Chương I1: Tương tác của tia X với vật chất Quang clestrun bx = E-® e Licetren Auge: Isa NK (bị —* Bin: L,„ wecte Ded, “ắc 4 (a) ` 2 (c) (d) (a) : trước khi tương tac xảy ra (b) : quá trình tương tác ; photon bị hấp thụ bởi một electron ting K; electron bin ra khỏi nguyên tử (c) : lỗ trống tầng K bị lấp đẩy bởi electron tầng L, tia X phát ra (d) : hiệu ứng Auger xảy ra Hiệu suất huỳnh quang : Định nghĩa: Hiệu suất huỳnh quang là xác suất để một tia X đặc trưng được phát ra khi một lỗ trống được lấp day và nó được tinh bằng ti xổgiữa tổng số các tia X được phát ra trên tổng số các lỗ trống được tạo thành trong cùng một thời gian tại một lớp nào đó. SVTH: Ta Thi Mink Tuyén Trang 18 Luận văn tốt nghiệp Chương II: Tương tác của tia X với vật chất Ví du: Công thức tính hiệu suất huỳnh quang tại lớp K W,= 3 (nx } Ñ.ã Nx =— Ni (lke Kal*+ FKa+ lke +f;KBI +.23) Hiệu suất huỳnh quang là khác nhau đối với từng nguyên tố và từng phân lớp. Đối với các nguyên tử có số khối trung bình và thấp , năng lượng liên kết giữa cúc electron tương đối thấp nên hiệu suất huỳnh quang tương đối thấp. Hiệu suất huỳnh quang sẽ dat giá trị lớn nhất khi năng lượng tia X kích thích vừa lớn hơn năng lượng liên kết của clectron trong nguyén tử.QUA TRÌNH PHAT XA; Quá trình phát xạ tia X xảy ra khi có lỗ trống được hình thành trong các qui đạo bên trong, do hiệu ứng quang điện , phục hồi về trạng thái cơ bản.
Trong quá trình này electron chỉ chuyển đời trong nội bộ để lấp đẩy lỗ trống nên không có vạch đặc trưng nào từ mẫu phát ra có năng lượng lớn hơn năng lượng cạnh hấp thụ ứng với dãy đó. Vì vậy khi chùm tia X tới có năng lượng lớn hơn năng lượng cạnh hấp thụ của dãy nào thì tất cả các cạnh đặc trưng của dãy đó đều xuất hiện trên phổ. Tuy nhiên không phải cứ có lỗ trống là bất kì electron nào ở lớp ngoài đều có thể dịch chuyển đến lấp day lỗ trống mà sự dịch chuyển này phải tuân theo quy tắc lựa chọn trong cơ học lượng tử là An>0 AI =+I Aj =0;t1 với n : số lượng tử chính 1 : số lượng tử qui đạo j : số lượng tử spin Các vạch K: Khi ở lớp K có xuất hiện lỗ trống thì electron ở ting ngoài sẽ dịch chuyển đến để lấp đẩy kèm theo sự phát xa tia X đặc trưng tạo thành dãy K trong phổ tia X : Kai, Kaz. Kap — Vach K„; sinh ra do sự chuyển mức của clectron từ ting Lạy (2P„;) về tầng K (1S;n) Vach K, sinh ra do sự chuyển mức của electron từ tầng Ly (2P),) về tầng K (1S;,) Năng lượng trung bình của các vạch nay 2Exsi+Ews› EK, = i (2.24) SVTH: Ta Thi Minh Tuyến trường Ðai-Hse S¡*+-hom Í Trang 19 LTP.
HOE Aes i DĐ; Luận văn tốt nghiệp Chương HH: Tương tác của tia X với vật chất _———————————>——~———————————————~~x-r-rcr=== Vạch Ky xuất hiện ở mức năng lượng cáo hơn K, là kết qua của sự chuyển mức vủa clcctron tử M vẻ K. Các vạch L: Day L dược hình thành từ sự chuyển mức của các electron từ các tang M,N. vẻ lấp đáy lễ trống ở ting L. Tầng L có ba cạnh hấp thụ Lacy.
Ía„ Ứng với các qui đạo 2S,+, 2Pia. do đó để kích thích cả ba dãy vạch L. thì nàng lượng photon phải lớn hơn E; „ ¿ Vach L. được dùng để phân tích các nguyên tổ có bậc số nguyên tử Z>45 (Rh) khi nguồn kích thích là nguồn đồng vị.
Các vạch M: Các vạch M khong thể quan xát được đối với cúc nguyên W có bắc số nguyên tử Z<§7 do nang lượng dịch chuyển thấp năng lượng hấp thụ thấp nên nó ít dug sử dụng trong phổ tia X mà thường dùng để phân tích các nguyên tế Th ,Pa, U để tránh sự giao thou với cạnh L của những nguyên tố khác trong mẫu.6, CUONG ĐỘ HUỲNH QUANG THỨ CAP: Khi chiếu một chùm photon tới tương tác với mẫu làm bật các electron ra khỏi nguyen tử, hình thành các lỗ trống trên lớp vỏ nguyên tử và làm cho nguyên tử ở trạng thái kích thích. Tuy nhiên trạng thái kích thích này nhanh chóng mất đi khi các electron ở qui đạo bên ngoài dịch chuyển về lấp đầy lỗ ung kèm theo việc bức xạ huỳnh quang tia X đặc trưng. Do cường độ tia X đặc trưng phát ra từ mẫu sẽ cho ta biết hàm lượng của nguyên tố đó trong mẫu. x=T Nguồn kích Sơ đồ bố trí hình học cho việc kích thích mẫu SVTH: Ta Thi Minh Tuyén Trang 20 Luận văn tốt nghiệp Chương II: Tương tác của tia X với vật chất Các ký hiệu dùng trong công thức cường đô huỳnh quang thứ cấp: Ey : năng lượng nguồn kích E, : năng lượng tia X đặc trưng cho nguyêntố i u(E,) : hệ số hấp thụ khối ứng với năng lượng Ey t(Ey) : hệ số hấp thụ quang điện của nguyên lố i ứng với năng lượng Ea tx,(Eo) : hệ số hấp thụ quang điện của nguyên tố ¡ ở tang K ứng với năng lượng Ey, Q, : xác suất huỳnh quang của nguyên tố i ®, : năng lượng cạnh hấp thụ tầng K của nguyên tố ¡ n(E¿) — : hiệu suất ghi vạch huỳnh quang năng lượng E, Xét chùm tia X có năng lượng trong khoảng (Eu,Ea+dE¿) phát ra từ nguồn kích thích (để đơn giản xem như là nguồn điểm) trong góc khối dQ; đập lên bể mặt của mẫu có bể dày x=T dưới góc khối yy.
S6 photon tới đập vào bể mat mẫu trong một giây là I,(Es)dE,d©, (2.25) Khi đến mẫu , các photon này bắt đầu tương tác với mẫu .Vì tia X đặc trưng là kết quả của quá trình quang điện nên ta xét hiệu ứng quang điện xảy ra tại bể dày vi phân dx , cách bể mặt mẫu một khoảng x. | Do trước khi đến được bề day dx, chùm photon tới đã bị hấp thụ một phần trên đoạn đường là x csCựA ( cscW¡ = ) nên cường độ còn lại khi đập vào bề day dx là: sinyl 1, = Io dEq dQ, exp|-u(E¿)px cscy)] (2.26) Cường độ huỳnh quang tia X là : lạ = 1, t(Ey) p dx cscy, (2.27) Do trong mẫu có nhiều nguyên tố nên t(Eo) = 3,W„t„(Eu) (2.28) với W„ là hàm lượng của nguyên tố trong mẫu. Giả sử ta xét nguyên tố i thì cường độ huỳnh quang tia X của nguyên tố ¡ = ED) 1, = 1, W, t(Ea) p dx cscy, (2.29) SVTH: Ta Thi Mink Tuyc Trang 21 Luận văn tốt nghiệp Chương Il: Tương tác của tỉa X với vật chất Vì hau hết tưởng tác quang điện xảy ra ở lớp K nên ta xét cường đô ở tang K 2 1x(E,) l hy = 1, Wotq, (Ln) pdx csew; (2.30) +” tu) Ty số bước nhảy k được xác định = T(D_) (2.31) KT) trong đó t,(@,) và t (Dx) là các hệ số hấp thy quang diện bên phía năng lượng cao và năng lương thấp tương ứng với cạnh hấp thu K t (Dy) tálal Tidy) ta) « ty (Eat Mô hình suy diễn giá trị t,;(Eo) Xét. chùm tia tới có năng lượng Ep > Mx , ta có thể tính gần đúng giá trị tx/(Eo) tÁEu) t,(®¿) T(Eo) Teka) TT(Œy) 'K (2.33) Suy ra Trong quá trình phát ra huỳnh quang tia X còn kèm theo cả quá trình phát electron Auger, đây là quá trình làm giảm cường độ của tia X đặc trưng.
Do đó cường độ huỳnh quang thực chất được phát ra từ nguyên tố i trong bể dày dx là: lạ = @gil¿ (2.34) với (¡ là hiệu suất huỳnh quang tại lớp K của nguyên tố i. Nếu ta chỉ dùng một vạch trong nhóm K để phân tích và giả sử cường độ vạch này chiếm một tỷ lệ f trong toàn bộ nhóm K thì cường độ tia X là: L, = fl, (2.35) SVTH: Ta Thi Minh Tuyển Trang 22 Luận văn tốt nghiệp Chương H1: Tương tác của tia X với vật chất Cường dộ này được phát ra đối xứng theo tất cả các hướng ( bằng 4# trong góc khối ). Như vậy cường độ huỳnh quang đi đến detector trong góc khối dQ; theo hướng tự; là: dQ; l,= I, (2.36) án Trước khi đi đến được detector thi cường do này cũng đã bi hấp thu một phần trên đoạn đường xcxcs nên cường độ thật sự đến detector là: = l;exp|-t(E,)Ðxescws] (2.37) Nếu hiệu suất phí của detector là n(E,) thì cường độ bức xạ được ghi nhận là I= n(E,) lụ (2.38) Trong thực té, nguồn kích thích không là nguồn điểm do đó trong khoảng năng lượng (Eu. Do đó cường độ của một vạch phổ đặc trưng cho nguyên tố trong mẫu là : IE) = Q/G/1/W, f°" J'p expl-prinEnreseys + H(Eu)cscu;)JdxdEV,, (2.
Nguồn kích đa năng: LŒ)= GoW | THŒEocscvi H(Eo)cscự¡ Ease + (Eu)cSC(/2 HŒ,)cseu; nh đEo = Qik En) lo(Eo) SVTH: Ta Thi Mink Tuyén Trang 23 Luận văn tốt nghiệp Chương II: Tương tác của tỉa X với vật chất Nguồn kích đơn năng: L(E,) = QuGi Em xu(ncsen (2.Nếu mẫu mỏng: Nguồn kích đa năng: amas MME) =GuWyT |” Qu Fy hE) dE (2.32) I ữ vịt Nguồn kích đơn năng: 1,(,) = Q„G„lL/o,„/T (2.33) SVTH: Ta Th Mink Tuyén Trang 24 Luận vin tốt nghiệp Chương HH: Các phương phúp phân tích CHUONG II CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH Phổ kế năng lượng tia X là công cụ khá tốt cho việc xác định định tính các nguyên tố trong mẫu, kỹ thuật này có khả năng xác định định tinh các nguyên tế có Z từ |1 đến cuối bang tuần hoàn ở cấp hàm lượng từ vài trăm nanogam trong kỹ thuật mẫu mỏng, từ vài tram ppm trong mẫu dạng khối. Mẫu dạng lỏng hoặc rắn có thể phân tích trực tiếp. với vài trường hợp chất khí được phân tích bằng bộ lọc hoặc bẫy hóa học. Nguyên lý cơ bản của việc xác định các nguyên tố trong mẫu là dựa vào ning lượng và cường độ tướng đối của các vạch phổ K, L, M.
Trường hợp đơn nguyên tố, định vị chúng theo năng lượng tương ứng với bản tra cứu năng lượng tia X. Còn đối với mẫu phức tạp, do các đỉnh sé phủ lên nhau nén cẩn chuẩn năng lượng chính xác và quan tâm đến cường độ tương đối của chúng. Do vậy để phân tích định tính chính xác ta sử dụng bộ nguồn chuẩn có năng lượng từ 3KeV đến 20KeV để chuẩn năng lượng hệ phổ kế. Tùy theo hệ phổ kế mà đường chuẩn năng lượng theo kênh là tuyến tinh hay bậc hai theo kênh.