Tính toán và tối ưu hóa điều kiện thực nghiệm trong phân tích RBS trên máy gia tốc HUS 5SDH-2 Tandem Pelletron

Nội dung text: Tính toán và tối ưu hóa điều kiện thực nghiệm trong phân tích RBS trên máy gia tốc HUS 5SDH-2 Tandem Pelletron

1. Tính toán và tối ưu hóa điều kiện thực nghiệm trong phân tích RBS trên máy gia tốc HUS 5SDH-2 Tandem Pelletron Vi Hồ Phong Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn ThS Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử; Mã số 60 44 01 06 Người hướng dẫn: PGS.TS. Lê Hồng Khiêm Năm bảo vệ: 2013 Abstract. Hệ thống hóa các khái niệm cơ bản của phương pháp phân tích RBS bao gồm hệ số động học tán xạ ngược, sự suy giảm năng lượng, sự nhòe năng lượng và hình học tán xạ. Từ đó nêu ra sự hình thành phổ RBS và khái quát về các yêu tố có thể bị ảnh hưởng bởi điều kiện thực nghiệm. Tính toán và tối ưu hóa các điều kiện thực nghiệm trong kỹ thuật RBS: Nghiên cứu việc xây dựng phần mềm mô phỏng phổ RBS và các thông số có thể rút ra được từ phần mềm. Tiếp theo đó khảo sát quá trình thực nghiệm xác định các thông số để tối ưu hóa thí nghiệm. Trình bày một số kết quả mô phỏng của phần mềm đã xây dựng cũng như kết quả tính toán trên mẫu chuẩn. Từ đó đưa ra điều kiện là thực nghiệm tối ưu và nhận xét về các kết quả thu được. Keywords. Vật lý nguyên tử; Máy gia tốc HUS 5SDH-2 Tandem Pelletron; Phân tích RBS.
2. LVTS VLNT MỞ ĐẦU Hệ máy gia tốc HUS 5SDH-2 Tandem Pelletron đặt tại trường Đại học Khoa học tự nhiên được lắp đặt và đưa vào sử dụng từ năm 2011. Một trong những ứng dụng của hệ máy gia tốc là phân tích vật liệu bằng phương pháp phổ tán xạ ngược Rutherford, gọi tắt là RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry). RBS được ứng dụng rộng rãi trong khoa học vật liệu để khảo sát các tính chất của màng mỏng, vật liệu cấy ghép hay vật liệu bán dẫn vì phương pháp phân tích này có những ưu điểm chính sau đây: - Cho phép xác định phân bố nguyên tố theo chiều dày. - Độ sâu phân tích cỡ micron, thích hợp cho việc phân tích các lớp vật liệu dưới bề mặt mẫu. - Có khả năng xác định các tạp chất trong các lớp vật liệu. - Có khả năng xác định các sai hỏng trong cấu trúc tinh thể nếu áp dụng kỹ thuật channeling. - Có khả năng phân tích song song kết hợp với các kỹ thuật phân tích bằng chùm ion khác như PIXE, NRA Trong phương pháp phân tích này, tùy theo yêu cầu cụ thể của từng loại mẫu mà việc tính toán, xác định điều kiện thực nghiệm tối ưu được đặt ra trong mỗi phép đo. Vấn đề này đã được M.S.Kim et al. (1996) [6] nghiên cứu, trong đó nhóm tác giả tiến hành hàng loạt thí nghiệm trên các mẫu chuẩn và dựa vào một số đặc trưng của phổ RBS thu được để tiến hành khảo sát thông số độ phân giải theo chiều dày đối với các điều kiện thí nghiệm khác nhau. Đây là một trong ba thông số chịu ảnh hưởng bởi điều kiện thực nghiệm cùng với độ phân giải khối lượng và độ sâu có thể đạt được (accessible depth). Ngoài ra, trong công trình của mình, J.S. Williams và W. Moller (1978) [4] đã tiến hành việc tối ưu hóa độ phân giải theo chiều dày dựa vào mô hình tính toán và thực nghiệm. Vì những lý do trên, tác giả đã lựa chọn đề tài “Tính toán và tối ưu hóa điều kiện thực nghiệm trong phân tích RBS trên máy gia tốc HUS 5SDH-2 Tandem 1
3. LVTS VLNT Pelletron”. Trong đó, ngoài việc khảo sát thông số độ phân giải theo chiều dày, tác giả tiến hành khảo sát các thông số còn lại liên quan đến điều kiện thực nghiệm là độ phân giải khối lượng và độ sâu có thể đạt được. Hai thông số đầu được tác giả khảo sát thông qua thực nghiệm trên mẫu chuẩn, thông số cuối được khảo sát thông qua việc phần mềm mô phỏng được tác giả xây dựng. Mục đích của luận văn nhằm giải quyết bài toán xác định điều kiện thực nghiệm tối ưu và tính toán dựa trên việc phân tích mẫu chuẩn và xây dựng phần mềm mô phỏng. Các kết quả của bài toán có thể được áp dụng đối với từng trường hợp cụ thể trong phân tích các mẫu vật liệu. Tất cả các thực nghiệm trong khuôn khổ luận văn đều được tiến hành trên hệ máy gia tốc Tandem 5SDH-2 đặt tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, trong đó hệ phổ kế hạt tích điện nặng được sử dụng trong phân tích RBS được đặt tại kênh phân tích của máy gia tốc. Hình ảnh thực tế của hệ máy gia tốc cùng kênh ra được minh họa ở Hình 1.1. Hình 1.1. Ảnh hệ máy gia tốc đặt tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 2
4. LVTS VLNT Luận văn bao gồm 4 phần chính: - Tổng quan về phương pháp phổ tán xạ ngược Rutherford: Phần này trình bày các khái niệm cơ bản của phương pháp phân tích RBS bao gồm hệ số động học tán xạ ngược, sự suy giảm năng lượng, sự nhòe năng lượng và hình học tán xạ. Từ đó nêu ra sự hình thành phổ RBS và khái quát về các yêu tố có thể bị ảnh hưởng bởi điều kiện thực nghiệm. - Tính toán và tối ưu hóa các điều kiện thực nghiệm trong kỹ thuật RBS: Trình bày việc xây dựng phần mềm mô phỏng phổ RBS và các thông số có thể rút ra được từ phần mềm. Tiếp theo đó trình bày quá trình thực nghiệm xác định các thông số để tối ưu hóa thí nghiệm. - Kết quả và thảo luận: Trình bày một số kết quả mô phỏng của phần mềm đã xây dựng cũng như kết quả tính toán trên mẫu chuẩn. Từ đó đưa ra điều kiện là thực nghiệm tối ưu và nhận xét về các kết quả thu được. - Kết luận: Trình bày một số kết luận và đưa ra hướng phát triển trong các nghiên cứu tiếp theo. 3
5. LVTS VLNT TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh 1. Lawrence R. Doolittle (1985), "Algorithms for the rapid simulation of Rutherford Backscattering Spectra", Nucl. Instrum. Methods B, 9, pp. 344-351. 2. J.F. Ziegler (1977), Helium - Stopping Powers and Ranges in All Elements, vol. 4 of The Stopping and Ranges of Ions in Matter, Pergamon Press, New York. 3. J.F.Ziegler, H.H. Andersen (1977), Hydrogen - Stopping Powers and Ranges in All Elements vol. 3 of The Stopping and Ranges of Ions in Matter, Pergamon Press, New York. 4. J.S.Williams and W. Moller (1978), "On the determination of optimum depth- resolution conditions for Rutherford Backscattering Analysis," Nucl. Instr. and Meth., 157, pp. 213-221. 5. J.S. Williams (1978), "The application of high-resolution Rutherford backscattering techniques to near-surface analysis," Nucl. Instr. and Meth., 149, p. 207. 6. M.S.Kim et al.(1996), "Determination of the optimum experimental conditions for enhanced depth resolution in RBS using He ions," Nucl. Instrum. Methods B,108, pp. 136-146. 7. M. Mayer (1999), "SIMNRA, a Simulation Program for the Analysis of NRA, RBS and ERDA," 15th International Conference on the Application of Accelerators in Research and Industry, J. L. Duggan and I.L. Morgan (eds.), American Institute of Physics, vol. 475, p. 541. 8. N. Bohr, K. Dan. Vidensk. Selsk (1948), Mat.-Fys. Medd, 18, p. 8. 9. W.K.Chu, J.W. Mayer, M.A. Nicolet (1978), Backscatering Spectrometry, Academic Press, New York. 10. Yoshiaki Kido and Yukio Oso (1985), "Computer analysis of random and channeled backscattering spectra," Nucl. Instr. and Meth. B, 9, pp. 291-300. 47