- Đồng vị 14 C và biến động của khí hậu ở Việt Nam. - Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý. - Tổng quan về sự hình thành của đồng vị 14 C trong tự nhiên, phƣơng pháp đo đồng vị phóng xạ, đo đồng vị 14 C bằng detector nhấp nháy. - Trình bày các phƣơng pháp thực nghiệm: quy trình phân tích hàm lƣợng trong mẫu môi trƣờng sử dụng hệ đo Tri-carb 2770TR/SL. - gia công chế tạo detector nhấp nháy lỏng cho hệ Tri-carb 2770TR/SL. - đo hoạt độ phóng xạ bêta trên máy đo Tri-carb 2770TR/SL. - thực nghiệm xác định hàm lƣợng đồng vị 14 C trong một số mẫu vật. - Đƣa ra kết quả và thảo luận: sai số trong phép đo phóng xạ hoạt độ nhỏ. - xác định hoạt độ carbon phóng xạ trong mẫu. - biến thiên của hàm lƣợng đồng vị 14 C theo thời gian.. - Phóng xạ. - TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Cơ sở khoa học của phương pháp. - 1.1.1 Sự hình thành của đồng vị 14 C trong tự nhiên Nêu sự hình thành đồng vị 14 C trong tự nhiên:. - Trong tƣ̣ nhiên , carbon có ba đồng vị cơ bản là carbon-12 ( 12 C), carbon-13 ( 13 C), carbon-14 ( 14 C). - Trong đó 12 C, 13 C là các đồng vị bền và chiếm phần chủ yếu trong tự nhiên ( 12 C chiếm khoảng 99,63%. - 13 C chiếm khoảng 0,37%) còn 14 C chiếm phần tỷ lệ rất nhỏ chỉ khoảng là đồng vị không bền vững, có khả năng phân rã phóng xạ β - để trở thành nguyên tố khác.. - Xây dựng hàm biến thiên hàm lƣợng C 14 theo thời gian.. - Trong tự nhiên luôn có 2 quá trình ngƣợc nhau xảy ra đối với hai đồng vị 14 C và 14 N:. - một quá trình tạo ra đồng vị 14 C từ 14 N do tác động của tia vũ trụ nhƣ phƣơng trình (1.1). - Sau khi đƣợc tạo thành đồng vị 14 C sẽ nhanh chóng bị ôxi hóa thành khí điôxít carbon và tham gia vào chu trình chuyển hóa trong sinh quyển nhƣ một chất khí CO 2 thông thƣờng. - Nêu cơ sở của phƣơng pháp xây dựng hàm lƣợng biến thiên theo thời gian 1.2 Các phương pháp đo đồng vị phóng xạ. - Nêu các phƣơng pháp đo đồng vị phóng xạ.. - Kỹ thuật này đã đƣợc nghiên cứu sử dụng ngay từ những năm 50 của thế kỷ 20, nó đã đƣợc phát triển để trở thành một trong những kỹ thuật đo hàm lƣợng 14 C phổ biến ở nhiều nƣớc trong những năm 1960-1980. - Theo phƣơng pháp này, mẫu sau khi làm sạch sẽ đƣợc xử lý để chuyển hóa toàn bộ các nguyên tử carbon trong nó thành hợp chất hữu cơ dạng khí mêtan (CH 4. - Sau đó, khí này sẽ đƣợc nạp vào ống đếm có trƣờng điện thế cao (khoảng vài kV) để xác định hoạt độ phóng xạ bêta từ đồng vị 14 C phát ra theo nguyên tắc của ống đếm tỷ lệ. - Ƣu điểm của phƣơng pháp là có khả năng xác định trực tiếp hoạt độ phóng xạ 14 C và dễ sử dụng. - 1.2.2 Kỹ thuật đo đồng vị 14 C bằng phổ kế gia tốc khối lượng (AMS). - 1.2.3 Kỹ thuật đo hoạt độ 14 C bằng detector nhấp nháy lỏng. - các detector nhấp nháy đƣợc ứng dụng khá phổ biến trong nhiều loại thiết bị đo ghi bức xạ khác nhau dùng trong vật lý hạt nhân và vật lý hạt. - Với sự trợ giúp của kỹ thuật vi xử lý, đã có những bƣớc đột phá về công nghệ ghi đo bức xạ hạt nhân bằng detector nhấp nháy, cho phép nâng cao độ nhạy của phƣơng pháp và có thể tiến hành các phép đo xác định hàm lƣợng 14 C đạt độ chính xác cao. - Ngoài ra kỹ thuật này còn có ƣu điểm đáng kể là dễ áp dụng, giá thành phân tích thấp, chƣa bằng một nửa phƣơng pháp đo đồng vị 14 C bằng khối phổ gia tốc (AMS), không đòi hỏi đầu tƣ ban đầu lớn.. - 1.3 Đo đồng vị 14 C bằng detector nhấp nháy 1.3.1 Giới thiệu về detector nhấp nháy. - Hoạt động của nó dựa trên nguyên tắc khi vật liệu bị hạt hoặc bức xạ kích thích do va chạm, nó sẽ phát ánh sáng nhấp nháy. - Vật liệu đƣợc xác định có tính nhấp nháy sớm nhất đƣợc Crookes phát hiện ra vào 1903 và sử dụng để xác định các hạt. - Sự phát minh ra các ống đếm chứa khí sau đó làm cho các thiết bị nhấp nháy ít đƣợc sử dụng và bị rơi vào quên lãng cho đến năm 1944 Curran và Baker sử dụng ống nhân quang điện để thay sự quan sát bằng mắt thì các thiết bị nhấp nháy đã trở nên có hiệu quả và tin cậy giống nhƣ các ống đếm chứa khí.. - 1.3.2 Detector nhấp nháy lỏng. - Nêu Sơ đồ khối nguyên lý hệ đo carbon phóng xạ bằng detector nhấp nháy lỏng 1.3.2.1. - Dung dịch mẫu gồm các đồng vị phóng xạ cần đo và dung dịch nhấp nháy. - Dung dịch nhấp nháy gồm một lƣợng nhỏ chất hoà tan và một lƣợng lớn dung môi. - Đôi khi dung dịch nhấp nháy chứa một số phụ gia khác nhƣ chất hoạt động bề mặt, điều này giúp cho dung dịch nƣớc tan trong dung dịch hữu cơ. - Quá trình tạo xung sáng trong detector nhấp nháy lỏng. - Quãng chạy của hạt bêta phát ra từ đồng vị 14 C trong dung dịch đo cũng rất nhỏ, do đó cần có những giải pháp khắc phục khả năng lan truyền rất ngắn của hạt bêta trong môi trƣờng tạo detector nhấp nháy lỏng. - Sau đó, để xác định lƣợng 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 khuyếch đại chúng lên.. - 1.4 Những vấn đề quan tâm nghiên cứu của luận văn. - -Tìm hiểu những cơ sở khoa học của phƣơng pháp.. - Chế ta ̣o đềtêctơ nhấp nháy lỏng và xây dƣ̣ng cấu hình phép đo hoa ̣t đô ̣ carbon phóng xạ trên hê ̣ đo Tri-carb 2770TR/SL.. - Đƣa Sơ đồ quy trình đo hàm lƣợng 14 C mẫu địa chất sử dụng hệ đo nhấp nháy lỏng Tri-carb 2770TR/SL. - Các loại tạp nhiễm có thể có trong mẫu nghiên cứu. - Các tạp nhiễm trong quá trình bảo quản mẫu nghiên cứu. - Ngƣời ta gọi tắt phƣơng pháp xử lý này là A.A.A (Axit – Akali – Axit), thời gian xử lý (ngâm hóa chất) là 24 giờ mỗi lần, nhiệt độ xử lý là 80 0 C, lƣợng dung dịch thu đƣợc gấp 10 lần mẫu.. - Benzen có tỉ lệ carbon cao nhất trong các hợp chất hữu cơ, hàm lƣợng carbon chiếm hơn 92,31%.. - Benzen là hợp chất phù hợp với phƣơng pháp đo nhấp nháy lỏng 2.1.3.1. - Thông thƣờng có hai phƣơng pháp cơ bản để tạo khí CO 2. - *Phƣơng pháp đốt. - *Phƣơng pháp axit hóa. - Từ lƣợng khí CO 2 thu thập đƣợc trong quá trình tạo khí, theo đồ thị xác định lƣợng kim loại lithium (Li) cần thiết để sử dụng trong phản ứng, sao cho phản ứng xảy ra vừa đủ (Hình 2.10). - 2.2 Gia công chế tạo detector nhấp nháy lỏng cho hệ Tri-carb 2770TR/SL. - Gia công chế tạo detector nhấp nháy lỏng cho hệ Tri-carb 2770TR/SL bằng cách đem cân chính xác lƣợng mẫu benzen thu đƣợc và đảm bảo rằng sai số của phép đo này đạt. - ±0,0001g, mục đích là không để cho sai số đo khối lƣợng ảnh hƣởng kết quả đo đồng vị carbon phóng xạ.. - 2.3Đo hoạt độ phóng xạ bêta trên máy đo Tri-carb 2770TR/SL. - Lấy 3ml benzen mẫu đo trộn cùng với 0,5ml coctail và đƣa vào trong hộp đựng mẫu giống nhƣ mẫu chuẩn, sau đó đƣa mẫu vào khay đo của hệ đo nhấp nháy lỏng phông thấp Tri-carb 2770TR/SL. - Tất cả lƣợng dung dịch trên đƣợc đựng trong bình Vial chuyên dụng làm bằng vật liệu có hoạt độ phóng xạ thấp.. - 2.4 Thực nghiệm xác định hàm lƣợng đồng vị 14 C trong một số mẫu vật. - Dựa vào các quy trình nghiên cứu trên, tác giả luận văn đã tiến hành thực nghiệm phân tích một số mẫu địa chất bằng phƣơng pháp đo đồng vị 14 C trên hệ đo nhấp nháy lỏng Tri-carb 2770TR/SL tại phòng thí nghiệm xác định niên đại Viện khảo cổ - Viện Khoa học Xã hội Việt Nam.. - Dƣới đây là hình ảnh của một số mẫu đƣợc thu thập để xác định hàm lƣợng phóng xạ của 14 C. - Nhƣ đã trình bày ở trên, có hai phƣơng pháp chính để thu đƣợc khí CO 2 từ các mẫu địa chất, đó là:. - Phƣơng pháp đốt mẫu trong buồng đốt với khí ôxy tinh khiết.. - Phƣơng pháp axit hóa mẫu bằng axit H 3 PO 4. - Chi tiết các bƣớc tiến hành thu khí CO 2 từ mẫu địa chất theo phƣơng pháp axit hóa đƣợc trình bày dƣới đây.. - 2.4.5 Đo mẫu trên hệ đo nhấp nháy lỏng Tri-carb 2770TR/SL 2.4.5.1. - Giới thiệu máy Tri-carb 2770TR/SL. - Thiết bị đo sử dụng cho việc phân tích nhấp nháy lỏng là máy Tri-carb 2770TR/SL, 2.4.5.2. - Đo mẫu trên hệ đo nhấp nháy lỏng Tri-carb 2770TR/SL. - 2 Chƣơng 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1Sai số trong phép đo phóng xạ hoạt độ nhỏ. - 3.1.1Số đếm trung bình và sai số của phép đo 3.1.1.1. - Sai số của phép đo. - Trong phép đo phóng xạ hoạt độ nhỏ, khi xác định tốc độ đếm do nguồn gây ra có 2 yếu tố chủ yếu gây ra sai số của phép đo cần quan tâm. - Để xác định hoạt độ phóng xạ của một nguồn trong thực nghiệm cần phải xác định tốc độ đếm do nguồn gây ra. - Tốc độ đếm do nguồn gây nên đƣợc xác định qua hai phép đo: phép đo phông và phép đo nguồn. - Độ nhạy của phép đo. - 3.2 Xác định hoạt độ carbon phóng xạ trong mẫu. - Từ những số liệu thu đƣợc ta tiến hành tính toán xác định hoạt độ phóng xạ của các mẫu dựa trên mẫu chuẩn với điều kiện mẫu chuẩn và mẫu cần xác định phải đo trong cùng điều kiện nhƣ nhau.. - 3.3 Biến thiên của hàm lượng đồng vị 14 C theo thời gian 3.4. - So sánh với một số nghiên cứu khác. - Trong khoảng vài chục năm gần đây, biến đổi khí hậu đã ảnh hƣởng nghiêm trọng đến mọi quốc gia trên toàn cầu, gây ra những hậu quả nặng nề, chính vì vậy mà đề tài nghiên cứu về biến đổi khí hậu thu hút đƣợc rất nhiều sự quan tâm và nghiên cứu của các nhà khoa học của các quốc gia trên thế giới.. - Luận văn đã đạt đƣợc những mục tiêu đề ra đó là đo hàm lƣợng carbon phóng xạ trong các mẫu sinh vật bằng detector nhấp nháy lỏng. - Trong quá trình thực hiện, tác giả luận văn đã tiến hành nghiên cứu tìm hiểu về lý thuyết của phƣơng pháp cũng nhƣ đã trực tiếp thực hiện các thí nghiệm đo tại Phòng Thí nghiệm xác định niên đại của Viện Khảo cổ học – Viện Khoa học Xã hội Việt Nam. - Tiến hành nghiên cứu tìm hiểu các vấn đề lý thuyết về sự hình thành của đồng vị. - 14 C trong tự nhiên, biến thiên hàm lƣợng đồng vị 14 C theo thời gian và phƣơng pháp đo hàm lƣợng đồng vị 14 C bằng detector nhấp nháy lỏng.. - Tiến hành làm quen và tìm hiểu quy trình: xử lý mẫu, chế tạo detector, đo hàm lƣợng 14 C trên hệ đo nhấp nháy lỏng Tri-carb 2770TR/SL tại phòng thí nghiệm Viện Khảo cổ học – Viện Khoa học Xã hội Việt Nam.. - Thực hiện đo hàm lƣợng 14 C cho 3 mẫu gồm: mẫu gỗ M173. - Tiến hành xử lý số liệu và kết hợp với sƣu tầm các kết quả nghiên cứu khác để biểu diễn đƣợc sự thăng giáng đồng vị 14 C trong sinh quyển ở Việt Nam từ khoảng đầu công nguyên trở trở lại đây. - Từ đó, đã có thể phần nào xác định đƣợc biến động của cổ khí hậu ở Việt Nam trong quãng thời gian đó... - Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng 14 C để dự đoán biến động của khí hậu ở Việt Nam chỉ góp một phần nhỏ bổ trợ kết quả cùng các phƣơng pháp khác vẽ lên bản đồ hoàn chỉnh hơn về biến đổi khí hậu ở Việt Nam. - Tuy nhiên, trong thời gian có hạn nên tác giả luận văn vẫn chƣa nghiên cứu đƣợc sâu sắc, đề tài này vẫn cần đƣợc nghiên cứu tiếp.. - Lê Thị Ngọc Hạnh (2010), “Nghiên cứu đo tuổi carbon phóng xạ mẫu địa chất bằng đềtêctơ nhấp nháy lỏng”, Luận văn thạc sĩ, trƣờng Sƣ phạm TPHCM, Đại học Quốc gia TPHCM.. - Nguyễn Quang Miên (2002), Báo cáo tổng kết đề tài: Nghiên cứu xác định niên đại 14 C trên vật liệu gốm cổ, trung tâm khoa học xã hội và nhân văn quốc gia – viện khảo cổ học.. - Nguyễn Quang Miên (2004), Báo cáo tổng kết đề tài: Nghiên cứu xác định niên đại 14 C khu di tích Hoàng Thành – Thăng Long, 18 Hoàng Diệu, Viện khoa học xã hội Việt Nam, Viện khảo cổ học.. - Nguyễn Quang Miên, Bùi Văn Loát, Thăng giáng hàm lượng đồng vị 14C trong sinh quyển Việt Nam, Báo cáo tại hội nghị khoa học trƣờng Đại học Mỏ địa chất Hà Nội, tháng 11 năm 2010.. - Viện Khoa học và xã hội Việt Nam, phòng thí nghiệm và xác định niên đại (2005), Hướng dẫn vận hành và bảo dưỡng thiết bị đo phóng xạ Tri-carb 2770TR/SL (bản dịch từ tài liệu của hãng Canberra).