Nghiên cứu áp dụng kỹ thuật Pixe trên máy gia tốc pelletron 5sdh-2 phân tích hàm lượng các nguyên tố hóa học trong mẫu bụi khí PM1

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
14 Số 52 - Tháng 9/2017
Kỹ thuật PIXE (Proton Induced X-ray Emission - Phát xạ tia X tạo bởi chùm hạt proton) lần 
đầu tiên được đề xuất bởi Johansson vào năm 1970 [1]. Đây là một trong số các kỹ thuật phân tích 
hạt nhân rất hữu dụng và ngày càng được áp dụng rộng rãi trên thế giới, đặc biệt trong lĩnh vực 
nghiên cứu môi trường, địa chất, khảo cổ... Kỹ thuật này có nhiều ưu thế vượt trội về khả năng phân 
tích đồng thời đa nguyên tố, nhanh, độ nhạy và độ chính xác cao, khả năng phân tích các mẫu có khối 
lượng nhỏ với độ lặp lại tốt và không đòi hỏi áp dụng các qui trình xử lý mẫu quá phức tạp, hơn nữa 
mẫu không bị phá hủy nên có thể sử dụng cho các phép phân tích khác. Nhờ có các ưu thế này mà kỹ 
thuật PIXE có thể cung cấp được các số liệu về hàm lượng các nguyên tố hoá học rất phong phú và 
đảm bảo chất lượng cho các mô hình thống kê toán học, đặc biệt trong nghiên cứu xác định nguồn 
gây ô nhiễm bụi khí [2-6]. Kỹ thuật này rất phát triển ở các nước như Úc, Nhật, Mỹ, Newzealand... 
khi khai thác các máy gia tốc chùm hạt proton có năng lượng khoảng vài MeV.
1. MỞ ĐẦU
Trường Đại học Khoa học tự nhiên Hà 
Nội (HUS) được trang bị máy gia tốc 5SDH-
2 PELLETRON của Mỹ từ 2006 (Hình trên và 
Hình 1). Buồng chiếu mẫu chân không đi kèm 
máy gia tốc được thiết kế đa năng có thể triển 
khai các kỹ thuật phân tích như RBS (Rutherford 
Backscattering Spectrometry), NRA (Nuclear 
Reaction Analysis), PIXE và PIGE (Particle 
Induced Gamma Emission). Một số nghiên cứu 
khai thác thiết bị đã và đang được triển khai tích 
cực nhưng chủ yếu tập trung vào các phương pháp 
NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG KỸ THUẬT PIXE TRÊN 
MÁY GIA TỐC PELLETRON 5SDH-2
PHÂN TÍCH HÀM LƯỢNG CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC
TRONG MẪU BỤI KHÍ PM1
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
15Số 52 - Tháng 9/2017
phân tích mẫu dày. Mẫu bụi khí PM1 có những 
đặc thù riêng biệt như lượng mẫu rất ít, mẫu rất 
mỏng, trung bình chỉ vài chục µg/cm2. Do đó tán 
xạ proton trên đế gắn mẫu sẽ ảnh hưởng rất lớn 
đến chất lượng phổ tia X đặc trưng và làm giảm 
giới hạn phát hiện của hệ phổ kế.
Trong thực tế, việc thu góp và phân tích 
mẫu PM1 là bài toán cực kỳ khó khăn và phức 
tạp nhưng có ý nghĩa thực tiễn rất lớn. Vì vậy, 
một số nghiên bụi khí siêu mịn ở nước ta gần 
đây chỉ chủ yếu tập trung vào quan trắc PM1 mà 
chưa đi sâu vào phân tích thành phần hóa học 
cũng như thành phần ion của mẫu PM1. Do đó 
không có đủ thông tin để nghiên cứu bản chất 
cũng như nguồn gốc của PM1. Báo cáo này tập 
trung vào trình bày kết quả nghiên cứu để thiết 
lập kỹ thuật phân tích PIXE trên máy gia tốc 
5SDH-2 PELLETRON của HUS để phân tích xác 
định hàm lượng các nguyên tố hóa học chủ yếu 
trong mẫu bụi khí PM1 ở Hà Nội được thu góp 
trên phin lọc Polycarbonate Nuclepore. Kết quả 
nghiên cứu này sẽ tạo ra công cụ kỹ thuật thiết 
thực góp phần vào giải quyết bài toán nghiên cứu 
ô nhiễm bụi khí ở Việt Nam - một bài toán luôn 
mang tính thời sự, khoa học và nan giải cho các 
thành phố lớn như Hà Nội, Tp. Hồ Chí Minh và 
các khu công nghiệp.
Hình 1. Máy gia tốc 5SDH-2 PELLETRON 
của HUS
Trong thực tế, việc thu góp và phân tích 
mẫu PM1 là bài toán cực kỳ khó khăn và phức 
tạp nhưng có ý nghĩa thực tiễn rất lớn. Vì vậy, 
một số nghiên bụi khí siêu mịn ở nước ta gần 
đây chỉ chủ yếu tập trung vào quan trắc PM1 mà 
chưa đi sâu vào phân tích thành phần hóa học 
cũng như thành phần ion của mẫu PM1. Do đó 
không có đủ thông tin để nghiên cứu bản chất 
cũng như nguồn gốc của PM1. Báo cáo này tập 
trung vào trình bày kết quả nghiên cứu để thiết 
lập kỹ thuật phân tích PIXE trên máy gia tốc 
5SDH-2 PELLETRON của HUS để phân tích xác 
định hàm lượng các nguyên tố hóa học chủ yếu 
trong mẫu bụi khí PM1 ở Hà Nội được thu góp 
trên phin lọc Polycarbonate Nuclepore. Kết quả 
nghiên cứu này sẽ tạo ra công cụ kỹ thuật thiết 
thực góp phần vào giải quyết bài toán nghiên cứu 
ô nhiễm bụi khí ở Việt Nam - một bài toán luôn 
mang tính thời sự, khoa học và nan giải cho các 
thành phố lớn như Hà Nội, Tp. Hồ Chí Minh và 
các khu công nghiệp.
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2. 1. Kỹ thuật thu góp mẫu PM1
Bụi khí PM1 là các hạt sol khí có đường 
kính khí động lực (EAD) ≤ 1µm thường lơ lửng 
trong không khí và lắng đọng rất chậm chạp. 
Trong điều kiện thời tiết bình thường, chúng có 
thể lơ lửng từ vài giờ đến vài ngày hoặc lâu hơn 
và có thể lan truyền đi rất xa từ vài trăm thậm chí 
đến vài nghìn km. PM1 là một trong những tác 
nhân có thể gây ra các vấn đề rất nghiêm trọng 
liên quan đến sức khoẻ con người (đặc biệt là các 
bệnh liên quan đến đến hệ thống hô hấp và cả bệnh 
về tim mạch) so với các loại bụi khí khác có kích 
thước hạt lớn hơn (ví dụ như PM2.5, PM10...) do 
có thời gian lưu giữ rất lâu trong không khí và 
sự bất lực của hệ thống hô hấp người trong việc 
chống lại loại bụi khí này [13]. Sự phân bố của 
bụi khí theo kích thước của các hạt bụi được thể 
hiện trong hình 2.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
16 Số 52 - Tháng 9/2017
Hình 2. Sự phân bố của bụi khí theo kích 
thước của các hạt bụi
Thiết bị thu góp mẫu bụi khí chủ động 
TWIN DUST do Italia sản xuất gồm 2 kênh thu 
góp mẫu có thể ghép nối với 2 đầu thu mẫu khác 
nhau, hoạt động luân phiên nhau. Đầu thu góp 
mẫu cyclone BGI.SCC do Mỹ sản xuất được sử 
dụng để thu góp mẫu bụi khí PM1 (Hình 3). 
Hình 3. Thiết bị thu góp mẫu bụi khí Twin 
Dust, đầu thu góp mẫu PM1 và mẫu bụi khí PM 
trên phin lọcPolycarbonate Nuclepore
Đầu thu mẫu này hoạt động theo nguyên 
tắc sử dụng dòng gió xoáy để tách các hạt bụi 
khí có EAD ≤ 1µm. Lưu lượng dòng khí được tự 
động điều chỉnh cố định là 16,7 lít/phút nhờ bộ 
điều khiển chế độ hoạt động của thiết bị và nhiệt 
kế theo sự thay đổi của nhiệt độ môi trường và 
lưu lượng dòng khí qua phin lọc. Nhờ cấu tạo đặc 
biệt của bộ tạo dòng khí xoáy nên chỉ có luồng 
không khí chứa các hạt bụi có EAD ≤ 1µm mới đi 
đến phin lọc Polycarbonate Nuclepore, bám dính 
vào phin và tạo thành mẫu PM1 (Hình 3). Các hạt 
bụi có kích thước lớn hơn đều bị loại bỏ.
2.2. Kỹ thuật PIXE
Nguyên tắc vật lý của kỹ thuật PIXE
Khi chùm hạt proton tương tác với các 
electron của nguyên tử vật chất trong mẫu phân 
tích và nếu năng lượng E của chúng lớn hơn năng 
lượng liên kết ε của electron trong nguyên tử thì 
electron có thể bị bật ra khỏi vị trí trong nguyên 
tử và bay ra với động năng bằng (E-ε), nguyên tử 
chuyển sang trạng thái kích thích. Electron bay ra 
được gọi là quang electron. Vị trí mà electron bay 
ra trở thành lỗ trống điện tử.
Trạng thái kích thích của nguyên tử không 
bền và luôn có xu hướng trở về trạng thái cơ bản 
thông qua 2 quá trình: i) quá trình xắp xếp lại 
các điện tử và phát ra electron Auger (hiệu ứng 
Auger); ii) quá trình dịch chuyển electron từ các 
lớp điện tử bên ngoài vào lấp đầy lỗ trống điện tử 
và phát ra tia X đặc trưng. Năng lượng của tia X 
đặc trưng bằng sự khác nhau về năng lượng giữa 
trạng thái đầu và cuối của electron trong quá trình 
dịch chuyển (Hình 4).
Hình 4. Các dịch chuyển tạo ra tia X đặc 
trưng và sơ đồ các mức năng lượng của chúng
- Khi lỗ trống trên lớp K được lấp đầy bởi 
electron từ lớp L ta có tia X đặc trưng K
α
, nếu từ 
lớp M ta có tia X đặc trưng Kβ.
- Khi lỗ trống trên lớp L được lấp đầy bởi 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
17Số 52 - Tháng 9/2017
electron từ lớp M ta có tia X đặc trưng L
α
, nếu từ 
lớp N ta có tia X đặc trưng L
β
.
- Tương tự như vậy, khi lỗ trống trên lớp M 
được lấp đầy bởi electron từ lớp N ta có tia X đặc 
trưng M
α
, nếu từ lớp O ta có tia X đặc trưng M
β
...
Cường độ tia X đặc trưng liên quan đến hàm 
lượng của nguyên tố hóa học tương ứng. Từ mối 
quan hệ này, kỹ thuật PIXE đã được thiết lập.
2.3. Phổ kế PIXE
2.3.1. Sơ đồ cấu trúc của phổ kế PIXE
Sơ đồ cấu trúc của phổ kế PIXE ở HUS 
được minh họa trên hình 4. Chùm proton có năng 
lượng cực đại là 3,4 MeV được tạo ra từ máy gia 
tốc Pelletron 5SDH-2 kiểu Tandem. Điện tích 
của chùm hạt proton có thể thay đổi được. Tiết 
diện chùm hạt proton tại bề mặt mẫu phân tích 
được xác định nhờ hệ thống chuẩn trực để hạn 
chế sự tán xạ. Khi phân tích mẫu PM1, tiết diện 
này được đặt là 5x5 mm2. Tia X đặc trưng phát ra 
từ mẫu phân tích sẽ được ghi nhận bằng detector 
bán dẫn Si(Li) có diện tích nhạy 30 mm2, cửa sổ 
Be dày 12,7 μm và độ phân giải năng lượng ở 
đỉnh 5,9 keV là 138 eV. Trục của detector tạo với 
hướng chùm proton một góc 32,8º. Khoảng cách 
từ vị trí đặt mẫu đến detector là 159 mm. Bộ lọc 
Mylar được sử dụng để hấp thụ tia X tán xạ có 
bề dày 100 μm được đặt vào khoảng giữa mẫu và 
detector (Hình 5).
Hình 5. Sơ đồ cấu trúc phổ kế PIXE ở 
HUS
2.3.2. Diện tích đỉnh đặc trưng và hàm 
lượng nguyên tố
Phổ PIXE được xử lý bằng chương trình 
Guelph PIXE [7]. Chương trình này được thiết 
lập dựa trên phương pháp tham số cơ bản (FP) 
bao gồm các thông số về tiết diện tạo ra tia X, hệ 
số suy giảm tia X, năng lượng dừng của proton, 
hiệu suất ghi của detector, điện tích của chùm 
proton và các hiệu ứng hình học để tính toán hàm 
lượng các nguyên tố trong mẫu phân tích. Để phân 
tích mẫu PM1, phương pháp FP có sử dụng mẫu 
chuẩn đã được áp dụng. Ở đây mối quan hệ giữa 
cường độ tia X đặc trưng và hàm lượng nguyên 
tố trong mẫu phân tích được xác định thông qua 
phép đo mẫu chuẩn có matrix tương tự như mẫu 
phân tích, còn ảnh hưởng của hiệu ứng hấp thụ và 
tăng cường sẽ được tính toán bởi thuật toán của 
phương pháp FP. Phương pháp này có độ chính 
xác tốt hơn.
Từ phương trình cơ bản của Sherman 
(1955) [8], nhiều tác giả đã xây dựng được các 
mô hình toán học rất phù hợp với thực nghiệm. 
Trong phân tích định lượng mẫu mỏng và khi 
chùm p tới đập vuông góc với bề mặt mẫu phân 
tích thì diện tích đỉnh đặc trưng sẽ là [9]:
Y = N * n
z
 * σ
x
 * ε (1)
trong đó: 
N - số proton tới chiếu vào mẫu phân tích,
n
z
 - số nguyên tử trong 1 đơn vị diện tích bề 
mặt mẫu phân tích,
σ
x
 - tiết diện tương tác sinh ra tia X ứng với 
năng lượng của proton tới,
ε - hiệu suất ghi tia X ứng với góc khối Ω và
ε = Ω * ε
d
/4π (εd là hiệu suất ghi thực 
của detector) (2)
với Ω = r2.π/d2 là góc khối của chùm bức xạ 
tới detector (3)
Hàm lượng nguyên tố c
z
 được xác định 
từ diện tích đỉnh đặc trưng rõ nhất của nguyên tố 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
18 Số 52 - Tháng 9/2017
cần phân tích. Các tia K
α
 thường được sử dụng 
đối với các nguyên tố nhẹ và trung bình, tia L
α
thường được sử dụng cho các nguyên tố nặng. 
Đối với tia K
α
, hàm lượng nguyên tố được xác 
định theo công thức [9]:












Ω




=
αεωσρ
π
dKK
z
z tNN
AYc 1.1.4.
0
(4)
Các hệ số trong ngoặc vuông thứ nhất là 
các hằng số, các tham số trong ngoặc vuông thứ 
2 được xác định bằng thực nghiệm còn các tham 
số trong ngoặc vuông thứ 3 được xác định bằng 
các tính toán lý thuyết. Thông thường người ta sử 
dụng đại lượng mật độ diện tích m
z
(μg.cm-2) và 
được xác định theo công thức:
m
z
 = c
z
.ρ.t = Y/N/k
z 
(5)
trong đó k
z 
(số đếm/μC/μg/cm2) còn được 
gọi là độ nhạy nguyên tố và:
z
dKK
z A
N
k
π
εωσ α
4
0Ω=
(6)
Dựa vào hình học đo Ω và k
z
 được xác 
định bằng cách đo phổ PIXE các mẫu chuẩn có 
hàm lượng nguyên tố đã biết.
2.3.3. Giới hạn phát hiện (LOD)
Đối với mẫu mỏng dạng phin lọc, cường 
độ bức xạ phông NB được xác định theo công thức 
[10]:
0 0( )
sin
B j
B
B
N E nFWHM N t
N
A
σ ε ρ
θ
= (7)
Trong đó: 
σB là xác suất tạo ra bức xạ phông liên tục/1 
đơn vị năng lượng tia X,
AB là khối lượng nguyên tử của nguyên tố 
quan tâm,
FWHM là độ phân giải năng lượng,
n là số kênh trong vùng phổ quan tâm.
Với ( ) 3j BY Z N= , thì LOD sẽ được xác 
định theo công thức sau:
0
0 0
( ) sin3
( )
Bz
X
jZ B j
E nFWHMA
LOD
E N A N t
σ
σ ε ρ
Φ
=
(8)
3. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
3.1. Cải tiến giảm nhiễu và chuẩn bị 
mẫu phân tích
Ban đầu đế gắn mẫu của phổ kế được 
chế tạo bằng Al. Do đó chùm hạt proton sau khi 
chiếu xuyên qua mẫu phân tích sẽ kích thích phát 
bức xạ đặc trưng của Al từ đế, làm tăng cường 
độ bức xạ đặc trưng của Al trong mẫu phân tích, 
đồng thời sẽ tán xạ trên đế làm cho nền phông 
liên tục của phổ huỳnh quang đặc trưng tăng 
cao. Do đó, bột H
3
BO
3
 (99,5%) không chứa các 
nguyên tố cần phân tích đã được nén thành viên 
dẹt dày khoảng 3 mm dưới áp suất 10 tấn đã 
được sử dụng làm đế gắn mẫu phân tích. Đồng 
thời 2 thanh nam châm vĩnh cửu cũng được bố 
trí trước cửa sổ của detector tạo ra từ trường 
để loại bỏ các proton tán xạ đi vào detector.
Mẫu PM1 được thu góp trên phin lọc 
Polycarbonate Nuclepore có đường kính 47 mm. 
Loại phin lọc này rất phù hợp cho kỹ thuật PIXE 
vì rất ít ảnh hưởng đến hàm lượng các nguyên tố 
cần phân tích. Lượng bụi PM1 trung bình trên 
phin lọc chỉ khoảng 30 µg/cm2 (thực tế nằm trong 
dải từ 3-90 µg/cm2). Khoảng 1/4 mẫu (về diện tích 
mẫu trên phin lọc) đã được sử dụng cho phân tích 
PIXE. Phần mẫu phân tích được gắn chặt trên đế 
H
3
BO
3
 bằng băng dính carbon 2 mặt. Vài sợi tơ 
carbon mỏng cũng được bố trí ngay sát phía trên 
mẫu và nối với giá Al giữ đế gắn mẫu để khử điện 
tích do chùm hạt proton tạo ra. Mỗi đế chỉ gắn 
được khoảng 4-5 mẫu. Thời gian chiếu mỗi mẫu 
khoảng 20-30 phút. Phổ tia X đặc trưng của mẫu 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
19Số 52 - Tháng 9/2017
được xử lý bằng phần mềm GUPIXWIN V.2.2.1. 
3.2. Chuẩn năng lượng và xác định hệ 
số chuẩn
3.2.1. Chuẩn năng lượng phổ kế
Hệ phổ kế PIXE với các đặc trưng được 
mô tả trong mục 2.2.1, buồng chiếu mẫu chân 
không cao 5.10-6 Torr, chùm hạt proton có năng 
lượng là 2,6 MeV phát ra từ máy gia tốc Tandem 
model 5SDH-2, cường độ dòng 10 nA, tiết diện 
chùm tia tại bề mặt mẫu đo là 5x5 mm2, thời gian 
chiếu mẫu khoảng 1200 giây, được áp dụng trong 
nghiên cứu này.
Để nhận diện được các nguyên tố trong 
mẫu phân tích từ phổ năng lượng bức xạ đặc 
trưng thu nhận được cần phải xác định mối tương 
quan giữa vị trí đỉnh của bức xạ đặc trưng trong 
phổ PIXE (vị trí kênh) với năng lượng của bức xạ 
đặc trưng tương ứng. Vị trí kênh của vạch Kα tạo 
ra từ Al, Si, Ca, Fe và Zn được sử dụng để xây 
dựng đường chuẩn năng lượng cho phổ kế. Các 
số liệu đo phổ và dạng đường chuẩn năng lượng 
được chỉ ra trong Bảng 1 và Hình 5.
Bảng 1. Vị trí kênh của vạch K
α
 sử dụng 
để xây dựng đường chuẩn năng lượng
Nguyên tố E (K
α
), KeV Vị trí kênh
Al 1.487 157
Si 1.740 180
Ca 3.692 363
Fe 6.404 617
Zn 8.639 827
Các hệ số của phương trình đường chuẩn 
năng lượng cho hệ phổ kế là một trong những 
thông số chuẩn được tích hợp trong phần mềm 
GIPIXWIN và được sử dụng khi xử lý phổ PIXE 
xác định hàm lượng các nguyên tố trong mẫu 
phân tích.
y = 93,706x + 17,204
R² = 1
0
200
400
600
800
1000
0 5 10
V
ị 
tr
í 
k
ê
n
h
Năng lượng E (K ), KeV
Hình 5. Đường cong chuẩn năng lượng 
của hệ phổ kế PIXE ở HUS
3.2.2. Xác định hệ số chuẩn (H)
Trong trường hợp lý tưởng thì hệ số chuẩn 
H chính là góc khối của chùm bức xạ tới detector 
(Ω) trong công thức (6) và là một hằng số. Tuy 
nhiên trong thực tế H lại phụ thuộc vào quá trình 
kích thích tạo ra bức xạ đặc trưng và có thể được 
xác định bằng cách đo các mẫu chuẩn đa nguyên 
tố đã biết trước hàm lượng [14]. Hàm lượng của 
các nguyên tố trong mẫu chuẩn được mô tả bằng 
một hàm toán học phụ thuộc vào khá nhiều thông 
số bao gồm hệ số H. Phần mềm GUPIXWIN sẽ 
giải bài toán này với giá trị H ban đầu và lặp đi, 
lặp lại để tìm được H mô tả tốt nhất sự tương 
quan giữa hàm lượng các nguyên tố trong mẫu 
chuẩn và hiệu suất phát tia X đặc trưng. Giá trị 
đó gọi là hệ số chuẩn H. Hệ số chuẩn này sẽ được 
lưu giữ trong phần mềm GUPIXWIN và sử dụng 
khi phân tích các mẫu đo.
3.3. Xác định giới hạn phát hiện (LOD)
Giới hạn phát hiện các nguyên tố trong 
mẫu bụi khí PM1 với kỹ thuật PIXE được xác 
định theo công thức (8). Theo Keith [15] thì LOD 
có thể tỷ lệ với góc khối Ω. Tuy nhiên, thực tế thì 
LOD phụ thuộc vào một số tham số như lượng 
mẫu phân tích, năng lượng chùm tia tới, thời gian 
chiếu mẫu, tiết diện chùm hạt proton tại bề mặt 
mẫu phân tích, nền phông tán xạ trong phổ tia X 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
20 Số 52 - Tháng 9/2017
đặc trưng 
Bảng 2. Giới hạn phát hiện trung bình 
của các nguyên tố hóa học trong mẫu PM1 (ng/
cm2) đối với tia X đặc trưng K
α
Nguyên 
tố Z LOD
Nguyên 
tố Z LOD
Mg 12 201,9 Ti 22 84,0
Al 13 106,8 V 23 58,1
Si 14 80,9 Cr 24 47,4
P 15 82,6 Mn 25 44,7
S 16 59,9 Fe 26 53,7
Cl 17 69,4 Co 27 102,1
K 19 75,1 Ni 28 103,9
Ca 20 66,3 Cu 29 132,9
Sc 21 92,2 Zn 30 181,0
Đối với mẫu bụi khí PM1 thu góp trên 
phin lọc Polycarbonate Nuclepore có lượng mẫu 
trung bình 30 μg/cm2, tiết diện chùm tia tại bề 
mặt mẫu là 5x5 mm2, chùm hạt proton có năng 
lượng 2,6 MeV, thời gian chiếu mẫu 1000 giây 
và buồng chiếu mẫu chân không cao 5.10-6 Torr 
thì LOD trung bình của các nguyên tố hóa học 
chủ yếu trong mẫu PM1 đối với tia X đặc trưng 
K
α
 được xác định và trình bày trong Bảng 2 và 
Hình 6.
10
100
1000
10 15 20 25 30 35
M
D
L
, 
n
g
/
c
m
2
Nguyên tử số (Z)
PM1-LOD
Hình 6. Sự phụ thuộc của LOD đối với tia 
X đặc trưng K
α
 vào nguyên tử số Z
3.3. Xác định hàm lượng các nguyên tố 
hóa học chủ yếu trong mẫu PM1
Bảng 3. Dải hàm lượng và hàm lượng 
trung bình của các nguyên tố hóa học chủ yếu 
trong mẫu PM1 ở Hà Nội
Nguyên 
tố
Hàm lượng, mg/m3
Min Max Trung bình
Na 60 1312 578 ± 202
Mg 10 597 167 ± 30
Al 15 742 143 ± 5
Si 60 9543 699 ± 9
P 4 289 66 ± 24
S 162 8864 2505 ± 613
Cl 4 896 156 ± 32
K 98 2324 623 ± 56
Ca 12 1199 193 ± 8
Sc 4 500 65 ± 20
Ti 7 362 74 ± 20
V 8 145 44 ± 12
Cr 11 322 55 ± 16
Mn 7 153 44 ± 16
Fe 26 856 163 ± 7
Co 18 442 109 ± 38
Cu 19 323 123 ± 47
Zn 48 5676 642 ± 148
Hình 7. Phổ PIXE đặc trưng của mẫu bụi 
khí PM1
80 mẫu PM1 ở Hà Nội thu góp trên phin 
lọc Polycarbonate Nucleopre sử dụng thiết bị 
TWIN DUST đã được phân tích trên hệ phổ kê
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
21Số 52 - Tháng 9/2017
Bảng 4. Giá trị phê chuẩn và kết quả phân tích trung bình hàm lượng các nguyên tố hóa học 
chủ yếu trong mẫu NIST SRM 2783
Z Nguyên tố
Giá trị phê chuẩn (ng/cm2) Kết quả phân tích trung bình (ng/cm2)
Hàm lượng Sai số Hàm lượng Độ lệch chuẩn
13 Al 2330,3 53,2 2229,1 172,6
20 Ca 1325,3 170,7 1360,8 376,5
24 Cr 13,5 2,5 23,2 6,6
29 Cu 40,6 4,2 84,6 23,8
26 Fe 2660,6 160,6 2935,6 627,6
19 K 530,1 52,2 601,5 154,3
12 Mg 865,5 52,2 706,5 271,1
25 Mn 32,1 1,2 33,0 2,1
16 S 105,4 26,1 109,9 20,6
14 Si 5883,5 160,6 6231,8 758,3
22 Ti 149,6 24,1 185,9 86,5
30 Zn 179,7 13,1 158,4 36,6
PIXE của HUS theo qui trình phân tích đã được 
thiết lập trên đây. Dải làm lượng và hàm lượng 
trung bình của các nguyên tố hóa học chủ yếu 
được trình bày trong Bảng 3. Phổ PIXE đặc trưng 
của mẫu bụi khí PM1 được trình bày trên Hình 7.
3.4. QA/QC kết quả phân tích
Để kiểm chứng qui trình phân tích PIXE 
mẫu PM1 đã được thiết lập trên máy gia tốc 
5SDH-2 PELLETRON của HUS, mẫu chuẩn 
NIST SRM 2783 dạng phin lọc đã được phân 
tích. Giá trị phê chuẩn và kết quả phân tích trung 
bình hàm lượng các nguyên tố hóa học chủ yếu 
trong mẫu được chỉ ra trong Bảng 4 (từ 7 phép 
phân tích độc lập). Kết quả phân tích cho thấy chỉ 
các nguyên tố có hàm lượng rất nhỏ như Cr và Cu 
là có sự sai khác đáng kể do hàm lượng quá nhỏ. 
Hàm lượng các nguyên tố khác đều nằm trong 
phạm vi sai số phân tích.
Kết quả phân tích mẫu PM1 theo kỹ thuật 
PIXE đã được so sánh với kết quả phân tích lặp 
12 mẫu thu được từ các kỹ thuật phân tích khác 
như PIXE ở ANSTO và XRF ở INST. Hình 8 cho 
thấy sự tương quan khá tốt giữa các kết quả phân 
tích Zn và S từ 2 kỹ thuật phân tích khác nhau 
XRF và PIXE.
Hình 8. Sự tương quan giữa các kết quả 
phân tích Zn và S từ 2 kỹ thuật phân tích khác 
nhau: XRF (trên) và PIXE (dưới)
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
22 Số 52 - Tháng 9/2017
Phép thử giả thiết thống kê t-Test cũng đã 
được áp dụng để đánh giá so sánh kết quả phân 
tích Zn (bằng kỹ thuật PIXE ở HUS và bằng kỹ 
thuật XRF ở INST) và kết quả phân tích S (bằng 
kỹ thuật PIXE) từ các phòng thí nghiệm khác 
nhau. Khi α là 0,05 (tương ứng với độ tin cậy là 
95%) thì trị tuyệt đối của t-Stat (Zn) = 1,80 và 
t-Stat (S) = 0,37. Các giá trị này đều nhỏ hơn 2,07 
(giá trị của t- Critical two-tail) trong cả 2 trường 
hợp. Điều đó chứng tỏ rằng kết quả phân tích Zn 
và S bằng các kỹ thuật phân tích khác nhau chỉ 
nằm trong phạm vi sai số phân tích và có thể xem 
như trùng khớp với nhau.
4. BÀN LUẬN
Phân tích hàm lượng các nguyên tố hóa 
học trong mẫu bụi khí PM1 là một trong những 
bài toán khó và phức tạp lần đầu tiên được thực 
hiện ở nước ta nhưng có ý nghĩa khoa học rất thiết 
thực vì nó có thể cung cấp được các số liệu về 
hàm lượng các nguyên tố hoá học rất phong phú 
và đảm bảo chất lượng cho các mô hình thống 
kê toán học, đặc biệt trong nghiên cứu xác định 
nguồn gây ô nhiễm bụi khí. Mục tiêu của nghiên 
cứu này là thiết lập được kỹ thuật phân tích PIXE 
trên máy gia tốc Pelletron 5SDH-2 của HUS bao 
gồm cả kỹ thuật thu góp mẫu PM1 sử dụng thiết 
bị TWIN DUST đã được trang bị tại INST.
Kết quả nghiên cứu xây dựng qui trình 
kỹ thuật và triển khai áp dụng phân tích 80 mẫu 
PM1 cho thấy hoàn toàn có thể áp dụng kỹ thuật 
PIXE này trong phân tích mẫu mỏng dạng phin 
lọc. Các nguyên tố phổ biến hơn như Al, Ca, Fe, 
K, S, Si và Ti có sai số phân tích dưới 15%. Các 
nguyên tố vết khác như Cr, Cu, Mg, Mn, V,... có 
sai số phân tích lớn hơn và tất nhiên phụ thuộc 
vào hàm lượng của chúng trong mẫu phân tích. 
LOD trung bình của hệ phổ kế đối với mẫu PM1 
còn cao hơn so với hệ phổ kế PIXE của ANSTO 
chủ yếu do ảnh hưởng của bức xạ tán xạ làm nền 
phông tăng cao.
Để qui trình kỹ thuật phân tích mẫu PM1 
có chất lượng cao hơn và được áp dụng sâu rộng 
hơn trong thực tiễn, chúng tôi sẽ tiếp tục nghiên 
cứu cải tiến cấu hình đo nhằm nâng cao hơn nữa 
LOD của hệ phổ kế.
5. KẾT LUẬN 
Phổ kế PIXE trên máy gia tốc Pelletron 
5SDH-2 của HUS không được thiết kế chuyên 
dụng cho phân tích mẫu bụi khí mịn PM1 thu 
góp trên phin lọc Polycarbonate Nuclepore. Tuy 
nhiên, phổ kế đã được nghiên cứu, qui trình kỹ 
thuật đã được thiết lập để phục vụ bài toán nghiên 
cứu ô nhiễm bụi khí mịn PM1. Hàm lượng các 
nguyên tố hóa học chủ yếu trong mẫu bụi khí 
PM1 đều có thể phân tích được. LOD trung bình 
nằm trong dải từ 0,04 đến 0,80 µg/cm2 phụ thuộc 
vào hàm lượng của các nguyên tố. Kỹ thuật phân 
tích cũng đã được đánh giá và áp dụng để phân 
tích 80 mẫu bụi khí PM1 ở Hà Nội. Đặc trưng, 
nguồn gốc và phần đóng góp của các nguồn ô 
nhiễm bụi khí sẽ được công bố trong một công 
trình khác.
Kết quả nghiên cứu này là một trong 
những nội dung của nhiệm vụ KHCN mã số 
ĐTCB. 08/15/VKHKTHN. Tác giả xin chân 
thành cảm ơn sự hỗ trợ của Bộ KH&CN, Viện 
NLNTVN, Viện KH&KTHN và sự cộng tác nhiệt 
tình của các cộng sự để thực hiện nghiên cứu này.
Vương Thu Bắc
Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
23Số 52 - Tháng 9/2017
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Johansson S A E and Johansson T B 
1976 Nuclear Intrument and Methods 137 473 
DOI:10.1016/0029-554X(76)90470-5.
[2] David D. Cohen, J. Crawford, Ed. 
Stelcer, V. Thu Bac. Characterisation and source 
apportionment of fine particulate sources at Hanoi 
from 2001 to 2008. Atmospheric Environment 
44, p. 320-328 (2010).
[3] David D. Cohen, Jagoda Crawford, Eduard 
Stelcer, Vuong Thu Bac. Long range transport 
of fine particle windblown soils and coal fired 
power station emissions into Hanoi between 
2001 to 2008. Atmospheric Environment 44, p. 
3761-3769 (2010).
[4] Hien, P. D., V. T. Bac, N.T.H. Thinh (2005). 
“Investigation of sulfate and nitrate formation on 
mineral dust particles by receptor modeling”. 
Atmospheric Environment 39, pp. 7231-7239. 
2005.
[5] Hien, Pham Duy; Bac, Vuong Thu et al 
(2004). “PMF receptor modeling of fine and 
coarse PM10 in air masses governing monsoon 
conditions in Hanoi, northern Vietnam”. 
Atmospheric Environ.38, pp.189-201. 2004.
[6] Hien, Pham Duy; V.T.Bac, H.C.Tham, 
D.D.Nhan et al (2002). “Influence of 
meteorological conditions on PM2.5 and PM2.5-
10 concentrations during the monsoon season in 
Hanoi, Vietnam”. Atmospheric Environment 36, 
pp. 3473-3484. 2002.
[7] Strivay, D., Ramboz, C., Gallien, J.-P., 
Grambole, D., Sauvage, T., and Kouzmanov, 
K. (2008). Micro-crystalline inclusions analysis 
by PIXE and RBS. Nuclear Instruments and 
Methods in Physics Research Section B: Beam 
Interactions with Materials and Atoms, 266(10), 
2375-2378.
[8] Sherman J. (1955). Spectrochem. Acta. 1, 
283, 1955.
[9] Mark B H Breese (2002). PC4250-
Advanced analytical techniques: Ion Beam 
Analysis Techniques. NUS, 2002.
[10] Md. Hasnat Kabir (2007), practicle 
induced X-ray emission (PIXE) setup and 
quantitative elemental Analysis, PhD thesis, 
Kochi uuniversity of techology, Japan.
[11] Mark B H Breese (2002). PC4250-
Advanced analytical techniques: Ion Beam 
Analysis Techniques. NUS, 2002.
[12] Bac, Vuong Thu; Kregsamer P., 
Markowicz A. (2003). “Elemental Sensitivity 
Method in XRF Analysis of PM10 Aerosol 
Filters”. Nuclear Science and Technology No.2, 
VAEV. P. 8-28.
[13] U.S. Environmental Protection Agency. 
Basic Concepts in Environmental Sciences. 
htm
[14] Campbell et al, Nucl. Instrum. Meth. 
B77 (1993) 95 and Nejedly et al, Nucl. Instrum. 
Meth. B160 (2000) 415.
[15] Md. Hasnat Kabir. Particle Induced 
X-ray Emission (PIXE) Setup and Quantitative 
Elemental Analysis. Kochi University of 
Technology Kochi, Japan. September, 2007.