Luận Án Tiến Sĩ Vật Lý Nghiên Cứu Và Phát Triển Vật Liệu Lithium Aluminate (Lialo2) Để Đo Liều Photon.pdf

98 Trang 8 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt ANN Artificial Neural Network Mạng nơron nhân tạo E Activation Energy Năng lượng kích hoạt EDTA Ety

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

-

NGUYỄN THỊ THU HÀ

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU LITHIUM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Hà Nội – 2023

Luận án tiến sĩ

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

-

NGUYỄN THỊ THU HÀ

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU LITHIUM

Trang 3

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của TS Trịnh Văn Giáp và TS Nguyễn Trọng Thành Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng bảo

Trang 4

Lời đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới hai thầy hướng dẫn

là TS Trịnh Văn Giáp và TS Nguyễn Trọng Thành đã tận tình hướng dẫn truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong chuyên môn, động viên

và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án

Tác giả xin gửi lời cảm ơn các thầy cô, các cán bộ tham gia giảng dạy và công tác tại Trung tâm Đào tạo hạt nhân - Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ và hỗ trợ mọi thủ tục cần thiết cho tác giả

trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án

Trong quá trình thực hiện luận án “Nghiên cứu và phát triển vật liệu lithium aluminate (LiAlO 2 ) để đo liều photon”, tác giả đã nhận được rất nhiều

sự giúp đỡ, tạo điều kiện của tập thể ban lãnh đạo, các nhà khoa học, cán bộ Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân, Viện Khoa học vật liệu, Trung tâm Đào tạo Hạt nhân Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó

Cuối cùng tác giả muốn giành tình cảm chân thành gửi lời cảm ơn bố mẹ, người thân và đặc biệt là người chồng yêu quý đã luôn ở bên cạnh động viên, hỗ trợ và giúp đỡ tôi học tập, làm việc và hoàn thành luận án

Luận án không tránh khỏi còn nhiều khiếm khuyết, thiếu sót, tác giả mong muốn nhận được những ý kiến đóng góp của quí thầy cô, nhà khoa học, đồng nghiệp và những người quan tâm, để tác giả tiếp tục hoàn thiện luận án của mình

Hà Nội, ngày tháng năm 2023

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Thị Thu Hà

Trang 5

iii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 3

1.1 Tương tác của bức xạ với vật chất 3

1.1.1 Sự ion hóa trực tiếp và gián tiếp 3

1.1.2 Tương tác của bức xạ ion hóa với vật chất 4

1.2 Các đại lượng, đơn vị và phương pháp đo liều bức xạ 9

1.2.1 Các đại lượng và đơn vị trong đo liều bức xạ 9

1.2.2 Các phương pháp đo liều bức xạ 14

1.2.3 Phương pháp đo liều nhiệt phát quang 15

1.2.4 Các tham số động học trong đo liều nhiệt phát quang 23

1.2.5 Vật liệu dùng trong đo liều nhiệt phát quang 28

1.3 Tổng quan về vật liệu LiAlO 2 29

1.3.1 Vật liệu LiAlO 2 và ứng dụng trong đo liều bức xạ 29

1.3.2 Tổng quan nghiên cứu về vật liệu LiAlO 2 trên thế giới và trong nước 35

1.4 Tiểu kết chương 1 40

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VẬT LIỆU LiAlO2 41

2.1 Phương pháp chế tạo vật liệu LiAlO 2 41

2.1.1 Dụng cụ và thiết bị chính dùng cho chế tạo vật liệu 41

2.1.2 Phương pháp chế tạo vật liệu LiAlO 2 42

2.2 Khảo sát đặc trưng cấu trúc hình thái học của vật liệu LiAlO 2 45

2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 45

2.2.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 46

2.3 Nghiên cứu khảo sát đặc tính đo liều của vật liệu LiAlO 2 48

2.3.1 Nguồn chiếu xạ 48

2.3.2 Thiết bị đo nhiệt phát quang 48

2.4 Phân tích đường cong TL của LiAlO 2 bằng phương pháp giải chập 49

Trang 6

iv

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU

LiAlO2 53

3.1 Kết quả chế tạo và khảo sát đặc trưng cấu trúc của vật liệu LiAlO 2 53

3.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết và giá trị pH đến cấu trúc pha của mẫu được chế tạo 53

3.1.2 Kết quả đo phổ nhiễu xạ tia X 55

3.1.3 Kết quả đo kính hiển vi điện tử quét 59

3.2 Kết quả nghiên cứu khảo sát đặc tính đo liều của vật liệu γ-LiAlO 2 60

3.2.1 Phông và giới hạn phát hiện của LiAlO 2 60

3.2.2 Độ đồng đều của vật liệu LiAlO 2 sau khi được chế tạo 61

3.2.3 Độ tuyến tính 62

3.2.4 Độ nhạy tín hiệu nhiệt phát quang của LiAlO 2 63

3.2.5 Nghiên cứu, khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu LiAlO 2 65

3.2.6 Đáp ứng liều của vật liệu LiAlO 2 65

3.2.7 Độ suy giảm tín hiệu TL sau khi chiếu xạ 68

3.3 Nghiên cứu, khảo sát đường cong TL và các tham số bẫy của vật liệu LiAlO 2 72

3.3.1 Dạng đường cong ứng với các loại bức xạ khác nhau 72

3.3.2 Nghiên cứu khảo sát tín hiệu TL của vật liệu LiAlO 2 khi thay đổi tốc độ gia nhiệt 74

3.4 Phân tích đường cong TL của LiAlO 2 bằng phương pháp giải chập 79

3.4.1 Đường cong TL mô phỏng được so sánh với đường cong thực nghiệm của vật liệu LiAlO 2 được chế tạo bằng phương pháp sol-gel 80

3.4.2 Đường cong TL mô phỏng được so sánh với đường cong thực nghiệm của vật liệu LiAlO 2 được chế tạo bằng phương pháp sol-gel kết hợp với EDTA 84

Chương 4 ÁP DỤNG MẠNG NƠRON NHÂN TẠO ĐỂ NHẬN DẠNG, ĐÁNH GIÁ LIỀU CỦA VẬT LIỆU LiAlO 2 90

4.1 Giới thiệu mạng nơron nhân tạo 90

4.1.1 Khái niệm mạng nơron nhân tạo 90

4.1.2 Phân loại mạng nơron nhân tạo 90

4.1.3 Mô hình mạng nhiều lớp 93

4.1.4 Quá trình học của mạng nơron 93

Trang 7

v

4.1.5 Thuật toán lan truyền ngược 95

4.2 Xây dựng cấu trúc mô hình mạng 96

4.3 Xây dựng cơ sở dữ liệu dùng cho việc huấn luyện mạng 97

4.4 Quá trình huấn luyện 98

4.5 Kết quả áp dụng mạng nơron nhân tạo để nhận dạng, đánh giá liều của vật liệu LiAlO 2 100

4.5.1 Kết quả áp dụng ANN để nhận dạng, đánh giá liều của vật liệu LiAlO 2 sau 52 lần học 100

4.5.2 Kết quả áp dụng ANN để nhận dạng, đánh giá liều của vật liệu LiAlO 2 sau 109 lần học 102

4.5.3 Viết chương trình thu thập, tính toán dữ liệu, ứng dụng mạng nơron 105

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 110

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115

PHỤ LỤC 1 123

PHỤ LỤC 2 128

Trang 8

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

ANN Artificial Neural Network Mạng nơron nhân tạo

EDTA Etylen Diamin Tetra Acetic Hợp chất hóa học EDTA EPR Electron Paramagnetic Resonance Cộng hưởng thuận từ điện tử

ICRP International Commission on

Radiation Protection

Ủy ban quốc tế về An toàn bức

xạ

ICRU International Commission on

Radiation Units and Measurements

Ủy ban quốc tế về đơn vị và đo lường bức xạ

MLP Multilayer perceptron Mạng truyền thẳng nhiều lớp OSL Optical Stimulated Luminesence Phát quang cưỡng bức quang

SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét

TLD Thermo-Luminescence Detector Đầu dò nhiệt phát quang

TSC Thermal Stimulated Conductivity Độ dẫn điện cưỡng bức nhiệt TSL Thermally Stimulated

Luminescence

Phát quang cưỡng bức nhiệt

Trang 9

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

1.1 Giá trị trọng số bức xạ (wR) của một số loại bức xạ ion

hóa có năng lượng khác nhau

12

1.2 Giá trị trọng số mô wT được ICRP khuyến cáo 13 1.3 Một vài tính chất của lithium aluminate 30 1.4 Đặc tính đo liều của một số vật liệu nhiệt phát quang 39 3.1 Cấu trúc pha của vật liệu bị ảnh hưởng bởi việc điều

chỉnh giá trị pH khi được thiêu kết ở nhiệt độ 600 0C

53

3.2 Cấu trúc pha của vật liệu bị ảnh hưởng bởi việc điều

54

3.3 Cấu trúc pha của vật liệu bị ảnh hưởng bởi việc điều

LiAlO2 được chế tạo bằng phương pháp sol-gel kết hợp

với EDTA sau khi được chiếu bức xạ gamma 4mGy

65

3.9 Suy giảm tín hiệu TL của một số vật liệu khác nhau sử

dụng trong đo liều bức xạ và vật liệu do chúng tôi chế

3.11 Các tham số bẫy xác định bằng phương pháp dạng đỉnh

của LiAlO2 được chiếu xạgamma 0,3 Gy với tốc độ gia

nhiệt 5 0C/s

77

Trang 10

viii

3.12 Các tham số bẫy xác định bằng phương pháp dạng đỉnh của

LiAlO 2 được chiếu xạ beta 30 phút với tốc độ gia nhiệt 10

0 C/s

77

3.13 Các tham số động học tính bằng phương pháp vị trí

đỉnh của LiAlO2 được chiếu xạ chiếu xạ gamma 0,3 Gy

với tốc độ gia nhiệt 5 0C/s

3.16 Các tham số bẫy của LiAlO2 được chế tạo bằng sol-gel

với EDTA chiếu bức xạ gamma 0,3 Gy

P2.1 Bảng kết quả tính toán của mạng nơron sau 52 lần học 128

P2.2 Bảng kết quả tính toán của mạng nơron sau 109 lần

học

131

Trang 11

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

1.6 Hiệu ứng tạo và hủy cặp điện tử - positron 8

1.7 Mô hình minh họa cấu trúc vùng năng lượng và các quá trình

dịch chuyển của các phần tử hạt tải (điện tử, lỗ trống) của hiện

tượng nhiệt phát quang

17

1.8 Các chuyển dời cho phép của mô hình đơn giản một tâm

một bẫy cho quá trình TL

18 1.9 Dạng hình học của các đại lượng τ, δ, ω 26 1.10 Các thành phần của liều kế nhiệt phát quang-TLD 29

1.12 Sơ đồ khối của việc tạo ra tritium trong một lò nhiệt hạch 32 1.13 Quá trình phát xạ photon của một chất điện môi hoặc chất

1.15 Giản đồ XRD của gel được chế tạo từ lithium butoxide và

aluminum butoxide được thiêu kết ở (a) 105 °C, (b) 250 °C,

Trang 12

x

2.1 Một số hình ảnh thiết bị chính dùng trong chế tạo LiAlO2 42 2.2 Sơ đồ chế tạo vật liệu LiAlO2 bằng phương pháp sol-gel 43 2.3 Sơ đồ quy trình tổng hợp LiAlO2 bằng phương pháp phản

4000

48

3.1

Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu được chế tạo bằng

phương pháp sol-gel nung ở nhiệt độ: (a) 600 0C; (b) 800 0C

3.2

Giản đồ nhiễu xạ tia X của LiAlO2 được chế tạo bằng

phương pháp pha rắn ở nhiệt độ nung (a) 900 0C, (b) 1000 0C

được so sánh với kết quả chế tạo bằng phương pháp sol-gel

được nung ở (c) 900 0C

57

3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu được chế tạo bằng

phương pháp sol-gel kết hợp với EDTA được nung ở nhiệt

độ khác nhau: (a) 600 0C, (b) 800 0C, (c) 900 0C và (d) 1000

0C

58

3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu LiAlO2 được chế tạo bằng

phương pháp LISOL ở các nhiệt độ khác nhau của tác giả

R.A Ribeiro và cộng sự [99]: (a) 5500C; (b) 7500C; (c)

9500C; (d) 11500C (x) a-LiAlO2, (+) η-Al2O3, (□) γ-LiAlO2,

(∆) LiAl5O8, (o) NaCl

58

3.5 Hình ảnh SEM của vật liệu LiAlO2 chế tạo bằng phương

pháp sol-gel nung ở các nhiệt độ khác nhau: (a) 600 0C; (b)

800 0C and (c) 900 0C

59

Trang 13

xi

3.6 Hình ảnh SEM của γ-LiAlO2 được chế tạo bằng phương

pháp sol-gel được nung ở 900 0C (a), và hình ảnh của

γ-LiAlO2 được chế tạo bằng phương pháp pha rắn được nung

ở 900 0C (b) và 1000 0C (c)

59

3.7 Hình ảnh SEM của vật liệu được chế tạo bằng phương pháp

sol-gel kết hợp với EDTA được nung ở nhiệt độ khác nhau:

(a) 600 0C, (b) 800 0C, (c) 900 0C và (d) 1000 0C 60

3.8 Hình ảnh SEM của γ-LiAlO2 được chế tạo bằng ba phương

pháp sau khi thiêu kết ở nhiệt độ 900 0C

60

3.9 Kết quả của 5 mẫu đo liều TL kiểm tra độ đồng đều của

lô vật liệu LiAlO2 được chế tạo bằng phương pháp

sol-gel kết hợp với EDTA được chiếu bức xạ gamma 4 mGy

3.11 Kết quả khảo sát độ nhạy TL của vật liệu LiAlO2 64

3.12 Đáp ứng liều gamma của vật liệu LiAlO2 được chế tạo

bằng phương pháp sol-gel

66

3.13 Đáp ứng liều chiếu beta của vật liệu LiAlO2 được chế tạo

bằng phương pháp sol-gel kết hợp với EDTA

66

bằng phương pháp sol-gel

67

bằng phương pháp sol-gel kết hợp với EDTA

68

3.16 Độ suy giảm tín hiệu nhiệt phát quang theo thời gian của

LiAlO2 được chế tạo bằng phương pháp sol-gel

69

Trang 14

xii

3.17 Độ suy giảm tín hiệu nhiệt phát quang theo thời gian của

LiAlO2 được chế tạo bằng phương pháp sol-gel kết hợp

với EDTA

70

3.18 Sự dịch chyển vị trí đỉnh của LiAlO2 được tổng hợp bằng

sol-gel và tổng hợp bằng sol-gel kết hợp với EDTA khi

chiếu xạ gamma được lưu giữ ở các khoảng thời gian khác

nhau

71

3.19 Tín hiệu TL của vật liệu γ-LiAlO2 chế tạo bằng phương

pháp sol-gel được chiếu các nguồn bức xạ khác nhau: 1-

chiếu xạ beta (90Sr); 2-chiếu xạ gamma (137Cs) Trên cùng

chế độ thí nghiệm ở tốc độ gia nhiệt 5 0C/s

72

3.20 Tín hiệu TL của vật liệu γ-LiAlO2 chế tạo bằng phương

pháp sol-gel kết hợp với EDTA được chiếu các nguồn bức

xạ khác nhau: 1-chiếu xạ beta (90Sr); 2-chiếu xạ gamma

(137Cs) Trên cùng chế độ thí nghiệm ở tốc độ gia nhiệt 5

0C/s

73

3.21 Đường cong nhiệt phát quang tích phân của LiAlO2 với

tốc độ gia nhiệt khác nhau

74

3.22 Cường độ TL của LiAlO2 với tốc độ gia nhiệt khác nhau 75

3.23 Xác định E và s từ giản đồ tương quan giữa ln(Tm2/β) và

1/kTm của đỉnh đo liều

76

3.24 Làm khớp hàm theo động học bậc 1 của LiAlO2 với 8 đỉnh

sau khi mẫu được chiếu gamma 0,3 Gy với tốc độ gia nhiệt

5 0C/s

80

5 0C/s

80

3.26 Làm khớp hàm theo động học bậc tổng quát của LiAlO2

với 8 đỉnh sau khi mẫu được chiếu gamma 0,3 Gy với tốc

độ gia nhiệt 5 0C/s

81

Trang 15

xiii

3.27 Ảnh hưởng của năng lượng kích hoạt E đến đường cong

nhiệt phát quang tích phân bằng phương pháp giải chập

82

3.28 Ảnh hưởng của bậc động học b đến đường cong nhiệt phát

quang tích phân bằng phương pháp giải chập

83

5 0C/s

84

5 0C/s

84

3.31 Làm khớp hàm theo động học bậc tổng quát của LiAlO2

với 6 đỉnh sau khi mẫu được chiếu gamma 0,3 Gy với tốc

độ gia nhiệt 5 0C/s

85

3.32 Ảnh hưởng của năng lượng kích hoạt E đến đường cong

nhiệt phát quang tích phân bằng phương pháp giải chập

86

3.33 Ảnh hưởng của bậc động học b đến đường cong nhiệt phát

quang tích phân bằng phương pháp giải chập

87

4.5 Sơ đồ mô hình ứng dụng nhận dạng, đánh giá cho vật liệu

LiAlO2

97

4.6 Sơ đồ mô hình mạng nhiều lớp ứng dụng nhận dạng đánh

giá cho vật liệu LiAlO2

97

4.8 Sơ đồ nghiên cứu, phân tích, nhận dạng, và xử lý kết quả

Trang 16

4.16 Chương trình đọc dữ liệu và hiển thị phổ 106

4.18 Hiển thị cài đặt cấu trúc mạng nơron 108 4.19 Giao diện chương trình C# sau khi áp dụng mạng nơron để

nhận dạng và đánh giá liều của vật liệu LiAlO2

108

Trang 17

1

MỞ ĐẦU

Đo liều bức xạ trong các lĩnh vực vật lý, y tế và an toàn bức xạ là các phép

đo, tính toán và đánh giá liều bức xạ ion hóa được hấp thụ bởi một vật thể, thường là cơ thể con người Điều này áp dụng cho cả xác định liều chuẩn trong

cơ thể (do nuốt hoặc hít phải các chất phóng xạ) hoặc liều chuẩn ngoài do phơi nhiễm bởi các nguồn bức xạ Đánh giá, đo liều chuẩn trong dựa trên một số kỹ thuật như giám sát, xét nghiệm sinh học hoặc chụp ảnh bức xạ, trong khi đo liều chuẩn ngoài dựa trên các phép đo bằng liều kế hoặc suy ra từ các phép đo được thực hiện bởi các thiết bị an toàn bức xạ khác Phép đo liều bức xạ đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực đo liều cá nhân, đo liều môi trường và nghiên cứu vật liệu Đây là phương pháp tin cậy để đánh giá liều bức xạ tích lũy theo thời gian đối với các nhân viên làm việc tiếp xúc với bức xạ Ngày càng có nhiều cơ sở y tế ứng dụng các thiết bị phát bức xạ và nguồn phóng xạ trong chẩn đoán và điều trị, chiếu xạ cộng hưởng nên nhu cầu liều kế có độ nhạy cao và tin cậy là hết sức cần thiết Có nhiều loại liều kế nhiệt phát quang

đã được nghiên cứu chế tạo như CaSO4: Dy; LiF: Mg, Ti; LiF: Mg, Cu, P; Li2B4O7: Cu; Al2O3:C…, đây là các liều kế thông dụng trong đo liều photon

Về tính chất nhiệt phát quang, các hợp chất chứa lithium có cường độ nhiệt phát quang cao, trong đó có vật liệu LiAlO2 Vật liệu này đã được nghiên cứu

và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như trong ghi đo bức xạ và trong

đo liều bức xạ Việc nghiên cứu và phát triển vật liệu mới này dùng trong đo liều photon rất có tiềm năng trong thực tế Trong nước đã có những nghiên cứu chế tạo vật liệu nhiệt phát quang ứng dụng trong đo liều như Li2B4O7:Cu; LiF:

Mg, Cu, P; Li2B4O7:Cu, Ag, P và CaSO4:Dy Tuy nhiên, để có thể sử dụng như một liều kế bức xạ, liều kế phải có ít nhất một tính chất vật lý là hàm của đại lượng được đo và có thể được sử dụng để đo liều bức xạ với sự hiệu chuẩn phù hợp Liều kế bức xạ phải thể hiện một số tính chất như độ chính xác, ngưỡng ghi nhận, đáp ứng liều tuyến tính, độ suy giảm, khả năng tái sử dụng… Không phải tất cả các liều kế đều có thể đáp ứng các yêu cầu về độ nhạy, độ bền, độ tương đương mô, dải liều tuyến tính…nên mặc dù đã có nhiều loại liều kế khác nhau nhưng hiện nay các vật liệu làm liều kế vẫn thu hút được sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu Trên thế giới cũng đã có một số tác giả nghiên cứu về vật liệu LiAlO2 nhưng hiện tại vật liệu này vẫn chưa trở thành vật liệu đo liều

thương mại Do đó, đề tài “Nghiên cứu và phát triển vật liệu lithium aluminate (LiAlO 2 ) để đo liều photon” là có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Trang 18

2

Xuất phát từ những yêu cầu trên, luận án tập trung vào ba mục tiêu chính sau:

1 Nghiên cứu phương pháp chế tạo vật liệu LiAlO2 đơn pha gamma

2 Nghiên cứu, khảo sát đặc trưng cấu trúc hình thái học của vật liệu LiAlO2 sau khi được chế tạo

3 Nghiên cứu, khảo sát một số đặc tính đo liều của vật liệu γ-LiAlO2 khi

được chiếu bức xạ gamma, beta

Trong luận án này, vật liệu LiAlO2 sau khi được chế tạo bằng ba phương pháp tổng hợp khác nhau được khảo sát đặc trưng cấu trúc hình thái học bằng các kỹ thuật điển hình nhiễu xạ tia X (XRD) và kính hiển vi điện tử quét (SEM) Vật liệu sau khi được chiếu bức xạ gamma, beta được tiến hành đo tín hiệu nhiệt phát quang trên thiết bị đọc liều Harshaw Bằng việc sử dụng các phương pháp phân tích, phương pháp làm khớp, các mô hình động học một số kết quả đặc tính đo liều, các tham số bẫy đã được nghiên cứu và báo cáo Ngoài ra, luận

án đã bước đầu xây dựng mạng nơron nhân tạo để nhận dạng, đánh giá liều của vật liệu LiAlO2 cũng được nghiên cứu và trình bày trong luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, nội dung chính của luận án được trình bày trong 4 chương như sau:

Chương 1 nghiên cứu tổng quan trình bày tương tác của bức xạ với vật chất, các đại lượng, đơn vị và phương pháp đo liều bức xạ, và tổng quan về vật liệu LiAlO2

Chương 2 trình bày phương pháp nghiên cứu và chế tạo vật liệu LiAlO2; phương pháp khảo sát đặc trưng cấu trúc hình thái học của LiAlO2 bằng kỹ thuật nhiễu xạ tia X (XRD) và kính hiển vi điện tử quét (SEM); phương pháp nghiên cứu, khảo sát đặc tính đo liều của vật liệu LiAlO2; khảo sát các tham số động học của LiAlO2 bằng các phương pháp khác nhau; xây dựng chương trình phân tích đường cong nhiệt phát quang tích phân của LiAlO2 bằng phương pháp giải chập

Chương 3 trình bày kết quả chế tạo và khảo sát đặc trưng cấu trúc hình thái học của vật liệu LiAlO2; kết quả đặc tính đo liều của vật liệu LiAlO2; Chương 4: Bước đầu xây dựng và áp dụng mạng nơ ron nhân tạo để nhận dạng, đánh giá liều và xác định các tham số động học của vật liệu LiAO2 sau khi được chế tạo

Trang 19

3

Chương 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Tương tác của bức xạ với vật chất

1.1.1 Sự ion hóa trực tiếp và gián tiếp

Bức xạ ion hóa là các loại bức xạ có khả năng gây nên hiện tượng ion hoá các nguyên tử, phân tử khi tương tác với môi trường vật chất Các loại bức xạ ion hoá chủ yếu bao gồm: các hạt mang điện như alpha, beta (electron và positron), proton, các ion nặng, các bức xạ điện từ (tia X, tia gamma, tia cực tím), hạt nơtron, các hạt cơ bản, Bức xạ ion hoá có hai loại: ion hóa trực tiếp

và ion hóa gián tiếp:

Ion hóa trực tiếp: Bức xạ ion hoá trực tiếp là loại bức xạ được tạo thành

từ các hạt mang điện có động năng đủ lớn để có thể gây nên hiệu ứng ion hoá (bứt electron ra khỏi vỏ nguyên tử)

Ion hóa gián tiếp: Bức xạ ion hoá gián tiếp là loại bức xạ gồm những thành

phần không có điện tích (bức xạ điện từ, nơtron) nhưng khi tương tác với môi trường chúng có thể làm sinh ra bức xạ ion hoá trực tiếp

Các bức xạ ion hóa có nguồn gốc từ tự nhiên và nhân tạo Các bức xạ ion hóa tự nhiên sinh ra từ các hạt nhân phóng xạ có nguồn gốc ở trái đất (các nhóm

U, Th, K, ), và các tia vũ trụ Các bức xạ ion hóa nhân tạo sinh ra từ các máy gia tốc hạt, lò phản ứng hạt nhân, các nguồn phóng xạ, ống phóng tia X, các vụ

nổ hạt nhân, Khi tương tác với cơ thể sống, bức xạ ion hóa gây ra những thay đổi về cấu trúc các mô cơ thể (cả về hóa học, vật lý, và sinh học) Ở một cấp

độ tác động lớn, nó có thể gây ra tổn thương cho các mô cơ thể sống gây ra các bệnh về phóng xạ, thậm chí có thể dẫn đến tử vong Mỗi loại bức xạ ion hóa khác nhau thì có khả năng ion hóa khác nhau và mức độ đâm xuyên cũng khác nhau

Quá trình ion hóa đầu tiên trong vật chất gọi là sự ion hóa sơ cấp Các điện

tử được tạo ra trong quá trình ion hóa sơ cấp tiếp tục gây ion hóa các nguyên

tử khác trong vật chất Quá trình này được gọi là quá trình ion thứ cấp Một sự ion hóa sơ cấp đơn lẻ có thể gây ra rất nhiều sự kiện ion hóa thứ cấp và kích thích

Sự kích thích: Khi bức xạ tương tác với nguyên tử, năng lượng của nó

truyền cho nguyên tử đủ để nó dịch chuyển đến một trạng thái kích thích (trạng

Trang 20

4

thái với mức năng lượng cao hơn nhưng không đủ năng lượng để bứt điện tử ra khỏi nguyên tử) Khi trở về trạng thái cơ bản nó sẽ phát ra bức xạ điện từ

1.1.2 Tương tác của bức xạ ion hóa với vật chất

1.1.2.1 Tương tác của hạt alpha với vật chất

Phân rã alpha là hiện tượng hạt nhân AZXtự động phát ra hạt nhân 24Hevà

trở thành hạt nhân con A−4Z−2Y được mô tả theo phương trình sau:

A → He24Z

A + A−4Z−2Y (1.1) Hình 1.1 mô tả phân rã của 21283Bi

Hình 1.1: Sơ đồ phân rã của 21283BiChùm hạt alpha (α) là các hạt bao gồm 2 nơtron và 2 proton, có điện tích +2 có khối lượng lớn Do đó, có khả năng ion hóa trực tiếp rất mạnh, tuy nhiên khả năng đâm xuyên kém Có thể che chắn chúng bằng một lớp rất mỏng của các vật liệu nhẹ Chùm α có nhiều ứng dụng trong cuộc sống (đặc biệt trong xạ trị y tế).Hạt alpha với năng lượng 3,5 MeV chỉ đi được 20 mm trong không khí

và tạo 100000 cặp ion hoặc 0,03 mm trong mô của cơ thể

1.1.2.2 Tương tác của hạt beta với vật chất

Phân rã beta là hiện tượng hạt nhân tự động phát ra các electron, positron Sau khi phân rã, hạt nhân mẹ không thay đổi số khối A, nhưng điện tích Z thay

đổi một đơn vị Có ba loại phân rã beta

Phân rã -: Phân rã - là hiện tượng hạt nhân phát ra một electron (e-), một

phản hạt antineutrino (𝜐̅) Thực chất quá trình này là bên trong hạt nhân mẹ một neutron biến đổi thành một proton ngay lúc phân rã như phương trình sau:

X → Z+1AY + e−Z

Trang 21

5

biến đổi thành một nơtron Do đó, điện tích của hạt nhân con giảm đi một đơn

vị như phương trình sau:

X → Z−1AY + e+Z

A + υ (1.3)

trong phân rã beta còn có hiện tượng một proton trong hạt nhân tương tác với

một điện tử của vỏ điện tử (thường là điện tử ở lớp vỏ K) phát ra neutrino Quá trình này rất đặc biệt, vì không có điện tử hay positron bay ra Điện tích

hạt nhân giảm một đơn vị trong hiện tượng chiếm K như phương trình sau:

𝑒−+ X →AZ Z−1AY+ υ (1.4)

Hình 1.2 mô tả phân rã của Cu2964

Hình 1.2: Sơ đồ phân rã của 6429𝐶𝑢

Chùm beta (β) là chùm các hạt mang điện (±1), có khả năng ion hóa trực tiếp, khả năng đâm xuyên kém Có thể che chắn chúng bằng một lớp mỏng các vật liệu nhẹ (nhôm) Chùm beta có nhiều ứng dụng trong y tế (xạ trị), trong công nghiệp (khử trùng thực phẩm), xử lý môi trường Các hạt beta có năng lượng cao có thể di chuyển tới gần hạt nhân mang điện của vật chất có số Z lớn Chúng sẽ chịu một lực hút làm lệch phương chuyển động và bị mất một phần năng lượng Phần năng lượng đó thể hiện các tia X được phát ra Loại bức xạ

này gọi là bức xạ hãm (bremsstrahlung)

1.1.2.3 Tương tác của tia gamma và tia X với vật chất

Hiện tượng khi hạt nhân chuyển dời từ trạng thái kích thích cao xuống các trạng thái kích thích thấp hơn, bằng cách phát ra bức xạ điện từ có bước sóng

Trang 22

6

ngắn gọi là tia gamma Trong quá trình này, hạt nhân không thay đổi số khối A

và điện tích Z, mà chỉ thay đổi trạng thái của hạt nhân như phương trình sau:

X → YAZZ

A∗ + γ (1.5)

Hình 1.3 mô tả phân rã của Co2760 và 13755Cs

Hình 1.3: Sơ đồ phân rã của 2760Co và 13755Cs

Bức xạ tia X và tia gamma là bức xạ ion hóa gián tiếp (không có điện tích, không có khối lượng), khả năng ion hóa được xem là kém so với các hạt mang điện, nhưng có khả năng đâm xuyên lớn, tùy thuộc vào năng lượng của chúng

Do đó cần phải che chắn bằng vật liệu có mật độ lớn và bề dày nhất định Bức

xạ tia X và gamma có nhiều ứng dụng trong y tế (chẩn đoán hình ảnh, xạ trị), công nghiệp (khử trùng), nông nghiệp (đột biến gen), …Tia X và tia gamma có bản chất tương tác giống nhau (chỉ có nguồn gốc sinh ra chúng khác nhau) nên

để thuận tiện, ở đây trình bày tương tác của gamma với vật chất Do có khả năng đâm xuyên cao nên tia gamma di chuyển một khoảng cách khá dài trong quá trình tương tác với vật chất và khi đó có thể xảy ra ba hiệu ứng chính gồm:

Hiệu ứng quang điện: Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác của

bức xạ gamma với điện tử nào đó gắn với nguyên tử, suốt quá trình đó năng lượng toàn phần của bức xạ gamma được truyền cho điện tử Kết quả của tương tác này là điện tử đó bị bứt khỏi nguyên tử với động năng:

Ee = Eγ− Ei (1.6) trong đó E là năng lượng của tia gamma, Ei là năng lượng liên kết của điện tử ở lớp thứ i (ở đây bỏ qua động năng giật lùi Tat của nguyên tử, vì Tatnhỏ hơn nhiều so với Ee và Ei)

Trang 23

7

Hình 1.4: Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng tán xạ compton: Khi năng lượng gamma đạt đến giá trị lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của các điện tử lớp K trong nguyên tử thì vai trò của hiệu ứng quang điện giảm dần, và hiệu ứng Compton xuất hiện Khi đó

có thể bỏ qua năng lượng liên kết của điện tử so với năng lượng gamma, và tán

xạ gamma lên điện tử có thể coi như tán xạ với điện tử tự do Tán xạ này được

gọi là tán xạ Compton, là tán xạ đàn hồi của các tia gamma tới với các điện tử (chủ yếu là các điện tử ở quỹ đạo ngoài của nguyên tử) Sau tán xạ, bức xạ gamma thay đổi phương bay và bị mất một phần năng lượng, còn điện tử giải phóng ra khỏi nguyên tử

Hình 1.5: Hiệu ứng compton

Hiệu ứng tạo cặp: Nếu gamma tới có năng lượng lớn hơn hai lần năng

lượng nghỉ của điện tử (2mec2 = 1,022 MeV), khi đi qua điện trường của hạt nhân nó tạo ra cặp điện tử - positron; đó là hiệu ứng tạo cặp điện tử - positron

Sự biến đổi năng lượng thành khối lượng như trên phải xảy ra gần một hạt nào

đó để hạt này chuyển động giật lùi giúp tổng xung lượng được bảo toàn Quá trình tạo cặp xảy ra gần hạt nhân, do động năng chuyển động giật lùi của hạt

Trang 24

8

nhân rất nhỏ nên phần năng lượng còn dư biến thành động năng của điện tử và positron Quá trình tạo cặp cũng có thể xảy ra gần điện tử nhưng xác suất nhỏ

so với quá trình tạo cặp gần hạt nhân khoảng 1000 lần Như vậy hiệu ứng tạo

cặp chỉ xảy ra khi năng lượng E của gamma tới lớn hơn 1,022 MeV Hiệu số năng lượng E – 2mec2 bằng tổng động năng (Ee-) của điện tử và động năng (Ee+)

của positron bay ra Do khối lượng của hai hạt này giống nhau nên xác suất để hai hạt có năng lượng bằng nhau là lớn Điện tử mất dần năng lượng của mình

để ion hóa các nguyên tử môi trường Positron mang điện tích dương nên khi

gặp điện tử của nguyên tử, điện tích của chúng bị trung hoà và hủy lẫn nhau,

gọi là hiện tượng hủy điện tử - positron Khi hủy điện tử - positron, hai bức xạ gamma sinh ra bay ngược chiều nhau, mỗi lượng tử có năng lượng bằng 0,511 MeV, tức là năng lượng tổng cộng của chúng bằng tổng khối lượng hai điện tử

và positron, và bằng 1,022 MeV

Hình 1.6: Hiệu ứng tạo và hủy cặp điện tử - positron

1.1.2.4 Tương tác của notron với vật chất

Bức xạ nơtron là bức xạ ion hóa gián tiếp (không mang điện), có khối lượng lớn và khả năng đâm xuyên rất mạnh Nơtron được che chắn bằng các vật liệu nhẹ nhiều hydro như nước, parafin, polyetylen Chùm nơtron có nhiều ứng dụng trong công nghiệp và trong y tế, cùng nhiều ngành nghề khác Nơtron sinh ra từ sự phân hạch hạt nhân hoặc phản ứng hạt nhân Ban đầu là các nơtron nhanh với năng lượng E > 100 keV Các nơtron nhanh sau đó bị làm chậm do

va chạm với các hạt nhân nguyên tử chất làm chậm để tạo thành nơtron trung gian và nơtron nhiệt Các nơtron tương tác với vật chất thông qua ba hiệu ứng:

Trang 25

9

tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi và bắt nơtron Tán xạ đàn hồi và tán xạ không đàn hồi dẫn đến làm chậm notron nhanh và nơtron trung gian Sự bắt nơtron chỉ xảy ra đối với nơtron nhiệt dẫn đến phản ứng hạt nhân

1.2 Các đại lượng, đơn vị và phương pháp đo liều bức xạ

1.2.1 Các đại lượng và đơn vị trong đo liều bức xạ

Mục đích của phép đo liều bức xạ là xác định năng lượng đã bị hấp thụ trong vật chất dưới tác dụng của bức xạ ion hóa Các bức xạ ion hóa bao gồm alpha, beta, tia X, tia gamma và nơtron Cơ chế và hiệu suất hấp thụ phụ thuộc vào loại và năng lượng của bức xạ cũng như thành phần của chất hấp thụ Đặc biệt khi bị chiếu bức xạ, hiệu ứng sinh học xảy ra đối với các tổ chức tế bào của

cơ thể sống khác nhau là khác nhau và hoàn toàn phụ thuộc vào loại bức xạ Ảnh hưởng của bức xạ ion hóa được đánh giá thông qua liều lượng bức xạ mà

cơ thể sống phải nhận trong các hoạt động lao động-sản xuất cũng như sinh hoạt hàng ngày Một hệ thống các đơn vị và các tiêu chuẩn được xây dựng để đánh giá các hiệu ứng sinh học khác nhau ứng với các loại bức xạ khác nhau Các đại lượng và đơn vị này được Ủy ban quốc về đơn vị và đo lường bức xạ (ICRU) và Ủy ban quốc tế về An toàn bức xạ (ICRP) chấp nhận và đang được

sử dụng rộng rãi bao gồm các đại lượng sau:

trong đó, dN là số hạt nhân bị phân rã trong khoảng thời gian dt; A(t) là hoạt

độ phóng xạ tại thời điểm t; λ là hằng số phân rã Theo hệ đơn vị quốc tế SI thì hoạt độ phóng xạ được tính là Becquerel (Bq) Ngoài ra, còn có đơn vị tính là Curi (Ci): 1 Ci = 3,7.1010 Bq

Trang 26

10

1.2.1.2 Liều hấp thụ (D) và Suất liều hấp thụ (Ḋ)

Liều hấp thụ là đại lượng biểu diễn lượng năng lượng của bức xạ đã hấp

thụ bởi một đơn vị khối lượng của chất bị chiếu xạ, được định nghĩa bằng tỷ số:

𝐷 = 𝑑Ԑ

𝑑𝑚 (1.8) trong đó, dԐ là năng lượng trung bình mà bức xạ ion hóa truyền cho vật chất trong một thể tích nguyên tố và dm là khối lượng vật chất của thể tích đó Đơn

vị liều hấp thụ trong hệ SI là Gray (kí hiệu là Gy) Một Gy bằng năng lượng 1 June truyền cho 1kg vật chất Đơn vị cũ của liều hấp thụ là rad:

1Gy = 1J/kg = 100 rad (1.9)

Suất liều hấp thụ được định nghĩa bằng tỷ số:

Ḋ =𝑑𝐷

𝑑𝑡 (1.10) trong đó, dD là sự thay đổi của liều hấp thụ trong khoảng thời gian dt (Gy/ giây hoặc Gy/phút)

1.2.1.3 Kerma (K)

Được định nghĩa bằng tỷ số:

𝐾 =𝑑𝐸𝑘

𝑑𝑚 (1.11) trong đó, dEk là tổng động năng ban đầu của tất cả các hạt mang điện được sinh

ra do các hạt ion hóa không mang điện (tia X, tia gamma hoặc nơtron) trong thể tích nguyên tố của vật chất có khối lượng dm Trong hệ SI đơn vị của Kerma

là joule trên kilogram (J/kg) và cũng có đơn vị là Gy

Cần phân biệt sự khác nhau cơ bản giữa hai khái niệm Kerma và liều hấp thụ Trong khi liều hấp thụ bức xạ là năng lượng của bức xạ ion hóa bất kỳ được hấp thụ trong một đơn vị khối lượng của chất bị chiếu xạ thì Kerma chỉ

là động năng được giải phóng bởi bức xạ ion hóa gián tiếp trong một đơn vị khối lượng của chất bị chiếu xạ và một phần của động năng này có thể được truyền ra bên ngoài rồi bị hấp thụ ở bên ngoài giới hạn của đơn vị khối lượng

đó Đối với bức xạ lượng tử, khi các điều kiện đảm bảo trạng thái cân bằng điện

tử được thoả mãn thì hai đại lượng Kerma và liều hấp thụ D có giá trị bằng nhau Trạng thái cân bằng điện tử là trạng thái khi tương tác của bức xạ với môi

Trang 27

11

trường mà năng lượng bức xạ bị hấp thụ trong một thể tích nào đó của môi

trường bằng tổng động năng của các hạt mang điện được sinh ra do tương tác

của bức xạ với khối vật chất có bên trong thể tích đó

1.2.1.4 Tương đương liều cá nhân

Tương đương liều cá nhân Hp(d), là tương đương liều trong mô mềm nằm

dưới một điểm xác định của cơ thể người tại độ sâu thích hợp d Đối với bức

xạ xâm nhập yếu d = 0,07 mm được khuyến cáo để kiểm soát liều da, Hp(d)

được viết thành Hp(0,07) và d = 3 mm để kiểm soát liều thủy tinh thể của mắt,

Hp(d) được viết thành Hp(3) Độ sâu d = 10 mm được khuyến cáo đối với bức

xạ xâm nhập mạnh, và Hp(d) được viết thành Hp (10) Trong lĩnh vực đo liều

cá nhân Hp(10) được coi như liều hiệu dụng toàn thân Hp(d) có thể được đo

bằng một liều kế đeo trên bề mặt cơ thể và được bao phủ bằng vật liệu tương

đương mô có độ dày thích hợp

1.2.1.5 Liều chiếu và suất liều chiếu

Liều chiếu (exposure dose) áp dụng cho bức xạ gamma và tia X, môi

trường chiếu xạ là không khí Liều chiếu ký hiệu là X, được xác định theo công

thức:

X = dQ

dm (1.12) trong đó, dm là khối lượng không khí mà bức xạ gamma hoặc chùm tia X bị

hấp thụ hoàn toàn để tạo ra tổng các điện tích cùng dấu là dQ

Đơn vị đo liều chiếu, trong hệ đo lường SI là Coulomb trong một đơn vị

khối lượng không khí tính bằng kg (C/kg) và được định nghĩa là: “Số ion cùng

dấu được tạo ra khi bức xạ gamma hoặc tia X bị dừng lại hoàn toàn trong

1 kilogam không khí ở điều kiện tiêu chuẩn” [1-3]

Đơn vị đo liều chiếu ngoài hệ đo SI là Rơnghen (R) và

1 R = 2,58.10-4 C/kg

Suất liều chiếu là liều chiếu trong một đơn vị thời gian Suất liều chiếu,

ký hiệu là X*, được xác định theo công thức sau:

X∗ =dX

dt (1.13) trong đó dX là liều chiếu trong thời gian dt

Trong hệ SI, đơn vị đo suất liều chiếu là C/kg.s, ngoài hệ đo lường SI đơn

vị đo suất liều chiếu thường là R/h và ước số là mR/h hoặc μR/h

Trang 28

12

1.2.1.6 Liều tương đương (H) và suất liều tương đương:

Các loại bức xạ khác nhau có điện tích cũng như số khối khác nhau nên khả năng ion hóa của chúng cũng khác nhau Liều tương đương đối với mô hoặc cơ quan được định nghĩa là tích của liều hấp thụ trong mô hoặc cơ quan nhân với trọng số bức xạ:

𝐻 = 𝐷 × 𝑤𝑅 (1.14) trong đó, H là liều tương đương (Sv=J/kg), D là liều hấp thụ và wR là trọng

số bức xạ, trọng số bức xạ đặc trưng sức mạnh ion hóa cho từng loại bức xạ khác nhau Về mặt vật lý, đơn vị đo liều tương đương cũng là J/kg vì wR chỉ là một hệ số so sánh khả năng ion hóa của các loại bức xạ khác nhau nhưng tích

số của liều hấp thụ và wR được đổi tên gọi là Sievert, viết tắt là Sv Bảng 1.1 trình bày giá trị trọng số bức xạ của các loại bức xạ khác nhau [2, 4, 5]

Bảng 1.1 Giá trị trọng số bức xạ (wR) của một số loại bức xạ ion hóa có

năng lượng khác nhau [2, 4, 5]

Tia X,  và electron, positron 1

Neutron, năng lượng < 10 keV 5

Trang 29

13

1.2.1.7 Liều hiệu dụng (E) và suất liều hiệu dụng

Khái niệm liều hiệu dụng áp dụng để đặc trưng cho mức mẫn cảm khác nhau của các mô khác nhau trong cơ thể đối với cùng một liều tương đương Liều hiệu dụng được định nghĩa là tích số của liều tương đương và trọng số mô:

E = H × wT (1.16) trong đó, E là liều hiệu dụng (Sv = J/kg), H là liều tương đương và wT là trọng

số mô Liều hiệu dụng cũng được đo bằng đơn vị Sievert (Sv) Bảng 1.2 trình bày giá trị trọng số mô (wT) của những mô/tổ chức trong cơ thể sống do ICRP khuyến cáo trong ấn phẩm ICRP 103 năm 2007 [2]

Bảng 1.2 Giá trị trọng số mô (wT) được ICRP khuyến cáo [2]

*) Các tổ chức/mô còn lại bao gồm: tuyến thượng thận, ruột non, thận, cơ,

tụy, mật, tuyến ức và tử cung

Thường người ta tính liều hiệu dụng cho toàn cơ thể (gọi tắt là liều hiệu dụng - Là tổng liều hiệu dụng các cơ quan và mô trong cơ thể) theo công thức sau:

E = ∑ H × wT (1.17)

Trang 30

14

Suất liều hiệu dụng được đo bằng Sv/h và ước số là mSv/h hoặc Sv/h

1.2.1.8 Giới hạn liều

Là giá trị không được phép vượt quá liều hiệu dụng hoặc liều tương đương

của các cá nhân nhận được từ các công việc tiếp xúc với bức xạ ion hóa

1.2.1.9 Phân bố liều theo chiều sâu

Độ xuyên sâu của năng lượng bức xạ vào vật liệu có thể được mô tả bằng đường phân bố theo chiều sâu, trong đó liều hấp thụ tương đối tại các điểm đo được vẽ theo khoảng cách hay độ sâu tính từ bề mặt vật liệu chiếu xạ Dạng của đường phân bố liều-độ sâu phụ thuộc vào bản chất của bức xạ, năng lượng của bức xạ hay chùm hạt, cấu hình của nguồn và mẫu

1.2.2 Các phương pháp đo liều bức xạ

Để phát hiện và xác định năng lượng đã hấp thụ trong vật chất dưới tác dụng của bức xạ ion hóa, người ta thường dựa trên những thay đổi hóa lý gây bởi sự tương tác giữa bức xạ ion hóa với vật chất Cho đến nay, đã có nhiều phương pháp có khả năng phát hiện và đo các loại bức xạ khác nhau Trên cơ

sở cưỡng bức là phương pháp nhiệt phát quang (TL) và phương pháp quang phát quang (OSL) Dựa trên sự hình thành các tâm màu là phương pháp hóa màu của thủy tinh và chất dẻo Ngoài ra, còn sử dụng phương pháp dùng phim,

đo nhiệt lượng, v.v …

Trong lịch sử phát triển của phép đo liều bức xạ, mỗi phương pháp đo đều

có những ưu điểm và hạn chế riêng, việc lựa chọn phương pháp đo cần dựa vào mục đích và phạm vi áp dụng để phát huy tốt hiệu quả của phép đo Trong đó, hai phương pháp đo liều thụ động bằng TL và OSL đã và đang được sử dụng rộng rãi trong vài chục năm trở lại đây Hiện nay, các vật liệu đo liều và các thiết bị đo liều TL và OSL đã phát triển đến mức cho phép phát huy các ưu điểm nổi bật của mình đó là công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành thấp, thời gian sử dụng lâu dài, hoạt động liên tục, kích thước nhỏ, dải liều hấp thụ rộng Trong khuôn khổ của luận án, tác giả tập trung vào chế tạo vật liệu LiAlO2 đơn pha gamma (γ-LiAlO2) ứng dụng trong đo liều photon bằng phương pháp TL

Trang 31

15

1.2.3 Phương pháp đo liều nhiệt phát quang

Phương pháp đo liều bằng vật liệu nhiệt phát quang (TL) ra đời cùng năm Roentgen C.W phát hiện ra tia X 1895 Tuy nhiên, mãi đến năm 1953, sau khi Daniels và cộng sự tiến hành thử nghiệm và ứng dụng vật liệu TL thành công trong lĩnh vực y tế tại trường Đại học Wisconsin, thì phương pháp TL mới thực

sự được chấp nhận sử dụng như một phương pháp đo liều bức xạ Đầu tiên, người ta đã sử dụng vật liệu LiF trong phép chẩn đoán bằng X quang, các mẫu LiF được đặt trên bệnh nhân, rồi sau đó nhận lại mẫu đã chiếu xạ Liều hấp thụ bức xạ tia X trong vật liệu được xác định bằng cách đo tín hiệu TL các mẫu đã chiếu xạ [6-8]

Phương pháp TL đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như đo liều bức

xạ (cá nhân, môi trường, xạ trị…) và xác định tuổi đồ vật gốm, sứ trong khảo

cổ học Hơn nữa, sự xuất hiện của hiện tượng TL dựa trên sự tồn tại các mức

năng lượng định xứ, trong đó phần lớn là do các khuyết tật mạng nền gây nên

Do vậy, phương pháp TL còn là một công cụ mạnh trong nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu [9-12]

1.2.3.1 Cơ sở lý thuyết của hiện tượng nhiệt phát quang

Tác giả Robert Boyle và đồng nghiệp đã quan sát được hiệu ứng TL sớm nhất vào năm 1663 Sau đó, hàng loạt các vật liệu nhiệt phát quang đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp Năm 1895, Wiedemann

và Schmidt đã khảo sát đặc trưng TL của nhiều vật liệu sau khi chiếu xạ bằng tia X, đó cũng là những nghiên cứu đầu tiên có tính hệ thống về vật liệu TL Đến nay, TL là một trong những hiện tượng đã và đang thu được nhiều thành công ứng dụng trong thực tiễn như đo liều bức xạ, định tuổi và nghiên cứu cấu trúc khuyết tật của vật liệu [5, 13-17]

TL là một trong những họ phát quang khá điển hình Năng lượng TL được giải phóng có thể được diễn giải như sau: Ví dụ khi bức xạ alpha, beta, photon hoặc các bức xạ năng lượng cao tương tác với vật chất (chất bán dẫn, điện môi),

nó sẽ truyền một phần năng lượng của mình cho vật chất bằng cách tạo ra các điện tử ở trạng thái kích thích lệch khỏi các quĩ đạo ban đầu của chúng, tức là các điện tử trong vùng hóa trị (trạng thái cơ bản) nhận đủ năng lượng để dịch chuyển lên vùng dẫn đồng thời để lại lỗ trống tương ứng trong vùng hóa trị

Trang 32

16

Điện tử và lỗ trống có thể di chuyển một cách độc lập qua các vùng năng lượng tương ứng cho đến khi chúng được tái hợp và trở về trạng thái ban đầu hoặc điện tử bị bắt bởi các bẫy điện tử Năng lượng của các bẫy này chính là các mức năng lượng định xứ trong vùng cấm được sinh ra bởi các khuyết tật mạng hoặc những tâm tạp trong mạng nền của vật liệu

Cấu trúc vùng năng lượng của vật liệu điện môi, bán dẫn gồm: vùng hóa trị, vùng dẫn và giữa chúng là vùng cấm năng lượng Theo lý thuyết, những dịch chuyển của điện tử từ vùng hóa trị đến các vùng cấm và vùng dẫn là những dịch chuyển được phép Do vậy, khi vật liệu bị kích thích hay tương tác bởi các bức xạ ion hóa thì các cặp hạt tải điện tử-lỗ trống được sinh ra từ vùng hóa trị, điện tử có thể di chuyển đến vùng dẫn đồng thời để lại lỗ trống trong vùng hóa trị

Khi vật liệu sau chiếu xạ bị nung nóng hay nói khác đi là quá trình cưỡng bức nhiệt, điện tử tại các bẫy nhận năng lượng nhiệt phù hợp sẽ dao động và thoát khỏi mức năng lượng bẫy và tái hợp với tâm lỗ trống đồng thời giải phóng năng lượng dư dưới dạng photon ánh sáng Cường độ photon ánh sáng này tỉ lệ với độ lớn liều bức xạ đã bị hấp thụ hoặc tích lũy bởi quá trình chiếu xạ trước

đó Kết quả thực nghiệm đo phát quang cưỡng bức nhiệt nhận được là đường cong TL tích phân (Intergrated thermoluminescence glowcurve) Đường cong thực nghiệm nói trên có thể được biểu diễn ở 2 dạng đồ thị: (i) cường độ phát quang phụ thuộc vào nhiệt độ trong trường hợp sử dụng chế độ gia nhiệt tuyến tính trong dải nhiệt độ đo (T = T0+βt, β là tốc độ gia nhiệt (oC/giây)); (ii) cường

độ phát quang phụ thuộc thời gian (t) trong trường hợp sử dụng chế độ đốt nóng đẳng nhiệt (T = const), khi đó thường là đường cong suy giảm đơn điệu hoặc phức tạp, bậc suy giảm còn tùy thuộc vào bản chất của mức năng lượng bẫy Đường cong TL tích phân gia nhiệt tuyến tính có thể gồm một hoặc nhiều đỉnh, điều này tùy thuộc bản chất hình thành của các mức bẫy Từ kết quả đường cong thực nghiệm thu được (nhiệt độ tương ứng với cường độ cực đại và độ bán rộng (FWHM) của mỗi đỉnh TL), ta có thể tính toán, xác định được số lượng các mức bẫy và giá trị năng lượng tương ứng của chúng Hình 1.7a minh họa các quá trình được sinh ra và dịch chuyển của điện tử, lỗ trống khi vật liệu bị kích thích (tương tác) bởi bức xạ ion hóa Các điện tử này bị bắt bởi các khuyết tật của mạng tinh thể như được chỉ trong Hình 1.7b Khi vật liệu được gia nhiệt thì

Trang 33

17

điện tử ở trạng thái kích thích có thể được giải phóng khỏi bẫy và quay về trạng thái cơ bản đồng thời phát ra photon

Hình 1.7 Mô hình minh họa cấu trúc vùng năng lượng và các quá trình dịch chuyển

của các phần tử hạt tải (điện tử, lỗ trống) của hiện tượng nhiệt phát quang

Hiện tượng TL có thể được giải thích dựa trên cơ sở lý thuyết mức năng lượng Một số mô hình mô tả hiện tượng TL như sau:

1.2.3.2 Mô hình một tâm một bẫy

Các tính chất TL có thể được giải thích theo quan điểm lý thuyết vùng năng lượng của chất rắn Thông thường dưới điều kiện cân bằng nhiệt động, trong các tinh thể bán dẫn hoặc điện môi hoàn thiện, các điện tử lấp đầy vùng định xứ (gọi là vùng hóa trị) Vùng cao nhất gần đó các điện tử có thể xuất hiện gọi là vùng dẫn hoặc vùng không định xứ, có khoảng cách so với vùng hóa trị bằng độ rộng vùng cấm Sự chênh lệch năng lượng giữa vùng định xứ và vùng không định xứ là Eg Tuy nhiên, khi trong tinh thể xuất hiện các khuyết tật do cấu trúc hoặc các tạp ở trong mạng tinh thể, khi đó xuất hiện xác suất các điện

tử chiếm giữ các năng lượng trong vùng cấm của tinh thể lý tưởng Mô hình

TL đơn giản gồm hai mức đơn, một mức dưới đáy vùng dẫn và một mức khác nằm trên đỉnh vùng hóa trị (Hình 1.8) Mức cao nhất T nằm ở vị trí trên mức cân bằng Fermi (Ef) do đó ở trạng thái cân bằng tức là trước khi chiếu xạ mức này trống rỗng, trong quá trình hình thành các điện tử và lỗ trống nó là một bẫy điện tử Mức R nằm dưới mức Ef là bẫy lỗ trống giữ vai trò của một tâm tái hợp Xét trong giới hạn các chuyển dời cho phép của mô hình một tâm một bẫy biểu diễn trên giản đồ mức năng lượng như Hình 1.8 Khi chiếu bức xạ ion hóa, cặp điện tử và lỗ trống được tạo thành (quá trình a), điện tử chuyển động trong vùng dẫn và có thể rơi vào bẫy điện tử, còn lỗ trống bị bắt ở R (quá trình

Trang 34

18

b) Nếu độ sâu của các bẫy này đủ lớn thì các điện tích có thể nằm ở các bẫy này trong một khoảng thời gian dài Khi nâng nhiệt độ của hệ lên, điện tử dễ dàng được giải phóng khỏi bẫy (quá trình c) và tái hợp với lỗ trống ở R (quá trình d) Nếu quá trình tái hợp của điện tử và lỗ trống có phát xạ photon thì ta thu được tín hiệu TL Xác suất giải phóng các điện tử trong mỗi đơn vị thời gian từ bẫy được giả thiết tuân theo phương trình:

p = s × exp (E

kT) (1.18) trong đó, p là xác suất giải phóng trong một đơn vị thời gian, s gọi là hệ số tần

số (hay còn gọi là tần số thoát) Trong mô hình đơn giản s được coi là hằng số,

có giá trị cùng bậc với tần số dao động mạng, cỡ 1012-1014 (s-1) E là năng lượng kích hoạt (hay là độ sâu bẫy) là năng lượng cần thiết để giải phóng một điện tử khỏi bẫy lên vùng dẫn (Hình 1.8), T là nhiệt độ tuyệt đối và k là hằng số Boltzmann

Hình 1.8 Các chuyển dời cho phép của mô hình đơn giản một tâm một bẫy cho quá

trình TL

Cường độ TL, I(t) được định nghĩa bằng tốc độ suy giảm mật độ điện tử

bị bắt hoặc tốc độ suy giảm mật độ tâm tái hợp trong quá trình gia nhiệt I(t) ở thời gian t trong quá trình gia nhiệt tỷ lệ với tốc độ tái kết hợp R được thể hiện như phương trình (1.19)

I(t) = −dm

dt = ITL (1.19)

Trang 35

19

trong đó, m là mật độ của các lỗ trống ở R và dấu “-’’ cho biết sự giảm của các

lỗ trống Bằng tính toán lý thuyết người ta thu được các biểu thức cho cường

độ TL (ITL) như sau:

ITL = nsexp(−

E

kT )mσmn[(N−n)σn+mσmn] (1.20)

hay:

ITL = ns × exp (− E

kT) ⌊1 − (N−n)σn

(N−n)σn+mσmn⌋ (1.21) trong đó, E là độ sâu bẫy bắt điện tử, N là mật độ bẫy điện tử, n là mật độ điện

tử trên bẫy, σn là tiết diện tái bắt điện tử hiệu dụng; m là mật độ lỗ trống trên tâm tái hợp và σmn là tiết diện tái hợp hiệu dụng, k là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ tuyệt đối, s là hệ số tần số (tần số thoát)

Các phương trình (1.20), (1.21) được gọi là biểu thức một bẫy tổng quát (General One Trap - GOT) cho bức xạ gây ra hiệu ứng TL

Các nghiên cứu về động học của quá trình TL được bắt đầu từ công bố của Urbach (1930), sau đó là nhóm tác giả Randall và Wilkins (1945), Garlick

và Gibson (1948) Các nghiên cứu này đã lập được mối liên hệ giữa nhiệt độ xuất hiện, hình dạng và kích thước của đỉnh TL với các thông số bẫy như độ sâu E của bẫy, tần số thoát s, mật độ điện tử bị bắt trước khi đốt nóng n, bậc động học b của quá trình TL Tiếp theo là hàng loạt nghiên cứu đã xây dựng được các hệ thức, phương pháp biểu diễn mối liên hệ giữa các thông số bẫy với

số liệu thực nghiệm TL

1.2.3.3 Động học bậc 1 (mô hình Randall-Wilkins)

Randall và Wilkins sử dụng giả thiết sự tái bắt là nhỏ không đáng kể khi có

sự cưỡng bức nhiệt, tức là mAm >> (N-n) An Với giả thiết này thì phương trình (1.21) có thể được viết như sau:

I(t) = −dn

dt = snexp (− E

kT) = pn (1.22)Trường hợp T, p là không đổi ta lấy tích phân phương trình (1.22) thu được

Trang 36

20

n = n0exp [−sexp (− E

kT) t] (1.24)

Về mặt cường độ nhiệt phát quang phương trình (1.22) có thể được viết là:

I(t) = I0exp⁡(−pt) (1.25) trong đó, I0 là cường độ ban đầu Nhưng nếu T thay đổi thì nghiệm phương trình (1.22) là [18]:

I(t) = −dn

dt = n0sexp (− E

kT(t)) exp (−s ∫ exp (−0t kT(tE′)) dt′) (1.26) Đối với tốc độ gia nhiệt tuyến tính, T(t) = T0 + βt, ở đó β là tốc độ gia

nhiệt tuyến tính và T0là nhiệt độ ban đầu ở t = 0 Điều này cho biết cường độ

s = βE

kTM2 exp ( E

kTM) (1.31) Thế phương trình (1.30) vào phương trình (1.29) ta có:

Trang 37

được phương trình biểu diễn cuối cùng I (IM, E, TM, T):

Ưu điểm của phương trình (1.35) đó là nó chỉ có hai tham số tự do là

cường độ và nhiệt độ tại vị trí cao nhất của đỉnh mà có thể thu được trực tiếp

từ đường cong thực nghiệm

1.2.3.4 Động học bậc 2 (mô hình Garlick và Gibson)

Garlick và Gibson (1948) quan tâm đến trường hợp xác suất tái bắt điện

tử lớn hơn xác suất tái hợp, tức là mAm = (N-n) An; N>>n, và n = m [21] Với

giả thiết này từ phương trình (1.21) ta thu được:

I(t) = −dn

dt = (sAm

NAn) n2exp (− E

kT) (1.36) Trong phương trình (1.36), dn/dt ≈ n2, có nghĩa là phản ứng bậc 2 Nếu

thêm vào giả thiết đối với nhiệt độ không đổi sự tái kết hợp và sự tái bẫy có xác

suất bằng nhau tức là Am=An thì thu được:

I(t) = I0

(1+n0αt)2 (1.37) trong đó,

𝑁𝑒𝑥𝑝(−𝐸

𝑘𝑇 ) (1.38) Xem xét quá trình gia nhiệt tuyến tính T(t) = T0 + βt, phương trình (1.37)

có thể tích phân để thu được phương trình sau:

Trang 38

Từ điều kiện cực đại được xác định bởi phương trình sau:

s = βE

kTM2

1 1+2kTME exp ( E

kTM) (1.41) Hơn nữa phương trình (1.40) có thể được viết lại ở vị trí cực đại của đỉnh

I(T) = n0 βE

kTM2

1 1+2kTM2 exp (E

T−TM

TM ) + 1]

−2 (1.43)

Thay thế phương trình (1.42) và phương trình (1.43) ta thu được phương trình đơn giản hơn đối với IM:

IM =n0 βE

kTM2

1 1+2kTM2 [ 2

1+2kTM

E

]

−2 (1.44) phương trình (1.44) có thể được viết lại thành:

n0βE

kTM2

1 1+2kTM2 = IM[ 2

1+2kTM

E

]

2 (1.45)

Bây giờ chèn phương trình (1.45) vào phương trình (1.43) để thu được biểu thức cuối cùng cho cường độ nhiệt phát quang [22]:

1.2.3.5 Động học bậc tổng quát (mô hình May và Partridge)

Khi các giả thiết đơn giản của động học bậc nhất và bậc hai không thỏa mãn thì đỉnh TL sẽ không phù hợp với động học bậc nhất hoặc bậc hai Đối với

Trang 39

Tích phân phương trình (1.47) với b ≠1 thu được phương trình sau:

(1.48)

ở đó s’’ = s’n0(b-1) có đơn vị là s-1 Ngoài ra, bậc động học tổng quát thì cường

độ và nhiệt độ tại vị trí cao nhất của đỉnh IM và TM có thể thu được như của Gomez Ros và Kitis [24]:

I(T) = IM(b)

b b−1exp (E

(1.51) Tần số thoát có đơn vị là s-1 cũng có thể được viết như sau:

1.2.4 Các tham số động học trong đo liều nhiệt phát quang

Các vật liệu TL có thể hấp thụ bức xạ ion hóa, lưu giữ và phát ra photon khi được cưỡng bức bởi nhiệt Với sự phát triển của lý thuyết chất rắn, hiện tượng TL của các vật liệu có thể được giải thích từ các phương trình động học Những dịch chuyển điện tử giữa các mức năng lượng khác nhau quan sát được bằng hiện tượng TL Do đó, phần lớn lý thuyết hiện đại ngày nay bắt nguồn từ công trình của Shockley, Rose, Wialliams và những tác giả khác từ cuối những năm 1940s đến đầu những năm 1960s Trong những năm 1940s, thuyết định

Trang 40

là trong quá trình gia nhiệt chỉ có các điện tử nằm trong bẫy nông được giải phóng, trong khi các điện tử trong các bẫy sâu không bị ảnh hưởng [30] Năm

1973, Leiman đã đề xuất một loại tái kết hợp mà dịch chuyển điện tử xảy ra từ bẫy đến tâm tái kết hợp (hay sự dịch chuyển cục bộ) quan sát được bằng nhiệt phát quang Một mô hình phức tạp hơn được đề xuất bởi Riehl và Schon vào đầu năm 1939 mà không chỉ đề cập đến việc giải phóng của các điện tử và sự tái hợp của chúng với lỗ trống bị bẫy mà còn đưa ra sự giải phóng của các lỗ trống bị bẫy và sự tái kết hợp của chúng với các điện tử bị bẫy được xảy ra ở cùng thời điểm [31] Tuy nhiên, năm 1977 Gasiot và Fillard đã chỉ ra bằng thực nghiệm rằng việc giải phóng nhiệt của lỗ trống là không đúng [32]

Việc ghi nhận tín hiệu TL nhờ vào hệ đầu thu (ống nhân quang điện, photodiot) kết quả cho ta một đường cong đặc trưng có thể có một hoặc nhiều cực đại tại các vị trí nhiệt độ và cường độ khác nhau Dạng của đường cong mô

tả tính chất phân bố của các mức định xứ trong vùng cấm của vật liệu, diện tích dưới đường cong phản ánh liều tích lũy trong quá trình vật liệu tương tác với bức xạ ion hóa Mỗi đỉnh trên đường cong được đặc trưng bởi nhiệt độ TM (nhiệt độ tại vị trí cao nhất của đỉnh), năng lượng kích hoạt E (hay độ sâu bẫy),

và hệ số tần số s (hay tần số thoát) … gọi là các thông số động học đặc trưng xác định sự tồn tại một trạng thái bắt điện tích trong vùng cấm của vật liệu

Tiêu đề	Nghiên Cứu Và Phát Triển Vật Liệu Lithium Aluminate (LiAlO2) Để Đo Liều Photon
Tác giả	Nguyễn Thị Thu Hà
Người hướng dẫn	TS. Trịnh Văn Giáp, TS. Nguyễn Trọng Thành
Trường học	Viện Năng Lượng Nguyên Tử Việt Nam
Chuyên ngành	Vật lý nguyên tử và hạt nhân
Thể loại	luận án
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	150
Dung lượng	3,2 MB