Phân tích mẫu đá quý văn hóa Ốc Eo trên máy huỳnh quang Tia X-Titan S800

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Văn Hƣng PHÂN TÍCH MẪU ĐÁ QUÝ VĂN HÓA ÓC EO TRÊN MÁY HUỲNH QUANG TIA X−TITAN S800 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội − Năm 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Văn Hƣng PHÂN TÍCH MẪU ĐÁ Q VĂN HĨA ĨC EO TRÊN MÁY HUỲNH QUANG TIA X−TITAN S800 Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số: 8440130.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Bùi Văn Loát Hà Nội − Năm 2019 Lời cảm ơn Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn PGS.TS Bùi Văn Loát trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ em trình làm luận văn tốt nghiệp Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Nguyễn Quang Miên Viện Khảo Cổ học Việt Nam, chủ nhiệm đề tài “Phân tích mẫu đá q văn hóa Ĩc Eo máy huỳnh quang tia X−TITAN S800” tạo điều kiện sở vật chất hướng dẫn em trình làm thực nghiệm Em xin bày tỏ kính trọng lòng biết ơn sâu sắc tới thầy cô Bộ môn Vật lý hạt nhân − Khoa Vật lý dạy, giúp đỡ em trình học tập Những giảng tỉ mỉ lôi thầy, cô giúp em nhiều chuyển sang học chuyên ngành Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới: Các thầy, cô giáo tham gia giảng dạy lớp Cao học Vật lý 2017−2019 Viện Khảo cổ học tạo điều kiện trang thiết bị, phòng thí nghiệm sử dụng hệ đo phục vụ cho luận văn Các bạn học viên cao học khóa 2017−2019 ngành Vật lý nói chung chuyên ngành Vật lý nguyên tử nói riêng, đồng hành học tập, nghiên cứu hoạt động khác Cuối cùng, xin bày tỏ lòng cảm ơn tới gia đình bạn bè thường xuyên động viên, khuyến khích tạo điều kiện để tác giả hoàn thành luận văn Hà Nội, tháng 11 năm 2019 Nguyễn Văn Hƣng MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Vài nét văn hóa Ĩc Eo 1.2 Phƣơng pháp phân tích huỳnh quang tia X xác định hàm lƣợng nguyên tố 1.1.1 Cơ sở vật lý 1.2.2 Q trình kích thích nguyên tử 1.2.3 Phổ tia X đặc trưng 1.2.4 Hiệu suất huỳnh quang 10 1.2.5 Cường độ chùm tia X đặc trưng 11 1.3 Kỹ thuật đo phân tích phổ tia X 15 1.3.1 Yêu cầu nguồn kích thích 15 1.3.2 Yêu cầu mẫu phân tích 16 1.3.3 Yêu cầu Detector đo tia X 16 1.4 Các phƣơng pháp xác định hàm lƣợng 17 1.4.1 Phương pháp so sánh tương đối 17 1.4.2 Phương pháp chuẩn 17 1.5 Các nguồn sai số 18 1.5.1 Sai số bắt nguồn từ trình làm mẫu 18 1.5.2 Sai số hiệu ứng ma trận hiệu ứng bậc cao 18 1.6 Ứng dụng 18 CHƢƠNG 2: THIẾT BỊ VÀ PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 20 2.1 Thiết bị 20 2.2 Detector tia X SDD 21 2.2.1 Các phận detector SDD 23 2.2.2 Cơ chế hoạt động SDD 25 2.3 Ống phóng tia X 27 2.3.1 Cấu tạo 27 2.3.2 Cơ chế phát tia X 27 2.4 ích thích đo mẫu tính hàm lƣợng ngu n tố 30 CHƢƠNG 3: ẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33 3.1 Các ƣ c tiến hành phân tích mẫu 33 3.1.1 Chuẩn 3.1.2 i 3.2 ẫu đo 33 tra độ ch nh xác thiết v ố tr h nh h c đo 34 ết phân tích mẫu đá q văn hóa Ĩc Eo 38 ẾT LUẬN 44 TÀI LIỆU THAM HẢO 45 PHỤ LỤC 47 DANH MỤC BẢNG TRONG LUẬN VĂN Bảng 1.1 Ký hiệu vạch tia X đặc trưng, trạng thái đầu trạng thái cuối dịch chuyển tương ứng với vạch [3] Bảng 2.1 Các vạch tia X đặc trưng nguyên tố đư c chọn để xác định hàm lư ng 32 Bảng 3.1 Kết tốc độ đếm đỉnh đặc trưng hàm lư ng nguyên tố mẫu chuẩn % 37 Bảng 3.2 Kết xác định hàm lư ng nguyên tố mẫu 378 .39 Bảng 3.3 Kết xác định hàm lư ng nguyên tố mẫu phân tích .40 Bảng 3.4 Kết xác định hàm lư ng nguyên tố mẫu phân tích .40 DANH MỤC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN Hình 1.1 Chuỗi hạt đá q văn hóa Ĩc Eo phòng 10 bảo tàng thành phố Hồ Chí Minh [21] Hình 1.2 Chuỗi trang sức gồm hạt chuỗi thạch anh tím 33 hạt chuỗi pha lê, khai quật di Gò Hàng (Long An) Thế kỷ Trước CN - Sau CN Hiện vật Bảo tàng Long An [18] .4 Hình Sơ đồ kích thích nguyên tử photon trình phát tia X đặc trưng kèm theo [9] Hình Sơ đồ dịch chuyển mức ký hiệu vạch tia X đặc trưng [9] Hình Phổ tia X đặc trưng [27] 10 Hình 1.6 Hình học nguồn-mẫu-detector phân tích huỳnh quang đặc trưng [30] 12 Hình Đồ thi mô tả sử phụ thuộc cường độ tia X [30] 13 Hình Thiết bị huỳnh quang tia X, TITAN S800, phòng thí nghiệm Viện Khảo cổ học [22] 20 Hình 2 Cấu trúc detector SDD [19] 21 Hình Phổ thu đư c detector SDD (25 mm2/500 µm) [19] 22 Hình Độ phân giải lư ng detector SDD đỉnh 5,89 keV [19] 22 Hình Cấu tạo mạch TKĐ detector SDD [19] 24 Hình Cơ chế hoạt động detector SDD TKĐ kèm [19] 24 Hình Cơ chế hoạt động SDD [19] 26 Hình Cấu tạo ống phóng tia X [27] 27 Hình 2.9 Quá trình làm chậm điện tử trường Culông 29 Hình 2.10 Phổ phát xạ tia X đư c bắn chùm điện tử đư c gia tốc với điện khác [16] 30 Hình 3.1 Xử lí mẫu trước đo 33 Hình 3.2 Đo thử nghiệm mẫu chuẩn 35 Hình 3.3 Sơ đồ lắp đặt hệ đo huỳnh quang tia X phòng thí nghiệm Viện Khảo cổ học 36 Hình 3.4 Xử lí phổ máy tính phòng thí nghiệm Viện Khảo cổ học 36 Hình 3.5 Phổ thu đư c mẫu chuẩn với thời gian đo 60 s 37 Hình 3.6 Mẫu hạt phân tích 38 Hình 3.7 Phổ tia X đặc trưng mẫu 378 đo 30 s .39 DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT ADC : Analog Digital Converter –Chuyển đổi kỹ thuật số tương tự FET : Field- effect transistor - Transitor hiệu ứng trường ppm : parts per million - phần triệu NTĐT : Nguyên tố đặc trưng SDD : Silicon Drift Detectors - Đầu dò trơi Silicon TKĐ : Tiền khuếch đại UNESCO: United Nations Educational Scientific and Cultural Organization -Tổ chức Khoa học Văn hóa Giáo dục Liên H p Quốc XRF : X-ray fluorescent - Huỳnh quang tia X : Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Hƣng MỞ ĐẦU Văn hóa Ĩc Eo văn hóa cổ hình thành phát triển khoảng từ kỉ I đến kỉ VII sau công nguyên vùng hạ lưu châu thổ sông Mê Kông (Nam Bộ) Từ sau năm 1975, văn hóa Ĩc Eo vấn đề đư c giới khảo cổ học Việt Nam quốc tế quan tâm đặc biệt Đã có nhiều khảo sát khai quật tìm kiếm di khảo cổ Các sưu tập trang sức kim loại quý, đá ngọc, thủy tinh tìm thấy di khảo cổ Điều chứng tỏ văn hóa Ĩc Eo tồn với tư cách văn minh rực rỡ có ảnh hưởng quan hệ mật thiết với lịch sử Đông Nam Á thời cổ Hiện nay, Bộ văn hóa làm hồ sơ khoa học trình lên UNESCO để đề nghị đư c cơng nhận Ĩc Eo Di sản văn hóa Thế giới Trong cổ vật tìm thấy di sản văn hóa Ĩc Eo cho thấy có nhiều cổ vật, đồ trang sức đư c làm thủy tinh, chuỗi đá quý Nghiên cứu cho thấy đồ trang sức đư c làm thủy tinh, đá quý khai quật đư c văn hóa Ĩc Eo có chứa h p chất Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Ti, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn dạng oxit Đối với cổ vật phương pháp nghiên cứu xác định hàm lư ng yêu cầu khơng gây phá hủy mẫu Vì để xác định hàm lư ng nguyên tố sử dụng phương pháp huỳnh quang tia X thích h p Mục tiêu luận văn sử dụng phương pháp huỳnh quang tia X máy TiTan-S800 xác định hàm lư ng nguyên tố có mẫu đá q thời kỳ văn hóa Ĩc Eo Kết thu đư c luận văn nhận diện xác định đư c hàm lư ng nguyên tố đặc trưng có đá q văn hóa Ĩc Eo Các kết luận văn sở khoa học khẳng định tồn văn hóa Óc Eo đồng thời góp phần vào hồ sơ khoa học trình lên UNESCO cơng nhận Óc Eo Di sản văn hóa giới Bản luận văn phần mở đầu kết luận đư c chia thành chương Chương Tổng quan Chương Thiết bị phương pháp thực nghiệm Chương Thực nghiệm kết Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Hƣng CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Vài nét văn hóa Ĩc Eo Năm 1944 nhà khảo cổ người Pháp Louis Malleret phát văn hóa Ĩc Eo Vọng Thê, An Giang Đây văn hóa cổ hình thành phát triển khoảng từ kỉ I đến kỉ VII sau công nguyên vùng Nam Bộ Từ sau năm 1975, văn hóa Ĩc Eo vấn đề đư c khảo cổ học quan tâm đặc biệt Đã có nhiều khảo sát khai quật tìm kiếm đư c hàng trăm ngàn cổ vật di khảo cổ Trong cổ vật tìm thấy, có nhiều cổ vật, đồ trang sức đư c làm kim loại quý, đá ngọc, thủy tinh tinh xảo tìm thấy di khảo cổ Điều chứng tỏ văn hóa Ĩc Eo tồn với tư cách văn minh rực rỡ có ảnh hưởng quan hệ mật thiết với lịch sử Đông Nam Á thời cổ Hiện nay, Bộ văn hóa làm hồ sơ khoa học trình lên UNESCO để đề nghị đư c cơng nhận Ĩc Eo Di sản văn hóa Thế giới Các vật khảo cổ chứng khoa học chứng minh cho văn hóa Các kết khảo cổ văn hóa Ĩc Eo có nhiều hạt thủy tinh, đá quý từ đồ trang sức làm thủy tinh, chuỗi đá quý Các khảo sát, điền dã khai quật thu đư c hàng vạn vật phong phú, đa dạng vừa mang tính địa, vừa có tính giao lưu kinh tế với trung tâm lớn thời Trung Quốc, Ấn Độ, La Mã, Ba Tư… Sau hàng ngàn năm bị hoang phế thiên nhiên (lũ lụt, bồi lấp phù sa), nguyên nhân xã hội chiến tranh, phá hoại vô thức cuả người, dấu tích văn hố Ĩc Eo phế tích “các mảnh vụn” Các nhà khảo cổ khai quật 90 di tích (hoặc khu di tích) đư c kiểm chứng phát Nhiều di cư trú kiểu nhà sàn, di xưởng thủ công chế tác đồ đá, kim loại, gốm đư c ghi nhận Hàng chục di đền đài, đền tháp, mộ táng đư c xây gạch gạch đá hỗn h p đư c khai quật, xử lý Hàng vạn cổ vật nhiều chất liệu: đá, đồng, gốm, kim loại quý… đư c thu thập di tích Những di vật văn hóa Ĩc Eo chứa đựng nhiều giá trị lớn vật chất – tinh thần, khoa học kỹ thuật, kinh tế xã hội Ngồi di tích đền tháp, mộ táng, sưu tập tư ng đá, tư ng gỗ tuyệt tác đư c làm theo phong cách Hindu giáo, Phật giáo Các Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Hƣng KẾT LUẬN Luận văn hoàn thành nội dung nghiên cứu đặt ra, kết nghiên cứu Luận văn bao gồm: Đã tiến hành nghiên cứu sở lý thuyết phương pháp huỳnh quang tia X để xác định thành phần hóa học hàm lư ng nguyên tố có mẫu vật Trong luận văn em sử dụng đo mẫu chế độ mẫu bão hòa Với mẫu đo chế độ bão hòa, cường độ chùm xạ tia X phát từ mẫu tỷ lệ thuận với hàm lư ng mẫu tỷ lệ thuận với cường độ chùm xạ sơ cấp Việc gia công mẫu dày đơn giản không cầu kỳ làm mẫu mỏng Khi phân tích mẫu theo chế độ mẫu bão hòa yêu cầu thành phần mẫu phân tích mẫu chuẩn phải Đã nghiên cứu tìm hiểu thiết bị huỳnh quang tia X cầm tay, số hiệu TITAN S800 hãng Bruker (USA) sản xuất Nhờ có ống phát tia X với dải lư ng rộng từ – 50kV cho khả kích thích mẫu hiệu quả, tối ưu hóa chùm tia X SharpBeam với detector ghi thuộc loại SDD (Silicon Drift Detector) có độ phân dải