Luận văn 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

Nội dung tài liệu: Luận văn 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

1. LVTS VLNT 2013 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
2. LVTS VLNT 2013 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 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
3. LVTS VLNT 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
4. LVTS VLNT 2013 DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ Danh mục bảng biểu Thứ tự Nội dung Bảng 1.1 Hệ số động học K và năng lượng của ion tán xạ trên một số hạt nhân bia Bảng 3.1 Năng lượng và số kênh của các nguyên tố trong mẫu chuẩn Bảng 3.2 Kết quả mô phỏng của mẫu chuẩn. Bảng 3.3 Kết quả mô phỏng của mẫu số 1 Bảng 3.4 Kết quả mô phỏng của mẫu số 2
5. LVTS VLNT 2013 Danh mục hình vẽ Thứ tự Nội dung Hình 1.1 Sơ đồ thí nghiệm phát hiện ra hạt nhân nguyên tử của Rutherford Hình 1.2 Phân bố góc hạt alpha theo góc tán xạ. Trục tung theo thang logarit. Hình 1.3 Mẫu nguyên tử của Thomson Hình 1.4 Mẫu nguyên tử của Rutherford Hình 1.5 Sơ đồ tán xạ của hạt alpha Hình 1.6 Quá trình tán xạ đàn hồi trong hệ quy chiếu phòng thí nghiệm. Hình 1.7 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. Hình 1.8 Quá trình tán xạ tại bề mặt và tại độ sâu t đều dẫn tới ion bay về detector. Hình 2.1 Nguồn tạo ion dương RF. Hình 2.2 Buồng gia tốc chính. Hình 2.3 Nam châm chuyển kênh. Hình 2.4 Buồng chiếu mẫu. Hình 2.5 Thanh công cụ SIMNRA.
6. LVTS VLNT 2013 Hình 2.6 Hình học thay mẫu. Hình 3.1 Phổ mẫu chuẩn năng lượng. Hình 3.2 Chuẩn năng lượng bằng phần mềm origin. Hình 3.3 Mô phỏng mẫu chuẩn sử dụng SIMNRA. Hình 3.4 Đỉnh đồng và đỉnh vàng trong phổ mẫu chuẩn. Hình 3.5 Phân bố nồng độ nguyên tố theo độ sâu của mẫu chuẩn. Hình 3.6a Phổ thực nghiệm và mô phỏng của mẫu số 1. Hình 3.6b Khớp đỉnh vàng trong mẫu số 1. Hình 3.7 Phân bố nồng độ nguyên tố theo độ sâu của mẫu số 1. Hình 3.8a Phổ thực nghiệm và mô phỏng của mẫu số 2. Hình 3.8b Khớp 2 lớp đồng trong mẫu số 2. Hình 3.9 Phân bố nồng độ nguyên tố theo độ sâu của mẫu số 2.
7. 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
8. LVTS VLNT 2013 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
9. LVTS VLNT 2013 MỞ ĐẦU Sự ra đời và phát triển của các phương pháp phân tích hạt nhân gắn liền với những thành tựu của Vật lý và kỹ thuật hạt nhân hiện đại. Ngày nay các phương pháp phân tích hạt nhân đã khẳng định được vị trí cao của mình trong lĩnh vực phân tích vì chúng có những ưu điểm như độ nhạy và độ chính xác cao, tốc độ phân tích nhanh, mẫu phân tích không bị phá hủy và có thể tiến hành phân tích đồng thời nhiều nguyên tố. Trong điều kiện kỹ thuật cho phép các phương pháp hạt nhân còn có thể tự động hóa được toàn bộ quy trình phân tích. Đây là một ưu điểm mà nhiều phương pháp phân tích khác không có được[1]. Hiện nay, có 5 phương pháp phân tích hạt nhân cơ bản. Mỗi phương pháp 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) - Phương pháp phân tích Cacbon phóng xạ sử dụng hệ phổ kế gia tốc Bản khóa luận trình bày về một trong 5 phương pháp, đó là: Phương pháp phân tích dựa trên hiệu ứng tán xạ ngược Rơdơpho(RBS). Trong phân tích RBS, nguồn ion được sử dụng phổ biến là He2+. Tuy nhiên phương pháp RBS sẽ cho độ phân giải khối lượng cao hơn trong trường hợp sử dụng các ion nặng hơn He2+ nhằm mục đích phân tích các nguyên tố nặng.
10. LVTS VLNT 2013 Ứng dụng phổ biến nhất của phương pháp phân tích RBS là xác định thành phần và hàm lượng các nguyên tố ở gần lớp bề mặt của mẫu. Một hướng ứng dụng khác là nghiên cứu sự phân bố của các nguyên tố theo chiều sâu, ví dụ xác định bề dày của các màng mỏng kim loại như Au, Ta, Co và các màng mỏng đioxit trên các đế Silic Tất cả quá trình thực nghiệm đều được tiến hành trên hệ máy gia tốc 5SHD-2 Pelletron thuộc Bộ môn Vật lý hạt nhân , Khoa Vật Lý, Trường Đại học Khoa 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 - Chương 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM