Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ô nhiễm các kim loại nặng trong bụi khí ở hà nội bằng phương pháp phân tích pixe

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Văn Hiệu

NGHIÊN CỨU Ô NHIỄM CÁC KIM LOẠI NẶNG TRONG BỤI KHÍ Ở
HÀ NỘI BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PIXE TRÊN MÁY GIA
TỐC PELLETRON 5SDH-2

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - Năm 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Văn Hiệu

NGHIÊN CỨU Ô NHIỄM CÁC KIM LOẠI NẶNG TRONG BỤI KHÍ Ở
HÀ NỘI BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PIXE TRÊN MÁY GIA
TỐC PELLETRON 5SDH-2

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
Mã số: 60440106

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS.NGUYỄN MẬU CHUNG

Hà Nội - Năm 2014


LỜI CẢM ƠN

Để hồn thành khóa luận này, trước tiên em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc
đến Thầy TS. Nguyễn Mậu Chung, Thầy ThS. Nguyễn Thế Nghĩa, ThS Vi
Hồ Phong và các thầy cô, anh chị trong bộ môn Vật lý Hạt nhân, khoa Vật
Lý, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên- ĐHQGHN đã tận tình truyền đạt
kiến thức, cung cấp nhiều tài liệu quý báu và tạo mọi điều kiện thuận lợi để
em thực tập và hoàn thành luận văn này. Với vốn kiến thức được tiếp thu
trong q trình học khơng chỉ là nền tảng cho q trình nghiên cứu khóa luận
mà cịn là hành trang q báu để em bước vào đời một cách vững chắc và tự
tin.
Qua đây em cũng xin gửi lời cảm ơn tới những người thân trong gia
đình, và bạn bè đã chia sẻ với em những buồn vui trong cuộc sống và luôn
ủng hộ và giúp đỡ em để em thực hiện tốt luận văn này.
Cuối cùng em kính chúc quý Thầy, Cô dồi dào sức khỏe và thành công
trong sự nghiệp cao quý, và thành công trong sự nghiệp trồng người.
Dù đã có nhiều cố gắng trong q trình thực hiện, xong do thời gian
hạn chế nên luận văn khó tránh khỏi những thiếu xót và hạn chế. Em rất
mong được sự chỉ bảo của Thầy Cơ và sự đóng góp ý kiến của tất cả các bạn
Em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày tháng

năm 2014

Học Viên
NGUYỄN VĂN HIỆU


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................... 1
Chương 1 – TỔNG QUAN ........................................................................ 4
1.1. Định nghĩa ........................................................................................ 4
1.2. Các dịch chuyển tia X ....................................................................... 5
1.3. Cơng thức tính suất lượng tia X đối với mẫu mỏng ........................... 6
1.4. Tốc độ phát tia X và cường độ vạch phổ tia X ................................... 7
1.5. Hiệu suất huỳnh quang và các dịch chuyển Coster-Kronig ................ 8
1.6. Hàm khớp đa thức đối với dữ liệu tiết diện ion hóa ......................... 12
1.7. Hiệu ứng thứ cấp ............................................................................. 14
1.8. Phổ PIXE ........................................................................................ 15
1.9. Giới hạn phát hiện ........................................................................... 17
Chương 2 – THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .......... 19
2.1. Phương pháp thu ghóp mẫu bụi khí ................................................. 19
2.1.1. Thiết bị thu ghóp mẫu .............................................................. 19
2.1.2. Phin lọc .................................................................................... 21
2.2. Chọn vị trí thu góp mẫu................................................................... 22
2.3. Thiết bị và quy trình phân tích mẫu bụi khí bằng kỹ thuật PIXE...... 24
2.3.1. Máy gia tốc .............................................................................. 24
2.3.1.1. Nguồn ion .......................................................................... 25
2.3.1.2. Buồng gia tốc chính ........................................................... 26
2.3.1.3. Các hệ thống phụ trợ.......................................................... 26
2.3.2. Bố trí thí nghiệm và buồng phân tích ........................................ 26
2.3.3. Giá để mẫu ............................................................................... 27

2.3.4. Detector.................................................................................... 29
2.3.5. Tấm lọc .................................................................................... 30
2.4. Phần mềm ghi nhận và xử lý số liệu ................................................ 32
2.4.1. Phần mềm ghi nhận phổ RC43 ................................................. 32
2.4.2. Phần mềm phân tích phổ PIXE – GUPIX ................................. 33
2.5. Tiến hành phép đo và xử lý số liệu .................................................. 37
2.5.1. Các phương pháp đo đối với mẫu mỏng ................................... 37
2.5.2. Tiến hành phép đo .................................................................... 38
2.5.3. Xử lý số liệu ............................................................................. 39
Chương 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................. 42
3.1. Các kết quả phép đo đối chứng với giá trị chuẩn trên mẫu V83 ....... 42
3.2. Các kết quả phép đo đối với các mẫu bụi khí trên phin lọc .............. 43
3.3. Một số khuyến nghị......................................................................... 45
KẾT LUẬN .............................................................................................. 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................... 48
PHỤ LỤC ................................................................................................. 50


DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ
Hình 0.1. Một số hình ảnh về ơ nhiễm bụi khí tại Hà Nội ....................................... 2
Hình1.1. Sơ đồ mức năng lượng nguyên tử, bên trái là hệ thống ký hiệu Siegahn
(cũ) và bên phải là ký hiệu phổ (lượng tử). Các dịch chuyển tương ứng cũng được
biểu diễn. ................................................................................................................ 5
Hình 1.2. Hiệu suất huỳnh quang L1 đối với phân lớp L1 như hàm phụ thuộc số
hiệu nguyên tử bia Z2............................................................................................ 12
Hình 1.3. Các tiết diện ion hóa vạch K, L (ECPSSR) và M(CPWBA) như hàm của
năng lượng ion tới (E/U) đối với hạt tới là proton. U (keV) là năng lượng biên hấp
thụ của nguyên tử bia, Đường đậm là đường khớp và các điểm thực nghiệm dấu *.
............................................................................................................................. 13
Hình 1.4. Phổ PIXE của mẫu địa chất ................................................................... 15

Hình 2.1. Sơ đồ nguyên tắc thiết bị thu ghóp mẫu GENT-SFU [1]. ...................... 20
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên tắc của thiết bị thu ghóp mẫu ASP [1]. ............................ 21
Hình 2.3. Hình ảnh các phin lọc Nuclepore được sử dụng cho máy GENT trước
(trái) và sau khi thu ghóp và phân tích bằng kỹ thuật PIXE (phải) ........................ 22
Hình 2.4. Vị trí đặt thiết bị thu góp mẫu thích hợp [1] .......................................... 23
Hình 2.5. Các thiết bị thu góp bụi khí tại trạm khí tượng Láng, Hà Nội (hình trên)
và các thiết bị tương tự đặt tại ANSTO (Úc), từ trái qua phải là thiết bị cyclone
PM2.5, PM10 sử dụng phin lọc Teflon và thiết bị thu góp nhiều tầng GENT
PM10/PM2.5 sử dụng phin lọc Nuclepore. .............................................................. 24
Hình 2.6. Bố trí thí nghiệm: Hệ máy gia tốc (hình trên) và buồng phân tích PIXE
(hình dưới) ........................................................................................................... 27
Hình 2.7. Các thiết kế được đề xuất với giá để mẫu và buồng chiếu cho phân tích
PIXE đối với mẫu mỏng [13]................................................................................ 29


Hình 2.8. Hiệu suất ghi nội của detector Sirius SDD dùng trong thí nghiệm được
tính tốn bằng phần mềm GUPIX dựa trên các tham số đầu vào của nhà sản xuất.30
Hình 2.9. Sự thay đổi hiệu suất ghi tuyệt đối của detector Sirius SDD đối với các
tấm lọc khác nhau được đặt trong buồng chiếu. .................................................... 31
Hình 2.10. Cửa sổ ghi nhận số liệu của phần mềm RC43 ...................................... 33
Hình 2.11. Giao diện chương trình GUPIX ........................................................... 34
Hình 3.1. Tương quan giữa giá trị chuẩn và giá trị đo được đối với mẫu đối chứng
V83 của IAEA ...................................................................................................... 43
Hình 3.2. Phổ PIXE của mẫu bụi khí trên phin lọc ký hiệu Fi25 sau khi được làm
khớp ..................................................................................................................... 44
Hình 3.3. Biểu đồ hộp biểu diễn phân bố về mặt thống kê tập hợp các giá trị tỉ lệ
hàm lượng đo được trên hệ máy gia tốc tại HUS và hàm lượng đo được tại ANSTO
trên các mẫu đo từ Fi-21 đến Fi40, với các nguyên tố khác nhau. ......................... 45

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Các hệ số ai từ phép khớp bình phương tối thiểu dữ liệu của [8] (gõ lại
bảng hoặc chỉnh sửa bằng pain) ............................................................................ 11
Bảng 1.2. Các hệ số ai trong công thức 13 ............................................................ 14
Bảng 2.1. Điều kiện thí nghiệm đối với các phép đo ............................................. 39
Bảng 3.1. Kết quả phân tích mẫu đối chứng V83 .................................................. 42


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
TT

Từ

viết

Giải thích tiếng Anh

Giải thích tiếng Việt

tắt
1

PIXE

Partical

Induced

X-ray Phương pháp huỳnh quang tia

Emission
2

IAEA

X

International Atomic Energy Cơ quan Năng lượng Nguyên
Agency

3

ANSTO

tử Quốc tế

Australian Nuclear science & Tổ chức Khoa học và Công
Technology organisation

nghệ Hạt nhân Úc

4

IOP

Institute of Physics

Viện Vật lý

5

LOD

Limit of detection

Giới hạn phát hiện

6

PWBA

Plane

wave

Born Lý thuyết gần đúng

approximation
7

FWHM

Full width at hafl maximun

Độ phân giải năng lượng

8

RF

Radio frequency

Nguồn tạo ion từ dao động cao
tần

9

10

SNICS

MCA

Source of Negative Ions by Nguồn tạo ion âm bởi phún xạ
Cecium Sputtering

Cecium

Multi Channel Analyzer

Máy phân tích đa kênh


Luận văn Thạc sỹ

Nguyễn Văn Hiệu

MỞ ĐẦU
Hiện nay, việc ứng dụng các phương pháp phân tích hạt nhân trong các
nghiên cứu môi trường đang được quan tâm đặc biệt. Trong đó nhiều phương pháp

được sử dụng rộng rãi như đo phân rã beta, alpha, gamma, phương pháp huỳnh
quang tia X….Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học cơng nghệ thì việc sử
dụng máy gia tốc loại nhỏ ứng dụng trong phân tích mẫu mơi trường sử dụng
phương pháp PIXE được xem là có nhiểu ưu điểm so với các phương pháp khác.
Trong những năm gần đây vấn đề ô nhiễm mơi trường đang trong tình trạng
báo động, nó đã ảnh hưởng nghiêm trọng tới điều kiện sống và sức khỏe của con
người. Có rất nhiều loại ơ nhiễm mơi trường như ô nhiễm nguồn nước, ô nhiễm
thực phẩm và ơ nhiễm khơng khí ... Trong đó ơ nhiễm khơng khí là vấn để rất cấp
thiết ở những nước phát triển và nhất là những đang phát triển bởi bụi khói cơng
nghiệp, nơng nghiệp và do sinh hoạt hàng ngày con người tạo ra làm cho bầu
khơng khí bị ơ nhiễm trầm trọng… Điển hình như thành phố Bắc Kinh của Trung
Quốc là một trong những nước đang phát triển trên thế giới, năm 2013 chính quyền
Bắc Kinh phải đưa ra bốn mức báo động với ô nhiễm môi trường, Báo cáo Blue
paper for World Cities năm 2012 nêu rõ là thủ đơ Bắc Kinh của Trung Quốc ít nhất
mỗi tuần đều một lần đến mức ô nhiễm trầm trọng. Trong một năm có 365 ngày thì
có đến 190 ngày thủ đô này vượt ngưỡng cho phép về ô nhiễm khơng khí.
Hà Nội là một trong những thành phố ơ nhiễm nhất khu vực châu Á, hàm
lượng bụi cao gấp nhiều lần mức cho phép, các chuyên gia nước ngoài khẳng
định. “Tại các đô thị lớn ở Việt Nam, ô nhiễm khơng khí ảnh hưởng tới hoạt động
của người dân mọi lúc, mọi nơi, nhất là thủ đô Hà Nội. Đây là một trong những
thành phố ô nhiễm nhất châu Á, và thành phố ô nhiễm nhất khu vực Đông Nam Á”,
ông Jacques Mxoussafir, công ty ARIA Technologies nước Pháp cảnh báo.

1


Luận văn Thạc sỹ

Nguyễn Văn Hiệu

Hình 0.1. Một số hình ảnh về ơ nhiễm bụi khí tại Hà Nội

Theo Tổ chức Y tế Thế giới, ơ nhiễm khơng khí đơ thị làm khoảng 800.000
người chết và 4,6 triệu người giảm tuổi thọ trên thế giới mỗi năm. 2/3 số người chết
và giảm tuổi thọ do ơ nhiễm khơng khí thuộc các nước đang phát triển ở châu Á.
Theo nghiên cứu cơng bố ngày 12/7 trong tạp chí Environmental Research Letters
của Viện Vật lý (IOP)- Việt Nam, ước tính ước tính khoảng 2,1 triệu ca tử vong
mỗi năm do con người làm gia tăng nồng độ bụi có kích cỡ nhỏ trong khơng khí
(PM2.5). Những hạt bụi nhỏ liti này lơ lửng trong khơng khí và có thể xâm nhập
sâu vào phổi, gây ung thư và nhiều bệnh về đường hô hấp( ScienceDaily đưa tin).
Hằng năm có khoảng 20 tỉ tấn CO2 + 1,53 triệu tấn SiO2 + Hơn 1 triệu tấn
Niken + 700 triệu tấn bụi + 1,5 triệu tấn Asen + 900 tấn coban + 600.000 tấn Kẽm
(Zn), hơi Thuỷ ngân (Hg), hơi Chì (Pb) và các chất độc hại khác. Làm tăng đột biến
các chất như CO2, NOX, SO3 …
Các chất ô nhiễm xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau, ơ nhiễm khơng khí
rất khó phân tích vì chất ô nhiễm thay đổi nhiều do điều kiện thời tiết và địa hình,
nhiều chất cịn phản ứng với nhau tạo ra chất mới rất độc.
Do tính đa dạng và phức tạp của các yếu tố ô nhiễm môi trường khơng khí
và sự tác động qua lại giữa các hệ sinh thái trong môi trường, nên giải quyết bài

2


Luận văn Thạc sỹ

Nguyễn Văn Hiệu

tốn ơ nhiễm bụi khí địi hỏi phải có sự tham gia của nhiều ngành khoa học, sử
dụng nhiều kỹ thuật phân tích khác nhau nhằm thu thập đầy đủ thơng tin trong mẫu
phân tích được lấy từ những địa điểm mang tính chất đại diện cần quan tâm. Trong

số các kỹ thuật phân tích áp dụng để nghiên cứu ơ nhiễm bụi khí thì kỹ thuật PIXE
thể hiện nhiều ưu điểm vượt trội như khả năng phân tích đồng thời nhiều nguyên tố
với độ nhạy, độ chính xác cao và khơng phá hủy mẫu.
Vì những lý do trên, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ơ nhiễm các kim
loại nặng trong bụi khí ở Hà Nội bằng phương pháp phân tích PIXE trên máy gia
tốc Pelletron 5SDH-2”. Mục đích của đề tài luận văn là bước đầu nghiên cứu về
quy trình phân tích các mẫu bụi khí trên phin lọc bằng kỹ thuật PIXE tại phịng thí
nghiệm máy gia tốc Tandem Pelletron 5SDH-2 đặt tại Trường Đại học Khoa học tự
nhiên (HUS), đồng thời tiến hành phân tích một số mẫu bụi khí trên phin lọc, so
sánh kết quả phân tích này với kết quả phân tích tại Viện Khoa học kỹ thuật Hạt
nhân Úc. Từ đó tác giả đề ra một số khuyến nghị để từng bước hồn thiện quy trình
phân tích mẫu dạng này tại phịng thí nghiệm.
Bố cục luận văn gồm có 4 phần chính:
-

Tổng quan: Trình bày cơ sở lý thuyết của kỹ thuật PIXE bắt đầu công
thức lý thuyết xác định suất lượng tia X, từ đó trình bày về các đại lượng
vật lý liên quan như tiến diện ion hóa, hiệu suất huỳnh quang. Một số nội
dung quan trọng như nền phông, phổ PIXE hay giới hạn phát hiện cũng
được đề cập.

-

Thiết bị và phương pháp thực nghiệm: Trình bày về hệ máy gia tốc
5SDH-2 và hệ phân tích PIXE sử dụng trong các thí nghiệm trong khn
khổ luận văn. Đồng thời trình bày về phương pháp đo và xử lý số liệu.

-

Kết quả và thảo luận: Trình bày các kết quả đang chú ý, cụ thể là kết quả

phân tích mẫu đối chứng V83 (IAEA) phục vụ đảm bảo chất lượng và 20
mẫu bụi khí PM2.5-10 trên phin lọc, so sánh với kết quả phân tích tại Tổ
chức Khoa học và Công nghệ Hạt nhân Úc (ANSTO).

3


Luận văn Thạc sỹ

Nguyễn Văn Hiệu

Chương 1 – TỔNG QUAN
Kỹ thuật phân tích bằng tia X gây bởi chùm hạt (Particle Induced X-ray
Emission – PIXE) có lịch sử hình thành từ năm 1976 từ bài báo tổng quan của
Johansson [2]. Khoảng thời gian đó có nhiều cơng bố khoa học về phương pháp
cũng như ứng dụng liên quan đến kỹ thuật này, cụ thể là trong tuyển tập hội nghị
quốc tế về PIXE tổ chức năm 1977, 1981 và 1984.
Kỹ thuật PIXE là một công cụ mạnh và tiên tiến cho phân tích khơng phá
hủy thành phần vi lượng của các nguyên tố trong mẫu với thời gian đo mỗi mẫu
điển hình chỉ khoảng vài phút. Kỹ thuật này sử dụng chùm Ion có năng lượng vào
khoảng từ 0.5 đến 10 MeV/amu và sử dụng detector bán dẫn Si để ghi nhận tia X
sinh ra. Hầu hết các nguyên tố từ Na trở đi có thể được phân tích trong dải năng
lượng tia X từ 1 đến 100 keV. Năng lượng của tia X phát ra đặc trưng cho nguyên
tố bị bắn phá bởi chùm ion và số lượng tia X đặc trưng này sẽ tỉ lệ với hàm lượng
nguyên tố. Khoảng từ 25 đến 30 nguyên tố có thể được phân tích đồng thời với
ngưỡng phát hiện (LOD) dưới µg/g trong một số trường hợp.
1.1. Định nghĩa
Sự phát tia X (đặc trưng) gây bởi chùm hạt (PIXE) là một quá trình gồm
nhiều giai đoạn, đầu tiên chùm ion tới tương tác với nguyên tử bia, tạo ra lỗ trống ở
các lớp electron bên trong, sau đó electron lớp ngồi nhảy vào lấp lỗ trống này và

năng lượng sinh ra do quá trình chuyển mức năng lượng này sẽ được truyền cho
photon phát ra (tia X) hay electron Auger. Hình 1.1 biểu diễn một số dịch chuyển
có thể xảy ra đối với một lỗ trống tại một phân lớp thuộc lớp K hoặc L kèm theo ký
hiệu tương ứng của dịch chuyển đó, được đặt tên dựa trên sự khác nhau về mức
năng lượng của electron nhảy vào chiếm chỗ. Các vạch phổ tia X tương ứng được
phân thành 3 phân nhóm chính là α, β, γ dựa vào năng lượng của chúng. Các vạch
phổ loại α có năng lượng lớn hơn các vạch phổ loại β và vạch phổ loại này lại có
năng lượng cao hơn vạch phổ loại γ. Có khoảng 13 vạch nhóm K, 37 vạch nhóm L

4


Luận văn Thạc sỹ

Nguyễn Văn Hiệu

và 39 vạch nhóm M thường quan sát được mặc dù đối với các nguyên tố nhẹ thì chỉ
có detector có độ phân giải rất cao mới có thể quan sát được tồn bộ các vạch này.
1.2. Các dịch chuyển tia X
Hệ thống ký hiệu Siegbahn sử dụng các ký tự như K, L1, L2, L3, M1… để
đặt tên cho các phân lớp electron theo thứ tự từ phân lớp gần hạt nhân nhất ra bên
ngồi. Lớp K khơng chia thành phân lớp nào trong khi lớp L được chia thành 3
phân lớp ký hiệu Li (i từ 1 cho đến 3), lớp M có 5 phân lớp ký hiệu Mi (i từ 1 cho
đến 5) và lớp N có 7 phân lớp ký hiệu Ni (i từ 1 cho đến 7). Các chữ cái này được
sử dụng để ký hiệu cho các vạch tia X tương ứng với dịch chuyển electron tới các
phân lớp tương ứng.

Hình1.1. Sơ đồ mức năng lượng nguyên tử, bên trái là hệ thống ký hiệu Siegahn (cũ) và
bên phải là ký hiệu phổ (lượng tử). Các dịch chuyển tương ứng cũng được biểu diễn.

5


Luận văn Thạc sỹ

Nguyễn Văn Hiệu

Hệ thống ký hiệu phổ (lượng tử) sử dụng 3 số lượng tử n,l và j để ký hiệu
cho từng phân lớp electron. Các số lượng tử chính n=1,2,3… tương ứng với các lớp
chính K, L, M… Các ký hiệu s, p, d, f… đại diện cho các phân lớp với số lượng tử
quỹ đạo tương ứng l=0, 1, 2 ,3… trong khi số lượng tử tổng j=l+s với s là số lượng
tử spin. Mỗi phân lớp được ký hiệu là nlj, ví dụ phân lớp L3 trong ký hiệu Siegahn
sẽ được ký hiệu là 2p3/2, tia X Lα1 được tạo ra bởi dịch chuyển từ phân lớp này đến
phân lớp 3d5/2. Theo cơ học lượng tử, các dịch chuyển cho phép phải thỏa mãn điều
kiện Δn>0, Δl=±1 và Δj=0, ±1, các dịch chuyển không thỏa mãn điều kiện này xảy
ra với xác suất rất nhỏ và được gọi là dịch chuyển cấm.
Các detector bán dẫn sử dụng đo tia X hiện nay có độ phân giải năng lượng
lớn hơn hoặc vào cỡ 140 eV, vì độ mỏng cửa sổ của detector có giới hạn nên năng
lượng tia X nhỏ nhất có thể ghi nhận được vào khoảng 1 keV. Các giới hạn này của
detector do đó chỉ cho phép ghi nhận được 2 đến 3 vạch tia X loại K, 9 đến 13 vạch
tia X loại L và ít hơn 6 vạch tia X loại M. Các detector hiện đại có hiệu suất ghi lớn
đối với tia X năng lượng tử 1 đến 60 keV có thể ghi nhận được tia X vạch K phát ra
từ các nguyên tố từ Na đến W, tia X loại L từ nguyên tố Zn trở đi và tia X loại M
từ nguyên tố Dy trở đi.
1.3. Công thức tính suất lượng tia X đối với mẫu mỏng
Suất lượng tia X tương ứng với mỗi khoảng năng lượng chùm tia tới từ E
cho đến (E+∆ ) trong bia được cho bởi tích số giữa số hạt tới tương tác với bia, số
nguyên tử bia trong vùng năng lượng đó trên một đơn vị diện tích, tiết diện tạo lỗ
trống trong lớp vỏ nguyên tử (tiết diện ion hóa), hiệu suất huỳnh quang tương ứng,
tỉ lệ số tia X tương ứng với các vạch (ví dụ vạch Kα, Kβ…), sự suy giảm của tia X

sinh ra này khi đi qua độ dày x (là độ dày mà tia X phải đi qua để ra khỏi mẫu
hướng tới detector và quãng đường tia X đi qua tấm lọc) và hiệu suất ghi tuyệt đối
của detector tại hình học xác định đã bao gồm góc khối của detector.
Bia dạng rắn được coi là bia mỏng trong trường hợp năng lượng bị suy giảm
trong quá trình hạt tới đi trong mẫu và sự tự hấp thu của tia X trong mẫu là không

6


Luận văn Thạc sỹ

Nguyễn Văn Hiệu

đáng kể. Trong trường hợp của bia mỏng, nếu cho trước số hạt proton tới với năng
lượng E0 đi qua một bia mỏng đồng nhất có bề dày x (đơn vị μgcm-2) có khối lượng
nguyên tử Z và số khối A, suất lượng tia X đối với vạch thứ i (ví dụ Kα, Lα) là [4]
( ) = 4.968 ∗ 10

/sin( )

(1)

Trong đó N 2 là số nguyên tử bia trên một cm-3, x là bề dày bia (đơn vị
μgcm-2),  px là tiết diện sinh tia X (X-ray production cross section),  là góc khối
của detector (đơn vị steradian), Q là tổng số điện tích của hạt tới trên mẫu (đơn vị
μC),  i là góc giữa mặt phẳng mẫu và hướng chùm tia,  là hiệu suất ghi nội của
detector tia X.
Đối với mẫu mỏng, nếu tính đến sự suy giảm năng lượng của chùm tia tới và
sự tự hấp thụ tia X trong mẫu thì ta phải đưa vào hiệu chỉnh đối với công thức 1
bằng cách thay giá trị E1 bằng E1  E / 2 với ΔE là năng lượng chùm tia tới bị suy

giảm trong mẫu và bề dày mẫu được thay bằng giá trị bề dày hiệu dụng x' được tính
bằng cơng thức sau:
    t sec  0 
x'  x exp     

2 
 

(2)

Trong đó  /  là hệ số suy giảm khối của tia X (đơn vị cm2/g),  là mật độ
khối (đơn vị g cm-3), mật độ khối của bia là t   x (g cm2),  0 là góc giữa hướng
của detector tới bia và pháp tuyến mặt phẳng bia.
Khi đó cơng thức trở thành:
(

[−0.5( / )

− ∆ /2) = 4.968 ∗ 10

( )]/sin( )

(3)

Đối với bia có độ dày nhỏ hơn 500 μg/cm2 và tia X năng lượng lớn hơn 5
keV hiệu chỉnh này nhỏ hơn 10%.
1.4. Tốc độ phát tia X và cường độ vạch phổ tia X
Như đã đề cập ở phần trên, lỗ trống được tạo ra tại các phân lớp nằm sâu
bên trong nguyên tử sẽ được lấp bằng các chuyển dịch của electron từ các phân lớp

7


Luận văn Thạc sỹ

Nguyễn Văn Hiệu

ngồi. Để tính tốn xác suất đối với một dịch chuyển i ta phải biết tỉ lệ giữa độ rộng
phát xạ riêng phần (partial radiative width) i ( R) đối với dịch chuyển đó và tổng
độ rộng phát xạ đối với phân lớp s là  s ( R ) : Si   i ( R ) /  s ( R ) . Tỉ lệ này được gọi
là tốc độ phát tia X tương đối của dịch chuyển i đối với phân lớp s. Độ rộng này có
đơn vị là eV và tốc phát tia X có đơn vị là eV /  . Tốc độ phát tia X của các vạch
tia X phát ra từ một phân lớp đóng vai trị quan trọng trong việc nhận diện nguyên
tố.
1.5. Hiệu suất huỳnh quang và các dịch chuyển Coster-Kronig
Tiết diện sinh tia X ( X-ray production cros-section) bao gồm tiết diện ion
hóa và xác suất phát tia X từ một sự kiện ion hóa, còn được gọi là hiệu suất huỳnh
quang  . Hiệu suất huỳnh quang đối với một lớp vỏ electron bằng số photon phát
ra khi các lỗ trống trong một lớp được lấp đầy, chia cho số lỗ trống ban đầu được
tạo ra N S ở lớp vỏ đó. Đối với lớp K chỉ có 1 phân lớp thì hiệu suất huỳnh quang
được ký hiệu là  K trong khi đối với các lớp L và M thì được ký hiệu là i với
i=L1, L2, L3, hay M1, M2, M3, M4, M5. Tiết diện ion hóa đối với lớp K  KI liên hệ
với tiết diện sinh tia X của lớp K và hiệu suất huỳnh quang  K theo biểu thức sau
đây:
 px  K  KI

(4)

 K nhận giá trị từ 0 đến 1. Hiệu suất huỳnh quang nói chung phụ thuộc vào

nguyên tử số Z 2 của bia và trạng thái điện tích ban đầu của nó nhưng không phụ
thuộc vào nguyên tử số Z1 và năng lượng của hạt tới. Trong trường hợp các ion nhẹ
tương tác với bia nặng ( Z1 / Z 2  1 ) thì hiệu suất huỳnh quang được coi như khơng
phụ thuộc vào trạng thái điện tích của nguyên tử bia và giá trị hiệu suất huỳnh
quang đối với nguyên tử trung hịa có thể được sử dụng.

8


Luận văn Thạc sỹ

Nguyễn Văn Hiệu

Đối với một vạch tia X cụ thể thì tiết diện sinh tia X đối với vạch đó, lấy ví
dụ đối với vạch  của lớp K (ký hiệu là x ), có liên hệ với tiết diện sinh tia X của
lớp K và tốc độ phát tia X S p bằng biểu thức sau:
 x  S  Kx

(5)

Xét q trình ion hóa vạch L, các mối liên hệ giữa cường độ tia X quan sát
được và lý thuyết trở lên phức tạp về sự tồn tại của một số các cơ chế phát tia X
khác nhau từ nhiều phân lớp. Hiệu suất huỳnh quang trung bình đối với lớp s s
phụ thuộc vào cơ chế ion hóa của lớp vì các cơ chế ion hóa khác nhau sẽ tạo nên bộ
các lỗ trống ban đầu khác nhau. Các 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 đối vị trí tới phân lớp cao hơn trước khi lỗ trống đó được lấp đầy bởi một dịch
chuyển sinh tia X. Các dịch chuyển như thế được gọi là dịch chuyển Coster-Kronig
và xác suất thay đổi vị trí của một lỗ trống từ phân lớp i tới phân lớp cao hơn j nằm
trong cùng một lớp s được ký hiệu là fijs . Khi các dịch chuyển Coster-Kronig được

thêm vào, hiệu suất huỳnh quang trung bình của lớp s trở thành:
3

s   Nis vis

(6)

1

Trong đó N is là số các lỗ trống ban đầu trong một phân lớp i của lớp s. Hệ
số vis được gọi là hiệu suất huỳnh quang hiệu dụng với một phân lớp, là tổng số tia
X đặc trưng sinh ra trên tổng số lỗ trống của phân lớp thứ i của lớp s. Đối với lớp L
thì hệ số vi (chỉ số trên s được lược bỏ cho đơn giản) và hiệu suất huỳnh quang đối
với một phân lớp i liên hệ với nhau thông qua biểu thức:
vL1  L1  f L1 L 2  ( f13  f12 f 23 )L 3

(7a)

vL 2  L 2  f 23L 3

(7b)

vL 3   L 3

(7c)

9


Luận văn Thạc sỹ

Nguyễn Văn Hiệu

Đối với các phân lớp thuộc lớp M thì hiệu suất huỳnh quang hiệu dụng vi
(i= M1 đến M5) có dạng tương tự nhưng phức tạp hơn.
Đối với lớp L, tiết diện ion hóa tổng cộng của các phân lớp  LI liên hệ với
tiết diện sinh tia X  x bằng biểu thức sau:
 x   1x   2x   3x

(8a)

 x  vL1 LI1  vL 2 LI 2  vL3 LI 3

(8b)

 x   L LI

(8c)

Vì giá trị L liên quan đến hệ số vis nên cần ít nhất 6 đại lượng để xác định
các quá dịch chuyển tạo tia X xuất phát từ một lỗ trống của lớp L.
Tiết diện sinh tia X tương ứng vơi một vạch p liên hệ với tiết diện sinh tia X
của một phân lớp thông qua tốc độ phát tia X đối với phân lớp tương ứng.Vì vậy
đối các tia X vạch L ta có [5]:
x
 Lp
 ( LI 1 ( f13  f12 f 23 )   LI 2 f 23   LI 3 )Li

 Lp
 Li

(9)

Trong đó vạch tia X Lp xuất phát từ một lỗ trống ban đầu tại phân lớp Li.
Với i=1 thì ta cho  LI 2   LI 3  f13  0 , f13  f 23  1 ; với i=2 thì ta cho  LI 3  f13  0 ,
f 23  1 và với i=3 thì sử dụng tất cả các tiết diện ion hóa đối với các phân lớp và

các dịch chuyển Coster-Kronig.

/

chính là tốc độ phát tia X của vạch Lp bằng

tỉ lệ giữa độ rộng phát xạ của dịch chuyển Lp trên tổng độ rộng phát xạ của phân
lớp. [6,7].
Đối với các vạch M và các q trình ion hóa ở lớp vỏ ngồi cùng thì mối
liên hệ giữa tiết diện phát tia X và tiết diện ion hóa của các phân lớp trở lên phức
tạp hơn vì các lớp trên lớp M có thể có tới 5 hoặc nhiều hơn phân lớp. Ngồi ra, do
các tia X vạch M sinh ra có năng lượng nhỏ nên thực nghiệm chỉ có thể sử dụng
được các đỉnh này đối với các nguyên tố có Z2 lớn và chúng cũng có các năng

10


Luận văn Thạc sỹ

Nguy
Nguyễn Văn Hiệu

lượng khác nhau

au và khá gần
g nhau nên cần phải có detector có độ phân giải
gi rất cao
mới tách được.
Một cách tổng
ng quát, các giá tr
trị i (i=K, L2, L3 và M) và vi (i=L1 đến L3),
ngoại trừ giá trị L1 là hàm tăng đều
đ theo giá trị Z2 và có thể đượcc kh
khớp với hàm đa
thức bán thực nghiệm
m có dạng
d
như sau:
3
1/4

[s / (1  s )]

  ai Z 2i

(10)

i 0

Trong đó s=K,
=K, L ho
hoặc M và ai là các hệ số khớp có thể thu được
đư từ phép
khớp bình phương tốii thiểu

thi dữ liệu về các lớp K, L, M cho bởii tài li
liệu [8]. Các hệ
số này được cho ở Bảng
ng 1
1.1 cùng với khoảng của giá trị Z2 đượcc khớp
kh từ dữ liệu
của [8]

Bảng 1.1. Các hệ số
s ai từ phép khớp bình phương tối thiểu dữ liệuu của
c [8]

Đối với phân lớp
p L1 thì sự tăng của L1 so với Z2 không đềuu và giá tr
trị này
cũng nhỏ hơn rất nhiều
u so v
với  L 2 và  L 3 vì tốc độ của các dịch
ch chuy
chuyển CosterKronig khá lớn.
n. Ngoài ra, sự
s ngắt quãng của giá trị tốc độ dịch
ch chuyển
chuy CosterKronig khi Z2 tăng sẽ ảnh
nh hư
hưởng giá trị L1 tương ứng và có thể thấy
y rõ trên đồ thị
Hình 1.2.

11

Luận văn Thạc sỹ

Nguyễn Văn Hiệu

Hình 1.2. Hiệu suất huỳnh quang L1 đối với phân lớp L1 như hàm phụ thuộc số hiệu
nguyên tử bia Z2.

1.6. Hàm khớp đa thức đối với dữ liệu tiết diện ion hóa
Để tính tốn tiết diện ion hóa  I người ta sử dụng một số lý thuyết, điển
hình là lý thuyết ECPSSR được đề xuất bởi [9,10] dựa trên lý thuyết gần đúng
PWBA (Plane wave Born approximation) có thêm hiệu ứng phân cực và liên kết
trong khuôn khổ gần đúng PSS (Perturbed stationary states approximation) và các
hiệu chỉnh tương đối tính (R), năng lượng mất mát (E) và hiệu ứng Culông. Lý
thuyết này được cho là lý thuyết thành công nhất dùng trong tính tốn tiết diện ion
hóa gây bởi ion nhẹ của lớp K và L đối với hầu hết các nguyên tố bia. Bảng các giá
trị tiết diện ion hóa được tính tốn dựa trên lý thuyết này có thể được tìm thấy trong
tài liệu tham khảo [11]. Dựa trên lý thuyết PWBA thì tiết diện ion hóa đối với một
lỗ trống ở lớp vỏ trong cùng tỉ lệ với bình phương nguyên tử số của chùm ion tới
Z12 tại một năng lượng tới xác định và đối với một bia nhất định. Từ đó ta có thể

ước lượng được tiết diện ion hóa của chùm ion tới nặng hơn bằng cách nhân kết
quả tính tốn tiết diện ion hóa đối với chùm proton (tại một giá trị E1/M1 hay nhất
định) với Z12 . Ví dụ đối với Deuterium là hạt tới ta có biểu thức sau:
 D   p ( E1 / 2)

12

(11)

Luận văn Thạc sỹ

Nguyễn Văn Hiệu

 He  4 p ( E1 / 4)

(12)

Đối với năng lượng ion tới nhỏ (<2MeV/amu) thì tính tốn này sẽ khơng
thật chính xác vì các hiệu chỉnh trên lý thuyết PWBA tại vùng năng lượng này.
Ngồi ra, trong tính tốn tiết diện ion hóa đối với các ion nặng hơn người ta còn
thêm vào một số tính tốn phức tạp hơn liên quan đến khái niệm “điện tích hiệu
dụng” [3].
Hình 1.3 là đồ thị mô tả phép khớp các dữ liệu ECPSSR đối với lớp K và L
và dữ liệu CPWBA (lý thuyết sử dụng để tính tốn đối với lớp M) cho chùm proton
tới trên các bia có Z2 khác nhau. Các giá trị này đã được nhân với bình phương
năng lượng của biên hấp thụ (K, L, M apsorption edges) tương ứng (đơn vị keV) và
có đơn vị là barn.keV2.

Hình 1.3. Các tiết diện ion hóa vạch K, L (ECPSSR) và M(CPWBA) như hàm của năng
lượng ion tới (E/U) đối với hạt tới là proton. U (keV) là năng lượng biên hấp thụ của
nguyên tử bia, Đường đậm là đường khớp và các điểm thực nghiệm dấu *.

13


Luận văn Thạc sỹ

Nguy
Nguyễn Văn Hiệu

Hàm khớp đa thứcc bbậc 5 tương ứng sử dụng các hệ số ai như sau
ln( E 2 I )   ai ln( Ei / E (keV ))

(13)

Các hệ số ai đượcc cho ở Bảng 1.2

Bả
ảng 1.2. Các hệ số ai trong công thức 13

Phép khớp này rấtt hiệu
hi quả trong việc tính tốn các giá trị tiếết diện ion hóa
cho proton tới năng lượ
ợng từ 1 đến 4 MeV vì có sai khác vớii giá trị
tr lý thuyết
ECPSSR nhỏ hơn 10%.
Tính tốn ECPSSR đã
đ được so sánh với giá trị thực nghiệm
m và cho th
thấy sự
phù hợp rất tốt.
t. Ngoài ra, đ
để tăng tính chính xác trong các chương tr
trình phân tích
phổ PIXE ngườii ta cịn có thể
th đưa thêm các tỉ lệ giữa giá trị tính được
đư bằng

ECPSSR và thực nghiệm
m vào trong tính tốn.
1.7. Hiệu ứng thứ cấp
Nếu năng lượng
ng ccủa tia X đặc trưng phát ra từ nguyên tố A lớn
l hơn năng
biên hấp thụ củaa nguyên tố
t B trong mẫu chứa A và B thì sự phát tia X th
thứ cấp của
B gây bởi A sẽ xảy
y ra. Tiết
Ti diện tạo sinh tia X bởi chùm ion tớii gi
giảm khi năng
lượng biên hấp thụ tăng
ăng trong khi ti
tiết diện này gây bởii tia X tăng khi năng lư
lượng
biên hấp thụ tăng (vớii đi
điều kiện năng lượng tia X kích thích lớnn hơn năng lư
lượng
biên hấp thụ).
). Do đó đóng ghóp của
c hiệu ứng thứ cấp này là lớnn nh
nhất đối với các
nguyên tố có biên hấp
p thụ
th dưới gần với năng lượng của tia X đặcc trưng có cư
cường
độ lớn, nhưng sẽ giảm rấất nhanh khi năng lượng biên hấp thụ giảm.

14


Luận văn Thạc sỹ

Nguy
Nguyễn Văn Hiệu

Trong một số trườ
ờng hợp có thể có tới 40% tổng số tia X phát ra do q
trình này. Cơng thứcc tính tốn ttỉ số giữa số tia X K thứ cấpp sinh ra trên ssố tia X
K sơ cấp là [12]


 a 
 RcB  K,B,A   A K,B
Yprim,A
K,B,SPL  aB 
Ysec,A

(14)

Trong đó cB là hàm lư
lượng của nguyên tố B,  K , B , A là hệ số suy giảm khối
của tia X từ nguyên tố B trên ma tr
trận nguyên tố A,  K , B , A là hệ số suy giảm khối
của tia X từ nguyên tố B trên ma tr
trận mẫu, a A và aB lần lượt là khốii lư
lượng nguyên
tố của nguyên tố A và B,  K , B là hiệu suất huỳnh quang củaa nguyên tố

t B, hệ số R
liên quan tới bản chất củ
ủa biên hấp thụ. Công thức trên chỉ đúng cho các hi
hiệu ứng
thứ cấp
p đóng ghóp khơng q 10%.
1.8. Phổ PIXE
Phổ PIXE bao gồm
m 2 thành phần:
ph Các đỉnh tương ứng vớii tia X đặc
đ trưng và
nền bức xạ hãm liên tục .

Hình 1.4. Phổ PIXE của mẫu địa chất

15


Luận văn Thạc sỹ

Nguyễn Văn Hiệu

Mỗi nguyên tố sẽ phát ra các vạch tia X với năng lượng hoàn toàn xác định
đặc trưng cho nguyên tố đó. Từ cường độ của các vạch tia X đặc trưng(diện tích
đỉnh phổ đã trừ phơng), ta có thể xác định được hàm lượng các ngun tố có trong
mẫu.
Khi mẫu phân tích được kích thích bởi chùm hạt mang điện có năng lượng
xác định E0 từ 1-4 MeV thì các ngun tố có ngun tử số Z  50 sẽ được xác định
thông qua tia X đặc trưng của lớp K (thường là K ). Các ngun tố có Z>50 sẽ
được xác định thng qua tia X đặc trưng của lớp L do E( K ) quá lớn không ghi

nhận được bởi dectector.
Nền phông liên tục trong phổ PIXE là đóng góp chủ yếu của nền phông bức
xạ hãm liên tục của electron thứ cấp, ngồi ra cịn có đóng góp của bức xạ hãm của
hạt tới, tán xạ Compton của tia gamma sinh ra do phản ứng kích thích Coulomb hạt
nhân và hiệu ứng gây ra do bia không dẫn điện.
Theo điện động lực học cổ điển, các hạt mang điện được gia tốc hoặc làm
chậm đều phát ra bức xạ điện từ. 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.
Xét trong trường hợp đối với các electron, 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 chúng thay đổi liên tục trong trường Culơng của các ngun 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.
Khi toàn bộ động năng của electron biến thành bức xạ hãm thì năng lượng
cực đại của chùm bức xạ hãm sẽ là:
Tmax 

Trong đó:

hc

min

 4mM 1 E1 / (m  M 1 ) 2

h là hằng số Planck
min là bước sóng nhỏ nhất

c là vận tốc ánh sáng
m là khối lượng của electron

16

(15)