Luận văn Xác định hàm lượng các nguyên tố trong một số mẫu xi măng và gạch men bằng phương pháp huỳnh quang tia x

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Lê Lệ Mai XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG CÁC NGUYÊN TỐ TRONG MỘT SỐ MẪU XI MĂNG VÀ GẠCH MEN BẰNG PHƯƠNG PHÁP HUỲNH QUANG TIA X LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Thành phố Hồ Chí Minh – 2014 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Lê Lệ Mai XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG CÁC NGUYÊN TỐ TRONG MỘT SỐ MẪU XI MĂNG VÀ GẠCH MEN BẰNG PHƯƠNG PHÁP HUỲNH QUANG TIA X Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử Mã số: 60 44 01 06 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Huỳnh Trúc Phương Thành phố Hồ Chí Minh – 2014 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy Huỳnh Trúc Phương người đã giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quý báu cho em trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô Khoa Vật lí trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cho em trong suốt quá trình học tại trường. Đồng thời, em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Bộ môn Vật lí Hạt nhân Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, đặc biệt là chị Lưu Đặng Hoàng Oanh đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Cuối cùng, em muốn nói lời cảm ơn tới những người thân trong gia đình và bạn bè, những người đã động viên giúp đỡ em vượt qua những khó khăn trong học tập cũng như trong cuộc sống. Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng do kiến thức cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn để đề tài được phong phú và hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn. TP. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2014 Lê Lệ Mai i MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................. vii MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 Chương 1 ..................................................................................................................... 3 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HUỲNH QUANG TIA X ........................................................................................................... 3 1.1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu ứng dụng phương pháp huỳnh quang tia X .................... 3 1.2. Lý thuyết phát xạ huỳnh quang tia X ...................................................................................... 5 1.2.1. Định nghĩa tia huỳnh quang ............................................................................................. 6 1.2.2. Hiệu ứng matrix ............................................................................................................... 6 1.3. Tương tác của tia X với vật chất ............................................................................................. 8 1.3.1. Hệ số suy giảm ................................................................................................................. 8 1.3.2. Quá trình tán xạ ................................................................................................................ 9 1.3.3. Quá trình hấp thụ ............................................................................................................ 10 1.4. Cường độ huỳnh quang thứ cấp ............................................................................................ 11 1.5. Các phương pháp phân tích định lượng [2] ........................................................................... 14 1.5.1. Phương pháp chuẩn ngoại tuyến tính ............................................................................. 14 1.5.2. Phương pháp chuẩn nội .................................................................................................. 18 1.5.3. Phương pháp hàm kích thích .......................................................................................... 19 1.6. Nguồn kích thích tia X .......................................................................................................... 20 1.6.1. Ống phát tia X ................................................................................................................ 20 1.6.2. Nguồn đồng vị phóng xạ ................................................................................................ 21 1.7. Kết luận chương 1 ................................................................................................................. 22 Chương 2 ................................................................................................................... 23 2.1. Hệ phân tích huỳnh quang tia X tại Bộ môn Vật lí Hạt nhân................................................ 23 2.1.1. Nguồn tia X .................................................................................................................... 23 2.1.2. Hệ đo XRF .................................................................................................................... 23 2.2. Xử lý mẫu .............................................................................................................................. 24 2.3. Chuẩn bị mẫu và chiếu mẫu .................................................................................................. 27 ii 2.3.1. Khảo sát xi măng ............................................................................................................ 27 2.3.1.1. Chuẩn bị mẫu cho phương pháp chuẩn ngoại ......................................................... 28 2.3.1.2. Chuẩn bị mẫu cho phương pháp chuẩn nội ............................................................. 31 2.3.1.3. Chiếu và đo mẫu ...................................................................................................... 34 2.3.2. Khảo sát gạch men ......................................................................................................... 35 2.3.2.1. Chuẩn bị mẫu cho phương pháp chuẩn nội ............................................................. 35 2.3.2.2. Chuẩn bị mẫu cho phương pháp hàm kích thích ..................................................... 39 2.3.2.3. Chiếu và đo mẫu ...................................................................................................... 41 2.4. Kết luận chương 2 ................................................................................................................. 42 Chương 3 ................................................................................................................... 43 3.1. Kết quả phân tích hàm lượng Ca ........................................................................................... 43 3.1.1. Phương pháp chuẩn ngoại .............................................................................................. 43 3.1.1.1. Kết quả thực nghiệm các loại mẫu .......................................................................... 43 3.1.1.2. Kết quả phân tích .................................................................................................... 44 3.1.2. Phương pháp chuẩn nội .................................................................................................. 47 3.1.2.1. Kết quả thực nghiệm các loại mẫu .......................................................................... 47 3.1.2.2. Kết quả phân tích .................................................................................................... 48 3.2. Kết quả phân tích hàm lượng Fe ........................................................................................... 53 3.2.1. Phương pháp chuẩn nội .................................................................................................. 53 3.2.1.1. Kết quả thực nghiệm các loại mẫu .......................................................................... 53 3.2.1.2. Kết quả phân tích .................................................................................................... 54 3.2.2. Phương pháp hàm kích thích .......................................................................................... 59 3.2.2.1. Kết quả thực nghiệm các loại mẫu .......................................................................... 59 3.2.2.2. Kết quả phân tích .................................................................................................... 60 3.3. So sánh và đánh giá kết quả .................................................................................................. 64 3.4. Kết luận chương 3 ................................................................................................................. 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 69 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ...................................................... 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 72 PHỤ LỤC .................................................................................................................. 75 iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ICP-MS Inductively Coupled Plasma - Mass Spectrometry Phương pháp khối phổ plasma cảm ứng SDD Silicon Drift Detector Đầu dò silic công nghệ Drift XRF X - Ray Fluorescence Huỳnh quang tia X v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Nguồn chuẩn tia X................................................................................... 16 Bảng 1.2. Năng lượng đặc trưng cho các anode ...................................................... 21 Bảng 1.3. Các nguồn phóng xạ thường dùng trong phổ kế huỳnh quang tia X ...... 21 Bảng 2.1. Khối lượng các mẫu phân tích của phương pháp chuẩn ngoại ............... 28 Bảng 2.2. Khối lượng các mẫu so sánh của phương pháp chuẩn ngoại .................. 30 Bảng 2.3. Khối lượng các mẫu phân tích ................................................................ 31 Bảng 2.4. Khối lượng các mẫu so sánh ................................................................... 33 Bảng 2.5. Khối lượng các mẫu hiệu chỉnh .............................................................. 34 Bảng 2.6. Khối lượng các mẫu phân tích của phương pháp chuẩn nội ................... 36 Bảng 2.7. Khối lượng các mẫu so sánh để xác định hệ số cường độ φ ................... 38 Bảng 2.8. Khối lượng các mẫu hiệu chỉnh của phương pháp chuẩn nội ................. 39 Bảng 2.9. Khối lượng mẫu phân tích của phương pháp hàm kích thích ................. 40 Bảng 2.10. Khối lượng các mẫu chuẩn ................................................................... 41 Bảng 3.1. Cường độ vạch Kα (số đếm/3600s) của Ca trong mẫu phân tích ........... 43 Bảng 3.2. Cường độ vạch Kα (số đếm/3600s) của Ca trong mẫu so sánh .............. 44 Bảng 3.3. Hàm lượng Ca đo bằng phương pháp chuẩn ngoại ................................. 45 Bảng 3.4. Hàm lượng trung bình của Ca đo bằng phương pháp chuẩn ngoại ......... 46 Bảng 3.5. Cường độ vạch Kα (số đếm/3600s) của Ca và Ti trong mẫu phân tích .. 47 Bảng 3.6. Cường độ vạch Kα và Kβ (số đếm/3600s) của Ca trong mẫu hiệu chỉnh 48 Bảng 3.7. Cường độ vạch Kα (số đếm/3600s) của Ca và Ti trong mẫu so sánh ..... 48 Bảng 3.8. Giá trị tỉ số k ............................................................................................ 49 Bảng 3.9. Cường độ vạch Kα (số đếm/3600s) của Ca và Ti sau khi hiệu chỉnh .... 49 Bảng 3.10. Các giá trị hệ số suy giảm khối ............................................................. 50 Bảng 3.11. Giá trị tỉ số cường độ vạch Kα của Ca và Ti ......................................... 50 Bảng 3.12. Kết quả tính hệ số cường độ φ ............................................................... 51 Bảng 3.13. Hàm lượng Ca đo bằng phương pháp chuẩn nội ................................... 52 Bảng 3.14. Hàm lượng trung bình của Ca đo bằng phương pháp chuẩn nội .......... 53 vi Bảng 3.15. Cường độ vạch Kα (số đếm/3600s) của Fe và Co trong mẫu phân tích 53 Bảng 3.16. Cường độ vạch Kα và Kβ (số đếm/3600s) của Fe trong mẫu hiệu chỉnh ......................................................................................................................... 54 Bảng 3.17. Cường độ vạch Kα (số đếm/3600s) của Fe và Co trong mẫu so sánh .. 54 Bảng 3.18. Giá trị k từ các mẫu hiệu chỉnh ............................................................. 55 Bảng 3.19. Cường độ vạch Kα (số đếm/3600s) của Fe và Co sau khi hiệu chỉnh .. 55 Bảng 3.20. Các giá trị hệ số suy giảm khối của các mẫu so sánh ........................... 56 Bảng 3.21. Giá trị tỉ số cường độ vạch Kα của Fe và Co ........................................ 56 Bảng 3.22. Kết quả tính hệ số cường độ φ từ mẫu so sánh ..................................... 57 Bảng 3.23. Hàm lượng Fe đo bằng phương pháp chuẩn nội ................................... 58 Bảng 3.24. Hàm lượng trung bình của Fe đo bằng phương pháp chuẩn nội ........... 59 Bảng 3.25. Cường độ vạch Kα (số đếm/3600s) của Fe trong mẫu phân tích .......... 59 Bảng 3.26. Cường độ vạch Kα (số đếm/3600s) của các nguyên tố trong mẫu chuẩn ........................................................................................................................ 60 Bảng 3.27. Giá trị ρT ............................................................................................... 60 Bảng 3.28. Giá trị hệ số suy giảm khối của các mẫu chuẩn .................................... 61 Bảng 3.29. Giá trị F(Z) ứng với từng nguyên tố trong mẫu chuẩn .......................... 61 Bảng 3.30. Giá trị hàm kích thích F(Z) và hệ số suy giảm khối của Fe .................. 62 Bảng 3.31. Hàm lượng Fe đo bằng phương pháp hàm kích thích ........................... 63 Bảng 3.32. Hàm lượng trung bình của Fe đo bằng phương pháp hàm kích thích ... 64 Bảng 3.33. Kết quả hàm lượng Ca (%) của các mẫu xi măng ................................. 65 Bảng 3.34. Độ sai biệt giữa phương pháp chuẩn ngoại và chuẩn nội ..................... 65 Bảng 3.35. Độ sai biệt của các phương pháp XRF so với phương pháp tham khảo ......................................................................................................................... 66 Bảng 3.36. Kết quả hàm lượng Fe (%) của các mẫu gạch men ............................... 66 Bảng 3.37. Độ sai biệt giữa phương pháp chuẩn nội và phương pháp hàm kích thích...........................................................................................................................67 Bảng 3.38. Độ sai biệt của các phương pháp XRF so với phương pháp tham khảo .................................................................................................................................. 67 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Tán xạ Rayleigh và tán xạ Compton của tia X .......................................... 9 Hình 1.2. Quá trình phát tia X đặc trưng ................................................................. 10 Hình 1.3. Sự thoát ra của electron Auger ................................................................ 11 Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý phương pháp huỳnh quang tia X .................................. 12 Hình 2.1. Hệ đo XRF ............................................................................................... 24 Hình 2.2. Các mẫu xi măng .................................................................................... 24 Hình 2.3. Các mẫu gạch men................................................................................... 25 Hình 2.4. Sơ đồ quy trình xử lý mẫu ....................................................................... 25 Hinh 2.5. Các mẫu gạch men sau khi xử lý ............................................................. 26 Hình 2.6. Chày, cối và rây kích cỡ 0,25µm ............................................................. 26 Hình 2.7. Đèn hồng ngoại và cân điện tử ................................................................ 27 Hình 2.8. Khay mica dùng đựng mẫu ...................................................................... 27 Hình 2.9. Các mẫu phân tích của phương pháp chuẩn ngoại .................................. 28 Hình 2.10. Các mẫu so sánh của phương pháp chuẩn ngoại ................................... 30 Hình 2.11. Các mẫu phân tích ................................................................................. 31 Hình 2.12. Các mẫu so sánh .................................................................................... 33 Hinh 2.13. Các mẫu hiệu chỉnh ............................................................................... 34 Hình 2.14. Nguồn 55Fe đang kích mẫu .................................................................... 35 Hình 2.15. Các mẫu phân tích của phương pháp chuẩn nội .................................... 36 Hình 2.16. Các mẫu so sánh của phương pháp chuẩn nội ....................................... 37 Hình 2.17. Các mẫu hiệu chỉnh của phương pháp chuẩn nội .................................. 38 Hình 2.18. Các mẫu phân tích của phương pháp hàm kích thích ............................ 39 Hình 2.19. Các mẫu chuẩn ...................................................................................... 41 Hình 2.20. Nguồn 3H/Zr đang kích mẫu ................................................................. 42 Hình 3.1. Đường chuẩn hàm lượng Ca .................................................................... 45 Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc tỉ số cường độ bức xạ đặc trưng của Ca và Ti vào khối lượng Ca ..................................................................................... 51 viii Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc tỉ số cường độ bức xạ đặc trưng của Fe và Co vào khối lượng Fe ..................................................................................... 57 Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hàm kích thích F(Z) vào bậc số nguyên tử Z ............................................................................................................. 62 1 MỞ ĐẦU Trong thực tế có nhiều phương pháp phân tích vi lượng các nguyên tố trong hợp chất ví dụ như phương pháp hóa học, phương pháp phân tích huỳnh quang tia X (XRF - X-Ray Fluorescence), phương pháp kích hoạt nơtron, Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng. Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X với cấu hình chuẩn gồm detector bán dẫn, nguồn kích thích máy phát tia X hoặc nguồn đồng vị phóng xạ và hệ thống đặt mẫu được sử dụng để phân tích định lượng nhiều nguyên tố (Z = 9 đến Z = 92). Năm 1966, detector tia X bán dẫn đầu tiên ra đời đánh dấu sự phát triển phổ kế tia X huỳnh quang. Sau đó sự phát triển của ngành điện tử hạt nhân, đặc biệt là sự chế tạo và sự hoàn thiện các loại detector bán dẫn như Ge, Si đã cho phép xây dựng được các phổ kế có hiệu suất ghi cao, tốc độ phân tích nhanh và thuận tiện trong nhiều yêu cầu sử dụng, nên phương pháp phân tích huỳnh quang tia X có vai trò ngày càng quan trọng trong phân tích nguyên tố. Đến nay tính ưu việt của phương pháp phân tích huỳnh quang tia X đã được khẳng định do những ưu điểm nổi bật như sau: không phá mẫu, có thể phân tích nhanh với độ chính xác cao, phân tích cùng lúc nhiều nguyên tố và giới hạn phát hiện định lượng có thể đạt đến ppm (10-6g/g), sai số phân tích nhỏ và đối tượng phân tích đa dạng. Do những ưu điểm cơ bản nói trên, trong những năm gần đây phương pháp phân tích huỳnh quang tia X có phạm vi ứng dụng ngày càng rộng rãi trên thế giới nói chung và ở nước ta nói riêng. Trên thế giới phương pháp phân tích huỳnh quang tia X là công cụ phân tích có hiệu quả trong các lĩnh vực: khảo cổ, nông nghiệp, y học, địa chất,