Xác định hàm lượng một số kim loại nặng trong rau xanh ở thành phố hà nội bằng phương pháp PIXE

Với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật, trong những năm gần đây các detector tia X ngày càng đa dạng, có độ phân giải, độ nhạy, hiệu suất ghi nhận ngày càng được cải thiện, qua đó ph

- -

Phùng Khắc Nam Hồ

XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG TRONG RAU XANH Ở THÀNH PHỐ HÀ NỘI

BẰNG PHƯƠNG PHÁP PIXE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2016

- -

Phùng Khắc Nam Hồ

XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG TRONG RAU XANH Ở THÀNH PHỐ HÀ NỘI

Hà Nội - 2016

Để hoàn thành Luận văn này, trước tiên em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS TS Bùi Văn Loát, TS Nguyễn Thế Nghĩa, CN Bùi Thị Hoa đã tận tình truyền đạt kiến thức, và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em tiến hành thực nghiệm và hoàn thành Luận văn này

Em chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong Bộ môn Vật lý hạt nhân, quý Thầy Cô trong khoa Vật lý và Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tận tình truyền đạt kiến thức trong những năm em học tập Với vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học tập không chỉ là nền tảng cho quá trình nghiên cứu Luận văn mà còn là hành trang quý báu để em bước vào đời một cách vững chắc và tự tin

Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý, phòng Sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã quan tâm, tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành Luận văn này

Qua đây em cũng xin gửi lời cảm ơn tới những nguời thân trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã chia sẻ với em những buồn vui trong cuộc sống, luôn ủng

hộ và giúp đỡ em để em thực hiện tốt Luận văn này

Cuối cùng em kính chúc quý Thầy Cô dồi dào sức khỏe, thành công trong sự nghiệp trồng nguời cao quý

Dù đã có nhiều cố gắng, xong do thời gian hạn chế nên Luận văn khó tránh khỏi những thiếu xót và hạn chế Em rất mong nhận đuợc sự chỉ bảo của quý Thầy

Cô và sự đóng góp ý kiến của tất cả các bạn

Em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày 30 tháng 11 năm 2016

Học viên PHÙNG KHẮC NAM HỒ

i

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu chung về rau xanh 3

1.1.1 Đặc điểm rau xanh 3

1.1.2.Tiêu chí rau an toàn 3

1.1.3 Các yếu tố gây ô nhiễm cho rau 4

1.2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp phân tích PIXE 4

1.2.1.Tia X đặc trưng Cơ chế phát tia X đặc trưng gây bởi chùm hạt 5

1.2.2 Hiệu ứng Auger và hiệu suất huỳnh quang 7

1.2.2.1 Hiệu ứng Auger 7

1.2.2.2 Hiệu suất huỳnh quang 8

1.2.3 Năng suất hãm 10

1.2.4 Tiết diện ion hóa 11

1.2.5 Suất lượng tia X đặc trưng 13

1.2.6 Các phương pháp phân tích định lượng 16

1.2.7 Nguồn gốc phông và giới hạn phát hiện 19

1.2.7.1 Nguồn gốc phông 19

1.2.7.2 Giới hạn phát hiện 21

CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 23

2.1 Đối tượng nghiên cứu 23

2.2 Thiết bị và hệ phân tích PIXE 23

2.2.1 Máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron 23

2.2.1.1 Nguồn ion 24

2.2.1.2 Buồng gia tốc chính 24

2.2.1.3 Các hệ thống phụ trợ 25

2.2.2 Buồng phân tích và bố trí thí nghiệm 25

2.3 Phân tích mẫu dày bằng kỹ thuật PIXE 27

ii

2.3.3 Ghi nhận phổ 29

2.3.4 Phân tích phổ và xử lý số liệu 30

CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 35

3.1 Xác định hệ số chuẩn H 35

3.2 Đánh giá độ chính xác của phương pháp phân tích PIXE mẫu dày (TTPIXE) 36

3.3 Đánh giá độ đồng đều mẫu và độ lặp phép đo 39

3.4 Kết quả phân tích một số mẫu rau xanh tại Hà Nội 43

KẾT LUẬN 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

PHỤ LỤC 57

iii

Hình 1.1 Sơ đồ tạo lỗ trống (a) và phát xạ tia X đặc trưng (b) do khi bắn phá bởi

proton 6

Hình 1.2 Sơ đồ tia X đặc trưng 6

Hình 1.3 Quá trình phát electron Auger 7

Hình 1.4 Tiết diện ion hóa của vành K và vành L theo năng lượng 11

Hình 1.5 Các tiết diện ion hóa vạch K, L (ECPSSR) và M(CPWBA) như hàm của năng lượng ion tới (E/U) đối với hạt tới là proton U (keV) là năng lượng biên hấp thụ của nguyên tử bia 12

Hình 1.6 Mỗi quan hệ khác nhau giữa diện tích tiết diện chùm tia và mẫu trong PIXE 14

Hình 1.7 Hình học chung cho phân tích mẫu dày TTPIXE 15

Hình 1.8 Sự đóng góp tương đối của các bức xạ QFEB, SEB, AB vào phông bức xạ hãm electron 20

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo hệ máy gia tốc5SDH-2 Pelletron 23

Hình 2.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 25

Hình 2.3 Buồng phân tích PIXE 26

Hình 2.4 Cửa sổ ghi nhận số liệu của phần mềm RC43 30

Hình 2.5 Giao diện chương trình GUPIX 31

Hình 3.1 Phổ PIXE đã làm khớp của mẫu chuẩn NIST-611: a) Phổ trong phép chiếu proton năng lượng thấp; b) Phổ trong phép chiếu proton năng lượng cao 37

Hình 3.2 Khuôn đã chứa 4 mẫu của cùng một loại mẫu rau (M6) 39

Hình 3.3 Hàm lượng các nguyên tố chính trong bốn mẫu M6 và giá trị trung bình qua lần đo thứ nhất 41

Hình 3.4 Hàm lượng các nguyên tố chính trong bốn mẫu M6 và giá trị trung bình qua lần đo thứ hai 42

iv

Hình 3.6 Hệ số biến thiên hàm lƣợng các nguyên tố chính qua hai lần đo trong các mẫu: M6-1, M6-2, M6-3,M6-4 43 Hình 3.7 Phổ PIXE sau khi đã làm khớp của mẫu M 1: a) Phổ trong phép đo năng lƣợng thấp; b) Phổ trong phép đo năng lƣợng cao 46

v

Bảng 1.1 Các hệ số Bi trong công thức tính hiệu suất huỳnh quang vạch Kvà vạch L 10

Bảng 1.2 Các hệ số a itrong công thức (1.16) 13

Bảng 2.1 Thông tin về mẫu đo 28

Bảng 3.1 File HED vạch K (trong phép chiếu proton năng lượng thấp - 835 keV) 35

Bảng 3.2 File HED vạch K (trong phép chiếu proton năng lượng cao - 2619 keV) 36

Bảng 3.3 File HED vạch L (trong phép chiếu proton năng lượng cao 2619 keV) 36

Bảng 3.4 Kết quả phân tích mẫu chuẩn NIST-611, so sánh với giá trị chuẩn 38

Bảng 3.5 Đánh giá độ đồng đều mẫu thông qua hàm lượng một số nguyên tố chính trong mẫu M6 (đơn vị hàm lượng: ppm) 40

Bảng 3.6 So sánh hàm lượng các nguyên tố chính trong mẫu M6-1 qua hai lần đo (đơn vị hàm lượng: ppm) 44

Bảng 3.7 So sánh hàm lượng các nguyên tố chính trong mẫu M6-2 qua hai lần đo (đơn vị hàm lượng: ppm) 44

Bảng 3.8 So sánh hàm lượng các nguyên tố chính trong mẫu M6-3 qua hai lần đo (đơn vị hàm lượng: ppm) 45

Bảng 3.9 So sánh hàm lượng các nguyên tố chính trong mẫu M6-4 qua hai lần đo (đơn vị hàm lượng: ppm) 45

Bảng 3.10 Kết quả phân tích mẫu M1 47

Bảng 3.11 Hàm lượng kim loại nặng trong mẫu rau muống tươi 48

Bảng 3.12 Hàm lượng kim loại nặng trong mẫu rau cải bắp tươi 48

Bảng 3.13 Hàm lượng kim loại nặng trong mẫu rau cải xanh tươi 49

Bảng 3.14 Giá trị RfD cho một số kim loại nặng 50

Bảng 3.15 Giá trị HQ đối với rau muống 51

Bảng 3.16 Giá trị HQ đối với rau cải bắp 51

Bảng 3.17 Giá trị HQ đối với rau cải xanh 51

2 AB Atomic Bremsstrahlung Bức xạ hãm nguyên tử

Spectrometry

Phương pháp phổ khối plasma cao tần cảm ứng

5 IRIS Integrated Risk

Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc

7 FWHM Full Width at Hafl

Maximum

Độ rộng toàn phần tại nửa chiều cao cực đại

8 GUPIX Guelph Pixe Group Phần phềm phân tích

phổ

9 LOD Limit Of Detection Giới hạn phát hiện

10 MCA Multi Channel Analyzer Máy phân tích đa kênh

11 QFEB Quasi-Free Electron

Bremsstrahlung

Bức xạ hãm electron hầu như tự do

12 PIXE Partical Induced X-ray

Emission

Phương pháp phân tích phát xạ tia X kích thích bởi chùm hạt

13 PVAC Polyvinyl Acetate Nhựa polyvinyl axêtát

17 SNICS Soure of Negative Ions

by Cecium Sputtering

Nguồn tạo ion âm bởi phún xạ Cecium

18 TTPIXE Thick target Partical

Induced X-ray Emission

Phương pháp phân tích mẫu dày phát xạ tia X kích thích bởi chùm hạt

UnitedStates Environmental Protection Agency

Cơ quan bảo vệ Môi trường Mỹ

Organization Tổ chức y tế thế giới

1

MỞ ĐẦU

Rau xanh là loại thực phẩm không thể thiếu trong mỗi bữa ăn gia đình của người Việt Nam Ngày nay khoa học phát triển đã chứng minh vai trò của rau xanh trong việc chăm sóc, bảo vệ sức khoẻ con người Rau xanhlà nguồn cung cấp vitamin, khoáng chất, vi lượng, chất xơ,… cho cơ thể con người Tuy nhiên, hiện nay nhiều khu vực trồng rau ở Việt Nam nói chung và ở Thành phố Hà Nội nói riêng đang bị đe dọa ô nhiễm bởi các chất thải của các nhà máy, xí nghiệp cùng với việc sử dụng phân bón một cách thiếu khoa học dẫn đến sự ô nhiễm kim loại nặng trong rau xanh, ảnh hưởng đến sức khỏe con người Các nguyên tố Cr, Ni, Cu, Pb, Cd,… gây độc hại đối với con người tùy hàm lượng của chúng Một số khác như

Cu, Fe, Zn, … là những nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể con người, tuy nhiên khi hàm lượng của chúng vượt quá ngưỡng cho phép, chúng bắt đầu gây độc hại Vì vậy vấn đề rau sạch đã và đang là vấn đề nóng bỏng được nhiều cơ quan môi trường và xã hội quan tâm Việc điều tra, đánh giá chất lượng rau sạch trở nên vô cùng cấp thiết Một trong các chỉ tiêu sử dụng trong đánh giá độ an toàn của thực phẩm nói chung và rau sạch nói riêng là chỉ tiêu về hàm lượng kim loại nặng

Ngày nay có nhiều phương pháp phân tích nguyên tố với độ nhạy, độ chính xác cao như: phương pháp phổ phát xạ nguyên tử (AES), phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), phương pháp phổ khối plasma cao tần cảm ứng (ICP-MS) [2,3] Tuy nhiên các phương pháp này đều là các phương pháp phân tích phá hủy mẫu Phương pháp huỳnh quang tia X là phương pháp phân tích không phá hủy mẫu nhưng độ nhạy kém hơn Kỹ thuật phân tích PIXE là một kỹ thuật mới có độ nhạy cao do phông đóng góp của bức xạ hãm và tán xạ Compton thấp Tuy mới chỉ ra đời cách đây vài thập kỷ, phương pháp này đã thể hiện nhiều ưu việt Đây là phương pháp phân tích không phá hủy mẫu, có khả năng phát hiện đồng thời từ 25 đến 30

nguyên tố, độ nhậy cao, với giới hạn phát hiện (LOD) nhỏ hơn 1 ppm tùy từng loại

2

mẫu [12] Phương pháp PIXE có khả năng ứng dụng trong phân tích mẫu sinh học, mẫu môi trường, nghiên cứu vật liệu Khả năng phát hiện sự có mặt của các nguyên tố có trong mẫu được thông qua việc ghi nhận tia X đặc trưng phát ra bằng detector tia X với độ nhạy và độ phân giải tốt Với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật, trong những năm gần đây các detector tia X ngày càng đa dạng, có độ phân giải, độ nhạy, hiệu suất ghi nhận ngày càng được cải thiện, qua đó phương pháp PIXE ngày càng khẳng định được tính ưu việt của nó trong phân tích hàm lượng các nguyên tố

Vì những lý do trên, tác giả lựa chọn đề tài: “Xác định hàm lượng một số kim loại nặng trong rau xanh ở Thành phố Hà Nội bằng phương pháp PIXE”.Mục đích của Luận văn là bước đầu nghiên cứu phương pháp phân tích các mẫu rau xanh bằng kỹ thuật PIXE tại phòng thí nghiệm máy gia tốc Tandem Pelletron 5SDH-2 đặt tại Trường Đại học Khoa học tự nhiên (HUS), áp dụng đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại nặng trong rau xanh trên thị trường một số khu vực ở thành phố Hà Nội

Bố cục của luận văn bao gồm các phần như sau:

- MỞ ĐẦU

- CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

- CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

- CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

3

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về rau xanh

1.1.1 Đặc điểm rau xanh

Rau xanh là cây trồng ngắn ngày có giá trị dinh dưỡng và hiệu quả kinh tế cao nên được trồng và sử dụng trong đời sống từ xưa tới nay Do chứa nhiều sinh tố, chất khoáng và chất xơ nên rau xanh rất cần thiết cho cơ thể con người Đây là nguồn khoáng chất và vitamin phong phú đối với con người, tuy một số loại rau xanh không cung cấp nhiều nhiệt lượng nhưng lại cung cấp những sinh tố và chất khoáng không thể thiếu đối với sức khỏe con người

1.1.2.Tiêu chí rau an toàn

Trong quá trình gieo trồng, để có sản phẩm rau an toàn nhất thiết phải áp dụng các biện pháp kỹ thuật và sử dụng một số nguyên liệu như nước, phân bón, thuốc phòng trừ sâu bệnh Trong các nguyên liệu này kể cả đất trồng đều có chứa những nguyên tố gây ô nhiễm rau và ít nhiều đều để lại một số dư lượng trên rau sau khi thu hoạch Trong thực tế hiện nay hầu như không thể có sản phẩm rau sạch với ý nghĩa hoàn toàn không có yếu tố độc hại Tuy vậy những yếu tố này thực sự chỉ gây độc hại khi chúng để lại một dư lượng nhất định nào đó trên rau, dưới mức

dư lượng này thì không độc hại Mức dư lượng tối đa không gây hại tới sức khỏe con người có thể chấp nhận gọi là mức dư lượng cho phép (hoặc ngưỡng dư lượng giới hạn)

Như vậy những sản phẩm rau không chứa hoặc có chứa dư lượng các yếu tố độc hại nhưng dưới mức dư lượng cho phép được coi là rau an toàn với sức khỏe con người, nếu trên mức dư lượng cho phép là rau không an toàn

Tiêu chuẩn rau an toàn: ngày 19/12/2007 bộ trưởng bộ Y tế đã ra quyết

định số 46-2007-QĐ-BYT về “Quy định giới hạn tối đa ô nhiễm sinh học và hóa học trong thực phẩm” [1] Trong quyết định này qui định mức dư lượng cho phép trên sản phẩm rau đối với hàm lượng nitrate, kim loại nặng, vi sinh vật gây bệnh và thuốc bảo vệ thực vật Các mức dư lượng cho phép này chủ yếu dựa vào qui định của Tổ chức lương nông thế giới (FAO) và tổ chức y tế thế giới (WHO) Các cá

1.1.3 Các yếu tố gây ô nhiễm cho rau

Có nhiều yếu tố gây ô nhiễm rau, xong quan trọng nhất phải kể đến các yếu

Nguyên nhân gây ô nhiễm kim loại nặng:

Trong thuốc bảo vệ thực vật, phân bón NPK có chứa cả một số kim loại nặng Trong quá trình tưới tiêu các kim loại nặng này bị rửa trôi xuống ao hồ, sông rạch, thâm nhập vào mạch nước ngầm gây ô nhiễm nguồn nước tưới rau

- Nguồn nước thải của thành phố và các khu công nghiệp chứa nhiều kim loại nặng chuyển trực tiếp vào rau tươi

1.2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp phân tích PIXE

Kỹ thuật phân tích nguyên tố bằng cách đo tia X đặc trưng gây bởi chùm hạt tích điện nặng đã được biết đến cách đây vài thập kỷ Từ năm 1962 Van Loef và các cộng sự đã công bố kết quả thực nghiệm về tạo ra tia X đặc trưng bằng chùm proton năng lượng 100 và 250 keV Phổ tia X được ghi nhận bằng ống đếm tỷ lệ chứa khí

Xe [13] Tuy nhiên, do đặc trưng thiết bị đếm độ phân giải bị giới hạn Năm 1970, bằng thực nghiệm, Johansson và các cộng sự đã khẳng định sự kết hợp sự tạo tia X

5

đặc trưng bằng chùm proton năng lượng vài MeV và ghi nhận tia X bằng detector bán dẫn là một phương pháp phân tích đa nguyên tố hữu hiệu [22, 23] Phương pháp này được gọi là PIXE (Particle Induced X-ray Emission - PIXE), và sau đó được phát triển bởi nhiều nhà nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi cho các phòng thí nghiệm máy gia tốc

Phương pháp phân tích này sử dụng chùm ion có năng lượng vào khoảng từ 0.5 đến 10 MeV/amu và thường sử dụng detector bán dẫn Si để ghi nhận tia X sinh

ra Hầu hết các nguyên tố từ Na trở đi có thể được phân tích trong dải năng lượng tia X từ 1 đến 100 keV [11, 12] Năng lượng của tia X phát ra đặc trưng cho nguyên

tố bị bắn phá bởi chùm ion và số lượng tia X đặc trưng này sẽ tỷ lệ với hàm lượng nguyên tố Đây là phương pháp phân tích không phá hủy mẫu, có khả năng phát hiện đồng thời từ 25 đến 30 nguyên tố, độ nhậy cao, với giới hạn phát hiện nhỏ hơn1 ppm tùy từng loại mẫu [12]

1.2.1.Tia X đặc trưng Cơ chế phát tia X đặc trưng gây bởi chùm hạt

* Tia X đặc trưng

Tia X đặc trưng được C.G.Barkla phát hiện năm 1908 [20] Tia X đặc trưng sinh ra là kết quả của quá trình dịch chuyển trạng thái của electron trong nguyên tử Năng lượng của tia X đặc trưng cho năng lượng liên kết giữa hai vành electron trong nguyên tử, do đó, nó đặc trưng cho mỗi nguyên tố

* Cơ chế phát tia X đặc trưng gây bởi chùm hạt

Khi chùm hạt tích điện (proton) bắn vào bia, chúngsẽ ion hóa các nguyên tử bia bằng tương tác Culông Electron ở vành trong của nguyên tử bia bị đẩy ra ngoài

và tạo thành lỗ trống Nguyên tử do đó bị kích thích rồi trở về trạng thái cơ bản thông qua một chuỗi chuyển dịch các electron từ quỹ đạo ngoài vào lỗ trống vành trong Mỗi quá trình chuyển dịch kèm theo sự phát tia X đặc trưng với năng lượng bằng với sự chênh lệch năng lượng liên kết của hai electron quỹ đạo tham gia vào quá trình chuyển dịch Cơ chế tạo tia X đặc trưng gây bởi chùm hạt proton được mô

tả trong Hình 1.1 [21]

Hình 1.2 Sơ đồ tia X đặc trưng [21]

Hiệu ứng Auger thường xảy ra đối với nguyên tố nhẹ (Z nhỏ) vì các điện tử trong nguyên tử liên kết yếu hơn và các photon đặc trưng của nó có năng lượng nhỏ nên dễ bị hấp thụ hơn Cũng chính vì vậy mà hiệu ứng thường xảy ra đối với lớp L hơn là lớp K

Hình 1.3 Quá trình phát electron Auger

8

1.2.2.2 Hiệu suất huỳnh quang

Xác xuất lỗ trống trong một lớp nguyên tử hay lớp con được lấp đầy thông qua chuyển dịch bức xạ gọi là hiệu suất huỳnh quang Như vậy hiệu suất huỳnh quang chính bằng tỷ số của số tia X phát ra trên số lỗ trống ban đầu được tạo thành trong một lớp hay một phân lớp Theo định nghĩa này thì hiệu suất huỳnh quang của lớp K của nguyên tử là [20]:

𝜔𝐾 = 𝐼𝐾

𝑛𝐾 (1.1) trong đó: IK là tổng số photon tia X đặc trưng phát ra, nK là số lỗ trống được tạo ra ở lớp K

Đối với các lớp nguyên tử cao hơn, xác định hiệu suất huỳnh quang sẽ phức tạp hơn vì hai lý do:

1) Các lớp trên lớp K có nhiều hơn một phân lớp; hiệu suất huỳnh quang trung bình phụ thuộc vào cách thức các lớp bị ion hóa

2) Chuyển dịch Coster-Kronig xảy ra, đây là chuyển dịch không bức xạ giữa các phân lớp trong cùng một lớp có cùng số lượng tử chính

Trong trường hợp không có chuyển dịch Coster-Kronig thì hiệu suất huỳnh quang của phân lớp i của lớp có số lượng tử chính là X (X= L, M, …) được cho như sau [20]:

𝜔𝑖𝑋 = 𝐼𝑖𝑋

𝑛𝑖𝑋 (1.2)

và hiệu xuất huỳnh quang trung bình 𝜔𝑋 đối với lớp X được xác định như sau:

𝜔𝑋 = 𝑘𝑖=1𝑁𝑖𝑋𝜔𝑖𝑋 (1.3) trong đó 𝑁𝑖𝑋 là số lỗ trống tương đối trong phân lớp i của lớp X:

𝑁𝑖𝑋= 𝑛𝑖

𝑋

𝑛𝑖𝑋

𝑘 𝑖=1

, 𝑘𝑖=1𝑁𝑖𝑋 = 1(1.4) Như vậy để xác định hiệu suất huỳnh quang trung bình thì sự phân bố lỗ trống ban đầu phải được biết, nghĩa là chuyển dịch Coster-Kronig không xảy ra

Trong trường hợp có xảy ra dịch chuyển Coster-Kronig, thì hiệu suất huỳnh quang trung bình 𝜔𝑋 được xem như là sự kết hợp tuyến tính của các hiệu suất

9

huỳnh quang phân lớp 𝜔𝑖𝑋 với sự phân bố lỗ trống đã được xác định bởi dịch chuyển Coster-Kronig:

𝜔𝑋 = 𝑘𝑖=1𝑉𝑖𝑋𝜔𝑖𝑋, 𝑘𝑖=1𝑉𝑖𝑋 > 1(1.5) trong đó 𝑉𝑖𝑋 là số lỗ trống tương đối trong phân lớp i của lớp X sau khi đã đổi vị trí tới mỗi phân lớp bởi chuyển dịch Coster-Kronig Các giá trị 𝑉𝑖𝑋 có thể được biểu diễn thông qua số lỗ trống tương đối ban đầu 𝑁𝑖𝑋 và xác xuất thay đổi vị trí của một

lỗ trống từ phân lớp Xi tới phân lớp cao hơn Xj nằm trong cùng một lớp X được ký hiệu là 𝑓𝑖𝑗𝑋:

𝑉1𝑋 = 𝑁1𝑋

𝑉2𝑋= 𝑁2𝑋 + 𝑓12𝑋𝑁1𝑋

𝑉3𝑋= 𝑁3𝑋 + 𝑓23𝑋𝑁2𝑋 + (𝑓13𝑋 + 𝑓12𝑋𝑓23𝑋)𝑁1𝑋(1.6) Giữa hiệu suất huỳnh quang 𝜔𝑖𝑋, hiệu suất Auger aiX và xác xuất dịch chuyển Coster-Kronig có mỗi liên hệ như sau:

𝜔𝑖𝑋 + 𝑎𝑖𝑋 + 𝑘𝑖=1𝑓𝑖𝑗𝑋 = 1 (1.7) Hiệu suất Auger trung bình 𝑎 𝑋 được cho bởi:

𝑎 𝑋 = 𝑘𝑖=1𝑉𝑖𝑋𝑎𝑖𝑋(1.8) Mặc dù về nguyên tắc hiệu suất huỳnh quang 𝜔𝑘 có thể được tính toán theo

lý thuyết, nhưng thường sử dụng các dữ liệu thực nghiệm Bambynek cùng các đồng nghiệp đã lập ra một công thức bán thực nghiệm để tính toán hiệu suất huỳnh quang dãy K như sau [21]:

𝜔 𝐾

1−𝜔 𝐾

1/4

= 3𝑖=0𝐵𝑖𝑍𝑖 (1.9) trong đó hệ số Bi được chotrong Bảng 1.1

Đối với hiệu suất huỳnh quang vạch L, Cohen đã xây dựng một bộ các giá trị hiệu suất huỳnh quang hiệu dụng được sử dụng trong PIXE, chúng rất khớp với công thức bán thực nghiệm sau trong vùng số khối từ 30-96 [21]:

𝜔𝐿1−𝜔 𝐿

1/4

= 3 𝐵𝑖𝑍𝑖 𝑖=0 (1.10) trong đó các hệ số Bi cho trong Bảng 1.1

Nếu năng lượng bị mất trên một đơn vị độ dài dịch chuyển trong bia là dE/dx thì năng suất hãm được tính bằng [20]:

𝑆 𝐸 =1

𝜌

𝑑𝐸

𝑑𝑥 (1.11) Trong đó: ρ là mật độ của bia, đơn vị của năng suất hãm thường được sử dụng là keV/g/cm2

Năng suất hãm đối với hợp chất hoặc các ma trận mẫu phức tạp hơn được tính từ năng suất hãm của các nguyên tố thành phần theo quy luật cộng của Bragg- -Kleemann [20]:

𝑆𝑚𝑎𝑡𝑟(𝐸) = 𝑛𝑖=1𝑤𝑖 𝑆𝑖(𝐸)(1.12) trong đó wi, Si(E) tương ứng là hàm lượng và năng suất hãm của nguyên tố thành phần i

Quãng chạy của chùm hạt được xác định bằng công thức sau [20]:

11

1.2.4 Tiết diện ion hóa

Khi chiếu chùm proton (hạt tích điện nặng) vào bia, chúng tương tác với electron liên kết của nguyên tử làm bật electron ra khỏi quỹ đạo, kết quả là phát ra tia X đặc trưng Tiết diện của quá trình này gọi là tiết diện ion hóa Nó là xác xuất

đo số sự kiện ion hóa xảy ra

Tiết diện ion hóa của vành thứ i của nguyên tố bia tăng theo năng lượng của chùm hạt proton (tích điện) chiếu vào bia và đạt giá trị cực đại khi vận tốc của ion tới và vận tốc của electron trên vành điện tử đang xét có cùng bậc độ lớn Tiếp tục tăng năng lượng hạt tới thì tiết diện giảm chậm Sự phụ thuộc tiết diện ion hóa vào năng lượng hạt bắn phá và nguyên tử số Z của bia được mô tả trong Hình 1.4 Tiết diện giảm nhanh khi tăng nguyên tử số của bia

Hình 1.4 Tiết diện ion hóa của vành K và vành L theo năng lượng [20]

Để tính toán tiết diện ion hóa Ingười ta sử dụng một số lý thuyết, điển hình

là lý thuyết ECPSSR được đề xuất bởi Brandt and Lapicki [24,25] dựa trên lý thuyết gần đúng PWBA (Plane wave Born approximation) kết hợp với các hiệu chỉnh năng lượng mất mát (E), hiệu ứng độ lệch culông (C), hiệu ứng phân cực và liên kết trong khuôn khổ gần đúng PSS (Perturbed stationary states approximation),

và các hiệu chỉnh tương đối tính (R) Lý thuyết này được cho là lý thuyết thành

Z Ví dụ đối với Deuterium, Helium là hạt tới ta có biểu thức sau [12]:

1 ( / 2)

L (theo lý thuyết ECPSSR), đối với tổng lớp M (theo lý thuyết CPWAB) đƣợc nêu trong tài liệu tham khảo [7] Từ các dữ liệu đó có thể xây dựng đƣợc hàm khớp một cách chính xác mối quan hệ giữa tiết diện ion hóa với năng lƣợng hạt tới và bia khác nhau

Hình 1.5 Các tiết diện ion hóa vạch K, L (ECPSSR) và M(CPWBA) như hàm của năng lượng ion tới (E/U) đối với hạt tới là proton U (keV) là năng lượng

biên hấp thụ của nguyên tử bia [12]

13

Hình 1.5 là đồ thị mô tả phép khớp các dữ liệu tiết diện ion hóa đối với lớp K,tổng lớp L (theo lý thuyết ECPSSR) và đối với tổng lớp M (theo lý thuyết CPWBA)của chùm proton tới trên các bia có Z2 khác nhau Các giá trị tiết diện ion hóa được nhân với bình phương năng lượng biên hấp thụ của các lớp K, L, M (đơn

vị keV), và được biểu diễn theo đơn vị là barn.keV2 Năng lượng proton được chia cho năng lượng biên hấp thụ và có đơn vị là MeV/keV

Hàm khớp đa thực bậc 5 tương ứng sử dụng các hệ số a như sau: i

ln 𝐸2𝜎𝐼 = ailn⁡(𝐸1/𝐸(𝑘𝑒𝑉)) (1.16) Các hệ số a được cho ở Bảng 1.2 i

1.2.5 Suất lượng tia X đặc trưng

Trong phân tích PIXE có hai trường hợp đơn giản nhất, đó là trường hợp mẫu rất mỏng có thể bỏ qua sự suy giảm năng lượng chùm hạt bắn phá khi nó truyền qua mẫu, và trường hợp thứ hai là mẫu dày mà có thể dừng toàn bộ năng lượng chùm tia trong mẫu Trong trường hợp đầu suất lượng của tia X đặc trưng của

14

nguyên tố nào đó trong mẫu sẽ được xác định thông qua tiết diện tại năng lượng proton tới E0, trong khi đó ở trường hợp hai là tích phân trên toàn bộ năng lượng proton từ E0 xuống tới 0

* Mẫu mỏng:

Một mẫu được xác định là mỏng tùy thuộc vào năng lượng chùm proton tới

và ma trận thực tế của bia mẫu, mà làm suy giảm cả năng lượng proton và tia X đặc trưng trên đường tới bề mặt mẫu

Có hai trường hợp chiếu mẫu như được mô tả trên Hình 1.6 Trường hợp đầu, mẫu film cơ bản đồng đều rất mỏng khối lượng M(Z) được chiếu bao phủ bởi chùm proton có cường độ phân bố đồng đều trên diện tích tiết diện S, khi đó suất lượng tia X đặc trưng Kα hoặc Lα khi Np proton xuyên qua mẫu là [21]:

𝑌0 𝑍 = 𝑁𝑝 𝑀(𝑍)

𝑆

𝜎𝑍(𝐸0)𝜔𝑍𝑏𝑍𝛼𝜀𝑍𝑁𝑎𝑣

𝐴 𝑍 (1.17) trong đó: Z và AZ là nguyên tử số và khối lượng của nguyên tố, σZ(E0) là tiết diện ion hóa của proton năng lượng E0, ωZ là hiệu suất huỳnh quang vạch K hoặc L, bZ là

hệ số phân nhánh của vạch chính trong dãy các vạch phổ tia X nhất định (ví dụ vạch

𝐾𝛼 trong dãy K), ԑZ là hiệu suất ghi tuyệt đối và Nav là số Avogadro Chỉ số dưới 0

để chỉ mẫu mỏng đến mức năng lượng proton là không đổi khi truyền trong vật liệu bia

Hình 1.6 Mỗi quan hệ khác nhau giữa diện tích tiết diện chùm tia

và mẫu trong PIXE [21]

15

Trong trường hợp sau, chùm tia chỉ chiếu một phần diện tích của mẫu (diện

tích S), kết quả ta vẫn thu được biểu thức như trên mặc dù được biểu diễn thông qua

khối lượng trên một đơn vị diện tích:

𝑀𝑎 𝑍 = 𝑀(𝑍)/𝑆 (1.18)

Độ nhạy của bia mỏng k(Z):

𝑘 𝑍 =𝜎𝑍 (𝐸0)𝜔𝑍𝑏𝑍𝛼𝜀𝑍𝑁𝑎𝑣

𝐴 𝑍 (1.19) Đơn vị của k(Z) là số tia X trên proton (hoặc trên đơn vị điện tích proton,

thường là micro hoặc nano cu lông) trên µg/cm2 Khi đó phương trình (1.17) trở

thành:

𝑌0 𝑍 = 𝑘 𝑍 𝑁𝑝𝑀𝑎 𝑍 (1.20)

* Mẫu dày

Hình học chung cho phân tích mẫu dày như được mô tả trong Hình 1.7

Hình 1.7 Hình học chung cho phân tích mẫu dày TTPIXE [21]

Bỏ qua đóng góp của bức xạ huỳnh quang thứ cấp (F), suất lượng tia X đặc

trưng Kα của một nguyên tố cụ thể phân bố đồng đều trong mẫu dày được tính như

𝐸0 𝑑𝐸 (1.21)

16

trong đó năng suất hãm của ma trận mẫu S(E) được tính toán bằng cách sử dụng quy tắc Bragg đối với sự kết hợp tuyến tính các thành phần hãm năng lượng CZ là hàm lượng nguyên tố Z trong mẫu Đại lượng TZ(E) là hệ số đặc trưng cho quá trình photon truyền trong mẫu tương tác với ma trận mẫu, hệ số này được tính như sau:

𝑇𝑍 𝐸 = exp⁡ − 𝜇

𝜌 𝑍

𝑐𝑜𝑠𝛼 𝑠𝑖𝑛 𝜃𝑇0

𝑑𝐸 𝑆(𝐸)

𝐸

𝐸 0 (1.22)

Hệ số suy giảm µ/ρ đối với tia X của nguyên tố Z trong ma trận mẫu có thể tính được, giống như S(E), bằng cách lấy tổng theo toàn bộ thành phần ma trận mẫu

1.2.6 Các phương pháp phân tích định lượng

Bia trong phân tích PIXE thường chia làm 2 loại chính là bia mỏng và bia dày Tùy từng loại mẫu ta dùng các phương pháp định lượng khác nhau

Từ các phương trình (1.17) và (1.21), mối quan hệ suất lượng tia X đặc trưng

và hàm lượng nguyên tố tương ứng được biểu diễn như sau:

𝑌 𝑍 = 𝐻𝐶𝑍𝑌𝑙𝑡 𝑍 𝑄𝜀𝑍𝑡𝑍 (1.23) trong đó:

Ylt(Z) là suất lượng tia X đặc trưng trên đơn vị điện tích chùm tia, trên đơn vị hàm lượng, trên đơn vị góc khối

CZ là hàm lượng nguyên tố nguyên tử số Z trong mẫu

tZlà hệ số truyền qua của fin lọc đặt giữa bia và detector

Q là điện tích tổng cộng chùm tia chiếu mẫu (𝑁𝑝 =𝑄

𝑒, e là điện tích electron)

H là hệ số hiệu chỉnh hệ đo

a) Mẫu mỏng

* Phương pháp chuẩn trong

Đối với phương pháp chuẩn trong, chất chuẩn đã biết hàm lượng (khối lượng chất trên một đơn vị diện tích) sẽ được thêm vào trong mẫu đo, chất chuẩn này thường phải không có mặt trong mẫu đó, thường người ta chọn các nguyên tố đất

Vì chất chuẩn trong được đo trong cùng một điều kiện với các chất cần đo

trong mẫu nên phương pháp này có thể loại bỏ sai số hệ thống của các giá trịQ, Ω

* Phương pháp chuẩn ngoài

Vì bia mỏng nên sự mất mát năng lượng của chùm tia và sự suy giảm của tia

X là không đáng kể, ảnh hưởng của yếu tố ma trận có thể bỏ qua Hệ thống phân tích PIXE có thể được chuẩn bằng sử dụng mẫu chuẩn mỏng bằng cách xây dựng đường cong độ nhạy (mối liên hệ giữa cường độ của vạch Kα hoặc Lα như hàm của Z) Đường cong này bao gồm tất cả các thông số vật lý liên quan đến điều kiện thực nghiệm và detector Do vậy, độ chính xác của phương pháp phụ thuộc vào sự chính xác của mẫu chuẩn và việc khớp đỉnh

Mẫu cần đo và mẫu chuẩn được đo trong cùng điều kiện Dựa vào đường cong độ nhạy để tính toán hàm lượng của các chất trong mẫu đo

b) Mẫu dày

Việc phân tích mẫu dày là phức tạp hơn mẫu mỏng bởi xảy ra hai hiệu ứng sau: (1) Hạt tích điện chuyển động chậm dần trong bia (mẫu phân tích) do tương tác Coulomb và với các electron trong nguyên tử của bia Tiết diện ion hóa trở thành một hàm của độ sâu trong mẫu bởi vì nó cũng là hàm của năng lượng hạt tích điện tới, nó giảm khi độ sâu tăng (2) Tia X được tạo ra ở một độ sâu xác định trong mẫu

và có xác suất bị hấp thụ trong mẫu thay vì tới được detector Cả hai hiệu ứng trên

18

được xác định bởi các nguyên tố có trong mẫu với hàm lượng lớn nhất được gọi là

ma trận mẫu

* Mẫu dày (biết trước ma trân mẫu)

Trường hợp thường gặp trong phân tích là biết trước nguyên tố chính cùng hàm lượng của nó (hàm lượng≈99.9%) Ở đây, ma trận mẫu được xác định bằng phương pháp phân tích hóa họchoặc có thể tính toán được bằng phân tích RBS hoặc EPMA hoặc thậm chí bằng một phép phân tích PIXE song song sử dụng một detector thứ hai được điều chỉnh để xác định hàm lượng các nguyên tố chính này Tích phân trong Công thức (1.21) được tính toán trực tiếp sử dụng các số liệu và thông số ma trận Từ (1.23) hàm lượng nguyên tố cần đo được tính như sau:

𝐶𝑍 = 𝑌(𝑍)

Chúng ta có thể kết hợp hệ số hiệu chỉnh góc khối detector và điện tích tổng cộng của chùm tia tới Q thành một hằng số H (đôi khi còn bao gồm cả hệ số hiệu chỉnh hiệu suất ghi detector và độ dày tấm hấp thụ) Hằng số H có thể xác định bằng phép phân tích sử dụng mẫu chuẩn đã biết hàm lượng nguyên tố

* Mẫu dày (chưa biết ma trận mẫu)

Trong trường hợp này thì các nguyên tố trong ma trận đã biết trước về mặt định tính, nhưng chưa biết được hàm lượng của chúng Tiếp theo là phải xác định hàm lượng của ma trận và nguyên tố vết Phổ thu được có chứa tia X của tất cá các nguyên tố trong ma trận, hàm lượng của chúng có thể được xác định bằng phương pháp lặp lại để giải phương trình (1.25).Chương trình phân tích PIXE sẽ tính toán diện tích đỉnh và ước lượng ban đầu về hàm lượng các nguyên tố và bỏ qua ảnh hưởng của hiệu ứng ma trận Các thông số hàm lượng ước tính này sẽ được sử dụng

để tính toán hiệu ứng ma trận cho sự lặp lại lần thứ hai bao gồm cả khớp phổ lại Sự lặp lại quá trình này sẽ được tiếp tục cho tới khi có sự phù hợp của hàm lượng được thiết lập

Bức xạ hãm SEB được hình thành bởi hai quá trình: đầu tiên hạt tới bứt một electron của nguyên tử bia, và electron thứ cấp này bị tán xạ trong trường culông hạt nhân bia, mất dần năng lượng, vì vậy phát ra bức xạ hãm Phổ photon của SEB được đặc trưng bởi đại lượng Tm=4meEp/Mp, đây là năng lượng cực đại mà hạt tới khối lượng Mp năng lượng Ep truyền cho electron tự do tại khối lượng nghỉ me Do

đó cường độ bức xạ hãm SEB giảm nhanh trong vùng năng lượng lớn hơn Tm

Bức xạ hãm QFEB được phát ra khi một electron của nguyên tử bia tán xạ trong trường culông của chùm hạt tới Đại lượng đặc trưng của sự bức xạ này là

𝑇𝑟 =1

2𝑚𝑒𝑣𝑝2 =𝑇𝑚

4 , với 𝑣𝑝 là vận tốc hạt tới, Tr là động năng trong hệ quy chiếu hạt tới của electron mà trong hệ quy chiếu bia nó là tự do và ở trạng thái nghỉ Tiết diện quá trình này đáng kể khi vận tốc hạt tới lớn hơn nhiều vận tốc electron trong nguyên tử bia và electron được xem là tự do và ở trạng thái nghỉ

Quá trình AB xảy ra khi electron liên kết của nguyên tử bia bị kích thích lên trạng thái liên tục bởi hạt tới và trở lại trạng thái liên kết ban đầu, phát xạ một photon

20

Sự đóng góp tương đối của các bức xạ hãm QFEB, SEB, AB vào phông bức

xạ hãm electron được mô tả trong Hình 1.8 Từ hình vẽ ta thấy bức xạ hãm AB chiếm ưu thế trong phần năng lượng cao của phổ (vùng năng lượng lớn hơn Tm), trong khi đó bức xạ hãm QFEB chiếm ưu thế tại những năng lương photon thấp (nhỏ hơn Tr) Cả hai đại lượng Tr, Tm tăng tuyến tính cùng với sự tăng năng lượng hạt tới Ep

Hình 1.8 Sự đóng góp tương đối của các bức xạ QFEB, SEB, AB vào phông

là bức xạ hãm proton Cường độ bức xạ hãm tỷ lệ với bình phương gia tốc nghĩa là

tỷ lệ với (F/m) trong đó F là lực điện từ, m là khối lượng hạt tới Vì lực Coulomb

21

của electron và proton là giống nhau nhưng có khối lượng khác nhau (mp≈1836me), nên bức xạ hãm của proton có cường độ nhỏ hơn bức xạ hãm của electron là 1/(1836)2 lần

Tiết diện bức xạ hãm proton được tính như sau [8]:

2 (1.26) Trong đó: cxấp xỉ là hằng số;Zp, Ep, Ap là nguyên tử số, năng lượng, khối lượng nguyên tử của hạt tới; Z, A là nguyên tử số, khối lượng nguyên tử của bia; Ex

là năng lượng bức xạ hãm Cường độ bức xạ hãm giảm chậm và phụ thuộc vào năng lượng Ep và Ex

c) Phông bức xạ gamma (γ)

Một hạt tích điện tham gia vào phản ứng hạt nhân với nguyên tử bia sau đó

có thể phát ra tia gamma Phông bức xạ gamma phụ thuộc vào các nguyên tố có sẵn trong bia và tiết diện phản ứng của chúng Phông này làm tăng phần đuôi năng lượng cao trong nền phổ liên tục do tán xạ Compton Số bức xạ gamma được tạo ra phụ thuộc vào thành phần của bia Trong PIXE phản ứng hạt nhân xảy ra ở các nguyên tố nhẹ có Z<20 Sự phát ra tia gamma thường được phát hiện trong mẫu sinh học và mẫu môi trường Folk và các đồng nghiệp của ông đã chỉ ra rằng phổ tia gamma tăng nhanh khi sử dụng hạt tích điện nặng

d) Phông do hiệu ứng bia không dẫn điện

Đối với mẫu dầy cách điện có thể tích điện tới hàng chục kV do chùm tia tới mang điện tích Khi đó electron sinh ra trên bề mặt mẫu được gia tốc ngược trở lại mẫu, sinh ra phông cao năng lượng tia X lên tới vài chục keV

1.2.7.2 Giới hạn phát hiện

Giới hạn phát hiện là hàm lượng nhỏ nhất của một nguyên tố có thể phát hiện được Từ các hiểu biết về tiết diện tạo tia X, tiết diện tạo phông, tỷ số giữa diện tích đỉnh tia X đặc trưng so với phông dưới đỉnh, có thể đánh giá được giới hạn phát hiện nguyên tố trong mẫu Trong phân tích PIXE, một nguyên tố được xem là phát

23

CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁPTHỰC NGHIỆM

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của Luận văn này là xác định hàm lượng một số kim loại nặng trong rau xanh bằng phương pháp PIXE sử dụng máy gia tốc Tandem Pelletron 5SDH-2 đặt tại Trường Đại học Khoa học tự nhiên (HUS)

Trong khuôn khổ của Luận văn tác giả lựa chọn ba loại rau phổ biến: rau cải xanh, rau muống, rau cải bắp Các mẫu rau được thu thập tại ba khu vực thuộc địa bàn thành phố Hà Nội: quận Đống Đa, quận Hà Đông, quận Bắc Từ Liêm

2.2 Thiết bị và hệ phân tích PIXE

2.2.1 Máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron

Thiết bị gia tốc chùm proton được sử dụng trong khuôn khổ luận văn là máy gia tốc Pelletron 5SDH2 Đây là loại máy gia tốc tính điện kép (Tandem), được sản xuất tại hãng National Electrostatics Corporation-USA Đây là máy gia tốc tĩnh điện hiện đại, lần đầu tiên đặt tại Việt Nam Máy có điện áp gia tốc cực đại là 1.7 MV,

do đó có thể gia tốc ion điện tích đơn (proton) lên năng lượng 3.4 MeV, ion điện tích kép lên 5.1 MeV Cấu tạo máy gia tốc 5SDH-2 PELLETRON như được mô tả trong Hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo hệ máy gia tốc5SDH-2 Pelletron

24

2.2.1.1 Nguồn ion

Để phù hợp với mục đích sử dụng, máy gia tốc 5SDH-2PELLETRON có 2 nguồn phát chùm tia với cơ chế khác nhau

a) Nguồn RF(radio frequency)

Dùng để tạo ra ion H và He cho các hệ phân tích Khí He (hoặc H) được phun vào bình phóng điện thạch anh qua 1 van định lượng để duy trì áp suất cỡ 10-

15 μTorr Máy tạo dao động cao tần RF sẽ tạo ra trạng thái plasma ở trong ống thạch anh, được tăng cường bằng nam châm solenoid Thế một chiều được áp dọc theo chiều của plasma và gia tốc để chúng đi qua lỗ nhỏ bằng vật liệu thích hợp, sau

đó đi qua buồng trao đổi điện tích Ở đây các ion He (hoặc H) trạng thái tích điện dương được trung hòa bởi Rb Một số nguyên tử He sẽ trải qua hai lần trao đổi điện tích vì trạng thái điện tích âm

b) Nguồn SNICS (Source of Negative Ions by Cecium Sputtering)

Cho phép tạo ra các ion từ Hydrogen(H) đến Bismuth(Bi) để gia tốc Hơi Cs

đi vào diện tích kín giữa catot lạnh và bề mặt ion hóa nóng Một số Cs ngưng tụ trên

bề mặt catot, một số ion hóa trên bề mặt nóng Cs ion hóa gia tốc tới catot gây phún

xạ các hạt từ catot qua lớp Cs ngưng tụ Một số vật liệu có thể phún xạ ion âm, số khác có thể phún xạ hạt tích điện dương hoặc trung hòa, các hạt này sẽ bắt thêm các electron khi chúng đi qua lớp Cs ngưng tụ và tạo thành ion âm

2.2.1.2 Buồng gia tốc chính

Buồng gia tốc 5SDH-2 Pelletron là loại buồng gia tốc tĩnh điện 1.7 triệu Volt, có khả năng gia tốc nhiều loại ion khác nhau trong một khoảng năng lượng rộng với, ứng dụng trong các phân tích bằng tán xạ ngược Rutherford (RBS), PIXE, cấy ghép ion và các thí nghiệm vật lý hạt nhân

Buồng gia tốc chính bao gồm:Buồng chứa và các bộ phận liên quan, hệ thống truyền dẫn khí SF6,hệ chân không, ống gia tốc, hệ thống tước electron (stripping system), hệ thống nạp điện, Vôn kế phát

25

Khi chùm ion âm được tạo ra, chúng sẽ đi vào vùng năng lượng thấp của máy gia tốc, các ion âm bị hút bởi điện áp dương lớn ở tâm máy, do đó chúng được gia tốc

Khi đến điểm giữa buồng gia tốc, các ion âm đi qua một thiết bị gọi là “bộ tước” và trở thành ion dương Khi đó, nó được cao thế dương ở tâm máy tác động lực đẩy trôi về tầng gia tốc thứ hai của buồng gia và do đó được gia tốc lần nữa

2.2.1.3 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, thiết bị đo 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

2.2.2 Buồng phân tích và bố trí thí nghiệm

Bố trí thí nghiệm cũng như buồng phân tích của hệ phân tích PIXE trên hệ máy gia tốc được mô tả trên Hình 2.2, Hình 2.3 Các phần chính bao gồm: 1 collimator, 1buồng phân tích, 1 detector và lồng Faraday

Hình 2.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm

hệ điều khiển vị trí (manipulator) sử dụng các mô tơ bước cho phép dịch chuyển theo 5 phương tự do (X, Y, Z, xoay quanh trục X và xoay quanh trục Z) Giá để mẫu được nối trực tiếp với bộ đếm dòng cho phép xác định được điện tích tổng cộng trên mẫu, từ đó xác định được số lượng hạt tới mẫu Ngoài ra buồng chiếu cũng được cách điện hoàn toàn và nối trực tiếp với bộ đếm dòng để thu được toàn

bộ điện tích tổng cộng trên mẫu

* Detector

Detector tia X được sử dụng trong hệ phân tích thuộc loại Sillicon Drift Detector (SDD) của hãng e2v 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) 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

27

Tia X đặc trưng tới detector từ mẫu phân tích đi qua cửa sổ mỏng của detector được làm bằng vật liệu 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 vào tiền khuếch đại, qua thiết bị khuếch đại sau đó

đi tới bộ phân tích biên độ đa kênh (MCA) được ghép với máy tính Phổ PIXE được ghi nhân và phân tích trên máy tính với các phần mềm chuyên dụng như GUPIX, RC43 (NEC)

* Tấm lọc

Trong phân tích PIXE, tấm lọc thường được sử dụng để loại bỏ các tia X không mong muốn Việc lựa chọn tấm lọc có độ dày thích hợp có thể làm giảm cường độ tia X của các nguyên tố chính trong ma trận mẫu, làm suy giảm vùng năng lượng thấp của phổ, không ảnh hưởng nhiều đến vùng năng lượng cao cho các nguyên tố vết cần quan tâm Ngoài ra, tấm lọc có thể được sử dụng để ngăn chùm hạt tán xạ tới detector (có thể làm hỏng detector do tương tác của các hạt này với cửa sổ mỏng của detector) Các vật liệu được chọn làm tấm lọc thường có Z thấp Tùy vào mục đích sử dụng mà dùng loại tấm lọc cho phù hợp

Đối với tấm lọc Mylar ta có thể sử dụng công thức dưới đây để tính toán hiệu suất truyền qua T (transmission) của tia X với năng lượng tương ứng Ex có đơn vị keV [12]:

𝑇 = exp⁡(−470.17𝑥𝐸𝑥2.9897) (2.1) trong đó x là độ dày của tấm lọc tính theo đơn vị mm

2.3 Phân tích mẫu dày bằng kỹ thuật PIXE

Trong Luận văn này chúng tôi xây dựng các bước phân tích mẫu rau sử dụng phương pháp phân tích mẫu dày

2.3.1 Chuẩn bị mẫu

* Thu thập mẫu:

Các mẫu rau được chọn nghiên cứu: rau muống, rau cải xanh, cải bắp Mẫu rau được thu thập tại ba khu vực thuộc địa bàn thành phố Hà Nội: quận Đống Đa, quận Hà Đông, quận Bắc Từ Liêm Khối lượng mỗi mẫu: 0,5 kg