Đánh giá chất lượng của một vài loại dây dẫn điện phổ biến ở Việt Nam bằng phân tích pixe

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
28 Số 62 - Tháng 03/2020
1. GIỚI THIỆU
Hệ máy gia tốc 5SDH - 2 Pelletron được sản 
xuất tại hãng National Electrostatics Corporation 
(NEC), Mỹ và được lắp đặt năm 2011 tại Trường 
Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN. Với 
cao thế cực đại 1.7 MV, hệ máy gia tốc có khả 
năng gia tốc hầu hết các loại ion khác nhau với 
một dải năng lượng đủ rộng để sử dụng trong các 
phương pháp bao gồm phương pháp phân tích tán 
xạ ngược Rutherford (RBS), phương pháp phân 
tích PIXE (Particle Induced X-rays Emission), 
phương pháp cấy ghép ion (Ion Implantation) và 
phương pháp nghiên cứu phản ứng hạt nhân NRA 
(Nuclear Reaction Analysis).
Mục đích nghiên cứu của chúng tôi là đánh giá tỉ 
lệ phần trăm của các nguyên tố kim loại có trong 
dây dẫn điện phổ biến tại Việt Nam hiện nay. Các 
thí nghiệm được thực hiện trên hệ thống máy gia 
tốc 5SDH2 tại đại học Khoa học tự nhiên- Đại 
học Quốc gia Hà Nội sau đó sử dụng phương 
pháp phân tích PIXE (Phương pháp phân tích tia 
X) để cho ra tỉ lệ phần trăm hàm lượng của các 
nguyên tố kim loại trong mẫu.
2. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN 
TÍCH PIXE
Phương pháp phân tích tia X gây ra bởi chùm hạt 
hay còn gọi tắt là phương pháp phân tích PIXE 
(Particle Induced X-rays Emission) lần đầu tiên 
được giới thiệu ở viện nghiên cứu công nghệ 
Lund năm 1970. Đây được coi là sự mở đầu cho 
một kỹ thuật mới trong phân tích nguyên tố.
Phương pháp phân tích PIXE bao gồm hai nội 
dung chính: thứ nhất là phân tích tia X đặc trưng 
phát ra từ trạng thái kích thích của nguyên tố; thứ 
hai là tính toán cường độ tia X phát ra, đồng thời 
suy ngược lại hàm lượng của nguyên tố đó trong 
mẫu đo.
Sự phát xạ tia X đặc trưng bao gồm nhiều quá 
trình. Đầu tiên, chùm ion tới (proton) sẽ tương 
tác và ion hóa nguyên tử bia bằng tương tác Cou-
lomb, do đó tạo ra các lỗ trống ở các lớp điện 
tử nằm sâu bên trong nguyên tử. Tiếp theo, một 
hạt electron từ lớp ngoài sẽ nhảy vào để lấp lỗ 
trống ấy, quá trình này sẽ giải phóng năng lượng 
dưới dạng bức xạ điện từ (tia X đặc trưng). Tuy 
ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG 
CỦA MỘT VÀI LOẠI DÂY DẪN ĐIỆN PHỔ BIẾN 
Ở VIỆT NAM BẰNG PHÂN TÍCH PIXE
 Dây cáp điện là một trong những mặt hàng thiết yếu trong sinh hoạt của mọi gia đình. Tuy 
nhiên, do hiện nay trên thị trường xuất hiện nhiều sản phẩm dây cáp điện kém chất lượng được gắn 
mẫu mã các thương hiệu nổi tiếng, nên người tiêu dùng rất dễ mua phải các sản phẩm dây cáp điện 
không đạt chuẩn an toàn.
 Các loại dây cáp điện kém chất lượng thường được chế tạo từ kim loại đồng có nhiều tạp chất, 
đường kính các sợi nhỏ và thiếu số sợi nên tiết diện của ruột dẫn nhỏ hơn so với quy định làm cho điện 
trở dây dẫn tăng, gây tiêu hao điện năng sử dụng nhiều hơn. Chưa kể, khả năng chịu cường độ dòng 
điện kém do tiết diện và điện trở lớn sẽ gây quá tải và sinh nhiệt khi sử dụng, gây nguy cơ cháy nổ. 
Có nhiều phương pháp để phân tích thành phần các kim loại trong dẫn dẫn điện. Trong nghiên cứu 
mình, chúng tôi sử dụng phương pháp PIXE. PIXE (Phương pháp phát xạ tia X) là một phương pháp 
hữu ích để phân tích nguyên tố. Bằng cách sử dụng máy gia tốc hạt nhân 5SDH2 hiện đang được lắp 
đặt tại Đại học Khoa học ĐHQGHN (HUS), phương pháp này đã được áp dụng để ước tính tỷ lệ phần 
trăm kim loại trong dây dẫn điện phổ biến ở Việt Nam hiện nay.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
29Số 62 - Tháng 03/2020
nhiên không phải điện tử nào khi nhảy vào lấp 
chỗ trống cũng phát ra tia X đặc trưng mà nó còn 
có thể phát ra electron Auger. Điều này được giải 
thích như sau: khi electron ở lớp ngoài nhảy vào 
lấp chỗ trống, nó sẽ phát ra một năng lượng, năng 
lượng này sẽ kích thích các electron ở lớp xa hơn. 
Nếu năng lượng kích thích lớn hơn năng lượng 
liên kết của electron ở lớp xa hơn thì nó sẽ làm 
bật electron ra khỏi nguyên tử. Electron này gọi 
là electron Auger. 
Hình 1 mô tả quá trình phát tia X đặc trưng (a) và 
quá trình phát electron Auger (b).
Hình 1: Quá trình phát tia X đặc trưng (a) và 
quá trình phát electron Auger (b)
Một phổ PIXE sẽ bao gồm hai thành phần chính: 
các đỉnh tia X đặc trưng và nền bức xạ hãm. Hình 
2 là một phổ PIXE điển hình của mẫu đất đá với 
đường nét liền để chỉ vị trí đỉnh tia X đặc trưng và 
đường nét đứt để chỉ nền bức xạ hãm.
Hình 2: Phổ PIXE của một mẫu đất
Đối với đỉnh tia X đặc trưng, giới hạn phát hiện 
của nguyên tố sẽ phụ thuộc vào nền bức xạ hãm 
liên tục. Có ba thành phần chính đóng góp vào 
nền bức xạ hãm đó là bức xạ hãm gây bởi elec-
tron thứ cấp, bức xạ hãm gây bởi chùm proton 
và bức xạ nền gây bởi gamma phát ra trong phản 
ứng hạt nhân nhưng bị tán xạ Compton nhiều lần 
trong vật chất của detector. Bức xạ hãm gây bởi 
eletron thứ cấp có đóng góp lớn nhất vào nền bức 
xạ hãm liên tục, phần này được sinh ra khi elec-
tron thoát khỏi trạng thái liên kết (quá trình ion 
hóa) sẽ mất dần năng lượng thông qua va chạm 
và bị làm chậm bởi electron và hạt nhân trong 
bia, đồng thời giải phóng năng lượng dưới dạng 
bức xạ hãm. Thành phần thứ hai đóng góp vào 
nền bức xạ hãm liên tục là bức xạ hãm gây bởi 
chùm proton. Khi chùm proton đi vào trong bia 
sẽ tương tác và bị làm chậm bởi các electron và 
hạt nhân bia, đồng thời cũng tạo ra bức xạ hãm. 
Theo Vật lý cổ điển, cường độ bức xạ hãm sinh ra 
bởi một hạt tích điện sẽ tỷ lệ nghịch với độ giảm 
tốc của nó. Do đó, năng lượng của chùm proton 
càng bị suy giảm bao nhiêu thì cường độ bức xạ 
hãm sẽ càng tăng bấy nhiêu. Tia gamma được 
sinh ra bởi quá trình tương tác phản ứng hạt nhân 
giữa chùm proton tới với hạt nhân bia sẽ tham gia 
hết vào tán xạ Coulomb ở trong detector và đóng 
góp vào nền bức xạ hãm.
3. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
3.1. Các bước chuẩn bị mẫu và xử lý mẫu
Chúng tôi lựa chọn ba loại dây điện phổ biến tại 
Việt Nam hiện nay để tiến hành thực nghiệm là: 
dây dẫn điện Thiên Phú, Lioa và Cadisun. Sau 
khi lựa chọn mẫu, việc xử lý mẫu được tiến hành 
theo quy trình sau:
- Chuẩn bị mẫu dây điện của 3 hãng dây điện loại 
dây đơn cứng 1x4.0, ghi rõ tên và phân từng loại 
dây.
- Mỗi mẫu dây điện ta tước phần vỏ cách điện và 
cắt lấy 1 thanh đồng trong lõi dây có chiều dài tối 
thiểu 1cm, ghi rõ tên và phân loại từng mẫu.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
30 Số 62 - Tháng 03/2020
- Cán mỏng từng mẫu đồng thành những miếng 
đồng phẳng có kích thước khoảng 0,5x1 cm.
- Dùng giấy ráp mịn đánh sạch một mặt cần đo 
nồng độ tạp chất của mẫu.
- Sử dụng dung môi bằng cồn rửa sạch mẫu cần 
phân tích, làm sạch bụi bẩn và các tạp chất trên 
bề mặt do quá trình cán mỏng cũng như làm mịn 
mẫu đo.
- Sấy khô mẫu và dán lên giá đỡ mẫu bằng băng 
dính cacbon dẫn điện (Hình 3), đánh dấu vị trí và 
phân loại từng mẫu và tiến hành đo đạc phân tích.
Hình 3: Các mẫu chuẩn bị phân tích
3.2. Bố trí thí nghiệm
Sau khi xử lý mẫu chúng ta tiến hành phép đo. 
Nguồn ion được sử dụng là nguồn RF (Radio fre-
quence). Mẫu được đặt vào giá để mẫu và được 
bố trí như trong hình 4. 
Hình 4: Sơ đồ bố trí thí nghiệm hệ máy gia tốc
 Bố trí của hệ phân tích PIXE trên hệ máy gia 
tốc như ở Hình 4 bao gồm các phần chính: một 
collimator, một buồng phân tích được làm bằng 
hợp kim thép và luôn giữ ở chân không cao, nhỏ 
hơn 5×10-6 Torr trong quá trình chiếu mẫu. Giá 
để mẫu được đặt trên hệ điều khiển vị trí sử dụng 
các mô-tơ cho phép dịch chuyển theo 5 phương 
tự do (X, Y, Z, xoay quanh trục X và xoay quanh 
trục Z). Tấm hấp thụ có độ dày thích hợp được 
lựa chọn có thể làm giảm sự ảnh hưởng của tán 
xạ trên bề mặt tia tới detector và giảm phông do 
quá trình phát xạ tia X ở các nguyên tố nhẹ như 
C (Z=16). Thông thường, tấm hấp thụ được làm 
bằng polymer hoặc loại có Z thấp.
Khi các ion nặng được gia tốc bắn vào bia làm 
phát ra tia X đặc trưng và được thu nhận bởi de-
tector. Tín hiệu từ detector được đi tới tiền khuếch 
đại sẽ được khuếch đại sơ cấp và hiệu chỉnh trước 
khi đi vào khuếch đại chính, khuếch đại chính có 
nhiệm vụ khuếch đại biên độ tín hiệu đầu vào. 
Tín hiệu sau khi được khuếch đại sẽ được ghi 
nhận bởi MCA và truyền tới máy tính. Phổ PIXE 
được ghi nhận sẽ được phân tích trên máy tính 
với phần mềm chuyên dụng như GUPIX, RC43 
(NEC).
4. KẾT QUẢ
4.1. Kết quả phân tích với mẫu dây dẫn điện 
Thiên phú
Hình 5: Phổ đã khớp của mẫu dây Thiên Phú
Bảng 1: Kết quả phân tích của mẫu dây Thiên 
Phú
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
31Số 62 - Tháng 03/2020
4.2. Kết quả phân tích với mẫu dây dẫn điện 
Lioa 
Hình 6: Phổ đã khớp của mẫu dây Lioa.
Bảng 2: Kết quả phân tích của mẫu dây Lioa
4.3 Kết quả phân tích với mẫu dây dẫn điện 
Cadisun
Hình 7: Phổ đã khớp của mẫu dây Cadisun
Bảng 3: Kết quả phân tích của mẫu dây Cadisun
5. KẾT LUẬN
Như vậy nhìn vào kết quả ta thấy chỉ có mẫu dây 
đồng Thiên phú có kết quả hàm lượng đồng vượt 
99,9%. Hai mẫu dây còn lại là Lioa 99,3% và 
99,5%. 
Tuy nhiên kết quả trên có thể chưa hoàn toàn 
chính xác vì còn nhiều yếu tố ảnh hưởng dẫn đến 
sai số của phép đo như sai số hệ đo, sai số khớp 
phổ, sai số do yếu tố con người trong quá trình 
gia công mẫu. 
Ngoài hàm lượng thì một trong các thông số khác 
cũng ảnh hưởng đến độ dẫn điện của dây dẫn 
bằng đồng, đó là cấu trúc mạng tinh thể. Các dây 
dẫn sau khi được kéo, thường làm biến dạng cấu 
trúc mạng tinh thể, làm dây dẫn ít mềm dẻo, có 
điện trở lớn hơn. Vì vậy thông thường sau khi 
kéo, các dây dẫn cần ủ nhiệt để loại bỏ các ứng 
suất biến dạng, kết tinh lại mạng tinh thể, làm 
giản điện trở của dây dẫn. 
Phương pháp phân tích PIXE chỉ cho biết thành 
phần hàm lượng mà không cho biết thông tin về 
cấu trúc mạng tinh thể. Tuy nhiên sự biến dạng 
của cấu trúc mạng tinh thể không ảnh hưởng lớn 
đến độ dẫn điện của dây dẫn.
 Trần Thị Nhàn
Trường Đại học Điện lực
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
32 Số 62 - Tháng 03/2020
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] TS. Nguyễn Đình Thắng: Giáo trình vật liệu 
điện, nhà xuất bản giáo dục.
[2] ThS. Vi Hồ Phong: Nguyên tắc hoạt động và 
vận hành máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron, trường 
ĐH-KHTN, 2011.
[3] ThS. Nguyễn Văn Hiệu: Nghiên cứu ô nhiễm 
các kim loại nặng trong bụi khí ở Hà Nội bằng 
phương pháp phân tích PIXE trên máy gia tốc 
5SDH-2 Pelletron, trường ĐH-KHTN, 2014.
[4] ThS. 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, trường ĐH-KHTN, 2015.
[5] ThS. Nguyễn Thị Bích Nhung: Dòng điện 
trong kim loại (Vật lý 11), 2014
[6] ThS. Trương Minh Tấn: Giáo trình hệ thống 
cung cấp điện, 2009.
[7] Phạm Văn Thịnh: Phương pháp phún xạ Mag-
netron RF trong chế tạo màng mỏng, 2013.
[8] Mai Văn Diện: Phân tích hàm lượng kim loại 
nặng trong màu vẽ bằng phương pháp PIXE trên 
hệ máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron, trường ĐH-
KHTN, 2015.