Nguyễn thị viểN Đo liều bức xạ MÔi trưỜng bằng detector nhiệt huỳnh quang liF(Mg, Cu, P) luận văn thạc sĩ khoa họC


CHƯƠNG 1:CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP



tải về 374.44 Kb.
trang2/5
Chuyển đổi dữ liệu25.08.2017
Kích374.44 Kb.
1   2   3   4   5

CHƯƠNG 1:CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP

1.1.Phân bố các nguyên tố phóng xạ trong môi trường

1.1.1. Phân bố phóng xạ trong tự nhiên


Như đã biết, sau sự kiện Big Bang là quá trình hình thành mặt trời và hệ thống hành tinh của chúng ta. Trong đám tro bụi đó một lượng lớn các chất phóng xạ có mặt trên Trái Đất. Theo thời gian, đa số các nguyên tố phóng xạ này phân rã và trở thành những nguyên tố bền vững là thành phần vật liệu chính của hệ thống hành tinh chúng ta hiện nay. Tuy nhiên, trong vỏ Trái Đất vẫn còn những nguyên tố Uranium, Thorium, con cháu của chúng và một số các nguyên tố khác. Chuỗi các nguyên tố này tạo thành những họ phóng xạ tự nhiên, đó là họ Uranium, họ Thorium và họ Actinium. Tất cả các thành viên của các họ phóng xạ này trừ nguyên tố cuối cùng đều có tính phóng xạ.

Uranium gồm các đồng vị: Uranium-238 chiếm 99,3% Uranium thiên nhiên, khoảng 0,7% là Uranium-235 và khoảng 0.005% là Uranium-234. U-238 và U-234 là các đồng vị phóng xạ thuộc họ Uranium, còn U-235 là đồng vị phóng xạ thuộc họ Actinium.

Các họ phóng xạ tự nhiên có các đặc điểm:


  • Đồng vị đầu tiên của họ có chu kỳ bán rã lớn

  • Các họ này đều có một đồng vị tồn tại dưới dạng khí, các chất khí phóng xạ này là các đồng vị của radon.

  • Sản phẩm cuối cùng trong các họ phóng xạ là Chì.

Ngoài các đồng vị trong các họ phóng xạ tự nhiên nêu trên, trong tự nhiên còn có một số đồng vị phóng xạ rất phổ biến khác như : 40K, 14C...Những đồng vị này có thể được thấy trong thực vật, động vật và cả trong môi trường. Đồng vị phóng xạ 14C là đồng vị được hình thành do sự tương tác của bức xạ nơtron (có trong tia vũ trụ) với hạt nhân nguyên tử 14N.

Nguyên tố phóng xạ có ở khắp mọi nơi trên Trái Đất, trong đất, trong nước và trong không khí. Theo nguồn gốc, các nguyên tố phóng xạ có thể được chia thành 3 loại: loại được hình thành từ trước khi trái đất hình thành; loại được tạo thành do tương tác của tia vũ trụ với vật chất; loại được tạo thành do hoạt động của con người.

Các hạt nhân phóng xạ được tạo thành và tồn tại một cách tự nhiên trong đất, nước và trong không khí, thậm chí trong chính cơ thể chúng ta. Theo Cơ quan Năng lượng nguyên tử Quốc tế (IAEA), trong 1 kg đất có thể chứa 3 đồng vị phóng xạ tự nhiên với hàm lượng trung bình như sau:

370 Bq 40K (100 – 700 Bq)

25 Bq 226Ra (10 – 50 Bq)

25 Bq 238U (10 – 50 Bq)

25 Bq 232Th (7 – 50 Bq)

Các đồng vị phóng xạ tự nhiên chủ yếu thuộc 3 chuỗi phóng xạ, đó là chuỗi 232Th, chuỗi 238U và chuỗi 235U. Chúng có khả năng phân rã anpha và bêta mạnh và có thể tóm lược như trong Bảng 1.1.



Bảng 1.1: Sơ đồ chuỗi phóng xạ tự nhiên Thorium và Uranium


Chuỗi Th-232

Chuỗi U-238

Chuỗi U-235

Hạt nhân

Thời gian bán rã

Hạt nhân

Thời gian bán rã

Hạt nhân

Thời gian bán rã

Th-232

↓ 1α


Ra-228

↓ 1α,2β


Ra-224

↓ 1α


Rn-220

↓ 1α


Po-216

↓ 2α,2β


Pb-208

14 x 109năm

6,7 năm


3,6 ngày

55 giây


0,16 giây

Bền


U-238

↓ 1α,2β


U-234

↓ 1α


Th-230

↓ 1α


Ra-226

↓ 1α


Rn-222

↓ 3α,2β


Pb-210

↓ 2β


Po-210

↓ 1α


Pb-206

4,47x109năm

245x103năm

75x103năm

1600 năm


3,82 ngày

22 năm


138 ngày

Bền


U-235

↓ 1α,1β


Pa-231

↓ 2α,1β


Ra-223

↓ 1α


Rn-219

↓ 1α


Po-215

↓ 2α,2β


Pb-207

0,704x109năm

32,8x103 năm

11,4 ngày

4 giây


1,8x10-3 giây

Bền


Trong tự nhiên, ngoài ba dãy phóng xạ trên còn một số các nguyên tố phóng xạ tự nhiên khác không tạo thành dãy phóng xạ như K40 . Ngoài ra còn có các đồng vị C14, H3, Cs137.... Đây là loại đồng vị được hình thành do sự tương tác giữa tia vũ trụ với những nguyên tố trong khí quyển.




1.1.2. Tương tác của tia phóng xạ với vật chất


Tia phóng xạ theo nghĩa gốc là các dòng hạt chuyển động nhanh phóng ra từ các chất phóng xạ (các chất chứa các hạt nhân nguyên tử không ở trạng thái cân bằng bền). Các hạt phóng ra có thể chuyển động thành dòng định hướng. Các tia phóng xạ có bản chất giống như ánh sáng thường nhưng không thể nhìn thấy và có mức năng lượng cao hơn mức năng lượng của ánh sáng thường.

Các tia phóng xạ có khả năng đi xuyên qua vật chất và có khả năng giải phóng điện tử ra khỏi nguyên tử vật chất để trở thành điện tử tự do làm thay đổi tính chất của vật trở thành dẫn điện. Đó còn được gọi là khả năng ion hóa của các tia phóng xạ.



1.2. Liều bức xạ môi trường.


1.2.1 Tác dụng của các tia bức xạ đối với sức khoẻ con người.

Tác dụng sinh học của bức xạ hạt nhân có nhiều hình thức khác nhau, đối với sức khỏe con người thì quan trọng nhất là các dạng có thể xuyên qua cơ thể và gây ra hiệu ứng ion hoá . Nếu bức xạ ion hoá thấm vào các mô sống, các iôn được tạo ra đôi khi ảnh hưởng đến quá trình sinh học bình thường. Tiếp xúc với bất kỳ loại nào trong số các loại bức xạ ion hoá, bức xạ alpha, beta, các tia gamma, tia X và nơtron, đều có thể ảnh hưởng tới sức khoẻ.



Bức xạ Alpha: Hạt alpha do những đồng vị phóng xạ nhất định phát ra khi chúng phân huỷ thành một nguyên tố bền. Nó gồm hai proton và hai notron, nó mang điện dương . Trong không gian, bức xạ alpha không có khả năng truyền xa và dễ dàng bị cản lại toàn bộ chỉ bởi một tờ giấy hoặc bởi lớp màng ngoài của da. Tuy nhiên, nếu một chất phát tia Alpha được đưa vào trong cơ thể, nó sẽ phát ra năng lượng tới các tế bào xung quanh. Ví dụ, nếu con người hít phải một lượng khí radon vào trong phổi thì chúng có thể sẽ tạo ra sự chiếu xạ với các mô nhạy cảm, mà các mô này thì không có lớp bảo vệ bên ngoài giống như da.

Bức xạ Beta: Bao gồm các electron nhỏ hơn rất nhiều so với các hạt alpha và nó có thể thấm sâu hơn. Bức xạ bêta có thể bị cản lại bởi tấm kim loại, tấm kính hay chỉ bởi lớp quần áo bình thường. Nó cũng có thể xuyên qua được lớp ngoài của da và khi đó nó sẽ làm tổn thương lớp da bảo vệ. Trong vụ tai nạn ở nhà máy điện hạt nhân Chernobyl năm 1986, các tia bêta mạnh đã làm cháy da những người cứu hoả. Nếu các bức xạ bêta phát ra trong cơ thể, nó có thể chiếu xạ trong các mô trong đó.

Bức xạ Gamma: Bức xạ gamma là năng lượng sóng điện từ. Nó đi được khoảng cách lớn trong không khí và có độ xuyên mạnh. Khi tia gamma bắt đầu đi vào vật chất, cường độ của nó cũng bắt đầu giảm. Trong quá trình xuyên vào vật chất, tia gamma va chạm với các nguyên tử. Các va chạm đó với tế bào của cơ thể sẽ làm tổn hại cho da và các mô ở bên trong. Các vật liệu đặc như chì, bê tông là tấm chắn lý tưởng đối với tia gamma.

Bức xạ tia X: Bức xạ tia X tương tự như bức xạ gamma, nhưng bức xạ gamma được phát ra bởi hạt nhân nguyên tử, còn tia X do con người tạo ra trong một ống tia X mà bản thân nó không có tính phóng xạ. Vì ống tia X hoạt động bằng điện, nên việc phát tia X có thể bật, tắt bằng công tắc.

Bức xạ Nơtron: Bức xạ nơtron được tạo ra trong quá trình phát điện hạt nhân, bản thân nó không phải là bức xạ ion hoá, nhưng nếu va chạm với các hạt nhân khác, nó có thể kích hoạt các hạt nhân hoặc gây ra tia gamma hay các hạt điện tích thứ cấp gián tiếp gây ra bức xạ ion hoá. Nơtron có sức xuyên mạnh hơn tia gamma và chỉ có thể bị ngăn chặn lại bởi tường bê tông dày, bởi nước hoặc tấm chắn paraphin.

Các bức xạ ion hóa góp phần vào việc ion hóa các phần tử trong cơ thể sống, tùy theo liều lượng nhận được và loại bức xạ, hiệu ứng của chúng có thể gây hại ít nhiều cho cơ thể. Có hai cơ chế tác động bức xạ lên cơ thể con người:


Cơ chế trực tiếp: bức xạ trực tiếp gây iôn hóa các phân tử trong tế bào làm đứt gãy liên kết trong các gen, các nhiễm sắc thể, làm sai lệch cấu trúc và tổn thương đến chức năng của tế bào. Cơ chế gián tiếp: Khi phân tử nước trong cơ thể bị ion hóa sẽ tạo ra các gốc tự do, các gốc này có hoạt tính hóa học mạnh sẽ hủy hoại các thành phần hữu cơ trong tế bào, như các enzyme, protein, lipid trong tế bào và phân tử ADN, làm tê liệt các chức năng của các tế bào lành khác. Khi số tế bào bị hại, bị chết vượt quá khả năng phục hồi của mô hay cơ quan thì chức năng của mô hay cơ quan sẽ bị rối loạn hoặc tê liệt, gây ảnh hưởng đến sức khỏe.
Hiệu ứng tức thời: Khi cơ thể nhận được một sự chiếu xạ mạnh bởi các bức xạ ion hóa, và trong một thời gian ngắn sẽ gây ra hiệu ứng tức thời lên cơ thể sống. Làm ảnh hưởng trực tiếp đến hệ mạch máu, hệ tiêu hóa, hệ thần kinh trung ương. Các ảnh hưởng trên đều có chung một số triệu chứng như: buồn nôn, ói mửa, mệt mỏi, sốt, thay đổi về máu và những thay đổi khác. Đối với da, liều cao của tia X gây ra ban đỏ, rụng tóc, bỏng, hoại tử, loét, đối với tuyến sinh dục gây vô sinh tạm thời .
Hiệu ứng lâu dài: Chiếu xạ bằng các bức xạ ion hóa với liều lượng cao hay thấp đều có thể gây nên các hiệu ứng lâu dài dưới dạng các bệnh ung thư, bệnh máu trắng, ung thư xương, ung thư phổi, đục thủy tinh thể, giảm thọ, rối loạn di truyền... Bức xạ từ tia α khi đi vào cơ thể mô sống, chúng sẽ bị hãm lại một cách nhanh chóng và truyền năng lượng của chúng ngay tại chỗ. Vì vậy với cùng một liều lượng như nhau, nhưng tia α nguy hiểm hơn so với các tia β, γ là các bức xạ đi sâu vào sâu bên trong cơ thể và truyền từng phần năng lượng trên đường đi.

1.2.2. Một số kết quả đo liều môi trường trên thế giới

Ảnh hưởng của bức xạ tự nhiên đối với sức khoẻ con người giữ vai trò rất lớn không thể bỏ qua được. Việc biết và kiểm soát ảnh hưởng của nó đến chất lượng cuộc sống là cần thiết. ở các nước có nền kinh tế phát triển như Hoa Kỳ, Liên Xô (cũ), Anh,....đã nghiên cứu xác định phông bức xạ tự nhiên, cũng như xác định tổng liều hàng năm đã được tiến hành từ những năm 80 của thế kỷ 20.



Năm 1981, Mỹ đã công bố tài liệu đánh giá tổng liều chiếu hàng năm của phông bức xạ tự nhiên lên cơ thể con người trên toàn quốc (Bảng 1.2)

Bảng 1.2. Tổng liều chiếu hàng năm của phông bức xạ tự nhiên ở Mỹ [13]

Nguồn bức xạ

Suất liều chiếu (mSv/người)

- Bức xạ tia vũ trụ

0,45

- Bức xạ trên mặt đất




+ Chiếu ngoài

0,60

+ Chiếu trong

0,25

Tổng cộng

1,30

Từ năm 1993, các nước Bắc Âu gồm Đan Mạch, Phần Lan, Na Uy, Ireland và Thụy Điển đã công bố kết quả điều tra suất liều hiệu dụng của phông bức xạ tự nhiên trung bình hàng năm lên cộng đồng (Bảng 1.3)

Bảng 1.3. Kết quả điều tra suất liều hiệu dụng của phông bức xạ tự nhiên trung bình hàng năm lên cộng đồng ở một số nước Bắc Âu .

Loại nguồn

Phần Lan

Thụy Điển

Đan Mạch

Na Uy

Ireland

- Bức xạ gamma từ đất, vật liệu xây dựng (mSv)

0,5


0,5


0,3


0,5


0,2


- Hàm lượng radon trong nhà và nơi làm việc (mSv)

2,0


1,9


1,0


1,7


0,2


- Các nguyên tố phóng xạ trong cơ thể (mSv)

0,3


0,3


0,30


0,35


0,3


- Bức xạ vũ trụ (mSv)

0,3

0,3

0,3

0,3

0,3

Tổng cộng (mSv)

3,1

3,0

1,9

2,85

1,0


1.2.3. Các đơn vị đo liều bức xạ môi trường

Trong quá trình phân rã nguyên tố phóng xạ sẽ phát ra các tia phóng xạ, dưới dạng bức xạ anpha, bức xạ bêta, bức xạ gamma, bức xạ nơtron hay các mảnh phân chia… Khi tác dụng với môi trường vật chất, các bức xạ này có những khả năng gây ra sự ion hóa khác nhau. Và, để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các loại tia bức xạ này, các nhà khoa học hạt nhân đã đưa ra khái niệm liều bức xạ hạt nhân. Bao gồm:



1.2.3.1. Liều chiếu và suất liều chiếu

+) Liều chiếu (tia X và tia gamma) là tổng số điện tích cùng dấu được sinh ra khi tất cả các hạt mang điện (electron và ion dương) được giải phóng bởi photon trong một thể tích không khí chia cho khối lượng của không khí trong thể tích đó.



trong đó :



  • dQ là tổng điện tích cùng dấu sinh ra trong thể tích không khí.

  • dm là khối lượng của thể tích không khí đó.

+) Suất liều chiếu là liều chiếu tính cho một đơn vị thời gian.

Đơn vị thường dùng : liều chiếu (R), suất liều chiếu (R/s)



1.2.3.2. Liều hấp thụ và suất liều hấp thụ

+) Liều hấp thụ là năng lượng bức xạ bị hấp thụ trên đơn vị khối lượng của đối tượng bị chiếu xạ.



trong đó: dE là năng lượng truyền trung bình của bức xạ ion hóa cho vật chất có khối lượng dm.

+) Suất liều hấp thụ là liều hấp thụ trong một đơn vị thời gian.

Đơn vị thường dùng: Gray, kí hiệu Gy

1Gy = 1J/kg = 100rad

1rad = 100 erg/g ( 1rad là một lượng bức xạ đi qua vật chất truyền năng lượng 100erg cho 1 g vật chất)



1.2.3.3. Liều tương đương và hệ số phẩm chất

+) Liều tương đương bằng liều hấp thụ nhân với hệ số phẩm chất

+) Hệ số phẩm chất: mỗi loại bức xạ có khả năng ion hóa khác nhau và được đặc trưng bởi một đại lượng gọi là hệ số phẩm chất, kí hiệu Q.

Đơn vị : rem (Roentgen Equivalent Man)

1rem = 1rad. Q

Trong hệ SI : liều tương đương sinh học có đơn vị là Sievert (Sv)

1Sv = 1Gy*Q = 100rem

Bảng 1.4: Hệ số phẩm chất của các loại bức xạ


Loại bức xạ và năng lượng của nó

Hệ số phẩm chất

Photon với tất cả năng lượng

1

Electron và muon, tất cả năng lượng

1

Neutron :

  • < 10keV

  • 10keV tới 100keV

  • 100keV tới 2MeV

  • 2MeV tới 20MeV

  • 20MeV

Proton giật lùi, năng lượng > 2MeV

Hạt anpha, mảnh phân hạch, hạt nhân nặng



5

10

20



10

5

5



20

1.3. Hiện tượng nhiệt huỳnh quang.


1.3.1. Lịch sử phát triển :

Nhiệt phát quang là một hiện tượng thường khá phổ biến đối với các chất điện môi và bán dẫn tuy nhiên tuỳ theo từng chất và cấu trúc của từng loại vật liệu mà quá trình phát quang là khác nhau. Do đó, mà các nhà khoa học đã đi sâu, nghiên cứu lý thuyết chung cho hiện tượng này.

Năm 1930 Urbanh đã trình bày những khám phá đầu tiên của mình về hiện tượng nhiệt phát quang. Tuy nhiên, chỉ cho đến năm 1945, khi nhóm các nhà khoa học thuộc trường đại học tổng hợp Birmingham (Anh) là Randall và Wilkins, Galick và Gibson (1948) trình bày hệ thống về những kết quả nghiên cứu nhiệt phát quang thì đó mới thực sự có ý nghĩa và đã trở thành lý thuyết chung mở đường cho lĩnh vực nghiên cứu nhiệt phát quang.

Cũng nói thêm rằng, như đã biết bất kỳ vật nào có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ của môi trường xung quanh thì đều có khả năng phát ra bức xạ điện từ. Nhiệt độ của vật nhỏ, bức xạ do nó phát ra nằm trong vùng hồng ngoại, có tần số thấp. Nhiệt độ của vật càng cao, bức xạ điện từ do nó phát ra có tần số càng cao. Khi nhiệt độ của vật đủ lớn phổ do vật bức xạ ra sẽ bao gồm cả ánh sáng nhìn thấy. Hiện tượng vật bức xạ ra sóng điện từ khi được nung nóng như thế được gọi là hiện tượng bức xạ nhiệt, phổ nhiệt độ phát ra chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của vật. Song, đây không phải là hiện tượng nhiệt phát quang mà luận văn đang giới thiệu

Cùng với mục đích ứng dụng đo liều bức xạ ion hóa, kiểm soát môi trường phóng xạ, xác định tuổi của cổ vật…Phương pháp nhiệt phát quang hiện nay đã bắt đầu trở thành phương pháp phổ biến thông dụng để nghiên cứu cấu trúc vật liệu hay sự phân bố của các bẫy bắt điện tử trong vật liệu nhờ các kỹ thuật tương đối đơn giản.

1.3.2. Cơ chế hoạt động nhiệt huỳnh quang


Nhiệt huỳnh quang là hiện tượng các chất cách điện (điện môi) hoặc chất bán dẫn điện phát ra ánh sáng khi bị nung nóng nếu như trước đó các vật liệu này đã được chiếu xạ bởi các bức xạ ion hóa như: tia X, tia anpha, tia beta, tia gamma...

Như vậy, đối với vật liệu nhiệt phát quang ta cần lưu ý những điều sau:

- Vật liệu phải là chất điện môi hay bán dẫn.

- Vật liệu đã có khoảng thời gian hấp thụ năng lượng trong quá trình được phơi chiếu bởi bức xạ ion hóa.

- Nhiệt chỉ đóng vai trò kích thích chứ không phải là nguyên nhân chính gây sự phát quang.

- Các vật liệu này sau khi đã được kích thích nhiệt để phát quang thì khi nâng nhiệt một lần nữa cũng sẽ không phát quang, do electron đã thoát ra khỏi bẫy. Nếu muốn phát quang thì vật liệu cần chiếu xạ lần nữa.

Mô hình cấu trúc các vùng hoạt động năng lượng của hiện tượng nhiệt huỳnh quang được chỉ trong Hình 1.1. Đây là cấu trúc vùng năng lượng đơn giản nhất mô tả hiện tượng nhiệt huỳnh quang, còn được gọi là mô hình động học bậc 1- mô hình Randall Wikins


Vùng dẫn





: Điện tử E b d

: Lỗ trống De

a Ef

hv

e Dh

Vùng hoá trị



hv

Hình 1.1: Mô hình năng lượng thể hiện những vị trí của điện tử trong vật liệu nhiệt phát quang (theo Aitken M.J.1985)


Theo mô hình này, chúng ta thấy rằng, mức năng lượng T là mức bẫy electron và nằm trên mức năng lượng Fermi EF. Trước khi vật liệu được chiếu xạ, mức này trống không chứa các điện tử tự do. Một mức khác (mức R) là một thế bẫy lỗ trống và có chức năng như một tâm tái hợp, mức này nằm bên dưới mức năng lượng Fermi.

Khi chiếu xạ vật liệu bằng các tia X, tia anpha, tia beta hay tia gamma, nguyên tử sẽ bị ion hóa, các electron sẽ nhận năng lượng bức xạ này để nhảy lên vùng dẫn và chuyển động tự do trong vùng này, đồng thời tạo ra các lỗ trống trong vùng hóa trị (quá trình a). Các hạt này có thể tái hợp với nhau và giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng hoặc có thể bị bắt lại tại các bẫy. Đối với những chất cách điện hoặc bán dẫn, số lượng các hạt bị bẫy là rất thấp vào khoảng một vài trăm, trong đó electron bị bẫy ở mức T và lỗ trống ở mức R ( quá trình b, e). Các electron sẽ nằm tại bẫy trong trạng thái giả bền và khi chúng nhận đủ năng lượng chúng sẽ thoát khỏi bẫy lên vùng dẫn (quá trình c), sau đó tái hợp với lỗ trống tại tâm tái hợp đồng thời phát ra ánh sang (quá trình d).

Như vậy, quá trình phát huỳnh quang sẽ có thời gian trì hoãn bằng thời gian của các electron trong bẫy với phương trình

P = τ-1 = se-E/kT

Ở đây:

p là xác suất giải phóng electron khỏi bẫy do tác động nhiệt



s là hệ số tần số thoát có thứ nguyên là giây-1 .

Ý nghĩa vật lý của hệ số này là bẫy điện tử đã được xem như một hố thế và được đặc trưng bởi hệ số thoát s (s là tích của tần số va chạm điện tử với vách hố thế và hệ số phản xạ). Do vậy, có thể xem s có độ lớn bằng tần số dao động của mạng tinh thể.

Hiện tượng phát quang xảy ra là do chúng ta đã cung cấp năng lượng cho các electron dưới dạng nhiệt làm cho các điện tử này thoát khỏi hố bẫy và chuyển dịch về mức cơ bản cùng với đó là phát ra những phôtôn ánh sáng trong miền khả kiến.

1.4. Liều kế nhiệt huỳnh quang LiF(Mg, Cu, P)

1.4.1. Đặc trưng nhiệt huỳnh quang của LiF(Mg,Cu,P)


1.4.1.1. Nhóm vật liệu gốc lithium florua

Nhóm vật liệu gốc lithium florua (LiF) bao gồm có hai họ vật liệu phổ biến là LiF:Mg,Ti (ký hiệu thương phẩm là TLD-100) và LiF:(Mg,Cu,P). Tuy nhiên, bức xạ nhiệt huỳnh quang của nhóm vật liệu LiF: Mg,Ti có tới 10 đỉnh từ nhiệt độ phòng đến 4000C; các đỉnh ở nhiệt độ cao chỉ có thể thấy rõ khi chiếu xạ ở liều cao. Vật liệu này nhìn chung có độ nhạy không cao và ít ổn định.

Đối với vật liệu LiF:(Mg,Cu,P) thì chỉ có 6 đỉnh trong cùng khoảng nhiệt độ trên. Ngoài ra, còn có một đỉnh nhỏ ở nhiệt độ khoảng 4800C. Tuy nhiên chỉ sau khi chiếu liều rất cao, đỉnh này mới xuất hiện.

Tương tự như các loại vật liệu nhiệt huỳnh quang khác, dạng đường cong của LiF:Mg,Cu,P thay đổi tùy theo nồng độ của chất tạo khuyết tật và phương pháp gia công xử lý nhiệt độ mẫu. Chẳng hạn, chiều cao của đỉnh chính thay đổi đáng kể theo nồng độ của nguyên tố. Ngoài ra đường cong nhiệt huỳnh quang của LiF : (Mg,Cu,P) cũng có thể bị thay đổi bởi cách xử lý nhiệt khác nhau. Chảng hạn khi nung ở nhiệt độ thấp, cấu trúc của đường cong nhiệt huỳnh quang hơi khác với cấu trúc nhiệt huỳnh quang khi nung ở chế độ được đề nghị cao hơn.

Khi vật liệu được nung ở nhiệt độ cao hơn 2400C sẽ gây ra một vài thay đổi về hình dạng của đường cong nhiệt huỳnh quang. Với sự nỗ lực rất lớn để làm ổn đỉnh cấu trúc đường cong nhiệt huỳnh quang, người ta đã thu được độ lặp lại tốt hơn bằng cách cải thiện quá trình chuẩn bị mẫu. Nói cách khác, các nhà nghiên cứu cố gắng xây dựng một chương trình gia công xử lý nhiệt thích hợp để nhằm làm giảm độ cao của các đỉnh nhiệt độ cao hơn mặc dù các đỉnh này là đáng tin cậy cho tín hiệu còn dư và cho việc tái sản xuất.

Ngoài ra khi được chiếu bởi nguồn nơ-tron nhiệt, dạng của đường cong LiF:(Mg,Cu,P) không có sự thay đổi rõ ràng. Điều này khác với TLD-100 ở đó các đỉnh nhiệt độ cao hơn tăng theo sự chiếu xạ nơ-tron nhiệt.



1.4.1.2. Phổ phát xạ nhiệt huỳnh quang

Bước sóng phát ra của LiF :Mg,Cu,P ngắn hơn so với bước sóng phát ra của vật liệu TLD-100. Tâm của vùng phát xạ nằm trong khoảng bước sóng 420nm còn đối với LiF:Mg,Cu,P tâm nằm trong khoảng 350-370nm. Trong hầu hết các hệ đo nhiệt huỳnh quang hiện nay nhà thiết kế đếu có bố trí một bộ lọc quang học trong hệ thống dẫn quang của máy đo. Phổ phát xạ của tâm lọc thông thường tại 450 – 500nm và đối với TLD-100 thì khá thích hợp. Song, đối với LiF:Mg,Cu,P tâm phát xạ cần được chuyển dịch về phía vùng tử ngoại khoảng 50nm. Với việc lựa chọn bộ lọc phù hợp, có thể sẽ làm tăng độ nhạy của LiF:Mg,Cu,P lên khoảng 10 - 30%.

Với nồng độ khác nhau, độ nhạy nhiệt huỳnh quang và dạng của đường cong thay đổi nhiều trong khi đó phổ phát xạ thay đổi ít. Tương tự như trường hợp này, các kết quả thực nghiệm cũng đã chứng minh rằng với cách xử lí nhiệt khác nhau, phổ phát xạ của LiF:(Mg,Cu,P) thay đổi chút ít nhưng dạng của các đường cong thay đổi nhiều.

1.4.1.3. Đáp ứng liều

Một trong những đòi hỏi nghiêm ngặt đối với vật liệu nhiệt huỳnh quang dùng trong đo liều phóng xạ là phải có độ tuyến tính tốt trong vùng liều đo. Nghĩa là mối tương quan giữa lượng tín hiệu nhiệt huỳnh quang phát ra từ mẫu phải tỷ lệ thuận với lượng liều bức xạ ion hóa chiếu lên mẫu. Khái niệm này còn được hiểu là đáp ứng liều của vật liệu nhiệt huỳnh quang.

Chúng ta biết rằng có sự tuyến tính khá tốt trong đáp ứng liều của loại vật liệu nhiệt huỳnh quang TLD-100, nhưng đối với loại vật liệu LiF:Mg,Cu,P mặc dù với cùng chất nền là tinh thể LiF nhưng sự tương ứng liều của nó vẫn ít tuyến tính. Điều này có nghĩa là sự tương ứng liều phụ thuộc mạnh vào các chất pha tạp (dopants).

Các kết quả thí nghiệm đã chỉ ra rằng đối với tinh thể LiF chỉ có chất pha tạp là Mg, đáp ứng liều là tuyến tính, nhưng khi pha thêm chất pha tạp thứ hai chẳng hạn đồng (Cu) đáp ứng liều trở nên ít tuyến tính hơn.

Vùng tuyến tính của LiF:Mg,Cu,P có thể lên đến 10 – 15Gy. Thông thường khi với mức liều chiếu cao hơn, đáp ứng liều của vật liệu nhiệt huỳnh quang sẽ suy giảm, tức là lượng tín hiệu nhiệt huỳnh quang phát ra sẽ có xu hướng tiến về mức bão hòa nào đó mà không còn tăng tương ứng với giá trị liều chiếu, độ tuyến tính sẽ suy giảm. Đối với vật liệu LiF(Mg,Cu,P) sản xuất tại Bắc Kinh (Trung Quốc), sự hạ tuyến tính bắt đầu xuất hiện khi giá trị liều đạt đến 12Gy. Nhìn chung, đó là mức liều cực đại cho phổ biến các vật liệu dùng trong đo liều nhiệt huỳnh quang. Tuy nhiên, các nhà khoa học Italia khi đo đáp ứng liều của loại vật liệu GR-200 đã cho thấy vùng tuyến tính lên đến 18Gy. Với chùm electron năng lượng 15MeV thì vùng tuyến tính chỉ lên đến 10Gy.

1.4.2 Xử lí nhiệt cho vật liệu nhiệt huỳnh quang


Một trong những ưu điểm nổi bật khi ứng dụng vật liệu nhiệt huỳnh quang để đo liều bức xạ ion hóa và khả năng tái sử dụng chúng. Tuy nhiên, một trong những yêu cầu bắt buộc để có thể tái sử dụng loại vật liệu này là cần có quy trình xử lí nhiệt hết sức chính xác và chặt chẽ.

Như đã nêu trên LiF(Mg,Cu,P) rất nhạy với xử lí nhiệt. Việc nung nóng cao hơn 2450C trước khi chiếu xạ sẽ có thể làm thay đổi cấu trúc vật liệu và làm suy giảm độ nhạy nhiệt huỳnh quang của nó. Đã có một số công trình nghiên cứu cho rằng đường cong phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ nung (Aitken 1985). Thông thường các cơ sở sản xuất sẽ khuyến cáo nhiệt độ nung tối ưu cho mỗi loại vật liệu. Tuy nhiên, ngay cả khi chúng ta nung ở nhiệt độ này một thời gian dài cũng sẽ gây ra sự suy giảm độ nhạy nhiệt huỳnh quang của nó. Trong trường hợp tín hiệu dư là không đáng kể thì điều này cũng có thể chấp nhận được. Thời gian nung mẫu nên càng ngắn càng tốt. Với nguyên lí này, sử dụng liều kế trong trường hợp đo liều thấp thì không cần thiết phải nung, chúng ta vẫn có được một liều kế tái sử dụng cho kết quả tốt. Các nhà khoa học Italia và Israel đã chỉ định giải pháp nung liều kế LiF(Mg,Cu,P) lên đến 2600C hoặc 2700C trong khoảng 10 giây và sau 50 lần tái sử dụng không nung, độ nhạy nhiệt huỳnh quang của chúng cũng chỉ mất khoảng 5%. Nhưng trong trường hợp làm việc với các mức liều chiếu cao, thì nên nung mẫu với chế độ nhiệt thích hợp để loại bỏ lượng tín hiệu nhiệt huỳnh quang dư trước đó.


1.4.3. Một số đặc trưng cơ bản của vật liệu nhiệt huỳnh quang


Lúc đầu, vật liệu LiF:Mg,Cu,P rất dễ bị ảnh hưởng bởi không khí ẩm. Tuy nhiên, hiện nay sau nhiều cải tiến, liều kế loại này không còn bị ảnh hưởng bởi không khí ẩm nữa. Tốc độ làm lạnh cũng cần phải được chú ý trong việc xử lí nhiệt. Nó ảnh hưởng đến dạng đường cong nhiệt huỳnh quang cũng như độ nhạy nhiệt huỳnh quang của mẫu. Việc làm lạnh sau khi nung nên tiến hành càng nhanh càng tốt để tránh làm giảm độ nhạy nhiệt huỳnh quang. Trong ứng dụng thực tế, cần đặc biệt chú ý đối với vấn đề xử lí nhiệt, thường không quá 2400C và không thực hiện trong thời gian dài. Đặc trung chủ yếu của một số vật liệu nhiệt huỳnh quang được chỉ trong Bảng 1.3.

Bảng 1. 5: Các đặc trưng của một số vật liệu nhiệt huỳnh quang


Vật liệu nhiệt huỳnh quang

LiF:Mg,Ti

(TLD-100)



CaSO4:Dy

LiF:Mg,Cu,P

(Bắc Kinh)



Độ nhạy nhiệt huỳnh quang tương đối

1

30

30 (vùng tích hợp)

40 (chiều cao đỉnh)



Bước sóng cực đại phát ra

425nm

480, 570nm

380nm

Ngưỡng dò với nhiệt độ qui ước

50nGy

1mGy – 30Gy

0,1mGy – 12Gy

Đáp ứng năng lượng

1,3 keV

10 -12 keV

0,8keV

Vùng tuyến tính

50mGy – 3mGy

10 – 20

0,8keV

Đỉnh cong

210

220

210

Tiền chiếu xạ

4000C --1h

4000C --1h

2400C – 10 phút

Xử lí nhiệt

800C – 24h






Nói chung, trong các loại vật liệu nhiệt huỳnh quang đang được sử dụng phổ biến, có thể phân chia thành 2 loại: một loại có sự tương đương mô tốt nhưng độ nhạy nhiệt huỳnh quang tương đối thấp chẳng hạn LiF:Mg,Ti (TLD-100), BeO và loại còn lại là có độ nhạy nhiệt huỳnh quang cao phụ thuộc năng lượng thấp như CaSO4 và CaF2. LiF:Mg,Cu,P là loại vật liệu kết hợp được hai ưu điểm của hai loại vật liệu trên, nó có độ nhạy nhiệt huỳnh quang cao và phụ thuộc năng lượng tốt. Điều này rất có ý nghĩa trong việc ứng dụng vào lĩnh vực đo liều lượng bức xạ trong y tế và môi trường.

Điều cần phải chú ý đặc biệt khi sử dụng các loại vật liệu này là quá trình xử lí nhiệt. Các công trình nghiên cứu trước đây về chúng đều đã chứng minh rằng việc rửa nhiệt với nhiệt độ trên 2400C sẽ làm giảm độ nhạy nhiệt huỳnh quang của nó. Ngày nay, khi quá trình xử lí nhiệt đều được điều khiển bằng các máy tính nên việc hoạt động này sẽ rất chính xác. Nhóm Horowitz đã cho biết kết quả kiểm tra của họ với loại vật liệu GR-200A (vật liệu LiF:Mg,Cu,P) sau 60 lần tái sử dụng, độ nhạy nhiệt huỳnh quang giảm mất 3% và thực tế có thể coi đây là kết quả khá tốt.

1.4.4. Nguyên lí chung về đo tín hiệu nhiệt huỳnh quang


Sơ đồ nguyên lý chung bố trí các phần tử hợp thành trong một hệ thống đo nhiệt huỳnh quang được chỉ trong Hình 1.2



Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý chung của một hệ thống đo nhiệt huỳnh quang (theo Aitken M.J.1985)

Hình trên cho thấy, điều lưu ý là trong hệ đo nhiệt huỳnh quang, ngoài ống nhân quang điện và các bộ phận xử lý tín hiệu như máy đo phóng xạ thông thường còn có bộ phận nung và xử lý nhiệt độ



: files -> ChuaChuyenDoi
ChuaChuyenDoi -> ĐẠi học quốc gia hà NỘi trưỜng đẠi học khoa học tự nhiên nguyễn Thị Hương XÂy dựng quy trình quản lý CÁc công trìNH
ChuaChuyenDoi -> TS. NguyÔn Lai Thµnh
ChuaChuyenDoi -> Luận văn Cao học Người hướng dẫn: ts. Nguyễn Thị Hồng Vân
ChuaChuyenDoi -> 1 Một số vấn đề cơ bản về đất đai và sử dụng đất 05 1 Đất đai 05
ChuaChuyenDoi -> Lê Thị Phương XÂy dựng cơ SỞ DỮ liệu sinh học phân tử trong nhận dạng các loàI ĐỘng vật hoang dã phục vụ thực thi pháp luật và nghiên cứU
ChuaChuyenDoi -> TRƯỜng đẠi học khoa học tự nhiên nguyễn Hà Linh
ChuaChuyenDoi -> ĐÁnh giá Đa dạng di truyền một số MẪu giống lúa thu thập tại làO
ChuaChuyenDoi -> TRƯỜng đẠi học khoa học tự nhiêN
ChuaChuyenDoi -> TRƯỜng đẠi học khoa học tự nhiên nguyễn Văn Cường


1   2   3   4   5


Cơ sở dữ liệu được bảo vệ bởi bản quyền ©hocday.com 2019
được sử dụng cho việc quản lý

    Quê hương