Phân tích hàm lượng kim loại nặng trong màu vẽ bằng phương pháp PIXE trên hệ máy gia tốc PELLETRON 5SDH2

ghPhần 1: LÝ THUYẾT
Năm 1895 khi quan sát một ống tia catốt hoạt động, Rơnghen nhận thấy
từ vỏ thủy tinh đối diện với catốt có một bức xạ không thấy được phóng ra. Bức
xạ này tác dụng lên các tấm kính ảnh trong hộp kín. Rơnghen gọi bức xạ này là
tia X.
Tia X ( hay còn gọi là tia Rơnghen) thực chất là một bức xạ điện từ có
bước sóng nằm trong dải từ 0.01 Ȧ tới 10 Ȧ. Các tia X có bước sóng nhỏ hơn 1 Ȧ
gọi là tia X cứng và lớn hơn 1 Ȧ gọi là tia X mềm. Năng lượng của tia X tính theo
bước sóng được xác định bởi công thức :

Trong đó:

E được đo bằng keV , được đo bằng Ȧ.

Việc phát hiện ra tia X đã đóng góp rất lớn trong công cuộc nghiên cứu cũng
như ứng dụng kĩ thuật hạt nhân trong phân tích nguyên tố đáp ứng yêu cầu của
nhiều lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng. Trong đó có thể nhắc tới phương pháp
PIXE, đây một trong các phương pháp hiệu quả và được ứng dụng nhiều trong
phân tích, phương pháp này được giới thiệu lần đầu tiên bởi Johanson và Al. tại
viện công nghệ Lund vào năm 1970 . Bản chất của phương pháp là sử dụng một
chùm ion bắn phá hạt nhân bia , hệ quả của quá trình là làm phát ra bức xạ
điện từ , từ việc xác định năng lượng của bức xạ tia X đặc trưng ứng với số
kênh mà máy phân tích ghi nhận được ta có thể xác định được có những nguyên
tố nào tồn tại trong mẫu và cường độ tia X sẽ phản ánh hàm lượng của nguyên
tố có ở trong mẫu.
1.

Cơ chế phát tia X
Khi chùm ion được gia tốc và bắn vào bia sẽ tương tác với các nguyên tử

môi trường vật chất . Tùy theo xung lượng mà nguyên tử môi trường nhận

được là lớn hay nhỏ, từ đó có thể tạo ra các hiệu ứng khác nhau trong bia.


Nếu xung lượng mà nguyên tử nhận được lớn hơn năng lượng liên kết
của electron tại lớp thứ i trong nguyên tử đó thì nó sẽ bứt electron ra khỏi
nguyên tử tạo thành các electron tự do , quá trình này được gọi là quá trình ion
hóa nguyên tử. Trong quá trình ion hóa một phần năng lượng của proton truyền
cho electron để phá vỡ lực liên kết của electron với hạt nhân , một phần khác sẽ
trở thành động năng của electron. Nếu ta gọi thế ion hóa của nguyên tử môi
trường tại lớp thứ i là Ii và năng lượng của hạt tới là Ei thì động năng lớn nhất
mà electron nhận được sẽ là :

Sau quá trình tương tác các electron bị bứt ra khỏi nguyên tử sẽ tiếp tục tham
gia vào quá trình tương tác với môi trường vật chất . Với động năng đủ lớn các
electron thứ cấp này sẽ tương tác không đàn hồi với electron của nguyên tử môi
trường , quá trình này sẽ làm electron bị tán xạ và mất dần năng lượng cùng
với đó quá trình tương tác đàn hồi của electron với hạt nhân của nguyên tử môi
trường trong đó các electron chuyển động trong trường thế coulomb của hạt
nhân sẽ bị lệch hướng và chuyển động chậm dần . Quá trình giải phóng năng
lượng diến ra dưới dạng phát bức xạ điện từ , bức xạ này được gọi là bức xạ
hãm của electron thứ cấp.


Hình 1: hình ảnh phát bức xạ hãm của electron thứ cấp

Nếu xung lượng mà nguyên tử môi trường nhận được nhỏ hơn so với thế
ion hóa tại lớp thứ i của electron trong nguyên tử đó thì quá trình tương tác sẽ
kích thích các electron từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích , quá trình
sắp xếp lại các electron trong nguyên tử làm phát ra bức xạ tia X đặc trưng.

Hình 2: hình ảnh minh họa quá trình phát tia X đặc trưng

Năng lượng tia X phát ra bằng năng lượng sinh ra do quá trình chuyển trạng
thái từ lớp thứ m xuống lớp thứ n :



-

Như vậy , phổ tia X gồm hai thành phần :
Nền liên tục gây ra do bức xạ hãm.
Các đỉnh tia X đặc trưng

Hình3: phổ tia X


Trong đó nền phông liên tục trong phổ PIXE là đóng ghóp chủ yếu của nền
phông bức xạ hãm liên tục của electron thứ cấp, ngoài ra còn có đóng góp của
bức xạ hãm của hạt tới , tán xạ compton của tia gamma gây ra do quá trình kích
thích hạt nhân.
• Theo điện động lực học cổ điển, các hạt mang điện được gia tốc hoặc
làm chậm đều phát ra bức xạ điện tử. Khi các hạt mang điện tương tác
với nguyên tử (hạt nhân của nguyên tử) và bị hãm đột ngột sẽ phát ra
bức xạ gọi là bức xạ hãm. Thực chất của quá trình này là động năng
của electron đã được giải phóng dưới dạng tia X. Khi các electron
tương tác với bia thì tốc độ của chóng thay đổi liên tục trong trường
Culông của các nguyên tử bia, hay nói cách khác là năng lượng của
electron bị mất dần, do đó các tia X phát ra có bước sóng thay đổi liên
tục trong một giải rộng . Trong trường hợp toàn bộ động năng của
electron biến thành bức xạ hãm thì năng lượng cực đại của chùm bức

xạ hãm sẽ là :

Trong đó:
h là hằng số planck
f là tần số của bức xạ tia X
m1 , M1 lần lượt là khối lượng của electron và ion tới
SE1 là năng lượng của ion tới .
• Với các ion tới quá trình tương tác với hạt nhân cũng làm hạt đổi
hướng và chuyển động có gia tốc , hệ quả của quá trình này cũng làm
phát ra bức xạ hãm . Tuy nhiên , do cường độ của bức xạ hãm tỷ lệ
nghịch với bình phương khối lượng của hạt mang điện tích bắn vào
bia (hạt tới). Do đó cường độ bức xạ hãm tạo bởi các hạt nặng như


proton sẽ yếu hơn so với trường hợp tạo bởi các hạt nhẹ như electron.
Vì vậy trong phổ PIXE, phần đóng ghóp của phong bức xạ hãm do
electron thứ cấp (Secondary electron bremsstrahlung) lớn hơn rất
nhiều so với bức xạ hãm sinh ra do chùm hạt tích điện tới bị hãm trong
bia.
• Phông bức xạ gamma tạo ra do sự tương tác của hạt tích điện nặng
với hạt nhân ở trong bia , quá trình này gây ra do phản ứng kích hoạt
hạt nhân tạo ra bức xạ gamma, độ lớn phông phụ thuộc vào tiết diện
phản ứng của ion tới và các nguyên tử ở trong bia. Người ta thấy rằng
với phản ứng này xảy ra chủ yếu với các nguyên tố nhẹ ( Z< 20) do đó
sự đóng góp của phông bức xạ gamma thường thấy ở các mẫu môi
trường và sinh học , do chứa nhiều các nguyên tố nhẹ như oxy, nito,
cacbon,..

2.

Hiệu suất huỳnh quang
Với phương pháp PIXE đặc điểm của kĩ thuật phân tích là dựa trên cường

độ phát tia X đặc trưng để xác định hàm lượng của nguyên tố có trong mẫu, tuy
nhiên như chúng ta đã biết cạnh tranh với quá trình phát tia X là quá trình phát
electron Auger , người ta thấy rằng với các nguyên tố nhẹ có thì quá trình phát
electron Auger chiếm ưu thế và với các nguyên tố có Z >32 thì quá trình phát tia
X chiếm ưu thế


Hình 4. Suất lượng bức xạ tia X và electron auger ứng với Z khác
nhau

Như vậy trong kĩ thuật phân tích PIXE người ta cần chú ý tới xác suất
phát tia X , xác suất này ảnh hưởng bởi ba yếu tố đó là: xác suất ion hóa nguyên
tử, xác suất dịch chuyển electron trên các phân lớp và xác xuất hấp thụ tia X
trong mẫu.
Với lớp K , hiệu suất phát tia X đặc trưng được cho bởi tỉ số giữa số tia X
phát ra trên lớp K và số lỗ trống hình thành trên lớp đó . Trong tính toán hiệu
suất huỳnh quang tại lớp K theo thực nghiệm người ta thấy rằng xác xuất phát
tia X phụ thuộc mạnh vào số hiệu nguyên tử Z của nguyên tử môi trường. Hình 5
là đồ thị mô tả thực nghiệm do Bambynex và Al. tiến hành. Đồ thị này mô tả sự
phụ thuộc của suất lượng tia X vào Z của nguyên tử môi trường.

Hình 5. Đồ thị mô tả xác xuất phát tia X phụ thuộc vào Z

Nếu gọi xác suất phát tia X ở lớp K là ω k , Zi là số hiệu nguyên tử của nguyên tố
thứ i trong môi trường vật chất . Khi đó xác xuất phát tia X cho bởi công thức
sau:

Đây là công thức bán thực nghiệm được tính toán bởi Bambynek dựa trên lý
thuyết hàm sóng của Dirac-Hartree-Slater , với Bi là các hệ số cho bởi bảng dưới
đây:


Bảng 1. Giá trị Bi với các phân lớp K và L

Với lớp L do có sự dịch chuyển giữa các phân lớp có số lượng tử chính
giống nhau làm cho các lỗ trống được tạo ra ban đầu trên một phân lớp bị thay
đổi vị trí tới phân lớp cao hơn trước khi lỗ trống đó được lấp đầy. Các dịch
chuyển như thế được gọi là dịch chuyển Coster-kronig . Để làm rõ điều này ta
cần phải nhắc tới mô hình nguyên tử borh . Trong mô hình nguyên tử, các
nguyên tử được đặc trưng bởi bốn thông số :

Gọi là moment động lượng và spin của electron
là moment toàn phần của e

ứng với các lớp 1,2 ,3,.. 7 người ta kí hiệu bằng các chữ in hoa K, L , M , N , O , P, Q
.Năng lượng trên mỗi lớp đều xác định và bằng :

Tuy nhiên, nếu kể tới spin quỹ đạo thì trên các lớp sẽ tồn tại nhiều phân lớp nhỏ,
ví dụ :
• n=1


l=0 => 1s1/2 => KI
• n=2
l=0 => 2s1/2 => LI
l=1 => 2p => 2p1/2 và 2p3/2 ứng với LII và LIII
• n=3

l=0 => 3s1/2 => MI
l=1 => 3p3/2 và 3p1/2 ứng với MII và MIII
l=2=> 3d3/2 và 3d5/2 ứng với MIV và MV
Như vậy nếu xét tới spin thì trên cùng một lớp có thể tồn tại nhiều trạng thái
năng lượng khác nhau, ứng với các phân lớp khác nhau.Chính vì điều này nên có
sự dịch chuyển coster kronig.
Nếu ta gọi xác xuất thay đổi vị trí của lỗ trống trong lớp s , từ phân lớp i tới
phân lớp cao hơn j là f ijs và n1, n2 , n3 là số lỗ trống ban đầu tại các phân lớp L 1 ,
L2 , L3 thì số tia X phát ra tương ứng với mỗi phân lớp sẽ là :

Như vậy xác xuất trung bình phát tia X tại lớp L sẽ được xác định bởi công thức
sau :

Mặt khác cũng giống như xác xuất phát tia X tại lớp K thì tại lớp L xác xuất phát
tia X cũng phụ thuộc đơn trị vào nguyên tử số hiệu dụng của môi trường , như
vậy một cách tổng quát các giá trị ω i (i=K , L2, L3 và M) chính là hàm của Z , ta
có:

Trong đó giá trị của Bi là hằng số và được cho bởi bảng 1.
3.

Phương pháp PIXE


3.1

– Cơ sở vật lý của phương pháp PIXE

Khi chùm ion được gia tốc và bắn vào bia sẽ tương tác với các nguyên tử môi
trường vật chất . Tùy theo xung lượng mà nguyên tử môi trường nhận được là

lớn hay nhỏ, từ đó có thể tạo ra các hiệu ứng khác nhau trong bia. Với năng
lượng nhận được nhỏ hơn thế ion hóa của nguyên tử , quá trình kích thích sẽ
đưa các electron trong nguyên tử môi trường lên các phân lớp cao hơn, hệ quả
của quá trình này là các nguyên tử trạng thái kích thích hình thành các lỗ trống
ở các phân lớp trong cùng,trạng thái này tồn tại trong khoảng 10 -8s sau đó quá
trình lấp lỗ trống diễn ra làm giải phóng năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ .
Người ta thấy rằng mỗi nguyên tử phát ra một bức xạ điện từ có năng lượng
xác định và đặc trưng cho nguyên tố đó . Như vậy căn cứ vào năng lượng của tia
X phát ra mà ta có thể xác định được trong mẫu tồn tại nguyên tố nào. Căn cứ
vào đỉnh hấp thụ toàn phần ứng với bức xạ tia X đặc trưng mà thiết bị ghi nhận
được ta biết được cường độ tia X phát ra từ đó xác định được hàm lượng của
nguyên tố chứa trong mẫu.
Cạnh tranh với quá trình phát tia X là quá trình phát electron Auger , quá
trình này diễn ra khi bức xạ tia X hình thành sau đó truyền năng lượng cho các
electron lớp ngoài, các electron ngay sau khi nhận được năng lượng đủ lớn sẽ
bứt ra khỏi nguyên tử trở thành electron tự do, electron này gọi là electron
Auger. Thông thường với các nguyên tố có Z nhỏ thì xác xuất phát electron
chiếm ưu thế , với nguyên tố có Z lớn thì quá trình phát tia X đặc trưng chiếm ưu
thế.


Hình 6. Hình ảnh cho hai quá trình phát tia X đặc trưng và electron auger

3.2. Cơ sở để xác định nguyên tố - Hệ thức Moseley
Với phương pháp PIXE , mục tiêu hướng đến của phương pháp là tìm xem
trong mẫu phân tích có những nguyên tố nào và hàm lượng ứng với nguyên tố
đó là bao nhiêu . Như đã nói ở trên ứng với các nguyên tố có Z khác nhau sẽ phát
ra các bức xạ tia X khác nhau , năng lượng của bức xạ này sẽ đặc trưng cho
nguyên tố có trong mẫu. Điều này đã được tìm thấy bằng thực nghiệm thông
qua các thí nghiệm của Moseley. Theo đó năm 1913, H.moseley đã tìm thấy rằng

các tần số υ quan sát được đối với các dãy bức xạ Ronghen K và L thỏa mãn hệ
thức:

Với Z là nguyên tử số của vật liệu làm bia , còn A và Z o là các hằng số phụ thuộc
vào chuyển dời được quan sát.
Với dãy K bằng thực nghiệm người ta tìm thấy Z o=1 , còn giá trị của A sẽ
thay đổi tương đối tùy theo chuyển dời được quan sát K α hay Kβ ,… . Cũng như
vậy với dãy L , Zo = 7,4 còn giá trị của A thay đổi tương đối ít đối với các chuyển
dời khác nhau như Lα và Lβ ,.. Dạng của biểu thức trên có thể suy ra từ một mẫu
kiểu Bohr , người ta tìm được:


Mặt khác ta đã biết rằng năng lượng của bức xạ điện từ được xác định
bởi :

Với υ , là tần số và bước sóng của tia X , c là vân tốc ánh sáng (c = 3.10 8 )
Từ đây ta có thể nói rằng năng lượng của bức xạ tia X sẽ tỉ lệ với tấn số của bức
xạ đó và như vậy nó sẽ tỉ lệ với nguyên tử số của nguyên tố chứa trong mẫu , nói
cách khác năng lượng tia X phát ra sẽ đặc trưng cho mỗi nguyên tố , tức là nếu
biết năng lượng tia X đặc trưng ta dễ dàng có thể xác định được nguyên tố đó là
gì.Đây chính là cơ sở của việc xác định nguyên tố có trong mẫu
Trong thực nghiệm để xác định năng lượng tia X ta cần sử dụng các mẫu
chuẩn , từ các mẫu chuẩn đã biết trước thành phần nguyên tố có trong mẫu ta
đi xây dựng đường chuẩn năng lượng. Đường chuẩn năng lượng thực chất là đồ
thị mô tả sự phụ thuộc năng lượng của tia X đặc trưng vào số kênh mà máy
phân tích ghi nhận được. Đường chuẩn năng lượng có thể là bậc 1 hoặc bậc 2 ví
dụ:

Trong đó: x là số kênh , y là năng lượng
Với mẫu cần xác định ta thực hiện ghi phổ tia X đặc trưng của mẫu đó, ứng với

số kênh của đỉnh tia X đặc trưng , dựa vào đường chuẩn năng lượng ta có thể
xác định được năng lượng của đỉnh tia X mà nguyên tố đó phát ra từ đó xác định
được thành phần nguyên tố chứa trong mẫu.
3.3- phương pháp xác định hàm lượng
3.3.1- phương pháp tuyệt đối
Mẫu mỏng


Trong phân tích PIXE khi chùm proton được gia tốc bắn vào bia, nếu bia
có bề dày sao cho năng lượng của chùm tia sau khi đi qua mất mát không đáng
kể thường được coi là mẫu mỏng.Việc xác định hàm lượng các nguyên tố chứa
trong mẫu sẽ tỉ lệ với cường độ tia X đặc trưng phát ra , trong thực tế thông
thường hàm lượng đối với mẫu mỏng thường được xác định dưới đơn vị mật độ
mặt tức là µg.cm-2 .
Cường độ tia X sinh ra được định nghĩa là số bức xạ tia X phát ra trong
một đơn vị thời gian ứng với mỗi khoảng năng lượng của chùm ion tới từ E tới
(E-dE) . Giá trị này sẽ phụ thuộc vào số hạt tới tương tác với bia , mật độ số
nguyên tử bia nằm trong vùng bức xạ tới ứng với mức năng lượng xác định, tiết
diện tạo lỗ trống , hiệu suất huỳnh quang (ω z) , tỉ lệ số tia X tương ứng với các
vạch (bz) , sự hấp thụ của môi trường với tia X sinh ra (hệ số truyền qua T) và
hiệu suất ghi của detector tại hình học xác định đã bao gồm góc khối (Ω ) của
chùm hạt tới detector .Trong trường hợp mẫu mỏng sự suy giảm trong quá
trình chùm ion tới và sự tự hấp thụ trong mẫu được bỏ qua. Khi đó với Np số hạt
proton có năng lượng xác định là E o thì cường độ tia X phát ra tại phân lớp i của
nguyên tố x sẽ là :

Trong đó là tiết diện ion hóa tại lớp thứ i của nguyên tố x , giá trị này được xác
định bởi :

ở đây với là hiệu suất ghi ứng với năng lượng tia X phát ra tại lớp i của nguyên

tố x (nt’) là mật độ mặt của nguyên tử môi trường trong đó n là mật độ nguyên
tử môi trường và t là bề dày của bia . Ci là hệ số suy giảm năng lượng của chùm
hạt tới và sự tự hấp thụ trong mẫu . Các giá trị là các hệ số hiệu chỉnh thời gian
chết của detector.


Giá trị t' là giá trị bề dày hiệu chỉnh , bề dày này được tính toán dựa trên
bè dày thực tế t của mẫu như sau :

Trong đó µ/ρ là hệ số suy giảm khối (cm 2.g-1) và θo là góc hợp bởi đưởng thảng
pháp tuyến với bia và và hướng của detector tới bia.
Bằng việc tính toán giống như bài toán tán xạ Ruderford ta thu được Np
như sau :

Từ 3.2 và 3.4 ta có :

đây là công thức xác định

Công thức (3.1) có thể viết lại như sau :

Trong đó :
M(Z) là khối lượng của nguyên tố chứa trong mẫu cần phân tích .
NA là số Avogadro
A là nguyên tử khối.
Mặt khác ta có :



Trong đó :

Yxi (Z) = k(Z).Np. Ma(Z)

(3.8)


Như vậy :

Công thức 3.10 chính là công thức tính toán hàm lượng cho mẫu mỏng.
Mẫu dày
Trong phân tích PIXE khi chùm proton được gia tốc bắn vào bia, nếu bia có bề
dày sao cho năng lượng của chùm tia sau khi đi qua mất mát đáng kể, đối với
các mẫu có tính chất như vậy thường được coi là mẫu dày . Việc phân tích đối
với mẫu dày phức tạp hơn nhiều so với mẫu mỏng ,trong phân tích đối với mẫu
mỏng sự suy giảm trong quá trình chùm ion tới và sự tự hấp thụ trong mẫu
được bỏ qua còn đối với mẫu dày ta cần phải tính toán tới sự suy giảm cường độ
cgùm proton trong vật chất và sự tự hấp thụ trong mẫu.
Khi chùm ion tới bắn vào bia , các ion này sẽ tương tác với các nguyên tử
trong môi trường vật chất theo các hiệu ứng va chạm đàn hồi và không đàn hồi.
Quá trình này làm chùm tia mất dần năng lượng gọi tốc độ suy giảm năng
lượng của chùm tia trên một đơn vị độ dài là dE . Khi đó tốc độ suy giảm sẽ được
xác định bởi công thức bette-block và năng suất hãm của chùm hạt khi di chuyển
trong bia là :

Như vậy công thức xác định cường độ bức xạ tia X phát ra sẽ là :

Trong đó x là quãng đường chùm ion tới đi được trong môi trường vật chất :

Lấy tích phân 2 vế của phương trình 3.12 ta có :

Trong đó : Cz là hàm lượng của nguyên tố có nguyên tử số là Z
µ là hệ số suy giảm trong bia
như vậy dựa vào công thức 3.14 ta có thể xác định được hàm lượng nguyên tố
đối với trường hợp mẫu dày

3.3.2 – Phương pháp tương đối
Đối với phương pháp tuyệt đối giá trị của hàm lượng phụ thuộc vào rất
nhiều đại lượng khác nhau , việc xác định các đại lượng này thường rất khó
khăn và có thể đi kèm sai số lớn .Vì vậy trong phân tích ta cần loại bỏ những sai
số này Với nhu cầu như vậy phải cần đưa ra và thiết lập một phương pháp thích
hợp để có thể giảm thiểu sai số của phép đo và tính toán.
Trong phương pháp tương đối ta sử dụng môt mẫu chuẩn đã biết trước
hàm lượng và thành phần nguyên tố chứa trong mẫu.Bằng việc đo đạc trong
cùng một hình học đo và điều kiện thực nghiệm ta xác định được các hệ số trong
công thức tuyệt đối từ đó tạo cơ sở để xác định thành phần hàm lượng trong
mẫu cần phân tích.
• Đối với mẫu chuẩn :
Cường độ tia X phát ra tại lớp i của nguyên tố x trong mẫu được xác định bởi:

Ta đặt :
H là hệ số hiệu chỉnh , H tương đương với Ω


Ylt là cường độ phát tia X lý thuyết
Khi đó :

Từ 3.15 và 3.16 ta có :

Suy ra:

• Đối với mẫu phân tích:
Lý luận tương tự như trên ta cũng có:

Từ 3.18 và 3.19 ta có :

Như vậy từ công thức 3.20 ta có thể dễ dàng xác định được M(Z x)
Nhận xét : đối với mẫu dày công thức có chứa thành phần tích phân , tuy nhiên
với trường hợp lý tưởng , tức là mẫu chuẩn sử dụng trong phương pháp này
phải có thành phần và mật độ phân bố giống như mẫu phân tích ,thì sau khi khai
triển thành phần tích phân trong biểu thức tự triệt tiêu và ta cũng được công
thức xác định hàm lượng như 3.20.
3.3.3- phương pháp chuẩn nội


Với phương pháp tương đối yêu cầu đặt ra là hàm lượng mẫu chuẩn và mẫu
phân tích phải có chất nền như nhau, chế tạo đồng nhất như nhau , cường độ
chùm kích thích phải như nhau khi đo đạc mẫu chuẩn và mẫu phân tích, tuy
nhiên với yêu cầu này rất khó có thể thực hiện khi đó để thay thế cho phương
pháp tương đối ta dùng phương pháp chuẩn nội
Bản chất của phương pháp chuẩn nội chính là phương pháp tương đối ,
tuy nhiên với phương pháp này ta có thể khắc phục được những yếu điểm của
phương pháp tương đối . Nguyên tắc của phương pháp này là pha vào trong
mẫu phân tích một nguyên tố xác định đã biết trước hàm lượng . Nguyên tố này
thường được chọn sao cho nó không có trong mẫu, tia X phát ra từ nguyên tố đó
không bị các nguyên tố khác trong mẫu hấp thụ và ngược lại.
Khi tiến hành đo mẫu các nguyên tố trong mẫu cần phân tích và nguyên
tố chuẩn trong sẽ chịu tác động của cùng một điều thực nghiệm , hình học đo
như nhau và khả năng hấp thụ trong mẫu tương đồng nhau.
Gọi Cst là hàm lượng của chất chuẩn trong , C x là hàm lượng của nguyên tố x
chứa trong mẫu.

Ta có:

3.4- Ưu nhược điểm của phương pháp
*

Ưu điểm

- Phương pháp PIXE có khả năng phân tích đa số các nguyên tố trong bảng tuần
hoàn, với thời gian phân tích ngắn.
- Độ nhạy của phương pháp cao , có khả năng phân tích hàm lượng nguyên tố
tới ppm
- không phá hủy mẫu


- sai số của phương pháp thấp , khoảng (3-5) %
*

Nhược điểm

- Kết quả phân tích không phản ánh được thành phần hóa học , cấu tạo họp chất
tồn tại trong mẫu.
- khó phân tích đối với mẫu dạng khí và dạng lỏng
Phần 2 . THIẾT BỊ, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, THỰC NGHIỆM
1– Thiết bị gia tốc
1.1 - Tổng quan hệ máy gia tốc pelletron

Hình 3. Sơ đồ hệ máy gia tốc pelletron 5SDH-2

Máy gia tốc Pelletron 5SDH-2 là loại máy gia tốc tĩnh điện kép (Tandem), được
sản suất tại hãng National Electrostatics Corporation (NEC) – USA. Máy có điện

áp gia tốc cực đại là 1,7 MV, do đó có thể gia tốc ion đơn lên năng lượng 3,4 MeV,
ion kép lên 5,1 MeV. Máy bao gồm 3 bộ phận chính đó là: nguồn ion , buồng gia
tôc chính , kênh phân tích.
- Nguồn ion :
a. Nguồn RF
1.1.1


Khí He (hoặc H) được phun vào bình phóng điện thạch anh qua 1 van định lượng
để duy trì áp suất cỡ 10-15 μTorr. Máy tạo dao động cao tần RF sẽ tạo ra trạng
thái plasma ( trạng thái bao gồm ion dương và các electron) ở trong ống thạch
anh, được tăng cường bằng nam châm solenoid. Thế một chiều được áp dọc theo
chiều của plasma và gia tốc để chúng đi qua lỗ nhỏ bằng vật liệu thích hợp, sau
đó đi qua buồng trao đổi điện tích. Ở đây các ion He (hoặc H) trạng thái tích điện
dương được trung hòa bởi Rb ,đặc tính của Rb là kim loại kiềm vì vậy nó dễ
dàng cho đi electron .khi đó He2+ và H+ sẽ nhận thêm e- và trở thành ion âm .
b.

Nguồn SNICS

Nguồn SNICS (Source of Negative Ions by Cecium Sputtering ) là nguồn phún
xạ catot, cho phép tạo ra các ion từ Hydrogen(H) đến Bismuth(Bi) . Các ion âm
có thể được tạo ra:

−
−
−
−
−
−

−
−
−
H − D − Li BeO B − B2 C C2 CN O F − Na MgH 2

,

,

,

,

,

,

,

,

−
−
Al − Al2 Si − P − S − Cl − CaH 3 TiH − VH − Cr − MnO −

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,…,

,

Bi −

,

,

,

.

Để tạo ra các ion này thì trong nguồn này người ta sử dụng hơi Cs, khí
này đi vào diện tích kín giữa catot lạnh và bề mặt ion hóa nóng. Một số Cs ngưng
tụ trên bề mặt cathode, một số ion hóa trên bề mặt nóng.Dưới sự kích thích
nhiệt của bề mặt ion hóa nóng làm cho các phân tử Cs bị ion hóa và gia tốc tới
cathode, các ion tới bề mặt cathode làm kích thích gây phun xạ phát ra các ion
qua lớp Cs ngưng tụ. Người ta nhận thấy rằng một số vật liệu có thể phun xạ ion
âm, số khác có thể phun xạ hạt tích điện dương hoặc trung hòa,tuy nhiên các hạt
khi đi qua lớp Cs trên bề mặt cathode sẽ bắt thêm các electron và tạo thành ion
âm.
1.1.2 - Buồng gia tốc chính
Buồng gia tốc chính là buồng gia tốc tĩnh điện với cao thế 1.7 triệu Volt, có
khả năng gia tốc nhiều loại ion khác nhau trong một khoảng năng lượng rộng,


từ đó cho phép thích hợp với nhiều ứng dụng nghiên cứu khác nhau như phân
tích định tính và định lượng dựa trên tán xạ ngược Rutherford (RBS), PIXE, cấy
ghép ion và các thí nghiệm vật lý hạt nhân.
Buồng gia tốc chính bao gồm : Buồng chứa và các bộ phận liên quan, hệ
thống truyền dẫn khí SF6,, hệ chân không, ống gia tốc, hệ thống tước electron
(stripper system), hệ thống nạp điện, Vôn kế phát.
Khi chùm ion âm được tạo ra, chúng sẽ đi vào vùng năng lượng thấp của
máy gia tốc, các ion âm bị hút bởi điện áp dương lớn ở tâm máy, do đó chúng
được gia tốc.Khi đến điểm giữa buồng gia tốc, các ion âm đi qua một thiết bị bộ
tước và trở thành ion dương. Khi các ion dương này đi ra khỏi bộ tước và trôi về
tầng gia tốc thứ hai của buồng gia tốc thì được cao thế dương ở tâm giữa tác
động lực đẩy và do đó được gia tốc lần nữa , chính vì khả năng gia tốc hai lần
nên hệ máy gia tốc này là điển hình cho hệ máy gia tôc Tamdem.

1.1.3 - Các kênh phân tích

a) Kênh cấy ghép ion (Ion implanation) chủ yếu dùng cho nghiên cứu vật liệu, làm chất bán

dẫn.
b) Kênh phân tích ion (IBA-Ion beam analysis)

Dùng để phân tích hàm lượng, thành phân nguyên tố có trong mẫu phân
tích.
Nguyên tắc hoạt động của kênh phân tích ion: Sử dụng chùm ion năng
lượng cao để phân tích thành phần, hàm lượng các nguyên tố trong mẫu phân
tích.Nó là kĩ thuật nhanh, không phá hủy mẫu và có độ chính xác cao.
Các hệ phân tích bao gồm:
- Phân tích tán xạ ngược Rutherford (Rutherford backscattering
spectrometry-RBS): Cho phép phân tích hàm lượng nguyên tố theo độ sâu dựa
vào cơ chế tán xạ ngược Rutherford.


- Phân tích phản ứng hạt nhân (Nuclear reaction analysis-NRA): Dựa vào
phản ứng hạt nhân với các nguyên tố nhẹ để phân tích hàm lượng các nguyên tố
(Z<9).
- Phân tích tán xạ đàn hồi (Elastic recoil detection analysis-ERDA): Có khả
năng phân tích H, He dựa vào các sản phẩm giật lùi của tán xạ đàn hồi của chùm
tia trên bề mặt mẫu.
- Phân tích PIXE (Particle induced X-ray emission analysis)

1.2 - Nguyên lý:
Chùm ion âm được tạo ra trong các nguồn ( RF hoặc SNICS) và được gia tốc
tạm thời trước khi đi vào buồng gia tốc chính , Chùm tia đi vào vùng năng lượng
thấp của máy gia tốc, các ion âm bị hút bởi điện tích dương ở điện thế đỉnh lớn
(TV) do đó chúng được gia tốc. Ở điểm giữa buồng gia tốc, các ion âm đi vào
một thiết bị gọi là “stripper”(bộ tước) ở đó chúng được “tước bỏ” 2 hoặc nhiều

electron và biến thành các ion dương. Khi các ion dương này đi ra khỏi bộ tước
và trôi về tầng gia tốc thứ hai của buồng gia tốc (vùng năng lượng cao) thì được
cao thế dương ở điểm giữa tác động lực đẩy vào và do đó được gia tốc một lần
nữa. Cấu trúc gia tốc kép này cho phép tăng gấp đôi năng lượng của các ion đơn
lẻ mà đã được gia tốc ở tầng gia tốc thứ nhất, với cùng một điện thế đỉnh . Nếu
các ion mang điện tích +n thì năng lượng cuối cùng mà ta nhận được sẽ là
(n+1)*e*V. Máy có hai kênh ra : kênh cấy ghép ion (Ion Implanation) và kênh
phân tích ( RBS , PIXE , NRA ...).
2. Detector
Detector tia X được sử dụng trong hệ phân tích thuộc loại Sillicon Drift
Detector (SDD) của hãng e2v có độ phân giải 138 eV tại năng lượng tia X đặc
trưng bằng 5.9 keV của Mn. Detector này có ưu điểm là có độ phân giải năng
lượng tốt và có khả năng ghi nhận tia X với tốc độ đếm cao hơn so với detector
tia X khác như HpGe, Si(Li), tự làm lạnh bằng cơ chế Peltier. Detector này được


bố trí ở góc 32.8 độ so với hướng chùm tia. Khoảng cách từ detector tới vị trí
mẫu được chọn bằng 159 mm tương ứng với góc khối bằng 1.187 mSr.