Sáng chế độc quyền hữu ích của các nhà khoa học Việt Nam phục vụ cho lĩnh vực phát hiện bức xạ

Nghiên cứu của tác giả đã được cấp Bằng độc quyền Giải pháp hữu ích vào ngày 22/10/2025 với tên GPHI: Thiết bị đo chất lượng nguyên vật liệu bằng kỹ thuật phân tích kích hoạt nơtron-gamma tức thời (PGNAA).

Giải pháp hữu ích đề cập đến thiết bị đo chất lượng nguyên vật liệu sử dụng trong lĩnh vực phát hiện bức xạ, cụ thể là thiết bị đo chất lượng nguyên vật liệu bằng kỹ thuật phân tích kích hoạt nơtron-gamma tức thời.

Thiết bị sử dụng kỹ thuật phân tích kích hoạt nơtron-gamma tức thời (PGNAA) không chỉ phân tích được hàm lượng các nguyên tố như trên thiết bị phân tích XRAY, còn chỉ ra các chỉ tiêu chất lượng của đối tượng được phân tích. Đối với các nhà máy sản xuất xi măng, thiết bị phân tích hàm lượng ô xít trong vật liệu vận chuyển trên băng tải: SiO2, Al2O3, CaO, Fe2O3, MgO, SO3, K2O, Na2O, P2O5, TiO2 và xác định các thông số: clo (Cl), cacbon (C), thủy ngân (Hg), nitơ (N), lưu huỳnh (S), C3S, C2S, C3A, C4AF, tỉ lệ nhôm, tỉ lệ silic,… Đối với phân tích chất lượng than trong các nhà máy nhiệt điện, thiết bị đo được: Hàm lượng các ôxit SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O, TiO2, SO3, P2O5; độ tro; độ ẩm; nhiệt trị; tỉ lệ bazơ/axit (B/A). Các tỷ lệ ôxít quan tâm và đặc biệt xác định được thành phần cháy như: Clo (Cl), Cacbon (C), Nitơ (N), lưu huỳnh (S), Hydro (H), Oxy (O),… Đối với các công ty khai thác, chế biến than, thiết bị đưa ra các thông số như độ tro, độ ẩm, nhiệt trị, chất bốc, hàm lượng các ô xít trong tro than và những thông số mà nhà quản lý cũng như khách hàng quan tâm. Đối với các đối tượng đo khác nhau, trên cơ sở phân tích hàm lượng các nguyên tố sẽ xác định được hàm lượng các ô xít liên quan và các thông số về chất lượng của từng đối tượng đưa vào đo.

Tình trạng kỹ thuật của giải pháp hữu ích

Hệ thống điều khiển hạt nhân (Nuclear Control System - NCS) đã được sử dụng rộng rãi trong các ngành khác nhau như dầu khí, hóa chất, giao thông, xây dựng, năng lượng, xử lý chất thải, đo mức trong nhà máy bia, nhà máy nước, nhà máy lọc dầu,… đo bề dày, đo mật độ vật chất, phân tích mẫu quặng, đất đá,… để nâng cao chất lượng sản phẩm, tối ưu hóa quy trình, tiết kiệm năng lượng và nguyên vật liệu. Các xu hướng trong quá trình công nghiệp hóa của các nước đang phát triển cho thấy công nghệ NCS sẽ tiếp tục đóng một vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp của nhiều năm tới. Một trong những thay đổi quan trọng nhất của kỹ thuật hạt nhân là sự ra đời của quá trình xử lý nhanh, tức thời, hiển thị được nhiều thông số theo thời gian thực, đặc biệt được ưa thích với các thiết bị đo trực tuyến nguyên vật liệu trên băng tải. Công nghệ phân tích trực tuyến theo thời gian thực thành phần nguyên liệu công nghiệp là công nghệ phân tích chính xác đối với thành phần nguyên liệu trong quá trình cung cấp và/hoặc trong phối trộn công nghiệp.

Công nghệ PGNAA là công nghệ phân tích hạt nhân trực tuyến theo thời gian thực đa nguyên tố hiệu quả cho phép phân tích không phá hủy mẫu, có lợi thế đáng kể về độ nhạy của phân tích nguyên tố nhẹ. Đồng thời, vì cả nơtron và tia gamma đều có khả năng xuyên thấu mạnh nên có thể thu được toàn bộ thông tin nguyên tố của nguyên vật liệu rời, vì vậy công nghệ này đã trở thành lựa chọn tốt nhất cho kiểm tra thành phần nguyên vật liệu rời trong công nghiệp. Công nghệ PGNAA thường được sử dụng như một lựa chọn cuối cùng cho các phân tích thông thường đã sử dụng. Công nghệ PGNAA đôi khi là phương pháp duy nhất phân tích các nguyên tố nhẹ trong các mẫu nguyên vật liệu lớn, đáp ứng được tất cả các yêu cầu trong sản xuất do đó đã, đang và tiếp tục được sự quan tâm không chỉ của các cơ sở công nghiệp muốn lắp đặt mà còn thu hút sự quan tâm rất lớn của các nhà khoa học trong việc hoàn thiện công nghệ và chế tạo hệ thiết bị đo thân thiện với người sử dụng để cung cấp cho các cơ sở công nghiệp có yêu cầu.

Một số thiết bị PGNAA đã được sử dụng tại Việt Nam

Ở Việt Nam, đã có một số thiết bị PGNAA phân tích trực tuyến hàm lượng nguyên tố trong vật liệu theo thời gian thực đo nguyên vật liệu đang vận chuyển trên băng tải tại một số nhà máy sản xuất xi măng và phân tích trực tuyến chất lượng than trong nhà máy nhiệt điện than. Các ví dụ về các thiết bị đã có như trên bao gồm:

(1) Thiết bị phân tích Full Stream Elements Analyzer (FSEA) do Energy Technologies Inc (EIT) (Hoa Kỳ) sản xuất: Thiết bị này sử dụng công nghệ kích hoạt Nơtron-Gamma tức thời (PGNAA) để đo hàm lượng phần trăm (%) các nguyên tố trong nguyên liệu ở thời gian thực (real-time), kèm theo bộ tích hợp Dual-Gamma (DGA - thiết bị phân tích bằng tia kép gamma) phân tích các chỉ tiêu tro, trọng lượng, tỉ trọng, nhiệt độ và độ ẩm.

(2) Hệ thống phân tích nguyên liệu CQM FLEX do ETI sản xuất: đây là máy phân tích thế hệ thứ hai được phát triển từ hệ CQM ban đầu, rất đáng tin cậy và chính xác. CQM FLEX mạnh mẽ, có thể kết hợp công nghệ PGNAA hoặc Pulsed Fast Thermal Neutron Activation (PFTNA), được thiết kế tương thích với dòng liệu từ máy lấy mẫu, dòng liệu chính dẫn từ băng tải hay một số băng tải trong nhà máy chế biến than, nhà máy nhiệt điện. Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thiết bị này là phải gắn liền với băng tải chính để tự động lấy mẫu. Nếu không kết nối thiết bị với hệ băng tải cấp mẫu phân tích thì chúng không hoạt động được.

(3) Thiết bị phân tích than trực tuyến ECA3 do ETI sản xuất: thiết bị này cung cấp kết quả phân tích chất lượng dòng nhiên liệu chạy trên băng tải. ECA^TM đo và báo cáo về thành phần tro và lưu huỳnh. Tùy chọn đo và báo cáo độ ẩm. Nếu modun đo độ ẩm được sử dụng kèm theo thì ECA có thể tính toán và hiển thị giá trị nhiệt trị và Lbs SO₂/triệu BTU. ECA thường được sử dụng để kiểm soát việc phân loại và phối trộn đồng nhất các loại than nhằm tối ưu hóa chất lượng than đầu ra, giảm yêu cầu chất lượng than đầu vào và kiểm soát hiệu quả hiệu suất sử dụng thiết bị. Có nhiều cấu hình tùy chọn bổ sung để tăng thêm các tính năng của thiết bị. Nếu cơ sở sử dụng không am hiểu hết các cấu hình bổ sung hoặc không đủ kinh phí để nhập cấu hình bổ sung thì không thể có một hệ thiết bị hoàn chỉnh ngay từ đầu. Việc nâng cấp bổ sung ở giai đoạn sau cũng có thể được nhưng mất nhiều thời gian hiệu chỉnh hoặc gặp khó khăn trong bố trí mặt bằng. (ví dụ, xem: https://www.energytechinc.com/fsea.php).(4) Thiết bị phân tích PGNAA CBX của Hãng Thermo Fisher: thiết bị này phân tích thời gian thực đối với nguyên liệu thô và nguyên liệu hỗn hợp trên băng tải. Công nghệ này có thể ứng dụng đối với nhiều loại vật liệu rời được trộn lẫn với nhau như đá vôi và sét trên băng tải. CBX sử dụng PGNAA để phân tích thành phần hóa và sử dụng kỹ thuật truyền vi sóng để thực hiện phân tích độ ẩm của vật liệu đi qua nó trên một băng tải tiêu chuẩn. Khung chính hình chữ H tạo điều kiện dễ dàng gắn kết các phần riêng lẻ của vỏ máy lại với nhau. Một hộp chứa nguồn phóng xạ độc lập, các đầu đọc và các thiết bị điện tử. Nguồn phóng xạ được đặt dưới phần giữa của băng tải, bao quanh bởi các vật liệu chắn ở phần thấp hơn. Phần trên chứa các đầu đọc tiếp nhận tia gamma. Khi lắp đặt hệ thiết bị thì phải dừng hoạt động và tiến hành luồn băng tải đi qua khung chữ H.

(5) Thiết bị phân tích GEOSCAN-C (của hãng SCANTECH - Úc) dùng trong các nhà máy xi măng: Phân tích thời gian thực đối với nguyên liệu thô và nguyên liệu hỗn hợp trên băng tải. Công nghệ này có thể ứng dụng đối với nhiều loại vật liệu rắn, rời chứa trên băng tải. GEOSCAN-C sử dụng PGNAA phân tích thành phần và sử dụng kỹ thuật truyền vi sóng để thực hiện phân tích độ ẩm của vật liệu đi qua nó trên một băng tải tiêu chuẩn. GEOSCAN-C được cấu tạo từ hai phần: Khung chính là một đơn vị riêng lẻ chứa nguồn phóng xạ, các thiết bị dò và các thiết bị điện tử. Nguồn phóng xạ được đặt dưới phần giữa của băng tải, bao quanh bởi các vật liệu chắn ở phần thấp hơn. Phần trên chứa hộp đầu thu có nhiều bộ dò tia gamma. Hộp chứa các thiết bị điện tử làm bằng thép không rỉ gắn trên khung chính được đệm kín để ngăn không cho nước và bụi vào. Nó bao gồm máy tính phân tích, modem, UPS, các modul vào/ra và đường tiếp cận nguồn phóng xạ. GEOSCAN-C có một tấm chắn bên có thể tháo rời trong trường hợp lắp thêm băng trong suốt quá trình lắp đặt. Băng không tải khi quay lại sẽ chạy dưới bộ phân tích.

(6) Thiết bị phân tích AllScan (hãng Real Time Instrument - RTI - Úc) đã được phát triển để phân tích thành phần và hàm lượng nguyên tố trong than. Chi phí lắp đặt thấp và khả năng phân tích độ ẩm luôn được bao gồm mà không có chi phí bổ sung khiến tổng chi phí sở hữu (TCO) cho việc lắp đặt thông thường là thấp nhất trên thị trường. Thiết bị sử dụng nguồn Cf-252 với lượng khoảng 20µg. Tính năng của thiết bị có khả năng thay đổi các loại than khác nhau, loại bỏ nhu cầu hiệu chuẩn nhiều lần. Nó cung cấp nhiều thông tin hơn vì nó đo trực tiếp các nguyên tố riêng lẻ như Fe, Al, Si, K, S, Ti, Ca và các nguyên tố khác. Thiết bị còn báo cáo các thông số như: giá trị nhiệt lượng trực tiếp, hệ số phát thải CO₂, tỷ lệ bazơ/axit, chỉ số bẩn, chỉ số xỉ, nhiệt độ kết hợp tro, độ ẩm.

Hạn chế đối với các dòng thiết bị nhập khẩu

Các thiết bị nêu ở trên đều phân tích theo thời gian thực, sử dụng công nghệ PGNAA có những nhược điểm sau:

• Hầu hết các giải pháp công nghệ đề cập ở trên đều chưa khai thác hết các tính năng vốn có của kỹ thuật PGNAA và do vậy thiết bị chưa đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của sản xuất;

• Các thiết bị trên đây đều sử dụng nguồn phóng xạ là Cf-252 với lượng lớn, các thiết bị (1) - (5) đều trên 50µg, thiết bị (6) là 20µg và đều yêu cầu nạp bổ sung nguồn mới cứ mỗi 3 - 5 năm cho đủ cường độ như khi lắp đặt ban đầu;

• Thiết bị (6) - AllScan phân tích than cũng còn tồn tại một số nhược điểm như thiếu một số thông số do chưa sẵn sàng đáp ứng yêu cầu trong thực tế ở Việt Nam, và cũng chỉ có thiết bị đo online băng tải, không có thiết bị đo offline đặt trong phòng thí nghiệm để phân tích các mẫu rời, không có thiết bị đo di động hiện trường.

Ngoài ra, công bố đơn sáng chế quốc tế số WO2020201210 đã bộc lộ thiết bị (1) để xác định thành phần nguyên tố của vật liệu (2) bao gồm: - thùng thu gom (3) dành cho vật liệu (2), - nguồn nơtron (4), được bố trí trong hoặc trên thùng thu gom (3) và được tạo kết cấu để đưa nơtron vào thùng thu gom (3), - bộ dò bức xạ (5), được bố trí trong hoặc trên thùng thu gom (3), để phát hiện bức xạ được tạo ra trong thùng thu gom (3) bởi nơtron được đưa vào vật liệu (2), và - khối đánh giá (6) được cấu hình để xác định thành phần nguyên tố của vật liệu (2) từ bức xạ được phát hiện bởi bộ dò bức xạ (5) bằng cách sử dụng kỹ thuật PGNAA, và/hoặc phân tích kích hoạt neutron xung nhanh (Pulsed fast neutron activation analysis - PFTNA).

Thiết bị này có thể được sử dụng để cải thiện khả năng kiểm soát trong các nhà máy điện và nồi hơi đốt bằng sinh khối và nhiên liệu thay thế, ví dụ như than. Thiết bị được mô tả cũng có thể được sử dụng trong ngành xi măng để định lượng các thành phần đầu vào theo nhu cầu. Việc xác định đặc tính trực tuyến và/hoặc đảm bảo chất lượng của các vật liệu khác nhau cũng có thể được thực hiện bằng cách sử dụng thiết bị được mô tả. Tuy nhiên, giải pháp kỹ thuật này chưa bộc lộ về nguồn nơtron cũng như việc đảm bảo an toàn phóng xạ đối với vật tư linh kiện, với con người, môi trường và việc đảm bảo an toàn khi gặp sự cố.

Bản chất kỹ thuật của giải pháp hữu ích

Với mục đích nghiên cứu chế tạo thiết bị PGNAA với các yêu cầu kỹ thuật phù hợp với việc áp dụng cụ thể tại Việt Nam và khắc phục các hạn chế nêu trên, giải pháp hữu ích đề xuất thiết bị PGNAA có độ ổn định cao và phép đo chính xác, có thể áp dụng cho cả việc phân tích trực tuyến đối với nguyên vật liệu đang vận chuyển trên băng tải và việc phân tích mẫu rời trong phòng thí nghiệm, trong khi vẫn đảm bảo an toàn phóng xạ.

Để đạt được mục đích nêu trên, giải pháp hữu ích đề xuất thiết bị đo chất lượng nguyên vật liệu sử dụng kỹ thuật phân tích kích hoạt nơtron-gamma tức thời (PGNAA) bao gồm:

- Khối đo hiện trường: khối nguồn phóng xạ và đầu thu hạt nhân;

- Khối xử lý tín hiệu bao gồm các mạch điện tử có chức năng thu tín hiệu trong giải phổ năng lượng quan tâm và bộ xử lý trung tâm được tạo kết cấu để phân tích tín hiệu thu được từ đầu thu hạt nhân và từ đó đưa ra phổ năng lượng gamma từ đó tiến hành xử lý phổ, tính toán, xuất báo cáo các thông số về chất lượng nguyên vật liệu dưới dạng mẫu đo;

- Khối truyền dữ liệu và phản hồi được tạo kết cấu để xuất dữ liệu về thông số chất lượng nguyên vật liệu và hiển thị trạng thái điều khiển cho người vận hành theo dõi và ra lệnh điều khiển nếu cần thiết.

Trong đó:

Khối nguồn phóng xạ bao gồm cơ cấu có dạng khối trụ tròn chứa chất phóng xạ californi-252 (Cf-252) với lượng từ 5-15μg, và được bố trí ở trung tâm của khối chứa nguồn theo cách có thể quay được nhờ cần gạt được bố trí bên ngoài khối chứa nguồn, khối chứa nguồn được kết cấu với lớp vỏ bảo vệ nhiều lớp bao gồm lớp phản xạ, lớp cản xạ và hấp thụ nơtron, lớp chì và lớp vỏ thép,

Khối nguồn phóng xạ còn bao gồm bộ điều khiển đóng/mở nguồn bao gồm nam châm điện, trong đó khi nam châm điện được cấp điện, nam châm điện sẽ hút cần gạt làm quay khối trụ tròn về vị trí hoạt động để mở nguồn phóng xạ và khi nam châm điện được ngắt cấp điện, cần gạt bị nhả ra làm khối trụ tròn quay ngược trở lại vị trí đóng nguồn phóng xạ là vị trí an toàn.

Đầu thu hạt nhân bao gồm đầu dò BGO (bitmut germanat Bi₄Ge₃O₁₂) được đặt trong hộp đầu thu hạt nhân, trong đó có lắp đặt ống nhân quang điện (photomultiplier tube - PMT), bảng mạch cao áp (High Voltage - HV), bộ biến đổi tương tự số (Analog to Digital Converter - ADC), bộ vi xử lý, bộ cảm biến đo nhiệt độ, bộ điều khiển ổn định nhiệt độ.

Theo một phương án của giải pháp hữu ích, khối chứa nguồn có kết cấu dạng hình hộp có cửa chiếu nguồn nằm ở góc chiếu của nguồn phóng xạ, lớp phản xạ làm bằng graphit hoặc berili giúp các nơtron phát ra từ nguồn được phản xạ, hội tụ đi về cùng một góc chiếu hướng vào nguyên vật liệu, phía ngoài lớp phản xạ là lớp cản xạ và hấp thụ nơtron làm bằng hỗn hợp nhựa polyetylen (PE) hoặc parafin pha tỷ lệ 5% Bo (B) nhằm làm chậm và hấp thụ các nơtron mà chưa hội tụ về góc chiếu hướng vào nguyên vật liệu.

Khối chứa nguồn còn bao gồm lớp làm chậm được bố trí trong góc chiếu nằm trước cửa chiếu nguồn, lớp làm chậm được làm bằng vật liệu PE hoặc paraffin. Lớp làm chậm này có tác dụng làm các nơtron phát ra từ nguồn và được hội tụ về góc chiếu được nhiệt hóa tối đa trước khi chúng đâm xuyên vào mẫu đo để kích hoạt hạt nhân các nguyên tố trong mẫu đo gây phản ứng PGNAA.

Lớp vỏ bảo vệ của hộp chứa nguồn nằm phía ngoài lớp cản xạ - hấp thu nơtron là Pb dày 25-30mm nhằm cản gamma ra ngoài, lớp ngoài cùng bằng thép dày 5-10mm có nhiệm vụ cản xạ gamma và giữ cố định hình khối của khối chứa nguồn không bị thay đổi hình dạng do tác động của ngoại lực hay do điều kiện thời tiết môi trường.

Bên trong hộp đầu thu hạt nhân còn bao gồm cốc nhôm được bố trí để bao phủ đầu dò BGO và PMT, bên ngoài cốc nhôm cũng như hai mặt trong và ngoài của hộp đầu thu hạt nhân được sơn phủ lớp vật liệu hấp thụ nơtron.

Bộ điều khiển ổn định nhiệt độ bên trong hộp đầu thu hạt nhân bao gồm bộ làm lạnh và bộ làm nóng giúp ổn định nhiệt độ của hộp đầu thu hạt nhân. Theo phương án khác, hộp đầu thu hạt nhân còn bao gồm quạt đối lưu để đối lưu không khí bên trong hộp đầu thu hạt nhân giúp cho nhiệt độ đồng đều trong hộp đầu thu khi điều hòa nhiệt độ.

Mô tả vắn tắt các hình vẽ

Các nguyên lý, đặc điểm thuận lợi của giải pháp hữu ích sẽ trở nên rõ ràng hơn từ phần mô tả sau đây với các hình vẽ minh họa kèm theo, trong đó:

Hình 1 vẽ mặt cắt sơ lược thể hiện khối đo hiện trường của thiết bị đo chất lượng nguyên vật liệu bằng kỹ thuật phân tích kích hoạt nơtron-gamma tức thời theo giải pháp hữu ích. Hình: nhóm tác giả

Hình 2 vẽ mặt cắt sơ lược thể hiện khối đo hiện trường của thiết bị theo giải pháp hữu ích khi được lắp đặt trong buồng đo ngoại tuyến. Hình: nhóm tác giả

Hình 3 vẽ phối cảnh thể hiện hộp chứa nguồn trong đó thể hiện sự bố trí cần gạt và nam châm điện bên ngoài hộp chứa nguồn. Hình: nhóm tác giả

Hình 4 là biểu đồ thể hiện kết quả phân tích sự chồng phổ năng lượng của các nguyên tố trong phổ PGNAA. Hình: nhóm tác giả

Hình 5 là sơ đồ thể hiện thuật toán mạng trí tuệ nhân tạo (Artificial neuron network - ANN) và mối quan hệ các thông số đầu vào - đầu ra được ứng dụng theo giải pháp hữu ích. Hình: nhóm tác giả

Hiệu quả đạt được của giải pháp hữu ích

Nhờ có thiết bị đo chất lượng nguyên vật liệu bằng kỹ thuật phân tích kích hoạt nơtron-gamma tức thời theo giải pháp hữu ích đã đạt được các lợi ích đáng kể:

Tiết kiệm chi phí đầu tư, chi phí vận hành, an toàn khi sử dụng nhờ sử dụng nguồn phóng xạ có khối lượng nhỏ cỡ một phần mười đến một phần tư của thiết bị nhập ngoại;

Thiết bị có thể sử dụng phân tích trực tuyến trên băng tải và phân tích ngoại tuyến trong phòng nghiên cứu;

Tự động đóng mở nguồn phóng xạ khi thiết bị hoạt động và tự động khóa nguồn về chế độ an toàn khi thiết bị gặp sự cố hay khi mất điện đột ngột;

Thời gian định kỳ nạp bổ sung nguồn lâu hơn từ 2-3 lần, tương ứng 7-10 năm so với các thiết bị khác.

Theo nhóm tác giả, 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 cho 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.