Phân tích nguyên tố dựa vào phổ tán xạ ngược Rơdơpho(RBS) trên máy gia tốc Tandem Pelletron 5SHD-2 Đại học Khoa học Khoa học Tự nhiên

Ngày nay các phương pháp phân tích hạt nhân đã khẳng định được vị trí cao của mình trong lĩnh vực phân tích vì chúng có những ưu điểm như độ nhạy và độ chính xác cao, tốc độ phân tích nh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA VẬT LÝ

Nguyễn Thế Bình

PHÂN TÍCH NGUYÊN TỐ DỰA VÀO PHỔ TÁN XẠ NGƯỢC RƠDƠPHO (RBS) TRÊN MÁY GIA TỐC TANDEM PELLETRON 5SDH-2 ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2013

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA VẬT LÝ

Nguyễn Thế Bình

PHÂN TÍCH NGUYÊN TỐ DỰA VÀO PHỔ TÁN XẠ NGƯỢC RƠDƠPHO (RBS) TRÊN MÁY GIA TỐC TANDEM PELLETRON 5SDH-2 ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Chuyên nghành: Vật lý nguyên tử

Mã số: 60440106

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS BÙI VĂN LOÁT

Hà Nội – Năm 2013

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS.TS Bùi Văn Loát – Bộ môn Vật lý hạt nhân, khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ để em hoàn thành bản luận văn này

Đồng thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.S Nguyễn Thế Nghĩa, Th.S Vi Hồ Phong Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên đã luôn ủng hộ, tạo điều kiện cho

em trong thời gian làm thực nghiệm tại phòng máy gia tốc

Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô tham gia giảng dạy lớp Cao Học Vật Lý, khóa học 2011 – 2013, đã giảng dạy cho chúng em trong suốt quãng thời gian chúng em học tập

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã luôn bên cạnh, động viên, giúp em vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành được đề tài này

Mặc dù đã rất nỗ lực cố gắng, song, chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, bổ sung của thầy cô, các anh chị và các bạn

Hà Nội, tháng 12 năm 2013

Học viên

Nguyễn Thế Bình

DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ Danh mục bảng biểu

Bảng 3.2 Kết quả mô phỏng của mẫu chuẩn

Bảng 3.3 Kết quả mô phỏng của mẫu số 1

Bảng 3.4 Kết quả mô phỏng của mẫu số 2

Hình 1.3 Mẫu nguyên tử của Thomson

Hình 1.4 Mẫu nguyên tử của Rutherford

Hình 1.5 Sơ đồ tán xạ của hạt alpha

Hình 1.6 Quá trình tán xạ đàn hồi trong hệ quy chiếu phòng thí

nghiệm

Hình 1.7 Phổ tán xạ ngược của mẫu chuẩn Au-Cu trên hệ phân

tích RBS trên máy gia tốc 5SHD – Pellectron của Bộ môn Vật lý hạt nhân

Hình 1.8 Quá trình tán xạ tại bề mặt và tại độ sâu t đều dẫn tới ion

bay về detector

Hình 2.1 Nguồn tạo ion dương RF

Hình 2.2 Buồng gia tốc chính

Hình 2.3 Nam châm chuyển kênh

Hình 2.4 Buồng chiếu mẫu

Hình 2.5 Thanh công cụ SIMNRA

Hình 2.6 Hình học thay mẫu

Hình 3.1 Phổ mẫu chuẩn năng lượng

Hình 3.2 Chuẩn năng lượng bằng phần mềm origin

Hình 3.3 Mô phỏng mẫu chuẩn sử dụng SIMNRA

Hình 3.4 Đỉnh đồng và đỉnh vàng trong phổ mẫu chuẩn

Hình 3.5 Phân bố nồng độ nguyên tố theo độ sâu của mẫu chuẩn

Hình 3.6a Phổ thực nghiệm và mô phỏng của mẫu số 1

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 9

Chương I PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NGUYÊN TỐ DỰA TRÊN TÁN XẠ NGƯỢC RUTHERFOR 12

1.1 Hiệu ứng tán xạ ngược Rutherford 12

1.1.1.Bố trí thí nghiệm 12

1.1.2 Phân bố góc tán xạ 13

1.1.3 Mẫu nguyên tử của Rutherford 15

1.1.4 Tham số tán xạ ngược 15

1.2 Những ứng dụng của hiệu ứng tán xạ ngược 17

1.2.1 Nhận diện các nguyên tố trong bia - Hệ số động học tán xạ ngược 17

1.2.2 Phân tích định lượng - Tiết diện tán xạ vi phân 21

1.2.3 Phân tích bề dày mẫu - Độ hao phí năng lượng 22

Chương II THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 27

2.1 Máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron 27

2.1.1 Nguồn ion 28

2.1.2 Buồng gia tốc chính 29

2.1.3 Hệ chân không 31

2.1.4 Các bộ phận hội tụ, điều chỉnh chùm tia 31

2.1.5 Kênh phân tích 32

2.1.6 Hệ detector 33

2.1.7.Phần mềm điều khiển máy gia tốc AccelNET 34

2.1.8 Phần mềm cho MCA (MAESTRO) 34

2.1.9 Phần mềm thu thập dữ liệu định tính RC43 34

2.2 Phần mềm phân tích SIMNRA 35

2.2.1 Giới thiệu chung 35

2.2.2 Sử dụng SIMNRA 35

2.3 Thực nghiệm chiếu mẫu và ghi nhận phổ RBS 37

2.3.1 Vận hành nguồn RF 37

2.3.2.Vận hành buồng gia tốc chính 39

2.3.3 Vận hành buồng phân tích RC43 41

2.3.4 Quá trình thay mẫu 43

2.3.5 Quá trình chiếu mẫu và thu thập dữ liệu 44

Chương 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 46

3.1 Xây dựng đường chuẩn năng lượng 46

3.2 Phân tích hàm lượng các nguyên tố theo phương pháp RBS 50

3.2.1 Kết quả phân tích mẫu chuẩn 50

3.2.2 Kết quả phân tích mẫu số 1 54

3.2.3 Kết quả phân tích mẫu số 2 56

3.3 Kết luận 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

MỞ ĐẦU

Sự ra đời và phát triển của các phương pháp phân tích hạt nhân gắn liền với những thành tựu của Vật lý và kỹ thuật hạt nhân hiện đại Ngày nay các phương pháp phân tích hạt nhân đã khẳng định được vị trí cao của mình trong lĩnh vực phân tích vì chúng có những ưu điểm như độ nhạy và độ chính xác cao, tốc độ phân tích nhanh, mẫu phân tích không bị phá hủy và có thể tiến hành phân tích đồng thời nhiều nguyên tố Trong điều kiện kỹ thuật cho phép các phương pháp hạt nhân còn có thể tự động hóa được toàn bộ quy trình phân tích Đây là một ưu điểm mà nhiều phương pháp phân tích khác không có được[1]

Hiện nay, có 5 phương pháp phân tích hạt nhân cơ bản Mỗi phương pháp có khả năng đáp ứng được những yêu cầu khác nhau như: [1]

- Phương pháp phân tích kích hoạt hạt nhân

- Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X

- Phương pháp phân tích Urani

- Phương pháp phân tích dựa trên hiệu ứng tán xạ ngược Rơdơpho (RBS)

- Phương pháp phân tích Cacbon phóng xạ sử dụng hệ phổ kế gia tốc Bản khóa luận trình bày về một trong 5 phương pháp, đó là: Phương pháp phân tích dựa trên hiệu ứng tán xạ ngược Rơdơpho(RBS)

Trong phân tích RBS, nguồn ion được sử dụng phổ biến là He2+ Tuy nhiên phương pháp RBS sẽ cho độ phân giải khối lượng cao hơn trong trường hợp sử dụng các ion nặng hơn He2+ nhằm mục đích phân tích các nguyên tố nặng

Ứng dụng phổ biến nhất của phương pháp phân tích RBS là xác định thành phần và hàm lượng các nguyên tố ở gần lớp bề mặt của mẫu Một hướng ứng dụng khác là nghiên cứu sự phân bố của các nguyên tố theo chiều sâu, ví dụ xác định bề dày của các màng mỏng kim loại như Au, Ta, Co và các màng mỏng đioxit trên các đế Silic

Tất cả quá trình thực nghiệm đều được tiến hành trên hệ máy gia tốc 5SHD-2 Pelletron thuộc Bộ môn Vật lý hạt nhân , Khoa Vật Lý, Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên- ĐHQGHN

Phần nội dung chính của khóa luận được trình bày trong 3 chương:

- Chương 1: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NGUYÊN TỐ DỰA TRÊN TÁN XẠ NGƯỢC RƠDƠPHO

- Chương 2: THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

- Chương 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Chương I PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NGUYÊN TỐ DỰA TRÊN TÁN XẠ NGƯỢC RUTHERFOR

1.1 Hiệu ứng tán xạ ngược Rutherford

Thí nghiệm tán xạ ngược Rutherford được thực hiện bởi Hans Geiger và Ernest Marsden năm 1909 dưới sự chỉ đạo của nhà vật lý người New Zealand

là Ernest Rutherford Và Rutherford giải thích kết quả thu được vào năm

1911, khi họ bắn phá các hạt tích điện dương nằm trong nhân các nguyên tử (ngày nay gọi là hạt nhân nguyên tử) của lá vàng mỏng bằng cách sử dụng

chùm tia alpha phát ra từ nguồn RaC

1.1.1.Bố trí thí nghiệm

Hình 1.1 Sơ đồ thí nghiệm phát hiện ra hạt nhân nguyên tử của Rutherford

Bắn một chùm hạt alpha vào lá vàng mỏng đặt trong buồng chân không Quan sát các hạt alpha sau khi tương tác với lá vàng bằng cách đếm các chớp sáng

xuất hiện khi các hạt alpha đập vào màn sunfua kẽm ZnS Kết quả thí nghiệm chỉ

ra rằng phần lớn các hạt alpha đi thẳng Nhưng có những hạt alpha tán xạ ở những góc lớn, thậm chí có hạt tán xạ với góc tán xạ gần 1800. (tán xạ ngược)

1.1.2 Phân bố góc tán xạ

Bằng sơ đồ thí nghiệm tinh vi Rutherford và cộng sự đã xây dựng được

đồ thị mô tả phân bố số hạt tán xạ theo góc tán xạ  hình 1.2

Hình 1.2 Phân bố góc hạt alpha theo góc tán xạ Trục tung theo thang

logarit [2]

Hình 1.3 Mẫu nguyên tử của Thomson

Nếu dựa trên mẫu nguyên tử của Thomson trong nguyên tử các proton tích điện dương phân bố đều trên toàn bộ nguyên tử có dạng hình cầu, còn các electron phân bố đan xen trong quả cầu thì xác suất của hạt alpha tán xạ trên lá vàng với góc tới lớn hơn 900 là cực kỳ nhỏ (khoảng 10-3500) Tuy nhiên, trong kết quả thu được trên thí nghiệm Rutherford lại lớn hơn rất nhiều (1/8000) Rutherford cho rằng một thành phần tích điện dương trong nguyên tử vàng phải có thể tích nhỏ nhưng rất nặng → Ông gọi đó là hạt nhân nguyên tử

Hình 1.4 Mẫu nguyên tử của Rutherford

1.1.3 Mẫu nguyên tử của Rutherford

Năm 1911, Rutherford đề xuất nguyên tử hành tinh nguyên tử Nguyên

tử gồm có hạt nhân tích điện dương, và các electron quay xung quanh hạt nhân Hạt nhân ở tâm nguyên tử và có kích thước rất nhỏ (bán kính nhỏ hơn bán kính nguyên tử từ đến 100000 lần ) nhưng chứa toàn bộ điện tích dương

và trên 99% khối lượng nguyên tử Các electron chuyển động xung quanh hạt nhân và liên kết với hạt nhân bằng lực Coulomb

"Mẫu hạt nhân nguyên tử" và sự phù hợp với thí nghiệm Geiger-Marsden:

- Khi nhìn từ tia tới sẽ thấy tất cả các hạt nhân nguyên tử chỉ là những chấm nhỏ (như sao trời), tức là có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng => Có một số hạt alpha đi qua được "mạng lưới" hạt nhân

- Mặt khác, khi hạt alpha chuyển động càng gần hạt nhân bao nhiêu thì

sẽ bị lực đẩy Coulomb làm lệch một góc lớn bấy nhiêu (Hiện tượng tán xạ)

- Một số ít hạt alpha chuyển động theo hướng xuyên tâm đối với hạt nhân sẽ bị bật ngược trở lại (do lực đẩy Coulomb) với góc xấp xỉ bằng 180 độ Mẫu nguyên tử Rutherford đã giải thích được bản chất của hiện tượng tán xạ ngược do ông và các cộng sự phát hiện ra Hiệu ứng này còn gọi là hiệu

ứng tán xạ ngược Rutherford

1.1.4 Tham số tán xạ ngược

Khi hạt alpha bay đến hạt gần hạt nhân tùy thuộc vào khoảng cách b từ hạt nhân tới quỹ đạo của hạt alpha bay tới mà nó tán xạ với góc tán xạ khác nhau Để xác định b từ hạt nhân kẻ đường vuông góc với quỹ đạo của hạt alpha bay tới (Hình 1.5) Khoảng cách từ hạt nhân tới quỹ đạo của hạt alpha tới được gọi là tham số tham số tác động b Trong [1,3,4] đưa ra biểu thức liên hệ giữa góc tán xạ  và tham số tác động b, theo công thức sau:

Hình 1.5 Sơ đồ tán xạ của hạt alpha

Với hạt nhân bia cho trước, năng lượng hạt alpha tới là E0 xác định, khi tham số tán xạ càng nhỏ thì góc tán xạ càng lớn Khi tham số tán xạ b =0 góc tán xạ 0

180 ,

  tương ứng với va chạm trực diện hạt alpha tán xạ góc 1800 Góc tán xạ lớn khi năng lượng hạt alpha nhỏ và hạt alpha tán xạ trên hạt nhân bia có điện tích lớn

1.2 Những ứng dụng của hiệu ứng tán xạ ngược

Trong các bài toán ứng dụng của hiệu ứng tán xạ ngược, chùm ion được

sử dụng có năng lượng nhỏ hơn ngưỡng của phản ứng hạt nhân Khi đi trong bia ion tới sẽ tương tác Coulomb không đàn hồi với hạt nhân và electron của nguyên tử bia truyền động lượng cho nguyên tử kết quả năng lượng của các ion giảm dần Căn cứ vào đặc điểm suy giảm của năng lượng ion phụ thuộc vào khối lượng của hạt nhân bia và chiều sâu tính từ bề mặt tới hạt nhân gây tán xạ, hiện tượng tán xạ ngược có những ứng dụng khác nhau Cụ thể căn cứ vào năng lượng của ion tán xạ có thể nhận diện được các nguyên tố có trong mẫu, còn căn cứ vào tiết diện tán xạ theo góc tới detectơ biết được số hạt nhân nguyên tử gây tán xạ trên từng lớp vật chất, còn căn cứ vào độ tiêu tán năng lượng của ion trên đường đi biết bề chiều sâu của lớp vật chất chứa nguyên tử gây tán xạ

1.2.1 Nhận diện các nguyên tố trong bia - Hệ số động học tán xạ ngược

Xét va chạm của ion tới có khối lượng m1, điện tích z1 và năng lượng ban đầu E0 tới tương tác với hạt nhân bia có khối lượng m2 và điện tích Z2 Do tương tác ion tới truyền xung lượng của mình cho hạt nhân nguyên tử gây tán xạ ngược Sau mỗi lần tương tác ion tán xạ mất năng lượng của mình Phần năng lượng của ion mất mát sau mỗi lần tùy thuộc vào khối lượng m1của ion tới và khối lượng của hạt nhân bia m2 Với ion tới có năng lượng xác định là E0, sau tán xạ năng lượng của ion là E1 Tùy theo tham số tán xạ b, hay góc tán xạ  năng lượng E1 có giá trị xác định Đại lượng K( ) được xác định theo công thức:

1

( )

o

E K

E

  (1.3)

Đại lượng K được gọi là hệ số động học, trong công thức E0 và E1 chính

là năng lượng của ion trước và sau khi tán xạ Do động năng của ion tới nhỏ phản ứng hạt nhân không xảy ra, va chạm giữa ion tới và hạt nhân bia là va chạm đàn hồi Từ định luật bảo toàn động lương và định luật bảo toàn năng lượng mà trong trường hợp này bảo toàn động năng tính được động lượng của ion tán xạ, từ đó tính được năng lượng E1 của ion tán xạ, theo biểu thức (1.3) xác định được hệ số động học

Xác định hệ số động học:

Quá trình tương tác của ion tới với hạt nhân bia được thể hiện qua hình 1.6

Hình 1.6 Quá trình tán xạ đàn hồi trong hệ quy chiếu phòng thí nghiệm

Khi chùm ion có khối lượng m1 , điện tích Z1 ,vân tốc v10 và năng lượng

E10 tới va chạm với nguyên tử của bia ở trạng thái dừng có khối lượng m2, điện tích Z2 thì ion sẽ truyền xung lượng cho nguyên tử bia Giả sử năng lượng của ion tới thấp hơn năng lượng ngưỡng của phản ứng hạt nhân nên

sẽ không xảy ra phản ứng hạt nhân trong quá trình tương tác, sau va chạm ion bị lệch một góc θ (góc tán xạ), nguyên tử bia bị giật lùi (recoil) một góc ϕ.

Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có:

Định luật bảo toàn động lượng:

+ Theo ox ta có: m1 v0  m1 v1 cos   m2 v2 cos  (b)

+ Theo oy ta có: 0  m1 v1 sin   m2 v2 sin  (c)

Gọi K là hệ số động học, sau một số biến đổi từ (a), (b), (c) ta có:

đó hệ số động học K( ) chỉ là hàm của khối lượng hạt nhân bia gây tán xạ Với hạt nhân gây tán xạ xác định thì hệ số động học xác định và năng lượng ion tán

xạ E1k( ) E olà hoàn toàn xác định Điều này có nghĩa khi chiếu vào mẫu chùm ion có năng lượng E0 xác định, với hình học đo xác định, các hạt ion tán

xạ trên hạt nhân bia khối lượng khác nhau sẽ có năng lượng E1 khác nhau và bay tới detector

Hình 1.7 Phổ tán xạ ngược của mẫu chuẩn Au-Cu trên hệ phân tích RBS

trên máy gia tốc 5SHD-2 Pellectron của Bộ môn Vật lý hạt nhân

Căn cứ vào phổ năng lượng của ion tán xạ bay tới detector mà thiết bị ghi nhận được hay nói cách khác dựa vào phổ RBS sẽ biết trong bia có những nguyên tố nào Đây chính là cơ sở vật lý của việc nhận diện đồng thời các nguyên tố có trong mẫu Hình 1.7 là dạng phổ RBS của một mẫu chuẩn gồm có nguyên tố đồng và vàng trên bề mặt đế là Polystyrene (C8-H8)

Hệ phân tích RBS trên máy gia tốc 5SHD – Pellectron của Bộ môn Vật lý hạt nhân chọn góc đo 0

170

 Trong bảng số 1.1 đưa ra hệ số động học và năng lượng của ion tán xạ trên một số hạt nhân bia ứng chùm ion tới He2+năng lượng E0 = 2428 keV, được sử dụng trong luận văn này

Au-Cu Simulated

Channel

1,100 1,050 1,000 950 900 850 800 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100

Bảng 1.1 Hệ số động học K và năng lượng của ion tán xạ trên một số hạt nhân bia

Nguyên tố bia Khối lượng

1.2.2 Phân tích định lượng - Tiết diện tán xạ vi phân

Căn cứ vào hệ số động học tán xạ ngược biết trong bia có nguyên tố nào, để có thể xác định được hàm lượng của các nguyên tố cần phải biết được số hạt ion tán xạ ngược trên từng nguyên tố bay về detector muốn vậy cần biết xác suất để hạt ion tán xạ trên mỗi nguyên tố bay vào detector

Xét một hạt nhân tán xạ có trên bia, tổng số ion tán xạ ngược do nó gây

ra bay về hướng detector tỷ lệ thuộc với số nguyên tử gây tán xạ, tỷ lệ với tổng số ion bay tới bia, tỷ lệ với tiết diện tán xạ và góc khối mà bia nhìn detector Mặt khác tổng số nguyên tử của nguyên tố quan tâm Nx có trong bia tỷ lệ với mật độ nguyên tử No của nguyên tố đó và bề dày t của bia Trong

[ 1,3,4] đưa ra công thức 5 thành phần xác định tổng ion tán xạ bay về detector là N được xác định theo công thức sau:

. o.

N    Q N t (1.6)

Trong đó:  là tiết diện tán xạ ngược đo bằng cm2,  góc khối đo ion tán xạ ngược có thứ nguyên steradian, Qlà tổng số ion chiếu tới bia trong thời gian đo, Nolà mật độ nguyên tử tức số nguyên tử trong một đơn vị thể

tích đo bằng ( nguyên tử / cm3) và t là bề dày mẫu

Trong mỗi thí nghiệm - góc khối đo ion tán xạ ngược biết, Q- tổng số ion tới biết, nếu biết  -là tiết diện tán xạ ngược thực nghiệm đo số ion tán

xạ N sẽ xác định được số ion có trong bia Xác định bề dày bia sẽ suy ra được mật độ nguyên tử của nguyên tố cần phân tích Đây chính là cơ sở phân tích định tính dựa vào phương pháp phân tích RBS

Tiết diện vi phân theo góc và do đó tiết diện tán xạ ngược  tỷ lệ với bình phương nguyên tử số của hạt nhân bia Như vậy hiệu suất tán xạ ngược của nguyên tố nặng cao hơn nhiều so với nguyên tố nhẹ

1.2.3 Phân tích bề dày mẫu - Độ hao phí năng lượng

Giả sử chùm ion bắn phá vào bia có năng lựng E0 khi bi tán xạ trên bề mặt ion tán xạ có năng lượng là E1k( ). E o, trong đó hệ số động học k được xác định theo biểu thức (1.4) Trên thực tế bia có bề dày nào đó, như đã biết

đa số các ion sẽ đâm xuyên vào trong bia, trên đường đi các ion sẽ mất dần năng lượng của mình chủ yếu do tương tác Coulomb không đàn hồi với các electron của nguyên tử môi trường Độ mất mát năng lượng của ion được

đánh giá bằng tốc độ mất mát năng lượng hay độ mất năng năng lượng riêng trên một đơn vị đường đi Có thể đánh giá độ mất mát năng lượng riêng của ion do tương tác với các electrôn của nguyên tử môi trường, bằng cách sử dụng gần đúng bán cổ điển Borh Bằng cách sử dụng gần đúng bán cổ điển Borh có tính đến các hiệu ứng tương đối tính, Bethe [1] đã đưa ra công thức xác định độ mất mát năng lượng của hạt nặng tích điện trên một đơn vị đường đi trong vật chất có dạng sau:

(1.7)

Trong đó: dE là năng lượng mất mát của hạt nặng tích điện trên quãng đường dx; còn z, Z là điện tích của hạt tích điện và nguyên tử số của môi trường; N là mật độ nguyên tử của môi trường; m là khối lượng nghỉ của electrôn; v là vận tốc của hạt tích điện, còn là vận tốc tương đối của hạt tích điện; thế năng ion hóa trung bình của nguyên tử môi trường Giả

sử hình học chiếu mẫu như hình 1.8 chùm hạt ion chiếu tới mẫu với góc 1.Ion tán xạ trên hạt nhân có khối lượng M2 trên bề mặt sẽ có năng lượng E1

=kE0 Một ion khác đi sâu vào trong bia ở độ sâu t gặp hạt nhân của cùng nguyên tố ( cũng khối lượng m2) tán xạ ngược lại bay về hướng detector Hai ion này bay về detector có năng lượng khác nhau, hay chùm ion đi bay vào detector có độ tán mạn hay độ nhòe nào đó Căn cứ vào độ nhòe đỉnh phổ năng lượng ion tán xạ biết được bề dày t

2 4

mv

z e dx

Hình 1.8 Quá trình tán xạ tại bề mặt và tại độ sâu t đều

dẫn tới ion bay về detector [4]

Để xác định độ nhòe hay độ rộng của chùm ion tán xạ bay về detector ta

đi tính năng lượng của chùm ion tán xạ ở độ sâu t Trước khi tán xạ ở độ sâu t

chùm ion đã đi quãng đường 1

1

.os

t d

c 

 Với bề dày t nhỏ coi độ mất mát

năng lượng riêng không đổi nên độ mất mát năng lượng của chùm ion trước tán xạ tỷ lệ thuận với quãng đường d1 Độ mất mát năng lượng dE1 của chùm ion trên quãng đường d1 được tính theo công thức sau:

1

0

c o s 1

1 0

Năng lượng của chùm ion trước khi tán xạ trên hạt nhân bia ở bề dày t

là E10 được xác định theo công thức sau:

Sau khi tán xạ chùm ion tán xạ có năng lượng E20 k E. 10 Trước khi đi ra

khỏi bề mặt chùm ion tán xạ ở lớp sâu t đi tiếp quãng đường 2

2

os

t d

2 0

Trong đó E10 là năng lượng của chùm ion trước khi tán xạ trên hạt nhân

bia ở độ sâu t Đại lượng

Hiệu năng lượng của hai chùm ion tán xạ trên bề mặt và ở độ sâu t là

Với mỗi thí nghiệm giá trị   S là xác định, dựa vào bề rộng năng lượng

của chùm ion bay tới bia  E được xác định dựa vào phổ tán xạ RBS suy ra

bề dày t

Chương II THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

Như đã trình bày ở trên, RBS là phương pháp được sử dụng rộng rãi đối với các phân tích lớp bề mặt gần của chất rắn, cụ thể là cho biết sự phân bố

và thành phần của các nguyên tố theo chiều sâu của chất rắn Kích cỡ tối ưu của mẫu chất rắn là 1cmx1cmx1mm Phương pháp này có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như : địa chất, khoáng vật, sinh học, y học, khoa học môi trường …

2.1 Máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron

Thực nghiệm được tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trên hệ máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron, thuộc Bộ môn Vật lý hạt nhân, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học tự nhiên-ĐHQGHN, cùng với các hệ điện tử liên đới Trong luận văn này chùm ion sử dụng là chùm ion helium Trong quá trình chiếu mẫu và

đo phổ RBS đều được tự động bằng các phần mềm điều khiển, phần mềm thu nhận đi kèm do nhà sản xuất cung cấp Tất cả được trình bày chi tiết trong các phần dưới đây

Hệ máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron gồm có các bộ phận chính như sau: + Nguồn ion

+ Buồng gia tốc chính

+ Nguồn tạo ion dương RF:Tại đây khí heli được phun vào bình phóng điện thạch anh qua một van định lượng để duy trì áp suất cỡ 10-50µTorr Một máy tạo dao động sẽ tạo ra trạng thái plasma ở trong bình cho khí heli, được tăng cường bằng nam châm solenoid Thế một chiều được áp dọc theo chiều của plasma có tác dụng tách các ion dương ra khỏi plasma và gia tốc để chúng đi qua ống Ta, sau đó đi vào buồng trao đổi điện tích

+ Buồng trao đổi điện tích: Ở đây các ion He+ được trung hòa bởi hơi Rb Một vài nguyên tử He nhanh sẽ trải qua hai lần trao đổi điện tích rồi trở thành He- Bởi vậy sẽ xuất hiện các phần tử Heo 100-200 pμA và He- 1-4 μA

2.1.2 Buồng gia tốc chính

Buồng gia tốc chính là loại buồng gia tốc tĩnh điện 2 triệu volt, có khả năng gia tốc nhiều loại ion khác nhau trong một khoảng năng lượng rộng trong phân tích RBS, PIXE, cấy ghép ion và các thí nghiệm vật lý hạt nhân Buồng gia tốc có cấu trúc cách điện cao, một hệ thống nạp điện tạo ra điện thế lớn, và ống gia tốc được hút chân không trên đường đi của chùm tia

Ở giữa của buồng gia tốc là điện thế đỉnh lớn và hai bên là ống gia tốc năng lượng thấp và ống gia tốc năng lượng cao

Hình 2.2 Buồng gia tốc chính

Nguyên lý hoạt động: Chùm ion âm sinh ra trong các nguồn ion âm được gia tốc trước để đạt đến một năng lượng trung bình trước khi bay vào 5SDH-2Pelletron Chùm tia đi vào vùng năng lượng thấp của máy gia tốc, các ion âm bị hút bởi điện tích dương ở điện thế đỉnh lớn, do đó chúng được gia tốc Ở điểm giữa buồng gia tốc, các ion âm đi qua một thiết bị gọi là “bộ tước” ở đó chúng được “tước bỏ” hai hoặc nhiều electron và biến thành các ion dương Khi các ion dương này đi ra khỏi bộ tước và trôi về tầng gia tốc thứ hai của buồng gia tốc thì được cao thế dương ở điểm giữa tác động lực đẩy và do đó được gia tốc một lần nữa

Cấu trúc gia tốc kép này cho phép tăng gấp đôi năng lượng của các ion đơn lẻ

mà đã được gia tốc ở tầng gia tốc thứ nhất, với cùng một điện thế đỉnh, các

ion sẽ mang điện tích +n và năng lượng cuối cùng n1 e V , với e là điện tích electron, V là điện thế đỉnh

Ngoài các thành phần cơ bản được đề cập ở trên, 5SDH-2 Pelltron còn các thiết bị ngoại vi khác để điều khiển, điều chỉnh, đo đạc, giữ ổn định các chức năng gia tốc.Các thành phần kể trên không được trình bày trong phạm

vi khóa luận này

2.1.3 Hệ chân không

Hệ chân không của máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron gồm các bơm turbo, bơm dầu và bộ điều khiển, đo đạc chân không Các bơm turbo đi kèm với bơm dầu cùng các bộ điều kiển, đo đạc được bố trí ở nguồn RF, ở vùng chùm tia năng lượng thấp, ở vùng chùm tia năng lượng cao, buồng phân tích và buồng cấy ghép

2.1.4 Các bộ phận hội tụ, điều chỉnh chùm tia

Các bộ phân hội tụ điều chỉnh chùm tia có thể chia thành ba thành phần:

+ Phần hội tụ, điều chỉnh chùm tia năng lượng thấp, chủ yếu bằng điện trường: Các bộ phận thuộc phần này nằm ở trước buồng gia tốc, gồm có: Bộ phận hội tụ và gia tốc ban đầu ở nguồn RF – Thấu kính khe kép, thấu kính Einzel, bộ phận lái chùm tia trục X-Y

Phần hội tụ, điều chỉnh chùm tia năng lượng cao bao gồm các bộ phận: Nam châm tứ cực – Thấu kính ghép đôi, bộ phận lái chùm tia trục Y

+ Nam châm phun và nam châm chuyển kênh: Dùng để lái chùm tia theo những góc nhất định bằng từ trường hướng từ trên xuống dưới Nam châm phun điều chỉnh hướng chùm tia từ một trong hai nguồn RF và SNICS đi vào vùng chùm tia năng lượng thấp Nam châm chuyển kênh điều chỉnh hướng