Khóa luận tốt nghiệp Sư phạm Vật lý: Xác định một số đặc trưng của liều kế quang phát quang tại trung tâm hạt nhân thành phố Hồ Chí Minh

Bồ cục luận văn được chia thành 3 chươngChương 1: Tổng quan lí thuyết về các cơ chế tương tác của bức xạ với vật chất; hiện tượng quang phát quang; cầu tạo và nguyên lí hoạt động của liề

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRUONG ĐẠI HỌC SƯ PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TOT NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DAN KHOA HOC: TS TRƯƠNG TRUONG SON

Thành phố Hỗ Chi Minh — Năm 2024

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH

KHOA VAT LÍ

KHOA LUAN TOT NGHIEP

XÁC ĐỊNH MOT SO DAC TRUNG CUA LIEU KE

Chuyén nganh: Su pham Vat li

Sinh viên thực hiện: Lê Mạnh Trí

MSSV: 46.01.102.085

Khoa: Vật lí

Người hướng dan khoa học: TS Trương Trường Sơn

Thành phố Hỗ Chí Minh — Năm 2024

XÁC NHAN CUA CAN BO HƯỚNG DAN

XAC NHAN CUA CHU TICH HOI DONG

Thanh phố Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 05 năm 2024

Sinh viên thực hiện

Lê Mạnh Trí

LỜI CÁM ON

Đầu tiên, tôi xin gửi lời trí ân đến TS Trương Trường Sơn - người đã tận tình

hướng dan, hỗ trợ truyền đạt những kinh nghiệm bài học quý giá trong suốt quá trình

tôi hoàn thành khóa luận này Nhờ thầy mà tôi có cơ hội phát triển các kĩ năng nghiên

cứu và tư duy khoa học trong lĩnh vực đặc thù như Vật lí Hạt nhân Điều đó giúp tôi có

thêm những góc nhìn về Vật lí và những định hướng mới cho tương lai của mình.

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Trung tâm Hạt nhân Thành phốHCM đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi tiếp cận các máy móc, thiết bị hiện đại đểphục vụ quá trình nghiên cứu Đặc biệt, tôi vô cùng biết ơn Th§ Lê Hữu Lợi, cùng Thế.Trịnh Thị Thảo Quyên đã luôn sẵn sàng giúp đỡ, động viên đồng hành cùng tôi cho tôi

những kiến thức chuyên môn và những kinh nghiệm vô giá trong thời gian tôi học tập,

nghiên cứu tại Trung tâm.

Tôi xin cảm ơn đến quý thày/cô khoa Vật lí, trường Đại học Sư phạm TP.HCM

đã giảng dạy, chi dan và tao cho tôi môi trường học tập và nghiên cứu hiệu quả Cuốicùng, tôi biết ơn gia đình, bạn bẻ đã ở bên cạnh, cùng tôi chia sẻ, thấu hiểu những khó

khăn trong quá trình hoàn thành khóa luận Một lan nữa, tôi xin chân thành cảm ơn đến

tat cả mọi người.

Thanh phó Hỗ Chí Minh, ngày 08 tháng 03 năm 2024

Lê Mạnh Trí

MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KI HIỆU, CHỮ VIET TẮT -ccssosreesrenrree vi DANEIMUG CAGBANG sie scircnncnieiensaunnanaieeis vii DANH MỤC CÁC HÌNH VE VÀ DO! THY sssssssssosssosssossssssssssssosseesssosissssssssssoveecssensis viii

MO ĐA HĨLeisiieoioaiaeiibsiisaiotito29442016200133020003143030364481318031082313400164)86298814812381388031643248 I CHUONG 1 TONG QUAN LÍ THUYET VE LIBU KB OSL 5-2-5255: 3

1.1 Cơ chế tương tác của bức xạ với vật chất c2 Hy, 3

1/11, Hi DBGQGãBBHIỆN, csiscssscscscassssssssassssivescsescseassssasssazessspesesessrsasseassssasssszs 3 1:2 Hiệu:ỨñỆ €GHIDĂÔH::cooicoooiooiiiititiiiiioiititiiitiisiiitiisii26040311040ã6315555562850 4 1.1.3 HHiệu‹ững tạo = BOY cäDpG - -::c-cc2ascssscsici2asrciteskaasoszrssansszdrt 5

1.2 Cơ sở lý thuyết về hiện tượng quang phát quang .2-22-c2csscczzcczsee 6

DDH), Lý thuyểtvùng năng HHE:cooioeooibiiiiidiidiidiiiddiAd0010140030003006ã666340 6

1.3.2 Vai trò của vật liệu nhôm oxit pha carbon (Al:O›:C) 13

1.3.3 Cơ chế nhận liều hấp thụ của liều kế OSL -2¿- 2c 222552522 l4

1.4 Một số thuật ngữ thường dùng trong việc đo liều kế cá nhân 14

itl

V4.0 G in nnss3/ý/-ý-‹-<©43+5 14

WAZ: WRGCONA secs icesccscnsccnreassecssoascusccrsanreceseessrasseessescereucsectsnetieavstavsrenssseissstseevsravsrss 14 1/45 ĐỒ HäY:::.:s.:-:::-:::s::siiinicieniiniiiniiiaiig2iL000110301003182516g951282363336.3386533g30503 88.8 15

1.4.4 Tương đương liều cá nhân -s- 52 22 232 2210722225 2112211 123222 crxec 15S

CHƯƠNG 2 THUC NGHIEM DANH GIA CÁC ĐẶC TRUNG CƠ BAN CUA LIEU

TỦ [ee 16

2.1 Thiết bj sử dung trong việc đọc liều kế cá nhân cssseessseessesseseseseesseen l6

2.1.1 Hệ đọc liều kế microStar của BAnELATđSHEE::;:-;::::::::::::::22::2srisiizszrzszzzs: 16

2.1.1.1 Cấu tạo dau đọc liều kế miicroSar - 2-5 2 2v 2252215521123 c56 l6

2.1.1.2 Nguyên lý hoạt động của đầu đọc microStar scccssxxzxxce¿ 17

2.1.2 Nguồn phát bức xa photon 2 2c22s22222222221022222212221222-2222122c0ye2 18

2.1.2.1 Hệ chiếu chuẩn gamma Cs-137 ccssssssssssssessssssscsssssssssstscssecssecsssessens 19

2.1.2.2 Hệ chiếu chuẩn tia X phô hep cccecssecsesesssceseneessseessessseesssessseeenees 20 2.2 Các nội dung thực nghiệm đánh giá các đặc trưng cơ bản của liều kế OSL 21

2.2.0, TNGƯỠIE HHẬY::::::::::::s::ninniiiiiiiiiiiiiiiEE0231113132211133103011831123339351233363309838853 21

2.2.2 Lk c0 tt HH n0020022102110711021002210022012 111 11x seo 21

ER, TC DÌAÌ 0.4:22200222322/3222122010212020112220220322212200223332202013234123330210924012030323332032177

2.2.4 Đáp ứng tuyến tính trong dai liều thấp - 2-22-227svccssccsrccssee 23

2.2.5 Độ suy giảm tín hiệu theo thời g1an - óc 5S Si sec 23

2.2.6 Khả năng ghi nhận liều chiếu hỗn hợp của liễu kế OSL 24

IV

2.2.7 Sự phụ thuộc góc chiẾu -¿-s£2+22££tS+£E2£EEE+EEz2EEzzrxzrrrerrvee 24

2.3 Độ không đảm bảo đo kết qua đọc của liều kế -.5-552222z222225ssz< 24

2:3.1 Độ không đấm bao đo lOạïA eiieeceiieieesee 26 2.3.2 Độ không đảm bảo đo loại Bi iiccssssssssssosssesiscassessseasseosteoassosssoasssoavoacsvossees 26

2.4 Phương pháp xác định giá trị trung bình và độ không đảm bảo đo của kết quả thu

được trong một bộ —Í 27

CHƯƠNG 3 KET QUA VÀ THẢO LUẬN CÁC ĐẶC TRUNG CƠ BAN CUA LIEU

190 28

3.1 Khảo sat sự ôn định của hệ đọc liêu Kế microSfar - c2 2202222225112 cS2 28

S21 7Thiepiliipi(hiinHBDITD:.s- so: ái:ssx65565660922001620221365332161321081223/016051301021038610221103/1140327 30

3.4 DG dOng -iljVaẢẢIÃẢÝ 34

3.6 Đáp ứng tuyến tinh trong dai liều thấp 6c 6 2 2 211211112 1 21022112 yC 38

3.7 Đô suy giảm tín hiệu theo thời gian :.-::csscssssessssnccsoessencseocsocssenasees 4I

3.8 Kha năng ghi nhận liều chiều hỗn hợp của liều kỂ 52-555c55sccsccvscc 433I0SIiphiithiitEipBGrEHIEE s›:ss¡::su:cic0s6:i0221955:220102211632161063050524403330911382810631033108334825:124 45

KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ, 2-5 S25 1 St E11 1111725 111121015 11117211 1c re 47 l029))0112100M107 E2), 027.40 TT TT 7 17170101717 01707///10770 7101077077 T017 48

Vv

Thermoluminescent Dosimeter

DANH MỤC CAC Ki HIỆU, CHỮ VIET TAT

STT Chir viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

Liêu kế nhiệt phát quang

Optically Stimulated Luminescence

Center for Nuclear Technologies

International Organization for

Standardization

Vi

†

Liêu kế quang phát quang

Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế

Ủy ban kĩ thuật điện thé

Trung tâm Hạt nhân Thành

phô Hô Chí Minh

Bảng 1.

Bảng 2.

Bảng 3.

Bảng 4.

Bang 5.

Bang 6.

Bang 7.

Bang 8.

Bang 9.

Bang 10.

DANH MUC CAC BANG

Nguồn gốc độ không đảm bảo đo loại B cssesssesssessseessscsssessecsseesseesseesveens 26

Kết quả khảo sát độ ồn định của hệ đọc microStar -2- ssscsccs<¿ 29

Kết quả giá trị liều phông nội tại của 50 liều kế OSL - 3⁄2

Độ đồng đều của các liễu kế OSL trong từng bộ liều kẻ 34

Kết quả đánh giá độ lặp lại của 3 nhóm liễu kế OSL sau 10 thí nghiệm 37

Giá trị e của 13 nhóm liêu kế OSL khi dùng nguồn Cs-137 39

Giá trị e của 7 nhóm liều kế OSL khi dùng bức xạ tia X 40

Kết quả khảo sát sự suy giảm tín hiệu theo thời gian của liều kế OSL 42

Giá trị liều chiếu theo phâm chất trường chiếu và kết quá đọc tương ứng 44

Giá trị của liều kế OSL với nguồn phát tia X, phầm chất N-80 45

Vil

Cau trúc mang tinh thê của Sodium Cloride (NaC]) - 5-52 Ss z3 sz 6

Lý thuyết vùng năng lượng, s2 5222222 2222132 11211 710722212 117212 xecxcee 7

Mô hình tinh thẻ của chất bán dẫn ở nhiệt độ thấp - 55-5552: §

Mô hình tinh thé chất bán dẫn ở TUNG AG ICBO T1" .ốốỐốốố nên §

Các bẫy điện tử và lỗ trông trong chất bán dẫn - 5252: 222222 cv, 9

Mô hình quang kích thích phat quang 55s ssvsereeeevee 10

Mô hình quang kích thích phát quang CW-OSL, 10

Mô hình quang kích thích phát quang LW-OSL - ees II

Mô hình quang kích thích phát quang POSL << II

Mặt trước và mặt sau của liều kế OSL tại CNT —

Hệ đọc liều kế microStar của hãng LãTđ3HÊE::::::::-:::::iisssiesiirsiissrssios 16

Nguyên lý hoạt động của hệ đọc microStar soi 18

(Gino chien pa barn ese tna US baa cece ssscccsscscaasecercansesasssnccstccocunscisseanecassocaeses 18

Hệ chiếu chuẩn bức xạ gamma (G10-1-12-E) nguồn Cs — 137 19

ii hans chấn chì, XD VÀ HDS ass ssssscsscssssssssanssasssssssssnssassssnssanssaosssenns 20

Hệ chiều chuẩn tia X phố hẹp X80-160-E 525222222222 S22ccszz< 20

Vili

Hình 20 Đầu đọc liều kế microStar 2-22 2S 2211121211111 12112121211 21222112xxe2 28 Hình 21 Đà thị khảo sát sự ôn định của hệ đọc microStar - S22 55c 29

Hình 22 Thiết bị xóa liều Annearler Pocket của hãng Landauer tại CNT 30

Hình 23 Mat trên của Slab phantom wWater -àcceeieeeierrr- S0

Hình 24 Vị trí có định liều kế trên slab Phantom Wat€r - se 31

Hình 26 Dé thị khảo sát độ đồng đều của 20 nhóm liều kế OSL 36 Hình 27 Đồ thị khảo sát dap ứng tuyến tính của liều kế OSL với bức xạ gamma 40 Hình 28 ˆ Đồ thị khảo sát đáp ứng tuyến tính của liều kế OSL với bức xa tia X 41

Hình 29 ˆ Dò thị khảo sát sự suy giảm tín hiệu theo thời gian của liều kế OSL 43

Hình 30 Dé thị khảo sát sự phụ thuộc vào góc chiếu của liều kế OSL với bức xạ tia

1 ;iDlSrniEHDLIRN“BUI, so: c2:26521006:55 050520062 00620112003218031114410121130312322350510183011621012118271121424146112 46

iX

MỞ DẦU

Bức xạ ion hóa tôn tại xung quanh con người, chúng âm thầm tác động lên sứckhỏe con người nhưng chúng ta lại chăng thê nào cảm nhận được quá trình tác động đó.Các loại bức xạ mang năng lượng cao, có khả năng ion hóa vật chất, khi xâm nhập vào

cơ thê, chúng phá vỡ cấu trúc ADN, thay đôi chức năng của tế bao, làm tăng nguy cơ

mắc các bệnh lí nguy hiểm như ung thư, giảm bach câu, vô sinh, Hiện nay, khoa học

hạt nhân ngày càng phát triển, con người tiếp xúc nhiều hơn với các loại bức xa, do đó

van dé an toàn bức xa can được quan tâm một cach có hệ thông cần có những phương

thức kiểm soát giới hạn an toàn bức xạ Một trong những phương thức đang được sử

dụng phô biến trên thé giới là sử dụng liều kế cá nhân quang phát quang (OSLD) vì

những ưu điểm vượt trội của chúng Tuy nhiên, sử đụng liều kế OSL vẫn gặp nhiều hạn

chế tại Việt Nam Việc nghiên cứu, xác định một số đặc trưng cơ bản của liều kế OSL

dựa vào các tiêu chuan trong và ngoài nước để đưa ra những đánh giá vẻ chất lượng liễu

kế là điều cần thiết Đó cũng là lý do mở ra đề tài cho khóa luận: *Xác định một số đặc

trưng của liễu kế quang phát quang tại Trung tâm Hạt nhân Thành phố Hồ Chi Minh”

Nghiên cứu này nhằm khảo sát các đặc trưng cơ bản của 100 liều kế OSL loạiInlight model 2 tại CNT bao gồm: ngưỡng nhạy, độ đồng đều độ lặp lại độ tuyến tinh,

sự suy giảm tín hiệu theo thời gian, khả năng hấp thụ liều hỗn hợp, sự phụ thuộc vào

góc chiều.

Đề thực hiện các nội dung này, cần sử dung 100 liều kế OSL loại Inlight model

2 của hãng Landauer tại Phòng chuẩn liều cấp 2 - Trung tâm Hạt nhân Tp.HCM được

chiếu xạ với các phẩm chat bức xạ khác nhau: bức xa gamma sử dụng nguồn Cs-137 và

chùm tia X phố hẹp theo chuẩn ISO 4037:2019 Kết quả tương đương liều cá nhân do

liều kế ghi nhận sẽ được xác định bởi hệ đọc liều kế microStar do hãng Landauer cung

Á

cap.

Nghiên cứu nay sử dung phương pháp thực nghiệm dé thu thập các số liệu từ 100

liêu kế, sau đó sử dụng phương pháp so sánh và đánh giá các kết quả thu được với các

tiêu chuẩn của IEC và khuyến cáo của IAEA

Bồ cục luận văn được chia thành 3 chương

Chương 1: Tổng quan lí thuyết về các cơ chế tương tác của bức xạ với vật chất;

hiện tượng quang phát quang; cầu tạo và nguyên lí hoạt động của liều kế OSL: giới thiệu

một số thuật ngữ thường đùng trong việc đánh giá liều kế cá nhân Thông qua nội dung

này ta có thé xác định các tính chất cơ bản, cũng như xác định được cơ chế hấp thụ bức

xạ của liều kế OSL.

Chương 2: Giới thiệu các thiết bị được sử dụng trong quá trình thực hiện thí

nghiệm bao gồm: hệ đọc liều kế microStar; hệ chiếu chuẩn tia gamma nguồn Cs-137,

hệ chiếu chuẩn tia X phổ hẹp Trình bày nội dung thực nghiệm đánh giá các đặc trưng

cơ bản của liều kế OSL cũng như xác định độ không đảm bảo do của các yếu tố ảnh

hưởng lên kết quả đọc liều kế.

Chương 3: Trinh bày các bước tiền hành thí nghiệm, kết qua thu được từ thực

nghiệm và đưa ra các đánh giá, nhận xét kết quả dựa trên các tiêu chuẩn của IBC và

khuyến cáo của IABA Từ đó, ta có thé xác định được chất lượng liễu kế OSL tại CNT

và khả năng sử dụng chúng trong thực tế.

nN

CHƯƠNG 1 TONG QUAN LÍ THUYET VE LIEU KE OSL

1.1 Cơ chế tương tác của bức xạ với vật chất

Các bức xạ như gamma hay tia X đều có bản chất là sóng điện từ có bước sóng

rat ngắn, mang năng lượng cao Photon (lượng tử ánh sáng) chính là hạt lượng tử của

mọi bức xạ điện từ Hạt lượng tử này không mang điện tích do đó không chịu tác dụng

của trường thẻ Coulomb; không có khối lượng nghỉ nên chuyên động trong chân không

với tốc độ ánh sáng và không có khả năng tự phân rã Khi xuyên qua vật chất, photon sẽ

tương tác với các nguyên tử, phân tử cau tạo nên vật chat theo những cơ chế khác nhau.

Có ba hiệu ứng tương tác chính la: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng compton, hiệu ứng

sinh — hủy cap [1] [2]

1.1.1 Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện 1a quá trình tương tác giữa photon và các electron quỹ đạo

lớp trong (lớp K hoặc L), điện tử hap thụ toàn bộ năng lượng từ photon và birt ra khỏi

nguyên tử gọi là quang điện tử (Hình 1) Hiệu ứng quang điện chi xây ra khi năng lượng

chùm photon tới lớn hơn hoặc bằng năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử (gọi là công thoáU Động năng của quang điện tử chính là phan năng lượng chênh lệch

giữa năng lượng chùm photon và công thoát.

T =hw—E, (1)

Trong đó, 7 là động năng của electron birt ra khỏi nguyên tử; ¢ =/y là năng lượng

photon; # là hằng số Planck, # =6,626.10TM Js; v: tan số chùm bức xạ tới: E, là công

thoát hay năng lượng liên kết của electron tại lớp i (i = K, L, ) [2]

Hiệu ứng compton hay tán xạ compton là quá trình tương tác giữa photon với

electron lớp ngoài nguyên tử, chúng hấp thụ một phần năng lượng từ photon đủ đẻ bứt

ra khỏi nguyên tử Photon bị mat đi một phan năng lượng và chuyên động lệch hướng

so với ban đầu (Hình 2) Các định luật bảo toàn năng lượng, bảo toản xung lượng cho tamối liên hệ giữa năng lượng sau tin xạ £=h, góc tán xạ Ø và năng lượng ban đầu

&, = hư, của photon như sau: [2]

1.1.3 Hiệu img tạo —- hủy cặp

Nếu như hiệu ứng quang điện và tán xạ Compton xáy ra khi photon tương tác với

electron của nguyên tử thì hiệu ứng tạo cặp chủ yếu là kết quả tương tác của photon với

trường điện của hạt nhân Khi tiến vào trường Coulomb của proton, một photon sẽ biến

đôi thành một cặp electron — positron (positron có cùng khối lượng củng năng lượng

nghỉ nhưng mang điện tích trái dấu với electron) Quá trình này chỉ xảy ra khi năng

lượng bức xạ tới phải tối thiêu bằng năng lượng nghỉ của 2 hạt tạo thành Với công thức

Einstein E = me”, năng lượng nghỉ của electron và positron đều bằng E,= mục” =0,51

MeV, như vậy nang lượng chùm photon phải lớn hơn 1,02 MeV Theo định luật bao toàn năng lượng, năng lượng chùm photon tới £ được xác định như sau:

e=T, =F +2m,c° (3)

Trong đó, 7, và T lần lượt là động năng của hạt positron và electron

Khi chuyển động tự do trong môi trường, positron mang điện dương có khả năng

kết hợp với một hat electron tạo ra sự hay cặp Quá trình hủy cặp sinh ra hai photon có

1.2 Cơ sở lý thuyết về hiện tượng quang phát quang

1.2.1 Ly thuyết vùng năng lượng

Điện tử chỉ tồn tại trong nguyên tử ở các trạng thái dừng có năng lượng xác định

Đối với chat rắn, các điện tử liên kết chặt chẽ với nhau tạo thành cau trúc mạng tính thé

đặc trưng cho từng chất (Hình 4)

Hình 4 Cấu trúc mạng tinh thê của Sodium Cloride (NaCl)

Mỗi điện tử đều có các mức năng lượng riêng lẻ khác nhau nhưng khi tôn tại cùng nhautrong mạng tinh thé thì các mức nang lượng này chông chất với nhau tạo thành các vùng

năng lượng riêng biệt Tuân theo nguyên lí ngoại trừ Pauli và nguyên lý năng lượng cực

tiêu, năng lượng của các điện tử được chia thành 3 vùng chính là: vùng hóa trị vùng

cam và vùng dẫn (Hình 5)

+ Vùng hóa trị: là vùng có năng lượng tự đo thấp nhất và là vùng được ưu tiên lắp day

các điện tử Tại day, dưới tác dụng của tương tac Coulomb, các electron liên kết bền

chặt với hạt nhân nguyên tử ở nút mạng tinh thẻ Liên kết của điện tử lúc này đóng vai

trò là liên kết hóa học tạo nên cầu trúc mạng, xây dựng các đặc tính hóa lý của vật liệu

Điện tử trong vùng hóa trị không linh động và không có kha năng tham gia vào quá trình

dan điện.

+ Vùng dẫn: là vùng có mức năng lượng tự do cao nhất Các điện tử tồn tại trong vùng

dan chủ yếu là các electron nằm ở lớp vỏ ngoài cùng, cách xa hạt nhân dan đến tương tác Coulomb giữa chúng và hạt nhân giảm mạnh Các electron ở vùng dẫn có thê dễ

đàng bứt ra khỏi nguyên tử, trở thành các điện tử linh động chuyên động tự do và có

khả năng tham gia vào quá trình dẫn điện.

+ Vùng cam: là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn Theo Neils Bohr, các electron

chỉ có thé hoạt động ở các trang thái dừng có năng lượng xác định, khoảng giữa các

trạng thái dừng là mức năng lượng mà chúng không thê tôn tai, chính những vùng không

gian này đã tạo nên vùng cam Năng lượng vùng cam E,, con có thê được xem là nang

lượng cần thiết để đưa điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn [3], [4]

thực hiện quy tắc bát tử bằng cách chia sẻ bốn electron lớp vỏ ngoài cùng của nó với

bốn electron của 4 nguyên tử lân cận Như vậy, lớp vỏ hóa trị của nguyên từ được lấp

đầy hoàn toàn Sự liên kết giữa hai electron của hai nguyên tr kế cận nhau tạo ra các

“liên kết hóa tri’? (Hình 6).

Hình 6 Mô hình tinh thé của chat bán dẫn ở nhiệt độ thấp

Khi ở nhiệt độ thấp, các liên kết hóa trị được giữ ôn định do đó trong chat bán

dẫn không có các điện tử tự do đề tham gia vào quá trình dẫn điện và trở thành chất cách điện Tuy nhiên ở nhiệt độ cao, electron nhận được năng lượng dưới dang nhiệt, chúng

sẽ đao động mạnh mẽ, làm gãy các liên kết, bứt ra khỏi nguyên tử và khi năng lượng

này lớn hơn năng lượng E,, thì các điện tử có thé dé dàng xuyên qua khỏi vùng cam dé vào vùng dẫn điện và trở thành các điện tử tự do Việc ra đi của các electron làm xuất

hiện các lỗ trong tại vùng hóa trị (Hình 7) Chính lỗ trống va electron sẽ đóng vai trỏ là

các hạt tải điện trong chất bán dẫn.

Diện tử tự do

Liên kết hóa trị bị đứt gãy

— Lễ trông

Hình 7 Mô hình tinh thé chất bán dẫn ở nhiệt độ cao

Tuy nhiên, trên thực tế thì mô hình dẫn điện của chất bán dẫn không đơn giảnnhư vậy vì chất bán dẫn không hoàn toàn tinh khiết mà chúng còn chứa các nguyên tử

tạp chất Các tạp chat này gây ra khuyết tật trong mạng tinh thé làm xuất hiện các mức

§

năng lượng cho phép điện tử có thê tồn tại trong vùng cắm Các mức năng lượng định

xứ này có thé chia làm hai loại: các mức năm bên dưới vùng dan, trên mức fermi (Ey) có

xu hướng bắt các điện tử (bẫy điện tử); các mức nằm trên vùng hóa trị và đưới mức

fermi có xu hướng bắt các lỗ trông (bay 16 trồng) (Hình 8) [3], [5]

Hình 8 Mô hình bẫy điện tir và lỗ trông đơn giản trong chất bán dan

1.2.3 Hiện tượng quang phát quang

Hiện tượng quang kích thích phát quang gọi tắt là hiện tượng quang phát quang

là hiện tượng chat phát quang sau khi bị kích thích bởi ánh sáng có bước sóng J sẽ phát

ra ánh sáng có bước sóng 2”.

Nguyên nhân dẫn đền hiện tượng quang phát quang xuất phát tir quá trình chuyênđộng của các hạt tải điện giữa các trạng thái không hoàn hảo bên trong cau trúc vật liệu

Khi electron bị kích thích bởi các bức xạ ion hóa, chúng nhảy lên vùng dan, đồng thời

để lại lỗ trồng tại vùng hóa trị Các điện tử này có thé di chuyên một cách tự do cho đếnkhi chúng bị bắt giữ tại các mức năng lượng tôn tại trong vùng cam, gọi là các “bay”

Lúc này, vật liệu đang ở trạng thái kích thích, nếu dùng một nguồn sáng có bước sóng thích hợp thì năng lượng tử nguồn sáng giúp điện tử được giải phóng, dẫn đến sự tái hợp trở lại giữa electron và lỗ trống tại tâm phát quang Quá trình tái hợp sẽ phát ra năng lượng dưới dang bức xạ điện từ có bước sóng trong vùng ánh sáng khả kiến (Hình 9) Dùng ánh sáng dé phát ra ánh sáng, hiện tượng này chính là hiện tượng quang phát

quang [3], [4] [6], [7]

9

Nguồn sỏng

kớch thớch

Phỏt quang

Vựng húa trị

1.2.4 Cac mụ hỡnh quang kớch thớch phỏt quang

Xỏc suất P(E,) của quỏ trỡnh kớch thớch cỏc điện tử thoỏt ra khỏi bẫy trong từng

bước súng 2 cụ thộ là:

p(E,)=đứ(E,) (4)

Với đ là cường độ ỏnh sỏng kớch thớch, ơ(E,) là khả năng tương tỏc của cỏc điện tửmắc kẹt trong bóy với photon từ nguồn sỏng kớch thớch, E, là năng lượng cần thiết đề

đưa điện tử trở về trạng thỏi cõn bang

Cú ba mụ hỡnh quang kớch thớch phỏt quang chớnh đú là:

+ Mụ hỡnh quang phỏt quang sử dụng nguồn sỏng cú cường độ sỏng đ khụng đụi theo

thời gian gọi là mụ hỡnh quang kớch thớch phỏt quang liờn tục (Continous Wave Optically Sumulated Luminescence: CW-OSL) (Hỡnh L0).

@

Hỡnh 10 Mụ hỡnh quang kớch thớch phat quang CW-OSL

10

+ Mô hình sử dụng nguồn sáng có cường độ tuyến tính theo thời gian kích thích (Linear

Modulation Optically Stimulated Luminescence: LM-OSL) (Hình 11).

dd

®(:)=®,+/,! (2=) (5)

©

LW-OSL

Hình 11 Mô hình quang kích thích phát quang LW-OSL

+ Mô hình sử dụng nguồn sáng dưới chế độ xung (Pulsed Optically Stimulated

Luminescence: POSL) (Hình 12) Kĩ thuật này giúp làm giảm đáng kê quá trình lọc.

tăng độ nhạy của dau đọc và cải thiện tỉ lệ tín hiệu nhiều của phép đo quang học.

®

Hinh 12 Mô hình quang kích thích phát quang POSL

Mỗi một mô hình đều có ưu và nhược điểm của riêng nó, trong bài luận này sẽ

chi dé cập đên mô hình CW-OSL và nó cũng là mô hình được sử dụng trong hệ đọc liêu

kế microStar [6], [7]

1]

1.3 Liều kế OSL loại Inlight model 2

1.3.1 Cấu tạo

Liều kế OSL loại Inlight có khả nang đo liều bức xa tia X, tia gamma và beta với công nghệ quang phát quang — là một trong những công nghệ tiên tiễn nhất trong việc

đo liều bức xạ thụ động Liễu kế được nghiên cứu và sản xuất bởi hang Landauer, Hoa

Kì Liều kế được sử dung dé xác định tương đương liêu cá nhân bao gồm: liều hiệu dung

Hp(10), liều thủy tinh thé của mắt Hp(3), liễu da Hp(0.07) và liều beta Liều kế OSL có

dai do từ 10uSv đến hon 100 Sv Ngoài ra, dai năng lượng mà liều kế có thê đáp ứng

đối với bức xa photon là 16 keV — 1250 keV, đối với bức xạ beta là từ 227 keV — 2284keV và đối với bức xa neutron là 40 keV — 5000 keV [8]

Mã vạch

NT

Hinh 13 Mặt trước và mặt sau của liều kế OSL tai CNT

Cầu tạo của liều kế OSL loại Inlight model 2 gồm có 3 thành phan chính: vỏ ngoài liều

kế, thanh trượt và thân liều kế (Hình 13)

+ Vỏ liều kế: Vỏ được làm băng nhựa polycarbonate với kích thước 74mm x 36mm x 1imm Polycarbonate là một loại nhựa tông hợp có khả năng chịu nhiệt tốt, độ bên cơ học cao, chống được va đập mạnh và có khả năng chong được tia UV Những điều này

giúp bảo vệ liêu kê tránh khỏi những tác động vật lý và các bức xạ ion hóa từ môi trường

có thé làm suy giảm đến hiệu suất của quá trình phát quang Ngoài ra, trên vỏ liều kếcòn một mã vạch giúp xác định các thông tin cơ bản của riêng liều kế đó.

+ Thanh trượt: Thanh trượt được làm bằng nhựa ABS (Acrylonitrin Butadien Styren)

trên có gắn 4 đầu dò tương đồng nhau ứng với 4 vị trí từ Element 1 (EL) đến Element 4

(E4) làm từ vật liệu oxit nhôm pha carbon (AlzO::C) Các đầu đò thường dạng hình đĩa

tròn với đường kính 5mm, be day 0.9mm.

+ Thân liều kế OSL: là loại XA Inlight model 2 Trên thân liêu kế chứa các màng lọcbức xạ tương ứng với 4 vị trí đầu đò Các màng lọc có vai trò khác nhau, kết hợp vớicác đầu đỏ trên thanh trượt để xác định được các giá trị tương đương liều hiệu dungHp(10), tương đương liều thủy tinh thé của mắt Hp(3), tương đương liều da H;({0.07) và

liều beta [4], [6]

1.3.2 Vai trò của vật liệu nhôm oxit pha carbon (Al:O3:C)

Vật liệu bán dẫn nhôm oxit pha carbon (ALOs:C) là thành phần chính trong cầu

tạo đầu dò của liều kế OSL AlaOs:C có nguyên tử khối hiệu dụng Zen = 11,3, nông độpha tạp carbon khoảng 5000ppm Với AlOs:C, liều kế OSL đường như đang sở hữu cácđặc tính gần giống với một liều kế thụ động lí tưởng như: độ nhạy cao, hình thù và kíchthước đa dạng, có khả năng đo được liều hấp thụ của cả chùm tia photon và beta cùng

một lúc, không bị gia công bởi nhiệt nên dé dàng hiệu chuẩn và sử dung AlLOs:C có dai

năng lượng vùng cắm rộng, khoảng 9,5 eV cho phép thiết kế nhiều loại bay điện tử bay

lỗ trong với độ nông, sâu khác nhau; cùng với đó các trung tâm phát quang hoạt động

một cách én định Kích thích quang học chi lam một phần điện tứ bị bay thoát ra ngoài,

số còn lại được tích lũy trong bấy là lớn hơn rất nhiêu và chỉ cần 0,2% số điện tử được

giải phóng là có thé xác định được giá trị liều đọc chính xác Năng lượng photon phát

ra tại trung tâm phát quang trong quá trình tái hợp của các điện tử này ti lệ với năng

lượng chùm bức xạ ion hóa cần đo đạc [6]

1.3.3 Cơ chế nhận liều hấp thụ của liều kế OSL

Khi liều kế tiếp xúc với môi trường có nguồn bức xa, electron của Al2Os:C hap thu năng lượng bị kích thích dao động mạnh mẽ làm gãy các liên kết hóa trị và di chuyên lên vùng dẫn Sự ra đi của electron để lại cho vùng hóa trị các lỗ trồng tự do Thời gian

tồn tại trên các trạng thái kích thích của electron là vô cùng ngắn, chỉ khoảng 10' giây

Sau thời gian này, chúng rơi trở lại vùng cam Tại đây, khuyết tật mạng do carbon gây

ra trong tinh thê AlzO›, tạo ra các mức năng lượng (gọi là các bay) cho phép điện tử tồn

tại Năng lượng điện tử tích lũy trong các bay ti lệ với năng lượng bức xa ma vật liệu đã

hap thụ ban dau

1.4 Một số thuật ngữ thường dùng trong việc do liều kế cá nhân

1.4.1 Liều hấp thụ

Liêu hap thụ D được định nghĩa bằng ti số: D = = với de là năng lượng bức

m

xạ ion hóa ma vat chat nhận được trong một đơn vi thé tích va din là khối lượng vật chất

có trong thé tích đó Don vị liều hap thụ trong hệ SI là Gray (Gy) Một Gy bằng năng

lượng 1 Joule truyền cho Ikg vat chat Suat liêu hap thụ: De [Gv/giây hoặc

dau của tắt cả các điện tử được sinh ra đo các hạt ion hỏa không mang điện trong một

đơn vị thé tích vật chất có khối lượng dm Trong hệ SI đơn vi của suất Kerma là Joule

trên kilogram [J/kg] hoặc Gray [Gy].

Liéu hap thụ là năng lượng ma một đơn vi khối lượng của vật chất hấp thụ từ các

bức xạ ion hóa bat kì, hay nói cách khác thì liều hap thụ chính là năng lượng thực sựđược hấp thụ vả tích lũy trong vật chất Còn Kerma là động nang của các điện tử được

l4

giải phóng bởi các bức xạ ion hóa gián tiếp trong một đơn vị khối lượng của vật chất

sau khi bị chiếu xạ [2], [4]

1.4.3 Dod nhạy

Độ nhạy của liều kế OSL được xác định dựa vào tín hiệu quang phát quang OSL.

trên một đơn vị liều hap thu D trong một đơn vị khối lượng vật chất m.

tương đối Thông thường, người ta đánh giá độ nhạy bằng cách so sánh nó với độ nhạy

của một vật liệu được coi là tiêu chuẩn Độ nhạy là thông số được xác định bởi nhà sản

xuất, độ nhạy càng cao, liều kế càng có kha nang phan ứng tốt với bức xa, kết quả do

lường càng chính xác [2]

1.4.4 Tương đương liều cá nhân

Tương đương liều cá nhân Hp(d), khái niệm được đưa ra bởi ICRU giúp đánh giá mức độ rủi ro của cá nhân khi tiếp xúc với bức xạ, là tương đương liều trong mô mềm tại một vị trí xác định có độ sâu d trên cơ thê người Tương đương liều cá nhân được xác định dựa trên liều hap thụ thực tế; được hiệu chuẩn tùy thuộc vào loại bức xạ và vị

trí bi chiều xạ trên cơ thê Đơn vị thường dùng là Sivert (Sv)

Các liều kế cá nhân hiện nay thông thường có thể xác định tương đương liều cá

nhân ở các độ sầu: d = 10 mm H;(10) là liêu hiệu dụng toàn thân được khuyến cáo vớicác bức xạ xâm nhập mạnh: d = 3 mm Hp(3) là liều thủy tinh thé của mắt; d = 0,07 mm

Hp(0,07) là liều đa [2], [4]

15

CHUONG 2 THỰC NGHIỆM DANH GIA CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BAN CUA

LIEU KE OSL

2.1 Thiết bị sử dụng trong việc đọc liều kế cá nhân

2.1.1 Hệ đọc liều kế microStar của hãng Landauer

Sau khi chiếu xa, liễu kế OSL sẽ được đưa vào hệ đọc liều microStar — sản xuất

bởi hãng Landauer, Hoa Kì Hệ thống microStar cung cấp kha năng đọc liều kể, hiển

thị, nhập và xuất các dữ liệu liên quan đến thông tin chiều xạ của liêu kế (Hình 14) Các

số liệu sau khi được thu thập từ đầu đọc, được xử lý và hiên thị kết quả bởi phần mềmuStar (Hình 16) tích hợp trên máy tính kết nói với hệ thông

Thiết bị

xóa liêu

2.1.1.1 Cấu tạo đầu đọc liều kế microStar

Đầu đọc microStar có kích thước 12cm » 33cm x 24 cm, nặng 16 kg, được sử

dung đề đọc liễu cho các loại liều kế Inlight hoặc nanoDot, có kha năng đọc 100 liều kế

trong | giờ Dầu đọc gồm 3 bộ phận chính: nguồn sáng, tam lọc quang học, hệ thu nhận

ánh sáng.

16

a Nguồn sáng

Dau đọc microStar sử dụng 36 diot phát quang (LEDs) với nhiệm vụ cung cấp nguồn sáng có bước sóng phù hợp dé kích thích các điện tử thoát ra khỏi bay đang bị

bắt giữ trong tinh thé AlaO; — thành phan cau tạo nên các đầu đò từ E1 đến E4 của liều

kế Mặc dù, bước sóng hiệu quả nhất cho kích thích quang phát quang của AlzO::C nam

trong vùng xanh lam, tuy nhiên đẻ phân biệt ánh sáng kích thích và ánh sáng phát quang,

microStar sử dụng nguồn sáng màu lục với đỉnh phỏ rơi vào khoảng 525 nm [6]

b Tắm lọc quang học

Tam lọc quang học có nhiệm vụ loại bỏ những bức xạ nhiễu, chi thu nhận ánhsáng phát quang từ liều kế Điều này giúp tăng độ nhạy cũng như độ chính xác của hệ

đọc liều kế MicroStar thường sử dụng tam lọc Hoya B-370, có bè dày 7,5 mm, cho phép

các bức xạ có bước sóng từ 300 nm đến 450 nm truyền qua

c Hé thu nhận ánh sáng

Anh sáng sau khi được lọc nhiễu sẽ được truyền tới ống nhân quang điện (PMT)

Tại đây, tín hiệu quang học thu được sẽ được chuyên đôi thành tín hiệu điện tương ứng.

Dưới dang tín hiệu điện, thông tin liều bức xạ có thé dé đàng ghi nhận, xử lý và hiến thịkết quả bằng các thiết bị điện tử

2.1.1.2 Nguyên lý hoạt động của đầu đọc microStar

Muôn thu nhận kết quả của liều kế sau khi bị chiều xạ, ta đặt chúng vào trongđầu đọc microStar Nguồn sáng từ 36 LEDs phát ra ánh sáng màu lục với đỉnh phôkhoáng 525 nm, năng lượng từ nguồn sáng giải phóng điện tử Điện tử tự đo tái hợp với

lỗ trồng tại tâm phát quang Quá trình này sinh ra một nguôn năng lượng đưới dang bức

xạ điện từ trong vùng ánh sáng xanh đa trời với đỉnh phô khoảng 415 nm Ánh sáng phát

ra có thé bị nhiễu do đó chúng cần được đi qua tam lọc quang học dé loại bỏ các ánh

sáng không mong muốn và chỉ giữ lại ánh sáng từ quá trình phát quang Ánh sáng OSL

sau khi loại nhiều sẽ được ghi nhận bởi ông PMT Tại đây, lượng ang sáng thu được sẽ chuyên đổi thành tín hiệu dạng điện tích nC, tín hiệu dòng nA hoặc số đếm, từ đó sẽ

17

được chuyên thành tương đương liều cá nhân tương ứng Đầu đọc mieroStar được trang

bị một núm xoay đẻ thay đôi vị trí chiếu sáng vào các dau dò OSL từ El đến E4, kếthợp với các màng lọc trên thân liều kế giúp ta đo được các giá trị liều cá nhân mongmuốn Hp(10), Hp(3), Hp(0,07) hoặc liều beta (Hình 15) [4], [6], [7] [9]

Tâm lọc

quang học

Hình 16 Giao diện phần mém Star2.1.2 Nguồn phát bức xạ photon

Liều kế OSL được chiếu xạ tại phòng chuân liều cấp 2 thuộc Trung tâm hạt nhân

Thanh phố Hỗ Chí Minh theo tiêu chuẩn [SO 4037:2019 Thiết bị chiếu xa Hopewell

Designs bao gồm hệ chiếu chuẩn bức xạ Gamma G10 Irradiator System (G10-1-12-E)

18

và hệ chiếu chuan bức xạ tia X pho hẹp Model X80-160-E với các phâm chat bức xa

khác nhau: N-40, N-60, N-80, N-100 và N-120.

2.1.2.1 Hệ chiếu chuẩn gamma Cs-137

Phòng chuẩn gamma tại CNT được xây dựng theo tiêu chuẩn ISO 4037:2019, sử

dụng nguồn gamma loại GSR-Cs137/A có hoạt độ phóng xa là 26.973 Ci (13/05/2019) mức năng lượng 662 keV, dải suất liều từ 9,4 đến 47183,2 uSv/h, ở dang mudi bột Xesi

Clorua và được khuyến nghị sử dụng trong thời hạn 10 năm Phần muốt bột này được

bao bọc bởi vỏ có dạng hình con nhộng đạt yêu câu theo tiêu chuẩn ISO 1677 Trụ chứa

nguồn được thiết kế theo dang khối chì hình trụ bọc thép không gi, bề dày lớp chì tươngứng với nguồn Cs- 37 là 6.5 cm (Hình 17) Suất liều bức xạ tối đa tính từ bán kính 30cm

từ bộ phận chứa nguồn là dưới 5 uSv⁄h khi được che chắn Máy chiếu xạ G10 có ôngchuan trực thiết kế theo tiêu chuân ISO 4037, được dùng dé thiết lập hình dạng và kích

thước của chùm tia phát Trụ chứa nguôn còn có 3 tam chắn chì đặt trước ống chuẩn

trực với bè day là X4 (1,16 cm), X10 (2,45 cm), X25 (3,05 cm) cho độ suy giảm chùmbức xạ gamma lần lượt 4 lần, 10 lần, 25 lan (Hình 18) [10]

Hình 17 Hệ chiếu chuẩn bức xạ gamma (G10-1-12-E) nguồn Cs - 137

19