Luận văn Ứng dụng phương pháp huỳnh quang tia X để phân tích vật liệu

1 LỜI CẢM ƠN Luận văn hoàn thành với hướng dẫn khoa học thầy giáo, tiến sĩ Nguyễn Thành Công, giảng viên trường đại học Vinh Xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy, người đặt vấn đề tận tình hướng dẫn tơi q trình hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn tới thầy giáo, cô giáo Khoa Vật lý trường Đại học Vinh truyền thụ kiến thức bổ ích cho tơi q trình học tập, nghiên cứu q trình hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn tới tập thể cán Phòng Đào Tạo Sau Đại Học nhà trường tạo điều kiện để chúng tơi hồn thành thủ tục theo quy định, giúp đỡ kết thúc khóa học với kết tốt đẹp Xin cảm ơn tập thể lớp Quang học 19 Đại học Sài gịn động viên tơi suốt q trình học tập thực bảo vệ luận văn Tinh thần đoàn kết giúp đỡ thành viên tập thể Quang học 19 Đại học Sài Gịn giúp chúng tơi vượt qua khó khăn để hồn thành khóa học Cuối cùng, tơi dành tình cảm biết ơn chân thành cho gia đình tơi động viên tơi nhiều q trình học tập, giúp đỡ tơi vượt qua thử thách để có ngày hơm Tp.HCM, tháng năm 2013 Tác giả Lê Nguyễn Xuân Vinh MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN Luận văn hoàn thành với hướng dẫn khoa học thầy giáo, tiến sĩ Nguyễn Thành Công, giảng viên trường đại học Vinh Xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy, người đặt vấn đề tận tình hướng dẫn tơi q trình hoàn thành luận văn MỤC LỤC CHƯƠNG I: SỰ PHÁT XẠ VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA TIA X 1.5.3 Hệ số hấp thụ quang điện 10 CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỊNH LƯỢNG BẰNG HUỲNH QUANG TIA X 14 2.1 Mở đầu 14 2.2 Các phương pháp thêm hịa lỗng chuẩn 16 2.2.1 Phương pháp thêm chuẩn 17 2.2.2 Phương pháp hịa lỗng chuẩn 17 2.2.3 Phương pháp thêm nhiều chuẩn .17 2.3 Các phương pháp chuẩn hóa 18 2.3.1 Các phương pháp chuẩn hóa đường chuẩn 18 2.4 Phương pháp hệ số ảnh hưởng 21 2.4.1 Hệ phương trình phương pháp hệ số ảnh hưởng .21 2.4.2 Một số phương pháp xác định hệ số ảnh hưởng aij 23 2.4.3 Một số dạng khác phương pháp hệ số ảnh hưởng .24 2.5 Phương pháp tham số 27 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2: 30 CHƯƠNG III: TÌM HIỂU PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHANH BỐN THÀNH PHẦN CHÍNH TRONG PHỐI LIỆU XI MĂNG 31 3.1 Cơ chế phát tia X đặc trưng .31 3.2 Năng lượng tia X đặc trưng .31 3.3 Hệ phổ kế tia X 32 3.3.1 Đêtectơ tia X .32 3.3.2 Bộ tiền khuếch đại 33 3.3.3 Bộ khuếch đại 33 3.3.4 Bộ phân tích biên độ xung 35 3.3.5 Bộ hiển thị số liệu 37 3.3.6 Bộ nguồn nuôi 37 3.3.7 Nguồn kích thích tia X .37 3.3.8 Buồng mẫu phân tích 38 3.4 Tìm hiểu phương pháp huỳnh quang tia X phân tích thành phần phối liệu xi măng 38 Kết luận chung …………………………………………………………………… 46 Tài liệu tham khảo ………………………………………………………………….47 MỞ ĐẦU Huỳnh quang tia X (XRF) kĩ thuật phân tích sử dụng rộng rãi để xác định nguyên tố ngun tố vết Nó phân tích đến 80 nguyên tố với nồng độ phát từ 100% vài phần triệu Nó phương pháp nhanh phân tích số lượng lớn phân tích xác khoảng thời gian tương đối ngắn Phân tích đồng thời nhiều ngun tố mà khơng phá hủy mẫu (rất phù hợp ngành khảo cổ, phân tích vàng nữ trang ) Các mẫu phân tích nhiều dạng khác nhau: rắn, lỏng, bột, hồ nhão, màng mỏng - Tuy nhiên Việt Nam phương pháp chưa sử dụng nhiều loạt nguyên nhân: thiếu thiết bị thiết bị không đồng bộ, bị hỏng vận hành bảo dưỡng chưa tốt, cán chun mơn cịn - Do chúng tơi sâu vào tìm hiểu kỹ thuật phân tích XRF để mở rộng việc ứng dụng phương pháp phân tích nhằm phục vụ cho cơng tác nghiên cứu khoa học lĩnh vực kinh kế xã hội khác CHƯƠNG I: SỰ PHÁT XẠ VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA TIA X 1.1 Tia X tính chất chung 1.1.1 Định nghĩa tia X Tia X xạ điện từ có bước sóng nằm khoảng 10 -5Ao đến 100Ao tạo hãm điện tử có lượng cao và/hoặc chuyển mức lượng điện tử lớp sâu bên nguyên tử Trong phổ tia X thông thường, người ta quan tâm đến vùng phổ có bước sóng từ 0,1Ao đến 100Ao 1.1.2 Các tính chất tượng tương tác tia X với vật chất Phổ tia X nói chung gồm thành phần: phổ liên tục, phổ vạch đặc trưng phổ đám Tia X lan truyền theo đường thẳng với vận tốc ánh sáng Nó khơng bị tác động điện, từ trường không cảm nhận hay nhìn thấy Khi tia X tương tác với vật chất xảy tượng: truyền qua, phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, phân cực, tán xạ, hấp thụ quang điện tạo cặp Khi vật chất hấp thụ tia X xảy tượng: tăng nhiệt độ, thay đổi tính chất điện điện mơi, bị ion hóa, tạo tâm màu sai hỏng mạng, phát huỳnh quang, phát phổ huỳnh quang tia X đặc trưng Tương tác tia X với vật chất tạo xạ như: ion, điện tử quang, điện tử Auger, điện tử Compton, cặp điện tử-pozitron, tia X đặc trưng [11] 1.1.3 Các đơn vị đo tia X Bước sóng λ thường đo A o Dựa vào bước sóng người ta phân chia tia X thành vùng sau: λ VLI> VLII> VLIII> VM> … Với mức kích thích tăng nguyên tử số Z nguyên tố tăng Jonsson đưa biểu thức thực nghiệm cho cường độ vạch phổ đặc trưng: IK ~ i(V-VK) (1.5) IK cường độ vạch phổ K; VK kích thích lớp K; V i dòng anod đèn phát tia X [2] Các vạch phổ L M có tỉ lệ tương tự Kích thích chùm tia điện tử có số đặc điểm: Thứ nhất: phổ tia X thu từ mẫu bao gồm phổ vạch đặc trưng phổ liên tục lớn; thứ hai: tia X có lượng cao sinh lớp gần bề mặt cịn tia X có lượng thấp sinh lớp sâu hơn; thứ ba: độ dày hiệu dụng mẫu đóng góp vào cường độ vạch phổ xác định độ sâu mà điện tử có đủ lượng để kích thích vạch phổ [2] 1.4.2 Kích thích gián tiếp Trong kích thích gián tiếp, tia X đặc trưng mẫu tạo chiếu xạ photon lượng cao (thường tia X) Photon tới bị hấp thụ nhường toàn lượng cho điện tử quỹ đạo Quá trình gọi hấp thụ quang điện Điện tử quỹ đạo bị bứt khỏi nguyên tử gọi điện tử quang Để hiểu rõ phát tia X đặc trưng kích thích tia X sơ cấp, người ta đưa khái niệm biên hấp thụ Hệ số hấp thụ tia X nguyên tố giảm bước sóng giảm số bước sóng có tăng đột ngột hệ số hấp thụ Các bước sóng gọi bước sóng biên hấp thụ hay biên hấp thụ, bước sóng cực đại photon đủ để điện tử từ lớp khỏi nguyên tử nguyên tố Mỗi nguyên tố có nhiều biên hấp thụ tương ứng với lớp điện tử: lớp K có biên hấp thụ λ Kab, lớp L có λLIab, λLIIab, λLIIIab, lớp M có 5, … Đối với ngun tố bước sóng biên hấp thụ lớp giảm lớp gần hạt nhân hay E Kab> ELIab> ELIIab> ELIIIab> EMIab> … Eab lượng biên hấp thụ tương ứng [3] Phổ tia X thu từ mẫu kích thích tia X hay γ thường gồm phổ vạch đặc trưng nguyên tố độ dày hiệu dụng mẫu đóng góp vào cường độ vạch phổ xác định độ sâu mà từ tia X khỏi mẫu [3] 1.5 Sự hấp thụ tia X vật chất 1.5.1 Các hệ số hấp thụ tia X Giả sử chùm tia X hồn tồn song song có cường độ I tới bề mặt chất hấp thụ đồng nhất, có chiều dày đồng mật độ ρ (g/cm3) Sau xuyên đến độ dày x, cường độ chùm tia bị suy giảm I x tượng hấp thụ tán xạ Sự suy giảm tn theo định luật Lambert: (1.6) đó: µlin hệ số tỉ lệ gọi hệ số hấp thụ tuyến tính (hay hệ số suy giảm tuyến tính) có đơn vị cm -1 Hệ số hấp thụ µlin đặc trưng cho hấp thụ vật liệu đơn vị chiều dày đơn vị diện tích Ngồi người ta cịn đưa số hệ số hấp thụ khác, hệ số hấp thụ khối µ đặc trưng cho hấp thụ đơn vị khối lượng vật liệu đơn vị diện tích: µ=µlin/ρ (cm2/g) (1.7) Hệ số hấp thụ khối µ thường hay sử dụng tính chất ngun tử nguyên tố độc lập (đối với mục đích thực nghiệm) với trạng thái vật lý hay hóa học vật liệu Nó phụ thuộc vào bước sóng photon tới nguyên tử số Z chất hấp thụ Giá trị hệ số hấp thụ khối mẫu gồm nhiều nguyên tố A, B, C … là: µλ.ABC… = (WAµA + WBµB+ WCµC + …) λ (1.8) Wi µi nồng độ hệ số hấp thụ khối nguyên tố mẫu Bragg Pierce đưa biểu thức tính hệ số hấp thụ khối nguyên tố: µ=KZ4λ3 (1.9) K số phụ thuộc vào biên hấp thụ Heinrich sau Leroux Thinh đưa biểu thức tính hệ số hấp thụ µ Z,λ sử dụng rộng rãi kỹ thuật phân tích tia X: µZ,λ = CEabsλn = CEabs(12,398/E)n (1.10) 10 C số nguyên tố, E abs lượng (keV) biên hấp thụ thấp hai biên hấp thụ liền lượng E nằm khoảng Các giá trị µ cho tất nguyên tố bước sóng λ = (0,3÷12.4) Ao lượng vạch phổ Kα, Kβ, Lα, Lβ, Mα nguyên tố thường đưa dạng bảng [4] 1.5.2 Hiện tượng hấp thụ tia X Ta thấy rằng, phần cường độ tia X tới bị suy giảm không qua vật hấp thụ, I0 – Ix, kết ba trình sau: hiệu ứng hấp thụ quang điện vật liệu; hai tán xạ photon tới theo tất hướng sau va chạm với nguyên tử Các photon tán xạ có bước sóng dài hơn, tức lượng nhỏ (gọi tán xạ Compton hay tán xạ khơng đàn hồi) giữ ngun bước sóng ban đầu (gọi tán xạ Rayleigh hay tán xạ đàn hồi); cuối tượng hấp thụ tạo cặp điện tử positron, tượng xảy với photon tới có lượng lớn 1,02 MeV Như vùng tia X có lượng ≤ 100keV suy giảm tia X qua vật chất hai tượng hấp thụ quang điện tán xạ gây Trong q trình hấp thụ quang điện nói chung chiếm ưu so với tán xạ Hệ số hấp thụ µ tổng hệ số hấp thụ quang điện τ hệ số tán xạ σ: µλ = τλ + σλ (1.11) hệ số tán xạ σλ tổng thành phần: tán xạ đàn hồi σ coh,λ tán xạ không đàn hồi (tán xạ compton) σinc,λ: σλ = σcoh,λ + σinc,λ (1.12) 1.5.3 Hệ số hấp thụ quang điện Trong vùng lượng tia X nhỏ 100 keV hiệu ứng hấp thụ quang điện chiếm ưu so với tán xạ thường đóng góp khoảng 95% giá trị hệ số hấp thụ µ Vì giá trị thực nghiệm hệ số suy giảm µ chủ yếu phản ánh tính chất hệ số hấp thụ quang điện Đường cong hệ số hấp thụ quang điện τ phụ thuộc vào bước sóng khơng phải đường liên tục mà bị gián đoạn số bước sóng Các bước sóng gọi bước sóng hấp thụ tới hạn hay biên hấp thụ Hệ số hấp thụ τ nguyên tố bước sóng λ tổng tất hệ số hấp thụ quang điện đặc trưng cho hấp thụ photon tia X lớp điện tử nguyên tử, tức là: τλ = τλ,K + τλ,LI +τλ,LII + τλ,M + … (1.13) τλ,i hệ số hấp thụ quang điện bước sóng λ điện tử thuộc lớp I [5] 32 Hình 3.1 Cơ chế phát tia X nguyên tử 3.3 Hệ phổ kế tia X Do chất giống tia X tia gamma nên cấu tạo hệ phổ kế tia X tia gamma giống Chúng chủ yếu khác nguồn kích thích đêtectơ trường hợp đo tia X mềm hệ chứa mẫu phổ kế tia X có nét đặc biệt [1] Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ phổ kế tia X: 1)Đêtectơ; 2)Bộ tiền khuếch đại; 3) Bộ khuếch đại; 4) Bộ phân tích biên độ xung; 5) Bộ hiển thị số liệu; 6) Nguồn ni; 7) Nguồn/ống phóng tia X; 8) Buồng chứa mẫu phân tích Hình 3.2 giới thiệu sơ đồ nguyên lý phổ kế tia X Một hệ phổ kế tia X thường bao gồm: 1- Đêtêctơ xạ có khả nhận biết diện lượng xạ; 2- Bộ tiền khuếch đại có chức khuếch đại sơ tín hiệu ghi được, để có biên độ đủ lớn trước đưa vào khuếch đại tiếp theo; 3- Bộ khuếch đại xung; 4-Bộ phân tích biên độ xung theo lượng; 5Bộ hiển thị số liệu; 6- Bộ nguồn ni cao áp thấp áp để trì hoạt động đêtectơ khối chức khác; 7- Ống phóng tia X; 8- Buồng chứa mẫu phân tích 3.3.1 Đêtectơ tia X Để đo phổ tia X người ta thường sử dụng loại đêtectơ sau đây: 33 - Ống đếm tỷ lệ:Các loại ống đếm tỷ lệ chứa khí có cửa sổ mỏng dùng để đo tia X Tuy rẻ tiền song độ phân giải lượng ống đếm tỷ lệ không cao, khoảng 17%, 23% 36% vạch K tương ứng Fe, Ca Al - Đêtectơ SI-PIN: SI-PIN loại đêtectơ bán dẫn Silic, làm lạnh hiệu ứng Peltier -30oC Loại đêtectơ thường có cửa sổ berili mỏng ~25µm để đo tia X lượng thấp Độ phân giải lượng đêtectơ cao, cỡ 250 eV vạch 5,9 keV - Đêtectơ bán dẫn Si(Li): Đêtectơ bán dẫn Si(Li) có độ phân giải tốt so với loại đêtectơ trên, cỡ 155-190 eV Tuy độ phân giải cao, song thiết bị phải dùng nitơ lỏng bảo quản lẫn hoạt động [1] 3.3.2 Bộ tiền khuếch đại Tiền khuếch đại khối điện tử tiếp sau đêtectơ Do tín hiệu từ đêtectơ tương đối yếu, nên chức tiền khuếch đại khuếch đại sơ tín hiệu đêtectơ Thông thường tiền khuếch đại chế tạo liền khối với đêtectơ để giảm thiểu độ mát tín hiệu trình truyền tải Tuy nhiên số trường hợp người ta chế tạo rời khơng gắn trực tiếp với đêtectơ Có thể coi tiền khuếch đại khối đệm đêtectơ khối điện tử xử lý phân tích xung Ngồi chức tối ưu hố tỷ số tín hiệu-phơng, cịn đóng vai trị dung hồ kết nối mặt trở kháng đêtectơ có trở kháng cao với phận có trở kháng thấp Một chức khác tiền khuếch đại hỗ trợ việc cung cấp điện áp nuôi cho đêtectơ, nguyên tắc cung cấp điện áp ni trực tiếp cho đêtectơ Một cáp nối đêtectơ tiền khuếch đại vừa cung cấp điện áp cho đêtectơ vừa truyền tín hiệu từ đêtectơ cho tiền khuếch đại [1] Hình 3.3 Sơ đồ cung cấp điện áp nuôi đêtectơ qua tiền khuếch đại: 1) Đêtectơ; 2) Tiền khuếch đại; 3) Lối tín hiệu; 4) Lối vào cao áp 3.3.3 Bộ khuếch đại - Bộ khuếch đại tuyến tính 34 Bộ khuếch đại tuyến tính khối điện tử có xung lối tỷ lệ với xung lối vào Hai chức quan trọng khuếch đại tuyến tính tạo dạng xung khuếch đại biên độ; -Tạo dạng xung Thông thường xung lối tiền khuếch đại chuỗi xung có biên độ khác xung có độ dài khác (Hình 3.4) Biên độ v xung tỷ lệ với điện tích đêtectơ gom có hạt xạ bay vào Tiền khuếch đại thường điều chỉnh để thời gian t kéo dài xung đủ lớn, cỡ 50 µs Nếu số hạt bay vào đêtectơ tương đối lớn xung có khuynh hướng chồng chất lên làm tăng số lượng xung mà làm tăng biên độ xung Như ta biết, biên độ xung mang thông tin số điện tích mà đêtectơ gom Chính tượng chồng chập xung (pileup) phần đuôi xung chưa kết thúc, khiến cho thông tin biên độ xung sai lạc (Hình 3.4a) Để khắc phục hiệu ứng chồng chập xung, khuếch đại có nhiệm vụ tạo dạng xung mô tả phần Hình 3.4b Tại đây, phần xung trước giữ lại để hiệu cho biên độ xung sau Sơ đồ nguyên lý tạo dạng xung đơn giản gồm điện trở tụ điện v(t) a) t v(t) b) t Hình 3.4 Hiệu ứng chồng chập xung tạo dạng xung Trong hệ xử lý xung cần phân biệt hai loại xung: Xung tuyến tính xung logic Xung tuyến tính xung có biên độ đơi dạng xung mang thơng tin tín hiệu Cịn xung logic xung có kích thước dạng xung chuẩn mang thông tin diện không diện xung, thời điểm xuất xung 35 Đối với xung tuyến tính, ngồi biên độ mặt tăng thời gian xung tham số quan trọng Mặt tăng thời gian gắn liền đỉnh xung cho dù xung âm hay dương Thơng thường mặt tăng thời gian xung khoảng thời gian mức 10% 90% biên độ xung Đối với xung tuyến tính nhanh, bề rộng tồn phần điểm biên độ cực đại (Full Width at Half Maximum Amplitude-FWHM) coi độ lớn bề rộng xung tồn phần (Hình 3.5) Hình 3.5 Độ lớn bề rộng xung toàn phần - Khuếch đại biên độ Thông thường lối vào khuếch đại tiếp nhận xung có với phân cực cho xung tạo dạng với phân cực độ lớn chuẩn, chẳng hạn hệ đo chuẩn, phân cực dương biên độ xung từ 0-10V Hệ số khuếch đại áp dụng khuếch đại thường nằm khoảng từ 100 tới 5000 Nó điều chỉnh thơng qua tổ hợp điều chỉnh thơ điều chỉnh tinh Ngồi chức trên, khuếch đại tuyến tính cịn có nhiệm vụ khác đảm bảo tốc độ đếm cực đại (giảm thời gian tạo dạng xung), đảm bảo tỷ số xung - tiếng ồn nhỏ, số chức khác 3.3.4 Bộ phân tích biên độ xung Bộ phân tích biên độ xung đơn kênh (Multichannel Pulse Analyzer – SCA) cho phép ghi xung có biên độ xác định từ nguồn phóng xạ Nguyên lý hoạt động hay gọi máy phân tích biên độ nhiều kênh (Multichannel Pulse Analyzer - MCA) dựa nguyên lý máy phân tích biên độ đơn kênh Nếu ngưỡng phân biệt xung biến đổi dải biên độ rộng, ta ghi xung có biên độ hay lượng dải định [1] 36 dN dH FWHM H0 H0 Hm Hn Biên độ H (Số kênh) Hình 3.6 Phổ gamma điển hình máy phân tích biên độ nhiều kênh Các máy phân tích biên độ đại có tới hàng nghìn hàng chục nghìn kênh Trong trường hợp phổ lượng có dạng gần liên tục (Hình 3.6) Trong trường hợp số xung N nằm hai biên độ H n Hm xác định công thức: N =∫ Hm Hn dN dH dH (3.1) Năng lượng xạ nguồn phát có đỉnh cực đại biên độ xung H0 Độ phân giải lượng R thiết bị coi khả phân biệt đỉnh lượng xạ quan tâm R xác định cơng thức: R= FWHM H0 (3.2) Trong đó, FWHM bề rộng toàn phần nửa chiều cao đỉnh cực đại (Full Width at Half Maximum - FWHM) Khi độ phân giải lượng tính theo đơn vị phần trăm Trong nhiều trường hợp người ta coi giá trị FWHM độ phân giải lượng tính theo đơn vị eV keV Thông thường độ phân giải R nhỏ, hệ phổ kế có chất lượng cao Độ phân giải R phụ thuộc vào loại đêtectơ, chất lượng đêtectơ chất lượng khối điện tử kèm 37 3.3.5 Bộ hiển thị số liệu Các hệ phổ kế tia X đại thường kết hợp hệ điện tử nói máy tính cá nhân, số liệu hiển thị hình máy tính 3.3.6 Bộ nguồn ni Ngồi nguồn ni thấp áp có độ ổn định cao, khối cao áp ni đetectơ có ý nghĩa quan trọng đặc biệt Để thu thập điện tích sinh q trình ion hố vật liệu, người ta đặt cao áp vào điện cực đêtectơ, điện cực nối đất Có địi hỏi sau điện áp đêtectơ: - Có giá trị điện áp cực đại có phân cực điện áp; - Có dịng cực đại; - Có độ thăng giáng điện áp cực tiểu biến đổi nhiệt điện áp mạng; - Có lọc tần số để loại trừ tín hiệu ồn tần số thấp dao động yếu mạng điện Thông thường khối cao áp chế tạo dạng mođun thích hợp với hệ điện tử tiêu chuẩn thường có điện áp tới 3000 V với dịng vài miliampe 3.3.7 Nguồn kích thích tia X Trong hệ phổ kế tia X người ta sử dụng nguồn xạ để kích thích mẫu phát tia X đặc trưng Nguồn kích thích mẫu nguồn đồng vị, ống phóng tia X - Nguồn đồng vị: Nguồn đồng vị thường nguồn phát tia gamma mềm, ví dụ nguồn 241Am có chu kỳ bán rã 432,2 năm phát tia gamma lượng 26,3446 keV 59,5409 keV, nguồn 109Cd có chu kỳ bán rã 462,6 ngày, phát tia gamma lượng 88,0366 keV Trong số trường hợp loại nguồn khác sử dụng nguồn alpha 210 Po, nguồn bêta 3H, v.v - Ống phóng tia X: Các ống phóng tia X sử dụng thường có điện áp tương đối thấp cỡ - 30 kV điều chỉnh để dùng điện áp thích hợp Ống phóng sử dụng anốt kim loại nặng Mo, Rh, v.v Dịng ống phóng khoảng 1-300 mA Ưu điểm ống phóng áp dụng đối tượng mẫu phân tích đa dạng, song phổ phân tích thường có phơng tương đối lớn 38 3.3.8 Buồng mẫu phân tích Trong hệ phổ kế đo tia X lượng thấp, người ta thường đặt nguồn kích thích buồng mẫu phân tích hệ chân khơng để giảm thiểu ảnh hưởng hấp thụ luợng phân tử chất khí nước có khơng khí Người ta thay khơng khí loại khí nhẹ heli chẳng hạn Hình 3.7: Giới thiệu hệ phổ kế tia X dùng ống phóng tia X, khay chứa 10 mẫu; ống kích thích tia X đêtectơ SI-PIN đặt buồng chân khơng Hình 3.7 Hệ phổ kế huỳnh quang tia X dùng ống phóng tia X 3.4 Tìm hiểu phương pháp huỳnh quang tia X phân tích thành phần phối liệu xi măng Trong cơng nghiệp xi măng phương pháp huỳnh quang tia X phương pháp kiểm tra tiện lợi trình kiểm tra thành phần phối liệu xi măng Phương pháp phân tích đồng thời thành phần phối liệu nguyên liệu sản xuất xi măng SiO 2, Al2O3, CaO Fe2O (thông qua nguyên tử Si, Al, Ca Fe) Do tia X đặc trưng Al Si có lượng thấp nên thiết bị đo phổ, hệ “nguồn kích thích - mẫu – đêtectơ” thường đặt chân không 39 Bảng giới thiệu lượng tia X đặc trưng nguyên tố thành phần xi măng Bảng Năng lượng tia X đặc trưng số nguyên tố xi măng tính theo đơn vị keV Nguyên tố Kα1 Kα2 Kβ1 1,.293 Al 1,553 1,740 1,739 1,832 2,014 2,136 3,310 3,589 3,691 3,688 4,012 4,085 4,460 5,887 6,490 6,403 6,390 7,057 6,930 Fe 1,486 5,898 26 1,832 4,090 Ca 1,739 3,313 20 1,553 2,015 Si 1,486 1,487 14 1,487 1,740 13 6,915 7,649 Ví dụ: Tính lượng Kα nguyên tử Cu (k = 10, Z = 29), E = 10 x (29) 1000 = 8.41 KeV Hình 3.8 giới thiệu phổ tia X thu hệ thiết bị phân tích thành phần nguyên liệu xi măng 40 Hình 3.8 Phổ tia X nguyên liệu xi măng: Từ trái sang phải đỉnh tia X Al, Si, Ca Fe Dưới số đặc trưng ưu điểm, nhược điểm số thiết bị phân tích huỳnh quang tia X dùng công nghệ xi măng giới Thiết bị nhóm Tominaga (Nhật Bản) - - Nguồn hoạt độ 10 mCi Po210 (nguồn α): đo nhóm nguyên tố nhẹ; hoạt độ Ci H3-Zr dùng để đo sắt Đetectơ: ống đếm tỷ lệ chứa khí Nhận xét: Độ phân giải ống đếm tỷ lệ không cao (17%, 23% 36% vạch K tương ứng Fe, Ca Al) Thiết bị XR-100CR (Hãng Amptek) - Nguồn: Cd109 Đetectơ: SI-PIN (-300C) Nhận xét: Độ phân giải tốt, nguồn chóng phải thay chu kỳ bán rã nguồn nhỏ, thiết bị đắt tiền Thiết bị EX-310LC (Gordan Valley) - Nguồn: ống phóng tia X Đetectơ: PIN - Diod Nhận xét: Độ phân giải tốt, thời gian làm việc lâu Thiết bị đắt tiền 41 Hệ thiết bị huỳnh quang tia X dùng Si(Li) đetectơ - - Nguồn: ống phóng tia X Đetectơ: Si(Li) làm lạnh nitơ lỏng Độ phân giải 155-190 eV phân tích nguyên tố Na – U Nhận xét: Phân tích đa nguyên tố, độ phân giải cao, đắt tiền, khơng tiện lợi dùng nitơ lỏng Hệ đo huỳnh quang tia X dùng đetectơ Si-PIN a) Đetectơ: - Tiếng ồn thấp Cửa sổ mỏng ~25µmBe Độ phân giải cao 250eV 5,9 KeV Kích thước2.4x2.8x0.3mm Loại Si-PIN làm nguội hiệu ứng Peltier: -30oC, dòng 0.7A, 2.1V Tiền khuếch đại:Tiếng ồn nhỏ - Nguồn nuôi: ±8VDC, 35 mA - - Cơng suất đetectơ : to +110VDC @ 10µA - Xung ra: + Bề rộng 21.7µs , mặt tăng 15.3 µs, mặt giảm xung 14.7µs + Độ nhạy 1mV/keV + Cực xung : Âm (1kΩ -cực đại) b) Ống phóng tia X: - Anod: Mo, N (R-h…) Cửa sổ 0.127 mmBe Điện áp: – 30 KeV (Bước điều chỉnh KeV) Dòng – 300 mA (Bước điều chỉnh mA) Công suất max: W Độ ổn định (8h) ± 0.2% (1h) ± 0.15% Bức xạ: ± 0.25 mR/h khoảng cách cm c) Nhận xét ưu điểm hệ thiết bị: - - Dễ vận hành 42 - Độ phân giải cao Thời gian làm việc lâu dài Giá thành chấp nhận Hệ phổ kế tia X phân tích đa nguyên tố Trung tâm Kỹ thuật Hạt nhân, Viện Khoa học Kỹ thuật Hạt nhân chế tạo thuộc loại thiết bị dùng đêtectơ Si-PIN Thiết bị sử dụng phân tích phối liệu công nghiệp xi măng Hệ phổ kế tia X nói chung sử dụng lĩnh vực khác hóa dầu, phân bón, thực phẩm, luyện kim, mơi trường, kim hồn, v.v… - 43 KẾT LUẬN CHUNG Với việc tìm hiểu phương pháp huỳnh quang tia X tìm hiểu việc ứng dụng phương pháp để phân tích thành phần phối liệu xi măng luận văn đạt kết sau: Tìm hiểu sở vật lý phương pháp huỳnh quang tia X phân tích vật liệu Tìm hiểu phương pháp phân tích định lượng huỳnh quang tia X Tìm hiểu phương pháp huỳnh quang tia X để phân tích thành phần phối liệu xi măng Nếu có điều kiện tơi tìm hiểu tiếp việc ứng dụng phương pháp huỳnh quang tia X để phân tích vật liệu khác vàng, gốm, tiền cổ… 44 Tài liệu tham khảo [1] Đào Trần Cao, Ngô Dương Sinh Lê Quang Huy, “Nghiên cứu chế tạo detector Si(Li) để ghi phổ tia X viện Vật lý”, Báo cáo hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ III, Hà Nội [2] Trần Đại Nghiệp Một số phương pháp thực nghiệm Vật lý Hạt nhân Sách: Một số phương pháp vật lý thực nghiệm đại (Chủ biên Đào Khắc An), NXB Giáo dục Việt nam, Hà nội 2012 [3] G F Knoll Radiation detection and measurement John Wiley&Sons, New York, 1989 [4] Colomban Ph And Paulsen O (2004), “Raamn determination of the structure and composition of glazes” [5] Colomban Ph., Sagon S., L Q Huy, N Q Liem and L Mazerolles (2004), “Vietnamese (15th Century) Blue-And-White, Tam Thai and Lustre Porcelains/Stonewares: Glaze Compostion and Decoration Techniques”, Archaeometry, 46(1), pp 125-136 [6] Contiero E And Folin M (1994),”Trace Elements Nutritional Status: Use of Hair as a Diagnostic Tool”, Biol Trace Element Res., 40, pp.151160 [7] www.ichtj.waw.pl/ichtj/nukleon/back/full/ /v49n3p087f.pdf [8]www.brukeraxs.de/LR_XRFPICOFOX_Authenticity_test_low_res.pdf [10] www.springerlink.com/index/j32rux7335641653.pdf [11] www.bruker-axs.de/sec3_1.html ... lượng huỳnh quang tia X Tìm hiểu phương pháp huỳnh quang tia X để phân tích thành phần phối liệu xi măng Nếu có điều kiện tơi tìm hiểu tiếp việc ứng dụng phương pháp huỳnh quang tia X để phân tích. .. việc ứng dụng phương pháp để phân tích thành phần phối liệu xi măng luận văn đạt kết sau: Tìm hiểu sở vật lý phương pháp huỳnh quang tia X phân tích vật liệu Tìm hiểu phương pháp phân tích định... chảy x? ?c phân tích tia X đơn sắc 2.2.1 Phương pháp thêm chuẩn Khi nồng độ nguyên tố phân tích C x mẫu tăng thêm lượng ? ?x cường độ vạch phổ nguyên tố phân tích Ix, Ix+? ?x nồng độ Cx, Cx+? ?x tương ứng