| Thiết bị phân tích hoá bằng kỹ thuật tia X và PGNAA trong ngành công nghiệp ở Việt Nam Chế tạo thiết bị hạt nhân tiên tiến sử dụng kỹ thuật PGNAA cho ngành công nghiệp Việt Nam |
PGNAA hiện đang từng bước chiếm lĩnh thị trường cung ứng thiết bị phân tích hàm lượng nguyên tố hoá học theo thời gian thực để tự động hoá quá trình sản xuất công nghiệp. Cùng với thiết bị XRF, thiết bị PGNAA là thiết bị phân tích không phá huỷ mẫu, là phần bổ sung đầy đủ cho mọi nhu cầu phân tích và xác định hàm lượng nguyên tố. Thiết bị PGNAA sẽ tiếp tục được hoàn thiện công nghệ, khắc phục toàn diện các hạn chế của thiết bị XRF, được ứng dụng rộng rãi và tiến tới thay thế nhiều vị trí quan trọng mà thiết bị XRF đang sử dụng hiện nay.
 |
Kỹ thuật Phân tích kích hoạt neutron tức thời bằng tia gamma (Prompt Gamma Neutron Activation Analysis - PGNAA) là một phương pháp phân tích nguyên tố hóa học theo thời gian thực dựa trên việc kích hoạt neutron và đo lường tia gamma phát ra tức thời từ các nguyên tố trong mẫu vật. Đây là một kỹ thuật không phá hủy, có độ nhạy cao và khả năng phát hiện cùng lúc nhiều nguyên tố, bao gồm cả các nguyên tố nhẹ mà kỹ thuật XRF không thể phân tích được. Kỹ thuật PGNAA cho phép phân tích nhanh chóng và chính xác các thành phần nguyên tố trong nhiều loại mẫu vật đo khác nhau từ đó tính toán được hàm lượng nguyên tố hóa học trong mẫu vật.
Kỹ thuật phân tích nguyên tử để xác định hàm lượng trong mẫu vật có nhiều phương pháp (chi tiết trong Phụ lục 1) như sau:
Trong số các phương pháp trên, có hai phương pháp phân tích theo thời gian thực, không phá huỷ mẫu (bảng 1) đang được sử dụng phổ biến hiện nay có khả năng đo trực tuyến (online) và có thể tự động hoá khi được tích hợp vào dây chuyền công nghệ của một nhà máy [1], đó là kỹ thuật quang phổ huỳnh quang tia X (gọi tắt là kỹ thuật XRF) và phân tích phổ PGNAA. Giống như kỹ thuật XRF có thiết bị XRF trực tuyến (Online XRF) và thiết bị XRF cầm tay (pXRF), kỹ thuật phổ PGNAA cũng có thiết bị PGNAA đo trực tuyến (Online) băng tải, di động đo hiện trường và lắp đặt đo trong PTN (hình 1).
Bảng 1. Tóm tắt so sánh các phương pháp phân tích thời gian thực
 |
 |
| Thiết bị phân tích hàm lượng nguyên tố hoá học sử dụng kỹ thuật PGNAA |
Xét về bản chất vật lý của hạt nhân, nguyên tử, để phân tích nguyên tố hoá học và xác định hàm lượng nguyên tố một cách nhanh, chính xác theo thời gian thực thì không thể có thiết bị phi hạt nhân có thể thay thế cho thiết bị sử dụng phương pháp phân tích hạt nhân như trong bảng 1.
Vì là các phép đo không phá huỷ mẫu cho nên thiết bị XRF và thiết bị PGNAA sẽ tiếp tục được sử dụng lâu dài và không ngừng được hoàn thiện về công nghệ. Thiết bị XRF có thế mạnh được sử dụng trong phòng thí nghiệm (PTN), đo di động hiện trường nhưng vì phương pháp này chỉ đo tốt trên bề mặt dẫn đến việc đo online băng tải không đáp ứng được yêu cầu công nghệ. PGNAA cho phép đo sâu, khối lớn và không bị ảnh hưởng bề mặt mẫu cho nên rất thích hợp cho phân tích online băng tải; chúng cũng sẽ có thế mạnh phân tích trong PTN vì không phải gia công làm mẫu đo. Tới đây thiết bị PGNAA đo di động hiện trường, phân tích trong PTN [2] sẽ được các nhà đầu tư, các hãng cung cấp thiết bị quan tâm chế tạo hàng loạt để thương mại vì chúng có tiềm năng ứng dụng rất lớn. Thiết bị PGNAA sẽ từng bước lấp đầy vào khoảng trống mà thiết bị XRF đang có nhiều hạn chế kỹ thuật, tiến tới thay thế những vị trí mà thiết bị XRF đang được sử dụng nhưng có chi phí lớn hơn so với thiết bị PGNAA.
2.1 Nguyên lý hoạt động của PGNAA
 |
| Quá trình kích hoạt nơtron sinh gamma tức thời (PGAA) |
Phát xạ tia gamma: Ngay khi các đồng vị phóng xạ được tạo ra, chúng phát ra tia gamma đặc trưng cho từng nguyên tố. Năng lượng và cường độ của các tia gamma này phụ thuộc vào loại nguyên tố và hàm lượng của chúng trong mẫu.
2.2 Lợi thế cạnh tranh của PGNAA
Thiết bị phân tích vật liệu trực tuyến trên băng tải sử dụng công nghệ PGNAA có một số lợi thế cạnh tranh so với các loại thiết bị phân tích khác, đặc biệt trong các ngành công nghiệp như khai thác mỏ, xi măng, và sản xuất năng lượng. Dưới đây là những lợi thế chính:
Phân tích trực tiếp, nhanh và liên tục
Không phá hủy mẫu: Mẫu vật không bị phá hủy hay thay đổi trong quá trình phân tích. Giúp bảo toàn mẫu cho các nghiên cứu tiếp theo đối với các hệ đo di động hay phân tích trong PTN; không cần lấy mẫu: PGNAA cho phép phân tích trực tiếp mẫu đo trên băng tải mà không cần lấy mẫu về PTN, giúp tiết kiệm thời gian và công sức so với các phương pháp truyền thống; thiết bị có thể hoạt động liên tục 24/7, cung cấp số liệu phân tích theo thời gian thực, kết quả phân tích có thể thu được trong thời gian ngắn, thậm chí trong vài giây đến vài phút giúp tối ưu hoá quy trình sản xuất.
Độ chính xác cao
PGNAA có khả năng phân tích đồng thời nhiều nguyên tố trong mẫu đo, cung cấp kết quả phân tích với độ chính xác cao về thành phần hóa học của mẫu đo, kể cả các nguyên tố có hàm lượng thấp giúp tối ưu hóa quá trình công nghệ và ổn định sản xuất. Kết quả phân tích không bị ảnh hưởng bởi tính chất vật lý và kích thước của mẫu đo, bởi độ ẩm và bởi mật độ của mẫu.
Tiết kiệm chi phí vận hành
Giảm chi phí lấy mẫu và phân tích trong phòng thí nghiệm. Với khả năng phân tích trực tiếp, giảm thiểu được sai số do quá trình lấy mẫu, do chế tạo mẫu đo như đối với XRF và các phương pháp khác. Dữ liệu phân tích liên tục giúp điều chỉnh quy trình sản xuất kịp thời, giảm lãng phí nguyên liệu và năng lượng, đây là quá trình tối ưu hóa quy trình sản xuất.
An toàn và thân thiện với môi trường
PGNAA không tạo ra chất thải hóa học hoặc phóng xạ trong quá trình phân tích, giúp giảm tác động đến môi trường. Các thiết bị PGNAA hiện đại được thiết kế để đảm bảo an toàn phóng xạ cho người vận hành.
Tích hợp dễ dàng vào hệ thống hiện có
Thiết bị PGNAA có thể được lắp đặt trực tiếp trên các băng tải hiện có mà không cần thay đổi lớn về cơ sở hạ tầng. Dữ liệu phân tích có thể được tích hợp vào hệ thống điều khiển tự động, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất. Thiết bị có thể kết nối vào hệ thống điều khiển tự động của nhà máy, giúp giám sát và điều chỉnh quá trình sản xuất một cách liên tục.
Ứng dụng đa dạng
PGNAA được sử dụng rộng rãi trong các ngành như khai thác mỏ, sản xuất xi măng, năng lượng, và tái chế. Từ quặng, than đá, đến nguyên liệu thô trong sản xuất xi măng, PGNAA đều có thể phân tích hiệu quả.
Cải thiện chất lượng sản phẩm
Dữ liệu phân tích liên tục của PGNAA giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm đầu ra ổn định và đáp ứng các tiêu chuẩn yêu cầu. Phát hiện sớm các vấn đề về thành phần vật liệu giúp giảm thiểu rủi ro trong quá trình sản xuất.
So sánh với các phương pháp khác:
Nhờ những lợi thế này, PGNAA trở thành công nghệ hàng đầu trong phân tích vật liệu trực tuyến và đo di động hiện trường, giúp các doanh nghiệp nâng cao hiệu quả sản xuất và cạnh tranh trên thị trường
2.3 Thách thức cần giải quyết và khắc phục các hạn chế của PGNAA
An toàn bức xạ: Việc sử dụng nguồn neutron đòi hỏi tuân thủ chặt chẽ các quy định về an toàn bức xạ, an ninh nguồn phóng xạ. Công suất nguồn càng lớn thì các quy định càng nghiêm ngặt và ngược lại. Trong hệ đo PGNAA tiên tiến, công suất nguồn phóng xạ thực tế sử dụng nhỏ hơn nhiều lần hiện nay thì việc bảo đảm an ninh, an toàn phóng xạ được tốt hơn, được giám sát bởi các quy định nhà nước ở mức thấp hơn, mức không nguy hiểm làm giảm áp lực tuân thủ quy định của Nhà nước và làm cho thiết bị trở nên thân thiện với người sử dụng.
Độ phân giải với mẫu phức tạp: PGNAA có thể gặp khó khăn khi phân tích mẫu hỗn hợp nhiều thành phần. Cần phải đưa trí tuệ nhân tạo tham gia quá trình xử lý phổ và phân tích dữ liệu.
Cạnh tranh với các kỹ thuật khác: Cạnh tranh với XRF hoặc LIBS về thời gian đo nhanh và giá thành rẻ hơn. Nhưng PGNAA vượt trội về việc phân tích các nguyên tố nhẹ và độ sâu phân tích (phân tích mẫu lớn, có kích thước không đều).
Chi phí đầu tư cao: Thiết bị PGNAA có giá thành khá cao, bao gồm cả chi phí mua sắm nguồn phóng xạ để bổ sung theo định kỳ, lắp đặt và bảo trì. Tuy nhiên, các chi phí này sẽ từng bước được giảm sâu do công nghệ chế tạo thiết bị luôn luôn được phát triển: sử dụng nguồn có công suất thấp, kéo dài thời gian sử dụng mới phải nạp bổ sung nguồn làm cho thiết bị gọn nhẹ hơn, an toàn phóng xạ tăng lên và chi phí mua nguồn giảm rất nhiều; sử dụng AI trong đo lường và xử lý số liệu,… Đây là những yếu tố góp phần giảm giá thành chế tạo thiết bị, giảm giá thành chuyển giao công nghệ và giảm chi phí vận hành thiết bị.
Độ nhạy với môi trường: Thiết bị luôn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và bụi, cần có biện pháp bảo vệ phù hợp. Công nghệ chế tạo thiết bị trong các thế hệ mới sẽ khắc phục được các hạn chế này.
Bảo trì phức tạp: Thiết bị đòi hỏi bảo trì định kỳ, kiểm tra an toàn thường xuyên hàng năm. Đối với các hệ thiết bị chế tạo theo công nghệ cũ, sử dụng nguồn Cf-252 công suất lớn thì định kỳ 3 đến 5 năm cần nạp bổ sung nguồn và hoặc phải hiệu chỉnh lại chế độ làm việc của thiết bị tại hiện trường. Đối với các hệ thiết bị tiên tiến định kỳ nạp bổ sung nguồn sẽ dài hơn, phải sau 7 năm, có thể đến 10 năm thì mới nạp bổ sung nguồn. Việc hiệu chỉnh lại chế độ làm việc tương ứng với công suất nguồn được thực hiện tự động thường xuyên và được kiểm tra từ xa bởi kĩ sư công nghệ, chuyên gia thiết bị thông qua việc kết nối IoT.
Thời gian đáp ứng: Mặc dù phân tích liên tục, nhưng thời gian đáp ứng của thiết bị có thể chậm hơn so với một số phương pháp phân tích khác, không đáp ứng được yêu cầu khi cần điều chỉnh nhanh quá trình sản xuất. Khắc phục hạn chế này bằng cách sử dụng giải pháp điều chỉnh công nghệ tối ưu.
2.4 Tiềm năng phát triển ứng dụng của thiết bị PGNAA
Thiết bị “di động” và đo trong PTN: Nếu giải quyết được vấn đề nguồn neutron an toàn và thu nhỏ, thiết bị PGNAA di động sẽ trở thành công cụ phổ biến trong khảo sát địa chất, kiểm tra hàng hóa và phân tích mẫu rời trong phòng thí nghiệm (PTN). Chúng bổ sung phương pháp và dần thay thế thiết bị XRF do không phải gia công chế tạo mẫu đo.
Giảm chi phí và tăng tính tiếp cận: Hiện tại, PGNAA đắt tiền do yêu cầu mua nguồn phóng xạ công suất lớn và detector đặc biệt. Với các hệ PGNAA tiên tiến, nguồn phóng xạ sử dụng có công suất ngày càng nhỏ, xuất hiện detector bán dẫn có chất lượng cao và giá rẻ là những yếu tố góp phần làm giảm giá thành. Công nghệ phân tích được hoàn thiện do được tích hợp AI và kết nối IoT giúp cho việc sử dụng dễ dàng và thuận tiện, đây là yếu tố thu hút người dùng đông đảo.
2.5 Mở rộng ứng dụng của PGNAA
Công nghiệp khai thác và chế biến khoáng sản: Phân tích thành phần nguyên tố trong quặng, than đá, phối liệu xi măng và các vật liệu xây dựng. Các hệ thiết bị đo online băng tải tiếp tục được sử dụng có hiệu quả.
Các hệ thiết bị PGNAA đo di động hay phân tích trong PTN, dễ dàng mở rộng cho các mục đích nghiên cứu:
3.1 Ưu điểm của PGNAA so với XRF
PGNAA có một số lợi thế quan trọng so với XRF, đảm bảo nó vẫn sẽ được phát triển trong tương lai, đặc biệt trong các ứng dụng chuyên biệt:
Phát hiện nguyên tố nhẹ (H, B, Li, Cd, Gd,…): XRF khó phát hiện các nguyên tố có Z < 11 (Na), trong khi PGNAA nhạy với nhiều nguyên tố nhẹ, phù hợp cho phân tích than, khoáng sản, vật liệu hữu cơ.
Phân tích thể tích lớn hơn (độ sâu phân tích tốt hơn): XRF chỉ phân tích bề mặt (vài µm-mm), còn PGNAA có thể xuyên sâu nhờ neutron (vài cm), phù hợp cho mẫu dày hoặc không đồng nhất.
Không bị ảnh hưởng bởi hình dạng/màu sắc mẫu: XRF bị ảnh hưởng bởi độ nhám bề mặt, trong khi PGNAA ít phụ thuộc vào điều này.
Phân tích đồng thời nhiều nguyên tố: PGNAA có thể đo nhiều nguyên tố cùng lúc mà không cần hiệu chuẩn phức tạp như XRF.
3.2 Nhược điểm của PGNAA so với XRF
Tuy nhiên, PGNAA có một số hạn chế khiến nó khó thay thế hoàn toàn XRF:
PGNAA sử dụng nguồn neutron (Am-Be, Cf-252 hoặc máy phát neutron), đòi hỏi giấy phép an toàn bức xạ, trong khi XRF chỉ dùng tia X (một số model cầm tay không cần giấy phép).
XRF cầm tay đã phổ biến, còn PGNAA di động có khối lượng nặng hơn và vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu hoàn thiện do khó thu nhỏ nguồn neutron.
3.3 Xu hướng cải tiến PGNAA để cạnh tranh với XRF
Phát triển nguồn neutron dựa trên máy gia tốc mini (accelerator-based neutron generators) thay thế nguồn phóng xạ truyền thống.
Tích hợp AI để tăng tốc độ phân tích, giảm thời gian đo bằng thuật toán xử lý phổ gamma thông minh.
Kỹ thuật PGNAA hướng tới các ứng dụng đặc thù mà XRF không làm tốt:
Phân tích hàm lượng nguyên tố hoá học nhanh, chính xác thì có nhiều phương pháp phân tích hạt nhân - nguyên tử, phân tích theo thời gian thực có một số nhưng phân tích không phá huỷ mẫu chỉ có phương pháp XRF và PGNAA.
Phân tích theo XRF vẫn sẽ chiếm thị phần quan trọng do có yêu cầu phân tích nhanh trong PTN, có yêu cầu đo di động hiện trường và rất phù hợp cho việc phân tích những đối tượng có khối lượng nhỏ, không đủ lượng mẫu tối thiểu cho phân tích PGNAA.
Phân tích theo PGNAA tiếp tục phát triển trong các lĩnh vực đòi hỏi phân tích sâu, nguyên tố nhẹ hoặc mẫu phức tạp trong cả các đối tượng muốn đo trực tuyến băng tải hoặc đo di động hiện trường. Nhưng phân tích PGNAA khó chiếm lĩnh thị trường rộng như XRF do rào cản kỹ thuật và pháp lý.
Các thệ thiết bị PGNAA tiên tiến sử dụng nguồn neutron công suất nhỏ, có thể đo di động, phân tích trong PTN là các yếu tố cho phép giảm giá thành, mở rộng ứng dụng cho các đối tượng phân tích trong tương lai và dần thay thế cho thiết bị XRF ở một số vị trí nhất định. Kỹ thuật PGNAA không thể thay thế kỹ thuật XRF mà chúng sẽ cùng tồn tại, bổ sung cho nhau tùy vào nhu cầu cụ thể của các ngành công nghiệp và nghiên cứu khoa học.
PGNAA sẽ tiếp tục phát triển theo hướng tăng độ chính xác, thu nhỏ kích thước và mở rộng ứng dụng. Trong 5-10 năm tới, sẽ xuất hiện các thiết bị PGNAA di động, tích hợp AI, trở thành công cụ quan trọng trong công nghiệp, y tế và an ninh. Tuy nhiên, việc giảm chi phí và đảm bảo an toàn 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 mạnh mẽ và linh hoạt, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghiệp. Đặc biệt, đây là một công nghệ tiên tiến, đã được chứng minh là ứng dụng 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. Tuy nhiên, khả năng làm chủ công nghệ khi vận hành, sửa chữa, bảo dưỡng thiết bị và nạp bổ sung nguồn phóng xạ còn có nhiều vấn đề tồn tại trong quá khứ đã ảnh hưởng lớn đến tâm lý sử dụng thiết bị của các nhà sản xuất muốn ứng dụng. Trong tương lai gần, một số doanh nghiệp có tiềm lực kinh tế và quan hệ thị trường sẽ kết hợp với các nhà khoa học hạt nhân, chế tạo và đưa ra thị trường thiết bị phân tích hàm lượng nguyên tố bằng kỹ thuật PGNAA, mọi hạn chế về làm chủ công nghệ PGNAA sẽ được khắc phục. Đây chính là động lực và mục tiêu phát triển ứng dụng rộng rãi và có hiệu quả kỹ thuật PGNAA ở Việt Nam.
Tài liệu tham khảo
[1] “Thiết bị phân tích hoá bằng kỹ thuật tia X và PGNAA trong ngành công nghiệp ở Việt Nam”, https://tudonghoangaynay.vn/thiet-bi-phan-tich-hoa-bang-ky-thuat-tia-x-va-pgnaa-trong-nganh-cong-nghiep-o-viet-nam-9173.html/
[2] “Chế tạo thiết bị hạt nhân tiên tiến sử dụng kỹ thuật PGNAA cho ngành công nghiệp Việt Nam”, https://tudonghoangaynay.vn/che-tao-thiet-bi-hat-nhan-tien-tien-su-dung-ky-thuat-pgnaa-cho-nganh-cong-nghiep-viet-nam-9513.html
[3] "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).
[4] “A γ -Ray Detector Based on a 3” LaBr3:Ce:Sr Crystal With SiPM Readout for 80 keV-16 MeV Energy Range With Position Sensitivity for Doppler Correction”, Marco Agnolin, Davide Di Vita, Giacomo Borghi, Marco Carminati, and Carlo Fiorini, IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 70, NO. 10, OCTOBER 2023.
Phụ lục 1
Tổng hợp các kỹ thuật phân tích nguyên tử
 |
 |
TS. Nguyễn Thanh Tuỳ, CN. Khuông Thanh Tuấn
Trung tâm Kỹ thuật hạt nhân Viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân
Email: ngthanhtuyf@gmail.com/
