(Dự thảo) Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý nguyên tử và hạt nhân: Nghiên cứu ứng dụng một số phản ứng hạt nhân gây bởi chùm hạt tích điện trên máy gia tốc tĩnh điện trong phân tích

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

Nguyễn Thế Nghĩa

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MỘT SỐ PHẢN ỨNG
HẠT NHÂN GÂY BỞI CHÙM HẠT TÍCH ĐIỆN TRÊN
MÁY GIA TỐC TĨNH ĐIỆN TRONG PHÂN TÍCH
Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân
Mã số: 62 44 05 01

(DỰ THẢO)
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGUYÊN TỬ VÀ HẠT NHÂN

Hà Nội - 2015

Công trình được hoàn thành tại:
Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.

Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. Lê Hồng Khiêm,
PGS.TS. Bùi Văn Loát.

Phản biện: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Phản biện: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Phản biện: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận
án tiến sĩ họp tại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Vào hồi

giờ

ngày

tháng

năm 20...

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
- Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội

2

MỞ ĐẦU
Năm 2011, lần đầu tiên tại Việt Nam đã lắp đặt một máy gia tốc tĩnh điện
5SDH-2 Pelletron, tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia
Hà Nội. Đây là máy gia tốc tĩnh điện hiện đại do hãng National Electrostatics
Corporation (NEC) - Mỹ sản xuất. Máy có khả năng ứng dụng cho nhiều lĩnh
vực nghiên cứu khác nhau, từ vật lý hạt nhân, khoa học vật liệu, môi trường,
sinh học, địa chất… Đây chính là cơ sở để đề tài “Nghiên cứu ứng dụng một số
phản ứng hạt nhân gây bởi chùm hạt tích điện trên máy gia tốc tĩnh điện trong
phân tích” được thực hiện.
Mục đích của đề tài là:
Nghiên cứu ứng dụng một số phản ứng hạt nhân gây bởi chùm hạt tích điện
trên máy gia tốc, cụ thể là ứng dụng để chuẩn hóa năng lượng của máy gia tốc.
Nghiên cứu ứng dụng chùm hạt tích điện trong phân tích, mà cụ thể là
trong phân tích PIXE và RBS.
Như vậy, nội dung chủ yếu của đề tài bao gồm hai phần rõ rệt. Đây là các
nghiên cứu đầu tiên tại Việt Nam trên lĩnh vực này.

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SỬ
DỤNG CHÙM ION TRÊN MÁY GIA TỐC TĨNH ĐIỆN
1.1. Giới thiệu chung
Phương pháp phân tích sử dụng chùm ion (Ion Beam Analysis - IBA) là
dựa vào sự tương tác của các hạt nặng mang điện (chùm ion) với vật chất của
mẫu cần phân tích. Khi một mẫu được bắn phá với một chùm ion năng lượng
trong phạm vi một vài MeV, chúng tương tác với nguyên tử và hạt nhân bằng
các quá trình tương tác khác nhau để dẫn đến sự phát xạ ra tia X, các hạt tích
điện, neutron và tia gamma. Phát hiện các sự kiện phát ra như vậy để có được
thông tin về các thành phần và hàm lượng nguyên tố của mẫu cần phân tích và
chiều sâu cũng như phân bố của các nguyên tố trong mẫu phân tích. Để có kết
quả này người ta thường sử dụng một chùm ion (beam) tới đơn năng, hoặc một
chùm microbeam quét trên một diện tích nào đó của mẫu.
IBA là một thuật ngữ chung có liên quan đến một số kỹ thuật như phân
tích phổ tán xạ ngược Rutherford (Rutherford Backscattering SpectrometryRBS), phân tích phản ứng hạt nhân (Nuclear Reaction Analysis-NRA) và phân
tích phát xạ tia X gây bởi hạt tích điện (Particle Induced X-ray Emission-PIXE).
Chúng có thể được sử dụng đơn lẻ hoặc kết hợp các phương pháp phân tích
IBA khác nhau để có được thêm thông tin về bia đang được nghiên cứu. Ngoài
ra chúng có thể được sử dụng với cả một chùm đơn năng lượng, chiếu cố định
trên một diện tích, hoặc một microbeam quét theo từng điểm trên diện tích đó.
3

IBA kết hợp ưu điểm là không phá hủy và định lượng. Chúng có thể được
áp dụng cho các vấn đề phân tích thành phần nguyên tố và thông tin phân bố
của các nguyên tố theo chiều sâu tính từ bề mặt mẫu cần phân tích.
1.2. Phương pháp phân tích sử dụng chùm ion
1.2.1. Phương pháp PIXE
Khi một electron từ một lớp bên trong của vỏ điện tử của một nguyên tử
được loại bỏ để lại một chỗ trống, một electron từ lớp vỏ bên ngoài của nguyên
tử ấy sẽ lấp đầy chỗ trống này và giải phóng một lượng tử năng lượng, phát xạ
ra bên ngoài cùng lúc, tương đương với chênh lệch năng lượng giữa hai lớp vỏ.
Lượng tử năng lượng này, được gọi là tia X, là đặc trưng của các nguyên tử và
có thể được sử dụng để xác định nguyên tử đó. Các điện tử ở bên trong có thể
được loại bỏ bằng cách va chạm của một hạt tích điện năng lượng cỡ MeV, tạo
ra tia X đặc trưng được gọi là phát xạ tia X gây bởi hạt tích điện (Particle
Induced X-ray Emission -PIXE) và lần đầu tiên được phát hiện bởi Johansson et
al. năm 1970. Như đã đề cập ở trên, việc tạo ra các tia X đặc trưng là do các
electron di chuyển từ một lớp vỏ điện tử cao hơn xuống lớp vỏ thấp hơn. Đặc
điểm của tia X được xác định tương ứng với lớp vỏ điện tử (K, L, M, ...) đang
được lấp đầy với các electron từ lớp vỏ bên ngoài và được chỉ số bởi (α, β, γ)
trong mối quan hệ với lớp vỏ bên ngoài.
PIXE xác định các nguyên tố bởi sự phát xạ tia X đặc trưng của nó và nó
có thể được sử dụng để phân tích định lượng bằng cách đo số lượng phát ra tia
X ở một góc khối nào đó. Công thức cơ bản được sử dụng trong phân tích định
lượng PIXE cho mẫu mỏng là một công thức đơn giản được cho bởi phương
trình (1.1) [9]:
N  nI  p  T 
(1.1)
trong đó:
N: Tổng số xung đếm được trong đỉnh phổ năng lượng của tia X được tạo ra bởi
các tương tác tia X với detector trong mỗi đơn vị thời gian.
n: Tổng số nguyên tử của nguyên tố đang được nghiên cứu trên một đơn vị diện
tích mẫu.
I: Tổng số hạt mang điện trong chùm beam chiếu trong mỗi đơn vị thời gian;
σp: Tiết diện vi phân phát xạ tia X; Ω: Góc khối tương ứng với detector; T: Hệ
số truyền qua của tia X qua bộ lọc giữa mẫu và detector; ε: Hiệu suất của
detector tại đỉnh phổ năng lượng của tia X.
Đối với bia dày thì các phân tích phức tạp hơn do sự thay đổi năng lượng của
các hạt trong khi chúng thâm nhập vào các mẫu và do đó làm thay đổi tiết diện
phát xạ tia X, và nó là một hàm của năng lượng hạt tới. Hơn nữa, tia X được
được tạo ra ở độ sâu có khả năng được hấp thụ trong mẫu hơn là được phát hiện
bởi detector tia X. Hai yếu tố này phải được đưa vào trong các tính toán khi
4

phân tích PIXE với các bia dày (TT-PIXE) [10] bằng cách xác định các nguyên
tố có hàm lượng lớn nhất trong mẫu (xác định ma trận mẫu - matrix elements).
PIXE có ưu điểm rất lớn [12] vì nó là phân tích đa nguyên tố, độ nhạy cao,
độ phân giải đạt cỡ ppm, có khả năng phân tích các mẫu có khối lượng rất nhỏ,
định lượng mà không cần mẫu chuẩn, nhanh chóng, không phá hủy và kinh tế.
Nó đã được sử dụng và áp dụng trong nhiều ứng dụng của phân tích nguyên tố
trong các lĩnh vực như y học, sinh học, địa chất, khoa học vật liệu, ô nhiễm môi
trường và khảo cổ học.
1.3. Phân tích tán xạ ngược Rutherford (RBS)
Năm 1908 Ernest Rutherford, cùng với Geiger và Marsden lần đầu tiên
nghiên cứu tán xạ hạt alpha. Tên Rutherford Backscattering (RBS) bắt nguồn từ
tên của ông ấy. RBS được dựa trên sự tán xạ đàn hồi của các ion năng lượng
cao của chùm ion (beam) với các hạt nhân trong mẫu bằng tương tác hoàn toàn
Coulomb. Những hạt tán xạ ngược có thể được phát hiện bằng cách sử dụng
một detector hàng rào mặt silicon. RBS là phương pháp phân tích chùm ion
được sử dụng rộng rãi đối với các phép phân tích lớp bề mặt của vật liệu. Trong
đó mẫu được chiếu bằng các ion có năng lượng cỡ MeV (0.5 - 4MeV), và năng
lượng của các ion bị tán xạ ngược được ghi nhận với các detector nhạy năng
lượng, điển hình như detector bán dẫn hàng rào mặt. RBS cho phép xác định
thành phần của vật chất và sự phân bố các nguyên tố theo độ sâu bề mặt mẫu.
RBS phân tích định lượng và không phá hủy mẫu, độ chính xác chiều sâu
tốt (nm) và rất nhạy với các nguyên tố nặng. Độ sâu phân tích vào khoảng 2µm
đối với ion helium và 20µm đối với proton chiếu lên mẫu. Các góc tán xạ tốt
nhất là 150o-180o. Hạn chế của RBS là độ nhạy thấp với các nguyên tố nhẹ và
thường phải có sự kết hợp với các phương pháp phân tích hạt nhân cơ bản khác.
1.4. Phân tích phản ứng hạt nhân (NRA)
Khi một hạt tương tác với hạt nhân nguyên tử trong mẫu do năng lượng của
nó đủ để vượt qua hàng rào Coulomb (hoặc do hiệu ứng đường hầm), hoặc một
tương tác đàn hồi (nhưng không phải là tán xạ Rutherford) hay một sự tương tác
không đàn hồi xảy ra. Khi một ion trải qua một phản ứng không đàn hồi với các
hạt nhân bia và diễn ra sự sắp xếp lại các thành phần nucleon, dẫn đến tạo ra
các hạt nhân sản phẩm khác nhau và các hạt bức xạ. Những hạt bức xạ này có
thể là hạt tích điện, neutron và tia gamma. Thu nhận và phân tích các hạt phát ra
này cung cấp thông tin định tính và định lượng cực kỳ quan trọng về bia, đây
chính là kỹ thuật phân tích phản ứng hạt nhân (NRA) [17]. NRA được sử dụng
cho phân tích các nguyên tố nhẹ (mà thường không thể phân tích được với các
kỹ thuật ở phần trên), như vậy NRA là một sự bổ sung cho các kỹ thuật trên.
Khi một phản ứng hạt nhân xảy ra, một năng lượng Q (MeV) bằng chênh lệch
giữa khối lượng còn lại của các hạt ban đầu và các sản phẩm được phát ra. Nó
được gọi là giá trị Q của phản ứng. Nếu M1, M2, M3 và M4 là khối lượng (theo
5