b. Các y ut nh h ngđ ns mr ngđ ng nhi ux
2.3.1. Cch phát x ti aX
ng phóng tia X (hình 2.19) lƠ lo i ngu n tia X có s m nhất. Cấu t o c a ng phóng tia X g m môt bu ng chơn không (áp suất kho ng 10,θ đ n 10,8 mmHg) vƠ hai đi n c c (an t vƠ cat t). Chùm electron phát ra từ cat t (khi b đ t nóng) s đ ợcgia t c b i đi n tr ng trong bu ng chơn không vƠ khi đ p vƠo an t (hay còn g i lƠ bia) s phát ra tia X.
Hình 2.19: Cấu t o c a ng ph ng tia X
Ph tia X phát ra từ ng phóng tia X nh trên hình 2.20 và 2.21 bao g m hai phần chính. Phần th nhất có b c sóng thay đ i liên tục nên g i lƠ ph liên tục hay ph hƣm. Phần th hai có b c sóng gián đo n nên g i lƠ ph v ch hay ph tia X đặc tr ng. Các đỉnh ph tia X đặc tr ngn m trên n n ph liên tục nhìn gi ng nh " các đỉnh tháp xơy trên m t s n đ i".
32
Hình 2.20:Ph năng l ợngb c x hãm
Hình 2.21: Ph b c x tia X
2.3.1.2. C ch phát b c x hƣm
Theo đi n đ ng l c h c c đi n, các h t mang đi n đ ợc gia t c hoặc lƠm ch m đ u phát ra b c x đi n tử. Khi các h t mang đi n t ng tác v i nguyên tử (h t nhơn c a nguyên tử) vƠ b hƣm đ t ng t s phát ra b c x g i lƠ b c x hƣm. Th c chất c a quá trình nƠy lƠ đ ng năng c a electron đƣ đ ợc gi i phóng d i d ng tia X. Trong ng tia X khi các electron đ p vƠo bia thì t c đ c a chúng thay đ i liên tục trong tr ng Culông c a các nguyên tử bia, hay nói cách khác lƠ năng l ợng c a electron b mất dần, do đó các tia X phát ra có b c sóng thay đ i liên tục trong m t gi i r ng. Quá trình t ng tác vƠ phát tia X (b c x hƣm) đ ợc minh h a trên hình 2.24.
Chùm electron đ ợc gia t c có đ ng năng c c đ i lƠ: T=eV (2.17)
Trong đó: e lƠ đi n tích c a electron,
33
Khi toàn b đ ng năng c a electron bi n thƠnh b c x hƣm thì năng l ợng c c đ i c a chùm b c x hƣm s lƠ:
ℎ = = � = ℎ
� � (2.18)
Trong đó: hlƠ h ng s Pank.
vlƠ tần s c a b c x hƣm,
e là v n t c c a ánh sáng.
Từ (3) suy ra min hay còn g i lƠ gi i h n l ợngtử (A):
Hình 2.22: Quá trình làm ch m eletron trong tr ng Culong c a h t nhân vàphát b c x hãm
Quá trình làm ch m electron trong tr ng Culong c a h t nhơn vƠ phát b c x hƣm v i năng l ợng hv=E0-E1 trong đó E0 lƠ năng l ợngban đầu c aelectron vƠ E1 lƠ năng l ợngc a electron sau khi b lƠm ch m vƠ đ i h ng. C ngđ c a b c x hƣm t lê ngh ch v i bình ph ngkh i l ợngc a h t mang đi n tích bắn vƠo bia (h t t i). Do đó c ngđ b c x hƣm t o b i các h t nặng nh proton s y u h n so v i tr ng hợp t o b i các h t nhẹ nh electron.
34
Mặt khác, c ngđ c a b c x hƣm t lê v i bình ph ng di n tích c a h t nhơn bia. Do đó mu n tăng c ngđ b c x hƣm cần sử dụng các nguyên t nặng, có nhiêt đ nóng ch y cao vƠ có kh năng truy n nhi t t t đ lƠm bia nh Vonfram (W) hoặc Tantali (Ta).
S thay đ i đi n th gia t c đ ng nghĩa v i s thay đ i đ ng năng c a chùm electron t i vƠ do đó cũng lƠm thay đ i năng l ợngc c đ i c a chùm b c x hƣm phát ra từ an t. Mặt khác, b c x hƣm có năng l ợngt ng ng v i đ ng năng c a các h t mang đi n tích b mất, do đó ph năng l ợnghoặc b c sóng c a b c x hãm liên quan tr c ti p t i đi n th c a ng phóng tia X( hình 2.19).
2.3.1.3. C ch phát tia X đặc tr ng
Ph tia X đặc tr ng phát ra từ ng phóng tia X lƠ các v ch sắc nét v i b c sóng gián đo n. B c sóng c a các đỉnh quan sát đ ợctrên ph phụ thu c vƠo từng lo i bia hƣm. Do đó ph v ch c a tia X còn g i lƠ ph tia X đặc tr ng vì năng l ợngc a nó đặc tr ngcho từng nguyên t (hình 2.22).
Mu n t o ra các tia X đặc tr ng thì năng l ợngc a electron t i ph i b ng hoặc l n h n năng l ợngliên k t c a electron trong nguyên tử bia. V i chùm electron năng l ợng3η keV đơp vƠo bia W.
Tia X đặc tr ng đ ợcC.C Barkla phát minh năm 190θ. Ph tia X đặc tr ng c a các nguyên t có cấu t o gi ng nhau, nh ngkhác nhau v năng l ợng. Tia X đặc tr ng sinh ra lƠ k t qu c a quá trình d ch chuy n tr ng thái c a electron trong nguyên tử. S chuy n d ch x y ra khi vƠnh đi n từ bên trong xuất hi n lỗ tr ng vƠ trong kho ng th i gian rất ngắn, cỡ 10-15 giây có m t electron từ vƠnh ngoƠi nh y vƠo th chỗ. Trong quá trình chuy n d ch nƠy, hi u năng l ợngliên k t c a electron hai qu đ o đ ợcgi i phóng d i d ng sóng đi n tử, đó chính lƠ tia X đặc tr ng. Quá trình hình thƠnh lỗ tr ng vƠ t o ra tia X đặc tr ng đ ợcmô t trên hình 2.23.
Mu n t o ra lỗ tr ng cần ph i kích thích các nguyên tử bia. Đ đ n gi n hƣy xét tr ng hợp kích thích nguyên tử b ng tia X đ n năng. Mu n b t m t electron vƠnh K c a m t nguyên tử thì năng l ợngc a tia X s cấp E dùng đ kích thích ph i
35
l n h n hoặc b ng năng l ợngliên k t c a electron vƠnh K (đ ợcký hi u là g), nghĩa là: E >K
Khi nguyên tử b kích thích, m t electron vƠnh K s b t ra kh i qu đ o vƠ đ l i lỗ tr ng. Electron vƠnh K b b t ra kh i qu đ o có năng l ợnglƠ:
�� =Φ − Φ (2.19)
N u m t electron vƠnh L nh y vƠo lấp lỗ tr ng vƠnh K thì năng l ợng Ex đ ợcgi i phóng d i d ng sóng đi n từ hay còn g i lƠ tia X đặc tr ng vƠ có giá tr :
� =� − Φ (2.20)
Quá trình d ch chuy n nƠy cũng có th x y ra gi a vƠnh K v i các vƠnh cao h n nh vƠnh M, vƠnh N...
Hình 2.23: Quá trình hình thành lỗ tr ng và t o ra tia Xđặc tr ng
Trong m t s tr ng hợp, tia X đặc tr ng bay ra s đ p vào electron vành ngoƠi vƠ đẩy electron đó ra kh i tr ng thái liên k t. Electron nƠy đ ợcg i lƠ electron Auger. Gi sử electron Auger b b t ra từ vƠnh M thì năng l ợngc a nó s lƠ:
36
T ngt , khi xuất hi n m t lỗ tr ng m i các vƠnh ngoƠi thì cũng l i di n ra các quá trình chuy n d ch c a electron vƠ sinh ra các tia X đặc tr ng t ng ng. Tuy nhiên các quá trình chuy n d ch electron vƠ phát tia X đặc tr ng ph i tuơn theo m t s quy lu t vƠ có th gi i thích d a trên lý thuy t cấu trúc c a nguyên tử.
2.3.1.4. Hi u suất huỳnh quang
Khi m u đ ợckích thích b ng chùm photon hoặc các h t mang đi n, s phát x tia X đặc tr ng s phụ thu c vƠo xác suất di n ra c a m t s quá trình. C ngđ c a m t tia X đặc tr ng cụ th , ví dụ L�1 ch ng h n s phụ thu c vƠo tích c a ba h s :
a. Xác suất đ photon t i ion hóa nguyên tử m c Lm.
b. Xác suất chuy n d ch electron từ m c My lấp vƠo chỗ tr ng m c Lm.
c. Xác suất đ tia X đặc tr ng L�1 bay ra kh i nguyên tử mƠ không b hấp thụ b i chính nguyên tử đó.
Có th nói h s (a) liên quan tr c ti p t i s hấp thụ các photon c a m u vƠ t o ra hi u ng quang đi n, h s (b) liên quan t i quy tắc ch n l a c a c h c l ợngtử, còn h s (c) chính lƠ hi u suất phát tia X huỳnh quang đặc tr ng ng v i từng vƠnh.
Hi u suất phát tia X huỳnh quang đặc tr ng, ví dụ ng v i vƠnh K đ ợcđ nh nghĩa nh sau:
� = ố � � ã
ố ỗ ố � à ℎ (2.22)
Hi usuất huỳnh quang � chính là xác suất phát từ X huỳnh quang thu c dƣy K sau khi vƠnh K c a nguyên tử có lỗ tr ng. Nh v y l ậ � s lƠ xác suất phát electron Auger. N u � =90% có nghĩa lƠ có 100 nguyên tử có lỗ tr ng vƠnh K thì chỉ có 90 nguyên tử phát ra các tia X đặc tr ng thu c dƣy K vƠ 10 nguyên tử phát electron Auger. Cũng t ngt nh v y có th đ nh nghĩa � , � ... Các nghiên c u lý thuy t vƠ th c nghi m chỉ ra r ng hi u suất huỳnh quang tăng theo nguyên tử s vƠ có s khác nhau gi a các vƠnh electron; � l n h n � và � l n h n � ...
37
ng phóng tia X hay còn g i lƠ ngu n (e-X) vì tia X đ ợcsinh ra khi bắn chùm electron vƠo bia kim lo i. Đơy lƠ m ttrong nh ng lo i ngu n kích thích tia X có s m nhất vƠ ngƠy nay v n đ ợcsử dụng rất ph bi n. Ph tia X từ ng phóng bao g m hai phần; ph liên tục vƠ ph v ch nh đƣ đ ợcminh h a trên hình 2.23. Mu n có ph tia X đặc tr ng vƠnh K thì đi n th gia t c electron V ph i th a mƣn đi u ki n lƠ l n h n hoặc b ng năng l ợngliên k t vƠnh K c a nguyên từ bia lƠ � .
� ≥ � (2.23)
Đ i v i ph b c x hƣm c a ng phóng tia X thì từ bi u th c c a Duane- Hunt:
ℎ =ℎ
�0 = �(2.24)
Có th suy ra r ng năng l ợngc c đ i c a b c x đi n tử (trong gi i ph hƣm) không th l n h n đ ng năng c a electron bắn vƠo bia trong ng phóng tia X. C ngđ tích phơn c a b c x hƣm đ ợctính theo bi u th c th c nghi m c a Uirey nh sau:
= �2(2.25)
Trong đó: V lƠ đi n th gia t c electron, Z lƠ nguyên tử s c a h t nhơn bia vƠ k lƠ h ng s có liên h c v i c ngđ dòng c a electron trong ng phóng tia X.
2.3.3. C ng đ tia X đặc tr ng
C ngđ tia X đặc tr ng không chỉ phụ thu c vƠo hƠm l ợngc a nguyên t mƠ còn phụ thuôc vƠo nhi u thông s v t lý vƠ k thu t khác liên quan t i ngu n b c x kích thích, các h ng s nguyên tử c a nguyên t , thƠnh phần vƠ kích th c m u cũng nh hình h c ngu nm uđetect ... Chính vì v y mƠ m t ph ngtrình bi u di n s phụ thuôc c a c ngđ tia X đặc tr ng vƠo hƠm l ợngc a nguyên t th ng đ ợcxơy d ng d a trên nh ng đi u ki n th c nghiêm cụ th .
38
Ngu n tia X (Io) Đetect tia X
Hình 2.24: Hình h c ngu n m u đetect minh h a cho ph ng pháp tính c ng đ tia X huỳnh quang đặc tr ng.
V i s đ thí nghiêm nh trên hình2.24 vƠ đ m b o đ ợcm t s đi u ki n khác nh b mặt m u phơn tích ph i ph ng vƠ nhẵn, m u đ ng nhất vƠ các nguyên t có trong m u đ ợcphơn b đ u, chùm tia s cấp d i vƠo đ kích thích m u cũng nh tia X đặc tr ng phát ra từ m u trong m t góc hẹp vƠ c ngđ c a các tia đ chỉ b suy gi m do hiêu ng ma tr n m u.
2.3.4. Đo vƠ phơn tích ph tia X đặc tr ng
Trong phơn tích huỳnh quang tia X sử dụng k thu t ED, hình h c ngu n m uđetect có th b trí theo s đ hình 2.25.
2.3.4.1. Yêu cầu v ngu n kích thích tia X
Khi phơn tích m u, ngu n kích thích tia X ph i đ ợcche chắn, không đ cho các tia phóng x s cấp từ ngu n (tia X hoặc tia a, b, y) d i tr c ti p vƠo đetect . N u sử dụng ngu n đ ng v đ kích thích tia X thì nên dùng ngu n có hình vƠnh khuyên vì c ngđ ngu n l n vƠ có kh năng kích thích đ ng đ u trên toƠn b di n tích v mặt c a m u. Trong tr ng hợp ngu n đi m, n u có th đ ợcnên sử dụng đ ng th i nhi u ngu n vƠ đặt theo m t hình h c chi u c đ nh trong c quá trình phân tích.
39
Hình 2.25: B trí hình h c ngu n m u đetect trong phơn tích huỳnh quang tia X
1. Bu ng chơn không 2. M u 3. Ngu n phóng x phát tia X s cấp 4. L p chì b o v 5. Đetect tia X 6. Ti n khu ch đ i 7. Khu ch đ i tuy n tính
8. Máy phơn tích biên đ nhi u kênh
2.3.4.2. Đetect đo tia X
Có th nói s phát tri n c a ph ngpháp phơn tích huỳnh quang tia X gắn li n v i s phát tri n c a k thu t đetect . NgƠy nay nh có các lo i đetect chất l ợngcao, ph ngpháp phơn tích d a trên k thu t đo phơn gi i năng l ợngtia X đ ợcsử dụng rất ph bi n.
40
Hình 2.26: So sánh đ phân gi i năng l ợng c a đetect
Các lo i đetect đ ợcsử dụng đ đo tia X có th lƠ đetect nhấp nháy, ng đ m t lê vƠ đetect bán d n. Đ i v i viêc đo tia X thông s quan tr ng c a đetect ph i xét đ n lƠ đ phơn gi i năng l ợng. Xét theo góc đ nƠy s l a ch n s m t là đetect bán d n. Sau đơy s đ cấp đ n từng lo i đetect .
a. Đetect nhấp nháy Nal(T1)
Đetect nhấp nháy có đ phơn gi i năng l ợngthấp, đỉnh ph r ng nên không th tách đ ợcđỉnh tia X c a các nguyên t x p gần nhau trong b ng tuần hoƠn. Viêc phơn tích ph ch y u lƠ tách đỉnh tia X huỳnh quang cần quan tơm kh i các đỉnh tán x . Trong tr ng hợp đo b ng đetect nhấp nháy k t hợp dùng b l c m i có th tách đ ợctia X vƠnh K.
b. ng đ m tỷ l
ng đ m t lê có cấu hình ph bi n lƠ d ng hình trụ, tính chất các lo i khác nhau tùy thu c vƠo vùng năng l ợngc a các tia X cần đo. V i các tia X năng l ợngrất thấp, cỡ vƠi keV th ng sử dụng hỗn hợp khí He và Metan. Đ i v i các tia có năng l ợngcao h n dùng khí Ne, Ar, Kr hoặc Xe nh m tăng xác xuất gơy hi u ng quang đi n. ng đ m t lê có đ phơn gi i năng l ợng thấp h n đectect bán d n nh ngcao h n so v i đectect nhấp nháy, do đó tia X vƠnh K c a các nguyên t lân c n v n có th ph nhau. Vi c tách các đỉnh tia X nƠy ph c t p h n so v i
41
tr ng hợp đo ph b ng đetect bán d n. Tuy nhiên do th i gian ch t c a ng đ m t l nh nên có th sử dụng đ ợcc trong tr ng hợp có t c đ đ m cao.
c. Đetect bán d n
Đetect bán d n ch t o từ Si hoặc Ge pha Li: Si(Li), Ge(Li) hoặc Ge siêu tinh khi t: HPGe, Đetect bán d n có đ phơn gi i năng l ợngcao vì năng l ợngcần thi t đ t o ra m t cặp electronlỗ tr ng trong các v t li u đetect nh : 9 eV đ i v i Si vƠ 3.7 eV đ i v i Ge. Trong khi đó đ t o ra m t cặp h t t i đi nnh v y v i ng đ m ch a khí cần kho ng 30eV còn đetect nhấp nháy ph i cần đ n kho ng 300 eV. Do đó v i cùng m t năng l ợngđetect bán d n có th t o ra s cặp electronlỗ tr ng l n h n nhi u so v i c a ng đ m ch a khí hoặc đetect nhấp nháy, hay nói cách khác lƠ đetect bán d n cho th ng kê t t nhất.
Đetect Si(Li) có đ phơn gi i năng l ợng rất cao đ i v i tia X vƠ tia gamma năng l ợngthấp. Các đetect Si(Li) thông dụng đ t đ phơn gi i trong kho ng từ 1η0 đ n 180 eV t i đỉnh η,9keV c a Fe. V i cửa s Bereli có b dƠy 2ηum, đetect Si(Li) ghi đ ợccác tia X có năng l ợngtừ 1 hoặc 2 keV tr lên.
Do có đ phơn gi i năng l ợng cao, đetect bán d n Si(Li) hay đetect HPGe m ng có th tách đ ợctia X vƠnh K c a các nguyên t lân c n. Vì v y vi c xử lý ph ít ph c t p vƠ đ t đ ợcđ tin c y cao.
2.3.4.3. Đo ph tia X đặc tr ng
H đo ph tia X bao g m đetect bán d n Si(Li) vƠ các kh i đi n tử ch c năng nh ti n khu ch đ i, khu ch đ i tuy n tính vƠ máy phơn tích biên đ nhi u kênh đ ợcb trí nh trên hình 2.25. Ph tia X đo đ ợcs có d ng nh hình 2.27.