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.
42
Hình 2.27: Ph tia X đặc tr ng kích thích b ng ngu n tia X đ n năng (năng l ợng E) đo b ng đetect bán d n Si(Li).
1. Đỉnh tán x coherent 2. Đỉnh tán x Compton 3. Đỉnh t ng
4. Đỉnh thoát
5. Tán x Compton trong đetect
Sau khi đo ph i tách đ ợcđỉnh tia X vƠnh K c a nguyên t cần quan tơm ra kh i các đỉnh c n nhi u vƠ tính di n tích m t cách chính xác. Vi c xác đ nh ngu n g c c a các đỉnh ph lƠ h t s c quan tr ng. Các đỉnh ph trên hình 2.27 có ngu n g c rất khác nhau. Sau đơy s đ c p t i từng đỉnh cụ th .
Tr ch t, các tia X s cấp (tia t i) khi t ngtác v i m u s sinh ra các đỉnh tán x . Đỉnh (1) sinh ra đo tán x coherent trong m u. Năng l ợngc a tia X s cấp không thay đ i nên đỉnh (1) có năng l ợngđúng b ng năng l ợngEo c a tia X s cấp.
Đỉnh (2) sinh ra do tia X s cấp tán x Compton trong m u. Năng l ợngc a photon sau m t lần tán x s lƠ:
�′ = �0
1+ �0
2 (1− �) ( 2.26)
43 mc lƠ kh i l ợngc a electron.
�lƠ góc tán x t o b i h ng c a photon t i vƠ photon tán x . c là v n t c ánh sáng.
Kho ng cách gi a hai đỉnh tán x đƠn h i vƠ tán x Compton phụ thu c vƠo năng l ợngc a tia tán x cũng nh phụ thu c vƠo góc liên quan gi a ngu n kích thíchm uđetect .
Photon t i có th tán x Compton trong m t hoặc nhi u lần vƠ năng l ợngc a photon nh dần sau mỗi lần tán x : Eo>E1>E2>E3... Đơy lƠ nguyên nhơn d n t i đỉnh tán x Compton có xu h ng n r ng v phía năng l ợngthấp.
T l hai đỉnh tán x đƠn h i vƠ tán x Compton phụ thu c vƠo nguyên tử s hi u dụng c a m u hay vƠo ma tr n m u. Các m u nhẹ có nguyên tử s trung bình thấp thì đỉnh tán x Compton l n vƠ lƠm tăng phông v phía năng l ợngthấp. Đơy cũng lƠ m t nguyên nhơn lƠm gi m đ nh y phơn tích.
Các tia X đặc tr ng đo đ ợcc a mỗi nguyên t trong m u ch y u lƠ các tia X vƠnh K vƠ vƠnh L. Tuy nhiên đ đ n gi n trên hình 2.27 chúng ta chỉ chú ý t i tia X c a dƣy K mƠ cụ th lƠ các tia Kα và K. Các đỉnh nƠy xuất hi n khi năng l ợngc a tia Kα và Kđ ợchấp thụ hoƠn toƠn trong đetect .
2.3.5. Các ph ng pháp xác đ nh hƠm l ng 2.3.5.1. Ph ng pháp so sánh t ng đ i
Cho t i nay trong phơn tích huỳnh quang tia X, ph ngpháp so sánh tr c ti p c ngđ tia X đặc tr ng c a nguyên t cần phơn tích trong m u v i c ngđ tia X c a chính nguyên t đó trong m u chuẩn (đƣ bi t chính xác hƠm l ợng) đ ợcsử dụng nhi u nhất (kho ng θ0+70%). Ph ngpháp nƠy yêu cầu m u chuẩn vƠ m u th c ph i t ngđ ng nhau v hƠm l ợng, v thƠnh phần các nguyên t trong m u (g i lƠ ma tr n m u), đ ng th i đ ợckích thích vƠ đo tia X trong đi u ki n gi ng nhau. Sau khi đo c ngđ tia X đặc tr ng c a nguyên t trong m u vƠ m u chuẩn, kh i l ợngc a nguyên t trong m u đ ợcxác đ nh nh sau:
= . ( 2.27)
44
và Ix và Ist lƠ c ngđ tia X đặc tr ng c a c a nguyên t cần xác đ nh trong m u vƠ m u chuẩn.
Hình 2.28:Đ th bi u di n quan h gi a hƠm l ợng vƠ c ng đ tia X đặc tr ng. Trong đi u ki n có nhi u m u chuẩn v i gi i hƠm l ợng t ng đ i r ng có th xơy d ng đ th liên h gi a hƠm l ợng vƠ c ng đ tia X đặc tr ng c a nguyên t cần phơn tích. Trên c s đo c ng đ tia X c a nguyên t trong m u (I) có th suy ra hƠm l ợng c a nguyên t (m) trên trục hƠm l ợng c a đ th (hình 2.28).
2.3.5.2. Ph ng pháp chuẩn trong
Nguyên tắc c a ph ngpháp chuẩn trong lƠ so sánh c ngđ tia X đặc tr ng c a nguyên t cần phơn tích v i c ngđ tia X c a m t nguyên t khác đƣ bi t hƠm l ợng(nguyên t chuẩn) trong cùng m t m u. HƠm l ợngc a nguyên t đ ợcxác đ nh nh sau:
= . . ( 2.28)
mx, Ix lƠ kh i l ợngvƠ c ngđ tia X đặc tr ng c a nguyên t cần phơntích. mst, Ist lƠ kh i l ợngvƠ c ngđ tia X đặc tr ng c a nguyên t chuẩn.
Gx, và Gst lƠ h s kích thích tia X đặc tr ng c a nguyên t cần phơn tích vƠ nguyên t chuẩn.
45
Các giá tr Gx và Gst có th tính đ ợcd a vƠo các b ng s v t lý, trên c s đó rút ra h s Kx. Mặt khác h s Kx cũng có th xác đ nh đ ợc b ng th c nghi m d a vƠo m u đƣ bi t chính xác hƠm l ợngc a các nguyên t cần phơn tích vƠ nguyên t đ ợcch n lƠm chuẩn. Trên c s kích thích vƠ đo tia X đặc tr ng b ng m t quy trình gi ng nhau s xác đ nh đ ợch s th c nghi m (Kx,exp) nh sau:
, = .
�( 2.29)
M t nguyên t đ ợcch n lƠm chuẩn ph i th a mƣn đi u ki n lƠ tia X đặc tr ng c a nó không kích thích nguyên t cần phơn tích. Kinh nghi m th c t cho bi t ph ngpháp nƠy không sử dụng trong tr ng hợp hƠm l ợngnguyên t l n h n 25%.
2.3.5.3. Ph ng pháp pha loƣng m u
Mục đích c a ph ngpháp pha loƣng m u trong phơn tích huỳnh quang tia X lƠ nh m lƠm gi m các hi u ng t hấp thụ vƠ hi u ng kích thích th cấp (anhancement effect). Trong th c nghi m th ng sử dụng các chất pha loƣng có h s hấp thụ nh v i kh i l ợngl n nh Na2B4O7, Li2B4O7, LiBO2 hoặc các chất có h s hấp thụ l n v i kh il ợngnh nh La2O3, BaO, BaSO4.
Vi c xác đ nh hƠm l ợngđ i v i các m u sau khi đƣ pha loƣng cũng th c hi n nh đƣ trình bƠy trên. Trong đi u ki n cần thi t có th pha loƣng c m u vƠ m u chuẩn. Tuy nhiên nh ng quy trình nh v y đòi h i ph i đầu t nhi u th i gian vƠ k thu t.
Hi n nay ph ngpháp phơn tích huỳnh quang tia X đ ợcsử dụng rất ph bi n. Nh ph ngpháp nƠy ng i ta đƣ phát hi n ra đ ợcm t nguyên t m i lƠ Haljmium (Z=72).
K thu t h t nhơn hi n đ i đƣ t o c s cho vi c phát tri n các ph ngpháp phơn tích h t nhơn, trong đó có ph ngpháp huỳnh quang tia X. Ph ngpháp phơn tích huỳnh quang tia X sử dụng k thu t phơn gi i năng l ợngđƣ phát huy đ ợc u th c a mình nh vƠo đetect bán d n có đ phơn gi i năng l ợngcao, có kh năng
46
tách các tia X vƠnh K c a nh ng nguyên t li n k trong b ng tuần hoƠn vƠ đo đ ợcph tia X trong gi i năng l ợngr ng. Nh đó mƠ ph ngpháp phơn tích huỳnh quang tia X cũng có kh năng xác đ nh đ ng th i nhi u nguyên t vƠ m u không b phá h y trong quá trình phơn tích.
S phát tri n c a k thu t gia t c đƣ t o ra các chùm ion có năngl ợngMeV, d n đ n s ra đ i c a ph ngpháp phơn tích PIXE. V i kh năng phơn tích thƠnh phần vƠ hƠm l ợngcác nguyên t nh đƣ trình bƠy trên, ph ngpháp PIXE còn có th ng dụng đ phơn tích t p chất trong các v t li u s ch, phơn tích b mặt hoặc mặt phơn cách gi a các l p. Chi u sơu t i u đ i v i phơn tích PIXE trong kho ng từ 0 đ n 1000 A.
Do có đ nh y cao, k thu t phơn tích PIXE đƣ vƠ đang đ ợc ng dụng trong nhi u lĩnhv c nghiên c u khác nhau nh khoa h c v t li u, môi tr ng, khí h u, y, sinh h c, kh o c h c, khoa h c hình s ,.. NgƠy nay máy gia t c sincrotron có kh năng t o ra chùm b c x sincrotron v i m t đ thông l ợngrất cao, có th dùng lƠm ngu n kích thích tia X, đƣ đ a ph ngpháp phơn tích huỳnh quang tia X (SRIXE) tr thƠnh m t trong nh ng ph ngpháp phơn tích nguyên t có uth đặc biêt v đ nh y.
Trong phơn tích đ i trƠ ch y u sử dụng ngu n đ ng v phóng x vƠ ng phóng tia X đ kích thích m u. Do kích th c c a ngu n đ ng v nh nên có th xơy d ng các hê phơn tích g n nhẹ v i s b trí thí nghi m t ngđ i đ n gi n. Ho t đ ng c a ngu n đ ng v phóng x không l thu c vƠo đi n, n c,.. nên kh năng c đ ng cao, có th ti n hƠnh phơn tích m u trong phòng thí nghi m hoặc ngay t i c s s n xuất. Đơy lƠ m t đi u ki n thu n lợi đ đ a k thu t phơn tích huỳnh quang tia X vƠo ng dụng trong lĩnhv c công nghi p. Nh t c đ phơn tích nhanh, ph ngpháp huỳnh quang tia X có th xác đ nh đ ợcthƠnh phần vƠ hƠm l ợngc a nhi u nguyên t ngay trong quá trình nghiên c u, s n xuất, th m chí còn đo đ ợcc đ hao mòn c a các đ ng c trong khi nó đang ho t đ ng (phơn tích online). Nh đ có th ki m soát hoặc đi u chỉnh k p th i các quá trình, góp phần lƠm tăng đ an toƠn vƠ hi u qu kinh t k thu t.
47
Ch ng 3
C S Lụ THUY T 3.1. Cấu trúc m ng tinh th
3.1.1. Khái ni m m ng tinh th :
Cấu trúc c a v t rắn th ng bao g m m t s l ợng rất l n các nguyên tử ch a trong m t th tích nh c a v t rắn. Các nguyên tử nƠy phơn b bên trong v t rắn t o nên m ng tinh th .
3.1.1.1. M ng tinh th .
M ng tinh th lƠ mô hình không gian bi u di n quy lu t hình h c c a s sắp x p nguyên tử trong v t rắn. S sắp x p nƠy đ ợc lặp l i m t cách tuần hoƠn trong không gian 3 chi u g i lƠ m ng tinh th .
Hình 3.1 M ng tinh th phân tử Iôt (I2)
Trong tinh th 3 chi u, ta ch n 3 vect a , b , c sao cho khi d ch chuy n tinh th theo vect R = n1a + n2b + n3c (3.1)
V i n1, n2, n3 lƠ các s nguyên bất kỳ, thì tinh th l i trùng v i chính nó. Phép d ch chuy n R g i lƠ phép t nh ti n tinh th còn 3 vect a , b , c g i lƠ 3 vect c s c a m ng tinh th .
M ng tinh th mang tính đ i x ng, lƠ phép d ch chuy n tinh th sang m t v trí m i mƠ hoƠn toƠn gi ng nh v trí cũ. Đơy lƠ m t đặc đi m quan tr ng, th hi n c hình dáng bên ngoƠi, cấu trúc bên trong cũng nh các tính chất c a v t rắn tinh th . Phép đ i x ng quay b c n lƠ phép quay m t góc 2π/n quanh m t trục nƠo đó.
48
Trục nƠy g i lƠ trục quay b c n. Ng i ta thấy r ng không t n t i trục quay b c η, chỉ t n t i các trục quay b c 1, 2, 3, 4 vƠ θ ng v i các phép quay các góc 2π, π, 2π/3, π/2 vƠ π/3. Hình 3.2 chỉ ra m ts phép đ i x ng c b n:
Hình 3.2 Các b c đ i x ng c a m ng tinh th .[9]
- Phép ph n x g ng qua m t mặt ph ng nƠo đó, thí dụ nh qua mặt ph ng xOy lƠ phép bi n đ i đi m M(x,y,z) thƠnh đi m MẲ(x,y,-z). Mặt ph n x g ng đ ợc kí hi u lƠ m hoặc Cs.
- Phép ngh ch đ ođ i v i m t đi m nƠo đó, ch ng h n đ i v i g c t a đ O, lƠ phép bi n đ i đi m M(x,y,z) thƠnh đi m MẲ(-x,-y,-z). Đi m O g i lƠ tơm ngh ch đ o. Phép ngh ch đ o đ ợc kí hi u lƠ l hoặc Ci
- Phép quay đ o lƠ t hợp phép quay b c n quanh m t trục vƠ phép ngh ch đ o ti p theo qua m t đi m trên trục. Trục đó g i lƠ trục quay đ o vƠ đ ợc kí hi u lƠ n
hay Cmi.
- Phép quay g ng lƠ t hợp c a phép quay b c n vƠ phép ph n x g ng ti p theo.
3.1.1.2. Ọ c s , ch s ph ng, ch s Miller c a mặt tinh th .
- Ọ c s lƠ hình kh i nh nhất có cách sắp x p nguyên tử đ i di n cho toƠn b m ng tinh th . Thông s m ng lƠ kích th c ô c s , lƠ kích th c các c nh c a ô c s . Th tích ô c s lƠ V = a b × c
(3.2)Ph ng lƠ đ ng th ng đi qua các nút m ng n m trong m ng tinh th , chỉ s ph ng kí hi u lƠ [u v w]. Đơy lƠ 3 s nguyên t l thu n v i t a đ c a nút m ng n m trên ph ng đó, gần g c t a đ nhất. Các ph ng có tr tuy t đ i u v w gi ng nhau, t ng đ ng nhau v tính chất đ i x ng t o nên h ph ng, kí hi u lƠ <u v w>.
49
- Chỉ s Miller: Mặt tinh th lƠ t p hợp các mặt có cách sắp x p nguyên tử gi ng h t nhau, song song vƠ cách đ u nhau. Ng i ta kí hi u mặt tinh th b ng chỉ s Miller (h k l) vƠ đ ợc xác đ nh nh sau:
Tìm giao đi m c a mặt ph ng trên 3 trục theo th t Ox, Oy, Oz.