bằng đetectơ nhấp nháy lỏng là nhằm góp phần nâng cao hiểu biết về tri thức vật lí hạt nhân và cách triển khai ứng dụng công nghệ hạt nhân trong thực tiễn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lí: Nghiên cứu đo tuổi carbon phóng xạ mẫu địa chất bằng đetectơ nhấp nháy lỏng

THƯ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH ------------------------- LÊ THỊ NGỌC HẠNH NGHIÊN CỨU ĐO TUỔI CARBON PHÓNG XẠ MẪU ĐỊA CHẤT BẰNG ĐETECTƠ NHẤP NHÁY LỎNG Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử, hạt nhân & năng lượng cao Mã số: 60 44 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN QUANG MIÊN Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2010
Lời cảm ơn Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Nguyễn Quang Miên - người đã hướng dẫn nhiệt tình tác giả trong quá trình làm và hoàn tất luận án. Ngoài ra tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô giáo khoa vật lí và khoa sau đại học trường ĐHSP Thành Phố Hồ Chí Minh, sự giúp đỡ của các nhà nghiên cứu phòng thí nghiệm,Viện khảo cổ học Việt Nam đã tạo điều kiện cho tôi được sử dụng các trang thiết bị trong quá trình tiến hành thực nghiệm để hoàn tất luận án. Ngoài ra, tác giả còn xin chân thành cảm ơn thầy phản biện đã đóng góp nhiều ý kiến để luận văn được hoàn thiện. Đồng thời tôi cũng xin cảm ơn quý thầy cô trong hội đồng khoa học đã dành thời gian đọc và góp ý cho luận văn giúp tôi thêm tiến bộ. TP. HCM, tháng 7 năm 2010 Lê Thị Ngọc Hạnh
BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT AMS (Accelarator Mass Spectro): Máy khối phổ kế gia tốc GPC (Gas Proportional Counting): Ống đếm tỉ lệ LSC (Liquid Scintillation Counting): Đếm nhấp nháy lỏng LK4A: Lỗ khoan địa chất 4A LKVN: Lỗ khoan địa chất VN
MỞ ĐẦU I. Lí do chọn đề tài. Cùng với sự phát triển của vật lí học, đặc biệt với sự ra đời và phát triển của vật lí hạt nhân, phương pháp tính tuổi carbon phóng xạ đã góp phần đánh dấu sự phát triển của địa chất và khảo cổ học. Thông qua việc so sánh hoạt độ phóng xạ của nguyên tố carbon có trong vật sau khi chết và ở thời điểm lúc còn sống, từ đó suy ra tuổi của cổ vật. Kể từ lúc ra đời, phương pháp này đã nhanh chóng khẳng định tầm quan trọng của mình - là một công cụ không thể thiếu được của các nhà địa chất và khảo cổ, cũng như các chuyên gia trong lĩnh vực đánh giá các vấn đề về môi trường liên quan tới carbon. Hiện nay tính tuổi carbon là một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến, và là một phương pháp tính tuổi chính xác được biết đến. Sự phát triển của nó đã mang lại cuộc cách mạng cho ngành địa chất và khảo cổ học, bằng việc cung cấp những phương tiện đo tuổi ngày càng chính xác hơn và hiện đại hơn. Cho đến nay đã có khá nhiều các phương pháp để xác định hàm lượng đồng vị 14C: phương pháp khối phổ kế hoặc phương pháp đo trực tiếp hoạt độ carbon phóng xạ. Phương pháp khối phổ kế dùng để xác định số nguyên tử carbon trực tiếp có trong mẫu. Bên cạnh những ưu điểm như có độ nhạy cao, lượng mẫu sử dụng rất nhỏ, một vấn đề gặp phải là giá thành phân tích bằng phương pháp này rất đắt, đòi hỏi hệ thống cơ sở hạ tầng khá phức tạp, khó áp dụng phổ biến. Chính vì vậy, không chỉ ở Việt Nam mà các nước trên thế giới phương pháp xác định hàm lượng 14C bằng khối phổ kế cũng không được sử dụng cho mục tiêu đại trà, phổ biến. Trên thực tế, hiện nay tại các 14 14 phòng thí nghiệm C, hoạt độ phóng xạ riêng của C của mẫu vật thường được xác định bằng phương pháp tổng hợp benzen và đếm nhấp nháy lỏng. Ở Việt Nam, phương pháp này cũng chưa phổ biến, do đó việc tìm hiểu và nghiên cứu về vấn đề này cũng là một vấn đề đang được quan tâm. Thông qua việc nghiên cứu đề tài này, tác giả có dịp tìm hiểu kĩ và sâu hơn về nội dung khoa học của phương pháp, tình hình trong và ngoài nước, cũng như được trực tiếp thực hiện các thí nghiệm xác định tuổi carbon phóng xạ các mẫu địa chất trên hệ đo tại phòng tại viện khảo cổ học Việt Nam. Với những lí do đó tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu đo tuổi carbon phóng xạ mẫu địa chất bằng detector nhấp nháy lỏng” làm đề tài luận văn thạc sỹ của mình. II. Mục đích nghiên cứu của đề tài. Góp phần nâng cao hiểu biết về tri thức vật lí hạt nhân và cách triển khai ứng dụng công nghệ hạt nhân trong thực tiễn. Ngoài ra, thành công của đề tài cũng sẽ trực tiếp góp phần xác lập giải pháp hữu hiệu trong phân tích xác định tuổi mẫu địa chất bằng phương pháp carbon phóng xạ tại Việt Nam.
III. Đối tượng nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các mẫu địa chất có chứa carbon và các vấn đề kỹ thuật chuyên môn liên quan đến đo hoạt độ phóng xạ beta bằng detector nhấp nháy lỏng (như: gia công mẫu, tổng hợp benzen, tạo detector….). IV. Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài nghiên cứu. Đề tài có ý nghĩa khoa học là sẽ góp phần nâng cao hiểu biết chung về tri thức vật lí hạt nhân cũng như cách thức triển khai ứng dụng các công nghệ hạt nhân trong đời sống kinh tế xã hội. Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ được ứng dụng trong triển khai phân tích xác định tuổi mẫu địa chất bằng phương pháp carbon phóng xạ tại Việt Nam. V. Phạm vi nghiên cứu. -Tiến hành nghiên cứu kĩ thuật và tiến hành đo tuổi carbon phóng xạ của mẫu địa chất trên hệ đo nhấp nháy lỏng. - Tiến hành thực nghiệm tại Viện khảo cổ học Việt Nam Luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận gồm các chương: Chương 1: Cơ sở khoa học của phương pháp. Chương 2: Thực nghiệm xác định tuổi carbon phóng xạ. Chương 3: Kết quả và thảo luận. Đề tài luận văn được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 10/2009 đến tháng 6/1010 tại Phòng thí nghiệm và Xác định niên đại, Viện Khảo cổ học Việt Nam.
Chương 1: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP 1.1. Phân bố đồng vị 14C trong tự nhiên. 1.1.1. Carbon phóng xạ và chu chuyển 14C trong môi trường. Trong tự nhiên, carbon có thể tồn tại ở dạng tinh khiết hay dưới dạng hợp chất vô cơ như: kim cương, than chì, than đá, đá vôi...hay hydrocarbonnat hòa tan trong nước. Ngoài ra, carbon còn là nguyên tố chủ yếu cấu tạo nên các hợp chất hữu cơ và là thành phần quan trọng để tạo ra các tổ chức sống. Trong khí quyển, carbon có trong các hợp chất khí, mà phổ biến là khí carbonđiôxit CO2. Qua con đường quang hợp, nguyên tố này sẽ được đưa vào trong trong các tổ chức tế bào của thực vật. Động vật ăn thực vật và hấp thụ carbon vào trong cơ thể mình. Nghĩa là, theo quá trình trao đổi chất sinh học, carbon sẽ được đưa vào trong mọi cơ thể sống. Trong tự nhiên carbon có ba đồng vị cơ bản đó là: 12C, 13C, 14C. Trong đó hai đồng vị đầu: 12 C, 13C là các đồng vị bền và chiếm phần chủ yếu (12C chiếm 99,63%; 13C chiếm 0,07%) còn 14C là đồng vị không bền, nó có khả năng phân rã phóng xạ β- (với chu kì bán rã là T1/2 =5730 năm) để trở thành nguyên tố khác. Carbon phóng xạ (14C) là một đồng vị có nhiều ứng dụng trong nghiên cứu địa chất, khảo cổ và các vấn đề về môi trường liên quan tới carbon. Nó là sản phẩm tương tác của tia vũ trụ với nguyên tử nitơ và được tạo ra liên tục trong bầu khí quyển ở độ cao 15km đến 20km tính từ mặt đất, theo phương trình phản ứng hạt nhân: n  147 N  146 C  p  0, 6MeV (1.1) Sau khi được tạo ra, carbon phóng xạ sẽ nhanh chóng bị oxi hóa thành khí 14CO2, và tham gia vào các chu trình hoạt động của carbon như những đồng vị carbon khác. Trong tự nhiên, CO2 là loại khí có tính chất linh động cao sẽ nhanh chóng phân tán khắp toàn cầu trong bầu khí quyển, sinh quyển và thủy quyển. Quá trình phân tán này được coi là rất nhanh 14 chóng, đồng đều. Sự tạo thành và quá trình chu chuyển của C trong môi trường được minh họa như (hình 1.1)
BỨC XẠ VŨ TRỤ 1 0 n 1 1 p 14 7 N 14 C 6 14 7 N  01 n 14 1 6 C  1p 14 6 CO 2 Quang hợp Trao đổi Trao đổi 14 Sò ốc CO2+H2O, mùn rác HỒ AO Ca 12CO3, Đá vôi ĐẠI DƯƠNG H 14 CO 3 , H 12 CO 3 ; Nước ngầm Hình 1.1. Sơ đồ về quá trình chu chuyển 14C trong tự nhiên Đồng vị 14C có khả năng phân rã β-, sau khi mất một điện tử nó sẽ chuyển thành đồng vị bền là 14N, theo phương trình sau: 14 6 C  147 N  01 e   (1.2) Bức xạ beta của 14C có năng lượng cực đại là Emax=156keV và đây là đồng vị phân rã beta mềm thuần túy. 1.1.2. Hiện tượng cân bằng đồng vị carbon trong tự nhiên. Như đã biết, luôn có hai quá trình ngược nhau xảy ra đối với hai đồng vị 14C và 14N: một là quá trình tạo ra đồng vị 14C từ 14 N do tác dụng của tia vũ trụ như phương trình (1.1); một là quá trình tự phân rã của 14C tạo thành 14N như chỉ ra ở phương trình (1.2). Quá trình này đã và đang diễn ra và từ rất lâu, lâu hơn rất nhiều so với chu kì bán rã của 14C là T1/2=5730 năm. Theo đó, nếu coi số 14 hạt nhân N trong khí quyển không bị thay đổi ngoài quá trình kích hoạt và thông lượng của
neutron là một hằng số thì đến nay lượng 14C tạo ra ở (1.1) và lượng 14C phân rã ở (1.2) là như nhau 14 C , nghĩa là tỉ số 12 không đổi . C 14 C Trong khí quyển tỉ số 12  1,3.10-12. Đồng thời theo quy ước của hiệp hội carbon phóng xạ C quốc tế, hoạt độ phóng xạ riêng của 14C trong 1gam carbon lấy từ không khí hay trong 1gam carbon tự nhiên là Ao=13,56 dpm/1gC hay 226Bq/1kgC. Tính chất cân bằng đồng vị carbon trong thực vật và trong môi trường sống dẫn tới kết quả 14 quan trọng sau: hoạt độ phóng xạ riêng của C trong một gam carbon tinh chế từ thực vật cũng bằng hoạt độ phóng xạ riêng của 14C trong một gam tinh chế từ khí quyển và bằng 226 Bq/1kgC. Nguyên nhân của sự cân bằng đồng vị này là do sự trao đổi chất không ngừng của sinh vật đối với môi trường sống. 1.2. Mô hình bài toán đo tuổi 14C trong mẫu địa chất. 1.2.1. Cơ sở của phương pháp. Ý tưởng sử dụng đồng vị 14C làm chất chỉ thị xác định tuổi cho những mẫu vật có liên quan đến sự sống đã được Wiliard Libby đề xuất năm 1949 và thành công của nó đã đem đến vinh dự cho nhà khoa học này giải thưởng Nobel năm 1960. Kể từ đó đến nay phương pháp này không ngừng được cải tiến hoàn chỉnh để ngày càng có những số liệu tin cậy hơn. 14 C Như đã nêu, khi còn sống sinh vật luôn duy trì tỉ lệ đồng vị 12 ở giá trị không đổi và bằng C 1,3.10-12. Khi không còn trao đổi chất với bên ngoài (sinh vật chết), không còn hấp thụ carbon nữa, lượng carbon phóng xạ (14C) trong chúng sẽ bị suy giảm theo quy luật phân rã phóng xạ với chu kì bán rã là 5730 năm, như phương trình (1.3). N=Noexp(-t) (1.3) trong đó: N và No lần lượt là số hạt nhân carbon phóng xạ còn lại trong quá trình phân rã sau thời gian t và số hạt nhân ban đầu,  là hằng số phóng xạ của 14C. Về mặt nguyên tắc, để xác định tuổi của mẫu vật chứa carbon ta phải xác định tỉ số đồng vị carbon tại thời điểm ban đầu và tỉ số đồng vị đó còn lại sau thời gian t, ứng với thời điểm xác định tuổi. Mặt khác do hàm lượng của 14C rất nhỏ nên để xác định hàm lượng 14C trong đối tượng nghiên cứu, chúng thường được đưa về dạng hợp chất chứa nguyên tử carbon. Trên thực tế bài toán xác định tuổi theo 14C được đưa về bài toán xác định hoạt độ phóng xạ riêng của 14C trong 1g hay 1kg C
thu được từ mẫu vật nghiên cứu chứa carbon. Phương trình (1.3) lại chuyển về dạng phương trình phân rã phóng xạ quen thuộc sau đây: 0, 693 A  A o exp( t) (1.4) T Trong đó: A, Ao là hoạt độ phóng xạ riêng của 14C trong một gam C được lấy từ mẫu phân tích tại 14 thời điểm t và thời điểm ban đầu, T là chu kì bán rã của C. Hoạt độ phóng xạ riêng Ao trong phương trình (1.4) có giá trị bằng 13,56 dpm/1gC hay bằng 226 Bq/1kgC. Lấy logarit tự nhiên hai vế phương trình (1.4), ta có phương trình tính tuổi 14C cho mẫu vật như sau: T A  t( ) ln  o  (1.5) ln 2  A  Trong đó: A, Ao lần lượt là hoạt độ phóng xạ riêng của 14C trong một gam carbon (C) được lấy từ mẫu phân tích tại thời điểm t và thời điểm ban đầu T là chu kì bán rã của 14C. Theo cách tính truyền thống, giá trị chu kì bán rã của 14C được lấy theo giá trị mà W. Libby đã thực hiện trước đây là 5568 ± 30 năm. Tuy nhiên cũng có thể chuyển đổi các kết quả tính tuổi 14 C này theo giá trị chu kì bán rã mới của 14C là 5730 ± 40 năm (do Godwin thực hiện năm 1962) bằng cách nhân kết quả với hệ số 1,03. Ngoài ra, cũng theo quy ước truyền thống, hàm lượng 14C ban đầu (Ao) trong mẫu sẽ được quy chuẩn về giá trị hàm lượng 14C trong khí quyển ở thời điểm năm 1950. Giá trị này đã được kiểm chứng bởi nhiều phòng thí nghiệm là 13,56 dpm/g (số phân rã diễn ra trong một phút trong 1g carbon) [4]. Tốc độ phân rã đồng vị 14C của mẫu đo tuổi tại thời điểm t được xác định qua các phép đo đối sánh với mẫu chuẩn 14C quốc tế. Tóm lại, khi sử dụng các giả thiết trên, kết quả tính tuổi carbon phóng xạ mẫu khảo cổ học được mặc nhiên quy chuẩn về mốc niên đại quy ước là năm 1950 AD (Anno Domini). Và tương ứng theo quy ước này, kết quả niên đại được viết theo đơn vị là năm hiện tại viết tắt là BP (Before present). Như vậy, có thể thấy: Phạm vi ứng dụng của phương pháp đo tuổi 14C là các mẫu có nguồn gốc từ cơ thể sống, tức là đã hấp thụ 14CO2 trong khí quyển và tuổi của mẫu là khoảng thời gian từ lúc ngừng trao đổi chất đến nay.
Để xác định chính xác tuổi của mẫu vật cần phải xác định chính xác các giá trị hoạt độ A, Ao. Với các mẫu vật có tuổi càng lớn, hoạt độ phóng xạ 14C càng nhỏ, giá trị A càng nhỏ. Vì vậy, bài toán xác định tuổi của các mẫu vật theo phương pháp đo hoạt độ 14C gắn liền với bài toán xác định hoạt độ phóng xạ nhỏ. 1.2.2. Hiệu chỉnh tuổi 14C. 1.2.2.1. Hiệu chỉnh theo niên đại vòng cây. Sử dụng các phương pháp chính xác hơn để xác định tuổi của đối tượng, như phương pháp đếm vòng cây, người ta đã phát hiện ra những sai lệch giữa tuổi thực và tuổi của đối tượng nghiên cứu theo phương pháp 14C. Sự sai lệch càng lớn khi niên đại của vật càng tăng. Các nghiên cứu cho thấy những nguyên nhân chính dẫn đến sự sai lệch như sau: - Sự thăng giáng của từ trường mặt trời làm cho dòng bức xạ chiếu tới Trái đất thay đổi. Qua phân tích, thời gian ứng với hàm lượng đồng vị 14C cao thường ứng với cực tiểu hoạt động của mặt trời. - Hoạt động của con người, sử dụng nhiên liệu hóa thạch, đặc biệt là các vụ nổ hạt nhân thử nghiệm. Các số liệu quan trắc đã chỉ ra rằng vào những năm 1966 -1967 hoạt độ phóng xạ riêng của 14 C trong khí quyển tăng lên gấp đôi so với đầu thế kỉ 20. Sau khi ngừng các vụ thử hạt nhân, hoạt độ phóng xạ riêng của 14C giảm dần có suy hướng đạt tới giá trị Ao. - Ngoài ra, những nghiên cứu chi tiết hơn về đời sống sinh vật cũng chỉ ra rằng còn có sự  14 C  khác biệt về tỉ số  12  trong các sinh vật hay các vùng khí quyển.  C Tóm lại, như đã thấy có sự biến đổi giá trị Ao trong công thức (1.4), vì vậy khi sử dụng 14 phương pháp C để xác định tuổi của mẫu vật, hiệp hội các phòng thí nghiệm carbon phóng xạ quốc tế đã đưa ra phép hiệu chỉnh tuổi 14C theo giá trị niên đại vòng cây. Từ đó, đã làm tăng đáng kể độ tin cậy của kết quả đo tuổi theo phương pháp này. 1.2.2.2. Hiệu chỉnh hệ số tách đồng vị. Về phương diện hóa học không có sự khác biệt đáng kể nào giữa các đồng vị của cùng một nguyên tố, nghĩa là các phản ứng hóa học xảy ra với tốc độ như nhau đối với các đồng vị của cùng một nguyên tố. Tuy nhiên về phương diện động học và sinh học tồn tại những hiệu ứng phân biệt hay lọc lựa khác nhau giữa đồng vị nặng và đồng vị nhẹ của một nguyên tố. Hiệu ứng đó gọi là hiệu ứng tách đồng vị hay hiệu ứng fractionation. Kết quả phân tích chính xác đã chỉ ra rằng trong các
 13 C   14 C  vật liệu có nguồn gốc khác nhau thì có giá trị tỉ số đồng vị  12  ,  12  khác nhau. Như vậy, cần  C  C hiệu chỉnh hệ số này khi xác định tuổi 14C cho mẫu vật. Trên thực tế, do hàm lượng 14C rất nhỏ nên phép hiệu chỉnh này đuợc tính qua chỉ số đồng vị 13  13 C  C. Cụ thể là Hiệp hội carbon phóng xạ quốc tế đã quy ước lấy tỉ số  12  trong một thành tạo đá  C vôi tại Bắc Mỹ làm chuẩn, theo đó chỉ số hiệu chỉnh hiệu ứng tách đồng vị được xác định theo công thức sau đây:  13 C   13 C   12    12  13  C sample  C st an dard  C .103 (1.6)  13 C   12   C st an dard  13 C   13 C   13 C  trong đó  12  ,  12  là tỉ số  12  trong mẫu nghiên cứu cần xác định tuổi và trong  C sample  C st an dard  C chuẩn tương ứng. Ý nghĩa: nó cho biết tỉ lệ sắp xếp các đồng vị carbon trong mẫu.  13 C  Tỉ số đồng vị  12  được xác định chủ yếu theo phương pháp khối phổ kế. Trong bảng 1.1. đưa  C ra hệ số tách đồng vị đối với 13C của một số vật liệu chứa carbon thường được sử dụng để xác định tuổi của các mẫu vật [4]. Bảng 1.1. Hệ số tách đồng vị 13C của một số vật liệu TT Vật liệu Hệ số 13C 1 Gốc CO3 có nguồn gốc biển 0 2 San hô -9 3 CO2 trong khí quyển -9 4 Xương -12 5 Than chì, than đá -23 6 Than củi -25
7 Gỗ -20 8 Thóc, họ ngũ cốc và kê (thực vật C4) -10 9 Sinh vật biển -15 10 Cacbonate trong nước ngọt -12 11 Thực vật nước ngọt -16 12 Hạt quả (lúa mì, yến mạch, gạo…) -23 13 Gỗ hiện tại, gỗ hóa than -25 14 Xương rồng -17 15 Cây ngũ cốc, thực vật bị phân hủy -27 1.3. Các phương pháp đo đồng vị carbon phóng xạ (14C). Hiện nay có ba kĩ thuật xác định hàm lượng đồng vị carbon phóng xạ (14C) chủ yếu. Đó là kĩ thuật đo bằng ống đếm tỉ lệ (GPC - Gas Proportional Counting), kĩ thuật đo bằng detector nhấp nháy lỏng (LSC - Liquid Scintillation Counting) và kĩ thuật đo bằng phổ kế gia tốc khối lượng (AMS - Accelarator Mass Spectro). 1.3.1. Kĩ thuật ghi đo hàm lượng 14C bằng phương pháp ống đếm chứa khí (GPC). Kĩ thuật này đã được nghiên cứu sử dụng ngay từ những năm 50 của thế kỷ 20. Nó đã được phát triển để trở thành một trong những kĩ thuật đo tuổi 14C phổ biến ở nhiều nước trong những năm 1960 -1980. Nội dung của phương pháp này như sau: mẫu sau khi được làm sạch, sẽ được xử lí để chuyển toàn bộ các nguyên tử carbon có trong nó trở thành hợp chất hữu cơ dạng khí mêtan (CH4), sau đó khí này sẽ được nạp vào ống đếm chứa khí có trường điện thế cao (khoảng vài kV) để xác định hoạt độ phóng xạ beta từ đồng vị 14C phát ra theo nguyên tắc của một ống đếm tỉ lệ. Ưu điểm 14 của phương pháp là có khả năng xác định trực tiếp hoạt độ phóng xạ C và dễ sử dụng. Nhược điểm là hiệu suất ghi thấp, nhiễu phép đo lớn, rất cồng kềnh và độ ổn định không cao, để chống nhiễu cho thiết bị người ta đã phải tạo ra những khối chì nặng hàng chục tấn [7].
Ngày nay, kĩ thuật này ít được khuyến khích phát triển và nó đang dần được thay thế bằng những thiết bị đo khác hiệu quả hơn. 1.3.2. Kĩ thuật đo đồng vị 14C bằng khối phổ gia tốc (AMS). Kĩ thuật này có thể đuợc coi là hiện đại nhất hiện nay, có độ nhạy rất cao, lượng mẫu cần cho phân tích ít. Nguyên lí hoạt động của kĩ thuật này có thể vắn tắt như sau: mẫu sau khi được làm sạch, sẽ được xử lí để chuyển toàn bộ carbon trong mẫu sang dạng khí CO2, sau đó khí này sẽ được xử lí để toàn bộ lượng carbon trong nó trở thành nguyên chất dưới dạng bia graphit. Khi đo, bia graphit sẽ được kích thích để tạo ra các ion carbon tự do (12C, 13 C, 14 C) trong buồng mẫu, sau đó dưới tác dụng của điện trường các ion này sẽ được định hướng bay tới các cửa sổ khác nhau ứng với khối lượng của mẫu đồng vị, trên cơ sở các số liệu ghi nhận về lượng đồng vị carbon sẽ đo được tuổi 14C cho mẫu nghiên cứu. Đây là một kĩ thuật đòi hỏi sự đầu tư ban đầu rất lớn, giá thành phân tích xác định niên đại carbon phóng xạ theo phương pháp này lớn gấp hai lần so với đo bằng kĩ thuật nhấp nháy lỏng. Cho nên, ngay ở những nước có nền kinh tế và khoa học kĩ thuật phát triển, việc ứng dụng đại trà cho nhu cầu phân tích xác định niên đại 14C bằng kĩ thuật này cũng không phải là một giải pháp được khuyến khích. Giải pháp thường được sử dụng ở các nước có nền khoa học phát triển là bên cạnh 14 các phòng thí nghiệm C được trang bị khối phổ kế, người ta vẫn xây dựng những phòng thí nghiệm đo nhấp nháy lỏng cho những nhu cầu xác định tuổi đại trà. 1.3.3. Kĩ thuật đo hoạt độ 14C bằng detector nhấp nháy lỏng. 14 Xác định hàm lượng C bằng đetectơ nhấp nháy lỏng là phương pháp đang được khuyến khích phát triển trong những năm gần đây, đặc biệt là trong lĩnh vực xác định tuổi và kiểm soát môi trường phóng xạ. Với sự trợ giúp của kĩ thuật vi xử lí, đã có những tiến bộ đột phá về công nghệ đo đạc bức xạ hạt nhân bằng detector nhấp nháy lỏng, cho phép nâng cao độ nhạy của phương pháp và có thể tiến hành các phép đo xác định hàm lượng 14C đạt độ chính xác cao. Ngoài ra, kĩ thuật này còn có ưu điểm đáng kể là dễ áp dụng, giá thành phân tích thấp, chưa bằng một nửa phương pháp AMS, không đòi hỏi đầu tư ban đầu lớn. Nghĩa là, rất phù hợp cho những nhu cầu phân tích xác định tuổi carbon phóng xạ đại trà cho mẫu địa chất và khảo cổ học bảng (1.2.)
Bảng 1.2. So sánh chỉ tiêu thực hiện phân tích xác định tuổi 14C trên các kĩ thuật đo khác nhau [3] TT Đặc tính kinh tế - Kĩ thuật AMS LSC GPC Lượng mẫu yêu cầu tối thiểu cho phép đo (tính theo 1 1mg 2,6g 2,6g carbon nguyên chất) Giá trị số đo (xung/phút) tối thiểu ghi được trên 2 900 56,5 30 mẫu chuẩn hiện đại 3 Phông nhiễu tối thiểu của phép đo 3.78 0.18 0.75 Giá trị hoạt độ tối thiểu đo được có thể đo được 4 0.42 0.66 2.4 (tính theo % mẫu chuẩn hiện tại) 5 Sai số phép đo tính theo mẫu chuẩn hiện tại (năm) ±52 ±35 ±35 6 Giá thành (không kể yêu cầu xác định thành phần) 500$ 250$ 250$ Như vậy có thể thấy, trong điều kiện nước ta hiện nay, lựa chọn phương pháp xác định hàm lượng 14C bằng hệ đo nhấp nháy lỏng là giải pháp phù hợp với điều kiện thực tế, đáp ứng nhu cầu nghiên cứu khoa học và phát triển kinh tế của đất nước. Đây cũng là giải pháp được chúng tôi lựa chọn thực hiện trong đề tài này. 1.4. Đo hoạt độ carbon phóng xạ bằng detector nhấp nháy lỏng. 1.4.1. Nguyên lí hệ đo. Detector nhấp nháy lỏng là một trong những bộ phận quan trọng nhất trong kĩ thuật ghi nhận bức xạ hạt nhân. Đây là phương pháp có độ nhạy cao và được ứng dụng rộng rãi trong việc đo hoạt độ anpha, beta. Đặc biệt trong xác định tuổi đồng vị 14C mẫu địa chất hay khảo cổ học. Bản chất của phương pháp đo nhấp nháy lỏng là xác định hoạt độ phóng xạ của chất cần đo qua việc đếm số chớp sáng phát ra từ dung dịch mẫu đo đã pha trộn chất nhấp nháy. Sơ đồ nguyên lí hệ đo carbon phóng xạ bằng detector nhấp nhày lỏng được chỉ trong hình 1.2.
2 3 4 5 1 2 Hình 1.2. Sơ đồ cấu trúc hệ đo 14C bằng detector nhấp nháy lỏng. 1. Mẫu đo có chứa detector nhấp nháy lỏng. 2. Ống nhân quang điện. 3. Mạch trùng phùng điện tử. 4. Khối phân tích xung. 5. Đếm và hiển thị. Sơ đồ hình trên cũng cho thấy, ngoài những mạch điện tử được nhà sản xuất gắn liền cùng với hệ đo là detector nhấp nháy lỏng. Detector này sẽ được chế tạo bởi những người làm thí nghiệm đo tuổi 14C và sẽ được chúng tôi trình bày kĩ dưới đây. 1.4.2. Detector nhấp nháy lỏng. Trong kĩ thuật bức xạ hạt nhân bằng detector nhấp nháy lỏng, chất đo và detector được pha trộn với nhau thành thể thống nhất, gồm có: 1.4.2.1. Chất dung môi. Dung dịch mẫu bao gồm các đồng vị phóng xạ cần đo và dung dịch nhấp nháy. Dung dịch nhấp nháy gồm một lượng nhỏ chất hòa tan và một lượng lớn dung môi. Đôi khi dung dịch chất nhấp nháy chứa một số phụ gia khác như chất hoạt động bề mặt. Điều này giúp cho dung dịch nước tan trong dung dịch hữu cơ. Dung dịch mẫu cần phải đồng nhất và trong suốt. Trong dung dịch mẫu có những hiện tượng sau xảy ra: Khi hấp thụ năng lượng bức xạ các phân tử dung môi chuyển sang trạng thái kích thích. Quá trình truyền năng lượng từ phân tử dung môi này đến phân tử dung môi khác và sau đó đến phân tử hòa tan. Quá trình truyền năng lượng từ phân tử dung môi ở trạng thái kích thích đến phân tử hòa tan. Sau cùng các phân tử hòa tan ở trạng thái kích thích sẽ chuyển về trạng thái cơ bản và phát sáng.
Do vậy chúng ta cần thêm vào mẫu một lượng nhất định dung dịch nhấp nháy gồm dung môi và chất hòa tan (chất nhấp nháy). Việc chọn lựa dung môi và chất hòa tan phù hợp sẽ góp phần tăng hiệu suất phép đo. Yêu cầu đối với dung môi dùng trong phép đo xác định hoạt độ 14C là: + Phải có khả năng chuyển đổi hiệu quả những năng lượng mang của bức xạ beta thành phổ ánh sáng khả kiến. + Phổ hấp thụ của chất dung môi phải cách xa và không che lấp phổ phát xạ của chất phát quang. + Phải có khả năng hòa tan tốt với benzen của mẫu đo, với chất phát quang, để tạo thành một thể thống nhất. 1.4.2.2. Chất phát quang. Chúng ta dựa vào vai trò các chất hòa tan (chất nhấp nháy hay còn gọi là chất phát quang) trong mẫu để phân loại. Có hai loại chất phát quang là sơ cấp và thứ cấp. Cường độ huỳnh quang phụ thuộc vào lượng chất phát quang sơ cấp. Tuy nhiên lượng dư chất phát quang sơ cấp gây nên hiệu ứng dập tắt và làm giảm cường độ huỳnh quang. Do vậy chúng ta cần cho một lượng tối ưu chất phát quang vào dung môi. Chất phát quang thứ cấp được sử dụng như tác nhân dịch chuyển bước sóng. Chúng làm cho phổ phát xạ dịch chuyển về phía có bước sóng dài hơn. Vì vậy khi dung dịch nhấp nháy hiện diện một loại hợp chất có phổ hấp thụ trùng lấp một phần phổ phát xạ của chất phát quang sơ cấp, chúng ta cần thêm vào dung dịch một chất phát quang thứ cấp để làm giảm hiệu ứng trùng lấp và tăng hiệu suất ghi. Như vậy, nhìn chung chất phát quang cần có một số tính chất sau: + Hiệu suất phát huỳnh quang lớn. + Thời gian kích thích phát huỳnh quang ngắn. + Bước sóng phổ hấp thụ khác bước sóng phổ phát xạ. + Khả năng hòa tan tốt trong dung môi. Sơ đồ cấu tạo detector nhấp nháy lỏng được chỉ trong hình 1.3.
4 Hình 1.3. Sơ đồ cấu tạo detector nhấp nháy lỏng 1.4.2.3. Quá trình tạo xung sáng trong detector nhấp nháy lỏng Các hạt beta có khả năng ion hóa tốt, quãng chạy của hạt beta trong môi trường vật chất phụ thuộc vào năng lượng mang của hạt và loại vật liệu. Khảo sát sự phụ thuộc quãng chạy của hạt beta vào năng lượng trong những môi trường khác nhau cho thấy: khi năng lượng mang của hạt càng cao thì quãng chạy càng lớn, ngược lại nếu vật liệu có mật độ khối càng cao thì quãng chạy càng nhỏ. Quãng chạy của hạt beta phát ra từ đồng vị 14C trong dung dịch đo cũng rất nhỏ, do đó cần có những giải pháp khắc phục khả năng lan truyền rất ngắn của hạt beta trong môi trường tạo detector nhấp nháy lỏng. Quá trình tiêu hao năng lượng xảy ra khi hạt beta va chạm với môi trường vật chất. Trong dung dịch lỏng, quãng chạy beta tương đối ngắn do quá trình tiêu hao năng lượng lớn. Môi trường hấp thụ năng lượng dưới 3 dạng: nhiệt, ion hóa hay kích thích các phân tử trong dung dịch. Khi đo bức xạ hạt nhân bằng detector nhấp nháy lỏng chúng ta không quan tâm nhiều đến quá trình kích thích các phân tử trong dung dịch. Song, để quá trình truyền năng lượng từ hạt beta đến các phân tử trong dung dịch hiệu quả, mẫu phân tích phải hòa tan tốt trong dung dịch. Khi các phân tử dung môi ở dạng kích thích, chúng sẽ truyền năng lượng đến các phân tử dung môi khác cũng như các phân tử hòa tan. Các phân tử hòa tan được truyền năng lượng chúng sẽ chuyển sang trạng thái kích thích. Khi chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản, phân tử hòa tan sẽ phát ra photon dưới dạng ánh sáng. Do vậy các hạt beta trong dung dịch sẽ va chạm với phân tử dung môi và kích thích phân tử nhấp nháy. Cường độ ánh sáng thu được tỉ lệ với năng lượng ban đầu của hạt beta. Dung dịch nhấp nháy có chức năng biến đổi động năng hạt beta thành năng lượng ánh sáng. 1.4.2.4. Biến đổi photon thành xung điện
Như đã biết, trong sự tương tác giữa các bức xạ hạt nhân với các chất phát sáng, các photon sẽ được hình thành. Năng lượng photon chủ yếu nằm trong vùng tử ngoại, trong dải phổ điện từ cũng có nhưng rất thấp. Sau đó, để xác định lượng photon phát ra một cách hiệu quả, chúng ta cần sử dụng ống nhân quang điện để chuyển các xung sáng thành tín hiệu điện và khuếch đại chúng. Mặt bên trong của ống nhân quang điện được phủ một lớp cảm quang có khả năng chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Nhờ vậy, các quang điện tử mang điện tích âm được phát ra và chuyển về điện cực dương. Quá trình này sẽ làm phát sinh ra nhiều electron hơn. Các electron này chuyển về điện cực thứ hai và tiếp tục sinh ra electron. Quá trình này cứ thế tiếp diễn (một ống nhân quang điện thường có 12 điện cực). Sau đó, ở lối ra của ống nhân quang điện sẽ sinh ra xung điện đặc trưng cho từng loại photon. Độ lớn xung điện tỉ lệ thuận với số photon được phát hiện tại catot quang điện. Nghĩa là, các quá trình tương tác của bức xạ hạt nhân trong detector nhấp nháy lỏng sẽ được phát hiện và ghi nhận dưới dạng các xung điện. Việc xác định mỗi loại bức xạ sẽ thực hiện qua việc giải mã hình dạng xung của các tín hiệu điện tử phát ra, chúng ta sử dụng Pulse height analyzer (máy phân tích biên độ xung) để phân tích xung và mỗi chiều cao xung được ấn định tại một kênh nhất định trong bộ nhớ. 1.5. Tình hình nghiên cứu và vấn đề quan tâm của luận văn. 1.5.1 Tình hình nghiên cứu. Đo tuổi 14C là một nhiệm vụ quan trọng trong nghiên cứu địa chất và khảo cổ học. Theo ước tính của hiệp hội carbon phóng xạ hiện nay trên thế giới có hàng trăm phòng thí nghiệm thực hiện đo tuổi 14C . Trong đó kĩ thuật đo tuổi carbon phóng xạ (14C) bằng detector nhấp nháy lỏng đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều phòng thí nghiệm. Đây là một kĩ thuật đuợc sử dụng để đáp ứng phần 14 lớn nhu cầu phân tích xác định niên đại C trong địa chất và khảo cổ học (Noeak, D.P (1998)’, Packard Instrument Co., Inc (1995). Hơn nữa, nhờ áp dụng kĩ thuật mới - kĩ thuật vi xử lí và số hóa, các thiết bị nhấp nháy lỏng dùng trong đo tuổi carbon phóng xạ ngày nay đã được cải thiện đáng kể. Chẳng những đã cho phép tăng cường độ nhạy của phép đo tuổi 14C lên đến 60 ngàn năm cách nay mà còn cho phép mở rộng lĩnh vực ứng dụng của kĩ thuật đo này sang nhiều ngành kinh tế - xã hội khác, như kiểm soát môi trường phóng xạ trong nước sinh hoạt, trong không khí và trong an toàn thực phẩm (Perkinelmer. 2008). Ở nước ta, trong một số năm gần đây cũng đã có một số công trình nghiên cứu triển khai đo tuổi 14C mẫu địa chất và khảo cổ học bằng kĩ thuật nhấp nháy lỏng (Nguyễn Quang Miên, Bùi Văn Loát 2006, Nguyễn Kiên Chính 1998...). Thành công từ những công trình này đã cho thấy tiềm năng ứng dụng to lớn và hiệu quả của phương pháp đo tuổi đồng vị 14C trong địa chất và khảo cổ học nước ta. Ngoài ra, cũng cho thấy cần phải có những nghiên cứu tăng cường độ tin cậy của phương
pháp cũng như mở rộng và phổ biến tri thức ứng dụng kĩ thuật này trong đời sống kinh tế - xã hội ở nước ta. 1.5.2. Những vấn đề quan tâm nghiên cứu của luận văn. Những vấn đề quan tâm nghiên cứu chính của luận văn sẽ bao gồm: + Tìm hiểu những cơ sở khoa học của phương pháp. + Nghiên cứu thực nghiệm đo tuổi đồng vị 14C mẫu địa chất, gồm: - Lựa chọn mẫu, gia công xử lí hóa học mẫu đo. - Chế tạo detector nhấp nháy lỏng và xây dựng cấu hình phép đo hoạt độ carbon phóng xạ trên hệ đo Tri-carb 2770 TR/SL. - Xử lí số liệu, đánh giá kết quả đo. + Đề xuất các giải pháp nghiên cứu trong thời gian tới.
Chương 2: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TUỔI CARBON PHÓNG XẠ 14 2.1. Nghiên cứu qui trình phân tích đo tuổi C trên mẫu địa chất sử dụng hệ đo Tri-carb 2770TR/SL. Quá trình thực hiện xác định tuổi carbon phóng xạ mẫu địa chất trên hệ đo nhấp nháy lỏng Tri-carb 2770 TR/SL được tiến hành qua nhiều công đoạn khác nhau và được biểu diễn trên Hình 2.1. Thu thập mẫu Làm sạch mẫu Làm giàu bằng kĩ thuật benzen hóa (Benzen synthersis) Tạo đetectơ nhấp nháy lỏng cho hệ đo Tri carb 2770TR/SL Đo bức xạ beta từ 14C trên hệ đo Tricarb 2770TR/SL Phân tích, xử lí đánh giá kết quả đo hàm lượng 14 C trên hệ đo Tricarb 2770TR/SL Tính tuổi hiệu chỉnh và minh giải kết quả Hình 2.1. Sơ đồ quy trình phân tích tuổi 14C mẫu địa chất sử dụng hệ đo nhấp nháy lỏng Tri-carb 2770 TR/SL 2.1.1. Thu thập mẫu. 14 Mong muốn của các nhà sưu tập mẫu là mẫu đo tuổi C phải phản ánh chính xác, khách quan niên đại đối tượng nghiên cứu mà họ quan tâm. Do vậy, cần lưu ý thu thập những mẫu có tính đại diện cao, thứ nữa là tránh sự xâm nhiễm của các nguồn carbon khác.