Đang tải... (xem toàn văn)
Phân tích huỳnh quang tia X
Nguyn Th Nh Trang Lp Cao hc Vt lý k thut Khoỏ 2006 - 2008 Phân tích huỳnh quang tia X Các nguyên tố hóa học đ-ợc kích thích bằng tia X, tia gamma mềm hoặc các hạt mang điện có năng l-ợng thích hợp sẽ phát ra các tia X đặc tr-ng cho từng nguyên tố. Trên cơ sở đó năng l-ợng và c-ờng độ của các tia X đặc tr-ng đó có thể nhận diện và các định đ-ợc hàm l-ợng của nguyên tố. 1 Mở đầu Tia X còn gọi là rơngen do W.K.Roentgen phát minh ra năm 1895 khi bắn chùm electron vào lá kim loại. Lúc đầu vì ch-a biết rõ bản chất của loại bức xạ này nên ông gắn cho nó cái tên là tia X. Tia X thực chất cũng là bức xạ điện từ nh-ng có b-ớc sóng ngắn, nằm trong dải từ 0,01 A (angstrom) tới 10 A , hoặc thậm chí dài hơn. Các tia X có b-ớc sóng ngắn hơn 1 A gọi là tia X cứng và dài hơn 1 A gọi là tia X mềm. Năng l-ợng của tia X tính theo b-ớc sóng nh- sau: 398,12 E trong đó E đo bằng keV, đo bằng A . Việc phát minh ra tia X là một sự kiện quan trọng trong lịch sử phát triển của ngành vật lý. Tia X và tia gamma giống nhau ở chỗ đều là bức xạ điện từ, nh-ng có nguồn gốc khác nhau. Tia gamma sinh ra từ hạt nhân còn tia X sinh ra từ nguyên tử. Năng l-ợng của tia X đặc tr-ng bằng hiệu năng l-ợng liên kết của hai vành electron trong nguyên tử, do đó nó đặc tr-ng cho từng nguyên tố. Ng-ời ta ví năng l-ợng của tia X đặc tr-ng là "dấu vân tay" của nguyên tố hóa học nên có thể căn cứ vào đó xây dựng một ph-ơng pháp phân tích nguyên tố gọi là ph-ơng pháp phân tích huỳnh quang tia X. Ngày nay ph-ơng pháp này trở thành một công cụ phân tích mạnh đối với tất cả các nguyên tố từ nhôm (Al) tới urani (U) trong bản tuần hoàn, đáp ứng yêu cầu của nhiều lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng. Để tiến hành phân tích cần đo năng l-ợng và c-ờng độ của các tia X đặc tr-ng. Trong thực tế có thể đo phân giải b-ớc sóng (WD) hoặc đo phân giải năng l-ợng (ED) của tia X. B-ớc sóng của tia X có thể đo bằng ph-ơng pháp nhiễu xạ dựa vào định luật Bragg: n = 2dsin (1) trong đó: n là số nguyên là b-ớc sóng d là khoảng cách giữa hai lớp nguyên tử là góc tạo bởi tia X và mặt phẳng tinh thể. Nguyn Th Nh Trang Lp Cao hc Vt lý k thut Khoỏ 2006 - 2008 Vì khoảng cách d cố định ứng với mỗi loại tinh thể nên giá trị cực đại của đo đ-ợc là 2d. Nh- vậy, nếu muốn đo giải sóng rộng phải sử dụng nhiều loại tinh thể khác nhau. Đây là một trong những hạn chế của ph-ơng pháp đo phân giải b-ớc sóng. Trong khi đó ph-ơng pháp đo phân giải năng l-ợng của tia X sử dụng đetectơ bán dẫn Si (Li) vận hành đơn giản, kết quả chính xác và một đetectơ có thể đo đồng thời nhiều tia X đặc tr-ng cho nhiều nguyên tố. Chính vì vậy mà ngày nay ph-ơng pháp phân giải năng l-ợng đ-ợc sử dụng rất phổ biến. Năng l-ợng tia X đặc tr-ng cho vành K của các nguyên tố trải rộng từ vài keV tới khoảng 100 keV còn các tia X đặc tr-ng của vành L thì cực địa ở khoảng 20 keV. Trong ứng dụng thực tiễn phân tích nguyên tố th-ờng đo các tia X có năng l-ợng từ vài keV tới vài chục keV. Đối với nhiều nguyên tố thì các tia X vành K luôn luôn là sự -u tiên lựa chọn. Để kích thích các nguyên tố phát tia X đặc tr-ng có thể sử dụng tia X, tia gamma mềm, các hạt mang điện hoặc các chùm ion. Tr-ờng hợp sử dụng các chùm hạt mang điện để kích thích nguyên tố phát tia X đặc tr-ng, đặc biệt là sử dụng chùm proton còn gọi là ph-ơng pháp PIXE (Proton Induced X-ray Emission). Ngày nay các máy gia tốc sinerotron (Synchrotron) còn cung cấp một nguồn photon mới, đó là bức xạ sinerotron với mật độ thông l-ợng rất lớn, có thể sử dụng nh- một nguồn kích thích tia X siêu mạnh và cho độ nhạy phân tích cao hơn nhiều so với sử dụng các nguồn kích thích tia X khác. Ph-ơng pháp phân tích huỳnh quang của tia X đã đ-ợc triển khai rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng vì nó có độ nhạy và độ chính xác cao, có khả năng phân tích đồng thời nhiều nguyên tố và mẫu phân tích không bị phá hủy. Nhờ tốc độ nhanh nên ph-ơng pháp phân tích huỳnh quang tia X còn có thể ứng dụng để kiểm tra hoặc điều chỉnh các quá trình nghiên cứu và sản xuất. Nhìn chung thiết bị phân tích huỳnh quang tia X t-ơng đối gọn nhẹn, bố trí thí nghiệm không phức tạp nên có thể tiến hành phân tích mẫu ở trong phòng thí nghiệm hay cả ở ngoài hiện tr-ờng. 2 Cơ chế phát xạ tia X 2.1 Phổ tia X ống phóng tia X (hình 1) là loại nguồn tia X có sớm nhất. Cấu tạo của ống phóng tia X gồm một buồng chân không (áp suất khoảng 10-6 đến 10-8 mmHg) và hai điện cực (anốt và catốt). Chùm electron phát ra từ catốt (khi bị đốt nóng) sẽ đ-ợc gia tốc bởi điện tr-ờng ở trong buồng chân không và khi đập vào anốt (hay còn gọi là bia) sẽ phát ra tia X. Nguyn Th Nh Trang Lp Cao hc Vt lý k thut Khoỏ 2006 - 2008 Hình 1 Cấu tạo của ống phóng tia X 1. Buồng chân không; K - Catốt; A - Anốt Phổ tia X phát ra từ ống phóng tia X nh- trên hình 2 và 3 bao gồm hai phần chính. Phần thứ nhất có b-ớc sóng thay đổi liên tục nên gọi là phổ liên tục hay phổ hãm. Phần thứ hai có b-ớc sóng gián đoạn nên gọi là phổ vạch hay phổ tia X đặc tr-ng. Các đỉnh phổ tia X đặc tr-ng nằm trên nền phổ liên tục nhìn giống nh- "các đỉnh tháp xây trên một s-ờn đồi". Hình 2 Phổ năng l-ợng bức xạ hãm Hình 3 Phổ bức xạ tia X 1 Nguyn Th Nh Trang Lp Cao hc Vt lý k thut Khoỏ 2006 - 2008 2.2 Cơ chế phát bức xạ hãm Theo điện động lực học cổ điển, các hạt mang điện đ-ợc gia tốc hoặc làm chậm đều phát ra bức xạ điện tử. Khi các hạt mang điện t-ơng 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 đ-ợc giải phóng d-ới dạng tia X. Trong ống tia X. khi các electron đập vào bia thì tốc độ của chúng thay đổi liên tục trong tr-ờng Culông của các nguyên tử bia, hay nói cách khác là năng l-ợng của electron bị mất dần, do đó các tia X phát ra có b-ớc sóng thay đổi liên tục trong một giải rộng. Quá trình t-ơng tác và phát tia X (bức xạ hãm) đ-ợc minh họa trên hình 4 Chùm electron đ-ợc gia tốc có động năng cực đại là: T=eV (2) trong đó: e là điện tích của electron, V là điện thế gia tốc (tính bằng kV). Khi toàn bộ động năng của electron biến thành bức xạ hãm thì năng l-ợng cực đại của chùm bức xạ hãm sẽ là: min max hc eVTh (3) trong đó: h là hằng số Pank. v là tần số của bức xạ hãm, e là vận tốc của ánh sáng. Từ (3) suy ra min hay còn gọi là giới hạn l-ợng tử ( A ): Hình 4 Quá trình làm chậm eletron trong tr-ờng Culong của hạt nhân và phát bức xạ hãm Quá trình làm chậm electron trong tr-ờng culong của hạt nhân và phát bức xạ hãm với năng l-ợng hv=E0-E1 trong đó E2 là năng l-ợng ban đầu của electron và E1 là năng l-ợng của electron sau khi bị làm chậm và đổi h-ớng. Nguyn Th Nh Trang Lp Cao hc Vt lý k thut Khoỏ 2006 - 2008 C-ờng độ của bức xạ hãm tỷ lệ nghịch với bình ph-ơng khối l-ợng của hạt mang điện tích bắn vào bia (hạt tới). Do đó c-ờng độ bức xạ hãm tạo bởi các hạt nặng nh- protơn sẽ yếu hơn so với tr-ờng hợp tạo bởi các hạt nhẹ nh- electron. Mặt khác, c-ờng độ của bức xạ hãm tỷ lệ với bình ph-ơng điện tích của hạt nhân bia. Do đó muốn tăng c-ờng độ bức xạ hãm cần sử dụng các nguyên tố nặng, có nhiệt độ nóng chảy cao và có khả năng truyền nhiệt tốt để làm bia nh- vonfram (W) hoặc tantali (Ta). Sự thay đổi điện thế gia tốc đồng nghĩa với sự thay đổi động năng của chùm electron tới và do đó cũng làm thay đổi năng l-ợng cực đại của chùm bức xạ hãm phát ra từ anốt. Mặt khác, bức xạ hãm có năng l-ợng t-ơng ứng với động năng của các hạt mang điện tích bị mất, do đó phổ năng l-ợng hoặc b-ớc sóng của bức xạ hãm liên quan trực tiếp tới điện thế của ống phóng tia X (hình 2). 2.3 Cơ chế phát tia X đặc tr-ng Phổ tia X đặc tr-ng phát ra từ ống phóng tia X là các vạch sắc nét với b-ớc sóng gián đoạn. B-ớc sóng của các đỉnh quan sát đ-ợc trên phổ phụ thuộc vào từng loại bia hãm. Do đó phổ vạch của tia X còn gọi là phổ tia X đặc tr-ng vì năng l-ợng của nó đặc tr-ng cho từng nguyên tố (hình 3). Muốn tạo ra các tia X đặc tr-ng thì năng l-ợng của electron tới phải bằng hoặc lớn hơn năng l-ợng liên kết, của electron trong nguyên tử bia. Với chùm electron năng l-ợng 35 keV đập vào bia W. Tia X đặc tr-ng đ-ợc C.C Barkla phát minh năm 1906. Phổ tia X đặc tr-ng của các nguyên tố có cấu tạo giống nhau, nh-ng khác nhau về năng l-ợng. Tia X đặc tr-ng sinh ra là kết quả của quá trình dịch chuyển trạng thái của electron trong nguyên tử. Sự chuyển dịch xảy ra khi vành điện từ bên trong xuất hiện lỗ trống và trong khoảng thời gian rất ngắn, cỡ 10-15 giây có một electron từ vành ngoài nhảy vào thế chỗ. Trong quá trình chuyển dịch này, hiệu năng l-ợng liên kết của electron ở hai quỹ đạo đ-ợc giải phóng d-ới dạng sóng điện tử, đó chính là tia X đặc tr-ng. Quá trình hình thành lỗ trống và tạo ra tia X đặc tr-ng đ-ợc mô tả trên hình 5. Muốn tạo ra lỗ trống cần phải kích thích các nguyên tử bia. Để đơn giản hãy xét tr-ờng hợp kích thích nguyên tử bằng tia X đơn năng. Muốn bứt một electron vành K của một nguyên tử thì năng l-ợng của tia X sơ cấp E dùng để kích thích phải lớn hơn hoặc bằng năng l-ợng liên kết của electron vành K (đ-ợc ký hiệu là g), nghĩa là: E K Khi nguyên từ bị kích thích, một electron vành K sẽ bứt ra khỏi quỹ đạo và để lại lỗ trống. Electron vành K bị bứt ra khỏi quỹ đạo có năng l-ợng là: E pe = E - K (5) Nếu một electron vành L nhảy vào lấp lỗ trống ở vành K thì năng l-ợng d- Ex đ-ợc giải phóng d-ới dạng sóng điện từ hay còn gọi là tia X đặc tr-ng và có giá trị: E X = K - L (6) Nguyn Th Nh Trang Lp Cao hc Vt lý k thut Khoỏ 2006 - 2008 Quá trình dịch chuyển này cũng có thể xảy ra giữa vành K với các vành cao hơn như vành M, vành N Hình 5 Quá trình hình thành lỗ trống và tạo ra tia X đặc tr-ng Trong một số tr-ờng hợp, tia X đặc tr-ng bay ra sẽ đập vào electron vành ngoài và đẩy electron đó ra khỏi trạng thái liên kết. Electron này đ-ợc gọi là electron Auger. Giả sử electron Auger bị bứt ra từ vành M thì năng l-ợng của nó sẽ là: E ae = K - L - M (7) T-ơng tự, khi xuất hiện một lỗ trống mới ở các vành ngoài thì cũng lại diễn ra các quá trình chuyển dịch của electron và sinh ra các tia X đặc tr-ng t-ơng ứng. Tuy nhiên các quá trình chuyển dịch electron và phát tia X đặc tr-ng phải tuân theo một số quy luật và có thể giải thích dựa trên lý thuyết cấu trúc của nguyên tử. 2.4 Cấu trúc mức của electron trong nguyên tử Nguyên tử bao gồm hạt nhân và các electron chuyển động xung quanh hạt nhân. Khối l-ợng của hạt nhân chiếm trên 99,97% khối l-ợng của nguyên tử. Hạt nhân có bán kính khoảng 6x10 -15 m và bán kính của nguyên tử khoảng 10 -10 m (gấp khoảng 17000 lần bán kính của hạt nhân). Hạt nhân nguyên tử gồm proton (mang diện tích d-ơng) và nơton (trung hòa về điện) liên kết với nhau bằng lực hạt nhân. Các electron mang điện tích âm và liên kết với hạt nhân bằng lực tĩnh điện. Một electron ở trong nguyên tử đặc tr-ng bởi 4 số l-ợng tử, đó là: Số l-ợng tử chính, ký hiệu là n, bao gồm các số d-ơng, cụ thể là n=1,2,3,4 Số l-ợng tử chính gán cho các vành năng l-ợng gián đoạn ch-a electron. Vành gần hạt nhân nhất, có liên kết mạnh nhất với hạt nhân là vành K ứng với n=1. Tiếp theo vành L là vành L, có liên kết với hạt nhân yếu hơn vành K và ứng với n= Sau vành L là vành M, ứng với n=3, vành N ứng với n=4, vành O ứng với n=5, vành P ứng với n=6 và sau cùng là vành Q ứng với n=7. Số l-ợng tử phụ, ký hiệu là l (hay còn gọi là số l-ợng tử momen góc). Các giá trị của l ứng với số l-ợng tử chính n cho trước sẽ là: l=0; 1: 2: (n-1), tổng E 0 E 0 -E b e - E X -K X Nguyn Th Nh Trang Lp Cao hc Vt lý k thut Khoỏ 2006 - 2008 cộng có n số l-ợng tử phụ. Thí dụ trong vành M (n=3) thì k có thể nhận các giá trị 0: 1 hoặc Các vành phụ này th-ờng đ-ợc gán cho các chữ là s, p, d, f ứng với các giá trị của l=0; 1: 2: 3. Số l-ợng tử từ, ký hiệu là m. Các giá trị của m ứng với các giá trị cho tr-ớc của l sẽ là: m=-l; -l+1: 0:.: l-1; l, tổng cộng có 2l+1 số l-ợng tử từ đối với mỗi giá trị của l. Số l-ợng tử m gán cho h-ớng khả dĩ của momen góc đã đ-ợc l-ợng tử hóa. Số l-ợng tử spin, ký hiệu là s. Các giá trị của spin là +1/2 và -1/2, tổng cộng có hai giá trị. Electron có spin riêng và trong bất kỳ t-ơng tác nào cũng chỉ cho hai h-ớng cho phép. Số l-ợng tử j, đ-ợc tạo thành tử số l-ợng tử phụ l và số l-ợng tử spin s, có giá trị là j=l+s, tổng cộng có 2 (2l+1) trạng thái (j không phải là số l-ợng tử mới). Vì j không lấy giá trị âm nên với l=0 thì j chỉ có một giá trị là +1. Đối với năng l-ợng của electron quay trong nguyên tử thì số l-ợng tử chính n có ý nghĩa quan trong nhất. 2.5 Các vạch tia X đặc tr-ng và các quy tắc chọn lọc Theo cơ học cổ điển thì các electron ở mức cao hơn đều có thể chuyển xuống mức thấp hơn để lập vào lỗ trống. Tuy nhiên theo cơ học l-ợng từ thì sự chuyển dịch đó cần phải tuân theo một số quy tắc nhất định. Đối với bất kỳ một chuyển dịch nào thì các số l-ợng tử của hai mức năng l-ợng đầu và cuối cũng đều phải tuân theo các quy tắc chọn lọc sau đây: n 1 l = 1 j = 1 hoặc 0 Các dịch chuyển đã đ-ợc tiên đoán theo các quy tắc chọn lọc. Cũng có tr-ờng hợp hai quy tắc sau bị vi phạm (ví dụ l=-2 hoặc 0; j=-2) và có thể vẫn quan sát đ-ợc các chuyển dịch bị cấm, nh-ng xác suất này nhỏ và các vạch đó th-ờng rất yếu nên không gây ảnh h-ởng đáng kể tới quá trình phát xạ của các vạch khác. Những vạch yếu và không tuân theo quy tắc gọi là các vạch vệ tinh cũng quan sát đ-ợc từ các nguyên tử ion hóa kép. Theo quy -ớc, các dãy khác nhau trong phổ tia X đ-ợc đặt tên nh- sau: Chữ in hoa chỉ vạch cuối của sự chuyển dịch, thí dụ chữ K t-ơng ứng với các chuyển dịch của electron kết thúc ở vạch K. T-ơng tự nh- vậy, chữ L t-ơng ứng với tất cả các chuyển dịch của electron kết thúc ở các mức L I , L II , L III . Mỗi vạch cụ thể còn đ-ợc phân biệt bằng cách gán thêm một chữ hy lạp và một chỉ số ở d-ới đặt sau chữ in hoa, thí dụ 1 , 3 , 6 , Những ký hiệu này th-ờng cũng phản ảnh c-ờng độ t-ơng đối của mỗi vạch. Vạch 1 là vạch mạnh nhất trong một phổ. Ký hiệu này đ-ợc chấp nhận rộng rãi nh-ng nó không phản ánh quan hệ của sự chuyển dịch để tạo ra vạch đó. Có thể mô tả một vạch bằng các mức chuyển dịch đầu cuối của electron. Mỗi vạch đặc tr-ng cho hiệu năng l-ợng liên kết của các mức chuyển dịch đầu cuối, đối với vạch K 1 : Nguyn Th Nh Trang Lp Cao hc Vt lý k thut Khoỏ 2006 - 2008 E K 1 = E = E K - E LIII (8) và b-ớc sóng t-ơng ứng III LKK K EEE 398,12398,12 1 1 (9) 2.6 Hiệu suất huỳnh quang Khi mẫu đ-ợc kích thích bằng chùm photon hoặc các hạt mang điện, sự phát xạ tia X đặc tr-ng sẽ phụ thuộc vào xác suất diễn ra của một số quá trình. C-ờng độ của một tia X đặc tr-ng cụ thể, ví dụ L 1 chẳng hạn sẽ phụ thuộc vào tích của ba hệ số: (a) Xác suất để photon tới ion hóa nguyên tử mức Lm. (b) Xác suất chuyển dịch electron từ mức My lấp vào chỗ trống mức Lm. (c) Xác suất để tia X đặc tr-ng L 1 bay ra khỏi nguyên tử mà không bị hấp thụ bởi chính nguyên tử đó. Có thể nói hệ số (a) liên quan trực tiếp tới sự hấp thụ các photon của mẫu và tạo ra hiệu ứng quang điện, hệ số (b) liên quan tới quy tắc chọn lựa của cơ học l-ợng tử, còn hệ số (c) chính là hiệu suất phát tia X huỳnh quang đặc tr-ng ứng với từng vành. Hiệu suất phát tia X huỳnh quang đặc tr-ng, ví dụ ứng với vành K đ-ợc định nghĩa nh- sau: K vànhtrống lỗ Số K dãy Xtia Số K Hiệu suất huỳnh quang K chính là xác suất phát từ X huỳnh quang thuộc dãy K sau khi vành K của nguyên tử có lỗ trống. Nh- vậy 1- K sẽ là xác suất phát electron Auger. Nếu K =90% có nghĩa là có 100 nguyên tử có lỗ trống ở vành K thì chỉ có 90 nguyên tử phát ra các tia X đặc tr-ng thuộc dãy K và 10 nguyên tử phát electron Auger. Cũng t-ơng tự nh- vậy có thể định nghĩa L , M Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm chỉ ra rằng hiệu suất huỳnh quang tăng theo nguyên tử số và có sự khác nhau giữa các vành electron; K lớn hơn L và L lớn hơn M Kết quả nghiên cứu xác định đ-ợc c-ờng độ t-ơng đối giữa tia X đặc tr-ng trong dãy L nh- sau: Vạch tia X đặc tr-ng L 1 L 2 L 1 L 2 L 3 L 1 C-ờng độ t-ơng đối 100 10 50 100 10 20 3 6 5 10 3 Nguồn kích thích tia X Hiện nay có nhiều loại nguồn đ-ợc sử dụng để kích thích tia X. Việc lựa chọn nguồn kích thích căn cứ vào yêu cầu và khả năng của từng phòng thí nghiệm. Sau đây sẽ đề cập đến một số loại nguồn kích thích tia X chủ yếu. Nguyn Th Nh Trang Lp Cao hc Vt lý k thut Khoỏ 2006 - 2008 3.1 ống phóng tia X ống phóng tia X hay còn gọi là nguồn (e-X) vì tia X đ-ợc sinh ra khi bắn chùm electron vào bia kim loại. Đây là một trong những loại nguồn kích thích tia X có sớm nhất và ngày nay vẫn đ-ợc sử dụng rất phổ biến. Phổ tia X từ ống phóng bao gồm hai phần; phổ liên tục và phổ vạch nh- đã đ-ợc minh họa trên hình 3. Muốn có phổ tia X đặc tr-ng vành K thì điện thế gia tốc electron V phải thỏa mãn điều kiện là lớn hơn hoặc bằng năng l-ợng liên kết vành K của nguyên từ bia là K . V K Đối với phổ bức xạ hãm của ống phóng tia X thì từ biểu thức của Duane- Hunt: eV hc h o (10) có thể suy ra rằng năng l-ợng cực đại của bức xạ điện tử (trong giải phổ hãm) không thể lớn hơn động năng của electron bắn vào bia trong ống phóng tia X. C-ờng độ tích phân của bức xạ hãm đ-ợc tính theo biểu thức thực nghiệm của Uirey nh- sau: I = kZV 2 (11) trong đó V là điện thế gia tốc electron, Z là nguyên tử số của hạt nhân bia và k là hằng số có liên hệ cả với c-ờng độ dòng của electron trong ống phóng tia X. 3.2 Nguồn phát tia X khác Ngoài ống phóng tia X còn có nhiều nguồn có thể kích thích gây phát tia X nh- là các nguồn đồng vị phóng xạ, các chùm hạt mang điện tích, bức xạ sincrotron, các hạt nhân phóng xạ phân rã bắt electron hoặc biến đổi nội cũng có thể sử dụng để kích thích phát tia X. 4 C-ờng độ tia X đặc tr-ng C-ờng độ tia X đặc tr-ng không chỉ phụ thuộc vào hàm l-ợng của nguyên tố mà còn phụ thuộc vào nhiều thông số vật lý và kỹ thuật khác liên quan tới nguồn bức xạ kích thích, các hằng số nguyên tử của nguyên tố, thành phần và kích th-ớc mẫu cũng nh- hình học nguồn-mẫu-đetectơ Chính vì vậy mà một ph-ơng trình biểu diễn sự phụ thuộc của c-ờng độ tia X đặc tr-ng vào hàm l-ợng của nguyên tố th-ờng đ-ợc xây dựng dựa trên những điều kiện thực nghiệm cụ thể. 1 2 Nguyn Th Nh Trang Lp Cao hc Vt lý k thut Khoỏ 2006 - 2008 Nguồn tia X (I o ) Đetectơ tia X Hình 6 Hình học nguồn-mẫu-đetectơ minh họa cho ph-ơng pháp tính c-ờng độ tia X huỳnh quang đặc tr-ng Với sơ đồ thí nghiệm nh- trên hình 6 và đảm bảo đ-ợc một số điều kiện khác nh- bề mặt mẫu phân tích phải phẳng và nhẵn, mẫu đồng nhất và các nguyên tố có trong mẫu đ-ợc phân bổ đều, chùm tia sơ cấp dọi vào để kích thích mẫu cũng nh- tia X đặc tr-ng phát ra từ mẫu trong một góc hẹp và c-ờng độ của các tia độ chỉ bị suy giảm do hiệu ứng ma trận mẫu. 5 Đo và phân tích phổ tia X đặc tr-ng Trong phân tích huỳnh quang tia X sử dụng kỹ thuật ED, hình học nguồn- mẫu-đetectơ có thể bố trí theo sơ đồ hình 7. 5.1 Yêu cầu về nguồn kích thích tia X Khi phân tích mẫu, nguồn kích thích tia X phải đ-ợc che chắn, không để cho các tia phóng xạ sơ cấp từ nguồn (tia X hoặc tia a, b, y) dọi trực tiếp vào đetectơ. Nếu sử dụng nguồn đồng vị để kích thích tia X thì nên dùng nguồn có hình vành khuyên vì c-ờng độ nguồn lớn và có khả năng kích thích đồng đều trên toàn bộ diện tích về mặt của mẫu. Trong tr-ờng hợp nguồn điểm, nếu có thể đ-ợc nên sử dụng đồng thời nhiều nguồn và đặt theo một hình học chiếu cố định trong cả quá trình phân tích. Nếu nguồn kích thích là các chùm hạt lấy từ máy gia tốc thì hình học nguồn-mẫu-đetectơ có thể tham khảo trên hình 8. Hình 7 Bố trí hình học nguồn-mẫu-đetectơ trong phân tích huỳnh quang tia X 1. Buồng chân không 2. Mẫu 3. Nguồn phóng xạ phát tia X sơ cấp 4. Lớp chì bảo vệ 5. Đetectơ tia X 5 6 7 8 1 2 3 4 [...]... bức x sincrotron với mật độ thông l-ợng rất cao, có thể dùng làm nguồn kích thích tia X, đã đ-a ph-ơng pháp phân tích huỳnh quang tia X (SRIXE) trở thành một trong những ph-ơng pháp phân tích nguyên tố có -u thế đặc biệt về độ nhạy Trong phân tích đại trà chủ yếu sử dụng nguồn đồng vị phóng x và ống phóng tia X để kích thích mẫu Do kích th-ớc của nguồn đồng vị nhỏ nên có thể x y dựng các hệ phân tích. .. 8 ứng dụng Hiện nay ph-ơng pháp phân tích huỳnh quang tia X đ-ợc sử dụng rất phổ biến Nhờ ph-ơng pháp này ng-ời ta đã phát hiện ra đ-ợc một nguyên tố mới là haljmium (Z=72) Kỹ thuật hạt nhân hiện đại đã tạo cơ sở cho việc phát triển các ph-ơng pháp phân tích hạt nhân, trong đó có ph-ơng pháp huỳnh quang tia X Ph-ơng pháp phân tích huỳnh quang tia X sử dụng kỹ thuật phân giải năng l-ợng đã phát huy... c-ờng độ tia X đặc tr-ng của nguyên tố cần phân tích với c-ờng độ tia X của một nguyên tố khác đã biết hàm l-ợng (nguyên tố chuẩn) ở trong cùng một mẫu Hàm l-ợng của nguyên tố đ-ợc x c định nh- sau: Nguyn Th Nh Trang Lp Cao hc Vt lý k thut Khoỏ 2006 - 2008 mx mst Ix k x I st (14) mx, Ix là khối l-ợng và c-ờng độ tia X đặc tr-ng của nguyên tố cần phân tích mst, Ist là khối l-ợng và c-ờng độ tia X đặc... đến sự ra đời của ph-ơng pháp phân tích PIXE Với khả năng phân tích thành phần và hàm l-ợng các nguyên tố nh- đã trình bày ở trên, ph-ơng pháp PIXE còn có thể ứng dụng để phân tích tạp chất trong các vật liệu sạch, phân tích bề mặt hoặc mặt phân cách giữa các lớp Chiều sâu tối -u đối với phân tích PIXE trong khkoảng từ 0 đến 1000 A Do có độ nhạy cao, kỹ thuật phân tích PIXE đã và đang đ-ợc ứng dụng trong... vị phóng x không lệ thuộc vào điện, n-ớc, nên khả Nguyn Th Nh Trang Lp Cao hc Vt lý k thut Khoỏ 2006 - 2008 năng cơ động cao, có thể tiến hành phân tích mẫu ở trong phòng thí nghiệm hoặc ở ngay tại cơ sở sản xuất Đây là một điều kiện thuận lợi để đ-a kỹ thuật phân tích huỳnh quang tia X vào ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp Nhờ tốc độ phân tích nhanh, ph-ơng pháp huỳnh quang tia X có thể x c định... hấp thụ tia X Trong một số tr-ờng hợp mẫu bột đ-ợc nén thành viên mỏng, có bề mặt phẳng và nhẵn Nh- vậy không cần sử dụng đến hộp đựng mẫu 5.3 Đetectơ đo tia X Có thể nói sự phát triển của ph-ơng pháp phân tích huỳnh quang tia X gắn liền với sự phát triển của kỹ thuật đetectơ Ngày nay nhờ có các loại đetectơ chất l-ợng cao, ph-ơng pháp phân tích dựa trên kỹ thuật đo phân giải năng l-ợng tia X đ-ợc sử... đ-ợc -u thế của mình nhờ vào đetectơ bán dẫn có độ phân giải năng l-ợng cao, có khả năng tách các tia X vành K của những nguyên tố liền kề trong bảng tuần hoàn và đo đ-ợc phổ tia X trong giải năng l-ợng rộng Nhờ đó mà ph-ơng pháp phân tích huỳnh quang tia X cũng có khả năng x c định đồng thời nhiều nguyên tố và mẫu không bị phá hủy trong quá trình phân tích Sự phát triển của kỹ thuật gia tốc đã tạo ra... chuẩn Gx, và Gst là hệ số kích thích tia X đặc tr-ng của nguyên tố cần phân tích và nguyên tố chuẩn Các giá trị Gx và Gst có thể tính đ-ợc dựa vào các bằng số vật lý, trên cơ sở đó rút ra hệ số kx Mặt khác hệ số kx cũng có thể x c định đ-ợc bằng thực nghiệm dựa vào mẫu đã biết chính x c hàm l-ợng của các nguyên tố cần phân tích và nguyên tố đ-ợc chọn làm chuẩn Trên cơ sở kích thích và đo tia X đặc tr-ng... x c định đ-ợc hệ số thực nghiệm (kx,exp) nh- sau: k x ,exp mx I st mst I x (15) Một nguyên tố đ-ợc chọn làm chuẩn phải thỏa mãn điều kiện là tia X đặc tr-ng của nó không kích thích nguyên tố cần phân tích Kinh nghiệm thực tế cho biết ph-ơng pháp này không sử dụng trong tr-ờng hợp hàm l-ợng nguyên tố lớn hơn 25% 6.3 Ph-ơng pháp pha loãng mẫu Mục đích của ph-ơng pháp pha loãng mẫu trong phân tích huỳnh. .. ra rằng khi sử dụng đetectơ bán dẫn để ghi tia X có thể còn xuất hiện thêm một số đỉnh khác nữa, đó là: - Các đỉnh tia X sinh ra từ các vật liệu đetectơ nh- tia X vành L của vàng (Au), tia X vành K của thiếc (Sn) và của nhôm (Al) hay của một số tạp chất khác - Trong không khí agon (Ar) chiếm khoảng 1% và luôn luôn xuất hiện đỉnh trong phổ tia X nếu mẫu phân tích không đặt trong buồng chân không - Nếu . các ph-ơng pháp phân tích hạt nhân, trong đó có ph-ơng pháp huỳnh quang tia X. Ph-ơng pháp phân tích huỳnh quang tia X sử dụng kỹ thuật phân giải năng. trong phân tích huỳnh quang tia X, ph-ơng pháp so sánh trực tiếp c-ờng độ tia X đặc tr-ng của nguyên tố cần phân tích ở trong mẫu với c-ờng độ tia X