NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MỘT SỐ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN GÂY BỞI CHÙM HẠT TÍCH ĐIỆN TRÊN MÁY GIA TỐC TĨNH ĐIỆN TRONG PHÂN TÍCH TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Thế Nghĩa NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MỘT SỐ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN GÂY BỞI CHÙM HẠT TÍCH ĐIỆN TRÊN MÁY GIA TỐC TĨNH ĐIỆN TRONG PHÂN TÍCH Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử hạt nhân Mã số: 62 44 05 01 (DỰ THẢO) TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGUYÊN TỬ VÀ HẠT NHÂN Hà Nội - 2015 Cơng trình hoàn thành tại: Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Hồng Khiêm, PGS.TS Bùi Văn Loát Phản biện: Phản biện: Phản biện: Luận án bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp Vào hồi ngày tháng năm 20 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội MỞ ĐẦU Năm 2011, lần Việt Nam lắp đặt máy gia tốc tĩnh điện 5SDH-2 Pelletron, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Đây máy gia tốc tĩnh điện đại hãng National Electrostatics Corporation (NEC) - Mỹ sản xuất Máy có khả ứng dụng cho nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau, từ vật lý hạt nhân, khoa học vật liệu, môi trường, sinh học, địa chất… Đây sở để đề tài “Nghiên cứu ứng dụng số phản ứng hạt nhân gây chùm hạt tích điện máy gia tốc tĩnh điện phân tích” thực Mục đích đề tài là: Nghiên cứu ứng dụng số phản ứng hạt nhân gây chùm hạt tích điện máy gia tốc, cụ thể ứng dụng để chuẩn hóa lượng máy gia tốc Nghiên cứu ứng dụng chùm hạt tích điện phân tích, mà cụ thể phân tích PIXE RBS Như vậy, nội dung chủ yếu đề tài bao gồm hai phần rõ rệt Đây nghiên cứu Việt Nam lĩnh vực CHƯƠNG I TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SỬ DỤNG CHÙM ION TRÊN MÁY GIA TỐC TĨNH ĐIỆN 1.1 Giới thiệu chung Phương pháp phân tích sử dụng chùm ion (Ion Beam Analysis - IBA) dựa vào tương tác hạt nặng mang điện (chùm ion) với vật chất mẫu cần phân tích Khi mẫu bắn phá với chùm ion lượng phạm vi vài MeV, chúng tương tác với nguyên tử hạt nhân trình tương tác khác để dẫn đến phát xạ tia X, hạt tích điện, neutron tia gamma Phát kiện phát để có thơng tin thành phần hàm lượng nguyên tố mẫu cần phân tích chiều sâu phân bố nguyên tố mẫu phân tích Để có kết người ta thường sử dụng chùm ion (beam) tới đơn năng, chùm microbeam qt diện tích mẫu IBA thuật ngữ chung có liên quan đến số kỹ thuật phân tích phổ tán xạ ngược Rutherford (Rutherford Backscattering SpectrometryRBS), phân tích phản ứng hạt nhân (Nuclear Reaction Analysis-NRA) phân tích phát xạ tia X gây hạt tích điện (Particle Induced X-ray Emission-PIXE) Chúng sử dụng đơn lẻ kết hợp phương pháp phân tích IBA khác để có thêm thơng tin bia nghiên cứu Ngồi chúng sử dụng với chùm đơn lượng, chiếu cố định diện tích, microbeam quét theo điểm diện tích IBA kết hợp ưu điểm khơng phá hủy định lượng Chúng áp dụng cho vấn đề phân tích thành phần nguyên tố thông tin phân bố nguyên tố theo chiều sâu tính từ bề mặt mẫu cần phân tích 1.2 Phương pháp phân tích sử dụng chùm ion 1.2.1 Phương pháp PIXE Khi electron từ lớp bên vỏ điện tử nguyên tử loại bỏ để lại chỗ trống, electron từ lớp vỏ bên nguyên tử lấp đầy chỗ trống giải phóng lượng tử lượng, phát xạ bên lúc, tương đương với chênh lệch lượng hai lớp vỏ Lượng tử lượng này, gọi tia X, đặc trưng nguyên tử sử dụng để xác định nguyên tử Các điện tử bên loại bỏ cách va chạm hạt tích điện lượng cỡ MeV, tạo tia X đặc trưng gọi phát xạ tia X gây hạt tích điện (Particle Induced X-ray Emission -PIXE) lần phát Johansson et al năm 1970 Như đề cập trên, việc tạo tia X đặc trưng electron di chuyển từ lớp vỏ điện tử cao xuống lớp vỏ thấp Đặc điểm tia X xác định tương ứng với lớp vỏ điện tử (K, L, M, ) lấp đầy với electron từ lớp vỏ bên số (α, β, γ) mối quan hệ với lớp vỏ bên PIXE xác định nguyên tố phát xạ tia X đặc trưng sử dụng để phân tích định lượng cách đo số lượng phát tia X góc khối Cơng thức sử dụng phân tích định lượng PIXE cho mẫu mỏng công thức đơn giản cho phương trình (1.1) [9]: N  nI  p  T  (1.1) đó: N: Tổng số xung đếm đỉnh phổ lượng tia X tạo tương tác tia X với detector đơn vị thời gian n: Tổng số nguyên tử nguyên tố nghiên cứu đơn vị diện tích mẫu I: Tổng số hạt mang điện chùm beam chiếu đơn vị thời gian; σp: Tiết diện vi phân phát xạ tia X; Ω: Góc khối tương ứng với detector; T: Hệ số truyền qua tia X qua lọc mẫu detector; ε: Hiệu suất detector đỉnh phổ lượng tia X Đối với bia dày phân tích phức tạp thay đổi lượng hạt chúng thâm nhập vào mẫu làm thay đổi tiết diện phát xạ tia X, hàm lượng hạt tới Hơn nữa, tia X được tạo độ sâu có khả hấp thụ mẫu phát detector tia X Hai yếu tố phải đưa vào tính tốn phân tích PIXE với bia dày (TT-PIXE) [10] cách xác định nguyên tố có hàm lượng lớn mẫu (xác định ma trận mẫu - matrix elements) PIXE có ưu điểm lớn [12] phân tích đa nguyên tố, độ nhạy cao, độ phân giải đạt cỡ ppm, có khả phân tích mẫu có khối lượng nhỏ, định lượng mà khơng cần mẫu chuẩn, nhanh chóng, khơng phá hủy kinh tế Nó sử dụng áp dụng nhiều ứng dụng phân tích nguyên tố lĩnh vực y học, sinh học, địa chất, khoa học vật liệu, ô nhiễm môi trường khảo cổ học 1.3 Phân tích tán xạ ngược Rutherford (RBS) Năm 1908 Ernest Rutherford, với Geiger Marsden lần nghiên cứu tán xạ hạt alpha Tên Rutherford Backscattering (RBS) bắt nguồn từ tên ông RBS dựa tán xạ đàn hồi ion lượng cao chùm ion (beam) với hạt nhân mẫu tương tác hoàn toàn Coulomb Những hạt tán xạ ngược phát cách sử dụng detector hàng rào mặt silicon RBS phương pháp phân tích chùm ion sử dụng rộng rãi phép phân tích lớp bề mặt vật liệu Trong mẫu chiếu ion có lượng cỡ MeV (0.5 - 4MeV), lượng ion bị tán xạ ngược ghi nhận với detector nhạy lượng, điển detector bán dẫn hàng rào mặt RBS cho phép xác định thành phần vật chất phân bố nguyên tố theo độ sâu bề mặt mẫu RBS phân tích định lượng khơng phá hủy mẫu, độ xác chiều sâu tốt (nm) nhạy với nguyên tố nặng Độ sâu phân tích vào khoảng 2µm ion helium 20µm proton chiếu lên mẫu Các góc tán xạ tốt 150o-180o Hạn chế RBS độ nhạy thấp với nguyên tố nhẹ thường phải có kết hợp với phương pháp phân tích hạt nhân khác 1.4 Phân tích phản ứng hạt nhân (NRA) Khi hạt tương tác với hạt nhân nguyên tử mẫu lượng đủ để vượt qua hàng rào Coulomb (hoặc hiệu ứng đường hầm), tương tác đàn hồi (nhưng tán xạ Rutherford) hay tương tác không đàn hồi xảy Khi ion trải qua phản ứng không đàn hồi với hạt nhân bia diễn xếp lại thành phần nucleon, dẫn đến tạo hạt nhân sản phẩm khác hạt xạ Những hạt xạ hạt tích điện, neutron tia gamma Thu nhận phân tích hạt phát cung cấp thơng tin định tính định lượng quan trọng bia, kỹ thuật phân tích phản ứng hạt nhân (NRA) [17] NRA sử dụng cho phân tích nguyên tố nhẹ (mà thường khơng thể phân tích với kỹ thuật phần trên), NRA bổ sung cho kỹ thuật Khi phản ứng hạt nhân xảy ra, lượng Q (MeV) chênh lệch khối lượng lại hạt ban đầu sản phẩm phát Nó gọi giá trị Q phản ứng Nếu M1, M2, M3 M4 khối lượng (theo nghĩa MeV/c2) hạt tới, hạt nhân bia, hạt phát hạt nhân lại sau phản ứng tương ứng, lượng giải phóng từ phản ứng cho phương trình: Q  [(M  M )  ( M  M )]c (MeV) (1.17) c vận tốc ánh sáng Giá trị Q dương (một phản ứng tỏa nhiệt), âm (một phản ứng thu nhiệt) không trường hợp hợp hoàn toàn tán xạ đàn hồi, trường hợp đặc biệt phản ứng hạt nhân Khi Q dương, phản ứng hạt nhân xảy lượng hạt tới (với xác suất giảm nhiều chưa cao hàng rào Coulomb) Khi Q âm, phản ứng không xảy trừ hạt tới đạt vượt mức tối thiểu lượng cần thiết, gọi động ngưỡng CHƯƠNG II MÁY GIA TỐC TĨNH ĐIỆN 5SDH-2 PELLETRON VÀ CÁC HỆ DETECTOR TRÊN MÁY GIA TỐC 2.1 Máy gia tốc tĩnh điện 5SDH-2 Pelletron Máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron loại máy gia tốc tĩnh điện kép (tandem), sản xuất hãng National Electrostatics Corporation - USA Đây máy gia tốc tĩnh điện đại, lần lắp đặt Việt Nam (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội) cuối năm 2010, hình ảnh tổng thể cho Hình 2.1 Máy có điện áp giá tốc cực đại 1.7 MV, nên gia tốc ion đơn điện tích lên đến 3,4 MeV, ion điện tích kép lên đến 5.1 MeV ion bội ba lên đến 6,8 MeV [19] Hình 2.1 Hình ảnh tổng thể máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron 2.1.1 Nguồn ion Máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron có hai nguồn tạo ion với chế khác a) Nguồn ion RF (RF-Charge Exchange Ion Source) [19] Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo nguồn ion RF Nguồn ion trao đổi điện tích RF (radio frequency), gọi tắt nguồn ion RF, Hình 2.2, dùng để tạo ion H He cho hệ phân tích Khí He (hoặc H) phun vào bình thạch anh qua van định lượng để trì áp suất cỡ 10÷15 μTorr Máy tạo dao động cao tần RF (100MHz) tạo trạng thái plasma ống thạch anh Hiệu điện chiều áp dọc theo chiều dài plasma gia tốc ion dương để chúng qua lỗ nhỏ vật liệu thích hợp, sau qua buồng trao đổi điện tích chứa Rb Ở đây, ion He (hoặc H) trạng thái tích điện dương trung hịa Rb Một số nguyên tử He (hoặc H) trải qua hai lần trao đổi điện tích trạng thái điện tích âm b) Nguồn SNICS (Source of Negative Ions by Cesium Sputtering)[19] Nguồn ion âm phún xạ cathode Cesium, gọi tắt nguồn SNICS, cho phép tạo ion từ Hydrogen (H) đến Bismuth (Bi) để gia tốc, Hình 2.3 Hơi Cs vào thể tích kín cathode lạnh bề mặt nóng điện cực ion hóa Một số Cs ngưng tụ bề mặt cathode, số ion hóa bề mặt nóng điện cực ion hóa tạo thành Cs+ Các ion Cs+ gia tốc tới cathode với vận tốc lớn gây phún xạ cathode (ion hóa cathode) Các ion từ vật liệu cathode bị ion hóa, ion qua lớp Cs ngưng tụ trung hòa trước bề mặt cathode Tùy theo vật liệu mà phún xạ tạo ion âm, ion dương Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo nguồn ion SNICS trung hòa Các hạt bắt thêm electron chúng qua lớp Cs ngưng tụ trung hòa (do tính dễ cho electron nguyên tố kiềm Cs) tạo thành ion âm Các ion âm Extractor (điện cực tách hút ion) hút để đưa tới phận hội tụ, gia tốc 2.1.2 Buồng gia tốc Hình 2.4 Hình ảnh bên buồng gia tốc Buồng gia tốc 5SDH-2 Pelletron loại buồng gia tốc tĩnh điện 1.7 triệu Volt, có khả gia tốc nhiều loại ion khác khoảng lượng rộng điều chỉnh lượng gia tốc gần liên tục Hình ảnh, cấu tạo nguyên tắc tạo cao cho Hình 2.4 Hình 2.5 Các ion gia tốc phục vụ cho hệ phân tích tán xạ ngược Rutherford (RBS), PIXE, NRA, cho cấy ghép ion thí nghiệm vật lý hạt nhân khác Hệ thống tạo điện áp cao máy gia tốc 5SDH-2 Vỏ tích điện cuối cao Dây xích tích điện: hạt kim loại, khớp cách điện nylon Dịng tích điện Hình 2.5 Cấu tạo hoạt động tạo cao bên Buồng gia tốc bao gồm: Vỏ hình trụ tích điện cao thế, điện cực, puli (pulley), dây xích vận chuyển điện tích, điện cực cảm ứng, hệ thống truyền dẫn khí SF6, hệ chân khơng, ống gia tốc, hệ thống bóc tách electron (stripping system), hệ thống nạp điện, vôn kế phát, cột điện trở phân Khi chùm ion âm tạo ra, chúng vào vùng lượng thấp máy gia tốc, ion âm bị hút điện áp dương lớn trung tâm máy, nơi có điện cao nhất, chúng gia tốc Đây gia tốc lần thứ Khi đến điểm trung tâm buồng gia tốc, ion âm qua thiết bị gọi “bộ bóc tách electron” trở thành ion dương Bộ bóc tách buồng chứa khí Ni-tơ áp suất thấp (10-7 torr), ion âm va chạm với nguyên tử khí Ni-tơ nên nhiều electron để trở thành ion dương 1, dương dương Do lớp khí Ni-tơ loãng, đồng thời động ban đầu ion lại lớn so với lượng cơng electron, va đập khơng bị làm nhiều lượng ion, quĩ đạo chúng gần không thay đổi Cuối ion dương vào tầng gia tốc thứ hai buồng gia tốc, lúc cao dương phần trung tâm đóng vai trị lực đẩy ion gia tốc thêm lần Năng lượng thu giai đoạn phụ thuộc vào trạng thái điện tích ion Trong buồng gia tốc có ống gia tốc tạo môi trường chân không cao bên cách ly với bên ngoài, ion gia tốc bên Điện trường chạy dọc theo ống, từ nơi có điện cao đến nơi có điện thấp (nối đất) đầu ống Ống gia tốc ghép từ phần khác nhau, phần làm từ miếng thép không gỉ hình đĩa có lỗ thủng (nơi beam qua), xen kẽ với vành gốm cách điện, liên kết chặt với công đoạn đặc biệt Mỗi phần ống gia tốc chịu điện cao trì chân khơng ống mức 5x10-8 Torr Ngồi ra, cịn có chi tiết hình đĩa có lỗ làm thép không rỉ gắn ống gia tốc, cách khoảng 12,7mm, gọi “spark gaps” Trên “spark gaps” điện trở 555MΩ dùng để tuyến tính hóa phân bố điện thế đỉnh nối đất tạo điện trường chạy dọc theo ống để gia tốc ion Điện trở có giá trị cho dịng qua (column current) 45 µA đỉnh gần đạt mức tối đa (1.7 MV) Đĩa cuối dùng để đo dòng Các “gap” tạo đường sức điện trường có cấu trúc vừa để gia tốc ion, vừa để hội tụ ion vào tâm, tránh cho ion khơng đập vào thành ống gây thất ion 2.1.5 Các kênh beam a) Kênh cấy ghép ion (II-Ion Implanation) Kênh chủ yếu dùng cho nghiên cứu khoa học vật liệu, vật lý chất rắn, nghiên cứu chất bán dẫn nghiên cứu liên quan đến cấy ghép ion b) Kênh phân tích ion (IBA-Ion Beam Analysis) Kênh dùng để phân tích hàm lượng, thành phân ngun tố có mẫu phân tích, phân bố thành phần nguyên tố theo độ sâu Nguyên tắc hoạt động kênh phân tích ion: Sử dụng chùm ion lượng cao để phân tích thành phần, hàm lượng nguyên tố mẫu cần phân tích Đây kĩ thuật nhanh, không phá hủy mẫu có độ xác cao, ppm ppb Các hệ phân tích bao gồm: - Phân tích tán xạ ngược Rutherford (Rutherford Backscattering Spectrometry RBS): Cho phép phân tích hàm lượng nguyên tố theo độ sâu dựa vào chế tán xạ ngược Rutherford - Phân tích phản ứng hạt nhân (Nuclear Reaction Analysis - NRA): Dựa phản ứng hạt nhân với nguyên tố nhẹ để phân tích hàm lượng nguyên tố (Z