Trong số các phản ứng hạt nhân gây bởi proton, người ta đặc biệt quan
tâm đến các phản ứng hạt nhân cộng hưởng mạnh (hay còn gọi là cộng hưởng
hẹp). Các phản ứng này được nghiên cứu rất nhiều và kỹ bởi rất nhiều các
nhóm tác giả khác nhau trên thế giới. Để nghiên cứu được các phản ứng cộng
hưởng mạnh gây bởi proton, thì không thể không có máy gia tốc tĩnh điện, vì
chỉ có máy gia tốc tĩnh điện mới cho ra chùm hạt proton liên tục, định hướng
cao, đơn năng, và năng lượng của chùm proton lại có thể thay đổi liên tục để
scan tìm các đỉnh phản ứng cộng hưởng. Một số phản ứng hạt nhân cộng hưởng
gây bởi proton với các nguyên tố nhẹ được cho bởi Bảng 3.3
27 trang |
Chia sẻ: lavie11 | Lượt xem: 545 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Tóm tắt Luận án Nghiên cứu ứng dụng một số phản ứng hạt nhân gây bởi chùm hạt tích điện trên máy gia tốc tĩnh điện trong phân tích, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
giảm nhiều khi chưa cao hơn hàng rào Coulomb).
Khi Q là âm, phản ứng không xảy ra trừ khi các hạt tới đạt hoặc vượt quá mức
tối thiểu của năng lượng cần thiết, được gọi là động năng ngưỡng.
CHƯƠNG II. MÁY GIA TỐC TĨNH ĐIỆN 5SDH-2 PELLETRON VÀ
CÁC HỆ DETECTOR TRÊN MÁY GIA TỐC
2.1. Máy gia tốc tĩnh điện 5SDH-2 Pelletron
Máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron là loại máy gia tốc tĩnh điện kép (tandem), được
sản xuất tại hãng National Electrostatics Corporation - USA. Đây là máy gia tốc
tĩnh điện hiện đại, lần đầu tiên lắp đặt tại Việt Nam (Trường Đại học Khoa học
Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội) cuối năm 2010, hình ảnh tổng thể được
cho trong Hình 2.1. Máy có điện áp giá tốc cực đại là 1.7 MV, nên có thể gia
tốc ion đơn điện tích lên đến 3,4 MeV, ion điện tích kép lên đến 5.1 MeV và ion
bội ba lên đến 6,8 MeV [19].
Hình 2.1. Hình ảnh tổng thể của máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron
7
2.1.1. Nguồn ion
Máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron có hai nguồn tạo ion với cơ chế khác nhau.
a) Nguồn ion RF (RF-Charge Exchange Ion Source) [19]
Hình 2.2. Sơ đồ cấu tạo của nguồn ion RF
Nguồn ion trao đổi điện tích RF (radio frequency), gọi tắt là nguồn ion RF,
Hình 2.2, được dùng để tạo ra ion H và He cho các hệ phân tích. Khí He (hoặc
H) được phun vào bình thạch anh qua một van định lượng để duy trì áp suất cỡ
10÷15 μTorr. Máy tạo dao động cao tần RF (100MHz) sẽ tạo ra trạng thái
plasma ở trong ống thạch anh. Hiệu điện thế một chiều được áp dọc theo chiều
dài của plasma và gia tốc các ion dương để chúng đi qua lỗ nhỏ bằng vật liệu
thích hợp, sau đó đi qua buồng trao đổi điện tích chứa hơi Rb. Ở đây, các ion
He (hoặc H) trạng thái tích điện dương được trung hòa bởi Rb. Một số nguyên
tử He (hoặc H) sẽ trải qua hai lần trao đổi điện tích về trạng thái điện tích âm.
b) Nguồn SNICS (Source of Negative Ions by Cesium Sputtering)[19]
Nguồn ion âm phún xạ cathode bởi Cesium, gọi tắt là nguồn SNICS, cho
phép tạo ra các ion từ Hydrogen (H) đến Bismuth (Bi) để gia tốc, Hình 2.3. Hơi
Cs đi vào thể tích kín giữa cathode lạnh và bề mặt nóng của điện cực ion hóa.
Một số Cs ngưng tụ trên bề mặt cathode, một số ion hóa trên bề mặt nóng của
điện cực ion hóa tạo thành Cs+. Các ion Cs+ được gia tốc tới cathode với vận tốc
lớn và gây phún xạ cathode (ion hóa cathode). Các ion từ vật liệu của cathode
bị ion hóa, các ion này đi qua lớp Cs ngưng tụ trung hòa ngay trước bề mặt
cathode. Tùy theo vật liệu mà khi phún xạ sẽ tạo ra ion âm, ion dương hoặc
8
Hình 2.3. Sơ đồ cấu tạo của nguồn ion SNICS
trung hòa. Các hạt này sẽ bắt thêm các electron khi chúng đi qua lớp Cs ngưng
tụ trung hòa (do tính dễ cho electron của nguyên tố kiềm Cs) và tạo thành ion
âm. Các ion âm này sẽ được Extractor (điện cực tách hút ion) hút ra để đưa tới
các bộ phận hội tụ, gia tốc tiếp theo.
2.1.2. Buồng gia tốc chính
Hình 2.4. Hình ảnh bên trong của buồng gia tốc
9
Buồng gia tốc 5SDH-2 Pelletron là loại buồng gia tốc tĩnh điện 1.7 triệu
Volt, có khả năng gia tốc nhiều loại ion khác nhau trong một khoảng năng
lượng rộng và sự điều chỉnh năng lượng gia tốc gần như liên tục. Hình ảnh, cấu
tạo và nguyên tắc tạo cao thế được cho trong Hình 2.4 và Hình 2.5. Các ion gia
tốc phục vụ cho các hệ phân tích bằng tán xạ ngược Rutherford (RBS), PIXE,
NRA, cho cấy ghép ion và các thí nghiệm vật lý hạt nhân khác nhau.
Hình 2.5. Cấu tạo và hoạt động của bộ tạo cao thế bên trong
Buồng gia tốc chính bao gồm: Vỏ hình trụ tích điện cao thế, các điện cực,
puli (pulley), dây xích vận chuyển điện tích, các điện cực cảm ứng, hệ thống
truyền dẫn khí SF6, hệ chân không, ống gia tốc, hệ thống bóc tách electron
(stripping system), hệ thống nạp điện, vôn kế phát, các cột điện trở phân thế...
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 trung tâm máy, nơi có điện
thế cao nhất, do đó chúng được gia tốc. Đây là gia tốc lần thứ nhất. Khi đến
điểm trung tâm của buồng gia tốc, các ion âm đi qua một thiết bị gọi là “bộ bóc
tách electron” và trở thành ion dương. Bộ bóc tách này là một buồng chứa khí
Ni-tơ ở áp suất thấp (10-7 torr), khi đó các ion âm va chạm với các nguyên tử
khí Ni-tơ nên sẽ mất đi một hoặc nhiều electron để trở thành ion dương 1,
dương 2 hoặc dương 3. Do lớp khí Ni-tơ rất loãng, đồng thời động năng ban
đầu của các ion lại rất lớn so với năng lượng của công thoát electron, do đó sự
va đập này không bị làm mất nhiều năng lượng của các ion, và quĩ đạo của
chúng cũng gần như không thay đổi.
Cuối cùng các ion dương này đi vào tầng gia tốc thứ hai của buồng gia tốc,
lúc này cao thế dương ở phần trung tâm đóng vai trò lực đẩy và do đó các ion
này được gia tốc thêm một lần nữa. Năng lượng thu được trong giai đoạn này
phụ thuộc vào trạng thái điện tích của ion.
Vỏ tích điện cuối cao
thế
Hệ thống tạo điện áp cao
của máy gia tốc 5SDH-2
Dây xích tích điện: hạt kim loại,
khớp cách điện nylon
Dòng tích
điện
10
Trong buồng gia tốc có ống gia tốc tạo ra môi trường chân không cao ở
bên trong và cách ly với bên ngoài, để cho các ion được gia tốc ở bên trong.
Điện trường chạy dọc theo ống, từ nơi có điện thế cao nhất ở giữa đến nơi có
điện thế thấp nhất (nối đất) ở đầu ống. Ống gia tốc được ghép từ các phần khác
nhau, mỗi phần được làm từ các miếng thép không gỉ hình đĩa có lỗ thủng ở
giữa (nơi beam đi qua), xen kẽ nhau với các vành gốm cách điện, được liên kết
chặt với nhau bằng một công đoạn đặc biệt. Mỗi phần của ống gia tốc có thể
chịu được điện thế cao và có thể duy trì chân không trong ống ở mức dưới
5x10-8 Torr. Ngoài ra, còn có các chi tiết hình đĩa có lỗ ở giữa làm bằng thép
không rỉ được gắn trên ống gia tốc, cách nhau một khoảng là 12,7mm, còn được
gọi là “spark gaps”. Trên các “spark gaps” này là các điện trở 555MΩ được
dùng để tuyến tính hóa sự phân bố điện thế giữa thế đỉnh ở giữa và thế nối đất
và tạo ra điện trường chạy dọc theo ống để gia tốc các ion. Điện trở có giá trị
sao cho dòng đi qua nó (column current) là 45 µA khi thế đỉnh gần đạt mức tối
đa (1.7 MV). Đĩa cuối được dùng để đo dòng này. Các “gap” tạo ra đường sức
điện trường có cấu trúc vừa để gia tốc ion, vừa để hội tụ các ion vào tâm, tránh
cho các ion không đập vào thành ống gây thất thoát ion.
2.1.5. Các kênh ra của beam
a) Kênh cấy ghép ion (II-Ion Implanation)
Kênh này chủ yếu dùng cho nghiên cứu khoa học vật liệu, vật lý chất rắn,
nghiên cứu chất bán dẫn và các nghiên cứu liên quan đến cấy ghép ion.
b) Kênh phân tích ion (IBA-Ion Beam Analysis)
Kênh này dùng để phân tích hàm lượng, thành phân nguyên tố có trong
mẫu phân tích, phân bố thành phần nguyên tố theo độ sâu. 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 cần phân tích. Đây là kĩ thuật
nhanh, không phá hủy mẫu và có độ chính xác cao, ppm hoặc ppb.
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 trên
phản ứng hạt nhân với các nguyên tố nhẹ để phân tích hàm lượng các nguyên tố
(Z<9), nghiên cứu các phản ứng cộng hưởng hạt nhân.
- 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): Phân tích hàm
lượng các nguyên tố trong mẫu khi dùng chùm proton để kích thích phát tia X
đặc trưng (Tổng quan về phân tích IBA đã trình bày trong Chương I).
11
CHƯƠNG III. PHẢN ỨNG HẠT NHÂN TRÊN MÁY GIA TỐC
3.1. Một số phản ứng hạt nhân gây bởi proton trên máy gia tốc tĩnh điện
Proton có thể gây ra các phản ứng sau: (p,α), (p,n), (p,p), (p,γ) và (p,d),
trong đó p là chùm hạt proton tới, chính là tác nhân gây ra phản ứng, còn α, n,
p, γ, d là các hạt được phát ra sau phản ứng, ngoài hạt nhân bia. Bảng 3.1 là
tổng hợp một số phản ứng hạt nhân gây bởi proton.
Bảng 3.1. Phản ứng hạt nhân gây bởi proton
Phản ứng gây bởi Proton
Loại Q
(MeV)
Loại Q
(MeV)
6Li(p,a)3He 4.02 18O(p,ag)15N 3.98
7Li(p,a)4He 17.35 19F(p,ag)16O 8.11
9Be(p,a)6Li 2.13 23Na(p,ag)24Mg 11.69
10B(p,a)7Be 1.15 27Al(p,g)28Si 11.59
11B(p,a)8Be 8.58 29Si(p,ag)30P 5.59
15N(p,ag)12C 4.97 52Cr(p,ag)53Mn 7.56
3.1.2. Các phản ứng hạt nhân cộng hưởng gây bởi proton
Trong số các phản ứng hạt nhân gây bởi proton, người ta đặc biệt quan
tâm đến các phản ứng hạt nhân cộng hưởng mạnh (hay còn gọi là cộng hưởng
hẹp). Các phản ứng này được nghiên cứu rất nhiều và kỹ bởi rất nhiều các
nhóm tác giả khác nhau trên thế giới. Để nghiên cứu được các phản ứng cộng
hưởng mạnh gây bởi proton, thì không thể không có máy gia tốc tĩnh điện, vì
chỉ có máy gia tốc tĩnh điện mới cho ra chùm hạt proton liên tục, định hướng
cao, đơn năng, và năng lượng của chùm proton lại có thể thay đổi liên tục để
scan tìm các đỉnh phản ứng cộng hưởng. Một số phản ứng hạt nhân cộng hưởng
gây bởi proton với các nguyên tố nhẹ được cho bởi Bảng 3.3
Bảng 3.3. Một số phản ứng hạt nhân cộng hưởng gây bởi proton
Phản ứng Năng lượng cộng
hưởng
Độ rộng cộng
hưởng
18O(p,γ)15N 152 keV 100 eV
29Si(p,γ)30P 413.9 keV --
15N(p,γ)12C 429 keV 120 eV
30Si(p,γ)31P 620.4 keV 68 eV
18O(p,γ)15N 629 keV 2000 eV
12
27Al(p,γ)28Si 632.23 keV 6.7 eV
23Na(p,γ)24Mg 676.7 keV <70 eV
27Al(p,γ) 28Si 991.86 keV 70 eV
52Cr(p,γ)53Mn 1005 keV 50 eV
13C(p,γ)13N 1748 keV 135 eV
3.3. Ứng dụng phản ứng hạt nhân cộng hưởng gây bởi proton để chuẩn hóa
năng lượng beam của máy gia tốc
Việc hiệu chuẩn năng lượng của chùm ion (beam) trong các máy gia tốc
nhỏ, được sử dụng để phân tích chùm ion (IBA) từ lâu đã được làm tốt và rộng
rãi trong các phòng thí nghiệm trên thế giới [47]. Có rất nhiều phương pháp
khác nhau đã được sử dụng như sử dụng phản ứng cộng hưởng hạt nhân của
nhôm với proton 27Al(p,y)28Si [48], hoặc là phản ứng ngưỡng của neutron
7Li(p,n)8Be tại đỉnh 1881 keV. Các phương pháp khác như bắt proton không
cộng hưởng [50], hoặc đo vận tốc tuyệt đối (phương pháp thời gian bay) [51].
Ngoài ra người ta còn sử dụng phương pháp tán xạ đàn hồi cộng hưởng của
phản ứng 16O(a,a)16O tại đỉnh 3038 keV [47] và rất nhiều phương pháp để
chuẩn hóa năng lượng chùm beam của máy gia tốc tĩnh điện.
3.3.1. Cơ sở lựa chọn phản ứng hạt nhân 27Al(p,γ)28Si
Đối với máy gia tốc tĩnh điện thì một vấn đề quan trọng cần phải biết
chính xác là năng lượng của hạt được gia tốc và độ tòe năng lượng của nó.
Thông thường, thông tin về năng lượng của chùm hạt được xác định qua các
đại lượng trung gian liên quan đến các tham số của máy gia tốc. Tuy nhiên, giá
trị năng lượng tính bằng phương pháp này cho độ chính xác không cao, đặc biệt
cho các nghiên cứu đòi hỏi cần phải biết năng lượng của chùm hạt với độ chính
xác cao. Khi nghiên cứu phản ứng hạt nhân, năng lượng của chùm hạt tới đập
vào bia sẽ quyết định toàn bộ động học của phản ứng hạt nhân. Nếu năng lượng
của chùm hạt tới không được biết với độ chính xác cao thì sai số của các đại
lượng vật lý sẽ rất lớn. Vì vậy, việc xác định chính xác năng lượng của chùm
hạt sau khi ra khỏi buồng gia tốc đóng vai trò vô cùng quan trọng và là điều
kiện tiên quyết của nhiều thí nghiệm. Chuẩn năng lượng cho máy gia tốc là
việc xây dựng sự phụ thuộc của năng lượng chùm hạt được gia tốc vào hiệu
điện thế trong buồng gia tốc dùng để gia tốc chùm hạt. Thông thường có thể
mô tả sự phụ thuộc này bằng một đa thức. Số điểm thực nghiệm dùng để xây
dựng đa thức này càng nhiều thì độ chính xác của đường chuẩn năng lượng
càng cao.
3.3.3. Chuẩn bị thí nghiệm
Bia sử dụng trong thí nghiệm là một lá nhôm mỏng có bề dày 2 µm.
Lá nhôm này được GS. Kobono từ Đại học Tokyo tặng để giúp cho việc
13
chuẩn năng lượng máy gia tốc. Bia được gắn vào một đầu của thanh giữ
mẫu mà tại đó đã gắn trước một lá đồng có bề dày là 0.1 mm để làm đế. Lá
nhôm có độ tinh khiết rất cao (99.99% nhôm). Theo kết quả tính toán bằng
Hình 3.7. Giá đỡ bố trí thí nghiệm
phần mềm SRIM 2013, quãng chạy của proton có năng lượng 2 MeV trong
nhôm là 47.5093 µm còn năng lượng mà nó bị mất khi đi qua lá nhôm có
bề dày 2 µm là 0.0598 MeV. Như vậy, với bề dày 2 µm, có thể xem lá
nhôm là đủ mỏng để tiến hành thí nghiệm và việc sử dụng lá nhôm mỏng
làm bia sẽ cho phép quan sát các cộng hưởng chính xác. Lá đồng được gắn
ngay sau lá nhôm nhằm mục đích chặn toàn bộ chùm proton để bảo vệ
detector không bị phá hủy khi chùm proton bắn vào detector, Hình 3.7 và
Hình 3.8 là hình ảnh của sự gắn mẫu đo. Cả lá đồng và lá nhôm đều được
đặt vuông góc với hướng của chùm proton đi từ máy gia tốc, Hình 3.9. Bia
được đặt trong buồng tán xạ có chân không ở mức xấp xỉ 10-6 Torr.
Hình 3.8. Sau khi hoàn thành gắn lá nhôm trên giá đỡ
14
Sơ đồ hình học và quá trình chiếu beam proton để tạo ra phản ứng hạt
nhân cộng hưởng được chỉ ra ở Hình 3.9, tia gamma dễ dàng đi qua đế đồng.
Hình 3.9. Sơ đồ hình học và quá trình chiếu beam
3.3.5. Kết quả thí nghiệm
Hạt nhân 27Al sau khi bắt proton sẽ tạo thành hạt nhân hợp phần 28Si
ở trạng thái kích thích, và phân rã theo các cách khác nhau để trở về trạng
thái cơ bản, rồi phát ra nhiều loại bức xạ gamma khác nhau cả về năng
lượng lẫn cường độ. Cần phải chọn gamma tối ưu sao cho kết quả tính
toán đạt được độ chính xác tốt nhất. Tiêu chí để chọn gamma này là đỉnh
hấp thụ toàn phần tương ứng của nó nằm tương đối độc lập để giảm sai số
gây ra do sự chồng đỉnh. Ngoài ra, tỉ số phát gamma này cần đủ lớn để có
thể đạt được sai số thống kê tốt nhất. Xuất phát từ các tiêu chí này thì đỉnh
gamma ứng với năng lượng 1779 keV thường được chọn. Bức xạ gamma
này được phát ra do hạt nhân hợp phần 28Si chuyển từ trạng thái kích thích
thứ nhất (2+) về trạng thái cơ bản của nó. Khi thay đổi năng lượng của
chùm proton từ máy gia tốc, diện tích của đỉnh 1779 keV cũng bị thay đổi
theo, do tiết diện của phản ứng thay đổi. Diện tích đỉnh 1779 keV sẽ lớn
nhất khi năng lượng của chùm proton có giá trị trùng với tâm của cộng
hưởng và nó giảm dần khi năng lượng của chùm proton đi ra xa giá trị
năng lượng cộng hưởng. Một tâm của đỉnh cộng hưởng có giá trị là 991.86
keV. Năng lượng của chùm proton thay đổi từ 886 keV đến 1387 keV.
Bảng 3.4 trình bày kết quả định lượng về biến thiên của diện tích của
đỉnh gamma có năng lượng 1779 keV theo năng lượng của chùm proton tới
xung quanh 3 đỉnh cộng hưởng đã được lựa chọn.
Chùm proton tới
NaI Detector
Tia γ
Lá nhôm mỏng Lá đồng
Giá đỡ mẫu
Đến ADC
15
Bảng 3.4. Số đếm gamma tại 3 đỉnh 991.86 keV,
1381.3 keV và 1388.4 keV.
Năng lượng
của p (keV)
Thế gia tốc
(MV)
Số đếm
(xung)
Năng lượng
của p (keV)
Thế gia tốc
(MV)
Số đếm
(xung)
986 0.4775 19 1377 0.6745 2186
987 0.478 225 1378 0.675 1238
988 0.4785 1698 1379 0.6755 592
989 0.479 1571 1380 0.676 200
990 0.4795 962 1381 0.6765 97
991 0.48 371 1382 0.677 441
992 0.4805 184 1383 0.6775 1149
993 0.481 357 1384 0.678 1735
1371 0.6715 253 1385 0.6785 755
1374 0.673 314 1386 0.679 578
1376 0.674 1139 1387 0.6795 448
Phổ gamma thu được tại giữa vị trí đỉnh cộng hưởng mà Ep = 991.86 keV
thể hiện trên Hình 3.10 và ở ngoài đỉnh cộng hưởng này là trên Hình 3.11. Từ
Bảng 3.4 ta thu được dáng điệu đường cong của các đỉnh cộng hưởng trên Hình
3.12. Trục nằm ngang biểu diễn năng lượng của proton trong hệ quy chiếu
phòng thí nghiệm, còn trục tung là số đếm bức xạ gamma có năng lượng 1779
keV. Có thể thấy rõ 3 đỉnh cộng hưởng trong đường cong kích thích này.
16
Hình 3.10. Phổ gamma tương ứng với cộng hưởng 991.86 keV.
Hình 3.11. Phổ gamma ở ngoài đỉnh cộng hưởng 991.86 keV.
Từ Hình 3.12 và Bảng 3.4, ta có thể thấy rõ năng lượng do máy gia tốc
đưa ra không trùng với năng lượng chính xác của các cộng hưởng đã biết. Bảng
3.5 dưới đây liệt kê sai khác này. Trong Bảng 3.5, cột đầu tiên là giá trị năng
lượng của chùm proton được hiển thị trên máy gia tốc còn cột thứ hai là năng
lượng chính xác của các cộng hưởng đã được công bố trước đó. Cột thứ ba trình
bày tỉ số giữa hai giá trị năng lượng hiển thị trên máy và năng lượng thực của
proton. Bảng 3.5 cho thấy các giá trị năng lượng thực của proton và giá trị hiển
Hình 3.12. Đường cong cộng hưởng tại 3 đỉnh đã thu được.
0.475 0.480 0.670 0.675 0.680
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
990 1380 1390
Indicated Enegry (KeV)
C
o
u
n
ts
Terminal Voltage Control (MV)
1384 KeV
1377 KeV
988 KeV
17
thị trên máy gia tốc trênh lệch nhau không nhiều. Tỉ số giữa các giá trị xấp xỉ
99.6 %. Điều này chứng tỏ rằng, các giá trị trong thí nghiệm khá phù hợp với
giá trị thực tế trên máy. Độ chênh lệch là khoảng 3 keV tại đỉnh cộng hưởng
991.86 keV, 4.3 keV tại đỉnh cộng hưởng 1381.30 keV và 4.4 keV đỉnh
1388.40 keV.
Bảng 3.5. Năng lượng được hiển thị và năng lượng thực của proton.
Năng lượng của proton
được hiển thị EI (keV)
Năng lượng thực của
proton ET (keV)
Tỉ số giữa EI
và ET
988 991.9 0.996068
1377 1381.3 0.996887
1384 1388.4 0.996831
CHƯƠNG IV. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH RBS VÀ PIXE
4.1. Kết quả phân tích RBS
Tán xạ ngược Rutherford (Rutherford Backscattering Spectrometry - RBS)
là một phương pháp phân tích hạt nhân được sử dụng rộng rãi để phân tích hàm
lượng các nguyên tố ở các lớp gần bề mặt chất rắn. Mẫu bia được bắn phá bởi
các ion có năng lượng trong dải MeV (thường là 0,5 - 4 MeV), và năng lượng
của hạt tán xạ ngược được ghi nhận với một detector nhạy năng lượng, thường
là một detector bán dẫn hàng rào mặt. RBS cho phép xác định định lượng của
các thành phần các nguyên tố của vật liệu và phân bố của các nguyên tố theo
chiều sâu tính từ bề mặt mẫu. RBS là phân tích định lượng mà không cần đến
các mẫu tham khảo, không phá hủy, có độ phân giải chiều sâu tốt cỡ một vài
nm, và độ nhạy rất tốt cho các nguyên tố nặng cỡ một phần triệu (ppm) [61]. Độ
sâu phân tích điển hình là khoảng 2 micromet cho dòng beam ion Helium và
khoảng 20 micromet cho dòng beam proton. Hạn chế của RBS là độ nhạy thấp
cho các nguyên yếu tố nhẹ, nên thường đòi hỏi sự kết hợp của các phương pháp
phân tích hạt nhân khác như phân tích phản ứng hạt nhân (NRA) hoặc phân tích
tán xạ giật lùi đàn hồi (ERDA). Để tăng cường độ nhạy của phương pháp, bằng
cách người ta tạo ra bộ lọc tĩnh điện trước detetor để lọc nhiễu do các hạt tích
điện năng lượng thấp gây ra [62]. Một số kết quả phân tích RBS trên máy gia
tốc của chúng tôi đã được công bố trên tạp trí IOP Science [63]. Dưới đây là
một kết quả phân tích RBS khá đặc biệt mà chúng tôi đã phân tích được trong
thời gian vừa qua.
18
4.1.1. Mẫu mạ nano Crom trên nền Zn
Mẫu thứ nhất là mẫu mạ nano crom trên nền Zn mà các cơ sở phân tích
huỳnh quang tia X khác đã không thể phân tích được vì bị nhiễu mạnh của chất
nền bên dưới, do lớp mạ crom quá mỏng (cỡ 810 nm tổng cộng).
Tuy nhiên khi sử dụng hệ phân tích RBS trên máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron thì
kết quả đạt được thật mỹ mãn. Phổ phân tích RBS đã khớp cho trên Hình 4.2
Hình 4.2. Phổ RBS đã khớp của mẫu mạ crom
Kết quả thành phần phần trăm (%) của mẫu trên cho trong Bảng 4.1. Nhìn
vào bảng kết quả cho ta thấy hàm lượng Cr giảm dần và chỉ tồn tại đến lớp thứ
4, với tổng độ dày là cỡ 810 nm. Trong khi đó Oxy tồn tại đến lớp thứ 5. Còn
đến lớp thứ 6 thì hoàn toàn là Zn.
Bảng 4.1. Kết quả thành phần các nguyên tố ở độ sâu khác nhau
Lớp Độ dày (nm) Cr (%) Oxy (%) Zn (%)
1 298.113 26.4170 59.4505 14.1326
2 150.908 19.9793 23.7174 56.3033
3 183.527 7.1499 38.4342 54.4159
4 179.700 0.0932 37.4474 62.4594
5 2042.520 0.0000 26.2500 73.7500
6 6833.192 0.0000 0.0000 100.0000
4.1.2. Mẫu mạ nano Vàng trên Huy chương
19
Mẫu thứ hai là mẫu mạ nano Vàng tây trên lớp lót Đồng và trên nền Niken
của tấm huy chương. Mẫu này cũng được sử dụng hệ phân tích RBS trên máy
gia tốc 5SDH-2 Pelletron kết quả cũng đạt được rất tốt. Phổ RBS đã khớp của
mẫu mạ Vàng cho trên Hình 4.3.
Hình 4.3. Phổ RBS của mẫu mạ nano vàng trên Huy chương
Kết quả phân tích được cho trong Bảng 4.2. Nhìn vào bảng ta thấy lớp Vàng và
đồng (Vàng tây) chỉ tồn tại đên độ sâu của lớp thứ 2 là khoảng 90 nm. Đến lớp
thứ 3 thì hoàn toàn là Niken.
Bảng 4.2. Kết quả phân tích RBS của mẫu mạ Vàng trên huy chương
Lớp Độ dày (nm) Au (%) Cu (%) Ni (%)
1 28.390 66.8695 33.1305 0.0000
2 61.161 0.4763 99.5237 0.0000
3 4255.632 0.0000 0.0000 100.0000
4.2. Kết quả phân tích PIXE
Trong phòng thí nghiệm trên toàn thế giới, PIXE được thường xuyên
áp dụng cho một số vấn đề liên ngành trong khoa học môi trường [64,72-
75], khoa học vật liệu [64,76], sinh học và y sinh học [73,76,77], khảo cổ
học [63,65], địa chất [62,76,78] vv. PIXE có thể cùng kết hợp với các kỹ
thuật phân tích chùm ion khác, chẳng hạn như PIGE và RBS, và thậm trí
NAA để hoàn thiện một kết quả phân tích toàn diện [79,80] cho một
nghiên cứu cụ thể nào đó, trong đó PIXE là phương pháp cho kết quả
chính. Với máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron, kể từ khi máy gia tốc đưa vào hoạt
động, số lượng mẫu phân tích bằng phương pháp PIXE đã lên đến khoảng 1000
mẫu với đủ các loại khác nhau. Tuy nhiên ta có thể chia ra các nhóm loại mẫu
20
khác nhau để chọn ra các mẫu tiêu biểu của nhóm đó. Thông thường người ta
hay chia ra làm loại mẫu mỏng, mẫu dày, mẫu dày đã biết ma trận mẫu, mẫu
dày chưa biết ma trận mẫu. Phương pháp phân tích thì có phương pháp tương
đối, phương pháp tuyệt đối, phương pháp chuẩn nội.
4.2.1. Mẫu phân tích PIXE loại mẫu mỏng
Khi phân tích PIXE, nếu chùm proton được bắn vào mẫu phân tích, và nếu
mẫu phân tích có bề dày sao cho chùm tia proton sau khi đi qua mẫu mà mất
mát năng lượng là không đáng kể thì mẫu 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 thì hàm lượng đối với mẫu mỏng thường được xác định
dưới đơn vị mật độ mặt, tức là µg/cm2.
4.2.1.1. Chuẩn bị và đo mẫu mỏng
Có hai phương pháp phân tích được đưa ra để xác định hàm lượng của mẫu
mỏng đó là phương pháp tương đối và phương pháp tuyệt đối. Phương pháp
tương đối lại chia làm hai loại là phương pháp chuẩn nội và phương pháp chuẩn
ngoài. Đối với phương pháp chuẩn nội, chất chuẩn đã biết hàm lượng (khối
lượng chất trên một đơn vị diện tích) sẽ được thêm vào trong mẫu đo, chất
chuẩn này thường phải không có mặt trong mẫu đó, thường người ta chọn các
nguyên tố đất hiếm như Yttrium (Y) hoặc nguyên tố đã biết chắc chắn không có
trong mẫu. Đối với phép chuẩn ngoài, mẫu với các nguyên tố đã biết hàm lượng
sẽ được đo trong cùng một điều kiện đối với mẫu cần đo, từ đó xây dựng đường
cong độ nhạy nguyên tố. Mẫu chuẩn và mẫu phân tích được đưa vào buồng
chiếu cùng với một tấm kính mỏng dùng để hiển thị beam. Sau khi cố định năng
lượng của beam, cường độ beam, tiết diện beam (sử dụng tấm kính để nhìn tiết
diện beam), rồi đánh dấu vị trí beam. Tất cả các giá trị trên sẽ được cố định
trong toàn bộ quá trình chiếu mẫu, từ mẫu chuẩn, cho đến các mẫu phân tích.
Mẫu chuẩn và mẫu phân tích được gắn trên giá để mẫu như Hình 4.4, trong đó
mẫu chuẩn (phía trên giá) là mẫu đơn nguyên tố Ni hàm lượng 38.3 μg/cm2
±5% của hãng Micromatter.
Hình 4.4. Mẫu chuẩn mỏng (phía trên) và mẫu phân tích gắn trên cùng một giá.
21
4.2.1.2. Kết quả phân tích PIXE với mẫu mỏng
Sau khi chiếu mẫu với các thông số về điện tích (nói lên số lượng hạt
proton chiếu vào mẫu), cường độ dòng beam, diện tích beam chiếu trên mẫu, hệ
số hiệu chuẩn thích hợp, ta được kết quả phổ đã khớp như trong Hình 4.5 là phổ
của một trong các mẫu phân tích dạng mỏng và Bảng 4.4 là kết quả phân tích
của mẫu đó, kết quả này đã được so sánh với kết quả phân tích tại Trung tâm
khoa học máy gia tốc (Centre for Accelerator Science) tại ANSTO-Australia.
Bảng 4.4. Kết quả phân tích mẫu số 5 và kết quả phân tích tại ANSTO
Mẫu số Nguyên tố
Đo tại HUS
(ng/cm2)
Ngưỡng
nhạy (ng/cm2)
Đo tại ANSTO
(ng/cm2)
S 1549 6 1583
K 303 5 283
Ca 443 5 399
Mn 45 2 56
Fe 273 2 305
Zn 540 2 595
5
Pb 91 9 78
Hình 4.5. Phổ PIXE của mẫu mỏng số 5.
Phụ lục 1 là kết quả chi tiết của vài chục mẫu mỏng được phân tích trên
máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron trong thời gian qua.
4.2.2. Phân tích PIXE với mẫu dày
Khi phân tích mẫu dày thì sẽ phức tạp hơn mẫu mỏng bởi vì sẽ xảy ra hai
hiệu ứng, đó là: (a) Hạt tích điện điện chuyển động chậm dần trong mẫu phân
tích do mất mát năng lượng khi tương tác Coulomb với các electron và hạt nhân
22
của các nguyên tử trong mẫu. Do đó tiết diện ion hóa trở thành một hàm của độ
sâu của mẫu, bởi vì tiết diện ion hóa cũng là hàm của n
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- tt_nghien_cuu_ung_dung_mot_so_phan_ung_hat_nhan_gay_boi_chum_hat_tich_dien_tren_may_gia_toc_tinh_die.pdf