Luận văn Nghiên cứu ô nhiễm một số kim loại nặng trong không khí tại Thành phố Hà Nội bằng phương pháp phân tích pixe

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu ô nhiễm một số kim loại nặng trong không khí tại Thành phố Hà Nội bằng phương pháp phân tích pixe

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------ Bùi Thị Hoa NGHIÊN CỨU Ô NHIỄM MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG TRONG KHÔNG KHÍ TẠI THÀNH PHỐ HÀ NỘI BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PIXE LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2017
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------ Bùi Thị Hoa NGHIÊN CỨU Ô NHIỄM MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG TRONG KHÔNG KHÍ TẠI THÀNH PHỐ HÀ NỘI BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PIXE Chuyên ngành : Vật lý nguyên tử Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐẶNG QUANG THIỆU Hà Nội - 2017
3. Bùi Thị Hoa LỜI CẢM ƠN Để có thể hoàn thành luận văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu ô nhiễm một số kim loại nặng trong không khí tại thành phố Hà Nội bằng phương pháp phân tích PIXE”, bên cạnh sự nỗ lực cố gắng của bản thân còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô, cũng như sự động viên ủng hộ của gia đình, bạn bè và đồng nghiệp. Qua trang viết này tôi xin gửi lời cảm ơn tới những người đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập - nghiên cứu khoa học vừa qua. Tôi xin tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đối với Thầy TS.Đặng Quang Thiệu và Thầy TS.Nguyễn Thế Nghĩa là người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi cũng như cung cấp tài liệu thông tin khoa học cần thiết cho luận văn này. Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý thầy cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân, ban lãnh đạo Khoa Vật lý, ban lãnh đạo Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt công việc nghiên cứu khoa học của mình. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, các anh chị và các bạn đồng nghiệp đã hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh. Hà Nội, tháng 11 năm 2017 Tác giả Bùi Thị Hoa Luận văn thạc sĩ i
4. Bùi Thị Hoa DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2. 1. Các hệ số dùng trong tính toán và ................................................. 30 Bảng 2. 2. Bảng giá trị hệ số Bi ................................................................................. 32 Bảng 2. 3. Thông số thí nghiệm sử dụng trong luận văn .......................................... 42 Bảng 3. 1. Kết quả đo mẫu rêu ở địa điểm 1 ............................................................. 48 Bảng 3. 2. Kết quả đo mẫu rêu ở địa điểm 2 ............................................................. 49 Bảng 3. 3. Kết quả đo mẫu rêu ở địa điểm 3 ............................................................. 50 Bảng 3. 4. Kết quả đo mẫu rêu ở địa điểm 4 ............................................................. 51 Bảng 3. 5. Kết quả đo mẫu rêu ở địa điểm 5 ............................................................. 52 Bảng 3. 6. Kết quả đo mẫu rêu ở địa điểm 6 ............................................................. 53 Bảng 3. 7. Kết quả đo mẫu rêu ở địa điểm 7 ............................................................. 54 Luận văn thạc sĩ ii
5. Bùi Thị Hoa DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. 1. Núi lửa Momotombo phun trào [44] .......................................................... 5 Hình 1. 2. Khói bốc lên từ nhà máy luyện thép ở Đường Sơn, Trung Quốc .............. 6 Hình 1. 3. Ô nhiễm không khí gây bởi các phương tiện tham gia giao thông ............ 7 Hình 1. 4. Hình ảnh treo mẫu rêu tại Belgrade, Serbia (a) và tại Phần Lan (b) ........ 15 Hình 1. 5. Hình ảnh mẫu rêu Sphagnum ................................................................... 16 Hình 2. 1. Hệ máy gia tốc 5SDH – 2 Pelletron ......................................................... 17 Hình 2. 2. Sơ đồ khối của nguồn trao đổi ion RF ..................................................... 18 Hình 2. 3. Các bộ phận bên trong của buồng gia tốc chính ...................................... 20 Hình 2. 4. Sơ đồ hệ thống nạp điện của buồng gia tốc 5SDH – 2 Pelletron [50] ..... 22 Hình 2. 5. Quá trình phát tia X đặc trưng (a) và quá trình phát electron Auger (b) . 25 Hình 2. 6. Sơ đồ dịch chuyển năng lượng giữa các mức .......................................... 26 Hình 2. 7. Phổ PIXE của một mẫu đất ...................................................................... 27 Hình 2. 8. Sự phụ thuộc của tiết diện ion hóa vào năng lượng của chùm proton đối với lớp K và lớp L ..................................................................................................... 30 Hình 2. 9. Các chuyển đổi giữa các mức của lớp K, L, M ........................................ 31 Hình 2. 10. Sự phụ thuộc của hiệu suất huỳnh quang tại lớp K và lớp L vào nguyên tử số Z ........................................................................................................................ 32 Hình 2. 11. Vị trí đặt detector SDD .......................................................................... 35 Hình 2. 12. Hiệu suất ghi nội của detector Sirius SDD dùng trong thí nghiệm được tính toán bằng phần mềm GUPIX dựa trên các tham số đầu vào của nhà sản xuất. 36 Hình 2. 13. Sự thay đổi hiệu suất ghi tuyệt đối của detector Sirius SDD đối với các tấm lọc khác nhau được đặt trong buồng chiếu ........................................................ 37 Hình 2. 14. Hình ảnh phổ PIXE thu được khi sử dụng chùm tới là chùm electron (a) và chùm proton (b) .................................................................................................... 38 Hình 2. 15. Hình ảnh mẫu rêu khi được phơi khô .................................................... 39 Luận văn thạc sĩ iii
6. Bùi Thị Hoa Hình 2. 16. Vị trí các điểm treo mẫu rêu. .................................................................. 39 Hình 2. 17. Các khay đựng mẫu ................................................................................ 41 Hình 2. 18. Sơ đồ bố trí thí nghiệm ........................................................................... 41 Hình 2. 19. Giao diện chương trình GUPIX ............................................................. 43 Hình 3. 1 Đồ thị biễu diễn giá trị hàm lượng của mẫu 1a, 1b và 1c ......................... 48 Hình 3. 2. Đồ thị biễu diễn giá trị hàm lượng của mẫu 2a, 2b và 2c ................ Error! Bookmark not defined. Hình 3. 3. Đồ thị biễu diễn giá trị hàm lượng của mẫu 3a, 3b và 3c ........................ 50 Hình 3. 4. Đồ thị biễu diễn giá trị hàm lượng của mẫu 4a, 4b và 4c ........................ 51 Hình 3. 5. Đồ thị biễu diễn giá trị hàm lượng của mẫu 5a, 5b và 5c ........................ 52 Hình 3. 6. Đồ thị biễu diễn giá trị hàm lượng của mẫu 6a, 6b và 6c ........................ 53 Hình 3. 7. Đồ thị biễu diễn giá trị hàm lượng của mẫu 7a, 7b và 7c ........................ 54 Luận văn thạc sĩ iv
7. Bùi Thị Hoa BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT PIXE: Particle induced X-rays Emission RBS: Rutherford Backscattering spectrometry NRA: Nuclear Reaction Analysis NEC: National Electrostatics Corporation RF: Radio frequency SNICS: Source of Negative Ions by Cesium Sputtering LDS: Lithium Drift Detector SDD: Silicon Drift Detector MCA: Mutilchannel Analyzers Luận văn thạc sĩ v
8. Bùi Thị Hoa MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ ................................. 4 VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................................... 4 1.1. Tìm hiểu về ô nhiễm không khí ..................................................................... 4 1.1.1. Khái niệm về ô nhiễm môi trường không khí ......................................... 4 1.1.2. Nguyên nhân gây ô nhiễm không khí ..................................................... 4 1.1.3. Hậu quả của ô nhiễm không khí ............................................................. 8 1.1.4. Ngăn chặn, khắc phục tình trạng ô nhiễm không khí ............................. 9 1.2. Các phương pháp nghiên cứu chất lượng không khí ................................... 10 1.2.1. Phương pháp nghiên cứu chất lượng không khí sử dụng các trạm quan trắc môi trường ................................................... Error! Bookmark not defined. 1.3. Khái niệm chất chỉ thị sinh học ................................................................... 11 1.3.1. Khái niệm .............................................................................................. 11 1.3.2. Các tiêu chí lựa chọn chất chỉ thị sinh học ........................................... 12 1.3.3. Rêu là chất chỉ thị ................................................................................. 13 1.3.4. Khả năng áp dụng rêu trong nghiên cứu ô nhiễm không khí................ 14 Chương II - TỔNG QUAN VỀ HỆ MÁY GIA TỐC 5SDH-2PELLETRON .......... 17 2.1. Cấu tạo hệ máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron ...................................................... 17 2.1.1. Nguồn tạo ion ........................................................................................... 18 2.1.2. Buồng gia tốc chính .................................................................................. 19 2.1.2.1. Buồng chứa và các bộ phận liên quan ................................................... 20 2.1.2.2. Ống gia tốc ............................................................................................ 20 2.1.2.3. Hệ thống nạp điện .................................................................................. 21 2.1.2.4. Hệ thống tước electron .......................................................................... 23 2.1.3. Các kênh ứng dụng của hệ máy gia tốc .................................................... 23 2.2. Nguyên tắc hoạt động của hệ máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron ........................ 23 2.3. Tổng quan về phương pháp phân tích PIXE ................................................... 24 Luận văn thạc sĩ vi
9. Bùi Thị Hoa 2.3.1. Cơ sở vật lý của phương pháp phân tích PIXE ........................................ 25 2.3.2. Sự dịch chuyển tia X ................................................................................ 26 2.3.3. Phổ tia X đặc trưng ................................................................................... 27 2.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ tia X đặc trưng ............................... 28 2.3.4.1. Tiết hiện ion hóa .................................................................................... 29 2.3.4.2. Xác suất dịch chuyển eletron giữa các mức ......................................... 30 2.3.4.3. Hiệu suất huỳnh quang .......................................................................... 31 2.3.5. Các loại mẫu và hướng phân tích ............................................................. 33 2.3.6. Công thức tính suất lượng tia X trong phân tích mẫu dày ....................... 34 2.3.4. Detector .................................................................................................... 35 2.3.5. Tấm lọc ..................................................................................................... 36 2.3.7. So sánh với chùm electron ....................................................................... 37 2.4. Phương pháp thực nghiệm .............................................................................. 38 2.4.1. Các bước chuẩn bị mẫu và xử lý mẫu ...................................................... 38 2.4.2. Tiến hành phép đo .................................................................................... 41 2.4.3. Phần mềm phân tích phổ PIXE – GUPIX ................................................ 42 a, Giao diện phần mềm GUPIX.......................................................................... 42 2.4.4. Xử lý số liệu ............................................................................................. 45 Chương III - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................. 47 3.1. Kết quả ............................................................................................................ 47 3.2. Kết luận ........................................................................................................... 55 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................... 1 Luận văn thạc sĩ vii
10. Bùi Thị Hoa Luận văn thạc sĩ viii