Đánh giá chất lượng của một vài loại dây dẫn điện phổ biến ở Việt Nam bằng phân tích PIXE

Dây cáp điện là một trong những mặt hàng thiết yếu trong sinh hoạt của mọi gia đình. Tuy nhiên, do hiện nay trên thị trường xuất hiện nhiều sản phẩm dây cáp điện kém chất lượng được gắn mẫu mã các thương hiệu nổi tiếng, nên người tiêu dùng rất dễ mua phải các sản phẩm dây cáp điện không đạt chuẩn an toàn.

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA MỘT VÀI LOẠI DÂY DẪN ĐIỆN PHỔ BIẾN Ở VIỆT NAM BẰNG PHÂN TÍCH PIXE Dây cáp điện mặt hàng thiết yếu sinh hoạt gia đình Tuy nhiên, thị trường xuất nhiều sản phẩm dây cáp điện chất lượng gắn mẫu mã thương hiệu tiếng, nên người tiêu dùng dễ mua phải sản phẩm dây cáp điện không đạt chuẩn an toàn Các loại dây cáp điện chất lượng thường chế tạo từ kim loại đồng có nhiều tạp chất, đường kính sợi nhỏ thiếu số sợi nên tiết diện ruột dẫn nhỏ so với quy định làm cho điện trở dây dẫn tăng, gây tiêu hao điện sử dụng nhiều Chưa kể, khả chịu cường độ dòng điện tiết diện điện trở lớn gây tải sinh nhiệt sử dụng, gây nguy cháy nổ Có nhiều phương pháp để phân tích thành phần kim loại dẫn dẫn điện Trong nghiên cứu mình, chúng tơi sử dụng phương pháp PIXE PIXE (Phương pháp phát xạ tia X) phương pháp hữu ích để phân tích nguyên tố Bằng cách sử dụng máy gia tốc hạt nhân 5SDH2 lắp đặt Đại học Khoa học ĐHQGHN (HUS), phương pháp áp dụng để ước tính tỷ lệ phần trăm kim loại dây dẫn điện phổ biến Việt Nam GIỚI THIỆU Hệ máy gia tốc 5SDH - Pelletron sản xuất hãng National Electrostatics Corporation (NEC), Mỹ lắp đặt năm 2011 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN Với cao cực đại 1.7 MV, hệ máy gia tốc có khả gia tốc hầu hết loại ion khác với dải lượng đủ rộng để sử dụng phương pháp bao gồm phương pháp phân tích tán xạ ngược Rutherford (RBS), phương pháp phân tích PIXE (Particle Induced X-rays Emission), phương pháp cấy ghép ion (Ion Implantation) phương pháp nghiên cứu phản ứng hạt nhân NRA (Nuclear Reaction Analysis) Mục đích nghiên cứu chúng tơi đánh giá tỉ lệ phần trăm nguyên tố kim loại có dây dẫn điện phổ biến Việt Nam Các thí nghiệm thực hệ thống máy gia tốc 5SDH2 đại học Khoa học tự nhiên- Đại học Quốc gia Hà Nội sau sử dụng phương pháp phân tích PIXE (Phương pháp phân tích tia X) tỉ lệ phần trăm hàm lượng nguyên tố kim loại mẫu 28 Số 62 - Tháng 03/2020 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PIXE Phương pháp phân tích tia X gây chùm hạt hay cịn gọi tắt phương pháp phân tích PIXE (Particle Induced X-rays Emission) lần giới thiệu viện nghiên cứu công nghệ Lund năm 1970 Đây coi mở đầu cho kỹ thuật phân tích nguyên tố Phương pháp phân tích PIXE bao gồm hai nội dung chính: thứ phân tích tia X đặc trưng phát từ trạng thái kích thích ngun tố; thứ hai tính tốn cường độ tia X phát ra, đồng thời suy ngược lại hàm lượng nguyên tố mẫu đo Sự phát xạ tia X đặc trưng bao gồm nhiều trình Đầu tiên, chùm ion tới (proton) tương tác ion hóa nguyên tử bia tương tác Coulomb, tạo lỗ trống lớp điện tử nằm sâu bên nguyên tử Tiếp theo, hạt electron từ lớp nhảy vào để lấp lỗ trống ấy, q trình giải phóng lượng dạng xạ điện từ (tia X đặc trưng) Tuy THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN nhiên điện tử nhảy vào lấp chỗ trống phát tia X đặc trưng mà cịn phát electron Auger Điều giải thích sau: electron lớp ngồi nhảy vào lấp chỗ trống, phát lượng, lượng kích thích electron lớp xa Nếu lượng kích thích lớn lượng liên kết electron lớp xa làm bật electron khỏi nguyên tử Electron gọi electron Auger Hình mơ tả q trình phát tia X đặc trưng (a) trình phát electron Auger (b) Hình 1: Quá trình phát tia X đặc trưng (a) trình phát electron Auger (b) Một phổ PIXE bao gồm hai thành phần chính: đỉnh tia X đặc trưng xạ hãm Hình phổ PIXE điển hình mẫu đất đá với đường nét liền để vị trí đỉnh tia X đặc trưng đường nét đứt để xạ hãm tron thứ cấp, xạ hãm gây chùm proton xạ gây gamma phát phản ứng hạt nhân bị tán xạ Compton nhiều lần vật chất detector Bức xạ hãm gây eletron thứ cấp có đóng góp lớn vào xạ hãm liên tục, phần sinh electron thoát khỏi trạng thái liên kết (q trình ion hóa) dần lượng thơng qua va chạm bị làm chậm electron hạt nhân bia, đồng thời giải phóng lượng dạng xạ hãm Thành phần thứ hai đóng góp vào xạ hãm liên tục xạ hãm gây chùm proton Khi chùm proton vào bia tương tác bị làm chậm electron hạt nhân bia, đồng thời tạo xạ hãm Theo Vật lý cổ điển, cường độ xạ hãm sinh hạt tích điện tỷ lệ nghịch với độ giảm tốc Do đó, lượng chùm proton bị suy giảm cường độ xạ hãm tăng nhiêu Tia gamma sinh trình tương tác phản ứng hạt nhân chùm proton tới với hạt nhân bia tham gia hết vào tán xạ Coulomb detector đóng góp vào xạ hãm PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 3.1 Các bước chuẩn bị mẫu xử lý mẫu Chúng lựa chọn ba loại dây điện phổ biến Việt Nam để tiến hành thực nghiệm là: dây dẫn điện Thiên Phú, Lioa Cadisun Sau lựa chọn mẫu, việc xử lý mẫu tiến hành theo quy trình sau: Hình 2: Phổ PIXE mẫu đất - Chuẩn bị mẫu dây điện hãng dây điện loại dây đơn cứng 1x4.0, ghi rõ tên phân loại dây Đối với đỉnh tia X đặc trưng, giới hạn phát - Mỗi mẫu dây điện ta tước phần vỏ cách điện nguyên tố phụ thuộc vào xạ hãm cắt lấy đồng lõi dây có chiều dài tối liên tục Có ba thành phần đóng góp vào thiểu 1cm, ghi rõ tên phân loại mẫu xạ hãm xạ hãm gây elec- Số 62 - Tháng 03/2020 29 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN - Cán mỏng mẫu đồng thành miếng tốc Hình bao gồm phần chính: đồng phẳng có kích thước khoảng 0,5x1 cm collimator, buồng phân tích làm hợp kim thép giữ chân không cao, nhỏ - Dùng giấy ráp mịn đánh mặt cần đo 5×10-6 Torr q trình chiếu mẫu Giá nồng độ tạp chất mẫu để mẫu đặt hệ điều khiển vị trí sử dụng - Sử dụng dung môi cồn rửa mẫu cần mô-tơ cho phép dịch chuyển theo phương phân tích, làm bụi bẩn tạp chất tự (X, Y, Z, xoay quanh trục X xoay quanh bề mặt trình cán mỏng làm mịn trục Z) Tấm hấp thụ có độ dày thích hợp mẫu đo lựa chọn làm giảm ảnh hưởng tán - Sấy khô mẫu dán lên giá đỡ mẫu băng xạ bề mặt tia tới detector giảm phơng dính cacbon dẫn điện (Hình 3), đánh dấu vị trí q trình phát xạ tia X nguyên tố nhẹ phân loại mẫu tiến hành đo đạc phân tích C (Z=16) Thơng thường, hấp thụ làm polymer loại có Z thấp Hình 3: Các mẫu chuẩn bị phân tích 3.2 Bố trí thí nghiệm Khi ion nặng gia tốc bắn vào bia làm phát tia X đặc trưng thu nhận detector Tín hiệu từ detector tới tiền khuếch đại khuếch đại sơ cấp hiệu chỉnh trước vào khuếch đại chính, khuếch đại có nhiệm vụ khuếch đại biên độ tín hiệu đầu vào Tín hiệu sau khuếch đại ghi nhận MCA truyền tới máy tính Phổ PIXE ghi nhận phân tích máy tính với phần mềm chuyên dụng GUPIX, RC43 (NEC) Sau xử lý mẫu tiến hành phép đo Nguồn ion sử dụng nguồn RF (Radio fre4 KẾT QUẢ quence) Mẫu đặt vào giá để mẫu 4.1 Kết phân tích với mẫu dây dẫn điện bố trí hình Thiên phú Hình 4: Sơ đồ bố trí thí nghiệm hệ máy gia tốc Bố trí hệ phân tích PIXE hệ máy gia 30 Số 62 - Tháng 03/2020 Hình 5: Phổ khớp mẫu dây Thiên Phú Bảng 1: Kết phân tích mẫu dây Thiên Phú THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN Bảng 3: Kết phân tích mẫu dây Cadisun 4.2 Kết phân tích với mẫu dây dẫn điện Lioa KẾT LUẬN Như nhìn vào kết ta thấy có mẫu dây đồng Thiên phú có kết hàm lượng đồng vượt 99,9% Hai mẫu dây lại Lioa 99,3% 99,5% Hình 6: Phổ khớp mẫu dây Lioa Bảng 2: Kết phân tích mẫu dây Lioa Tuy nhiên kết chưa hồn tồn xác cịn nhiều yếu tố ảnh hưởng dẫn đến sai số phép đo sai số hệ đo, sai số khớp phổ, sai số yếu tố người q trình gia cơng mẫu Ngồi hàm lượng thơng số khác ảnh hưởng đến độ dẫn điện dây dẫn đồng, cấu trúc mạng tinh thể Các dây dẫn sau kéo, thường làm biến dạng cấu trúc mạng tinh thể, làm dây dẫn mềm dẻo, có điện trở lớn Vì thơng thường sau kéo, dây dẫn cần ủ nhiệt để loại bỏ ứng suất biến dạng, kết tinh lại mạng tinh thể, làm 4.3 Kết phân tích với mẫu dây dẫn điện giản điện trở dây dẫn Cadisun Phương pháp phân tích PIXE cho biết thành phần hàm lượng mà không cho biết thông tin cấu trúc mạng tinh thể Tuy nhiên biến dạng cấu trúc mạng tinh thể không ảnh hưởng lớn đến độ dẫn điện dây dẫn Trần Thị Nhàn Trường Đại học Điện lực Hình 7: Phổ khớp mẫu dây Cadisun Số 62 - Tháng 03/2020 31 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Nguyễn Đình Thắng: Giáo trình vật liệu điện, nhà xuất giáo dục [2] ThS Vi Hồ Phong: Nguyên tắc hoạt động vận hành máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron, trường ĐH-KHTN, 2011 [3] ThS Nguyễn Văn Hiệu: Nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng bụi khí Hà Nội phương pháp phân tích PIXE máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron, trường ĐH-KHTN, 2014 [4] ThS Nguyễn Thế Nghĩa: Nghiên cứu ứng dụng số phản ứng hạt nhân gây chùm hạt tích điện máy gia tốc tĩnh điện phân tích, trường ĐH-KHTN, 2015 [5] ThS Nguyễn Thị Bích Nhung: Dịng điện kim loại (Vật lý 11), 2014 [6] ThS Trương Minh Tấn: Giáo trình hệ thống cung cấp điện, 2009 [7] Phạm Văn Thịnh: Phương pháp phún xạ Magnetron RF chế tạo màng mỏng, 2013 [8] Mai Văn Diện: Phân tích hàm lượng kim loại nặng màu vẽ phương pháp PIXE hệ máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron, trường ĐHKHTN, 2015 32 Số 62 - Tháng 03/2020 ... 4.3 Kết phân tích với mẫu dây dẫn điện giản điện trở dây dẫn Cadisun Phương pháp phân tích PIXE cho biết thành phần hàm lượng mà không cho biết thông tin cấu trúc mạng tinh thể Tuy nhiên biến dạng... đất - Chuẩn bị mẫu dây điện hãng dây điện loại dây đơn cứng 1x4.0, ghi rõ tên phân loại dây Đối với đỉnh tia X đặc trưng, giới hạn phát - Mỗi mẫu dây điện ta tước phần vỏ cách điện nguyên tố phụ... lựa chọn ba loại dây điện phổ biến Việt Nam để tiến hành thực nghiệm là: dây dẫn điện Thiên Phú, Lioa Cadisun Sau lựa chọn mẫu, việc xử lý mẫu tiến hành theo quy trình sau: Hình 2: Phổ PIXE mẫu