Đối với mẫu mỏng, cường độ phụng NB được xỏc định theo cụng thức [1]:
0 ( 0) sin B j B B N E nFWHM N t N A (18)
Trong đú: B là xỏc suất tạo ra bức xạ phụng liờn tục/1 đơn vị năng lượng tia X.
B
A là khối lượng nguyờn tử,
FWHM là độ phõn giải năng lượng,
n là số kờnh trong vựng phổ quan tõm. Với Y Zj( )3 NB , ta tỡm được giới hạn phỏt hiện (LOD):
0 0 0 ( ) sin 3 ( ) B z X jZ B j E nFWHM A LOD E N A N t (19)
Như vậy dựa vào cụng thức ta thấy là để LOD tối ưu thỡ chỳng ta nờn sử dụng cỏc detector cú độ phõn giải năng lượng tốt (tức là FWHM nhỏ).
Luận văn Thạc sỹ Nguyễn Văn Hiệu
19
Chương 2 – THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1. Phương phỏp thu ghúp mẫu bụi khớ
2.1.1. Thiết bị thu ghúp mẫu
Cỏc mẫu bụi khớ dựng cho phõn tớch PIXE thường được chuẩn bị bằng cỏch bơm một lượng khụng khớ tại điểm khảo sỏt qua cỏc tấm phin lọc bằng Teflon, Polycarbonate hay sợi thủy tinh. Cỏc mẫu khớ dạng này thường được thu ghúp trong thời gian khoảng 24 giờ bằng cỏch lọc một lượng khụng khớ khoảng 20 đến 30 m3 tương đương với lượng khớ mà cũn người hớt thở trong một ngày. Trong kỹ thuật lọc khớ này, kớch thước lỗ của lưới lọc sẽ quyết định kớch thước của hạt bụi khớ được lọc qua tương ứng với cỏc nhúm bụi khớ được phõn loại theo kớch thước hạt bụi với cỏc ký hiệu tương ứng cú thể kể ra như sau (theo phõn loại của cơ quan bảo vệ mụi trường Mỹ):
- TSP: là cỏc hạt bụi khớ lơ lửng tổng cộng cú đường kớnh động học (AED) trong khoảng từ 0.1 đến 30 μm.
- PM10: là cỏc hạt bụi cú AED 10 μm, đõy là loại bụi cú thể dễ dàng thõm nhập sõu vào hệ thống hụ hấp nờn là đối tượng nghiờn cứu chớnh.
- PM2.5-10 (bụi thụ): là cỏc hạt bụi khớ cú AED trong khoảng từ 2.5 đến 10 μm.
- PM2.5 (bụi mịn): là cỏc hạt bụi khớ cú AED 2.5 μm. - Bụi siờu mịn là cỏc hạt bụi cú AED 0.1 μm.
Cỏc thiết bị thu ghúp mẫu bụi khớ ứng dụng tại Việt Nam hiện nay cú 2 loại: Thiết bị thu gúp nhiều tầng và thiết bị thu ghúp mẫu theo quỏn tớnh.
Cỏc thiết bị thu gúp mẫu nhiều tầng gồm nhiều phin lọc cú kớch thước lỗ khỏc nhau được đặt liờn tiếp nhau tạo nờn nhiều tầng theo thứ tự kớch thước lỗ nhỏ dần. Dưới tỏc động của dũng khớ được bơm đi qua cỏc phin, cỏc hạt bụi sẽ được giữ lại trờn cỏc phin lọc cú kớch cỡ lỗ nhỏ hơn kớch cỡ hạt bụi đú. Vớ dụ điển hỡnh của
loại thiết bị này là mỏy thu ghúp mẫu GENT-SFU được chế tạo tại Viện Khoa học Hạt nhõn, trường Đại học Gent, Bỉ. Cấu tạo của thiết bị này gồm đầu thu ghúp mẫu, bơm chõn khụng, lưu lượng kế, van điều chỉnh lưu lượng, đồng hồ đo thời gian, đồng hồ đo thể tớch khớ qua phin và bộ điều khiển hoạt động của thiết bị. Sơ đồ
nguyờn tắc hoạt động của mỏy được chỉ ra trờn Hỡnh 8 [1]. Cỏc mẫu được phõn tớch
trong khuụn khổ luận văn được thu gúp sử dụng thiết bị này.
Hỡnh 2.1. Sơ đồ nguyờn tắc thiết bị thu ghúp mẫu GENT-SFU [1].
Trong thiết bị thu ghúp mẫu theo quỏn tớnh, dũng khớ đi vào được dẫn theo đường xoỏy trụn ốc (vỡ thế loại thiết bị này cũn được gọi là cyclone). Dưới tỏc dụng của lực quỏn tớnh, cỏc bụi khớ cú kớch thước lớn hơn một giỏ trị xỏc định nào đú sẽ được tỏch ra khỉ dũng khớ và được thu gúp khi chỳng đập vào phin lọc. Một vớ dụ về thiết bị này là thiết bị thu gúp mẫu cyclone cải tiến trong khuụn khổ chương trỡnh ASP (Aesol Sampling Program) của Viện ANSTO (Úc), gọi tắt là thiết bị
Luận văn Thạc sỹ
Hỡnh 2.2. Sơ đ
2.1.2. Phin lọc
Việc lựa chọn cỏc lo mẫu vẫn được coi là mẫu m một lượng chất vừa đủ đ lượng nhỏ. Khối lượng ch cụng thức sau:
Trong đú Mair(μg/cm tớch) được thu vào trong kho diện tớch hiệu dụng A cm
thể điều chỉnh được thời gian thu m khỏc đó cố định do thiết b
Lấy vớ dụ đối với hai lo trỡnh nghiờn cứu bụi khớ:
Nguy
21
. Sơ đồ nguyờn tắc của thiết bị thu ghúp mẫu ASP [1].
n cỏc loại phin lọc phải đảm bảo giữ cho tấm lọ u mỏng (độ dày khối < 1mg/cm2) nhưng vẫn đ
để phõn tớch đối với cỏc nguyờn tố cần quan tõm cú hàm ng chất được thu gúp trờn một đơn vị diện tớch đư
2
( / ) 0.060 /
fill air
M g cm TRM A
g/cm3) là tổng khối lượng khụng khớ (trờn m
c thu vào trong khoảng thời gian T giờ với lưu lượng khớ R (lớt/phỳt) trờn ng A cm2. Trờn thực tế để thỏa món điều kiện nờu trờn thỡ ta ch
i gian thu mẫu T và diện tớch hiệu dụng A vỡ cỏc thụng s t bị và lượng khụng khớ nhất định.
i hai loại phin lọc thường được sử dụng trong cỏc chương i khớ: phin lọc Nuclepore đường kớnh 47 mm, di
Nguyễn Văn Hiệu
u ASP [1]. ọc đủ mỏng để n đủ dày để giữ n quan tõm cú hàm n tớch được tớnh bởi (20) ng khụng khớ (trờn một đơn vị thể ng khớ R (lớt/phỳt) trờn n nờu trờn thỡ ta chỉ cú ng A vỡ cỏc thụng số ng trong cỏc chương ng kớnh 47 mm, diện tớch hiệu
dụng A=11.95 cm2 được vận hành trong điều kiện lưu lượng dũng khớ chuẩn đối với loại tấm lọc này là R=16 lớt/phỳt và phin lọc Teflon cú diện tớch hiệu dụng nhỏ hơn cỡ A=2.27 cm2 vận hành ở R=22 lớt/phỳt (đõy là loại phin lọc kiểu dệt chịu ỏp lực tốt hơn phin lọc Nuclepore nờn cú thể vận hành ở lưu lượng khớ lớn hơn và diện tớch hiệu dụng nhỏ hơn). Khối lượng vật chất thu được trờn một đơn vị diện tớch đối với phin lọc Teflon lớn hơn gấp 7 lần so với phin lọc Nuclepore với cựng khối lượng khớ Mair thu vào. Do đú phin lọc Teflon cú độ nhạy tốt hơn so với phin lọc Nuclepore. Tuy nhiờn nếu sử dụng phin lọc Teflon thỡ chỉ cần một khối lượng khớ Mair>60 μg/cm3 thỡ độ dày khối tương ứng sẽ >1mg/cm2 do đú mẫu sẽ khụng được coi là mẫu mỏng nữa. Trong khi đối với phin lọc Nuclepore mẫu vẫn được coi là mẫu mỏng với Mair<500 μg/cm3. Vỡ vậy tấm lọc Teflon thường được sử dụng đối với cỏc bụi khớ PM2.5 và cho vựng ớt ụ nhiễm hơn trong khi tấm lọc Nuclepore thường được sử dụng cho cỏc vựng ụ nhiễm cao và bụi khớ PM10.
Phin lọc được sử dụng trong khuụn khổ luận văn là tấm lọc bằng vật liệu
polycarbonate, cú đường kớnh 47 mm (minh họa ở Hỡnh 2.3). Vựng bụi khớ được
thu ghúp trờn mẫu cú đường kớnh chỉ khoảng 39 mm.
Hỡnh 2.3. Hỡnh ảnh cỏc phin lọc Nuclepore được sử dụng cho mỏy GENT trước (trỏi) và sau khi thu ghúp và phõn tớch bằng kỹ thuật PIXE (phải)
2.2. Chọn vị trớ thu gúp mẫu
Luận văn Thạc sỹ Nguyễn Văn Hiệu
23
- Cung cấp số liệu cú tớnh đại diện cao - Trỏnh quẩn giú
- Xa tường nhà, cõy cối và cỏc nguồn gõy ụ nhiễm cục bộ
Thụng thường thiết bị thu ghúp mẫu thường được đăt trong vườn hoặc trờn mỏi nhà. Khoảng cỏch tối thiểu từ đầu thu gúp mẫu đến cỏc đối tượng xung quanh
được chỉ ra trờn Hỡnh 2.4.
Hỡnh 2.4. Vị trớ đặt thiết bị thu gúp mẫu thớch hợp [1]
Trong đú Hg là độ cao từ đầu thu gúp mẫu đến mặt đất (1-5) m, thường chọn 1.6 m khi nghiờn cứu ụ nhiễm liờn quan đến sức khỏe, H0 là độ cao của vật cản xung quanh tớnh từ đầu ống hỳt (2H0<Dw), Dt là khoảng cỏch đến cõy gần nhất (>20 m). Dw là khoảng cỏch đến tường gần nhất (>1 hoặc 2 m). α=120 độ là gúc mở tối thiểu trờn đầu thu gúp mẫu.
Hỡnh 2.5. Cỏc thiết bị thu gúp bụi khớ tại trạm khớ tượng Lỏng, Hà Nội (hỡnh trờn) và cỏc thiết bị tương tự đặt tại ANSTO (Úc), từ trỏi qua phải là thiết bị cyclone PM2.5, PM10 sử
dụng phin lọc Teflon và thiết bị thu gúp nhiều tầng GENT PM10/PM2.5 sử dụng phin lọc Nuclepore.
2.3. Thiết bị và quy trỡnh phõn tớch mẫu bụi khớ bằng kỹ thuật PIXE 2.3.1. Mỏy gia tốc 2.3.1. Mỏy gia tốc
Chựm proton với năng lượng từ 1 đến 4 MeV thường được sử dụng trong phõn tớch PIXE. Chựm tia phải thỏa món yờu cầu đồng đều trong một khoảng diện tớch đó biết. Để thỏa món điều này người ta thường sử dụng foil khuyếch tỏn mỏng đặt trước chựm tia hoặc sử dụng chựm tia đó phõn kỳ (sau điểm hội tụ) và dựng col- limator để lựa chọn vựng chớnh giữa chựm tia. Đường kớnh chựm tia cú thể vào
Luận văn Thạc sỹ Nguyễn Văn Hiệu
25
khoảng từ 10 mm hoặc nhỏ hơn đến cỡ micromột. Đối với bia mỏng như cỏc mẫu phin lọc được nghiờn cứu trong luận văn thỡ mật độ chựm tia giới hạn vào khoảng 1 nA/mm2, vỡ thế cần chựm tia chiếu trờn mẫu với diện tớch lớn. Cường độ chựm tia thường vào khoảng 10 đến 100 nA, phụ thuộc vào loại mẫu hoặc kớch cỡ chựm tia.
Thiết bị gia tốc chựm proton được sử dụng trong khuụn khổ luận văn là mỏy gia tốc Pelletron 5SDH2. Đõy là loại mỏy gia tốc tớnh điện kộp (Tandem), được sản xuất tại hóng National Electrostatics Corporation-USA. Đõy là mỏy gia tốc tĩnh điện hiện đại, lần đầu tiờn đặt tại Việt Nam. Mỏy cú điện ỏp giỏ tốc cực đại là 1.7 MV, do đú cú thể gia tốc ion điện tớch đơn (proton) lờn năng lượng 3.4 MeV, ion điện tớch kộp lờn 5,1 MeV.
2.3.1.1. Nguồn ion
Để phự hợp với mục đớch sử dụng, mỏy gia tốc 5SDH-2PELLETRON cú 2 nguồn phỏt ra chựm tia với cơ chế khỏc nhau.
a) Nguồn RF(radio frequency)
Dựng để tạo ra ion H và He cho cỏc hệ phõn tớch. Khớ He (hoặc H) được phun vào bỡnh phúng điện thạch anh qua 1 van định lượng để duy trỡ ỏp suất cỡ 10- 15 μTorr. Mỏy tạo dao động cao tần RF sẽ tạo ra trạng thỏi plasma ở trong ống thạch anh, được tăng cường bằng nam chõm solenoid. Thế một chiều được ỏp dọc theo chiều của plasma và gia tốc để chỳng đi qua lỗ nhỏ bằng vật liệu thớch hợp, sau đú đi qua buồng trao đổi điện tớch. Ở đõy cỏc ion He (hoặc H) trạng thỏi tớch điện dương được trung hũa bởi Rb. Một số nguyờn tử He sẽ trải qua hai lần trao đổi điện tớch vỡ trạng thỏi điện tớch õm.
b) Nguồn SNICS (Source of Negative Ions by Cecium Sputtering)
Cho phộp tạo ra cỏc ion từ Hydrogen(H) đến Bismuth(Bi) để gia tốc. Hơi Cs đi vào diện tớch kớn giữa catot lạnh và bề mặt ion húa núng. Một số Cs ngưng tụ trờn bề mặt cathode, một số ion húa trờn bề mặt núng. Cs ion húa gia tốc tới cathode gõy phun xạ cỏc hạt từ cathode qua lớp Cs ngưng tụ. Một số vật liệu cú thể
phun xạ ion õm, số khỏc cú thể phun xạ hạt tớch điện dương hoặc trung hũa, cỏc hạt này sẽ bắt thờm cỏc electron khi chỳng đi qua lớp Cs ngưng tụ và tạo thành ion õm.
2.3.1.2. Buồng gia tốc chớnh
Buồng gia tốc 5SDH-2 Pelletron là loại buồng gia tốc tĩnh điện 1.7 triệu Volt, cú khả năng gia tốc nhiều loại ion khỏc nhau trong một khoảng năng lượng rộng với cỏc phõn tớch bằng tỏn xạ ngược Rutherford (RBS), PIXE, cấy ghộp ion và cỏc thớ nghiệm vật lý hạt nhõn.
Buồng gia tốc chớnh bao gồm : Buồng chứa và cỏc bộ phận liờn quan, hệ
thống truyền dẫn khớ SF6,, hệ chõn khụng, ống gia tốc, hệ thống tước electron
(stripping system), hệ thống nạp điện, Vụn kế phỏt.
Khi chựm ion õm được tạo ra, chỳng sẽ được gia tốc trước khi đi vào vựng năng lượng thấp của mỏy gia tốc. Sau khi đi vào buồng gia tốc cỏc ion õm bị hỳt bởi điện ỏp dương cực đại ở tõm buồng gia tốc, do đú chỳng được gia tốc.
Khi đến điểm giữa buồng gia tốc, cỏc ion õm đi qua một thiết bị gọi là “bộ tước” và trở thành ion dương. Khi cỏc ion dương này đi ra khỏi bộ tước và trụi về tầng gia tốc thứ hai của buồng gia tốc thỡ được cao thế dương ở tõm giữa tỏc động lực đẩy và do đú được gia tốc lần nữa.
2.3.1.3. Cỏc hệ thống phụ trợ
Hệ thống chõn khụng gồm bơm turbo, bơm sơ cấp, bộ điều khiển, mỏy đo chõn khụng. Cỏc bơm tubo đi kốm với bơm dầu cựng cỏc bộ điều khiển, đo đạc được bố trớ ở nguồn (RF), ở vựng chựm tia năng lượng thấp, ở vựng chựm tia năng lượng cao, buồng phõn tớch và buồng cấy ghộp. Bộ hội tụ và điều chỉnh chựm tia giỳp chựm tia đi đỳng hướng và điều chỉnh chựm tia theo đỳng mục đớch sử dụng. 2.3.2. Bố trớ thớ nghiệm và buồng phõn tớch
Bố trớ của hệ phõn tớch PIXE trờn hệ mỏy gia tốc như ở Hỡnh 2.6 bao gồm
cỏc phần chớnh: một collimator, một buồng phõn tớch được làm bằng hợp kim thộp và luụn giữ ở chõn khụng cao <5x10-6 Torr trong quỏ trỡnh chiếu mẫu.
Luận văn Thạc sỹ
Hỡnh 2.6. Bố trớ thớ nghiệ
2.3.3. Giỏ để mẫu
Giỏ để mẫu được đ tơ bước cho phộp dịch chuy trục Z). Giỏ để mẫu đượ điện tớch tổng cộng trờn m
Nguy
27
ệm: Hệ mỏy gia tốc (hỡnh trờn) và buồng phõn tớch PIXE (hỡnh dưới)
c đặt trờn hệ điều khiển vị trớ (manipulator) sử ch chuyển theo 5 phương tự do (X, Y, Z, xoay quanh tr
ợc nối trực tiếp với bộ đếm dũng cho phộp xỏc ng trờn mẫu, từ đú xỏc định được số lượng hạt tới m
Nguyễn Văn Hiệu
ng phõn tớch PIXE (hỡnh
ử dụng cỏc mụ do (X, Y, Z, xoay quanh trục X và m dũng cho phộp xỏc định được i mẫu. Ngoài ra
buồng chiếu cũng được cỏch điện hoàn toàn đồng thời giỏ gắn mẫu sẽ được nối trực tiếp với bộ đếm dũng để thu được toàn bộ điện tớch tổng cộng trờn mẫu.
Cỏc mẫu phin lọc trong khuụn khổ luận văn được dỏn trực tiếp lờn đế bằng graphit (thành phần chủ yếu là Cỏcbon). Việc lựa chọn vật liệu làm đế được cõn nhắc trờn cơ sở nền phụng liờn tục gõy 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 Cỏcbon cú năng lượng rất nhỏ khụng làm ảnh hưởng đến cỏc đỉnh tia X khỏc. Tuy nhiờn thiết kế thớ nghiệm này chưa hoàn toàn tối ưu vỡ một lượng nhỏ tia X và cỏc hạt tỏn xạ cú thể lại kớch thớch mẫu chiếu, đồng thời tia X đặc trưng phỏt ra từ cỏc nguyờn tố khỏc trong đế graphit khụng tinh khiết sẽ đúng ghúp vào phụng nền trong phổ tia X của mẫu phin lọc, làm cho kết quả đo khụng được chớnh xỏc. Để khắc phục điều này, cần phải thực hiện phộp đo đối với mẫu trắng (mẫu phin lọc khi chưa thu gúp) để thực hiện phộp trừ phụng. Phương phỏp này sẽ loại trừ được ảnh hưởng của cỏc tạp chất trong đế graphit cũng như trong mẫu trắng trong phộp đo, tuy nhiờn cũng sẽ dẫn đến sai số lớn nếu phõn bố của cỏc chất bẩn trong đế graphit khụng đồng đều. Trong tương lai, một thiết kế giỏ để mẫu tối ưu hơn đang được nghiờn cứu, bản
phỏc thảo của thiết kế này được đưa ra trong Hỡnh 2.7. Trong đú cú thể sử cốc
Faraday làm bằng graphit đặt ngay sau mẫu, cốc này cú tỏc dụng tương tự như đế graphit dựng trong thớ nghiệm, nhưng được thiết kế dạng cốc hỡnh trụ để sau khi hạt tới đập vào đỏy hỡnh trụ thỡ tia X phỏt ra do bức xạ hóm cũng như cỏc nguyờn tố tạp chất trong đế sẽ khụng tới được detector, do đú cải thiện được phụng nền trong phộp phõn tớch.
Luận văn Thạc sỹ Nguyễn Văn Hiệu
29
Hỡnh 2.7. Cỏc thiết kế được đề xuất với giỏ để mẫu và buồng chiếu cho phõn tớch PIXE đối với mẫu mỏng [13]
2.3.4. Detector
Detector tia X được sử dụng trong hệ phõn tớch thuộc loại Sillicon Drift Detector (SDD) của hóng cú độ phõn giải 138 eV tại năng lượng tia X đặc trưng