Luận văn Thạc sĩ Khoa học vật chất: Áp dụng phương pháp truyền qua trong phân tích huỳnh quang tia X để xác định hàm lượng vài nguyên tố kim loại trong đất trồng rau muống

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:64

Thêm vào BST

Báo xấu

47
lượt xem 13
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung nghiên cứu chính của tác giả chủ yếu là nghiên cứu độ nhạy của các nguyên tố đối với hệ XRF, thực nghiệm kiểm chứng tiến tới xác định hàm lượng các nguyên tố trong mẫu so sánh bằng phương pháp truyền qua và từ thực nghiệm kiểm chứng tiến hành xác định hàm lượng nguyên tố trong mẫu đất trồng rau bằng phương pháp đó.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học vật chất: Áp dụng phương pháp truyền qua trong phân tích huỳnh quang tia X để xác định hàm lượng vài nguyên tố kim loại trong đất trồng rau muống

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Nguyễn Thị Lan Anh NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN QUA TRONG PHÂN TÍCH HUỲNH QUANG TIA X ĐỂ XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG VÀI NGUYÊN TỐ KIM LOẠI TRONG ĐẤT TRỒNG RAU MUỐNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Thành phố Hồ Chí Minh – 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Nguyễn Thị Lan Anh NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN QUA TRONG PHÂN TÍCH HUỲNH QUANG TIA X ĐỂ XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG VÀI NGUYÊN TỐ KIM LOẠI TRONG ĐẤT TRỒNG RAU MUỐNG Chuyên ngành : Vật lí nguyên tử và hạt nhân Mã số : 8440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. HUỲNH TRÚC PHƯƠNG Thành phố Hồ Chí Minh - 2019
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của thầy PGS.TS Huỳnh Trúc Phương. Các kết quả trình bày trong luận văn là những kết quả mới và chưa được ai công bố trong các công trình nào khác. Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2019 Nguyễn Thị Lan Anh
LỜI CÁM ƠN Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy hướng dẫn luận văn của tôi, PGS. TS Huỳnh Trúc Phương, trong suốt quá trình nghiên cứu thầy đã kiên nhẫn hướng dẫn, tạo mọi điều kiện, động viên và giúp đỡ tôi hoàn thành tốt luận văn này. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các Anh Chị cán bộ trẻ trong Bộ môn, các Anh Chị học viên Cao học và các bạn sinh viên đã quan tâm, giúp đỡ, đề nghị, thảo luận và đưa ra những chỉ dẫn cho luận văn của tôi. Tôi xin gửi lời cảm ơn Quý thầy cô trong hội đồng đã dành nhiều thời gian đọc và có những ý kiến đóng góp quý báu trong luận văn này. Xin cảm ơn Quý Thầy Cô thuộc Bộ môn Vật lý hạt nhân, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Tp. Hồ Chí Minh, Trường ĐH Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi làm việc trên khoa để tiến hành tốt luận văn. Tôi cũng xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn bên tôi, cổ vũ và động viên tôi những lúc khó khăn để có thể vượt qua và hoàn thành tốt luận văn này. Mặc dù phải cố gắng nhiều để hoàn thành tốt luận văn nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quý báu của Quý Thầy Cô và các bạn. Tôi xin chân thành cảm ơn. Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2019 Nguyễn Thị Lan Anh
MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Lời cám ơn Mục lục Danh mục các từ viết tắt Danh mục các bảng biểu Danh mục hình vẽ MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1 Chương 1 TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH XRF 1.1. Lý thuyết huỳnh quang tia X.................................................................. 4 1.1.1. Hiệu ứng matrix .............................................................................. 5 1.1.2. Tương tác tia X với vật chất............................................................ 5 1.1.3. Hệ số suy giảm ................................................................................ 5 1.1.4. Quá trình tán xạ ............................................................................... 6 1.1.5. Quá trình hấp thụ ............................................................................. 7 1.2. Các phương pháp trong phân tích huỳnh quang tia X ......................... 12 1.2.1. Phương pháp chuẩn ngoại tuyến tính ............................................ 12 1.2.2. Phương pháp chuẩn nội ................................................................. 13 1.2.3. Phương pháp chuẩn độ nhạy ......................................................... 14 1.2.4. Phương pháp truyền qua ............................................................... 15 1.3. Kết luận ................................................................................................ 19 Chương 2 THỰC NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN QUA 2.1. Hệ phân tích XRF................................................................................. 21
2.1.1. Detector ..................................................................................... 21 2.1.2. Nguồn kích ................................................................................ 21 2.2 Tính hiệu suất ghi của detector ............................................................. 22 2.3.1. Chuẩn bị mẫu ............................................................................ 26 2.3.2 Chiếu, đo và xử lí số liệu ........................................................... 27 2.4. Phân tích kiểm chứng ........................................................................... 30 2.4.1. Chuẩn bị mẫu ............................................................................ 30 2.4.2. Chiếu, đo và xử lí số liệu .......................................................... 31 Chương 3 XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG CÁC NGUYÊN TỐ TRONG ĐẤT TRỒNG RAU MUỐNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN QUA ............................................................................ 37 3.1. Chuẩn bị mẫu phân tích........................................................................ 37 3.2. Chiếu, đo và xử lí số liệu ..................................................................... 38 3.3. Kết luận ................................................................................................ 47 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 49
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt XRF X-ray Fluorescence Huỳnh quang tia X Đầu dò silic công SDD Silicon Drift Detector nghệ Drift
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Số liệu của vật liệu detector Si (Li) dùng tính hiệu suất .................. 23 Bảng 2.2. Số liệu của vật liệu detector XR-100SDD dùng tính hiệu suất ........ 23 Bảng 2.3. Hiệu suất ghi detector Si(Li) đối với nguồn kích Cd-109 ................ 23 Bảng 2.4. Hiệu suất ghi detector XR-100SDD đối với nguồn kích 3H-Zr ....... 24 Bảng 2.5. Khối lượng mẫu dùng để xác định độ nhạy các nguyên tố .............. 26 Bảng 2.6. Hệ số Ki của các nguyên tố i............................................................. 27 Bảng 2.7. Kết quả xác định độ nhạy của các nguyên tố .................................. 29 Bảng 2.8. Hàm lượng các nguyên tố trong mẫu so sánh SS1 .......................... 30 Bảng 2.9. Hàm lượng các nguyên tố trong mẫu so sánh SS2 .......................... 30 Bảng 2.10. Hàm lượng các nguyên tố trong mẫu bia T ..................................... 31 Bảng 2.11. Cường độ vạch K các nguyên tố trong mẫu đo.............................. 32 Bảng 2.12. Tỉ số cường độ Ri các nguyên tố trong mẫu SS1 và SS2 ................ 32 Bảng 2.13. Hệ số α, β qua các phép lặp của hai mẫu SS1 và SS2..................... 33 Bảng 2.14. Giá trị hệ số suy giảm µME0, µMEi của mẫu SS1 ............................. 34 Bảng 2.15. Giá trị hệ số suy giảm µME0, µMEi của mẫu SS2 ............................. 34 Bảng 2.16. Hệ số hiệu chỉnh sự hấp thụ Ai trong mẫu SS1 ............................... 35 Bảng 2.17. Hệ số hiệu chỉnh sự hấp thụ Ai trong mẫu SS2 ............................... 35 Bảng 2.18. Hàm lượng các nguyên tố trong mẫu SS1 và so sánh với giá trị pha chế ............................................................................................ 35 Bảng 2.19. Hàm lượng các nguyên tố trong mẫu SS2 và so sánh với giá trị pha chế. ........................................................................................... 36 Bảng 3.1. Khối lượng các mẫu đất trồng ra muống ......................................... 37 Bảng 3.2. Kết quả cường độ đỉnh của các nguyên tố chủ yếu có trong các mẫu đất D1, D2, D3, D4 ................................................................. 38 Bảng 3.3. Kết quả cường độ đỉnh của các nguyên tố chủ yếu có trong các mẫu đất D5, D6, D7, D8 ................................................................. 39
Bảng 3.4. Kết quả cường độ của bia + mẫu (T+S) ứng với các nguyên tố trong mẫu đất .................................................................................... 39 Bảng 3.6. Kết quả tính giá trị hệ số suy giảm μME0 của các mẫu đất qua phép lặp cuối ..................................................................................... 41 Bảng 3.7: Kết quả tính giá trị hệ số suy giảm μMEi của các mẫu đất qua phép lặp cuối. .................................................................................... 42 Bảng 3.8. Kết quả xác định hàm lượng của các nguyên tố trong mẫu đất D1, D2, D3, D4 ................................................................................. 43 Bảng 3.9. Kết quả xác định hàm lượng của các nguyên tố trong mẫu đất D5, D6, D7, D8 ................................................................................. 44
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sự phụ thuộc của hệ số suy giảm theo năng lượng của Cu ........ 7 Hình 1.2. Hiệu ứng quang điện ................................................................... 8 Hình 1.3. Hiệu ứng Auger ........................................................................... 9 Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý phương pháp huỳnh quang tia X ................... 10 Hình 2.1. Bố trí hình học của nguồn ......................................................... 22 Hình 2.2.Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của hiệu suất εi vào mức năng lượng Ei ............................................................................ 25 Hình 2.3. Mẫu MM ................................................................................... 26 Hình 2.4. Vị trí đặt mẫu trong hệ đo XRF ................................................ 28 Hình 3.1. Hàm lượng Fe trong 8 mẫu đất ................................................ 45 Hình 3.2. Hàm lượng Ca trong 8 mẫu đất ................................................. 45 Hình 3.3. Hàm lượng Zn trong 8 mẫu đất. ................................................ 46 Hình 3.4. Hàm lượng Mn trong 8 mẫu đất. ............................................... 46
1 MỞ ĐẦU Tia X được phát hiện vào năm 1895 do nhà khoa học Wilhelm Roentgen khám phá. Tia X là bức xạ điện từ có bước sóng từ 0,01nm đến 10 nm, bước sóng của nó ngắn hơn tia tử ngoại nhưng dài hơn tia gamma, được tạo ra do sự hãm đột ngột của electron năng lượng cao hay bởi sự dịch chuyển electron từ quỹ đạo cao sang quỹ đạo thấp trong nguyên tử. Nó được ứng dụng rộng rãi trong Y học và phân tích cấu trúc tinh thể. Có hai cách sử dụng tia X để phân tích: phân tích huỳnh quang tia X và nhiễu xạ tia X. Trong phân tích huỳnh quang tia X, ta chú ý đến các bức xạ đặc trưng, là bức xạ được tạo thành do sự di chuyển electron từ quỹ đạo cao xuống quỹ đạo thấp. Để nguyên tố phát ra bức xạ huỳnh quang tia X đặc trưng ta cần chuẩn bị nguồn kích có thể là: máy phát tia X, máy gia tốc, nguồn đồng vị phát gamma, tia X. Tiếp đến là chuẩn bị mẫu có thể ở dạng rắn hoặc dung dịch, với mẫu rắn ta phải chuẩn bị mẫu là vật liệu dạng khối được làm bằng máy để tạo hình dạng kích thước thích hợp, bề mặt phải được làm nhẵn bóng. Cuối cùng là detector (đầu dò ghi bức xạ) ghi nhận bức xạ từ 1 keV đến 100 keV, có thể là loại chứa khí, nhấp nháy hoặc bán dẫn, có độ phân giải từ 120 đến 200 eV. Với các ưu điểm như: không phá mẫu, có thể phân tích nhanh với độ chính xác cao, có thể phân tích cùng lúc nhiều nguyên tố, đối tượng phân tích đa dạng, nên nó được sử dụng rộng rãi trong thực tiễn như: phân tích nguyên liệu cho gốm, sứ, các hóa phẩm, định tuổi của kim loại quý như Au, Ag, Pt.., xác định hàm lượng Ca, F, P... trong phân bón... Có nhiều phương pháp để phân tích huỳnh quang tia X: phương pháp phân tích định tính, phương pháp phân tích định lượng. Trong các phương pháp phân tích định lượng có các phương pháp như: phương pháp chuẩn ngoại tuyến tính, phương pháp phân tích với mẫu mỏng, phương pháp chuẩn nội, phương pháp chuẩn độ nhạy, phương pháp hàm kích thích, phương pháp tỉ số cường độ đỉnh [1]. Trong phương pháp phân tích huỳnh quang tia X, để đạt được độ nhạy và năng suất phân
2 giải cao, người ta đang quan tâm đến việc cải tiến kĩ thuật trong phân tích, như tự động hóa quá trình thay mẫu trong buồng chiếu, gắn hệ phân tích với máy tính để xử lí ngay kết quả thực nghiệm, làm trơn phổ bằng tính toán. Khi thực hiện ta cần phải hiệu chỉnh cường độ vạch phổ đặc trưng nguyên tố phân tích đối với cả hiệu ứng hấp thụ và hiệu ứng tăng cường bức xạ do các nguyên tố khác trong cùng mẫu phân tích phát ra. Hiện nay, bộ môn Vật lý hạt nhân, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM có hệ phân tích huỳnh quang tia X với các nguồn kích thích như ống phát tia X bia Ag và Au, nguồn đồng vị 55Fe và 3H-Zr. Với hệ phân tích này, trong vài năm qua, các phương pháp như chuẩn nội, chuẩn ngoại tuyến tính hay phương pháp chuẩn độ nhạy để phân tích hàm lượng của các nguyên tố có trong mẫu đã được nghiên cứu và phát triển [3]. Tuy nhiên, khi sử dụng các phương pháp trên nó gặp một số khó khăn như hiệu ứng matrix cần phải tính tới, điều này gây khó khăn trong thực nghiệm khiến cho việc phân tích hàm lượng không có độ chính xác cao. Để tránh các hiệu ứng matrix trong mẫu phân tích, người ta thường sử dụng kỹ thuật truyền qua, tức là bức xạ tới mẫu có một số tia kích thích trực tiếp với nguyên tố quan tâm phát tia X đặc trưng, một số tia truyền qua khỏi mẫu và đến tương tác với các nguyên tố trong mẫu chuẩn dày đặt phía trên mẫu phân tích, tia X đặc trưng từ mẫu chuẩn truyền qua mẫu phân tích và đến detector, từ đó xác định được hệ số suy giảm khối của mẫu phân tích [4]. S. M. Simabuco [5] và các cộng sự đã ứng dụng kỹ thuật truyền qua để phân tích hàm lượng nguyên tố trong mẫu địa chất, kết quả phân tích cho thấy kỹ thuật rất đơn giản nhưng cho độ chính xác cao, đặc biệt không cần hiệu chỉnh hiệu ứng matrix. Mục đích của phương pháp này là thiết lập điều kiện thực nghiệm tốt nhất để phân tích định lượng cho một số mẫu thực nghiệm đặc biệt là xét đến một số chất chứa tạp chất, sử dụng thông số lí thuyết cơ bản để xác định độ nhạy và thực hiện hiệu chỉnh các yếu tố hấp thụ bằng lí thuyết truyền qua.Với đặc điểm trên của kỹ thuật truyền qua thì hệ phân tích huỳnh quang tia X tại Phòng thí nghiệm kỹ thuật hạt nhân của Bộ môn Vật lý hạt nhân cần nghiên cứu và phát triển. Với tính cấp thiết này, chúng tôi quyết định thực hiện đề
3 tài: “Áp dụng phương pháp truyền qua trong phân tích huỳnh quang tia X để xác định hàm lượng vài nguyên tố kim loại trong đất trồng rau muống”. Nội dung nghiên cứu chính của chúng tôi chủ yếu là nghiên cứu độ nhạy của các nguyên tố đối với hệ XRF, thực nghiệm kiểm chứng tiến tới xác định hàm lượng các nguyên tố trong mẫu so sánh bằng phương pháp truyền qua và từ thực nghiệm kiểm chứng tiến hành xác định hàm lượng nguyên tố trong mẫu đất trồng rau bằng phương pháp đó. Cụ thể, luận văn này được chia làm ba chương: - Chương 1. Tổng quan cơ sở lý thuyết phân tích XRF. - Chương 2. Thực nghiệm phương pháp truyền qua. - Chương 3. Thực nghiệm xác định hàm lượng vài nguyên tố kim loại trong đất trồng rau muống.
4 Chương 1 TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH XRF 1.1. Lý thuyết huỳnh quang tia X Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X là một kĩ thuật phân tích được sử dụng rộng rãi trong khoa học. Đây là phương pháp phân tích vi lượng bằng bức xạ huỳnh quang tia X với mục đích chính là xác định sự có mặt và hàm lượng của nguyên tố dựa vào bức xạ tia X đặc trưng của nguyên tố đó được áp dụng trong các lĩnh vực khác nhau như: xác định thành phần nguyên tố trong hợp kim trong ngành luyện kim, điều tra khoáng sản trong lĩnh vực quặng mỏ, nhận diện đá quý hay xác định các hàm lượng các nguyên tố trong phân bón,.. Kể từ khi tia X được khám phá và ứng dụng trong phân tích XRF đến nay, phương pháp này ngày càng phát triển và hoàn thiện. Để đạt được độ nhạy và độ phân giải cao nhất, người ta đã cải tiến kĩ thuật phân tích như tự động hóa quá trình thay mẫu trong buồng chiếu, gắn hệ phân tích với máy tính để xử lí kết quả, làm trơn phổ bằng tính toán. Trong phương pháp XRF, việc nhận diện đánh giá hàm lượng các nguyên tố trong mẫu phân tích dựa vào năng lượng và cường độ tia X đặc trưng của nguyên tố đó phát ra. Tia X đặc trưng phát ra do quá trình hấp thụ quang điện thường gồm ba loại tia đặc trưng: - Tia huỳnh quang sơ cấp: sinh ra do hiệu ứng kích thích trực tiếp của chùm tia ban đầu vào nguyên tố quan tâm. Để phát ra huỳnh quang sơ cấp thì năng lượng của chùm bức xạ ban đầu phải lớn hơn năng lượng cạnh hấp thụ của nguyên tố quan tâm. - Tia huỳnh quang thứ cấp: sinh ra do tia huỳnh quang sơ cấp trực tiếp kích thích và hiệu ứng huỳnh quang thứ cấp cao nhất khi nguyên tố phát ra tia thứ cấp có bậc số nguyên tử Z nhỏ hơn hai lần đối với nguyên tố phát tia sơ cấp.
5 - Tia huỳnh quang tam cấp: sinh ra do tia huỳnh quang thứ cấp kích thích, thường tia huỳnh quang tam cấp có cường độ nhỏ. Tuy nhiên, trong nghiên cứu phổ kế huỳnh quang tia X thì tia huỳnh quang sơ cấp đóng góp chính vào cường độ bức xạ đặc trưng của yếu tố quan tâm. 1.1.1. Hiệu ứng matrix Các mẫu như quặng, hợp kim, đất, phân bón… thường là mẫu đa thành phần, vì vậy khi phân tích một nguyên tố chứa trong mẫu, người ta phải quan tâm đến những hiệu ứng xuất hiện do sự có mặt của các nguyên tố khác. Các hiệu ứng đó dẫn đến sự hấp thụ hay tăng cường bức xạ đặc trưng nguyên tố phân tích và ta gọi đó là hiệu ứng matrix. Vì vậy hiệu ứng matrix làm ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp phân tích huỳnh quang tia X. Có hai loại hiệu ứng matrix chính [1]: - Sự hấp thụ bức xạ huỳnh quang của nguyên tố quan tâm bởi các nguyên tố khác trong mẫu. - Sự gia tăng cường độ huỳnh quang của nguyên tố quan tâm do bức xạ huỳnh quang có năng lượng cao hơn từ những nguyên tố khác có trong mẫu. 1.1.2. Tương tác tia X với vật chất Khi tia X tương tác với electron của nguyên tử, nó sẽ bị hấp thụ hoặc tán xạ. Sự hấp thụ tán xạ sẽ xảy ra bởi những tương tác riêng hoặc nhiều tương tác tổng quát hơn, các tương tác riêng có vai trò quan trọng trong quá trình kích thích mẫu. Tán xạ tia X dẫn đến nền phông trong phổ quan sát. Sự hiểu biết tương tác tia X với lớp vỏ nguyên tử là cơ sở cho việc phân tích biên độ xung của phổ [1]. 1.1.3. Hệ số suy giảm Xét một chùm tia X đơn sắc, chuẩn trực có cường độ I0 (E), khi đi qua một g lớp vật chất có bề dày T(cm), mật độ ρ ( ), một vài photon sẽ tương tác với hệ. cm3 Chùm tia X mà không bị tương tác với vật chất có cường độ I(E) được mô tả trong công thức (1.1)[1,3]:
6 I(E) = I0 (E)exp⁡[−μt (E)T] (1.1) Trong đó, μt (E) (cm−1 )⁡được gọi là hệ số suy giảm tuyến tính. Người ta thường sử dụng hệ số suy giảm khối μ(E) = μt (E)/ρ chỉ sự suy giảm cường độ trên một đơn vị khối lượng trên đơn vị diện tích. Khi đó phương trình (1.1) sẽ trở thành: I(E) = I0 (E)exp⁡[−. μ(E). T] (1.2) Đối với các hợp chất thì hệ số suy giảm khối sẽ bằng tổng hệ số suy giảm khối của các thành phần μ = ∑i wi μi , trong đó wi (%) là hàm lượng của nguyên tố i. Do tương tác với lớp vỏ electron nguyên tử, nên hệ số suy giảm tăng theo bậc số nguyên tử Z của nguyên tố vật liệu bia. Chùm tia X khi đi qua vật chất nói trên, sẽ hấp thụ hoặc tán xạ nên hệ số suy giảm là tổng hệ số tán xạ và hấp thụ khi tia X đi qua mẫu thể hiện ở phương trình (1.3): μ(E) = τ(E) + σ(E) (1.3) với τ(E) là hệ số hấp thụ khối quang điện, σ(E) là hệ số khối tán xạ. 1.1.4. Quá trình tán xạ Khi tia X đập vào electron của lớp vỏ nguyên tử của các nguyên tố có trong mẫu nó sẽ tương tác với electron và bị tán xạ. Tán xạ tia X trong mẫu chủ yếu xảy ra ở e- của lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử. Có hai loại tán xạ có thể xảy ra là tán xạ dàn hồi và không đàn hồi. - Quá trình tán xạ đàn hồi hay còn gọi là tán xạ Rayleigh, quá trình này chỉ làm cho chùm tia X bị lệch khỏi quỹ đạo của chúng, do đó có sự đóng góp vào hệ số suy giảm khối. - Quá trình tán xạ không đàn hồi sẽ làm cho tia X mất một phần năng lượng để một electron thoát ra, còn được gọi là tán xạ Compton.
7 Đối với các mẫu có bậc số nguyên tử Z càng cao thì phần lớn các bức xạ bị hấp thụ ngay trong mẫu, nên sẽ ít quan sát thấy tán xạ. Ngược lại, các mẫu có Z thấp thì tán xạ quan sát được nhiều do sự hấp thụ kém đi. Còn đối với các nguyên tố nhẹ thì tán xạ Compton sẽ chiếm ưu thế hơn, do đó tỉ số cường độ tán xạ Compton và Rayleigh tăng khi bậc số nguyên tử giảm [6]. 1.1.5. Quá trình hấp thụ Khi tia X tương tác với electron của nguyên tử sẽ bị hấp thụ hoặc tán xạ, do đó trong quá trình chọn điều kiện hoạt động của phổ kế tia X thì sự liên hệ giữa quá trình hấp thụ và bậc số nguyên tử là một yếu tố rất quan trọng. Hình 1.1. Sự phụ thuộc của hệ số suy giảm theo năng lượng của Cu a. Cạnh hấp thụ và nguyên lý cạnh hấp thụ Trong Hình 1.1, những điểm không liên tục được gọi là cạnh hấp thụ, là năng lượng cực tiểu cần để cung cấp cho một nguyên tử bứt một điện tử ra ngoài. Việc
8 lựa chọn năng lượng để kích thích nguyên tố trong mẫu sẽ được xem xét dựa vào các giá trị năng lượng cạnh hấp thụ của các nguyên tố đó. Khi hấp thụ năng lượng thì điện tử sẽ trở nên tự do hay chuyển lên vùng dẫn, còn khi phát tia X đặc trưng thì điện tử chỉ chuyển dời trong nội bộ nguyên tử. Không có vạch nào trong một dãy có năng lượng lớn hơn năng lượng cạnh hấp thụ ứng với dãy nào đó của nguyên tố kích thích thì tất cả các vạch đặc trưng trong dãy đều có xuất hiện trong phổ. Tức là nếu có vạch K của nguyên tố đó xuất hiện thì chắc chắn phải có vạch K của nguyên tố đó. b. Hiệu ứng quang điện Là một trong những quá trình dẫn đến sự hấp thụ tia X khi chúng đi qua vật chất. Quá trình này đóng góp chủ yếu vào sự hấp thụ tia X và là mô hình kích thích các nguyên tố trong mẫu phát phổ tia X đặc trưng [1] Hình 1.2. Hiệu ứng quang điện
9 c. Hiệu ứng Auger Hiệu ứng quang điện xảy ra thường kèm theo hiệu ứng Auger, trong trường hợp này tia X đặc trưng vừa phát ra bị hấp thụ ngay bởi electron ở lớp phía ngoài hơn trong cùng một nguyên tử. Khi đó không có tia X đặc trưng phóng thích mà là một electron Auger, hiệu ứng này làm giảm cường độ của vạch phổ và thường xảy ra với nguyên tố nhẹ. Hình 1.3. Hiệu ứng Auger 1.1.6. Cường độ huỳnh quang thứ cấp Để thiết lập mối quan hệ giữa cường độ tia X đặc trưng phát ra từ mẫu và hàm lượng nguyên tố có trong mẫu ta xét sự phân bố hình học theo sơ đồ Hình 1.4.
10 Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý phương pháp huỳnh quang tia X [1] Ta xét một chùm tia X có năng lượng trong khoảng từ E0 đến E0 + dE0 phát ra từ ống phát tia X hay một nguồn đồng vị dưới góc khối dΩ1 , chùm tia X đến đập vào bề mặt mẫu có bề dày T dưới một góc Ψ1 , số photon tới bề mặt mẫu trong một đơn vị thời gian là I0 (E0 ). dE0 . dΩ1 . Cường độ I phát ra từ vạch K do nguyên tố i thuộc lớp vi phân dx của mẫu bị kích thích bởi một đơn vị diện tích dS của nguồn kích thích được xác định bởi công thức (1.4): dI = I. dS. dx. dE0 (1.4) hay (Ei ) dI = . I τ ω 𝑓w ρ × 4πsinΨ1 0 ki ki i (1.5) μ(E0 ) μ(Ei ) × Exp ⌊−ρx ( + )⌋ . dx. dE0 . dΩ1 . dΩ2 sinΨ1 sinΨ2 Trong đó: (Ei ) là hiệu suất ghi của detector đối với năng lượng Ei. τki là hệ số hấp thụ quang điện của nguyên tố i ứng với tầng K. ωki là hiệu suất phát huỳnh quang từ tầng K của nguyên tố i. f là tỉ lệ giữa cường độ một vạch đối với toàn bộ lớp phân tích.