Ứng Dụng Phương Pháp Huỳnh Quang Tia X Trong Khoa Học Và Kĩ Thuật

Trang 1
Mục Lục
Mục Lục.....................................................................................................................................1
Chương 1. Lý Thuyết Phát Xạ Huỳnh Quang Tia X.................................................................1
Chương 2. Các Ứng Dụng Của Phương Pháp Huỳnh ..............................................................4
Tài Liệu Tham Khảo................................................................................................................26
Chương 1. Lý Thuyết Phát Xạ Huỳnh Quang Tia X
1.1 Cơ Chế Phát Xạ Huỳnh Quang Tia X
Khi một nguồn kích thích tia X sơ cấp từ một ống tia X hoặc từ nguồn đồng vị
phóng xạ chiếu vào mẫu, tia X có thể được hấp thụ bởi các nguyên tử hay phân tán
thông qua vật liệu. Quá trình trong đó một tia X được hấp thụ bởi các nguyên tử bằng
cách chuyển toàn bộ năng lượng của nó cho một electron trong cùng được gọi là "
hiệu ứng quang điện ". Khi electron ở các lớp K, L, M…. thoát ra ngoài, nguyên tử ở
trạng thái kích thích và các lỗ trống được lấp đầy bởi sự dịch chuyển electron ở các
lớp ngoài có mức năng lượng lớn hơn, mỗi sự chuyển mức đều có năng lượng kèm
theo và năng lượng này được sử dụng theo một trong hai cách:
 Dùng cho photon tia X – nghĩa là bức xạ huỳnh quang tia X
Ứng Dụng Phương Pháp Huỳnh Quang Tia X Trong Khoa Học Và Kĩ Thuật
Quang electron
Bức xạ phát ra từ
ống tia X hoặc
nguồn đồng vị
phóng xạ
e
−
E
Trang 2
 Dùng cho electron Auger – nghĩa là năng lượng tia X hoàn toàn bị
mất do hấp thụ trong phạm vi nguyên tử với kết quả là electron ở mức cao hơn (
lớp ngoài) sẽ thoát ra ngoài.
Ứng Dụng Phương Pháp Huỳnh Quang Tia X Trong Khoa Học Và Kĩ Thuật

Trang 3
1.2 Ưu Điểm Và Nhược Điểm
1.2.1 Ưu điểm
Huỳnh quang tia X thích hợp cho việc phân tích có liên quan đến:
- Phân tích được số lượng lớn các nguyên tố hóa học chính (Si, Ti, Al, Fe, Mn,
Mg, Ca, Na, K, P) trong đá và trầm tích.
- Phân tích được số lượng lớn các nguyên tố vi lượng (> 1 ppm; Ba, Ce, Co, Cr,
Cu, Ga, La, Nb, Ni, Rb, Sc, Sr, Rh, U, V, Y, Zr, Zn) trong đá và trầm tích.
1.2.2 Nhược điểm
Trong lý thuyết XRF có khả năng phát hiện tia X phát ra từ hầu hết tất cả các
yếu tố, tùy thuộc vào bước sóng và cường độ của tia X. Tuy nhiên :
- Trong thực tế, các phổ kế thương mại rất hạn chế trong khả năng đo chính
xác các nguyên tố có Z <11 ở hầu hết các vật liệu đất tự nhiên.
- XRF phân tích không thể phân biệt các biến thể trong số các đồng vị của một
nguyên tố, do đó, các phân tích này thường xuyên được thực hiện với các
dụng cụ khác.
- XRF phân tích không thể phân biệt các ion của cùng một nguyên tố trong
những trạng thái hóa trị khác nhau, do đó, những phân tích của đá và khoáng
sản được thực hiện với kỹ thuật như phân tích hóa học ướt hoặc phổ
Mossbauer.
Ứng Dụng Phương Pháp Huỳnh Quang Tia X Trong Khoa Học Và Kĩ Thuật
Trang 4
Chương 2. Các Ứng Dụng Của Phương Pháp Huỳnh
Quang Tia X
2.1 Ứng Dụng Trong Xác Định Nguy Hại Và Nguyên Tố Vi Lượng Thiết
Yếu Trong Môi Trường Và Vật Liệu Sinh Học
2.1.1 Giới thiệu
Sự ô nhiêm môi trường do thiên nhiên hoặc do hoạt động của con người gây ra,
kết quả làm ô nhiễm bầu khí quyển, nước, đất…Do đó để nghiên cứu sự ô nhiễm môi
trường, cần tiếp cận một cách toàn diện, một loạt các mẫu đại diện cần phải được

phân tích đầy đủ trong phạm vi rộng các thông số. Điều này sẽ bao gồm việc đo
lường số lượng lớn các mẫu có bản chất khác nhau. Thông tin đầy đủ thu được từ
việc kiểm tra cấp độ ô nhiễm để theo dõi một cách toàn diện các đặc trưng của chất
gây ô nhiễm, thông tin sẽ cho biết các con đường gây ô nhiễm và phục vụ cho việc
quản lí, kiểm soát chúng. Từ những lí do trên, các yêu cầu đặt ra là phải phân tích
nhanh, không phá hủy mẫu và phân tích đồng thời nhiều nguyên tố. Phổ huỳnh quang
tia X phân tán năng lượng ( EDXRF) và kĩ thuật liên quan đáp ứng nhu cầu này.
Trong 20 năm qua máy EDXRF đã được phát triển mạnh mẽ. Gần đây, sự tiến bộ
trong detector sử dụng chất bán dẫn, trong xử lí tín hiệu số và trong hệ thống máy
tính điều khiển dữ liệu đã mở rộng ứng dụng của kĩ thuật này với chi phí thấp, xác
định nhanh nồng độ các nguyên tố trong mẫu. Lợi thế chính của kĩ thuật EDXRF hơn
các phương pháp khác là nó có khả năng phân tích được nhiều nguyên tố, phương
pháp chuẩn bị mẫu dễ dàng và phát hiện tốt giới hạn các nguyên tố. Một lợi thế khác
là chi phí bảo trì thấp cho phép EDXRF được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí
nghiệm trên thế giới. Các bộ phận của EDXRF có sẵn trên thị trường, các phòng thí
nghiệm phổ kế tia X có thể lắp đặt dễ dàng và độc lập. IAEA thông qua các dự án
hợp tác để hỗ trợ các phòng thí nghiệm XRF, cung cấp phần mềm phân tích và giúp
đỡ bảo trì trang thiết bị. Cơ quan này cũng tham gia đào tạo đội ngũ nhân viên
chuyên nghiệp. Để hỗ trợ các hoạt động IAEA đã thành lập một phòng thí nghiệm
XRF tại Seibersdorf, Úc.
Ứng Dụng Phương Pháp Huỳnh Quang Tia X Trong Khoa Học Và Kĩ Thuật
Trang 5
Tất cả các công việc thử nghiệm đã được tiến hành và kết quả đã thu được tại
phòng thí nghiệm XRF của IAEA. Phòng thí nghiệm được trang bị một hệ thống
XRF thương mại dùng cho các công tác phân tích thường xuyên, và một vài nhóm
làm việc với quang phổ kế EDXRF. Các kĩ thuật phân tích có thể bao gồm EDXRF
với bia thứ cấp, tổng phản xạ huỳnh quang tia X (TXRF), chùm vi mô XRF (μXRF)
và phổ kế XRF xách tay phân tích trực tiếp tại chỗ đồng vị phóng xạ ( PXRF). Các
phổ kế μXRF cũng được sử dụng để chụp cắt lớp tia X (μCT). Sử dụng những kĩ
thuật này, xác định nguy hại và nguyên tố vi lượng thiết yếu trong môi trường, mẫu

sinh học và đặc tính của mẫu hỗn tạp đã được thực hiện.
Mẫu EDXRF
sec.target
TXRF PXRF μXRF μCT
Mẫu
Sinh học
Gạo 
Xương người 
Mẫu
Môi trường
Đất  
Khí hạt nhân
ngưng tụ
 
Đất bị ô nhiễm
uranium

Bảng 1: Mẫu và các kĩ thuật quang phổ được sử dụng
2.1.2 Các loại máy sử dụng và điều kiện đo
Các phân tích XRF đã thực hiện sử dụng một vài phương pháp XRF và quang
phổ kế. Nó tùy thuộc vào phổ sử dụng, các mẫu phân tích được chuẩn bị ở dạng viên
nén, hạt được gửi trên bộ lọc polycarbonate ( EDXRF), chất lỏng - sau khi hòa tan
trong hệ thống lò vi sóng axit hòa tan ( TXRF) hoặc lọc hạt được gửi sau một chu
trình trước cô đặc hóa học ( EDXRF và TXRF), bột lỏng ( PXRF), hạt riêng lẻ được
gửi trên lá Mylar ( μXRF) và mẫu phút gắn kết những hạt riêng lẻ (μCT). Cấu tạo của
các phổ kế và điều kiện đo lường được mô tả dưới đây
Ứng Dụng Phương Pháp Huỳnh Quang Tia X Trong Khoa Học Và Kĩ Thuật
Trang 6
2.1.2.a Phổ kế EDXRF với bia thứ cấp
Hai quang phổ kế được sử dụng. Hệ thống thứ nhất là một bộ máy thương mại

bao gồm một cực dương bằng Pd, ống tia X (300W), năm bia thứ cấp (
2 3
, , ,Al O Co Mo Pd
, nhiệt phân than chì định hướng cao (HOPG)), một detector Si(Li) (
FWHM =150eV / 5.9keV, vùng kích hoạt 20mm
2
, cửa sổ Be 8μm ) . Việc đo lường
được thực hiện trong chân không, thời gian phân tích mỗi mẫu là 1800s
( bao gồm thời gian đo với tất cả năm bia) và ống HV được cài đặt tùy thuộc vào bia
thứ cấp, là một trong các thông số sau: 52,5kV/Al
2
O
3
, 30kV/Co , 30kV/Mo ,
44kV/Pd và 15kV/HOPG. Phân tích được điều khiển bởi hệ thống máy tính thu thập
dữ liệu. Các mẫu phân tích được chuẩn bị ở dạng viên nén với đường kính bằng 32
mm. Sự phân tích định lượng được sử dụng trong quang phổ kế thương mại dựa trên
cách tiếp cận thông số tán xạ cơ bản. Với mục đích phân tích trực tiếp không khí hạt
nhân ngưng tụ trên bộ lọc polycarbonate , hệ thống thứ hai là quang phổ kế EDXRF
sec.target đã được sử dụng. Quang phổ kế này bao gồm cực dương là Mo, ống tia X
(3000W), bia thứ cấp là Mo, một detector Si(Li) ( FWHM=170eV / 5.9keV, vùng
kích hoạt 30mm
2
, cửa sổ Be 8μm) đi kèm với điện tử NIM, kết nối với hệ thống máy
phân tích biên độ đa kênh (MCA) dựa trên máy tính. Các phép đo được thực hiện
trong chân không, thời gian đo mỗi mẫu là 10000s. Điều kiện hoạt động của ống là
45kV/40mA.
2.1.2.b Quang phổ kế TXRF
Quang phổ kế TXRF bao gồm một buồng chân không gắn với ống tia X
(3000W), cực dương là Mo. Buồng được trang bị động cơ giới hạn phản xạ và cơ

giới hóa giai đoạn mẫu cho phép điều khiển từ xa góc lướt qua. Phổ tia X được thu
nhận bởi detector Si(Li) ( FWHM = 170eV / 5.9keV, vùng kích hoạt 30mm
2
, cửa sổ
Be 8μm). Sự điều khiển góc tới hạn và thu thập dữ liệu được thực hiên dưới sự điều
khiển của máy tính chạy phần mềm SPECTOR. Ống tia X hoạt động tại 45kV/40mA
và thời gian đo mỗi mẫu trong khoảng 100-500s.
Ứng Dụng Phương Pháp Huỳnh Quang Tia X Trong Khoa Học Và Kĩ Thuật
Trang 7
Một hệ thống được thiết kế và lắp ráp tại phòng thí nghiệm IAEA
Hình 1: Quang phổ kế TXRF
2.1.2.c Quang phổ kế PXRF
Quang phổ kế có thể sử dụng trực tiếp trên mẫu đất và cũng có thể phân tích
mẫu bột lỏng đựng trong ly nhựa. Tối đa ba nguồn ( Fe-55, Cd-109, Am-241) có thể
được lắp đặt trên một bánh xe quay vòng cho mẫu liên tục bị kích thích. Các kết quả
thu được bằng cách sử dụng nguồn đồng vị phóng xạ Cd-109 có hoạt độ 925MBq để
kích thích bức xạ huỳnh quang tia X. Phổ tia X được thu nhận bởi detector
photodiode Si-PIN được cung cấp bởi acquy hoạt động tích hợp năng lượng/ bộ
khuếch đại gắn với acquy hoạt động. Dữ liệu thu thập được kiểm soát bởi một máy
tính. Hiệu suất của quang phổ kế đã được xác nhận bằng cách phân tích phổ rộng của
các vật liệu liên quan dưới dạng bột và thực hiện tại chỗ xác định nguyên tố trong
mặt đất.
Ứng Dụng Phương Pháp Huỳnh Quang Tia X Trong Khoa Học Và Kĩ Thuật
Trang 8
Phổ kế cầm tay dựa trên đồng vị phóng xạ được thiết kế và lắp ráp tại phòng thí
nghiệm IAEA
Ứng Dụng Phương Pháp Huỳnh Quang Tia X Trong Khoa Học Và Kĩ Thuật
Lá chắn
bằng chì
Nguồn Fe-56

hình vành khuyên
Hộp đựng nguồn có
thể quay
Khung đỡ detector và
bản tản nhiệt
Nguồn cung
cấp
Nguồn Cd-109 hình
vành khuyên
Hộp đựng mẫu
bằng nhựa
Hình 2: Phổ kế cầm tay XRF
Trang 9
2.1.2.d Quang phổ kế μXRF/μCT
Một quang phổ kế quét chùm vi mô bao gồm một ống tia X năng lượng cao gắn
với mao mạch quang học phát ra một chùm tia X chuẩn trực tốt. Các chùm tại chỗ có
kích thước đường chéo nhỏ, FWHM – như là đo lường trên bề mặt mẫu, thì bằng
khoảng 12μm. Các ống anode khác có thể dễ dàng cài đặt cho phép tối ưu hóa điều
kiện kích thích. Các mẫu được gắn phía trước chùm trên một giai đoạn cơ giới hóa
mẫu. Độ chính xác của vị trí mẫu vào khoảng 1-2μm. Hệ thống được trang bị hai
detector, detector Si(Li) ( FWHM = 160eV / 5.9keV, vùng kích hoạt 80mm
2
, cửa sổ
Be 8μm) và detector SD ( FWHM = 170eV / 5,9 keV, vùng hoạt động 2mm
2
, cửa sổ
Be 8μm ). Sự quét và thu thập dữ liệu thì được điều khiển bởi máy tính chạy phần
mềm SPECTOR. Các tính năng thuận lợi của hệ thống này so với các ống tia X khác
là nó dựa trên quang phổ kế chùm vi mô, nó có hai detector có thể hoạt động đồng
thời. Detector Si(Li) ghi nhận phổ huỳnh quang tia X của mẫu và detector SD hoạt

động tại thời gian hình thành đỉnh 0,25μs, đo lường trực tiếp chùm chuyển đổi thông
qua mẫu phân tích. Cùng với cổng khuếch đại tích hợp và ADC nhanh, các detector
SD có thể hoạt động với tốc độ đếm 10
5
cps. Hệ thống cũng được sử dụng để kiểm tra
sự có mặt của Uranium giàu trong mẫu đất bị ô nhiễm và cho hình ảnh 3D của một
mảnh xương.
2.1.3 Chuẩn bị mẫu
Các mẫu được chuẩn bị bằng nhiều cách khác nhau tùy thuộc vào các loại mẫu,
số lượng có sẵn, và lựa chọn các quang phổ kế thích hợp để thực hiện các phân tích .
Ứng Dụng Phương Pháp Huỳnh Quang Tia X Trong Khoa Học Và Kĩ Thuật
Trang 10
Mẫu Không có bất kì
sự chuẩn bị nào
(PXRF, EDXRF)
Các dạng
(PXRF,μXRF,
μCT )
Dạng viên
( EDXRF)
Hòa tan
( TXRF )
Mẫu sinh
học
Gạo Viên, không
có chất kết
dính
Xương
người
Đông khô

Mẫu môi
trường
Đất Trực tiếp, tại chỗ Bột Viên, có hoặc
không có chất
kết dính
Không
khí hạt
nhân
ngưng tụ
Trực tiếp trên bộ
lọc
Hòa tan
vào dung
dịch có
chứa
Cobalt
Đất bị
nhiễm
Uranium
Gửi trên lá
Bảng 2: Bảng tóm tắt các dạng mẫu
2.1.3.a Mẫu sinh học
Mẫu sinh học được phân tích bao gồm gạo và mảnh xương. Gạo được nghiền
thành bột mịn, sau đó lấy 7g, ném thành viên có đường kính 32mm, không có chất
kết dính. Mẫu gạo được phân tích bởi EDXRF và phổ kế thương mại.
Ứng Dụng Phương Pháp Huỳnh Quang Tia X Trong Khoa Học Và Kĩ Thuật