Một phổ PIXE sẽ bao gồm hai thành phần chính: các đỉnh tia X đặc trưng và nền bức xạ hãm. Hình 2.5 là một phổ PIXE điển hình của mẫu rêu với đường nét liền để chỉ vị trí đỉnh tiaX đặc trưng và đường nét đứt để chỉ nền bức xạ hãm.
Đối với đỉnh tia X đặc trưng, giới hạn phát hiện của nguyên tố sẽ phụ thuộc vào nền bức xạ hãm liên tục. Bức xạ hãm electron là thành phần phông chính trong phổ PIXE. Về cơ bản, bức xạ electron trong PIXE sinh ra từ ba quá trình:
(1) bức xạ hãm electron hầu như tự do (Quasi-free Electron Bremsstrahlung - QFEB); (2) bức xạ hãm electron thứ cấp (Secondary Electron Bremsstrahlung - SEB) và (3) bức xạ hãm nguyên tử (Atomic Bremsstrahlung - AB).
Hình 2.5. Phổ PIXE của một rêu ghi nhận bằng đầu dò Si(Li) [109].
Bức xạ hãm SEB được hình thành bởi hai quá trình: đầu tiên hạt tới bứt một electron của nguyêntử bia, và electron thứ cấp này bị tán xạ trong trường culông
hạt nhân bia, mất dần năng lượng, vì vậy phát ra bức xạ hãm. Phổ photon của
SEB được đặc trưng bởi đại lượng 4 e p
m
p m E T
M
= , đây là năng lượng cực đại mà hạt
tới khối lượng Mp năng lượng Ep truyền cho electron tự do tại khối lượng nghỉ
me. Do đó cường độ bức xạ hãm SEB giảm nhanh trong vùng năng lượng lớn
hơn Tm.
Bức xạ hãm QFEB được phát ra khi một electron của nguyên tử bia tán xạ trong trường culôngcủa chùm hạt tới. Đại lượng đặc trưng của sự bức xạ này là
2 1 2 4 m r e p T
T = m v = , với vplà vận tốc hạt tới, Tr là động năng trong hệ quy chiếu hạt tới của electron mà trong hệ quy chiếu bia nó là tự do và ở trạng thái nghỉ. Tiết
55
diện quá trình này đáng kể khi vận tốc hạt tới lớn hơn nhiều vận tốc electron trong nguyên tửbia và electron được xem là tự do và ở trạng thái nghỉ.
Quá trình AB xảy ra khi electron liên kết của nguyên tử bia bị kích thích lên trạng thái liên tục bởi hạt tới và trở lại trạng thái liên kết ban đầu, phát xạ một
photon.
Một ưu điểm của kỹ thuật PIXE là nền phổ hãmthấp hơn nhiều so với trường hợp kích thích bằng chùm electron. Bức xạgamma được sinh ra từ các phản ứng hạt nhân của proton và hạt nhân bia cũng đóng góp vào nền bức xạ hãm. Trong
PIXE, do năng lượng proton thấp nên phản ứng hạt nhân chỉ xảy ra đối với các nguyên tố nhẹ. Đối với mẫu dày cách điện có thể tích điện tới hàng chục kV do chùm tia tới mang điện tích. Khi đó electron sinh ra trên bề mặt mẫu được gia tốc ngược trởlại mẫu, sinh ra phông cao năng lượng tia X lên tới vài chục keV.
Khi mẫu được kích thích bằng chùm hạt mang điện tích, sự phát xạ tia X đặc trưng sẽ phụ thuộc vào xác suất diễn ra của một số quá trình. Cường độ của tia X đặc trưng cụ thể phụ thuộc vào tích của ba hệ số sau:
- Xác suất để chùm tia tới ion hóa nguyên tử - Tiết diện ion hóa.
- Xác suất dịch chuyển electron từ mức năng lượng cao đến mức năng lượng thấp hơn để lấp lỗ trống.
- Xác suất để tia X đặc trưng bay ra khỏi nguyên tử mà không bị hấp thụ
bởi chính nguyên tử đó - Hiệu suất huỳnh quang đặc trưng tương ứng với từng vành.