Phát hiện sai hỏng trong kim loại cu do nhiệt bằng phương pháp phổ thời gian sống positron

Trịnh Hoa Lăng,… Các phương pháp nghiên cứu bức xạ hủy positron trong vật liệu là phương pháp đo phổ thời gian sống, phương pháp đo tương quan góc và phương pháp đo giãn nở Doppler.. Phư

CN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS.MAI VĂN NHƠN

TS NGUYỄN ĐỨC THNH

CN BỘ PHẢN BIỆN: TS CHU VĂN TẠO

SINH VIN THỰC HIỆN: PHẠM TẤN THI

THNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2006

Sau một thời gian, luận văn tôi cũng hoàn thành Trong suốt những năm học đại học tôi đã được sự quan tâm, động viên, giúp đỡ của gia đình, thầy cô, bạn bè Nhân đây, xin phép cho tôi bày tỏ lòng biết ơn chân thành của tôi tới:

- PGS.TS Mai Văn Nhơn, người thầy đã giảng dạy tôi trong những năm học đại học, đã gợi ý đề tài, tận tình hướng dẫn, động viên và truyền đạt những kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình tôi thực hiện luận văn

- TS Nguyễn Đức Thành, TS Châu Văn Tạo, Th.S Trịnh Hoa Lăng, Th.S Nguyễn Đình Gẫm, Th.S Hoàng Thị Kiều Trang, CN Lưu Anh Tuyên, CN Lê Công Hảo đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tôi thực hiện luận văn

- Các thầy cô trong hội đồng, đã đọc, nhận xét và cho những ý kiến quý báu về luận văn

- Các thầy cô trong bộ môn Vật lý hạt nhân, khoa Vật lý đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn này

- Các bạn học cùng lớp đã động viên, góp nhiều ý kiến, giúp đỡ tài liệu để tôi hoàn thành luận văn này

- Cuối cùng tôi xin gởi lời biết ơn sâu sắc đến cha mẹ nuôi nấng tôi lớn khôn, động viên và tạo những điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn này

Lời cám ơn

Mục lục

Tổng quan

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ POSITRON Trang 1

I.1 GiỚI THIỆU VỀ POSITRON 1

I.2 TRẠNG THÁI CỦA POSITRON KHI ĐI VÀO KIM LOẠI 1

I.2.1 Sự nhiệt hoá positron 2

I.2.2 Trạng thái của các positron đã nhiệt hóa 3

I.3 CÁC TÍNH CHẤT CỦA SỰ HUỶ POSITRON TRONG KIM LOẠI 4

I.4 POSITRONIUM TRONG KIM LOẠI 7

I.5 KHUYẾT TẬT TRONG KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 8

I.5.1 Các loại khuyết tật 8

I.5.2 Khuyết tật điểm 8

I.5.2.1 Nút trống (Vacancy) 9

I.5.2.2 Nút trống – Ion (Ion pair vacancy) 9

I.5.2.3 Nội nguyên tử (Interstitialcy) 9

I.5.2.4 Dịch chuyển ion (Displaced ion) 9

I.5.3 Khuyết tật đường (Line defects) 10

I.5.3.1 Lệch mạng biên 10

I.5.3.2 Lệch mạng xoắn 10

I.5.4 Khuyết tật mặt và khối 10

I.5.5 Khuyết tật trong kim loại bởi chiếu xạ 11

CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 12

II.1 NGUỒN POSITRON 12

II.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO THỰC NGHIỆM 13

II.2.1 Phương pháp phổ thời gian sống (Positron Lifetime) 13

II.2.2 Phương pháp đo tương quan góc (Angular Distribution) 15

II.2.3 Phương pháp đo giãn nở Doppler (Doppler Broadening) 16

III.1 MÔ TẢ CHUNG HỆ PHỔ KẾ THỜI GIAN SỐNG 18

III.2 MÔ TẢ HỆ PHỔ KẾ THỜI GIAN SỐNG TẠI PHÒNG VẬT LÝ HẠT NHÂN – TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM 19

III.2.1 Sơ đồ khối 19

III.2.2 Các module điện tử 19

III.2.3.Tóm tắt các đặc trưng của hệ 21

III.2.4 Mô tả phổ thời gian sống theo lý thuyết 21

III.2.5 Dạng phổ đo được 22

III.3 PATFIT 88 VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SỐ LIỆU BẰNG PATFIT 88… 22

III.3.1 Giới thiệu phần mềm PATFIT 88 22

III.3.2 Mô hình toán học cho PATFIT 88 23

III.3.3 Các bước phân tích bằng PATFIT 88 24

III.3.4 Xử lý số liệu bằng PATFIT 88 25

III.4 ĐO THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ SAI HỎNG TRONG KIM LOẠI ĐỒNG DO NHIỆT ĐỘ 27

III.4.1 Chuẩn bị mẫu đo 27

III.4.2 Định tính hiệu ứng nhiệt của kim loại 27

III.4.3 So sánh kết quả đo các mẫu đồng (Cu) 28

III.4.4 Phân tích bằng PATFIT 88 để đánh giá sự hình thành sai hỏng trong kim loại đồng (Cu) 28

 Tóm tắt kết quả 38

III.5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 38

III.5.1 Kết luận 38

III.5.2 Kiến nghị 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO

Nghiên cứu về vật liệu là một lĩnh vực rất quan trọng trong khoa học và kỹ thuật ngày nay Việc phân tích và đánh giá cấu trúc, tính chất của vật liệu trước và sau khi sử dụng ngày càng được quan tâm Hiện nay, có rất nhiều phương pháp Vật lý, hóa học khác nhau để đánh giá cấu trúc và tính chất của vật liệu Từ năm 1930 khi positron được tìm ra cho đến nay, nó được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Những đặc trưng và lý thuyết về sự huỷ positron đã được kiểm tra qua thực nghiệm bởi rất nhiều nhà khoa học trên thế giới: Puska, A T Stewart, S Berko, A Niemen, Brandt, v.v… Khoảng 30 năm trở lại đây việc nghiên cứu bức xạ hủy của positron với electron trong vật liệu đã được thực hiện qua rất nhiều công trình trên thế giới Phạm

vi ứng dụng bức xạ hủy để phân tích và đánh giá vật liệu là rất rộng: kim loại, hợp kim, phi kim, vật liệu xốp,… Tác giả K Meier, học viện Marx Planck – đại học Sttugart và K Petersen, phòng thí nghiệm Ứng dụng vật lý – đại học Đan Mạch đã áp dụng bức xạ hủy của positron để phân tích tính chất của kim loại, hợp kim được nung

ở nhiệt độ cao, chiếu xạ, tác dụng cơ học,… Các tác giả này đưa ra những đặc trưng hủy cặp có liên quan đến độ rỗng Ở Việt Nam, có các công trình nghiên cứu đặc trưng hủy của positron trong kim loại và hợp kim như: TS Châu Văn Tạo, Th.S Trịnh Hoa Lăng,…

Các phương pháp nghiên cứu bức xạ hủy positron trong vật liệu là phương pháp đo phổ thời gian sống, phương pháp đo tương quan góc và phương pháp đo giãn

nở Doppler Phương pháp đo phổ thời gian sống positron là phương pháp đo đạc và phân tích thời gian sống của positron trong các trạng thái khác nhau của mẫu phân tích với mục đích chỉ ra tính chất cấu trúc vật liệu thực tại của nó Thời gian sống của positron tại các sai hỏng hay lỗ rỗng trong các mẫu khác với thời gian sống ở trạng thái hoàn hảo của mẫu và được đo dưới dạng phổ Nguồn sử dụng trong phương pháp này là nguồn Na22 phát +, năng lượng khoảng 0.544 MeV Khi phát positron, Na22

phát đồng thời gamma 1.274 MeV, là gamma dùng để đánh dấu thời điểm một positron “ra đời” (tín hiệu Start) Khi đi vào vật chất trải qua nhiều quá trình phức tạp, positron sẽ hủy với electron sinh ra gamma gần bằng 0.511 MeV, là gamma được

cũng như tỉ lệ sai hỏng trong mẫu phân tích

Hiện nay việc áp dụng phương pháp thực nghiệm này trong nghiên cứu vật liệu

đã phát triển rất mạnh trên thế giới, có thể kể ra: Đức, Ao, Phần Lan, Hungary, Ba Lan,… và đạt được nhiều thành tựu Tuy nhiên đối với Việt Nam lĩnh vực này còn khá mới mẻ Được sự gợi ý, hướng dẫn của PGS TS Mai Văn Nhơn – Trưởng bộ môn Vật lý Hạt Nhân, TS Nguyễn Đức Thành – Giám đốc Trung tâm Hạt Nhân TP.HCM

và sự giúp đỡ của các cán bộ phòng Vật Lý Hạt Nhân – Trung tâm Hạt Nhân

TP.HCM, khóa luận tốt nghiệp “Phát hiện sai hỏng trong kim loại đồng (Cu) do nhiệt bằng phương pháp đo phổ thời gian sống của positron” đã hoàn thành

Luận văn gồm ba chương:

Chương I: Trình bày một số đặc trưng cơ bản của positron khi đi vào vật liệu như: sự nhiệt hóa, trạng thái positron sau khi nhiệt hóa, tính chất của sự hủy của positron,…và các loại sai hỏng trong kim loại

Chương II: Giới thiệu các phương pháp thực nghiệm song song với phương pháp đo phổ thời gian sống

Chương III: Giới thiệu về hệ phổ kế, phần mềm PATFIT 88 và đo mẫu kim loại trước và sau khi nung cùng các kết quả phân tích Luận văn kết thúc bằng phần kết luận và kiến nghị

Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ POSITRON

I.1 GIỚI THIỆU VỀ POSITRON:

Positron lần đầu tiên được tiên đoán trên thế giới vào năm 1930 bởi Dirac Sau

đó, năm 1932, Anderson là người đầu tiên phát hiện ra nó bằng thực nghiệm Từ đó đến nay Positron là lĩnh vực được rất nhiều các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu

Positron là phản hạt của electron Khối lượng của nó tương đương khối lượng của electron, spin bằng ½ còn điện tích thì trái dấu với electron Positron là hạt không tồn tại sẵn trong hạt nhân mà nó là sự biến đổi của các hạt cơ bản sinh ra hay do sự biến đổi của năng lượng gamma trong phản ứng tạo cặp với nhân Khi đưa positron vào vật chất, positron sẽ hủy trong môi trường vật chất theo các đặc trưng phụ thuộc vào môi trường vật chất Các đặc trưng này được sử dụng vào trong nghiên cứu vật liệu, tìm hiểu cấu trúc, phản ứng hóa học v.v…

Positron ở trạng thái bị bẫy tại các sai hỏng hay trạng thái liên kết với electron tạo thành positronium khác với sự hủy ở trạng thái mạng hoàn hảo Hay nói các khác:

Về phương diện thời gian sống, thì thời gian sống của positron ở trạng thái bẫy hay trạng thái liên kết là dài hơn ở trạng thái mạng hoàn hảo Thời gian sống của positron ở trạng thái khác nhau có thể đo đạc được bằng phương pháp phổ thời gian sống Việc phân tích phổ thời gian sống sẽ cho những phát hiện về sai hỏng, độ rỗng hay mức độ tạp chất trong mẫu phân tích

Về phương diện tương quan góc thì sự thay đổi mật độ electron tại các

sai hỏng hay lỗ rỗng sẽ dẫn đến thay đổi tốc độ đếm theo góc tương quan

của hai photon phát ra được dùng làm cơ sở để phân tích các sai hỏng

Về phương diện dịch chuyển Doppler, sự thay đổi động lượng electron ở

nguyên tử dẫn đến thay đổi thông số hình dạng S và W

Với những đặc trưng trên, phương pháp áp dụng tính hủy của positron là phương pháp hiện đại, có nhiều ưu điểm trong nghiên cứu và phân tích cấu trúc vật liệu

I.2 TRẠNG THÁI CỦA POSITRON KHI ĐI VÀO KIM LOẠI:

I.2.1 Sự nhiệt hóa positron:

Để thấy sự quan trọng của các tính chất này, chúng ta cần khảo sát xem cái gì

đã xảy ra giữa thời gian khi mà e+ đầu tiên đi vào kim loại và thời gian tồn tại trước khi hủy Một e+ có thể có năng lượng từ một vài keV đến vài MeV phụ thuộc vào hạt nhân phát ra nó Khi positron đi vào kim loại nó va chạm với các electron liên kết, các electron dẫn và với các phonon dao động mạng kết quả là nó nhanh chóng bị làm chậm đến vận tốc nhiệt Các positron này thường gây ra tán xạ với các electron qua các góc lớn và sau đó vận tốc của nó được giảm thấp đến vận tốc của các điện tử định

xứ liên kết lỏng lẽo nhất

Độ dài quãng đường tổng cộng của positron có năng lượng cho trước từ khi đi

vào đến lúc nhiệt hóa đã được biết khá tốt Đối với các positron có một năng lượng

xác định khi đi vào kim loại ở một vị trí và một hướng xác định thì ta sẽ xác định thể tích mà ở đó positron bị nhiệt hóa Thể tích này được liên kết bởi bề mặt mà bề mặt này cắt bề mặt của kim loại Một vài positron có thể bị tán xạ ngược ra ngoài kim loại, phần tán xạ ngược tăng lên theo điện tích hạt nhân của nguyên tử kim loại và theo hướng lệch của các positron đập vào

Việc làm giảm vận tốc positron xuống vận tốc của vùng mật độ thưa thớt nhất của các electron định xứ sẽ mất một thời gian, nó tăng lên khi năng lượng ban đầu tăng, nhưng thậm chí đối với các positron có năng lượng ban đầu 2 Mev cũng không quá 20 ps (1 ps = 10-12 s) Việc làm giảm vận tốc của positron đến vận tốc nhiệt được thực hiện chủ yếu ở 5 ps nữa [12]

I.2.2 Trạng thái của các positron đã nhiệt hóa:

Trạng thái của các positron bị làm chậm trong kim loại là tương tự cho trạng thái của electron, nhưng trạng thái tiếp sau của các positron bị nhiệt hoá là khác biệt nhiều Do điện tích dương nên các positron có thể bị đẩy khỏi các nút mạng (hay hạt

nhân nguyên tử), mỗi một positron riêng lẻ cũng chỉ trải qua một vài va chạm với các electron định xứ liên kết chặt, các electron này có các giá trị động lượng tương đối cao Bây giờ mỗi sự va chạm giữa một positron và một electron dẫn đến một khả năng của một sự huỷ cặp, mà sự huỷ cặp này cuối cùng sẽ hủy đi tất cả các positron đi vào Thời gian sống trung bình của các positron đã nhiệt hoá tỷ lệ nghịch với xác suất hủy

và không thay đổi lớn lắm từ kim loại này sang kim loại khác, nó vào cỡ 200 ps Một

vài positron đi vào mạng tại thời điểm nào đó, theo nguyên tắc không loại trừ, các động lượng trung bình lệch xa so với giá trị thu được từ phân bố Boltzmann Vậy là trong va chạm giữa một positron đã nhiệt hóa lên một electron thì chuyển động khối tâm của hai hạt sau va chạm sẽ phụ thuộc vào động lượng va chạm của hai hạt

Tốc độ của positron đã được nhiệt hoá là 105

m.s-1, vì vậy nó sẽ chuyển động một khoảng trung bình (được làm thẳng ra) cỡ  20 m giữa lúc bắt đầu nhiệt hoá đến khi huỷ Nếu chúng ta lấy d = 0.1 nm như là một phép đo thô của khoảng cách giữa các nguyên tử, trong hướng chuyển động của nó, chuyển động này không có quy luật, một positron sẽ vượt qua một khoảng cách “d” của 106 nút mạng và do đó nó có một khả năng rất lớn để va chạm lên một nút trống hoặc vị trí trống có kích thước nguyên

tử khác ngay cả khi nồng độ của chỗ hỏng như thế nhỏ cỡ: 1 so với 106

(tức là 1/106) Nhiều loại sai hỏng có điện tích âm và như vậy nó sẽ hấp dẫn các positron Ở nồng độ sai hỏng thấp cỡ 10-6 thì sự hấp dẫn này có hiệu ứng nhỏ, tuy nhiên đối với các sai hỏng tích điện âm đủ lớn thì nó vẫn có khả năng bẫy positron, trong trường hợp này sẽ

có sự biến đổi đáng kể về đặc trưng huỷ của positron Những sự biến đổi này là do các electron bị va chạm bởi một positron bị bẫy có mật độ trung bình và phân bố xung lượng khác với các electron bị va chạm với một positron không bị bẫy Trong nhiều kim loại, các sai hỏng có thể bẫy các positron đã được nhiệt hoá, nhưng đối với các positron chưa nhiệt hóa thì khả năng bẫy không thể xảy ra

Việc bẫy positron được sinh ra do những sai hỏng nhỏ là tỉ lệ với nồng độ sai hỏng, tỉ lệ cho biết tiết diện mỗi sai hỏng gây ra sự bẫy và tỉ lệ cho quãng đường toàn phần trung bình của các positron giữa vị trí nhiệt hoá và vị trí huỷ Đối với các sai hỏng lớn, các tiết diện bẫy sẽ lớn hơn nhiều so với bình phương quãng đường hiệu

dụng trung bình (không phải toàn phần) của các positron đã được nhiệt hoá Xác suất bẫy trở thành xác suất để cho một positron đã được nhiệt hoá đi vào thể tích bẫy, xác suất này là tỉ số của thể tích bị chiếm bởi các sai hỏng với thể tích toàn phần Như vậy, các sai hỏng bậc nguyên tử có thể có khả năng sinh ra sự bẫy toàn phần của các positron ở các nồng độ sai hỏng cỡ  10-6

1.3 CÁC TÍNH CHẤT CỦA SỰ HUỶ POSITRON TRONG KIM LOẠI:

Trong phần trước đã phác thảo trạng thái một positron đi vào kim loại, nhấn mạnh sự phân bố của các positron sau khi nhiệt hoá, mô hình của các sự va chạm tiếp theo của chúng với các electron định xứ và với các electron dẫn Hiện tượng huỷ giới hạn các tương tác này chỉ trong ý nghĩa rằng nó cho một giới hạn về thời gian qua đó chúng được phép xảy ra các hiệu ứng Khi sự huỷ xảy ra nó sẽ cho thông tin về môi trường điện tích của positron khuếch tán, điều này có thể được dùng trong cách thức thống kê để xác định xem phần nào của các positron trải qua sự bẫy trước khi huỷ

Trong khái niệm năng lượng của nhiệt thì sự huỷ là một quá trình năng lượng cao Nó cung cấp những tia gamma, những tia này sau khi rời khỏi các nút huỷ, có thể

di chuyển qua những bề dầy tương đối lớn của kim loại ( 5 g.cm-2) và cung cấp số đếm cho những detector đo tia gamma thích hợp Các tính chất chi tiết của sự huỷ positron được xác định bằng các thông tin chắc chắn của sự thể hiện electron bị va chạm bởi positron Rõ ràng xác suất huỷ trên mỗi đơn vị thời gian tỉ lệ một cách trực tiếp cho mật độ các electron bị va chạm

Sự chuyển động các electron cũng có thể sinh ra các hiệu ứng đáng chú ý, bởi

vì trong các kim loại sự huỷ lượng tử hai gamma là hoàn toàn chiếm ưu thế Vậy là nếu bỏ qua sự chuyển động hệ khối tâm của các hạt đang huỷ thì:

1 Hai tia gamma ló ra theo các hướng hoàn toàn ngược nhau (một cách chính xác)

2 Mỗi tia gamma có một năng lượng 0,511 Mev, bằng một nửa của năng lượng khối lượng nghỉ các positron và electron

Sự lệch của hai gamma hủy so với tính chất một được biết như là sự chuyển động khối tâm của hai hạt huỷ vào phương vuông góc với đường phát của hai tia

gamma huỷ và có thể được đo đủ chính xác để phân biệt sự phân bố động lượng của các electron dẫn khỏi sự phân bố rộng của các electron định xứ

Sự lệch của hai gamma hủy so với tính chất thứ hai được biết như làsự chuyển động khối tâm dọc theo vạch bức xạ của tia huỷ Thành phần của vận tốc khối tâm dọc theo vạch này sẽ sinh ra dịch chuyển Doppler (Doppler shift) trong năng lượng của hai lượng tử huỷ; các dịch chuyển của chúng là lớn hơn nhiều so với các năng lượng tương ứng của chuyển động khối tâm Các dịch chuyển này dương đối với các gamma hướng theo chiều động lượng dọc của khối tâm và âm đối với các gamma hướng theo chiều ngược lại

Để xây dựng biên độ của các hiệu ứng xung lượng này cần phải khảo sát các

điều kiện động học đơn giản được trình bày trong hình 1 cho sự huỷ hai tia gamma

Theo định luật bảo toàn động lượng ta có:

l

t p p

p   

Sự bảo toàn Momen cho là:

c Pt = (E1 + E2)sin/2

c Pl = (E1 – E2)cos/2 trong đó: pt: thành phần động lượng ngang của khối tâm

Pl: thành phần động lượng dọc của khối tâm

m0: khối lượng nghỉ của electron

/2: góc hợp bởi động lượng tia gamma huỷ trong trường hợp khối tâm chuyển động và đứng yên

: góc hợp bởi vector động lượng của khối tâm và tia gamma huỷ

E1, E2: là năng lượng dịch chuyển của cặp huỷ

Bỏ qua những sự hiệu chỉnh nhỏ cho năng lượng của cặp electron – positron trong chất rắn, từ định luật bảo toàn năng lượng ta có:

m E h

m E h

H.1: Sự huỷ phát hai gamma, p t , p l thành phần động lượng ngang và dọc của khối tâm cặp positron - electron

Vì /2 nhỏ: cos/2  1 nên /2  sin/2 = Pt/2m0c

Và: E = (E1 – m0c2) = (E1 – E2)/2  c Pl/2

 chính là góc tương quan của hai gamma phát ra, còn E chính là độ lệch năng lượng khỏi m0c2 Vậy trong thực tế hai gamma phát ra có thể không cùng phương ngược hướng và có năng lượng khác nhau Đây chính là yếu tố cơ bản cho phương pháp đo giãn nở Doppler và tương quan góc

1.4 POSITRONIUM TRONG KIM LOẠI:

Khi positron liên kết với electron sẽ hình thành nguyên tử positronium Positronium có thể ở trạng thái singlet có Momen góc l = 0 và spin toàn phần s = 0 gọi

là parapositronium (P – Ps) Ở trạng thái triplet có Momen góc và spin toàn phần s = 1 gọi là orthopositronium (O – Ps) Trong thời gian sống của positronium có sự biến đổi

từ trạng thái (O – Ps) sang trạng thái (P – Ps) Theo định luật bảo toàn tính chẵn lẻ thì (P – Ps) huỷ phát hai gamma còn (O – Ps) huỷ phát ba gamma Do đó positron huỷ với electron phát hai gamma, có thể do sự huỷ của positron với electron ở trạng thái tự

do và sự huỷ của (P – Ps) Về phương diện năng lượng xác suất hình thành positronium trong môi trường đậm đặc được xác định bởi khe Ore Trong kim loại khí electron dẫn làm cho positron không thể liên kết với electron riêng lẻ Nếu gọi E1, E2,

/2

E là năng lượng toàn phần của electron, positron và positronium, theo định luật bảo toàn năng lượng ta có:

E1 + E2 = E

 E12+ 2E1E2 + E22 = E2 (1) Giả sử lúc đầu positron và electron dẫn trong kim loại gần như tự do chúng ta có:

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2

E          (2) Với p p p

,, 2

1 là động lượng của electron, positron và positronium tương ứng;

M, m là khối lượng của electron và positronium Từ (1) và (2) ta có được:

2 2 2 1 2 2

2 2 2 1 2

2

p m p

p p m p

m p

Từ (3) và (4):

p p p p

p p p

Từ (5) theo định luật bảo toàn động lượng ta có thể kết luận rằng về phương diện năng lượng positronium không thể hình thành positronium trong kim loại

I.5 KHUYẾT TẬT TRONG KIM LOẠI VÀ HỢP KIM:

I.5.1 Các loại khuyết tật:

Tinh thể luôn luôn tồn tại các khuyết tật, các nguyên tử trong tinh thể của vật liệu không thể phân bố đúng trật tự

Có thể chia các loại khuyết tật trong tinh thể như: khuyết tật điểm, khuyết tật đường, khuyết tật mặt và khối

I.5.2 Khuyết tật điểm:

Khuyết tật điểm có kích thước cỡ khoảng cách giữa các nguyên tử nút mạng Các khuyết tật điểm xảy ra trong tinh thể kim loại là:

Nút trống (Vacancy) Nút trống – ion (Ion pair vacancies) Nội nguyên tử (Interstitialcy)

Dịch chuyển ion (Displaced ion) Trong đó sai hỏng nội và dịch chuyển Ion có xác xuất bé hơn sai hỏng nút trống vì phải có năng lượng đẩy nguyên tử vào vị trí bên trong mạng tinh thể

I.5.2.1 Nút trống (Vacancy):

Sai hỏng này là do kết tinh không hoàn hảo của tinh thể hay do dao động nhiệt

của nguyên tử khi tinh thể bị nung nóng, vì khi nhiệt lượng được gia tăng thì xác xuất

nguyên tử nhảy ra khỏi nút mạng gia tăng theo Sai hỏng điểm đơn giản nhất là nút trống đơn (monovacancy)

Hai monovacancy kết hợp lại tạo ra nút trống đôi (divacancy), nhiều vacancy kết hợp lại tạo ra lỗ trống (void), hay bọt khí (buble)

I.5.2.2 Nút trống – Ion (Ion pair vacancy):

Trong các tinh thể ion sự trung hòa điện được duy trì nhờ tạo ra cặp khuyết tật điểm Nút trống – ion là một cặp ion trái dấu bị loại ra khỏi nút mạng tinh thể, được gọi là sai hỏng schottky

I.5.2.3 Nội nguyên tử (Interstitialcy):

Sai hỏng này xuất hiện khi có một nguyên tử đi vào vị trí giữa các nguyên tử được sắp xếp theo trật tự nhất định trên cấu trúc mạng của cấu trúc tinh thể Sai hỏng này xảy ra với tinh thể có hệ số rỗng lớn

I.5.2.4 Dịch chuyển ion (Displaced ion):

Nguyên tử rời nút mạng dịch chuyển đi vào nút mạng bên trong mạng tinh thể được gọi là sai hỏng Frenkel

I.5.3 Khuyết tật đường (Line defects):

Trong khuyết tật đường, quan trọng nhất là lệch mạng gồm: lệch mạng biên (edge dislocation), lệch mạng xoắn (screw dislocation)

I.5.3.1 Lệch mạng biên:

Nó có thể được tạo ra bởi sự biến dạng của tinh thể do có sự kéo và nén tác động lên những miền của tinh thể, khi có lệch mạng biên, sẽ có sự tăng năng lượng dọc theo đường lệch mạng

I.5.3.2 Lệch mạng xoắn:

Lệch mạng xoắn do tinh thể có những đường chia tinh thể thành hai miền không đồng phẳng

I.5.4 Khuyết tật mặt và khối:

Khuyết tật mặt quan trọng nhất là các biên góc lớn và góc nhỏ các khuyết tật xếp và mặt song tinh Trong vật liệu người ta sử dụng các vật liệu đa tinh thể gồm nhiều mạng, mỗi mạng chứa một số rất lớn các hạt nhỏ ở cạnh nhau xếp theo một phương nhất định, biên giới giữa các hạt có trật tự là lớp chuyển tiếp dày 1 – 5 nm

Trong lớp chuyển tiếp quy luật phân bố vi phạm, các lệch mạng tụ tập lại và nồng độ tạp chất tăng

Trong khuyết tật mạng người ta đưa vào một số khái niệm siêu hạt là phần của

tinh thể có cấu tạo tương đối đều đặn, biên giới các siêu mạng là đường các lệch mạng

Các khuyết tật lớp là một phần của mặt nguyên tử được giới hạn bởi lệch mạng, trong phạm vi của nó thứ tự sắp xếp bình thường của các lớp nguyên tử bị vi phạm

Các khuyết tật mặt ảnh hưởng đến các tính chất cơ học và vật lý của vật liệu

I.5.5 Khuyết tật trong kim loại bởi chiếu xạ:

Khi hạt mang năng lượng như electron, proton hoặc neutron đi vào tinh thể, va chạm vào nguyên tử mạng tinh thể, nguyên tử này sẽ bị dịch chuyển khỏi nút mạng và trở thành nguyên tử nội và vacancy, ngay cả khi ở nhiệt độ phòng cũng có thể hình thành những lỗ hỏng, ảnh hưởng đến tính bền vững của vật liệu

CHƯƠNG II CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO THỰC NGHIỆM

II.1 NGUỒN POSITRON:

Có hai hướng phát sinh positron:

1 Positron sinh ra từ phân rã hạt nhân Đối với loại nguồn này nhân A

zX phát ra một positron và một neutrino để hình thành một hạt nhân có cùng số khối A nhưng số nguyên tử Z bé hơn một đơn vị Trong quá trình này một proton của nhân biến thành một neutron, một positron và một neutrino

- e- sinh ra trong điện trường của nhân, khi đó 

biến mất (hấp thụ hoàn toàn) và năng lượng của nó truyền hết cho cặp e+

nhau

II.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO THỰC NGHIỆM:

Có ba phương pháp thực nghiệm cơ bản dùng để đo sự huỷ positron trong vật liệu Đó là:

1 Phương pháp đo phổ thời gian sống

2 Phương pháp đo tương quan góc

3 Phương pháp đo nở Doppler

Do điều kiện thực nghiệm, trong khuôn khổ khoá luận tốt nghiệp này, tác giả dùng phương pháp phổ thời gian sống của positron đo sự huỷ của positron

Hình II.1: Các phương pháp đo thực nghiệm

II.2.1 Phương pháp phổ thời gian sống (Positron Lifetime):

Nguồn sử dụng trong phương pháp đo phổ thời gian sống của Positron là Na22

(có T1/2 = 2,6 năm) Phương pháp chủ yếu xác định thời gian sống của Positron là trùng phùng trễ, tức là xác định thời gian giữa gamma hạt nhân (nuclear gamma) có năng lượng 1,274 MeV (tín hiệu Start) trong chuyển hóa:

Na22  Ne22 + e+ + (1,274 MeV) + 

và gamma có năng lượng 0,511 MeV được phát ra từ sự hủy của Positron (tín hiệu Stop) Gamma của sự hủy positron và gamma của hạt nhân phát ra gần như đồng thời (với khoảng thời gian không dài hơn 10-11 s) Như vậy, đo gamma của hạt nhân (1,274

MeV) tương ứng với tín hiệu positron đi vào môi trường và khi đo được gamma 0,511 MeV tương ứng với tín hiệu positron bị hủy

Thiết bị dùng đo thời gian sống positron được mô tả dưới giản đồ sau:

Hình II.2: Giản đồ hệ phổ kế thời gian sống

Nguồn phóng xạ (1) có hoạt độ (1-2) x 106 Bq, phát ra positron đến mẫu (2) được dùng để nghiên cứu sự hủy positron trong đó Các detector (3), (4) ghi các tín hiệu gamma Start và Stop Cả 2 detector phát ra các tín hiệu S1 và S2 tương ứng khoảng thời gian giữa việc phát hai gamma tương ứng

Khoảng thời gian giữa việc ghi hai gamma đo được bằng 1 hệ điện tử có đơn vị thời gian là nanosecond (ns), nó bao gồm các detector, bộ phân tích biên độ (amplitude analysis units) và bộ phận chuyển đổi (5) thành tín hiệu biên độ phổ của sự hủy positron theo thời gian được ghi bằng bộ phân tích xung đa kênh

Phổ thời gian sống của positron bao gồm các thành phần phân rã theo hàm exponential Các thành phần này chính là gamma hủy tương ứng cho sự hủy positron tại mạng hoàn hảo và tại các sai hỏng Số đếm ghi được trong phổ là một hàm tổng của các thành phần cường độ gamma có thời gian sống khác nhau theo thời gian:

t I

II.2.2 Phương pháp đo tương quan góc (Angular Distribution):

Phương pháp đo tương quan góc là phương pháp đo thành phần động lượng ngang của khối tâm hệ positron – electron Tức là đo số đếm gamma theo góc tương quan giữa hai gamma phát ra Phổ gamma ghi được sẽ có dạng parabol Tại các sai hỏng xác suất huỷ của positron với electron hoá trị là lớn nhất và sẽ làm thay đổi bề rộng phổ ghi được và là cơ sở để phát hiện các thông số sai hỏng

Việc ghi nhận phổ được thực hiện bởi phép đo trùng phùng của hai Detector Tốc độ đếm trùng phùng được đo như một hàm của độ dịch chuyển của một Detector Tốc độ đếm trùng phùng sẽ cao nếu như ta sử dụng các nguồn có cường độ khoảng (1 mCi – 1 Ci) để giảm sai số phép đo

Hình II.3: Giản đồ hệ đo tương quan góc

II.2.3 Phương pháp đo giãn nở Doppler (Doppler Broadening):

II.2.3.1 Phương pháp đo giãn nở Doppler 1 chiều:

Phương pháp giãn nở Doppler là phương pháp đo thành phần động lượng dọc của khối tâm Thực chất là đo số đếm gamma phát ra theo các kênh năng lượng khác nhau Phương pháp này dựa trên lập luận của lý thuyết tương tác của positron với electron trong nguyên tử nút mạng Sự nở của năng lượng gamma lệch khỏi mc2 = 511 KeV một khoảng E  c P/2 được ghi bởi một Detector theo từng kênh năng lượng khác nhau Phương pháp này đòi hỏi phải có Detector bán dẫn có độ phân giải cao Phương pháp giãn nở Doppler rất hữu hiệu cho phân tích cấu trúc vật liệu do phân bố động lượng của electron trong vùng dẫn và electron gần lõi nguyên tử là khác nhau Phân bố này làm thay đổi E dẫn đến thay đổi bề rộng phổ gamma Sự thay đổi bề

rộng phổ được xác định qua thông số hình dạng S và W S sẽ lớn nếu đóng góp huỷ của electron hoá trị lớn, ngược lại W sẽ lớn nếu đóng góp huỷ của electron gần lõi là lớn Tại các sai hỏng xác suất tương tác của positron với electron hoá trị là lớn nhất nên có thể xác định các sai hỏng từ thông số S

Hình II.4: Giản đồ hệ đo giãn nở Doppler 1 chiều II.2.3.2 Phương pháp đo giãn nở Doppler 2 chiều:

Phương pháp đo giãn nở Doppler 2 chiều thực chất là phương pháp đo trùng phùng Phương pháp này sử dụng hai Detector đo đồng thời hai gamma phát ra từ quá trình huỷ Việc đo trùng phùng có thể làm giảm phông làm cho phép đo chính xác hơn Ngoài ra còn có sự kết hợp giữa hai phương pháp đo thời gian sống và phương pháp trên thành phương pháp AMOC (The Age Momentum Correlation) rất hữu hiệu trong xác định phản ứng hoá học positronium

Hình II.5: Giản đồ hệ đo giãn nở Doppler 2 chiều