2.3. Thiết bị và quy trình phân tích mẫu bụi khí bằng kỹ thuật PIXE
2.3.1.3. Các hệ thống phụ trợ
Hệ thống chân không gồm bơm turbo, bơm sơ cấp, bộ điều khiển, máy đo chân không. Các bơm tubo đi kèm với bơm dầu cùng các bộ điều khiển, 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. Bộ hội tụ và điều chỉnh chùm tia giúp chùm tia đi đúng hướng và điều chỉnh chùm tia theo đúng mục đích sử dụng. 2.3.2. Bố trí thí nghiệm và buồng phân tích
Bố trí của hệ phân tích PIXE trên hệ máy gia tốc như ở Hình 2.6 bao gồm
các phần chính: một collimator, một buồng phân tích được làm bằng hợp kim thép và luôn giữ ở chân không cao <5x10-6 Torr trong quá trình chiếu mẫu.
Luận văn Thạc sỹ
Hình 2.6. Bố trí thí nghiệ
2.3.3. Giá để mẫu
Giá để mẫu được đ tơ bước cho phép dịch chuy trục Z). Giá để mẫu đượ điện tích tổng cộng trên m
Nguy
27
ệm: Hệ máy gia tốc (hình trên) và buồng phân tích PIXE (hình dưới)
c đặt trên hệ điều khiển vị trí (manipulator) sử ch chuyển theo 5 phương tự do (X, Y, Z, xoay quanh tr
ợc nối trực tiếp với bộ đếm dòng cho phép xác ng trên mẫu, từ đó xác định được số lượng hạt tới m
Nguyễn Văn Hiệu
ng phân tích PIXE (hình
ử dụng các mơ do (X, Y, Z, xoay quanh trục X và m dòng cho phép xác định được i mẫu. Ngoài ra
buồng chiếu cũng được cách điện hoàn toàn đồng thời giá gắn mẫu sẽ được nối trực tiếp với bộ đếm dịng để thu được tồn bộ điện tích tổng cộng trên mẫu.
Các mẫu phin lọc trong khuôn khổ luận văn được dán trực tiếp lên đế bằng graphit (thành phần chủ yếu là Cácbon). Việc lựa chọn vật liệu làm đế được cân nhắc trên cơ sở nền phông liên tục gây ra do tia tới sau khi đi qua phin lọc tới đế là nhỏ nếu sử dụng đế bằng graphit đồng thời tia X đặc trưng của Cácbon có năng lượng rất nhỏ khơng làm ảnh hưởng đến các đỉnh tia X khác. Tuy nhiên thiết kế thí nghiệm này chưa hồn tồn tối ưu vì một lượng nhỏ tia X và các hạt tán xạ có thể lại kích thích mẫu chiếu, đồng thời tia X đặc trưng phát ra từ các nguyên tố khác trong đế graphit khơng tinh khiết sẽ đóng ghóp vào phơng nền trong phổ tia X của mẫu phin lọc, làm cho kết quả đo khơng được chính xác. Để khắc phục điều này, cần phải thực hiện phép đo đối với mẫu trắng (mẫu phin lọc khi chưa thu góp) để thực hiện phép trừ phơng. Phương pháp này sẽ loại trừ được ảnh hưởng của các tạp chất trong đế graphit cũng như trong mẫu trắng trong phép đo, tuy nhiên cũng sẽ dẫn đến sai số lớn nếu phân bố của các chất bẩn trong đế graphit không đồng đều. Trong tương lai, một thiết kế giá để mẫu tối ưu hơn đang được nghiên cứu, bản
phác thảo của thiết kế này được đưa ra trong Hình 2.7. Trong đó có thể sử cốc
Faraday làm bằng graphit đặt ngay sau mẫu, cốc này có tác dụng tương tự như đế graphit dùng trong thí nghiệm, nhưng được thiết kế dạng cốc hình trụ để sau khi hạt tới đập vào đáy hình trụ thì tia X phát ra do bức xạ hãm cũng như các nguyên tố tạp chất trong đế sẽ không tới được detector, do đó cải thiện được phông nền trong phép phân tích.
Luận văn Thạc sỹ Nguyễn Văn Hiệu
29
Hình 2.7. Các thiết kế được đề xuất với giá để mẫu và buồng chiếu cho phân tích PIXE đối với mẫu mỏng [13]
2.3.4. Detector
Detector tia X được sử dụng trong hệ phân tích thuộc loại Sillicon Drift Detector (SDD) của hãng có độ phân giải 138 eV tại năng lượng tia X đặc trưng bằng 5.9 keV của Mn. Detector này có ưu điểm là có độ phân giải năng lượng tốt và có khả năng ghi nhận tia X với tốc độ đếm cao hơn so với detector tia X khác như HpGe, Si(Li), tự làm lạnh bằng cơ chế Peltier. Detector này được bố trí ở góc 32.8 độ so với hướng chùm tia. Khoảng cách từ detector tới vị trí mẫu được chọn bằng 159 mm tương ứng với góc khối bằng 1.187 mSr.
Tia X đặc trưng tới detector từ mẫu phân tích đi qua cửa sổ mỏng của detector được làm bằng vật liệu hữu cơ AP 3.5 siêu mỏng. Độ mỏng tối đa của cửa sổ của detector là cần thiết khi phân tích tia X vành K của các nguyên tố nhẹ. Tín hiệu từ detector được đi tới tiền khuếch đại, khuếch đại sau đó đi qua bộ phân tích biên độ đa kênh (MCA) được ghép với máy tính. Phổ PIXE được ghi nhận và phân tích trên máy tính với các phần mềm chuyên dụng như GUPIX, RC43 (NEC).
Hiệu suất ghi đối với detector này được tính tốn dựa trên các thông số cho
bởi nhà sản xuất của detector. Hình 2.8 biểu diễn hiệu suất ghi nội của detector
được tính tốn bằng phần mềm phân tích phổ tia X - GUPIX [14]. Ta nhận thấy rằng ở vùng năng lượng từ khoảng 2 đến 10 keV sự thay đổi của hiệu suất ghi theo
năng lượng là không nhiều. Tuy nhiên ở vùng năng lượng thấp dưới 2 keV, hiệu suất ghi tăng giảm rất nhanh theo chiều giảm của năng lượng tia X, ở vùng này các tính tốn hiệu suất ghi theo lý thuyết dẫn đến sai số lớn và cần thiết phải xác định hiệu suất ghi bằng thực nghiệm ở vùng này hoặc đưa thêm các hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc năng lượng tia X vào trong tính tốn.
Hình 2.8. Hiệu suất ghi nội của detector Sirius SDD dùng trong thí nghiệm được tính tốn bằng phần mềm GUPIX dựa trên các tham số đầu vào của nhà sản xuất.
2.3.5. Tấm lọc
Trong phân tích PIXE, tấm lọc thường được sử dụng để loại bỏ các tia X không mong muốn. Tấm lọc này được đặt giữa bia và detector. Với một độ dày tấm lọc và vật liệu nhất định, cường độ tia X sẽ bị suy giảm mạnh hơn ở vùng năng lượng thấp hơn. Các vật liệu được chọn thường có biên hấp thụ vạch K dưới 1 keV vì hệ số truyền qua (transmission) giảm mạnh đối với các năng lượng tia X cao hơn
1 keV. Hình 2.9 chỉ ra sự thay đổi về hiệu suất ghi tuyệt đối của detector với các
tấm lọc khác nhau được đánh giá dựa vào tích hiệu suất ghi nội và hệ số truyền qua và được tính tốn bằng phần mềm GUPIX 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 5 10 15 20 25 H iệ u s u ất g h i n ộ i ( % )
Luận văn Thạc sỹ Nguyễn Văn Hiệu 31 0 5 10 15 20 25 0 20 40 60 80 H iƯ u s u Ê t g h i n é i x H iƯ u s u Ê t tr u y Ị n q u a t Ê m l ä c ( % )
Năng lượng tia X (keV)
Kapton 13 m Mylar 100 m Mylar 123 m
Hình 2.9. Sự thay đổi hiệu suất ghi tuyệt đối của detector Sirius SDD đối với các tấm lọc khác nhau được đặt trong buồng chiếu.
Đối với tấm lọc Mylar ta có thể sử dung công thức dưới đây để tính tốn hiệu suất truyền qua T (transmission) của tia X với năng lượng tương ứng Ex có đơn vị keV
T=exp(-470.17x . ) (21)
Trong đó x là độ dày của tấm lọc tính theo đơn vị mm.
Các tấm lọc với độ dày và vật liệu khác nhau có thể được chọn để lọc một số tia X với năng lượng nhất định, lợi dụng các biên hấp thụ K, L, M của các loại vật liệu khác nhau mà ở đó hiệu suất truyền qua thay đổi rất lớn. Ngồi ra, ta cịn có thể sử dụng tấm lọc đục lỗ (hay còn gọi là “funny filter” [14]) để cho phép một phần các tia X năng lượng thấp đi qua.
Tấm lọc trong cấu hình buồng chiếu dùng trong thí nghiệm này cịn có tác dụng ngăn không cho các ion tán xạ trên bia tới detector mà có thể làm hỏng detector. Tuy tác dụng không mong muốn của tấm lọc là các tia X năng lượng thấp
từ các nguyên tố nhẹ được quan tâm cũng bị suy giảm cường độ. Một cấu hình tối ưu trong đó khơng cần dùng đến tấm lọc có thể được đưa ra trong tương lai đó là sử dụng từ trường từ nam châm vĩnh cửu để lái hướng các hạt tán ra ra khỏi detector [15].
2.4. Phần mềm ghi nhận và xử lý số liệu 2.4.1. Phần mềm ghi nhận phổ RC43 2.4.1. Phần mềm ghi nhận phổ RC43
Phần mềm RC43 là phần mềm điều khiển và ghi nhận số liệu và phân tích số liệu online của buồng phân tích RC43 được viết bởi hãng NEC bằng ngơn ngữ lập trình Visual Basic. Phần mềm RC43 giao tiếp với bộ đếm dòng, bộ điều chỉnh vị trí chùm tia và MCA để điều khiển, ghi nhận tín hiệu từ các bộ phận này.
Các bước cơ bản để điều khiển và ghi nhận số liệu cho buồng phân tích như sau:
- Chạy chương trình bằng cách kích và biểu tượng tương ứng trên màn hình Desktop. Sau một khoảng thời gian khởi động, cửa sổ điều chỉnh vị trí mẫu và cửa sổ chính của chương trình sẽ hiện lên.
- Cửa sổ điều chỉnh vị trí mẫu (Manipulator) có các thành phần cho phép ta điều khiển các mô tơ bước tương ứng với các hướng X, Y, Z, xoay quanh trục X và xoay quanh trục Z.
- Từ cửa sổ chính của chương trình, chọn mục Data Collection > Collect
data, cửa sổ ghi nhận số liệu sẽ hiện lên như Hình 2.10. Các thơng số về chùm tia
như năng lượng, cường độ dòng sẽ được hiển thị trên cửa sổ này.
- Để tiến hành thu thập số liệu, ta phải nhập trước tổng điện tích Q (đơn vị μC) vào ơ “Charge μC”, tùy theo cường độ chùm tia mà thời gian đo sẽ phụ thuộc vào tổng điện tích được đặt trước. Tên tệp dữ liệu được nhập ở ô Filename
- Bắt đầu tiến hành ghi nhận số liệu bằng cách kích vào nút Manual collect, chương trình sẽ tự động điều khiển mở Faraday cup trước buồng chiếu để cho chùm tia đi vào đồng thời mở (gate) ở MCA để bắt đầu ghi nhận số liệu. Toàn bộ
Luận văn Thạc sỹ Nguyễn Văn Hiệu
33
số liệu phổ từ 4 MCA tương ứng với 4 detector trong buồng chiếu sau khi kết thúc đo sẽ được lưu lại thành 4 tệp tin với đuôi mở rộng là *.PIX, *.RBS, *.RBG và *.NRA.
Hình 2.10. Cửa sổ ghi nhận số liệu của phần mềm RC43
2.4.2. Phần mềm phân tích phổ PIXE – GUPIX
Phổ PIXE được xử lý bằng chương trình GUPIX, được viết bằng ngôn ngữ C++ và được phát triển bởi Alanna Weatherstone, Mike Vormwald, Nicholas Boyd and Iain Campbell. GUPIX sử dụng thuật tốn bình phương tối thiểu phi tuyến để tiến hành khớp phổ và tính tốn hàm lượng dựa trên diện tích đỉnh phổ tia X đặc trưng được nhận diện và nhập vào chương trình.
Giao diện của chương trình GUPIX được minh họa ở Hình 2.11, trong đó
biểu diễn cửa sổ sử dụng để nhập các điều kiện thực nghiệm như vị trí đặt detector, năng lượng chùm tia tới, tấm hấp thụ, điện tích tổng, hệ số chuẩn H…
Hình
Các bước phân tích ph 1) Chọn phổ PIXE của m
File, chọn New Project và l
2) Tiến hành chuẩn năng lư
trong mục Calibration, ch
PIXE của mẫu chuẩn và nh 3) Chọn phổ PIXE của m
cách vào mục File, chọn
4) Vào mục Setup, chọn Solution type: 5) Cài đặt các thơng số thí nghi
nhập bao gồm:
+ Góc giữa chùm tia tới và m + Góc đặt detector so với m + Loại chùm tia tới Ion + Năng lượng chùm tia tớ
Hình 2.11. Giao diện chương trình GUPIX
c phân tích phổ PIXE đối với mẫu mỏng được đưa ra như sau: a mẫu chuẩn lưu dưới định dạng .PIX bằng cách vào m
và lựa chọn tệp tin tương ứng.
n năng lượng cho hệ phân tích bằng cách kích vào nút , chọn hai đỉnh năng lượng của nguyên tố đã bi n và nhập vào năng lượng tia X tương ứng.
a mẫu đo và giữ nguyên thông số chuẩn năng lư
n Replace Spectrum.
n Solution type: Fixed Matrix solution
thí nghiệm: Vào mục Setup, chọn Setup: Các thông s
i và mặt phẳng mẫu Beam normal i mặt phẳng mẫu X-ray normal
ới Energy(keV)
c đưa ra như sau: ng cách vào mục
ng cách kích vào nút Begin
ã biết trong phổ
n năng lượng bằng
Luận văn Thạc sỹ Nguyễn Văn Hiệu
35
+Dòng tổng cộng Beam Q
+ Phương thức tính tốn tiết diện Cross-section
+ Chọn loại detector trên mục Select a Detector, trong đó có danh sách các detector được định nghĩa trong file AP0DET.DAT.
+ Các tính hiệu suất ghi của detector: Thường sử dụng lựa chọn Efficiency from Fomula, chương trình sẽ dựa vào file định nghĩa detector để tính tốn hiệu suất ghi. Lựa chọn Efficiency from DETMC file là tính hiệu suất ghi dựa vào một chương trình Monte carlo DETMC.
+ Hệ số chuẩn H: Hệ số chuẩn H được đưa ra cùng với phần mềm GUPIX khơng
những có thể sử dụng để chuẩn hóa các thơng số hệ thống như dịng tổng cộng Q, góc khối Ω, hiệu suất ghi ε, hệ số suy giảm của tấm lọc T mà còn cho phép phần mềm thực hiện các tính tốn nếu phương pháp chuẩn trong hay chuẩn ngoài được áp dụng (chi tiết về hai phương pháp này sẽ được đề cập ở phần sau). Dưới đây là công thức áp dụng trong phần mềm để xác định hệ số H:
C = ( , )
( , ) ( ) ( ) (22) Trong đó Cz là hàm lượng nguyên tố cần tìm (đơn vị ng/cm2 đối với mẫu mỏng), AZ là khối lượng nguyên tử của nguyên tố Z, Y(Z,AZ) là cường độ đỉnh tia X đặc trưng và Yltlà cường độ phát tia X lý thuyết, đối với trường hợp của mẫu mỏng Ylt có đơn vị là số tia X đặc trưng trên một μC trên một đơn vị hàm lượng (ng/cm2) trên một steradian, dựa vào công thức 1 thì:
x av p lt Z N Y A (23)
Giá trị Ylttrong GUPIX có ý nghĩa tương đương với đại lượng được gọi là “độ nhạy nguyên tố” được nhắc đến trong tài liệu tham khảo [16]
Thơng thường nếu khơng có hiệu chỉnh gì ở các thơng số hệ thống thì hệ số
Hệ số chuẩn H trong phần mềm có thể khơng đổi hoặc thay đổi theo năng lượng tia X. Việc đặt hệ số chuẩn thay đổi theo năng lượng khi ta muốn chuẩn hóa các thành phần phụ thuộc năng lượng tia X như hiệu suất ghi ε, hệ số suy giảm tấm lọc T.
Nếu hệ số H thay đổi theo năng lượng ta cần nhập vào tập tin H, K, L, M tương ứng với các tia X vạch K, L, M. Các tập tin này có định dạng với một cột là năng lượng tia X, một cột là hệ số chuẩn H tương ứng. Thông thường chỉ xét đến các nguyên tố vạch K nên chỉ cần nhập vào đường dẫn tới một tập tin H(K), nếu ta xác định hàm lượng thơng qua vạch L, M thì phải có tập tin đầu vào tương ứng. 6) Tiếp theo là phần chọn loại tấm lọc và độ dày: Trong phần Setup, chọn Filter để điền thông số về tấm lọc được sử dụng, GUPIX cho phép nhập thông tin về các tấm lọc theo số hiệu nguyên tử Z, đối với các tấm lọc bằng hợp chất, GUPIX cho sẵn các loại tấm lọc Mylar, Acrylic, Air, Ice, Polyethylene, Kapton, Markrofol.
7) Nhập thông tin về loại mẫu: Vào mục Sample, chọn Sample structure và chọn
Thin sample.
8) Nhập vào các nguyên tố để phân tích: Vào mục Sample, chọn Fixed Matrix
Solution> Define fit elements và nhập vào các nguyên tố có mặt trên phổ, được xác
định bằng cách di chuyển lần lượt giữa các nguyên tố trong mục Show X-ray
Energy ở giao diện chính của chương trình để kiểm tra xem có đỉnh phổ tia X đặc
trưng của nguyên tố đó xuất hiện trên phổ hay khơng.
9) Nhập thông tin khớp phổ: Vào mục Fit, chọn Spectrum detail
Nhập thông tin về vùng kênh khớp phổ ở ô Region of Fit, các thông số về
chuẩn năng lượng (các tham số A1,A2,A3) cũng như chuẩn độ phân giải của
detector (A4,A5) ở ô Calibration Parameters. Các thông số chuẩn năng lượng đã