Đây là thiết bị hạt nhân tiên tiến được sử dụng trong các ngành công nghiệp, các ngành kinh tế - xã hội ở Việt Nam. Nếu thế kỷ XX là thời kỳ vàng của thiết bị phân tích XRF thì thế kỷ XXI sẽ là thời kỳ vàng của thiết bị PGNAA.
Bài viết cũng giới thiệu kỹ thuật PGNAA, quá trình thiết lập giải pháp chế tạo thiết bị nhằm cung cấp cơ sở khoa học để hiểu đầy đủ, hiểu sâu và thấy được hiệu quả sử dụng thiết bị PGNAA cho việc xác định hàm lượng nguyên tố hoá học trong các đối tượng đo.
Kỹ thuật PGNAA và thiết bị phân tích bằng Kỹ thuật PGNAA
Kỹ thuật phân tích PGNAA và XRAY là 2 trong số 4 kỹ thuật phân tích theo thời gian thực, trong số 7 kỹ thuật phân tích hàm lượng nguyên tố hoá học bằng phương pháp phân tích hạt nhân - nguyên tử [1,2]. Phân tích hàm lượng nguyên tố hoá học theo thời gian thực và không phá huỷ mẫu là cơ sở thiết lập chế độ đo trực tuyến (online) và tự động hoá khi được tích hợp vào dây chuyền công nghệ nhà máy.
Phân tích PGNAA tiếp tục phát triển trong các lĩnh vực đòi hỏi phân tích mẫu lớn, có nguyên tố nhẹ hoặc mẫu phức tạp trong các đối tượng muốn đo trực tuyến băng tải, đo di động hiện trường hoặc đo mẫu rời trong phòng thí nghiệm (PTN). Nhưng thiết bị PGNAA khó chiếm lĩnh thị trường rộng như thiết bị XRF do rào cản kỹ thuật và pháp lý.
PGNAA tiếp tục phát triển theo hướng tích hợp AI, tăng độ chính xác, thu nhỏ công suất nguồn và mở rộng ứng dụng với nhiều đối tượng đo trong các ngành kinh tế - kỹ thuật. Tuy nhiên, việc giảm kinh phí đầu tư, giảm chi phí vận hành và có tính an toàn bức xạ cao vẫn là yếu tố then chốt để công nghệ này được ứng dụng rộng rãi.
Có thể nói, PGNAA là một kỹ thuật phân tích hiện đại, ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành, lĩnh vực. Đây là công nghệ tiên tiến, đã được chứng minh rất hiệu quả khi phân tích nguyên liệu trong nhà máy xi măng, phân tích than trong các nhà máy nhiệt điện và xác định chất lượng than trong các công ty khai thác, chế biến than. Khi Việt Nam chế tạo và cung cấp cho thị trường thiết bị phân tích hàm lượng nguyên tố bằng kỹ thuật PGNAA thì có điều kiện mở rộng đối tượng đo và các hạn chế về làm chủ công nghệ PGNAA đã từng gặp trước đây sẽ được khắc phục.
Tiềm năng ứng dụng kỹ thuật PGNAA thực hiện việc phân tích hàm lượng nguyên tố hoá học trong mẫu đo là vô cùng lớn, có thể sử dụng cho nhiều ngành công nghiệp, cho y tế, an ninh - quốc phòng và nghiên cứu khoa học. Thiết bị PGNAA là thiết bị tiên tiến nhất hiện nay, trong nhiều năm tới chưa thể có loại thiết bị, kỹ thuật khác thay thế, do đó chúng sẽ ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên, việc làm chủ kỹ thuật kích hoạt (n, g) và chế tạo thiết bị là vô cùng khó, xử lý nhiều vấn đề phức tạp, đòi hỏi kinh phí khá lớn, hạ tầng kỹ thuật về thử nghiệm kỹ thuật hạt nhân phải tốt, cần thời gian để tích luỹ tri thức khoa học và đúc rút các bí quyết công nghệ.
Thiết bị PGNAA gồm ba phần: kiểm tra (đo mẫu) hiện trường; xử lý tín hiệu; truyền dữ liệu và phản hồi [2]. Các hệ thiết bị PGNAA sử dụng nguồn nơtron công suất nhỏ, có thể đo di động, phân tích mẫu rời trong PTN là các yếu tố cho phép giảm giá thành, mở rộng ứng dụng cho các đối tượng đo trong tương lai và dần thay thế cho thiết bị XRF ở nhiều vị trí quan trọng, trừ những vị trí chỉ phân tích lượng mẫu nhỏ. Kỹ thuật PGNAA và kỹ thuật XRF cùng được sử dụng, bổ sung cho nhau tùy vào nhu cầu cụ thể của các ngành kinh tế và nghiên cứu khoa học.
Quá trình thiết lập các giải pháp chế tạo thiết bị PGNAA
Ngay từ những năm 2000, kỹ thuật PGNAA đã thu hút sự quan tâm đặc biệt của một số nhà khoa học - nhóm NCS, nghiên cứu - triển khai về thiết bị và hệ điều khiển hạt nhân của Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân. Việc nghiên cứu triển khai kỹ thuật PGNAA gồm nhiều giai đoạn: bắt đầu từ việc tiếp nhận kỹ thuật được chuyển giao từ IAEA thông qua Dự án hợp tác Vùng Châu Á - Thái Bình dương (2001 - 2008); nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích nhanh độ tro thế hệ thứ nhất (2010 - 2012); chế tạo thiết bị phân tích nhanh độ tro thế hệ thứ hai (2016 - 2017) và tiến tới xây dựng thành công các giải pháp kỹ thuật cho việc chế tạo thiết bị thế hệ thứ ba - đa chức năng theo hướng tiên tiến, hiện đại (2020 - 2023).
Dự án hợp tác vùng Châu Á - Thái Bình Dương, liên tục trong các năm tài khóa từ năm 2001 đến năm 2008 (RAS/8/089, RAS/8/094, RAS/8/099, RAS/8/107) về “Lợi ích của việc ứng dụng các phương pháp, kỹ thuật hạt nhân sử dụng nguồn thấp trong kỹ nghệ khai khoáng đối với việc thăm dò và khai thác khoáng sản” do IAEA chủ trì nhằm mục đích giới thiệu, trình diễn và chuyển giao các kỹ thuật phân tích hạt nhân hiện đại trong lĩnh vực khai thác than và mỏ kim loại từ 03 nước công nghiệp phát triển (Úc, Nhật, New Zealand) cho 12 nước trong vùng (Trung Quốc, Hàn Quốc, Ấn Độ, Bangladesh, Pakistance, Srilanca, Indonesia, Malaysia, Mianma, Mông Cổ, Thailand và Việt Nam). Một số thiết bị phân tích hạt nhân tiên tiến được trình diễn trong các hội thảo quốc tế tại Hà Nội và Bắc Kinh và chuyển giao cho Việt Nam như: Phân tích nguyên tố theo phương pháp XRAY - thiết bị của NewZealand; phân tích mật độ, độ ẩm nền đường và dưới nền đường bằng kỹ thuật nơtron - gamma, với 02 loại thiết bị của Nhật; thiết bị của Úc có 4 loại bao gồm: phân tích độ tro đống than, độ tro vỉa than, xác định độ tro theo bề dày các lớp than theo chiều sâu lỗ khoan bằng kỹ thuật gamma - gamma và bằng kỹ thuật PGNAA. Phương pháp và kỹ thuật xác định độ tro than đo offline trong PTN (loại này IAEA chuyển giao cho Trung Quốc) và xác định độ tro than theo chiều sâu lỗ khoan (đo online) bằng kỹ thuật PGNAA đã giúp cho nhóm NCS thực hiện thành công đề tài cấp bộ (2010 - 2012).
Từ năm 2010 - 2012, Viện KH&KT hạt nhân triển khai đề tài cấp bộ “Nghiên cứu xây dựng hệ thiết bị phân tích nhanh độ tro than sử dụng kỹ thuật PGNAA với nguồn phát nơtron”. Đề tài sử dụng nguồn Cf-252 nhập khẩu tháng 9/2003 có công suất 5 µg tương ứng 1,155 x 107 n/s để chế tạo hệ đo, hình 1. Đây là thiết bị PGNAA thế hệ thứ nhất được chế tạo theo cấu hình 4π (nguồn phóng xạ phát theo hình cầu).
Thiết bị chế tạo năm 2011 có 3 phần, gồm: Khối kiểm tra đo mẫu có 2 khối gắn kết với nhau, đó là container chứa nguồn phóng xạ và thùng đo mẫu than. Khi đo mẫu, nguồn phóng xạ được đẩy từ container chứa nguồn sang vị trí giữa thùng chứa than, khi không đo thì nguồn được kéo trở về vị trí lưu giữ trong container (hình 1 bên trái); Khối xử lý tín hiệu gồm ống đầu đo và hộp xử lý tín hiệu. Ống đầu đo hình trụ tròn cắm vào thùng chứa than. Ống đầu đo có đường kính 60mm, dài 800mm (chứa đầu thu, cao áp, tiền khuếch đại, khuếch đại, nguồn nuôi và bộ ghép nối truyền tín hiệu về hộp xử lý). Hộp xử lý tín hiệu (gồm bộ đệm nhận tín hiệu, bộ biến đổi số ADC, bộ ghép nối với máy tính) kết nối với máy tính qua cổng USB; Khối truyền dữ liệu và phản hồi bao gồm chương trình phần mềm các quá trình thu phổ, biểu diễn phổ, ổn định phổ, xử lý phổ theo thời gian thực, ghi nhớ các thông số và số liệu trong quá trình hoạt động vào bộ nhớ máy tính, so sánh kết quả thu được với thông số đặt ở đầu vào để điều khiển các quá trình thu phổ, ổn định phổ,…
Các thông số kỹ thuật của hệ thiết bị như sau: nguồn nơtron Cf-252 có công suất phát tại thời điểm tháng 9/2011 là 1,42 x 106 n/s; đầu thu BGO kích thước 2” x 2”; ADC có độ phân giải 2048 kênh với dải năng lượng đo từ 0 - 10,8MeV; cao áp 1600 VDC; lượng mẫu than phân tích 500kg; thời gian phân tích mẫu 600s; liều bức xạ gây bởi neutron và gamma ở xung quanh hệ đo nhỏ hơn so với mức liều cho phép theo quy định của IAEA; kết quả xác định độ tro có sai số tuyệt đối nhỏ hơn 1%. Kết quả đề tài đã được Hội đồng KHCN nghiệm thu cấp Bộ của Viện NLNT Việt Nam họp nghiệm thu ngày 22 tháng 02 năm 2012 tại Hà Nội và được trình bày chi tiết trong tài liệu [3].
 |
| Hình 1. Hệ phân tích nhanh độ tro than bằng kỹ thuật PGNAA chế tạo 2011 |
Tháng 11 năm 2012, hợp tác song phương theo chương trình MEXT về nghiên cứu khoa học giữa Viện NLNT Việt Nam và Cơ quan năng lượng nguyên tử Nhật Bản (Japan Atomic Energy Agency - JAEA), nhóm NCS đã đón 01 chuyên gia, TS. Yuichi Hatsukawa từ JAEA- Tokai, Ibaraki JAPAN sang làm việc 02 tuần về phân tích kích hoạt neutron. Trong dịp này nhóm NCS cùng chuyên gia đi khảo sát thị trường ứng dụng kỹ thuật hạt nhân và tổ chức hội thảo giới thiệu thiết bị phân tích nhanh độ tro than bằng kỹ thuật PGNAA chế tạo năm 2011 tại Công ty Tuyển than Hòn Gai (hình 2).
 |
| Hình 2: Hội thảo tại Công ty tuyển than Hòn Gai ngày 22/11/2012 |
Trong hội thảo này, các chuyên gia kỹ thuật, cán bộ lãnh đạo quản lý của Công ty và đại diện lãnh đạo Sở KHCN Quảng Ninh đều đánh giá rất cao ưu điểm, các tính năng kỹ thuật của thiết bị như không phải gia công mẫu, phân tích nhanh, đo chính xác độ tro than và đặc biệt có thể xác định được hàm lượng các nguyên tố hoá học trong mẫu đo. Nhưng hệ đo này sử dụng lượng mẫu đo quá lớn, không thể ứng dụng được trong thực tế, cần phải tìm giải pháp để giảm lượng mẫu đo xuống càng nhỏ càng tốt. Công ty tuyển than và các công ty khai thác chế biến than đều mong muốn có được thiết bị cải tiến này để sử dụng.
Chính vì yêu cầu đó, năm 2016, nhóm NCS triển khai dự án nghiên cứu: “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị phân tích nhanh độ tro than bằng kỹ thuật PGNAA với khối lượng mẫu nhỏ”. Nhóm tập trung phát triển khối đo - kiểm tra mẫu, thiết kế chế tạo lại khối đo (chiếu xạ mẫu đo), sử dụng phần thiết bị đã có gồm khối xử lý tín hiệu và khối truyền tín hiệu và phản hồi để tạo ra hệ đo mới thế hệ thứ hai, cấu hình 2π.
Trước đây, hệ đo cấu hình 4π, các nơtron từ nguồn phát ra theo các hướng hình cầu tương tác trực tiếp với mẫu, bề dày mẫu xung quanh vị trí nguồn cần đủ lớn để làm chậm nơtron, gây phản ứng tạo ra gamma đặc trưng và hạn chế nơtron đi đến đầu thu, đó là lý do phải sử dụng lượng mẫu lớn, đến 500kg. Với hệ phân tích cải tiến, không dùng mẫu để làm chậm nơtron, lượng mẫu cần vừa đủ để trực tiếp bị nơtron kích thích các nguyên tố có trong mẫu phát ra gamma tức thời. Mặt khác, với cấu hình 4π, nếu lượng mẫu nhỏ thì số n đi vào mẫu sẽ rất ít, muốn có đủ số phản ứng cần thiết thì công suất nguồn phát phải rất lớn để có nhiều n đi vào mẫu nhưng đây lại là trở ngại bất khả thi do đó phải tìm cách để gia tăng số n được phát ra từ nguồn đều đi vào mẫu mà không cần tăng công suất phát của nguồn. Cách xử lý hiệu quả là làm sao để số n phát ra ở các hướng hình cầu không có mẫu phản xạ ngược trở lại hướng hình cầu có đặt mẫu đo và tính toán để nhiệt hóa hầu hết các n bao gồm cả n đã được phản xạ và tăng cường thông lượng nơtron nhiệt trong hộp chứa mẫu.
Nhóm NCS sử dụng MCNP (Monte-carlo N-Particle) là chương trình ứng dụng phương pháp mô phỏng Monte carlo nhằm tính toán các quá trình vật lý, các quá trình phân rã hạt nhân, tương tác giữa các bức xạ nơtron, photon, electron với vật chất,… Đây là một công cụ tính toán rất mạnh, có thể mô phỏng các quá trình vận chuyển nơtron, photon và electron,… thông qua việc gieo số ngẫu nhiên tuân theo các quy luật phân bố, sử dụng các thư viện chuẩn hạt nhân liên quan tới tiết diện phản ứng, xác xuất phát gamma nhằm giải quyết các bài toán vật lý trong thiết kế hệ đo, tối ưu hóa hệ thí nghiệm, tính toán an toàn bức xạ, tính toán liều trong y học hạt nhân,… Trong bài toán mô phỏng này việc sử dụng công cụ MCNP5 nhằm tính toán, mô phỏng và ước lượng thông lượng của nơtron nhiệt, notron nhanh, tính toán an toàn bức xạ và phổ gamma dựa trên quá trình mô phỏng vận chuyển nơtron qua các vật liệu khác nhau, từ đó xây dựng, thử nghiệm một hệ thiết bị PGNAA với cấu hình đo mẫu nhỏ. Cần phải tính toán bề dày tối ưu của vật liệu phản xạ, vật liệu nhiệt hoá, vật liệu hấp thụ nơtron và vật liệu cản xạ che chắn n và g ra ngoài môi trường; tính toán số phản ứng và các thông số liên quan khi hệ đo sử dụng lượng mẫu đo 10kg.
Có thể hình dung, khối đo bao gồm nguồn phóng xạ và chứa mẫu là một hình trụ tròn. Vị trí nguồn phóng xạ được đặt trên trục tâm, phía trên nguồn là lớp làm chậm sử dụng để nhiệt hoá n, phía dưới nguồn là lớp vật liệu để phản xạ n, nhằm phản xạ các n phát ra từ nguồn về hướng nửa hình cầu phía dưới phản xạ trở lại lên phía trên nhằm tăng cường thông lượng n trong buồng chiếu mẫu. Xung quanh hộp mẫu cũng là lớp vật liệu làm chậm kết hợp phản xạ để các n có hướng đi ra ngoài được phản xạ đi vào mẫu. Lớp dưới vật liệu phản xạ và các vòng ngoài xung quanh lớp vật liệu làm chậm - phản xạ là lớp vật liệu hấp thụ n. Lớp ngoài cùng có tác dụng chịu lực và để che chắn cản bức xạ n, g đi ra môi trường. Hộp đựng mẫu là trụ tròn bằng nhựa PE nằm đồng trục, trong lòng trụ tròn khối đo. Tâm trục hộp chứa mẫu đặt ống đầu đo. Bố trí các lớp vật liệu như trên hình 3 (bên phải).
 |
| Hình 3. Cấu hình đo 4π (bên trái) và cấu hình đo 2π (bên phải) |
Thông qua việc mô phỏng vận chuyển n qua các vật liệu khác nhau bằng việc sử dụng chương trình MCNP5, đã giải quyết các bài toán nhiệt hóa, phản xạ và an toàn bức xạ nhằm tối ưu hóa cấu hình hệ phân tích nhanh độ tro than với khối lượng 10kg (mẫu nhỏ) bằng phương pháp PGNAA. Trong đó, các tính toán chỉ thực hiện với nguồn nơtron là 252Cf có công suất phát 107n/s và với một loại đầu dò là BGO có kích thước 2”x2”. Kết quả tính toán cho thấy, với thông lượng nguồn như trên, chỉ cần đầu dò có kích thước 2”x2” và với thể tích mẫu nhỏ như đã tính toán là có thể thu được phổ riêng biệt với các loại than có độ tro khác nhau. Thông qua MCNP, phổ gamma tức thời thu nhận được tại đầu thu được tạo thành chủ yếu do quá trình tương tác của nơtron với các nguyên tố có trong than. Các nguyên tố nhẹ và trung bình như Ca, Fe, Si, Al, Ti là thành phần chính trong tro than có tiết diện bắt notron nhiệt lớn, vì vậy dễ dàng phát ra các bức xạ g tức thời từ phản ứng bắt (n, g) tạo thành các đỉnh gamma đặc trưng. Đây là những kết quả quan trọng, cho biết có thể xác định được hàm lượng các nguyên tố và độ tro than trong mẫu đo.
Từ kết quả mô phỏng, đã lựa chọn tối ưu việc sử dụng loại vật liệu với chiều dày tương ứng cho các lớp phản xạ, làm chậm, hấp thụ n và cản xạ (n và g) để chế tạo khối đo mẫu; sử dụng khối xử lý tín hiệu, khối biểu diễn truyền tín hiệu và phản hồi (chế tạo năm 2011) thành thiết bị phân tích trực tuyến độ tro than theo thời gian thực bằng kỹ thuật PGNAA với khối lượng mẫu nhỏ (10kg), hình 3 bên phải & hình 4.
 |
| Hình 4. Thiết bị PGNAA đo độ tro thế hệ thứ 2 chế tạo năm 2016 |
Hệ đo sử dụng nguồn neutron Cf-252 nhập khẩu tháng 9/2003, công suất phát tháng 9/2016 là 3,94 x 105 n/s. Thực nghiệm cho thấy: thời gian phân tích mẫu than khoảng 400s; khối lượng mẫu than phân tích trên dưới 10kg; kết quả phân tích vẫn đảm bảo độ tin cậy như kết quả đo năm 2011- 2012. Nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm thiết bị PGNAA đo độ tro với khối lượng mẫu nhỏ được trình bày trong bài báo [4].
Cấu hình này cũng đã được sinh viên lớp kỹ thuật hạt nhân K57, Viện Vật lý hạt nhân và Kỹ thuật môi trường - Đại học Bách khoa Hà Nội thực hành tính toán trên MCNP5 và thu phổ xây dựng quy trình đo, đo xác định độ tro các mẫu than trên hệ thiết bị thứ 2. Mặc dù có một số điều kiện đầu vào thay đổi nhưng kết quả tính toán trên MCNP5 cho thấy lựa chọn các vật liệu phản xạ, làm chậm, cản xạ,… là giống nhau. Kết quả đo độ tro các mẫu than là khá phù hợp với kết quả trong tài liệu [4]. Quá trình tính toán, các số liệu mô phỏng cấu hình, số liệu thực nghiệm hệ đo đã được luận giải trong khoá luận tốt nghiệp của sinh viên và được Hội đồng chấm luận văn của Viện Vật lý hạt nhân và Kỹ thuật môi trường đánh giá cao.
Đẩy mạnh công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, các nhà máy nhiệt điện than đang vận hành và đang xây dựng chuẩn bị đi vào hoạt động cần phải áp dụng các tiêu chuẩn hiệu suất cao, sử dụng hiệu quả lượng than đưa vào đốt để nhận được nhiệt trị cao nhất và lượng xả thải (tro, xỉ và khí) ra môi trường ít nhất. Do đó phải nâng cấp, chuyển đổi công nghệ, thay đổi căn bản việc phân tích hóa lý chất lượng than trong PTN, đầu tư lắp đặt thiết bị phân tích trực tuyến các thông số chất lượng than. Đây chính là cơ hội, mở ra thời kỳ chế tạo và cung cấp các hệ điều khiển hạt nhân, thiết bị PGNAA tiên tiến cho các nhà máy điện than và ngành năng lượng ở Việt Nam [5].
Trước cơ hội các hệ điều khiển hạt nhân được sử dụng rộng rãi trong ngành năng lượng, nhóm NCS triển khai dự án nghiên cứu thứ 2: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thiết bị phân tích trực tuyến chất lượng than theo thời gian thực bằng kỹ thuật phân tích kích hoạt neutron gamma tức thời - PGNAA”.
Mục tiêu là chế tạo được hệ thiết bị sử dụng nguồn phóng xạ nơtron Cf-252 có công suất phát 2x10^7n/s xác định chất lượng than trên mẫu than 3-5 kg, đo offline theo phương pháp PGNAA. Thiết bị phân tích xác định được 5 thông số cơ bản: độ tro, độ ẩm toàn phần, lưu huỳnh, nhiệt lượng, chất bốc và xác định hàm lượng 10 ôxit trong tro than: SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, P2O5, TiO2, Na2O, K2O, SO3; Thời gian phân tích một mẫu từ 400 - 600s; phân tích tốt cho các loại than cám thương mại theo TCVN 8910:2020; thay mẫu bằng tay, tự động điều khiển đóng, mở nguồn, tự động phân tích mẫu và xuất kết quả. Thiết bị đáp ứng tốt quy định về an toàn bức xạ, về an ninh nguồn phóng xạ; có cơ cấu tự động mở nguồn khi thiết bị hoạt động, tự động đóng nguồn khi dừng hoạt động hoặc khi có sự cố. Hệ thiết bị chắc chắn, bền vững cơ học, có thể đo di động đo hiện trường với độ an toàn cao và có thể lắp đặt thành hệ đo online băng tải.
Đối với kỹ thuật PGNAA, sự ra đời các hệ đo băng tải đã có từ rất sớm do sự nổi trội các tính năng kỹ thuật và phù hợp với việc lắp đặt tại các khu vực ít người qua lại. Thiết bị PGNAA đã được nghiên cứu, chế tạo và sử dụng khá phổ biến từ những năm chín mươi của thế kỷ trước trong một số ngành công nghiệp như khai thác than, khoáng sản, sản xuất xi măng và nhà máy nhiệt điện than. Nhiều hãng nổi tiếng trên thế giới cung cấp loại thiết bị này như ThermoFisher; Scantech International PTY LTD, GEOSCAN; Bretby Gammatech; Realtime Instrument (RTI),... với các hệ thiết bị PGNAA model như: CB-OMNI, Coalscan 9500X, GEOSCAN, RTI,... Cho đến nay, có thể tìm thấy thiết bị PGNAA của nhiều hãng chế tạo đang đo online trên băng tải trong nhà máy nhiệt điện và trong nhà máy xi măng nhưng hầu như không tìm thấy thiết bị PGNAA phân tích offline trong PTN được thương mại trên thế giới. Thực tế cho thấy với nguồn phát công suất lớn thì hệ thiết bị đo offline trong PTN sẽ rất nặng nề, cồng kềnh và việc sử dụng thiết bị để đo mẫu rời là không kinh tế.
Sử dụng chương trình MCNP5 tính toán sử dụng vật liệu cho hệ đo mới và xây dựng các giải pháp kỹ thuật để chế tạo các khối: Khối kiểm tra đo mẫu, xử lý tín hiệu, truyền số liệu và phản hồi.
(i) Khối kiểm tra (đo hiện trường) gồm khối chứa nguồn là hình hộp vuông, bao gọn hình cầu có bản kính (r) 300mm có cơ cấu chứa nguồn phóng xạ hình trụ đặt tại trục tâm của khối, có thể di chuyển 180º. Khối chứa nguồn bao gồm cơ cấu hình trụ chứa nguồn được kết cấu gồm các lớp bao xung quanh nguồn là lớp phản xạ, hấp thụ n, cản xạ (n, g) và chịu lực. Riêng góc chóp nón, từ nguồn đến cửa chiếu nguồn là vật liệu làm chậm (hình 5, ngoài bên trái).
 |
| Hình 5. Các lớp vật liệu tăng cường công suất phát n vào mẫu đo và cấu hình đo |
Nằm giữa khối nguồn và khối xử lý tín hiệu (hộp đầu đo) là mẫu đo. Khi chiếu mẫu, cơ cấu hình trụ chứa nguồn xoay 180º từ vị trí bảo quản tới vị trí mở nguồn, n phát ra từ nguồn và n phản xạ về đâm xuyên qua lớp làm chậm đi về cửa chiếu nguồn và đi vào mẫu đo. Khi không chiếu mẫu thì nguồn nằm ở vị trí khoá nguồn an toàn, n phát ra từ nguồn được phản xạ về tâm nguồn, những n không bị phản xạ và n đâm xuyên qua lớp phản xạ sẽ được hấp thụ trong lớp tiếp theo. Việc quay khối trụ tròn chứa nguồn một góc 180º từ vị trí khoá nguồn an toàn đến vị trí chiếu mẫu và ngược lại được điều khiển tự động và có cơ chế tự khoá an toàn khi gặp sự cố như mất điện. Việc tính toán, lựa chọn vật liệu phản xạ, làm chậm, hấp thụ nơtron, cản xạ,... tuân thủ các bước tính toán giống như khi thiết kế hệ đo cấu hình 2π.
(ii) Khối xử lý tín hiệu bao gồm đầu thu BGO và các mạch điện tử (tiền khuếch đại, khuếch đại, biến đổi ADC, cao áp, nguồn nuôi thấp áp, mạch điều khiển ổn định nhiệt độ, mạch vi xử lý và mạch truyền thông về máy tính qua cổng USB và cổng RS485 đều được đặt trong một hộp, gọi là hộp đầu thu. Máy tính kết nối với hộp đầu thu thực hiện chức năng khối truyền tín hiệu, biểu diễn và phản hồi.
(iii) Khối truyền tín hiệu, biểu diễn và phản hồi: Khối này được bổ sung nhiều chức năng. Ngoài các chức năng đã có như thu phổ, biểu diễn phổ, ổn định phổ, tính toán độ tro; thêm các chức năng như: điều khiển ổn định nhiệt độ trong khối đầu thu, điều khiển đóng mở nguồn phóng xạ, cộng phổ thu (khi sử dụng thêm các đầu đo để tăng số đếm), xác định các cửa sổ năng lượng theo yêu cầu của thuật toán xử lý phổ làm đường chuẩn và tính toán ra thông số đúng theo thời gian thực khi phân tích; thiết lập các phương trình hồi quy tuyến tính để tính hàm lượng từng nguyên tố; thiết lập và giải ma trận hệ số ảnh hưởng để tính lại hàm lượng một số nguyên tố có ít số gamma đặc trưng, không đủ số đếm cần thiết theo độ nhạy yêu cầu; thiết lập mạng trí tuệ nhân tạo để tính toán hàm lượng các nguyên tố đóng góp vào sự cháy, các thông số trung gian mà không thể trực tiếp xác định từ phổ năng lượng/số đếm,...
Trong thời gian thực hiện dự án, nhóm nghiên cứu nhận thấy thiết bị PGNAA thế hệ mới có nhiều tính năng kỹ thuật đáp ứng được yêu cầu của ngành than, nhóm NCS đề xuất với Tập đoàn Công nghiệp Than và Khoáng sản Việt Nam (TKV) và được Tập đoàn chỉ đạo Ban Khoa học, Công nghệ và Môi trường (KCM) tổ chức hội thảo tại Công ty CP Giám định Hòn gai - Vinacomin (Quacontrol) là đơn vị chuyên giám định chất lượng than cho tất cả các đơn vị khai thác trong Tập đoàn. Hội thảo (hình 6) đã thu được kết quả rất tốt, thu nhận được các ý kiến phản biện về thiết bị, đề xuất nhiều thông số chất lượng mà thiết bị có thể tính toán và xuất kết quả phép đo. Đặc biệt, hội thảo đã mang lại sự tin tưởng về tiềm năng ứng dụng của thiết bị phân tích mẫu theo thời gian thực bằng kỹ thuật PGNAA.
 |
| Hình 6. Hội thảo tại Công ty CP Giám định - Vinacomin, Hạ Long, ngày 22/6/2022 |
Cơ sở dữ liệu phổ và quá trình xử lý phổ gamma. Thiết lập được chế độ thu phổ ổn định của hệ đo thế hệ thứ nhất và thứ hai với các thông số kỹ thuật: Cao áp 1600V cho đầu thu BGO; ADC 2048 kênh; hai lựa chọn biểu diễn phổ theo kênh của ADC là 2048 hoặc theo giải năng lượng đo từ 0 - 10 MeV (độ phân giải 01 kênh là 5 KeV); ngưỡng mức tín hiệu vào ADC phân tích và biểu diễn từ 100 keV đến 10 MeV nhằm loại bỏ nền Compton dưới 100 keV; Biểu diễn phổ mặc định kênh 420 với nguyên tố H tương ứng với mức năng lượng 2,22MeV, điều khiển số thay đổi hệ số khuếch đại từ 1 ÷ 256. Chế độ mặc định ổn định phổ theo hệ số khếch đại tự điều chỉnh khi vào thu phổ, đỉnh hydro ở kênh 420 (tương ứng 2,22 MeV). Khi đỉnh H về kênh 420 hoặc ở 2,22MeV, bật chế độ ổn định phổ về tự động, sau đó thực hiện xoá dữ liệu phổ để bắt đầu thực hiện quá trình thu phổ. Ngay sau khi xoá phổ, quá trình đo được bắt đầu và thực hiện đếm lùi thời gian cho đến khi thời gian đo về bằng 0.
Xây dựng quy trình đo cho các hệ thiết bị, các thí nghiệm sau đã được tiến hành:
Các thời kỳ khảo sát hệ đo và thu phổ để xử lý số liệu: thực hiện đề tài 2011 - 2012; thực hiện hợp tác với IAEA (16/9 - 14/12/2013), cán bộ người Pakistance thực tập khoa học trên hệ đo PGNAA chế tạo năm 2011; thời gian đo thử nghiệm trên hệ đo PGNAA với khối lượng mẫu nhỏ 2016 - 2017; thời gian sinh viên thực tập làm đồ án tốt nghiệp từ tháng 2 đến tháng 5 năm 2017.
Mẫu than dùng thu phổ: Khu vực thực nghiệm của PTN có khoảng 20 mẫu than các loại, từ cám 1 cho đến cám 4b, độ tro từ 5 - 25%. Có 5 loại than có khối lượng lớn, mỗi mẫu khoảng 600kg, còn lại hầu hết là các mẫu có khối lượng từ 100 - 200kg. Than được mua từ Công ty Tuyển than Hòn gai (than đã tuyển) và Công ty Than Hà Tu (than lộ thiên) trong các dịp tổ chức hội thảo quốc tế (2001 - 2004), thực hiện đề tài (2011 - 2012) và năm 2013 trước khi đón thực tập sinh nước ngoài.
Với số lượng hàng trăm file phổ thu được trong quá trình làm đường chuẩn, thu phổ xây dựng quy trình, thu phổ mẫu đo xác định độ tro cho 2 thiết bị, thế hệ thứ nhất và thế hệ thứ 2 là rất phong phú, đủ để làm cơ sở dữ liệu cho việc xây dựng hàm của ma trận hệ số và thiết lập mạng trí tuệ nhân tạo cho hệ thiết bị thứ 3.
Đăng ký bảo hộ giải pháp hữu ích
Giữa năm 2023, thiết lập được các giải pháp kỹ thuật để chế tạo thiết bị phân tích hàm lượng các nguyên tố hoá học, xác định các thông số về chất lượng của mẫu đo; của vật liệu trên băng tải nguyên liệu nhà máy sản xuất xi măng; của than trên băng tải của nhà máy nhiệt điện và của các công ty khai thác - chế biến than bằng kỹ thuật PGNAA. Tuy nhiên, do không tìm được nguồn kinh phí từ Nhà nước để chế tạo thiết bị cung cấp cho thị trường, được sự đồng ý của Lãnh đạo Viện KH&KT hạt nhân, tác giả tiến hành đăng ký bản quyền “Giải pháp hữu ích - GPHI” với cơ quan quản lý Nhà nước. Ngày 22/10/2025, Cục SHTT ra Quyết định số 242474/QĐ-SHTT cấp Bằng độc quyền giải pháp hữu ích, số 4480, tên GPHI: “Thiết bị đo chất lượng nguyên vật liệu bằng kỹ thuật phân tích kích hoạt nơtron -gamma tức thời (PGNAA)”. Bản mô tả GPHI có 30 trang với 06 điểm yêu cầu bảo hộ [7].
 |
Đây là sản phẩm khoa học về kỹ thuật PGNAA sau hơn 20 năm nghiên cứu - triển khai tại Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân. Các tác giả chân thành cảm ơn các chuyên gia, các nhà khoa học của Viện KH&KT hạt nhân, Viện NLNT Việt Nam, Viện Vật liệu xây dựng - Bộ Xây dựng, Viện Khoa học Công nghệ mỏ - TKV và một số chuyên gia độc lập đã tư vấn, phản biện trong quá trình xây dựng phương pháp và thiết lập giải pháp chế tạo thiết bị. Giải pháp được thiết lập và trình bày trong Hồ sơ cấp bằng có đầy đủ cơ sở khoa học, lý luận và thực tiễn, một số là bí quyết công nghệ đã được kiểm chứng. Những GPHI này là sản phẩm để lại cho các thế hệ tương lai, cán bộ nghiên cứu của Viện KH&KT hạt nhân và Viện NLNT Việt Nam có thể tiếp thu, tiếp tục phát triển hoàn thiện kỹ thuật PGNAA lên mức cao hơn mà không phải bắt đầu lại từ đầu. GPHI cũng có thể được thương mại, chuyển giao công nghệ nếu tìm được các nhà đầu tư, các doanh nghiệp có tiềm lực, có định hướng phát triển KH&CN cho việc chế tạo thiết bị PGNAA để cung cấp cho thị trường Việt Nam.
Tài liệu trích dẫn:
[1] Thiết bị PGNAA và kỹ thuật phân tích hạt nhân-nguyên tử trong các ngành công nghiệp ở Việt Nam, https://tudonghoangaynay.vn/thiet-bi-pgnaa-va-ky-thuat-phan-tich-hat-nhan-nguyen-tu-trong-cac-nganh-cong-nghiep-o-viet-nam-16409.html
[2] Jiawen Fan, Jie Xu, Changming Wang Chengdu University of Technology, Chengdu, China; “Overview of Industrial Materials Detection Based on Prompt Gamma Neutron Activation Analysis Technology”; World Journal of Engineering and Technology > Vol.8 No.3, August 2020; http://DOI.org/10.4236/wjet.2020.83030
[3] Báo cáo tổng kết đề tài cấp Bộ 2010 - 2012 “Nghiên cứu xây dựng hệ thiết bị phân tích độ tro sử dụng kỹ thuật PGNAA với nguồn phát notron”, mã số ĐT.03/09. NLNT.
[4] Nguyễn Thanh Tùy, Mai Văn Diện và ccs., “Study and development of quick coal ASH analyzer using PGNAA method for limited bulk coal sample”, Hội nghị toàn quốc về KH&CN hạt nhân lần thứ XIII, Nha Trang 6-8/10/2017.
[5] Nguyễn Thanh Tùy, “Chế tạo và cung cấp thiết bị phân tích chất lượng than trực tuyến băng tải cho nhà máy nhiệt điện cơ hội và triển vọng ứng dụng kỹ thuật hạt nhân tiên tiến ở Việt Nam”, Hội nghị toàn quốc về KH&CN hạt nhân lần thứ 14, Đà Lạt 09-10/12/2021.
[6] "Thiết bị đo chất lượng nguyên vật liệu bằng kỹ thuật phân tích kích hoạt nơtron - gamma tức thời (PGNAA)", Công báo sở hữu công nghiệp số 432 tập A - quyển 1 (03.2024).
[7] Bản mô tả GPHI thuộc Bằng độc quyền GPHI: "Thiết bị đo chất lượng nguyên vật liệu bằng kỹ thuật phân tích kích hoạt nơtron - gamma tức thời (PGNAA)", số 4480, cấp theo quyết định số 242474/QĐ - SHTT, ngày 22/10/2025 của Cục Sở hữu trí tuệ - Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam.
TS. Nguyễn Thanh Tùy
Trung tâm Kỹ thuật hạt nhân Viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân
 |
| TS. Nguyễn Thanh Tuỳ, là Nghiên cứu viên cao cấp, hiện là chuyên gia độc lập của Viện KH và KT hạt nhân và Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam. Ông có hơn 30 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực điện tử hạt nhân, máy đo - thiết bị hạt nhân và hệ điều khiển hạt nhân. Ông là điều phối viên của Việt Nam tham gia Dự án hợp tác kỹ thuật Vùng Châu Á - Thái Bình Dương với Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) về ứng dụng kỹ thuật hạt nhân sử dụng nguồn phóng xạ cường độ thấp trong công nghiệp, trong các năm từ 2000 - 2008; là chủ nhiệm nhiều đề tài cấp Bộ, cấp Nhà nước của Bộ Xây dựng, Bộ KH&CN và Bộ Công Thương. Ông có một số sản phẩm khoa học công nghệ đã lắp đặt sử dụng trong nhà máy gạch ốp lát, vật liệu xây dựng, trong nhà máy sản xuất xi măng như thiết bị đo điều khiển nhiệt độ lò nung, thiết bị đo mức bằng tia gamma điều khiển tháo clanke, thiết bị phân tích phổ hai thành phần Ca, Fe và thiết bị phân tích phổ 4 thành phần Al, Si, Ca và Fe trong bột liệu xi măng. Ông là chuyên gia về các hệ điều khiển hạt nhân, tham gia tích cực vào nghiên cứu, phát triển các giải pháp tiên tiến phân tích trực tuyến theo thời gian thực các mẫu nguyên vật liệu trên băng tải (đo online), các mẫu rời trong phòng thí nghiệm (đo offline), đo di động hiện trường bằng kỹ thuật phân tích kích hoạt neutron - gamma tức thời (PGNAA) và đã đạt được những kết quả có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Ông là tác giả chính trong Bằng độc quyền số 2-0004480, ngày 22.10.2025 về GPHI "Thiết bị đo chất lượng nguyên vật liệu bằng kỹ thuật phân tích kích hoạt nơtron - gamma tức thời (PGNAA)". Ông sẵn sàng chuyển giao công nghệ để chế tạo và đưa vào sử dụng hệ thiết bị hạt nhân tiên tiến này ứng dụng trong công nghiệp và các ngành kinh tế - xã hội Việt Nam. |
