Chương 1 là “Tổng quan các phương pháp phân tích sử dụng chùm ion trên máy gia tốc tĩnh điện”; Chương 2 là “Máy gia tốc tĩnh điện 5SDH-2 Pelletron và các hệ detector trên máy gia tốc”; Chương 3 là “Phản ứng hạt nhân trên máy gia tốc” và Chương 4 là “Kết quả phân tích RBS và PIXE”. Ý nghĩa khoa học của luận án là lần đầu tiên các phương pháp nghiên cứu được thực hiện trên máy gia tốc tĩnh điện tại Việt Nam, cho ra các số liệu mới khi phân tích các mẫu của Việt Nam. Các nghiên cứu này có ý nghĩa thực tiễn cao vì có tiềm năng ứng dụng lớn. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG I.
TỔNG QUAN CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SỬ DỤNG CHÙM ION TRÊN MÁY GIA TỐC TĨNH ĐIỆN 1. Giới thiệu chung Phương pháp phân tích sử dụng chùm ion (Ion Beam Analysis - IBA) dựa vào sự tương tác của các hạt nặng mang điện (chùm ion) với vật chất của mẫu cần phân tích [55]. Khi một mẫu được bắn phá với một chùm ion năng lượng trong phạm vi một vài MeV, chúng tương tác với nguyên tử và hạt nhân bằng các quá trình tương tác khác nhau để dẫn đến sự phát xạ ra tia X, các hạt tích điện, neutron và tia gamma. Phát hiện các sự kiện phát ra như vậy để có được thông tin về các thành phần nguyên tố của bia (mẫu đo) và chiều sâu cũng như phân bố của các nguyên tố trong mẫu cần phân tích.
Để có kết quả này người ta thường sử dụng một chùm ion tới đơn năng, hoặc một chùm microbeam quét trên một diện tích nào đó của mẫu. IBA là một thuật ngữ chung có liên quan đến một số kỹ thuật như phân tích phổ tán xạ ngược Rutherford (Rutherford Backscattering Spectrometry- RBS), phân tích phản ứng hạt nhân (Nuclear Reaction Analysis-NRA) và phân tích phát xạ tia X gây bởi hạt tích điện (Particle Induced X-ray Emission-PIXE). Chúng có thể được sử dụng riêng biệt hoặc kết hợp các phương pháp để có thêm thông tin về mẫu đo đang được nghiên cứu. Ngoài ra chúng có thể được sử dụng với cả một chùm đơn năng, chiếu cố định trên một diện tích, hoặc một microbeam quét theo từng điểm trên diện tích đó.
IBA kết hợp ưu điểm là không phá hủy và định lượng. Chúng có thể được áp dụng cho các bài toán phân tích thành phần nguyên tố và thông tin phân bố các nguyên tố theo chiều sâu tính từ bề mặt mẫu đo [53]. Phƣơng pháp phân tích sử dụng chùm ion 1. Phƣơng pháp PIXE 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khi một electron từ một lớp trong của vỏ điện tử của một nguyên tử được loại bỏ để lại một chỗ trống, một electron từ lớp vỏ ngoài sẽ lấp đầy chỗ trống này và giải phóng một lượng tử năng lượng phát xạ ra bên ngoài, năng lượng này bằng chênh lệch năng lượng giữa hai lớp vỏ.
Lượng tử năng lượng này, được gọi là X-quang, là đặc trưng của các nguyên tử và có thể được sử dụng để xác định nguyên tử đó. Các điện tử ở bên trong có thể được loại bỏ bằng cách va chạm của một hạt tích điện năng lượng cỡ MeV, như sơ đồ ở Hình 1.1, tạo ra tia X đặc trưng được gọi là phát xạ tia X gây bởi hạt tích điện (PIXE) và lần đầu tiên được phát hiện bởi Johansson et al. Kỹ thuật này được giới thiệu đầy đủ trong tài liệu [35]. Như đã đề cập ở trên, việc tạo ra các tia X đặc trưng là do các electron di chuyển từ một lớp vỏ điện tử cao hơn xuống lớp vỏ thấp hơn.
Các dịch chuyển về lớp vỏ K tạo thành các tia X của nhóm K, cũng vậy các dịch chuyển về lớp vỏ L tạo thành các tia X của nhóm L…Mỗi nhóm lại bao gồm các tia tương ứng như (Kα, Kβ ) hoặc (Lα, Lβ, Lγ) như minh họa ở Hình 1. L M N K Electron bật ra Kβ Lβ Kα Lα Hạt proton Tia X đặc trưng Hình 1. Sơ đồ phát tia X đặc trưng PIXE xác định các nguyên tố bởi sự phát xạ tia X đặc trưng của nó và nó có thể được sử dụng để phân tích định lượng bằng cách đo số lượng tia X phát ra ở một góc khối nào đó. Công thức cơ bản được sử dụng trong phân 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tích định lượng PIXE cho mẫu mỏng là một công thức đơn giản được cho bởi phương trình (1.1) trong đó: N: Tổng số xung đếm được trong đỉnh phổ năng lượng được tạo ra bởi các tương tác tia X với detector trong mỗi đơn vị thời gian.
n: Tổng số nguyên tử của nguyên tố đang được nghiên cứu trên một đơn vị diện tích mẫu. I: Tổng số hạt mang điện trong chùm ion chiếu trong mỗi đơn vị thời gian. σp: Tiết diện vi phân phát xạ tia X. Ω: Góc khối tương ứng với detector.
T: Hệ số truyền qua của tia X qua bộ lọc giữa mẫu và detector. ε: Hiệu suất của detector tại đỉnh phổ năng lượng của tia X. Đối với bia dày thì các phân tích phức tạp hơn do sự thay đổi năng lượng của các hạt trong khi chúng thâm nhập vào các mẫu và do đó làm thay đổi tiết diện phát xạ tia X, và nó là một hàm của năng lượng hạt tới. Hơn nữa, tia X được tạo ra ở độ sâu có khả năng bị hấp thụ trong mẫu hơn là được phát hiện bởi detector tia X.
Hai yếu tố này phải được đưa vào trong các tính toán khi phân tích PIXE với các bia dày (TT-PIXE) [41] bằng cách xác định các nguyên tố có hàm lượng lớn nhất trong mẫu (xác định ma trận mẫu - matrix elements). Phương pháp tương đối của việc tính toán hàm lượng của một nguyên tố trong mẫu khi sử dụng PIXE là so sánh với một mẫu chuẩn có chứa các nguyên tố tương tự với nồng độ đã biết trước. Phương pháp tuyệt đối không dùng mẫu chuẩn. GUPIX là một trong những phần mềm chuyên dụng [68] của phương pháp tuyệt đối.
5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nguồn gốc chính của nền phông trong phổ PIXE là do bức xạ hãm được phát ra khi các ion tới hoặc các điện tử thứ cấp bị chậm lại trong trường Coulomb của hạt nhân. Bức xạ hãm do các điện tử thứ cấp có đóng góp nhiều hơn trong nền phông. Cách tốt nhất để giảm thiểu bức xạ này là bằng cách đặt một bộ lọc phù hợp ở phía trước cửa sổ của detector tia X. Một nguồn bức xạ phông khác phát sinh vì sự tích tụ điện tích trên các mẫu cách điện dày, tức là những vị trí chùm điện tích đến tạo một điện áp cao.
Điều này làm cho các electron được gia tốc về phía khu vực này và đưa đến một nền bức xạ hãm. Bao phủ mẫu cách điện bằng một lớp dẫn điện mỏng carbon hoặc vàng có thể giảm thiểu hiệu ứng này. PIXE có ưu điểm rất lớn [61] vì nó là phân tích đa nguyên tố, độ nhạy cao, có khả năng phân tích các mẫu rất nhỏ, nếu dùng phương pháp tuyệt đối thì không cần mẫu chuẩn, nhanh chóng, không phá hủy và kinh tế. Nó đã được sử dụng và áp dụng trong nhiều ứng dụng của phân tích nguyên tố trong các lĩnh vực như y học, sinh học, địa chất, ô nhiễm khí quyển, khảo cổ học… 1.
So sánh PIXE với các kỹ thuật phân tích tia X khác Các phương pháp phân tích tia X khác, dựa trên cùng nguyên tắc như PIXE nhưng khác nhau về cơ chế ion hóa. Chúng là phân tích bằng chùm micro electron (Electron Probe Microanalysis - EPMA) [26] và chùm tia X (X-ray Fluorescence Spectroscopy - XRF) [45]. Kỹ thuật EPMA có ưu điểm là rẻ hơn so với PIXE. Các chùm tia electron có thể được tập trung vào kích thước cỡ 50A.
Nhược điểm của EPMA là tạo ra một nền phông cao trong phổ tia X do bức xạ hãm của chính electron. Độ đâm xuyên của các electron trong mẫu là rất nhỏ so với các chùm hạt tích điện làm phương pháp này chỉ thích hợp cho các mẫu mỏng. Ngoài ra, đối với các mẫu dày chùm electron được mở rộng (tòe ra) mạnh do sự phân tán của các electron. EPMA có ưu điểm là giá thành phân tích rẻ hơn so với PIXE.
6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. So sánh phân tích PIXE và XRF Phương pháp XRF được sử dụng rộng rãi cho các phân tích nguyên tố định lượng của môi trường, địa chất, sinh học, công nghiệp và các ứng dụng khác. XRF cũng có ưu điểm là không phá hủy, đa nguyên tố, nhanh chóng và chi phí thấp. Hơn nữa, nó cung cấp một giới hạn phân tích khá đồng đều đối với phần lớn các nguyên tố của bảng tuần hoàn.
Nguyên tắc phát xạ tia X là tương tự như của PIXE. Một electron lớp vỏ bên trong được kích thích bởi một photon trong chùm tia X (mà không phải là một hạt tích điện nặng như trong trường hợp PIXE). Trong quá trình bị kích thích, một electron di chuyển từ một mức năng lượng cao hơn để lấp lỗ trống. Sự khác biệt năng lượng giữa hai vỏ tạo ra một tia X, phát ra bởi nguyên tử.
Thời kỳ đầu, người ta gặp khó khăn để hội tụ và quét trên mẫu. Việc tạo ra chùm tia X mảnh đạt được hiện nay bằng cách cho tia X từ máy phát đi qua một khe nhỏ kích thước khoảng một vài milimet trở xuống vài chục micromet. Những phát triển trong kỹ thuật tia X đã dẫn đến việc tạo ra các chùm tia X mạnh có kích thước từ 1 mm đến 10 micro mét. Trong kỹ thuật XRF hiện đại mẫu được chuyển động nhanh (tức là quét) và phổ tia X phát xạ được ghi liên tục từ detector và tương ứng với vị trí cụ thể trên mẫu.
Nhiều nhà nghiên cứu đã quan tâm đến việc so sánh PIXE và XRF. Ưu điểm của cả hai phương pháp là đều có ưu điểm là không phá hủy, đa nguyên tố và có khả năng giới hạn phát hiện tới cỡ ppm, không cần mẫu chuẩn nếu dùng phương pháp tuyệt đối. Những lợi thế của cả hai kỹ thuật này được liệt kê dưới đây. Những lợi thế của XRF là: 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com • Chi phí vận hành máy XRF là rẻ hơn nhiều so với PIXE.
Hệ thống XRF có kích thước nhỏ hơn và vận hành dễ dàng hơn. • XRF có độ nhạy hơn PIXE đối với nguyên tố nặng vì có tiết diện phát xạ tia X cao hơn đối với các nguyên tố nặng.