1. Trang chủ >
  2. Luận Văn - Báo Cáo >
  3. Thạc sĩ - Cao học >
Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
1Quá trình tạo mẫu

1Quá trình tạo mẫu

Tải bản đầy đủ - 0trang

18



Một thí nghiệm khác ở Laboratoire de Photophysique Moléculaires (Orsay,

Pháp) là Nanograins dùng để sản xuất mẫu bồ hóng. Người ta dùng phản ứng đốt cháy

khơng hồn tồn một hỗn hợp giàu nhiên liệu được trộn sẵn với ngọn lửa ở áp suất

thấp (70 mbar) để tạo những phân tử hydrocarbon đa vòng thơm và mẫu bồ hóng ba

chiều [10]. Hệ thống thí nghiệm đươc lắp đặt như hình 2.1, bao gồm một buồng phản

ứng (reactor chamber) có đầu đốt (burner) làm từ thép không gỉ kiểu McKenna, làm

việc ở áp suất 50 mbar và một buồng lấy mẫu (sampling chamber) hoạt động ở áp suất

khoảng 10-2 mbar. Buồng lấy mẫu này sẽ được trang bị một ống dẫn phân tử, nơi các

sản phẩm của thí nghiệm sẽ được hình thành và đưa ra ngoài [18]. Trong buồng phản

ứng, người ta trang bị một đầu đốt có đường kính cỡ 60 mm dùng để tạo ra ngọn lửa ở

áp suất thấp, để đốt cháy một cách khơng hồn tồn các hỗn hợp khí hydrocarbon trộn

với oxy. Đầu đốt này có thể di chuyển theo một trục nằm ngang, dùng để thay đổi

khoảng cách của đầu đốt với một buồng nhiệt bằng đồng (thermalisation chamber)

được đặt trong buồng lắng đọng (deposition chamber). Xung quanh đầu đốt này, người

ta phủ một tấm chắn nhằm tạo ra một cột khí trơ để che chắn cho dòng khí đốt [18].

Hỗn hợp khí là các hydrocarbon như acetylene C2H2, ethylene C2H4 hay

propylene C3H6 được trộn sẵn với khí oxy và được đưa vào buồng phản ứng với vận

tốc khoảng 3 đến 6 lmin-1. Hỗn hợp được đặt cách đầu đốt từ 0 đến 60 mm, tỉ số C/O

được thay đổi trong khoảng 0.5 đến 2. Trong quá trình đốt, áp suất duy trì ở mức thấp

khoảng 20 đến 100 mbar bằng cách sử dụng máy bơm. Ngọn lửa được điều khiển để

tạo ra sản phẩm nằm trong vùng muội than (soot), nhiệt độ duy trì khoảng 2000±500

K. Những hình nón bằng thạch anh với đường kính lỗ ở đỉnh khác nhau (0.25, 0.75 và

1 mm) được sử dụng để lấy mẫu ra ngoài; phần này được làm mát bởi nước [18].

Những hạt bồ hóng vừa tạo ra sẽ được gửi qua một lớp chất nền là CsI hoặc

KBr rồi cho vào vòi phun phân tử (molecular jet) ở cuối của buồng nhiệt nơi khí sẽ

phun ra qua một vòi phun. Mẫu thu được sẽ có độ dày cỡ 1 đến 3 µm được tập hợp từ

vơ số các hạt bồ hóng li ti có hình cầu đường kính khoảng 10-30 nm. Mẫu sản xuất ra

có màu đen, mật độ hiệu dụng là 0.45±0.25 g/cm3 và mật độ tính theo từng hạt đơn

độc là khoảng 1.7 ± 0.5 g/cm3 tùy theo bản chất của bồ hóng tạo ra [4].



19



Hình 2.1.Mơ hình thí nghiệm tạo mẫu [18].

Những nghiên cứu được trình bày trong cơng trình này sử dụng mẫu bồ hóng

được tạo ra từ thí nghiệm Nanograins. Các mẫu bồ hóng tạo ra nhằm mục đích mơ

phỏng lại các hydrocarbon trong ISM. Bồ hóng sản xuất ra được chia làm hai loại theo

tiêu chí tỉ số hấp thụ Rarom=aromatic C-H/(aliphatic C-H + aromatic C-H) [4]. Các mẫu

bồ hóng có tỉ số Rarom trong khoảng 0.05 đến 0.8. Người ta gọi các mẫu bồ hóng có

Rarom> 0.6 là "aromatic-rich soot" và Rarom< 0.3 là " aliphatic-rich soot" [4]. Trong

cơng trình này, mẫu hỗn hợp của hai mẫu này được dùng để chiếu xạ .

Như vậy, các thí nghiệm đã tạo ra được hai loại hydrocarbon có tính chất khác

nhau được dùng trong nghiên cứu ISM - mẫu a-C:H và mẫu bồ hóng. Các mẫu a-C:H

và bồ hóng sử dụng để thí nghiệm có tỉ số H/C là 0.1 và 0.01, mật độ là 1.2 và 1.8

gcm-3[10], và hệ số khúc xạ là 1.4 [9] và 1.7 [2]. Do sự khác biệt về cấu trúc hóa học

của các loại mẫu nên phổ hồng ngoại của chúng thu được cũng khác nhau.



Hình 2.2.Phổ hồng ngoại của mẫu a-C:H 1, a-C:H 2 và bồ hóng[10].



20



Dựa vào phổ hồng ngoại của các mẫu (hình 3.1) ta thấy rằng phổ hồng ngoại

của mẫu được chia thành các vùng khác nhau. Dao động kiểu nén-giãn (stretching

mode) thể hiện trong khu vực giữa 2800 và 3100 cm-1, dao động kiểu biến dạng uốn

(bending mode) trong khoảng 1300 và 1500 cm-1. Xung quanh vị trí 1600 cm-1tương

ứng với kiểu nén-giãn của liên kết C=C (sp2), còn từ 1000 đến 1500 cm-1 là kiểu nén

giãn của C-C (sp3) có đóng góp một phần của C=C (sp2). Khu vực dưới 1000 cm-1 là

kiểu biến dạng uốn rời khỏi mặt phẳng (out-of-plane) của C-H. Một vị trí nhiễu oxy

nhỏ được quan sát thấy ở vị trí 1700 cm-1 thơng qua liên kết C=O, nguyên nhân là do

xảy ra trong q trình làm thí nghiệm hoặc q trình phân tích sau đó [10].



Hình 2.3.Các vùng dao động của hợp chất hydrocarbon.

Mẫu a-C:H 1 có sự hydro hóa cao, chúng tạo thành các vật chất mạch nhánh

(aliphatic) dùng để tái tạo lại phổ hồng ngoại của môi trường khuếch tán liên sao rất

phù hợp. Mẫu a-C:H 2 có cấu trúc khác hẳn với nhiều liên kết olefin hơn, có tỉ lệ lai

hóa sp2/sp3 cao, hàm lượng hydro và khe quang học (optical gap)nhỏ hơn loại 1 [10].

Mẫu bồ hóng gồm các đơn vị thơm đa phân tử (polyaromatic) liên kết với nhau

qua một cầu nối nhánh (aliphatic bridge) [10]. Các mẫu bồ hóng có một sự hấp thụ liên

tục do sự dịch chuyển electron nhưng mẫu a-C:H thì khơng. Mẫu bồ hóng dùng để tái

tạo những chất PAH thơm (Polyciclic aromatic hydrocarbon) tương tự với pha carbon

thơm của bụi khí liên sao sẽ được nghiên cứu ở phần sau.



21



2.2Quá trình chiếu xạ mẫu và thu phổ hồng ngoại

Sau khi sản xuất được các chất hữu cơ mô phỏng môi trường liên sao; các mẫu

này sẽ được đem đi chiếu xạ bằng các chùm ion tương tự tia vũ trụ. Quá trình chiếu xạ

ion lên mẫu được thiết lập ở nhiệt độ phòng. Mẫu được chiếu với các chùm ion khác

nhau và ở nhiều mức năng lượng. Trong quá trình chiếu xạ, mẫu được đặt trong buồng

chân không (10-7 mbar) và đối diện với chùm ion hoặc lệch một góc αtùy vào điều

kiện thiết lập ban đầu.

Các mẫu được chiếu xạ ở nhiều phòng thí nghiệm khác nhau với các chùm ion

được gia tốc theo yêu cầu. Các chùm ion được dùng để chiếu xạ ở Tandem accelerator

of the Institut de Physique Nucléaire in Orsay (Pháp) vào tháng ba năm 2009 gồm có

các ion: H+: 10 MeV, C5+: 50 MeV, Si7+: 85 MeV và Ni9+: 100 MeV; và vào tháng hai

năm 2010 là He2+: 20 MeV , C6+: 91 MeV và I12+: 160 MeV. Một số thí nghiệm chiếu

xạ ở năng lượng thấp hơn được thực hiện ở INAF-Catania, Italy (the Laboratory for

Experimental Astrophysics) vào tháng mười năm 2007 và tháng 2 năm 2009 với chùm

ion H+: 200 keV, He+: 200 keV và Ar2+: 400 keV. Các mẫu ở Orsay được chiếu xạ trên

một vùng đường kính 5 mm và ở Catania là 1.5 cm [10].

Các thí nghiệm chiếu xạ ở Tandem và Catania có cùng điều kiện thí nghiệm là

mẫu được đặt trong buồng chân không (khoảng 10-7 mbar). Phổ hồng ngoại của chúng

được thu bằng một phổ kế Bruker vector 22FTIR; thời gian thu phổ khoảng 5 đến 10

phút [10].

Khác biệt cơ bản giữa thí nghiệm của hai cơ sở này là ở Tandem người ta đặt

mẫu đối diện với chùm ion chiếu. Chùm tia hồng ngoại thu được có hướng lệch một

góc 45 độ so với bề mặt mẫu và phổ thu được trong khoảng 6000 đến 600 cm-1 với độ

phân giải cỡ 2 cm-1. Còn ở Catania thì cả chùm ion chiếu tới và tia hồng ngoại phát ra

đều lệch góc 45 độ so với bề mặt mẫu và phổ thu được trong khoảng 8000 đến 400 cm1



; và độ phân giải là 1 cm-1[10].

Phổ hồng ngoại của các mẫu bồ hóng được chiếu xạ ở Tandem, Orsay vào



tháng 3, 2009 dưới các chùm ion: C5+: 50 MeV, Si7+: 85 MeV và Ni9+: 100 MeV sẽ

được sử dụng làm dữ liệu để phân tích và xử lý trong cơng trình này.



22



2.3Các thơng số chiếu xạ

Đối với các chùm tia chiếu tới khác nhau ta có những thơng số chi phối khác

nhau. Cụ thể là ta có thể tính toán tiết diện hãm S= Se + Sn[10]. Với S là tiết diện hãm,

Se và Sn là tiết diện hãm điện tử và tiết diện hãm hạt nhân. Tiết diện hãm điện tử Selà tỉ

số năng lượng mà ion gửi đến các electron của bia khi nó đi xuyên qua mẫu (dE/dx) và

mật độ của bia [10]. Tiết diện hãm điện tử chiếm ưu thế hơn tiết diện hãm hạt nhân đối

với những chùm ion tốc độ cao, như trong trường hợp của tia vũ trụ [10].



𝑆𝑆𝑒𝑒 =



𝑑𝑑𝑑𝑑 /𝑑𝑑𝑑𝑑

𝜌𝜌



=



𝑑𝑑𝑑𝑑 /𝑑𝑑𝑑𝑑

𝑚𝑚 /𝑑𝑑𝑑𝑑



=



𝑑𝑑𝑑𝑑 /𝑑𝑑𝑑𝑑

𝑑𝑑𝑑𝑑



=



𝑑𝑑𝑑𝑑 /𝑑𝑑𝑑𝑑

𝑚𝑚



(2.3.1)



Các thơng số chiếu xạ được tính tốn bằng mã SRIM (the Stopping and Range

of Ions in Matter) [20] và được trình bày trong bảng 2.2 và 2.3.

Bảng 2.1 liệt kê các chùm ion khác nhau có năng lượng khác nhau được dùng ở

Tadem và Catania. Thông lượng dòng ion trong q trình thí nghiệm ΦIvà thơng lượng

năng lượng tương ứng là ΦE. Các giá trị FI,maxvà $ FE,max tương ứng với mật độ dòng

ion cực đại ( từ 1012 đến 1016 ions cm-2) và mật độ dòng năng lượng cực đại và đạt

được trong vài giờ chiếu xạ. Thơng lượng ion dùng trong thí nghiệm cỡ 1010 ions cms . Trung bình mỗi mẫu nhận khoảng 109 đến 10 MeVmg-1s-1 và năng lượng toàn



2 -1



phần khoảng 1014 đến 1016 MeVmg-1s-1.

Bảng 2.1. Các thông số chiếu xạ của mẫu vật chất mô phỏng môi trường liên

sao[10].



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

1Quá trình tạo mẫu

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×