Tìm hiểu hệ phổ kế huỳnh quang tia x và ứng dụng của nó

MỞ ĐẦU
Các ngành khoa học về Vật lý chất rắn đã và đang được nghiên cứu và
phát triển rất mạnh mẽ trên thế giới. Các nhà khoa học luôn tập trung vào
nghiên cứu để tìm ra các vật liệu có cấu trúc tinh thể hoặc vơ định hình với
những tính chất cơ - lý phù hợp, gắn liền với thực tiễn của sự phát triển như
vũ bão của các ngành khoa học và công nghệ hiện nay. Một trong những nội
dung quan trọng và hết sức cơ bản là nghiên cứu, phân tích thành phần hố
học và xác định hàm lượng các nguyên tố hóa học trong vật chất. Để thực
hiện nhiệm vụ này có nhiều phương pháp khác nhau. Một trong những
phương pháp tối ưu là dùng phổ kế huỳnh quang tia X (PKHQTX) dựa trên
cơ sở ghi nhận các tia X đặc trưng của nguyên tố hoá học phát ra từ mẫu cần
phân tích khi chúng được kích thích một cách phù hợp. Phương pháp này cho
phép thực hiện phân tích nhanh, độ nhạy và độ chính xác cao, mẫu vật khơng
bị phá huỷ và mẫu phân tích có thể ở tất cả các pha rắn, lỏng hoặc khí. Vì vậy
nó có ứng dụng rất lớn trong nhiều nghành kinh tế quốc dân và được sử dụng
rộng rãi trong nhiều mục đích khác nhau.
Việc nghiên cứu chế tạo PKHQTX đã ra đời sớm sau khi phát hiện ra
tia X đặc trưng của các ngun tố hố học có trong mẫu phân tích bởi nhà bác
học Moseley. PKHQTX sử dụng đetectơ Si(Li) đã được nghiên cứu chế tạo
vào những năm 1980 tại Viện vật lí- Viện khoa học Việt Nam trước đây và
Viện khoa học Viện vật liệu-Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam ngày
nay. Cho đến nay trên thế giới đã nghiên cứu, phát triển và chế tạo thành công
nhiều loại PKHQTX sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp cũng như trong
công tác nghiên cứu khoa học vật liệu, công tác đào tạo. Ở Việt Nam cho đến
nay nhóm nghiên cứu ở Viện khoa học vật liệu đã nghiên cứu và chế tạo
thành công các loại PKHQTX sử dụng các loại đetectơ bán dẫn khác nhau
như đetectơ Si(Li), HPGe, phôtôđiôt Si – PIN đạt độ phân giải khá tốt, và
chúng đã có nhiều ứng dụng trong thực tiễn.
Với mục đích tìm hiểu về các hệ phổ kế huỳnh quang tia X và ứng
dụng của nó để phân tích thành phần vật chất chúng tơi đã chọn đề tài của

5


luận văn tốt nghiệp là “Tìm hiểu hệ phổ kế huỳnh quang tia X và ứng dụng
của nó”.
Ngồi phần mở đầu và kết luận, luận văn được chia làm ba chương.
Chƣơng I. Các tia X đặc trưng của nguyên tử vật chất.
Trong chương này trình bày về bản chất của tia X, tương tác giữa chùm
tia X với mẫu vật chất. Đồng thời tìm hiểu về các tia X đặc trưng của nguyên
tố hoá học phát ra khi mẫu được kích thích.
Chƣơng II. Hệ phổ kế huỳnh quang tia X
Trong chương này trình bày tổng quan về cấu tạo, nguyên lý hoạt động
của một hệ phổ kế huỳnh quang tia X. Các loại PKHQT X tách theo năng
lượng sử dụng các cơng nghệ, mục mục đích sử dụng khác nhau cũng như ưu
điểm và hạn chế của chúng cũng được trình bày trong chương này.
Chƣơng III. Ứng dụng của phổ kế huỳng quang tia X để phân tích
thành phần vật chất.
Trong chương này trình bày về cách xác định nguyên tố học và hàm
lượng của chúng trong mẫu phân tích dựa vào phổ thu được trên màn hình
máy vi tính và nêu một số ví dụ đã được phân tích bằng PKHQTX ở Viện
Khoa học vật liệu.

6


CHƢƠNG I

CÁC TIA X ĐẶC TRƢNG CỦA NGUYÊN TỬ VẬT CHẤT
1.1. Bản chất của tia X và các tia X đặc trƣng của nguyên tố hoá học
Vào năm 1895 nhà vật lý người Đức là K.W.Roentgen (1845-1923) đã

tìm ra một bức xạ khơng nhìn thấy với tên ban đầu là tia X. Năm 1901 ông là
người đầu tiên được nhận giải thưởng Nobel về vật lý do phát minh này và
tấm phim điện quang đầu ơng chụp làm thí nghiệm là bàn tay vợ ông.
Năm 1912 V. Laue đã dùng tia X để nghiên cứu đơn tinh thể, đến năm
1913 Bragg nghiên cứu hiện tượng tán xạ của tia X với các vật liệu kết tinh và
đã đưa ra phương trình:
2dsin = n

(1.1)

V.Laue và Bragg là những người đặt cơ sở cho phương pháp nhiễu xạ tia
X và năm 1913 Moseley đã đưa ra biểu thức biểu diễn quan hệ phụ thuộc giữa
nguyên tố Z ( số thứ tự trong bảng tuần hồn các ngun tố hố học) và bước
sóng  của vạch K trong phổ tia X đặc trưng cho nguyên tố đó [1].
k .Z 

1

 K

(1.2)

trong đó k là hằng số.
Dựa vào tia X đặc trưng phát ra từ các nguyên tố hoá học mà một trong
những phương pháp phân tích thành phần của mẫu vật chất tối ưu là dùng phổ
kế huỳnh quang tia X. Sau đây chúng ta xem xét một vài đặc trưng của tia X.
1.1.1. Bản chất của tia X
Tia X là bức xạ sóng điện từ ( như sóng vơ tuyến, sóng ánh sáng,
hồng ngoại, tử ngoại ) có bước sóng  = 0,1  30 A0 , có năng lượng E =
100 eV  1 keV và không mang điện.

7


Nguồn phát tia X : Từ đèn phát tia X hoặc các đồng vị phóng
xạ…
Nhưng trong kỹ thuật phân tích vật chất người ta thường dùng đèn phát
tia X làm nguồn kích thích mẫu vì nó có nhiều ưu điểm hơn [1].
Cấu tạo đèn phát tia X thông thường được mơ tả trên hình 1.

Hình 1. Cấu tạo đèn phát tia X

Nó là một ống chân khơng trong đó các điện tử được phát ra từ sợi
Vonfram nung nóng ( cực âm hoặc catot) được gia tốc bởi một trường điện
thế cao đập vào 1 tấm bia kim loại ( cực dương hoặc anot). Các điện tử bị
hãm đột ngột phát ra tia X, Phổ của nó bao gồm phổ tia X liên tục còn gọi là
phổ trắng hay bức xạ hãm và chồng lên nó là phổ đặc trưng của vật liệu làm
anốt. Trong phân tích huỳnh quang tia X khi dùng nguồn kích thích là đèn
phát tia X, ta phải quan tâm những tiêu chuẩn sau:
8


Năng lượng giới hạn E0 tức là điểm cuối cùng của phổ bức xạ hãm, năng
lượng này không phụ thuộc vào vật chất làm bia nhưng tuân theo biểu thức
Duane – Hunt
E 0  h 0 

hc

0

(1.3)

Biểu thức biểu thị năng lượng của bức xạ điện từ trong phổ phát xạ của
đèn phát tia X không thể lớn hơn động năng của các điện tử đập vào bia.
Cường độ tổng cộng của tồn phổ là:
Itot = k.i.Z.V2
(1.4)
trong đó k là hằng số, i là dòng của đèn, V là thế của đèn, Z là nguyên tử số
của vật liệu làm anốt.
Cường độ tia X đặc trưng phát ra từ anốt là hàm của tham số mà có thể
biểu diễn [2]:
Ik ~ [( E0 – Ek ) –1 ] 1,67

(1.5)

Đèn phát tia X dùng hệ phổ kế này là loại có cơng suất nhỏ, vật liệu làm
anốt là Ti, dịng sợi đốt lớn nhất là 2,2 A, công suất đèn là 50 W, làm mát
bằng khơng khí.
1.1.2. Các tia X đặc trưng của nguyên tố hoá học
a. Mẫu nguyên tử Bohr
Nhà bác học Bohr đã đưa ra mơ hình cấu tạo nguyên tử như sau:
Nguyên tử được cấu tạo từ hạt nhân mang điện tích dương nằm ở chính giữa,
xung quanh là các điện tử mang điện tích âm chuyển động theo một quỹ đạo
mà đơn giản hoá là quỹ đạo tròn. Tương ứng với mỗi một quỹ đạo chuyển
động của điện tử là một mức năng lượng, các quỹ đạo càng xa hạt nhân càng
có mức năng lượng cao hơn. Bình thường ngun tử trung hồ về điện nghĩa
9


là tổng điện tích âm của điện tử bằng điện tích dương của hạt nhân. Khối

lượng của nguyên tử tập trung ở khối lượng của hạt nhân.

10


Hình2. Sơ đồ cấu tạo nguyên tử và các chuyển mức có thể xảy ra

b. Các tia X đặc trưng của ngun tố hố học
Khi có một kích thích nào đó lên nguyên tử ( chẳng hạn chiếu chùm tia
X vào vật chất ) sao cho 1 điện tử nằm trên một lớp nào đó của nguyên tử bật
ra khỏi vị trí của nó ( có thể nhảy lên một mức năng lượng cao hơn hoặc đẩy
hẳn ra khỏi nguyên tử ) thì một trong số các điện tử nằm ở các mức năng
lượng cao hơn sẽ nhảy vào chiếm lĩnh vị trí đã bỏ trống. Vì các điện tử ở mức
năng lượng cao ln có xu hướng trở về trạng thái cân bằng ổn định tức là
được liên kết chặt với hạt nhân hơn
Quá trình điện tử nhảy từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng
thấp sẽ làm cho năng lượng chung của cả nguyên tử giảm đi một lượng là E
và lượng năng lượng thừa này được phát ra dưới dạng photon được biểu diễn
bằng công thức sau:

E = Ei – Ej

(1.6)

Ei, Ej là năng lượng của điện tử trước và sau khi chuyển mức, E là độ
chênh lệch năng lượng giữa hai mức i, j là năng lượng của photon phát ra.
Vì Ei, Ej đặc trưng cho từng loại nguyên tố hoá học nên các photon có
năng lượng E phát ra cũng đặc trưng cho từng nguyên tố hoá học. Mặt khác
năng lượng E thường nằm trong vùng năng lượng của tia X, nên những
photon này được gọi là những tia X đặc trưng cho từng ngun tố hố học, có

khi người ta cịn gọi tắt là tia X.

11


Để giải thích bức tranh các tia X đặc trưng phát ra chỉ dựa theo mẫu nguyên
tử Bohr là chưa đủ, mà cần dùng đến lý thuyết lượng tử về cấu tạo nguyên tử.
Theo lý thuyết này, không phải bất kỳ điện tử nào có mức năng lượng cao hơn
đều có thể nhảy vào lấp đầy chỗ trống ở mức năng lượng thấp hơn, mà việc
chuyển mức đó phải tuân theo một số quy tắc, cụ thể là các số lượng tử của
các mức năng lượng trước và sau khi chuyển mức của điện tử tuân theo “quy
tắc chọn lọc” sau [3].
n  1
l =  1
j

(1.7)

=  1 hoặc 0

trong đó n là số lượng tử chính n = 0, 1, 2…, l là số lượng tử quỹ đạo l = 1, 2,
3…(n-1), j = l  1/2.
Trong phân tích người ta thường dùng ký hiệu tia X này tuân theo tên
của lớp mà điện tử chuyển mức đến (K, L, M…) với chỉ số ( , , …) mơ tả
vị trí của điện tử trước khi chuyển mức. Thí dụ MnK  biểu diễn tia X đặc
trưng phát ra của nguyên tố Mangan khi có chuyển mức của điện tử đến lớp
K(n =1) từ lớp L ( n = 2). Ngồi ra các chỉ số cịn được chi tiết hoá hơn nữa
bằng cách dùng ký hiệu 1, 2, …, 1, 2,…, 1, 2,… để chỉ rõ các mức năng
lượng trước và sau khi dịch chuyển.
Ứng với mỗi lỗ trống trên một lớp điện tử trong nguyên tử thì có thể có

nhiều tia X đặc trưng được phát ra vì:
Nhiều điện tử ở mức năng lượng cao hơn đều có xác suất nhảy vào lấp
chỗ khuyết (lỗ trống).
Khi một điện tử nhảy vào lấp chỗ khuyết thì lại làm sinh ra một chỗ
khuyết mới.

12


Ghi nhận một số lượng lớn các chuyển mức điện tử xảy ra khi có một lỗ
trống trên một lớp điện tử nào đó ta sẽ được một phổ mang tính chất của tia X
đặc trưng.
Để thu được những tia X đặc trưng của những ngun tố hố học thì ta
phải kích thích cho chúng. Có hai cách kích thích chủ yếu là:
Kích thích bằng các hạt mang điện như hạt , proton, electron…
Kích thích bằng các hạt khơng mang điện như tia X,  mềm…
Dùng cách kích thích thứ nhất rất khó khăn trong việc thu tia X đặc trưng
do có tương tác tĩnh điện, vì vậy thơng thường người ta dùng cách thứ hai để
kích mẫu sử dụng trong phổ kế huỳnh quang tia X.
c. Huỳnh quang sơ cấp, huỳnh quang thứ cấp, thứ 3
Huỳnh quang sơ cấp: là kết quả tương tác trực tiếp của chùm tia tới lên
nguyên tố được khảo sát, huỳnh quang sơ cấp là thành phần đóng góp quan
trọng nhất của sự phát xạ từ mẫu, nó chịu trách nhiệm duy nhất về sự phát
huỳnh quang của các nguyên tố tinh khiết hoặc các thành phần huỳnh quang
này liên quan đến các thành phần có năng lượng kích thích thấp hơn.
Huỳnh quang thứ cấp: xuất hiện khi tia X tương tác với vật chất ít nhất
gồm hai thành phần, ví dụ hợp kim Fe –N i cũng bị kích thích bởi chùm năng
lượng như trên, cả hai nguyên tố đều bị kích thích bởi bức xạ sơ cấp và do đó
các nguyên tử Fe cũng bị kích thích bởi bức xạ đặc trưng của Ni. Vì bức xạ
đặc trưng NiK cũng đủ năng lượng kích thích nguyên tử Fe.

Huỳnh quang thứ 3: đuợc giải thích tương tự như trên đối với thí dụ hợp
kim thép không rỉ ba thành phần Fe-Cr-Ni. Huỳnh quang thứ cấp Fe gây nên
huỳnh quang thứ 3 của Cr. Trên thực tế huỳnh quang của Cr bị kích thích bởi
bốn thành phần là bức xạ tới, thứ cấp của Fe, thứ cấp của Ni ,thứ 3 của
Ni/Fe[4].
13


1.2. Tƣơng tác của tia X với vật chất
1.2.1. Sự suy giảm của tia X khi đi qua vật chất
Để đơn giản ta xét một chùm tia X song song có cường độ I0 (số photon
có trong một đơn vị thời gian) đi qua một khối vật chất đồng nhất. Sau khi đi
qua chiều dày x của vật chất, cường độ của chùm tia X còn lại là I x. Hiện
tượng này là do hấp thụ và tán xạ tia X cuả vật chất, quá trình suy giảm này
tuân theo định luật Lambert:
dI
   lin dx
I

(1.8)

Lấy tích phân trên toàn chiều dày x ta được
Ix = I0exp(-linx)
  lin 

1 I0
ln
x Ix

(1.9)

trong đó lin là hệ số hấp thụ (hoặc hệ số suy giảm ) tuyến tính của vật chất
tức là sự hấp thụ trên đơn vị chiều dày trên đơn vị tiết diện, x là chiều dày có
đơn vị cm,  là mật độ vật chất có đơn vị g/cm3, Ix là cường độ chùm tia X
trên chiều dày x.
Nếu  là mật độ vật chất thì khối lượng của vật chất trên một đơn vị
diện tích mà chùm tia X đi qua là :

m = x.

14


Đặt



 lin


(cm2/g)

 : là hệ số suy giảm khối vì nó được quy cho khối lượng của vật chất
trên một đơn vị tiết diện, hệ số này được dùng rất thơng dụng trong phân tích.
1.2.2. Cơ chế tương tác của tia X với vật chất
Khi tia X được chiếu vào vật chất, chúng sẽ tương tác theo ba cơ chể
chủ yếu sau đây:
a. Hấp thụ quang điện
Hấp thụ quang điện là hiệu ứng trong đó photon đi vào trong vật chất, bị
vật chất hấp thụ hoàn toàn, năng lượng của photon được dùng toàn bộ vào

việc bứt một điện tử ra khỏi nguyên tử. Năng lượng của photon đi vào vật
chất được chia làm hai phần:
Một phần để phá vỡ liên kết của điện tử với nguyên tử, một phần biến
thành động năng của điện tử, điện tử được phát ra được gọi là điện tử quang.
E = Ei + Ee
(1.10)
Ei là năng lượng liên kết của điện tử thuộc lớp thứ i với hạt nhân (cịn gọi
là ion hố lớp thứ i của nguyên tử), Ee là động năng của điện tử quang tự do.
Như vậy yêu cầu phải đáp ứng để xảy ra hiệu ứng quang điện là photon
phải có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng liên kết của điện tử thì điện
tử mới bị bứt ra khỏi nguyên tử.

15


Nếu E < Ek thì hiệu ứng hấp thụ quang điện chỉ xảy ra với lớp L, M,… mà
không xảy ra đươc với lớp K. Tương tự E < EL thì hiệu ứng hấp thụ chỉ xảy ra
với lớp M, N…và cứ tiếp tục như vậy.
Nếu các loại tia X khác nhau tương tác với một loại nguyên tử, thì tia X

Hình 4b. Quá trình phát tia X đặc

Hình 4a. Hiệu ứng quang điện

nào có năng lượng càng gần năng lượng liên kết của điện tử với hạt nhân thì
xác suất xảy ra hiệu ứng càng lớn.
Nếu một loại tia X tương tác với nhiều loại nguyên tử thì hiệu ứng quang
điện có xác suất xảy ra lớn hơn đối với các ngun tử có số Z lớn hơn, vì khi
đó sự liên kết của các nguyên tử mạnh hơn.
b. Tán xạ đàn hồi (còn gọi là tán xạ Reileigh)

Cơ chế này xảy ra khi điện tử liên kết quá chặt với hạt nhân thì photon đi
vào vật chất khơng thể bứt điện tử ra khỏi nguyên tử hoặc là chuyển lên trạng
thái kích thích được. Khi đó có thể coi là photon va chạm với toàn bộ nguyên
tử, sau khi va chạm photon bị bật ra khỏi vật chất mà nó tương tác và chuyển
động theo một hướng khác hợp với phương ban đầu một góc , nhưng vẫn giữ
nguyên năng lượng của mình.

16


Hình 4c. Các hiệu ứng tán xạ đàn hồi và không đàn hồi các tia X

Xác suất xảy ra cơ chế này càng lớn khi năng lượng của photon đi vào vật
chất là nhỏ, và số Z của vật chất tương tác với photon là lớn ( vì cả hai trường
hợp trên ta có thể xem như các điện tử liên kết chặt hơn với nguyên tử)
c. Tán xạ không đàn hồi (còn gọi là tán xạ Compton)
Cơ chế này xảy ra khi điện tử liên kết rất yếu với nguyên tử (hạt nhân).
Các điện tử này là các điện tử hố trị, có khi coi như là các điện tử tự do. Do
đó khi photon chiếu vào vật chất sẽ va chạm với các điện tử hoá trị này,
truyền cho nó một phần năng lượng của mình và sau khi va chạm photon sẽ
đổi hướng chuyển động. Tán xạ khơng đàn hồi là cơ chế tương tác chính mà
kỹ thuật phân tích quan tâm vì nó liên quan chặt chẽ với các điều kiện kích
thích…
17


Khi photon va chạm với điện tử ta có thể xem như hai hạt tương tác với
nhau. Áp dụng định luật bảo toàn xung lượng và năng lượng ta được:
E' 





(1  cos  )
1 
2
 mec


(1.11)

Trong đó E là năng lượng photon đến, E’ là năng lượng của photon tán xạ, me
là khối lượng của điện tử, c là vận tốc ánh sáng,  là góc tán xạ của photon.
Tuy nhiên ta lại biết rằng photon có thể tán xạ theo các góc  khác nhau.
Do đó kết quả của tán xạ Compton là nếu có một chùm photon có năng lượng
E thì tuỳ thuộc vào thời điểm mà các photon này đi vào vật chất mà chúng có
thể truyền cho các cho các điện tử những phần năng lượng khác nhau, tức là
phần năng lượng của các photon bị vật chất hấp thụ là khác nhau. Phần năng
lượng còn lại của photon bị tán xạ nằm trong khoảng:
E '  E khi  = 0
' 



2 
1 
2 
 me c 

khi  = 1800

Xác suất xảy ra hiệu ứng này càng lớn khi Z càng lớn vì khi đó các
điện tử lớp ngồi liên kết càng ú với hạt nhân hơn nên có thể xem như càng
tự do hơn [5].
1.2.3. Tương tác của chùm tia mang điện với nguyên tử
Các hạt mang điện khi chiếu vào vật chất thường bị hấp thụ ngay gần bề
mặt của vật chất, cịn các hạt khơng mang điện có khả năng xuyên sâu hơn
nhiều vào vật chất. Thí dụ trong 100 tia X với năng lượng 30 keV rơi vào một
lớp Si dày 5 mm thì có khoảng 20 tia X xun qua nó mà hồn tồn khơng bị
hấp thụ.

18


Các hạt mang điện thường tương tác ngay với các điện tử hố trị của vật
chất (vì chịu tương tác Culomb) và truyền một phần năng lượng của mình
cho điện tử hố trị, để nó bứt ra khỏi sự ràng buộc của hạt nhân. Quá trình này
cũng giống như cơ chế tán xạ không đàn hồi của tia X, tuy nhiên năng lượng
của tia X ở đây là nhỏ, không thể vào bật điện tử ở lớp trong hơn ra khỏi
nguyên tử hoặc chuyển lên trạng thái kích thích được, cịn năng lượng của tia
mang điện dẫu có lớn cũng khơng thể vào lớp trong cùng được (vì tương tác
Culomb).

CHƢƠNG II

HỆ PHỔ KẾ HUỲNH QUANG TIA X

2.1. Giới thiệu hệ phổ kế huỳnh quang tia X
2.1.1. Sơ lược sự phát triển của phương pháp phân tích thành phần hố

học
bằng cách ghi phổ tia X đặc trưng
Sau phát hiện của Moseley về tia X đặc trưng của nguyên tố hoá học năm
1913, người ta đã bắt đầu ứng dụng tia X này để nhận biết ngun tố hố học
và tính tốn nồng độ của chúng có trong các mẫu vật khác nhau, từ đó đã ra
đời phương pháp phân tích thành phần hoá học bằng cách ghi phổ tia X đặc
trưng còn gọi là phương pháp huỳnh quang tia X. Hệ phổ kế huỳnh quang tia
19


X là thiết bị dùng để phân tích thành phần hố học và hàm lượng của chúng
có trong mẫu dựa vào những tia X đặc trưng của mẫu cần phân tích. Trên thế
giới nó đã được nghiên cứu chế tạo lần đầu tiên vào những năm 1960. Ở Việt
Nam hệ phổ kế huỳnh quang tia X đã được nghiên cứu, chế tạo tại Viện Vật
lý, Viện Khoa học và Công nghệ Việt nam từ những năm 1980. Ngày nay
được phát triển và chế tạo thành công ở Viện Khoa học Vật liệu-Trung tâm
khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia. Chúng đã có nhiều ứng dụng thực
tiễn trong cuộc sống.
Nguyên lý hoạt động của hệ PKHQTX như sau [xem, thí dụ 4]:
Khi mẫu phân tích được kích thích một cách thích hợp, các ngun tố
hố học có trong mẫu sẽ phát ra các tia X đặc trưng của mình. Đetectơ sẽ thu
những tia X đặc trưng này và biến chúng thành những tín hiệu điện có biên độ
tỷ lệ tuyến tính với năng lượng của tia X rơi vào đetectơ. Sau đó các tín hiệu
này được xử lý tuyến tính (khuyếch đại, tạo dạng…) rồi được biến đổi tín
hiệu tuyến tính thành tín hiệu số để đưa vào máy tính xử lý. Máy tính đếm các
tín hiệu số và đồng thời phân loại chúng theo độ lớn. Kết quả cho ta phổ các
tia X đặc trưng của mẫu phân tích. Phân tích phổ các tia X đặc trưng thu được
sẽ cho các thông tin về thành phần của mẫu vật chất.
2.1.2. Cấu trúc của một phổ kế huỳnh quang tia X

Nguồn

Màn hình
máy in

Mẫu phân tích
Tiền
khuyếch
đại

Đầu thu tia X

Bộ phận làm lạnh
Nguồn
cao áp

Nguồn
15V

20

KĐ
phổ

Phục hồi
đường
chuẩn

Bộ
phân

tích
nhiều
kênh

Máy
tính


Hình 5. Sơ đồ khối của một hệ phổ kế huỳnh quang tia X

Sơ đồ khối của hệ PKHQTX được mơ tả như hình vẽ, ta có thể coi cấu
tạo của một hệ PKHQTX gồm 4 phần chính sau đây:
- Phần kích mẫu phân tích phát ra tia X đặc trưng (gồm tia X và mẫu phân
tích).
- Phần đầu thu tia X có chứa đetectơ bán dẫn (đetectơ Si(Li), HPGe, hoặc
photodiot Si (PIN) ) và chíp JFETcủa tiền khuyếch đại được lắp đặt trong
buồng lạnh (cryostat).
- Phần điện tử tuyến tính làm nhiệm vụ cung cấp điện áp ni đetectơ và
xử lý tuyến tính các tín hiệu điện mà đetectơ đã biến đổi từ các tia X đặc
trưng mà nó ghi nhận được.
- Phần điện tử số làm biến đổi tín hiệu tuyến tính thành tín hiệu số (ADC
thực hiện ). Và xử lý tín hiệu số (phần này do máy tính đảm nhận ). Tồn bộ
phần điện tử số có tên gọi là bộ phân tích biên độ nhiều kênh. Cuối cùng kết
quả được xử lý bởi một phần mềm chuyên dụng và biểu hiện trên máy tính.
Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu cụ thể hơn một số bộ phận quan trọng của
hệ PKHQTX sử dụng đetectơ Si (Li) hoặc HPGe.
Buồng cryostat
Cấu tạo của buồng cryostat được mô tả trên hình 6, buồng cryostat gồm
có các bộ phận chính sau: 1) cửa sổ Beri (Be), 2) đetectơ bán dẫn, 3) chíp
JFET của tiền khuếch đại, 4) thanh đồng dẫn lạnh, 5) ống thép khơng rỉ (được

nhúng trong bình đựng Nitơ lỏng). Buồng cryostat được hút chân không cao
(5.10-5mbar) để tia X không bị mất năng lượng trong quá trình thu thập.
Trong buồng cryostat, cửa sổ Beri có tác dụng là cho tia X đặc trưng sau
khi phát ra từ mẫu được truyền qua nó để đi đến đetectơ sao cho năng lượng
21


của nó mất mát khơng đáng kể. Hơn nữa các nguyên tố nhẹ có năng lượng
bức xạ huỳnh quang rất thấp (ví dụ K của Al là 1,487 keV, K của Si là
1,746 keV), với năng lượng này cường độ của tia X hầu như vẫn không bị suy
giảm mạnh khi đi qua của sổ Be. Mặt khác cửa sổ Be đảm bảo được kín chân
khơng và chịu được áp lực khá lớn. Thường thì cửa sổ này được sơn đen để
ánh sáng không lọt qua được. Chiều dày của cửa sổ người ta đã sử dụng cỡ 15
25m.
Phần lắp ráp đetectơ và JFET trong tiền khuếch đại
Phần này gồm hai thiết bị quan trọng là đetectơ và JFET làm hai nhiệm
vụ khác nhau:
Đêtectơ đảm nhận công việc biến đổi tia X đặc trưng sau khi qua cửa sổ
Be thành tín hiệu điện, có biên độ tỷ lệ tuyến tính với năng lượng của tia X.
Do tín hiệu điện sinh ra trong đetectơ là rất nhỏ nên rất dễ bị lẫn với
nhiễu. Vì vậy để khảo sát chúng ta cần khuếch đại nó lên. Tranzistor hiệu ứng
trường (JFET) có lớp chuyển tiếp p - n được dùng để làm tầng khuyếch đại
đầu tiên để khuyếch đại các tín hiệu điện vừa được tạo thành. Sở dĩ sử dụng
JFET làm tầng đầu của tiền khuyếch đại vì nhiễu gây ra trong nó được xem là
nhỏ nhất khi được làm lạnh đến một nhiệt độ thích hợp.

22


Hình 6. Cấu trúc buồng cryostat.

Bình đựng Nitơ lỏng
Với mục đích giảm các tín hiệu khơng cần thiết trong thiết bị (gọi là
nhiễu) mà chủ yếu sinh ra ở đetectơ và JFET, người ta phải làm lạnh chúng
bằng các phương pháp khác nhau. Thông thường người ta sử dụng Nitơ lỏng
để đạt được nhiệt độ thấp. (Nhiệt độ của đetectơ khơng chỉ phụ thuộc vào
nguồn làm lạnh mà cịn phụ thuộc vào hệ thống dẫn lạnh và đế cách điện giữ
23


nó với giá đỡ). Trong hệ phổ kế dùng Nitơ lỏng người ta thường dùng thanh
đồng dẫn lạnh gắn liền với giá đỡ đetectơ và nhúng vào bình Nitơ lỏng. Bình
Nitơ lỏng cũng là một bộ phận quan trọng vì nó phải đảm bảo cách nhiệt tốt
trong thời gian lâu dài.
Với mục đích cách nhiệt tốt, tất cả hệ thống gồm đetectơ, JFET và thanh
đồng được đặt trong một ống thép khơng rỉ và được hút chân khơng cao.
Máy tính
Sau khi tín hiệu tia X được biến đổi thành tín hiệu điện dạng tuyến tính
qua đetectơ thì khi đưa vào máy tính nó được biến đổi sang tín hiệu số nhờ
phần điện tử số mà phần này do một cụm chức năng điện tử đảm nhận có tên
gọi là ADC. Toàn bộ phần điện tử số này là bộ phân tích biên độ nhiều kênh.
Cụ thể ADC làm việc như sau: Nó chia tồn bộ thang biên độ tính hiệu
tuyến tính mà ADC có thể biến đổi được (ví dụ từ 0 10 V) thành một khoảng
nhất định đều nhau gọi là kênh (thường từ 2 9 = 1024 kênh đến 212 = 8392
kênh).
Các tín hiệu tuyến tính nằm trong khoảng một kênh sẽ được ADC biến đổi
thành cùng một tín hiệu số. Vì số kênh là khá lớn nên có thể coi gần đúng là
mỗi kênh của ADC tương ứng với một mức năng lượng tia X. Sau khi ADC
biến đổi tín hiệu tuyến tính sang tín hiệu số chúng được chuyển sang bộ nhớ
của máy vi tính. Mỗi ô nhớ của máy vi tính được dùng để chứa thông tin về số

đếm của một kênh của ADC. Tức là chứa thơng tin về số lượng tia X có năng
lượng tương ứng với kênh đã rơi vào đetectơ. Vậy trong q trình ghi phổ số
đếm của các ơ nhớ tăng dần, mỗi lần đetectơ thu được một tia X thì nội dung
của một ơ nhớ tăng thêm một. Màn hình của máy vi tính biểu diễn bức tranh
số đếm của tất cả hoặc một phần ô nhớ của máy vi tính ứng với trục tung là số
đếm các ơ nhớ khác nhau và trục hồnh là các ơ nhớ khác nhau tại cùng một
thời điểm nào đó trong quá trình ghi phổ. Tức là biểu diễn một bức tranh số
24


lượng các tia X có năng lượng khác nhau đã được ghi nhận trong một khoảng
thời gian nào đó gọi là phổ.
Tuy nhiên mỗi vạch phổ mà thực nghiệm cho thấy (thể hiện trên màn
của máy tính) khơng phải một vạch rõ nét như trong lý thuyết đã chỉ ra, mà
thực tế nó tuân theo phân bố của hàm Gauss do đó mỗi vạch sẽ bị nhoè ra với
một độ nhoè xác định, người ta dựa vào độ nhoè của các vạch đó để đánh giá
chất lượng của hệ PKHQTX.
2.2. Đầu thu tia X
Như đã mô tả ở trên, trong hệ PKHQTX, đầu thu tia X là bộ phận quan
trọng nhất. Bởi vì chất lượng của đầu thu sẽ quyết định gần như toàn bộ chất
lượng của hệ phổ kế. Trên hình 6 phần trên của buồng cryostat chính là phần
đầu của đầu thu tia X làm lạnh bằng
nitơ lỏng.
Đối với hệ phổ kế huỳnh quang
tia X làm lạnh bằng pin Peiter, đầu
thu tia X thường gắn liền với pin để
nhận nhiệt độ thấp. Vì vậy đối với
loại phổ kế này, về cấu tạo là rất gọn
nhẹ, có thể di chuyển một cách dễ
dàng. Cấu tạo của một đầu thu tia X

điển hình sử dụng pin peiter để làm

Hình 7: Đầu thu tia X dùng pin peiter

lạnh được mô tả trên hình 7.

Nguyên tắc làm lạnh bằng pin Peiter dựa vào hiện tượng nhiệt điện như
sau [6]:
Cho hai thanh kim loại A, B khác nhau tiếp xúc với nhau bằng cách hàn
chúng lại do sự khác nhau về mật độ điện tử trong hai kim loại nên trong
chúng xuất hiện một hiệu điện thế tiếp xúc:
25


U AB 

n
AB AA

 KT ln 0 A
e
e
n0 B

(2.1)

trong đó AA, AB là cơng thốt của e trong A và B, n0A, n0B là mật độ e tự do
trong kim loại A và B, K là hằng số Bonzoman, T là nhiệt độ tại chỗ tiếp xúc.
Nếu cả hai thanh kim loại được hàn lại thành một mạch kín thì xuất hiện
một suất điện động:

E  K ln

n0 A
(T2  T1 )
n0 B

(2.2)

Nếu T2  T1 thì xuất hiện một suất điện động nhiệt điện E. Gọi R là điện
trở của cặp nhiệt điện thì tồn tại một dịng điện:
I

E
 C (T2  T1 )
R

(2.3)

e

K n0 A
ln
(T2  T1 )
R n0 B

(2.4)

Dựa vào hiện tượng này người ta đã chế tạo bộ phận làm mát bằng cặp
nhiệt điện bởi cách làm ngược lại.
Cho dịng điện chạy qua mạch kín (hai kim loại tiếp xúc nhau), trong

mạch sẽ có hiện tượng chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối hàn. Giả sử nhiệt độ
một đầu cố định và điều khiển dòng điện sao cho nhiệt độ ở đầu kia đạt được
giá trị mong muốn. Tuy nhiên bằng phương pháp này chỉ tạo dược nhiệt độ 
-300C.

1.2.1. Vật liệu làm đetectơ
Vì đetectơ là một thiết bị dùng để biến đổi tín hiệu tia X thành tín hiệu
điện, do đó nó cần phải đáp ứng các yêu cầu về vật liệu chế tạo rất nghiêm
ngặt. Thông thường các loại đetectơ sử dụng trong các hệ phổ kế nói chung là
26


đetectơ nhấp nháy, đetectơ bán dẫn, đetectơ khí…Với hệ phổ kế huỳnh quang
tia X ta cần là một đetectơ làm nhiệm vụ ghi nhận bức xạ hạt nhân có năng
lượng tương đối thấp (từ 1 đến 30 keV) để biến đổi tuyến tính thành tín hiệu
điện. Do đó trong hệ PKHQTX, người ta thường dùng các đetectơ bán dẫn
được chế tạo từ các vật liệu Si(Li) hoặc HPGe. Sở dĩ các vật liệu này đáp ứng
được yêu cầu của đetectơ ghi phổ tia X là vì:
Tạo tín hiệu điện lớn nhất so với các đetectơ khác. Người ta tìm ra công
thức biểu diễn mối tương quan giữa năng lượng tia X khi chiếu vào đetectơ và
dòng điện được tạo ra là:
Q

E
q  Nq


(2.5)

Trong đó: q là điện tích của electron, N là số cặp điện tử - lỗ trống được tạo

ra,  là năng lượng trung bình cần thiết để làm sinh ra một cặp điện tử - lỗ
trống.
Giá trị  của một số loại đetectơ như sau:
Đêtectơ nhấp nháy có  = 300 eV
Đêtectơ khí có  = 30 eV
Đêtectơ bán dẫn có  = 3,6 eV
Từ cơng thức (2.5) ta thấy Q tạo ra là rất nhỏ, N nhiều lắm cũng khoảng
vài nghìn cặp. Ta lấy E = 6 Kev = 6.10 3eV, suy ra N 

E 6.10 3

 2.10 3 cặp

3,6

hay Q ~ 10-15C.
Còn nếu lấy đetectơ khí hoặc nhấp nháy thì tín hiệu điện tạo ra lại còn nhỏ
hơn hai bậc nữa.
Yêu cầu đảm bảo năng lượng trung bình  sinh ra cặp điện tử - lỗ trống
(e-h) là nhỏ nhất.
27


Năng lượng tinh thể chất rắn trong vật lý chất rắn được đặc trưng bởi hai
vùng: Vùng hoá trị và vùng dẫn, xen kẽ giữa hai vùng này là vùng cấm độ
rộng Eg. Đối với chất bán dẫn độ rộng vùng cấm phải cỡ 0,25  3 eV, với Si:
Eg = 1,12eV
Để electron ở vùng hoá trị nhảy lên vùng dẫn tạo thành electron dẫn
hay tạo thành một cặp (e-h). Thì cần phải cung cấp cho điện tử một năng
lượng  Eg. Năng lượng cung cấp đó gọi là năng lượng cần thiết tạo ra cặp

(e-h) k‎ý ‎hiệu là , nhưng trên thực tế   3Eg, vì 2/3 năng lượng này dùng
để làm dao động mạng tinh thể. Do đó với Si thì   3.1,12 = 3,36 eV.
Để đảm bảo yêu cầu này thì Si cần phải đặt trong một môi trường lạnh
với nhiệt độ thấp cỡ < 1000K để giảm các nhiễu do nhiệt sinh ra.
Yêu cầu về hiệu suất hấp thụ của tia X
Để tia X hấp thụ hồn tồn trong đetectơ thì cơ chế tương tác ở đây chủ
yếu là cơ chế hấp thụ quang điện. Theo lý thuyết của vật lý hạt nhân, xác suất
xảy ra hiệu ứng này càng lớn khi vật liệu bán dẫn làm đetectơ phải có số Z
lớn.
Yêu cầu về thời gian sống và độ linh động của hạt tải
Để biến đổi tuyến tính tín hiệu năng lượng của tia X thành tín hiệu năng
lượng điện một cách tỷ lệ, địi hỏi trong q trình tồn tại của mình điện tử và
lỗ trống không chịu tác động ngoại lai, thời gian sống của điện tử và lỗ trống
trong quá trình di chuyển về điện cực không bị sinh thêm hay mất đi tức là
khơng bị thay đổi. Do đó mạng tinh thể của vật liệu không bị sai hỏng và phải
sạch, chứa rất ít tâm bắt (tâm tái hợp).
Hiện nay những chất bán dẫn sạch hồn hảo thì khơng thể có, mà nó chỉ
đáp ứng một cách tương đối là Ge và Si ( có số Z đủ lớn, độ rộng vùng cấm
vừa phải, chế tạo được tinh thể gần như hoàn toàn sạch, sai hỏng mạng tinh
28


thể rất ít). Với Si người ta đã nghiên cứu rất nhiều để chế tạo vật liệu như
mong muốn bằng những công nghệ hiện đại như kỹ thuật cuốn Li vào để bù
trừ tạp chất Bo.
Như vậy Si đảm bảo được các yêu cầu cần thiết khi làm đetectơ cho độ
phân giải năng lượng cao.
2.2.2. Nguyên lý hoạt động của đetectơ bán dẫn ghi phổ tia X
Khi chùm tia X đặc trưng rơi vào đetectơ, chúng sẽ bị biến thành các tín
hiệu điện theo các bước sau:

Bƣớc 1: Tia X tương tác với môi trường chất thu của đetectơ tạo ra các
điện tử tự do có năng lượng lớn. Với các tia X có năng lượng nhỏ hơn 30
KeV thì cơ chế tương tác chủ yếu của nó với đetectơ bán dẫn (Si) là cơ chế
hấp thụ quang điện, và ở đây tia X được đetectơ Si hấp thụ toàn phần, do đó ở
đây ta chỉ xét cơ chế này.
Khi một tia X có năng lượng E được hấp thụ trong đetectơ thơng qua cơ
chế hấp thụ quang điện, thì đầu tiên nó chuyển tồn bộ năng lượng của mình
cho một lớp i, đẩy điện tử đó ra ngồi ngun tử, trở thành điện tử tự do với
động năng là Eph do đó:
E = Ei + Eph

(2.6)

Lúc đó xuất hiện một chỗ khuyết ở lớp i làm cho một điện tử ở một trong
các chỗ khác có mức năng lượng cao hơn có thể nhảy về chiếm chỗ (tuy nhiên
phải tuân theo quy tắc lọc lựa của cơ học lượng tử). Quá trình di chuyển ấy
làm sinh ra một tia X đặc trưng của môi trường chất thu, cụ thể là tia X đặc
trưng cho nguyên tố Si. Khi một điện tử ở lớp trên nhảy về lấp chỗ trống thì
lại làm sinh ra một chỗ khuyết mới và một điện tử nằm ở các lớp trên có mức
năng lượng cao hơn nữa lại có thể nhảy vào và phát ra một tia X đặc trưng
khác. Quá trình này cứ thế lặp đi lặp lại cho đến khi lỗ khuyết di chuyển ra
29