Phân tích nguyên tố dựa vào phổ tán xạ ngược Rơdơpho(RBS) trên máy gia tốc tandem pelletron 5SHD 2 đại học khoa học khoa học tự nhiên

Mẫu nguyên tử của ThomsonNếu dựa trên mẫu nguyên tử của Thomson trong nguyên tử các protontích điện dương phân bố đều trên toàn bộ nguyên tử có dạng hình cầu, còn cácelectron phân bố đan

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA VẬT LÝ

Nguyễn Thế Bình

PHÂN TÍCH NGUYÊN TỐ DỰA VÀO PHỔ TÁN XẠ NGƯỢC RƠDƠPHO (RBS) TRÊN MÁY GIA TỐC TANDEM PELLETRON 5SDH-2 ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2013

Chuyên nghành: Vật lý nguyên tử

Mã số: 60440106

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS BÙI VĂN LOÁT

Hà Nội – Năm 2013

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS.TS Bùi Văn Loát – Bộ môn Vật lý hạt nhân, khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ để em hoàn thành bản luận văn này.

Đồng thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.S Nguyễn Thế Nghĩa, Th.S Vi Hồ Phong Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên đã luôn ủng hộ, tạo điều kiện cho

em trong thời gian làm thực nghiệm tại phòng máy gia tốc.

Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô tham gia giảng dạy lớp Cao Học Vật Lý, khóa học 2011 – 2013, đã giảng dạy cho chúng em trong suốt quãng thời gian chúng em học tập.

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã luôn bên cạnh, động viên, giúp em vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành được đề tài này.

Mặc dù đã rất nỗ lực cố gắng, song, chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, bổ sung của thầy cô, các anh chị và các bạn.

Hà Nội, tháng 12 năm 2013

Học viên

Nguyễn Thế Bình

LVTS VLNT 2013

DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ Danh mục bảng biểu

Kết quả mô phỏng của mẫu chuẩn.

Kết quả mô phỏng của mẫu số 1 Kết quả mô phỏng của mẫu số 2

Mẫu nguyên tử của Rutherford

Sơ đồ tán xạ của hạt alpha

Quá trình tán xạ đàn hồi trong hệ quy chiếu phòng thí nghiệm.

Phổ tán xạ ngược của mẫu chuẩn Au-Cu trên hệ phân tích RBS trên máy gia tốc 5SHD – Pellectron của Bộ môn Vật lý hạt nhân.

Quá trình tán xạ tại bề mặt và tại độ sâu t đều dẫn tới ion bay về detector.

Nguồn tạo ion dương RF.

Buồng gia tốc chính.

Nam châm chuyển kênh.

Buồng chiếu mẫu.

Thanh công cụ SIMNRA.

Phổ mẫu chuẩn năng lượng.

Chuẩn năng lượng bằng phần mềm origin.

Mô phỏng mẫu chuẩn sử dụng SIMNRA.

Đỉnh đồng và đỉnh vàng trong phổ mẫu chuẩn.

Phân bố nồng độ nguyên tố theo độ sâu của mẫu chuẩn Phổ thực nghiệm và mô phỏng của mẫu số 1.

LVTS VLNT 2013

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 9

Chương I PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NGUYÊN TỐ DỰA TRÊN TÁN XẠ NGƯỢC RUTHERFOR 12

1.1 Hiệu ứng tán xạ ngược Rutherford 12

1.1.1.Bố trí thí nghiệm 12

1.1.2 Phân bố góc tán xạ 13

1.1.3 Mẫu nguyên tử của Rutherford 15

1.1.4 Tham số tán xạ ngược 15

1.2 Những ứng dụng của hiệu ứng tán xạ ngược 17

1.2.1 Nhận diện các nguyên tố trong bia - Hệ số động học tán xạ ngược 17 1.2.2 Phân tích định lượng - Tiết diện tán xạ vi phân 21

1.2.3 Phân tích bề dày mẫu - Độ hao phí năng lượng 22

Chương II THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 27

2.1 Máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron 27

2.1.1 Nguồn ion 28

2.1.2 Buồng gia tốc chính 29

2.1.3 Hệ chân không 31

2.1.4 Các bộ phận hội tụ, điều chỉnh chùm tia 31

2.1.5 Kênh phân tích 32

2.1.6 Hệ detector 33

2.1.7.Phần mềm điều khiển máy gia tốc AccelNET 34

2.1.8 Phần mềm cho MCA (MAESTRO) 34

2.1.9 Phần mềm thu thập dữ liệu định tính RC43 34

2.2 Phần mềm phân tích SIMNRA 35

2.2.1 Giới thiệu chung 35

2.2.2 Sử dụng SIMNRA 35

2.3 Thực nghiệm chiếu mẫu và ghi nhận phổ RBS 37

2.3.1 Vận hành nguồn RF 37

2.3.2.Vận hành buồng gia tốc chính 39

2.3.3 Vận hành buồng phân tích RC43 41

2.3.4 Quá trình thay mẫu 43

2.3.5 Quá trình chiếu mẫu và thu thập dữ liệu 44

Chương 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM. 46

3.1 Xây dựng đường chuẩn năng lượng 46

3.2 Phân tích hàm lượng các nguyên tố theo phương pháp RBS 50

3.2.1 Kết quả phân tích mẫu chuẩn 50

3.2.2 Kết quả phân tích mẫu số 1 54

3.2.3 Kết quả phân tích mẫu số 2 56

3.3 Kết luận 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

LVTS VLNT 2013

M Đ U Ở ĐẦU ẦU

Sự ra đời và phát triển của các phương pháp phân tích hạt nhân gắn liềnvới những thành tựu của Vật lý và kỹ thuật hạt nhân hiện đại Ngày nay cácphương pháp phân tích hạt nhân đã khẳng định được vị trí cao của mìnhtrong lĩnh vực phân tích vì chúng có những ưu điểm như độ nhạy và độ chínhxác cao, tốc độ phân tích nhanh, mẫu phân tích không bị phá hủy và có thểtiến hành phân tích đồng thời nhiều nguyên tố Trong điều kiện kỹ thuật chophép các phương pháp hạt nhân còn có thể tự động hóa được toàn bộ quytrình phân tích Đây là một ưu điểm mà nhiều phương pháp phân tích kháckhông có được[1]

Hiện nay, có 5 phương pháp phân tích hạt nhân cơ bản Mỗi phươngpháp có khả năng đáp ứng được những yêu cầu khác nhau như: [1]

- Phương pháp phân tích kích hoạt hạt nhân

- Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X

- Phương pháp phân tích Urani

- Phương pháp phân tích dựa trên hiệu ứng tán xạ ngược Rơdơpho (RBS)

Bản khóa luận trình bày về một trong 5 phương pháp, đó là: Phươngpháp phân tích dựa trên hiệu ứng tán xạ ngược Rơdơpho(RBS)

phương pháp RBS sẽ cho độ phân giải khối lượng cao hơn trong trường hợp sử

Ứng dụng phổ biến nhất của phương pháp phân tích RBS là xác địnhthành phần và hàm lượng các nguyên tố ở gần lớp bề mặt của mẫu Mộthướng ứng dụng khác là nghiên cứu sự phân bố của các nguyên tố theo chiềusâu, ví dụ xác định bề dày của các màng mỏng kim loại như Au, Ta, Co và cácmàng mỏng đioxit trên các đế Silic

Tất cả quá trình thực nghiệm đều được tiến hành trên hệ máy gia tốc5SHD-2 Pelletron thuộc Bộ môn Vật lý hạt nhân , Khoa Vật Lý, Trường Đại họcKhoa Học Tự Nhiên- ĐHQGHN

Phần nội dung chính của khóa luận được trình bày trong 3 chương:

- Chương 1: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NGUYÊN TỐ DỰA TRÊN TÁN XẠ NGƯỢC RƠDƠPHO

- Chương 2: THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

LVTS VLNT 2013

Ch ương I PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NGUYÊN TỐ DỰA ng I PH ƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NGUYÊN TỐ DỰA NG PHÁP PHÂN TÍCH NGUYÊN T D A Ố DỰA ỰA

TRÊN TÁN X NG Ạ NGƯỢC RUTHERFOR ƯỢC RUTHERFOR C RUTHERFOR

1.1 Hiệu ứng tán xạ ngược Rutherford

Thí nghiệm tán xạ ngược Rutherford được thực hiện bởi Hans Geiger vàErnest Marsden năm 1909 dưới sự chỉ đạo của nhà vật lý người New Zealand

là Ernest Rutherford Và Rutherford giải thích kết quả thu được vào năm

1911, khi họ bắn phá các hạt tích điện dương nằm trong nhân các nguyên tử(ngày nay gọi là hạt nhân nguyên tử) của lá vàng mỏng bằng cách sử dụngchùm tia alpha phát ra từ nguồn RaC

1.1.1.Bố trí thí nghiệm

Hình 1.1 Sơ đồ thí nghiệm phát hiện ra hạt nhân nguyên tử của Rutherford

Bắn một chùm hạt alpha vào lá vàng mỏng đặt trong buồng chân không Quansát các hạt alpha sau khi tương tác với lá vàng bằng cách đếm các chớp sáng

LVTS VLNT 2013

xuất hiện khi các hạt alpha đập vào màn sunfua kẽm ZnS Kết quả thí nghiệmchỉ ra rằng phần lớn các hạt alpha đi thẳng Nhưng có những hạt alpha tán xạ ởnhững góc lớn, thậm chí có hạt tán xạ với góc tán xạ gần 1800. (tán xạ ngược)

1.1.2 Phân bố góc tán xạ

Bằng sơ đồ thí nghiệm tinh vi Rutherford và cộng sự đã xây dựng được

đồ thị mô tả phân bố số hạt tán xạ theo góc tán xạ hình 1.2

Hình 1.2 Phân bố góc hạt alpha theo góc tán xạ Trục tung theo thang

logarit [2].

Hình 1.3 Mẫu nguyên tử của Thomson

Nếu dựa trên mẫu nguyên tử của Thomson trong nguyên tử các protontích điện dương phân bố đều trên toàn bộ nguyên tử có dạng hình cầu, còn cácelectron phân bố đan xen trong quả cầu thì xác suất của hạt alpha tán xạ trên lávàng với góc tới lớn hơn 900 là cực kỳ nhỏ (khoảng 10-3500) Tuy nhiên, trongkết quả thu được trên thí nghiệm Rutherford lại lớn hơn rất nhiều (1/8000).Rutherford cho rằng một thành phần tích điện dương trong nguyên tửvàng phải có thể tích nhỏ nhưng rất nặng → Ông gọi đó là hạt nhân nguyên tử

Hình 1.4 Mẫu nguyên tử của Rutherford

LVTS VLNT 2013

1.1.3 Mẫu nguyên tử của Rutherford

Năm 1911, Rutherford đề xuất nguyên tử hành tinh nguyên tử Nguyên

tử gồm có hạt nhân tích điện dương, và các electron quay xung quanh hạtnhân Hạt nhân ở tâm nguyên tử và có kích thước rất nhỏ (bán kính nhỏ hơnbán kính nguyên tử từ đến 100000 lần ) nhưng chứa toàn bộ điện tích dương

và trên 99% khối lượng nguyên tử Các electron chuyển động xung quanh hạtnhân và liên kết với hạt nhân bằng lực Coulomb

"Mẫu hạt nhân nguyên tử" và sự phù hợp với thí nghiệm Geiger-Marsden:

- Khi nhìn từ tia tới sẽ thấy tất cả các hạt nhân nguyên tử chỉ là những chấmnhỏ (như sao trời), tức là có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng => Cómột số hạt alpha đi qua được "mạng lưới" hạt nhân

- Mặt khác, khi hạt alpha chuyển động càng gần hạt nhân bao nhiêu thì sẽ bị lực đẩy Coulomb làm lệch một góc lớn bấy nhiêu (Hiện tượng tán xạ)

- Một số ít hạt alpha chuyển động theo hướng xuyên tâm đối với hạt nhân sẽ

bị bật ngược trở lại (do lực đẩy Coulomb) với góc xấp xỉ bằng 180 độ

Mẫu nguyên tử Rutherford đã giải thích được bản chất của hiện tượngtán xạ ngược do ông và các cộng sự phát hiện ra Hiệu ứng này còn gọi là hiệuứng tán xạ ngược Rutherford

1.1.4 Tham số tán xạ ngược

Khi hạt alpha bay đến hạt gần hạt nhân tùy thuộc vào khoảng cách b từhạt nhân tới quỹ đạo của hạt alpha bay tới mà nó tán xạ với góc tán xạ khácnhau Để xác định b từ hạt nhân kẻ đường vuông góc với quỹ đạo của hạtalpha bay tới (Hình 1.5) Khoảng cách từ hạt nhân tới quỹ đạo của hạt alphatới được gọi là tham số tham số tác động b Trong [1,3,4] đưa ra biểu thứcliên hệ giữa góc tán xạ và tham số tác động b, theo công thức sau:

Trong đó o là hằng số điện, E0 là năng lượng tới của hạt alpha, Z2 là điện

tích của hạt nhân còn b là tham số tán động tán xạ ngược, Với góc tán xạ

cho trước, tham số tán xạ ngược được xác định theo công thức:

b

Z 2 e2

cotg

Hình 1.5 Sơ đồ tán xạ của hạt alpha

Với hạt nhân bia cho trước, năng lượng hạt alpha tới là E0 xác định, khi

tham số tán xạ càng nhỏ thì góc tán xạ càng lớn Khi tham số tán xạ b =0 góc

tán xạ tương ứng với va chạm trực diện hạt alpha tán xạ góc 180 0

.

Góc tán xạ lớn khi năng lượng hạt alpha nhỏ và hạt alpha tán xạ trên hạt

nhân bia có điện tích lớn

LVTS VLNT 2013

1.2 Những ứng dụng của hiệu ứng tán xạ ngược

Trong các bài toán ứng dụng của hiệu ứng tán xạ ngược, chùm ion được

sử dụng có năng lượng nhỏ hơn ngưỡng của phản ứng hạt nhân Khi đi trongbia ion tới sẽ tương tác Coulomb không đàn hồi với hạt nhân và electron củanguyên tử bia truyền động lượng cho nguyên tử kết quả năng lượng của cácion giảm dần Căn cứ vào đặc điểm suy giảm của năng lượng ion phụ thuộcvào khối lượng của hạt nhân bia và chiều sâu tính từ bề mặt tới hạt nhân gâytán xạ, hiện tượng tán xạ ngược có những ứng dụng khác nhau Cụ thể căn cứvào năng lượng của ion tán xạ có thể nhận diện được các nguyên tố có trongmẫu, còn căn cứ vào tiết diện tán xạ theo góc tới detectơ biết được số hạtnhân nguyên tử gây tán xạ trên từng lớp vật chất, còn căn cứ vào độ tiêu tánnăng lượng của ion trên đường đi biết bề chiều sâu của lớp vật chất chứanguyên tử gây tán xạ

1.2.1 Nhận diện các nguyên tố trong bia - Hệ số động học tán xạ ngược

Xét va chạm của ion tới có khối lượng m1, điện tích z1 và năng lượngban đầu E0 tới tương tác với hạt nhân bia có khối lượng m2 và điện tích Z2 Dotương tác ion tới truyền xung lượng của mình cho hạt nhân nguyên tử gâytán xạ ngược Sau mỗi lần tương tác ion tán xạ mất năng lượng của mình.Phần năng lượng của ion mất mát sau mỗi lần tùy thuộc vào khối lượng m1của ion tới và khối lượng của hạt nhân bia m2 Với ion tới có năng lượng xácđịnh là E0, sau tán xạ năng lượng của ion là E1 Tùy theo tham số tán xạ b,hay góc tán xạ năng lượng E1 có giá trị xác định Đại lượng K( ) được xác địnhtheo công thức:

K ( )

E

1

Eo

Đại lượng K được gọi là hệ số động học, trong công thức E0 và E1 chính

là năng lượng của ion trước và sau khi tán xạ Do động năng của ion tới nhỏphản ứng hạt nhân không xảy ra, va chạm giữa ion tới và hạt nhân bia là vachạm đàn hồi Từ định luật bảo toàn động lương và định luật bảo toàn nănglượng mà trong trường hợp này bảo toàn động năng tính được động lượngcủa ion tán xạ, từ đó tính được năng lượng E1 của ion tán xạ, theo biểu thức(1.3) xác định được hệ số động học

Xác định hệ số động học:

Quá trình tương tác của ion tới với hạt nhân bia được thể hiện qua hình1.6

Hình 1.6 Quá trình tán xạ đàn hồi trong hệ quy chiếu phòng thí nghiệm.

Khi chùm ion có khối lượng m1 , điện tích Z1 ,vân tốc v10 và năng lượng

E10 tới va chạm với nguyên tử của bia ở trạng thái dừng có khối lượng m2,điện tích Z2 thì ion sẽ truyền xung lượng cho nguyên tử bia Giả sử nănglượng của ion tới thấp hơn năng lượng ngưỡng của phản ứng hạt nhân nên

LVTS VLNT 2013

sẽ không xảy ra phản ứng hạt nhân trong quá trình tương tác, sau va chạm

ion bị lệch một góc θ (góc tán xạ), nguyên tử bia bị giật lùi (recoil) một góc ϕ

Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có:

m v 2 m v 2 m v2

(a)

Định luật bảo toàn động lượng:

+ Theo ox ta có: m1 v0 m1 v1 cos m2 v2 cos (b)

+ Theo oy ta có: 0 m1 v1 sin m2 v2 sin (c)

Gọi K là hệ số động học, sau một số biến đổi từ (a), (b), (c) ta có:

đó hệ số động học K( ) chỉ là hàm của khối lượng hạt nhân bia gây tán xạ Vớihạt nhân gây tán xạ xác định thì hệ số động học xác định và năng lượng iontán xạ E1k( )E o là hoàn toàn xác định Điều này có nghĩa khi chiếu vào mẫuchùm ion có năng lượng E0 xác định, với hình học đo xác định, các hạt ion tán

xạ trên hạt nhân bia khối lượng khác nhau sẽ có năng lượng E1 khác nhau vàbay tới detector

Hình 1.7 Phổ tán xạ ngược của mẫu chuẩn Au-Cu trên hệ phân tích RBS

trên máy gia tốc 5SHD-2 Pellectron của Bộ môn Vật lý hạt nhân

Căn cứ vào phổ năng lượng của ion tán xạ bay tới detector mà thiết bị

ghi nhận được hay nói cách khác dựa vào phổ RBS sẽ biết trong bia có những

nguyên tố nào Đây chính là cơ sở vật lý của việc nhận diện đồng thời các

nguyên tố có trong mẫu Hình 1.7 là dạng phổ RBS của một mẫu chuẩn gồm

có nguyên tố đồng và vàng trên bề mặt đế là Polystyrene (C8-H8)

Hệ phân tích RBS trên máy gia tốc 5SHD – Pellectron của Bộ môn Vật lý

hạt nhân chọn góc đo 170 0

Trong bảng số 1.1 đưa ra hệ số động học và năng

lượng của ion tán xạ trên một số hạt nhân bia ứng chùm ion tới He2+ nănglượng E0 = 2428 keV, được sử dụng trong luận văn này.

Bảng 1.1 Hệ số động học K và năng lượng của ion tán xạ trên một số hạt nhân bia

Nguyên tố bia Khối lượng Hệ số tán xạ K Năng lượng ion tán

1.2.2 Phân tích định lượng - Tiết diện tán xạ vi phân

Căn cứ vào hệ số động học tán xạ ngược biết trong bia có nguyên tố

nào, để có thể xác định được hàm lượng của các nguyên tố cần phải biết

được số hạt ion tán xạ ngược trên từng nguyên tố bay về detector muốn vậy

cần biết xác suất để hạt ion tán xạ trên mỗi nguyên tố bay vào detector

Xét một hạt nhân tán xạ có trên bia, tổng số ion tán xạ ngược do nó gây

ra bay về hướng detector tỷ lệ thuộc với số nguyên tử gây tán xạ, tỷ lệ với

tổng số ion bay tới bia, tỷ lệ với tiết diện tán xạ và góc khối mà bia nhìn

detector Mặt khác tổng số nguyên tử của nguyên tố quan tâm Nx có trong

bia tỷ lệ với mật độ nguyên tử No của nguyên tố đó và bề dày t của bia Trong

Tiết diện vi phân theo góc và do đó tiết diện tán xạ ngược tỷ lệ với bìnhphương nguyên tử số của hạt nhân bia Như vậy hiệu suất tán xạ ngược củanguyên tố nặng cao hơn nhiều so với nguyên tố nhẹ.

1.2.3 Phân tích bề dày mẫu - Độ hao phí năng lượng

Giả sử chùm ion bắn phá vào bia có năng lựng E0 khi bi tán xạ trên bềmặt ion tán xạ có năng lượng là E1k ( ).E o , trong đó hệ số động học k đượcxác định theo biểu thức (1.4) Trên thực tế bia có bề dày nào đó, như đã biết

đa số các ion sẽ đâm xuyên vào trong bia, trên đường đi các ion sẽ mất dầnnăng lượng của mình chủ yếu do tương tác Coulomb không đàn hồi với cácelectron của nguyên tử môi trường Độ mất mát năng lượng của ion được

đánh giá bằng tốc độ mất mát năng lượng hay độ mất năng năng lượng riêng

trên một đơn vị đường đi Có thể đánh giá độ mất mát năng lượng riêng của

ion do tương tác với các electrôn của nguyên tử môi trường, bằng cách sử

dụng gần đúng bán cổ điển Borh Bằng cách sử dụng gần đúng bán cổ điển

Borh có tính đến các hiệu ứng tương đối tính, Bethe [1] đã đưa ra công thức

xác định độ mất mát năng lượng của hạt nặng tích điện trên một đơn vị

đường đi trong vật chất có dạng sau:

Trong đó: dE là năng lượng mất mát của hạt nặng tích điện trên quãng

đường dx; còn z, Z là điện tích của hạt tích điện và nguyên tử số của môi

trường; N là mật độ nguyên tử của môi trường; m là khối lượng nghỉ của

electrôn; v là vận tốc của hạt tích điện, còn v

là vận tốc tương đối của

c

hạt tích điện; I thế năng ion hóa trung bình của nguyên tử môi trường Giả sử

hình học chiếu mẫu như hình 1.8 chùm hạt ion chiếu tới mẫu với góc 1 Ion

tán xạ trên hạt nhân có khối lượng M2 trên bề mặt sẽ có năng lượng E1 =kE0

Một ion khác đi sâu vào trong bia ở độ sâu t gặp hạt nhân của cùng nguyên tố

( cũng khối lượng m2) tán xạ ngược lại bay về hướng detector Hai ion này

bay về detector có năng lượng khác nhau, hay chùm ion đi bay vào detector

có độ tán mạn hay độ nhòe nào đó Căn cứ vào độ nhòe đỉnh phổ năng lượng

ion tán xạ biết được bề dày t

LVTS VLNT 2013

Hình 1.8 Quá trình tán xạ tại bề mặt và tại độ sâu t đều

dẫn tới ion bay về detector [4]

Để xác định độ nhòe hay độ rộng của chùm ion tán xạ bay về detector ta

đi tính năng lượng của chùm ion tán xạ ở độ sâu t Trước khi tán xạ ở độ sâu t

t

chùm ion đã đi quãng đường d

1 cos 1 .

Với bề dày t nhỏ coi độ mất mát

năng lượng riêng không đổi nên độ mất mát năng lượng của chùm ion trướctán xạ tỷ lệ thuận với quãng đường d1 Độ mất mát năng lượng dE1 của chùmion trên quãng đường d1 được tính theo công thức sau:

Năng lượng của chùm ion trước khi tán xạ trên hạt nhân bia ở bề dày t

là E10 được xác định theo công thức sau:

mất mát một năng lượng dE2 được xác định theo công thức sau:

t dE t dE

c os 1 dx E E 0 c os 2 dx E kE10

Trong đó E10 là năng lượng của chùm ion trước khi tán xạ trên hạt nhân

bia ở độ sâu t Đại lượng

lượng của chùm ion trên đoạn được đi vào bia với năng lượng của chùm ion

ban đầu là E0 và tốc độ mất mát năng lượng của chùm ion tán xạ quay lại bề

mặt bia với năng lượng ban đầu là kE10

Hiệu năng lượng của hai chùm ion tán xạ trên bề mặt và ở độ sâu t là E

được xác định theo công thức sau:

Với mỗi thí nghiệm giá trị S là xác định, dựa vào bề rộng năng lượng

của chùm ion bay tới bia E được xác định dựa vào phổ tán xạ RBS suy ra bềdày t

Ch ương I PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NGUYÊN TỐ DỰA ng II THI T B VÀ PH ẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM Ị VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NGUYÊN TỐ DỰA NG PHÁP TH C NGHI M ỰA ỆM

Như đã trình bày ở trên, RBS là phương pháp được sử dụng rộng rãi đốivới các phân tích lớp bề mặt gần của chất rắn, cụ thể là cho biết sự phân bố

và thành phần của các nguyên tố theo chiều sâu của chất rắn Kích cỡ tối ưucủa mẫu chất rắn là 1cmx1cmx1mm Phương pháp này có thể được ứng dụngtrong nhiều lĩnh vực như : địa chất, khoáng vật, sinh học, y học, khoa học môitrường …

2.1 Máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron

Thực nghiệm được tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trên hệ máy giatốc 5SDH-2 Pelletron, thuộc Bộ môn Vật lý hạt nhân, Khoa Vật lý, Trường Đạihọc Khoa học tự nhiên-ĐHQGHN, cùng với các hệ điện tử liên đới Trong luậnvăn này chùm ion sử dụng là chùm ion helium Trong quá trình chiếu mẫu và

đo phổ RBS đều được tự động bằng các phần mềm điều khiển, phần mềmthu nhận đi kèm do nhà sản xuất cung cấp Tất cả được trình bày chi tiếttrong các phần dưới đây

Hệ máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron gồm có các bộ phận chính như sau:

+ Buồng gia tốc chính

+ Nguồn tạo ion dương RF:Tại đây khí heli được phun vào bình phóng điệnthạch anh qua một van định lượng để duy trì áp suất cỡ 10-50µTorr Một máy tạo daođộng sẽ tạo ra trạng thái plasma ở trong bình cho khí heli, được tăng cường bằng namchâm solenoid Thế một chiều được áp dọc theo chiều của plasma có tác dụng tách cácion dương ra khỏi plasma và gia tốc để chúng đi qua ống Ta, sau đó đi vào buồng traođổi điện tích.

+ Buồng trao đổi điện tích: Ở đây các ion He+ được trung hòa bởi hơi Rb Mộtvài nguyên tử He nhanh sẽ trải qua hai lần trao đổi điện tích rồi trở thành He- Bởi vậy

sẽ xuất hiện các phần tử Heo 100-200 pμA và HeA và He- 1-4 μA và HeA

2.1.2 Buồng gia tốc chính

Buồng gia tốc chính là loại buồng gia tốc tĩnh điện 2 triệu volt, có khảnăng gia tốc nhiều loại ion khác nhau trong một khoảng năng lượng rộngtrong phân tích RBS, PIXE, cấy ghép ion và các thí nghiệm vật lý hạt nhân

Buồng gia tốc có cấu trúc cách điện cao, một hệ thống nạp điện tạo rađiện thế lớn, và ống gia tốc được hút chân không trên đường đi của chùm tia

Ở giữa của buồng gia tốc là điện thế đỉnh lớn và hai bên là ống gia tốc năng lượng thấp và ống gia tốc năng lượng cao

LVTS VLNT 2013

Hình 2.2 Buồng gia tốc chính

Nguyên lý hoạt động: Chùm ion âm sinh ra trong các nguồn ion âmđược gia tốc trước để đạt đến một năng lượng trung bình trước khi bay vào5SDH-2Pelletron Chùm tia đi vào vùng năng lượng thấp của máy gia tốc, cácion âm bị hút bởi điện tích dương ở điện thế đỉnh lớn, do đó chúng được giatốc Ở điểm giữa buồng gia tốc, các ion âm đi qua một thiết bị gọi là “bộtước” ở đó chúng được “tước bỏ” hai hoặc nhiều electron và biến thành cácion dương Khi các ion dương này đi ra khỏi bộ tước và trôi về tầng gia tốcthứ hai của buồng gia tốc thì được cao thế dương ở điểm giữa tác động lựcđẩy và do đó được gia tốc một lần nữa

Cấu trúc gia tốc kép này cho phép tăng gấp đôi năng lượng của các ion đơn lẻ

mà đã được gia tốc ở tầng gia tốc thứ nhất, với cùng một điện thế đỉnh, các

ion sẽ mang điện tích +n và năng lượng cuối cùng n 1 e V , với e là

điện tích electron, V là điện thế đỉnh

Ngoài các thành phần cơ bản được đề cập ở trên, 5SDH-2 Pelltron còncác thiết bị ngoại vi khác để điều khiển, điều chỉnh, đo đạc, giữ ổn định cácchức năng gia tốc.Các thành phần kể trên không được trình bày trong phạm

vi khóa luận này

2.1.3 Hệ chân không

Hệ chân không của máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron gồm các bơm turbo,bơm dầu và bộ điều khiển, đo đạc chân không Các bơm turbo đi kèm vớibơm dầu cùng các bộ điều kiển, đo đạc được bố trí ở nguồn RF, ở vùng chùmtia năng lượng thấp, ở vùng chùm tia năng lượng cao, buồng phân tích vàbuồng cấy ghép

2.1.4 Các bộ phận hội tụ, điều chỉnh chùm tia

Các bộ phân hội tụ điều chỉnh chùm tia có thể chia thành ba thànhphần:

+ Phần hội tụ, điều chỉnh chùm tia năng lượng thấp, chủ yếu bằng điệntrường: Các bộ phận thuộc phần này nằm ở trước buồng gia tốc, gồm có: Bộ phận hội tụ

và gia tốc ban đầu ở nguồn RF – Thấu kính khe kép, thấu kính Einzel, bộ phận lái chùmtia trục X-Y

Phần hội tụ, điều chỉnh chùm tia năng lượng cao bao gồm các bộ phận:

Nam châm tứ cực – Thấu kính ghép đôi, bộ phận lái chùm tia trục Y

+ Nam châm phun và nam châm chuyển kênh: Dùng để lái chùm tia theonhững góc nhất định bằng từ trường hướng từ trên xuống dưới Nam châm phun điềuchỉnh hướng chùm tia từ một trong hai nguồn RF và SNICS đi vào vùng chùm tia nănglượng thấp Nam châm chuyển kênh điều chỉnh hướng

+ Khe đơn, khe kép để điều chỉnh độ rộng.

+ Bộ giám sát mặt cắt chùm tia: Bộ điều chỉnh mặt cắt chùm tia Model

BPM-8 là thiết bị để đo phân bố cường độ cũng như vị trí của chùm hạt tích điện Nó có thểđược sử dụng với cả ion âm và dương hay với các electron

+ Van cửa cách ly buồng chiếu

+ Buồng chiếu mẫu: Là một trong những bộ phận chính của hệ máy gia tốc5SDH-2 Pelletron, đáp ứng yêu cầu của các phép phân tích RBS, NRA,