Nghiên cứu phương pháp đo liều bức xạ ion hóa bằng liều kế OSL

Danh mục các từ viết tắt 1 OSL Optically Stimulated Luminescence: Hiện tượng quang kích thích phát quang hay gọi tắt là quang phát quang 2 OSLD Optically Stimulated Luminescence Dosimet

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-O0O -

BÙI ĐỨC KỲ

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP

ĐO LIỀU BỨC XẠ ION HÓA BẰNG LIỀU KẾ OSL

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-O0O -

BÙI ĐỨC KỲ

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP

ĐO LIỀU BỨC XẠ ION HÓA BẰNG LIỀU KẾ OSL

Mục lục

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN 4

1.1 Hiện tượng phát quang 4

1.2 Hiện tượng quang kích thích phát quang : OSL 4

1.2.1 Định nghĩa 4

1.2.2 Cơ sở lý thuyết của hiện tượng quang phát quang 5

1.2.3 Các mô hình quang kích thích phát quang 7

1.2.4 Mô hình một bẫy- một tâm tái hợp 9

1.2.5 Mô hình động học bậc 2 12

1.2.6 Mô hình động học tổng quát 13

1.3 Một số khái niệm về các đại lượng và đơn vị đo dùng trong đo liều cá nhân 14 1.3.1 Liều hấp thụ: D 14

1.3.2 Kerma: K 14

1.3.3 Tương đương liều cá nhân 15

CHƯƠNG II: CẤU TẠO, CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA LIỀU KẾ OSL VÀ HỆ MÁY ĐỌC LIỀU KẾ OSL MICROSTAR .16

2.1 Cấu tạo của liều kế OSL loại Inlight model 2 16

2.2 Các đặc trưng của liều kế OSL 18

2.2.1 Độ nhạy 18

2.2.2 Ngưỡng nhạy của liều kế OSL 18

2.2.3 Đáp ứng năng lượng 19

2.2.4 Đáp ứng liều (đáp ứng tuyến tính) 22

2.2.5 Sự suy giảm tín hiệu 24

2.2.6 Độ lặp lại của liều kế OSL 24

2.3 Một số các đặc trưng khác của liều kế OSL 25

2.4 Tiêu chuẩn đánh giá các đặc trưng của liều kế OSL 25

2.5.1 Cấu tạo của máy đọc liều kế Microstar .27

2.5.2 Nguyên lý hoạt động của máy đọc Microstar 28

2.6 Quy trình đánh giá liều cá nhân sử dụng liều kế OSL 29

2.6.1 Chuẩn máy đọc liều kế Microstar .29

2.6.2 Hiệu chuẩn độ nhạy của chip OSL .30

2.6.3 Đọc và đánh giá liều bằng liều kế OSL loại OSL - InLight Model 2 trên máy đọc Microstar 30

2.6.4 Thuật toán tính toán liều Microstar 31

CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 33

3.1 Thiết lập chiếu chuẩn liều kế OSL trên hệ chuẩn bức xạ gamma và tia X 33

3.2 Thực nghiệm khảo sát độ ổn định của máy đọc liều kế Microstar 36

3.3 Xác định ngưỡng nhạy của liều kế OSL Inlight model 2 39

3.4 Thực nghiệm khảo sát độ tuyến tính của liều kế OSL 41

3.5 Thực nghiệm khảo sát sự phụ thuộc năng lượng 46

3.6 Thực nghiệm đánh giá sự suy giảm tín hiệu của liều kế OSL .52

3.7 Thực nghiệm đánh giá độ lặp lại của liều kế OSL 54

3.8 Thực nghiệm khảo sát độ đồng đều của liều kế OSL 56

3.9 Thực nghiệm khảo sát sự phụ thuộc góc của liều kế OSL 60

3.10 Thực nghiệm khảo sát mức độ tự chiếu xạ của liều kế OSL 70

3.11 Đánh giá độ không đảm bảo đo ( Uncertainty) 72

KẾT LUẬN 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

PHỤ LỤC 77

Danh mục các từ viết tắt

1 OSL Optically Stimulated Luminescence: Hiện tượng quang kích

thích phát quang hay gọi tắt là quang phát quang

2 OSLD Optically Stimulated Luminescence Dosimeter: Liều kế

Linear Modulation Optically Stimulated Luminescence: Chế

độ quang kích thích sử dụng nguồn ánh sáng có cường độ tăng tuyến tính theo thời gian

Pulsed Optically Stimulated Luminescence: chế độ quang kích thích phát quang sử dụng nguồn ánh sáng dưới chế độ xung

8 ABS Acrylonitrin Butadien Styren : Nhựa ABS

9 ICRU International Comission on Radiation Units and

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

10 IAEA International Atomic Energy Agency: Cơ quan năng lượng

nguyên tử quốc tế

11 LED Light Emitting Diode: Điốt phát quang

12 PMT Photomultiplier: Ống nhân quang điện

13 RCF Reader Calibration Factor: Hệ số chuẩn máy đọc

14 ECC Element Correction Coefficients: Hệ số hiệu chỉnh độ nhạy

15 NVLAP National Voluntary Laboratory Accreditation Program: Thuật

toán tính toán liều NVLAP

16 VN-SDL

(VN-SSDL)

Vietnam Standard Dosimetry Laboratory: Phòng thí nghiệm chuẩn liều lượng bức xạ cấp 2 thuộc mạng lưới các phòng chuẩn cấp 2 của IAEA

17 ICRP International commission on radiological protection: Ủy ban

quốc tế về bảo vệ phóng xạ

4 Bảng 3.3: Kết quả phông nội tại của các liều kế OSL dùng để xác định ngưỡng nhạy 40

5 Bảng 3.4: Kết quả đo của 11 nhóm liều kế OSL khảo sát độ tuyến

6 Bảng 3.5 : Kết quả khảo sát độ tuyến tính của liều kế OSL 43

7 Bảng 3.6: Kết quả tính toán khoảng giới hạn của liều kế OSL theo

Bảng 3.9: Kết quả đáp ứng phụ thuộc năng lượng của liều kế OSL

trong không khí ( Đã quy chiếu về đáp ứng của 137Cs) 48

11 Bảng 3.10: Số đọc của liều kế OSL khi được chiếu trên phantom 49

12

Bảng 3.11: Kết quả đáp ứng phụ thuộc năng lượng của liều kế OSL

trên phantom ( Đã quy chiếu về đáp ứng của 137Cs) 50

13 Bảng 3.12: Kết quả đáp ứng liều phụ thuộc năng lượng của liều kế

14 Bảng 3.13 : Kết quả khảo sát sự suy giảm tín hiệu của liều kế OSL 53

15 Bảng 3.14: Kết quả đánh giá độ lặp lại của liều kế OSL 54

16 Bảng 3.15: Giá trị R đánh giá độ lặp lại của liều kế OSL 55

17 Bảng 3.16: Giá trị R đánh giá độ lặp lại của liều kế TLD 55

18 Bảng 3.17: Kết quả khảo sát độ đồng đều của liều kế OSL với H

=0.5 mSv

56

19 Bảng 3.18: Kết quả khảo sát độ đồng đều của liều kế OSL với H =3

20 Bảng 3.19: Kết quả đo sự phụ thuộc góc của liều kế OSL với bức

21 Bảng 3.20: Kết quả đánh giá sự phụ thuộc góc với bức xạ gamma- 137

22

Bảng 3.21 : Kết quả khảo sát sự phụ thuộc góc của liều kế OSL với

bức x gamma của nguồn chuẩn 137Cs (Các kết quả được tham chiếu

25 Bảng 3.24: Kết quả đánh giá sự phụ thuộc góc đối với tia X ISO

N-80 theo IEC (Kết quả được tham chiếu về góc 00) 67

26 Bảng 3.25: Kết quả khảo sát sự phụ thuộc góc của liều kế OSL với

tia X ISO N-80

27 Bảng 3.26: Kết quả phông nội tại của liều kế OSL trước khi đưa

28 Bảng 3.27: Kết quả khảo sát độ tự chiếu xạ của liều kế OSL 71

29 Bảng 3.28: Nguồn gốc gây ra độ không đảm bảo đo 73

6 Hình 1.6: Mô hình một bẫy electron, một tâm tái hợp 10

7

Hình 1.7: Đường cong OSL thu được nhờ giải các phương trình tốc

độ bằng phương pháp số đối với mô hình một bẫy – một tâm tương

ứng với các giá trị (m0=n0=1015 cm-3) và (m0=1016 cm-3 và n0=1015

cm-3)

12

8

Hình 1.8: Đường cong OSL với các dạng động học bậc 1, bậc 2 và

bậc động học tổng quát khi b = 1.3 và b = 1.7 Thông số sử dụng

bao gồm n0=1015/cm3, N=1016/cm3 và p = σФ =0.1/s

13

10 Hình 2.1: Vỏ ngoài của liều kế OSL - Inlight model 2 16

11 Hình 2.2: Cấu tạo thanh trượt của liều kế OSL 17

12 Hình 2.3: Cấu tạo thân liều kế OSL loại XA Inlight model 2 17

13 Hình 2.4a: Hệ số μen/ρ (g/cm2

) của một số nguyên tố là một hàm

14 Hình 2.4b: Hệ số μen/ρ (g/cm2) đối với năng lượng xác định là một

15

Hình 2.5: Đáp ứng phụ thuộc năng lượng của một số loại vật liệu

Vật liệu chuẩn để so sánh là mô cơ thể người với Zeff = 7.34 21

16 Hình 2.6: Đường cong đáp ứng liều và các giá trị của hệ số f(D) đối

17 Hình 2.7: Đường cong giới hạn độ sai lệch liều ( Trumpet Curve) 26

19 Hình 2.9: Nguồn sáng của Microstar (chuỗi 36 LED) 27

20 Hình 2.10: Nguyên lý hoạt động của máy đọc Microstar 28

21 Hình 2.11: Dao diện màn hình của phần mềm microstar trong quá 31

27 Hình 3.6: Dao diện màn hình khi tiến hành đo Dark - CAL - LED 37

28 Hình 3.7: Đồ thị khảo sát độ ổn định của máy đọc Microstar 39

29 Hình 3.8: Đồ thị khảo sát độ tuyến tính liều Hp(10) của liều kế

30 Hình 3.9: Đồ thị khảo sát độ tuyến tính liều Hp(3) của liều kế OSL 45

31 Hình 3.10: Đồ thị khảo sát độ tuyến tính liều Hp(0.07) của liều kế

32 Hình 3.11: Đồ thị khảo sát độ tuyến tính của liều kế OSL 46

33 Hình 3.12: Đáp ứng năng lượng của liều kế OSL khi được chiếu

trong không khí xác định tại phòng chuẩn VN-SDL 49

34 Hình 3.13: Đáp ứng năng lượng của liều kế OSL khi được chiếu

35 Hình 3.14: Đáp ứng năng lượng của liều kế OSL khi được chiếu

trên phantom PMMA xác định tại phòng chuẩn VN-SDL 50

36 Hình 3.15: Đáp ứng liều phụ thuộc năng lượng của liều kế OSL 51

37

Hình 3.16: Đồ thị khảo sát sự suy giảm tín hiệu của liều kế OSL

trong khoảng thời gian 120 ngày lưu giữ tại điều kiện làm việc

thông thường

38 Hình 3.17: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định sự phụ thuộc góc 61

39 Hình 3.18: Bố trí thí nghiệm xác định sự phụ thuộc góc của liều kế

40

Hình 3.19: Đồ thị khảo sát sự phụ thuộc góc của liều kế OSL với

bức xạ gamm của nguồn chuẩn 137Cs (sai số biểu diễn = 1 lần độ

lệch chuẩn và biểu thị cho Hp(10)

64

41

Hình 3.20: Đồ thị khảo sát sự phụ thuộc góc của liều kế TLD với

bức xạ gamma của nguồn chuẩn 137Cs(sai số biểu diễn = 1 lần độ

lệch chuẩn và biểu thị cho Hp(10)

64

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Những tác động bất lợi của việc chiếu xạ quá mức cũng như những ảnh hưởng của bức xạ đến con người đã được chứng minh rất rõ ràng Do đó các phép đo chính xác về liều lượng bức xạ là rất quan trọng đối với những người làm việc liên quan tới bức xạ ion hóa Các nhân viên trực tiếp làm việc trong môi trường có sử dụng nguồn phóng xạ và thiết bị bức xạ được bảo vệ bằng nhiều phương cách khác nhau trong đó có sự theo dõi liên tục liều cá nhân Những người làm việc trong vùng bức

xạ phải đeo liều kế cá nhân, đây là một thiết bị đo liều tích luỹ nhỏ gọn, thuận tiện hết sức cần thiết và không thể thiếu được để xác định liều bị nhiễm và đưa ra những cảnh báo cho người đeo chúng

Trong lĩnh vực đo liều cá nhân thì phương pháp đo liều thụ động vẫn là thông dụng nhất Có rất nhiều các loại liều kế cá nhân thụ động khác nhau như liều kế phim, liều kế thủy tinh, liều kế vết, liều kế nhiệt phát quang, liều kế quang phát quang Tuy nhiên, hai loại liều kế thụ động phổ biến nhất thường dùng trong đo liều cá nhân hiện nay đó là: liều kế nhiệt phát quang và liều kế quang phát quang Liều kế quang phát quang (Optically Stimulated Luminescence Dosimeters - OSLD) đã được nghiên cứu từ những năm 1950 Tuy nhiên, phải đến những năm

1990 thì chúng mới được áp dụng mạnh mẽ vào mục đích đo liều bức xạ ion hóa trong các lĩnh vực khác nhau như đo liều cá nhân, đo liều y tế, đo liều môi trường,

đo liều vũ trụ, đo liều cho mục đích an ninh… Hiện nay, liều kế OSL đã được sử dụng ở nhiều nước trên thế giới như ở Pháp, Mỹ, Canada, Nhật Bản, Hàn Quốc, Thái Lan Tuy nhiên, tính đến nay ở Việt Nam việc cung cấp dịch vụ đo liều cá nhân chủ yếu sử dụng liều kế nhiệt phát quang (Thermoluminescence Dosimeters – TLD) Bên cạnh những ưu điểm, ứng dụng không thể phủ nhận của TLD thì chúng cũng tồn tại một số điểm yếu nhất định như: cần cung cấp nhiệt trong quá trình đọc,

hệ thiết bị đo đạc khá phức tạp Với những yếu điểm tồn tại của liều kế TLD thì

không phải nung nhiệt khi đọc liều kế, hệ thiết bị đo đơn giản, thuận tiện phương pháp đo liều quang phát quang sử dụng liều kế OSL hứa hẹn là sẽ khắc phục được những tồn tại đó và góp phần đa dạng hóa các phương pháp đo liều ở Việt Nam

Do chưa có cơ sở nghiên cứu, cung cấp dịch vụ nào ở Việt Nam sử dụng loại liều kế quang phát quang vào mục đích đo liều cá nhân Vì vậy, việc nghiên cứu, triển khai kỹ thuật đo liều bức xạ ion hóa sử dụng liều kế OSL là thiết thực để phục

vụ nhu cầu thực tế của công tác đảm bảo an toàn bức xạ tại Việt Nam hiện nay

Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu này tìm hiểu lý thuyết cơ bản của hiện tượng quang phát quang, các đặc trưng của liều kế quang phát quang, đặc điểm của liều kế OSL – Inlight model 2 và ứng dụng của nó trong việc xác định liều cá nhân cho các nhân viên, những người làm việc trong môi trường có liên quan đến bức xạ photon tại phòng thí nghiệm chuẩn liều lượng bức xạ ion hóa VN-SDL/ Viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp so sánh và đánh giá giữa các kết quả thực nghiệm đo được từ liều kế OSL với các giá trị chuẩn đưa ra bởi phòng thí nghiệm

và các tiêu chuẩn quốc tế quy định chất lượng của một liều kế cá nhân theo IEC

1066 và các khuyến cáo của IAEA, ICRP

Nội dung chính của luận văn

Bố cục của luận văn chia làm 3 chương và 6 phụ lục

Chương I: Trình bày kiến thức tổng quan về hiện tượng và cơ chế quang phát quang, các mô hình lý thuyết mô tả các quá trình động học xảy ra đối với vật liệu quang phát quang Chương này cũng trình bày một số khái niệm cơ bản về các đại lượng đo liều bức xạ dùng để đánh giá liều cá nhân

Chương II: Trình bày cấu tạo chi tiết về liều kế OSL – Inlight model 2 và các tính chất đặc trưng của một liều kế quang phát quang sử dụng trong thực tế như

ngưỡng nhạy, đáp ứng liều, đáp ứng năng lượng, sự suy giảm tín hiệu và một vài các đặc trưng khác Chương này cũng trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hệ máy đọc liều kế Microstar, quy trình đánh giá liều cá nhân sử dụng liều kế OSL và thuật toán NVLAP sử dụng để tính toán liều

Chương III: Trình bày các thí nghiệm và kết quả khảo sát các đặc trưng của liều kế OSL sử dụng trong thực tế Các kết quả thu được có so sánh, đối chiếu với các giá trị chuẩn đưa ra của phòng thí nghiệm, các tiêu chuẩn đánh giá quốc tế theo IEC 1066 và các khuyến cáo của IAEA, ICRP Ngoài ra một số kết quả cũng được

so sánh với phương pháp đo liều thụ động phổ biến hiện nay là phương pháp đo liều

cá nhân nhiệt phát quang sử dụng các liều kế TLD-100

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN 1.1 Hiện tượng phát quang

Hiện tượng phát quang là hiện tượng một số chất (rắn, lỏng, khí) khi hấp thụ năng lượng dưới một dạng nào đó có khả năng phát ra bức xạ quang học trong vùng ánh sáng nhìn thấy Ví dụ như sự phát sáng của phốt pho khi tiếp xúc với ôxy hay

sự phát sáng của một số chất rắn, khí khi được chiếu bằng ánh sáng tử ngoại Hiện tượng phát quang được phân loại theo phương pháp kích thích gây nên chúng: + Hiện tượng phát sáng quang hóa: (Photoluminescence): là hiện tượng phát quang khi vật liệu được kích thích bằng tác nhân ánh sáng (quang photon)

+ Sự phát quang do ma sát (Triboluminescence): là hiện tượng phát quang dưới tác động cơ học do trà sát, mài (do các ứng suất cơ học)

+ Sự phát quang bằng phản ứng hoá học (Chemiluminescence): Là hiện tượng ánh sáng phát ra từ những phản ứng hóa học

+ Sự phát quang sinh học (Bioluminescence): Ánh sáng phát ra từ những phản

ứng hóa sinh

+ Điện phát quang (Electroluminescence): Sự phát ra ánh sáng do tác động

của trường điện từ

+ Nhiệt phát quang (Thermoluminescence - TL) : Là hiện tượng phát ra ánh sáng khi vật thể được kích thích bởi nhiệt

1.2 Hiện tượng quang kích thích phát quang : OSL

1.2.1 Định nghĩa

Hiện tượng quang kích thích phát quang hay còn gọi là hiện tượng quang phát quang (Optically Stimulated Luminesscence – OSL): Là hiện tượng một vật liệu cách điện hay bán dẫn (thường dưới dạng tinh thể) phát ra ánh sáng khi được chiếu bằng ánh sáng có bước sóng thích hợp nếu trước đó nó được chiếu bởi các nguồn bức xạ ion hóa Cường độ ánh sáng phát ra tỉ lệ với năng lượng mà nó hấp thụ trong vật liệu

1.2.2 Cơ sở lý thuyết của hiện tượng quang phát quang

Hiện tượng quang phát quang lần đầu tiên được quan sát và chú ý từ những năm 1843 bởi Edmond Becquerel và sau đó là Henry Becquerel vào năm 1883 khi quan sát hiện tượng huỳnh quang của ZnS và CaS bị dập tắt rất nhanh khi những vật liệu này được chiếu bởi ánh sáng hồng ngoại nếu trước đó chúng được chiếu bởi bức xạ ion hóa Hiện tượng này và nhiều các hiện tượng tương tự khác đã được quan sát vào cùng thời gian này và khi đó người ta đặt tên cho hiện tượng này là hiện tượng quang huỳnh quang (photophosphorescence) Hiện tượng này sau đó được rất nhiều các nhà khoa học nghiên cứu, giải thích và đặt cho nhiều tên gọi khác nhau, tuy nhiên vẫn không giải thích được một cách chính xác và đầy đủ nhất Phải đến những năm giữa thế kỉ XX khi mà cơ học lượng tử và lý thuyết cấu trúc vùng năng lượng phát triển thì người ta mới có thể hiểu rõ và đầy đủ hơn về hiện tượng này và năm 1963 hiện tượng này chính thức được gọi là hiện tượng quang kích thích phát quang hay hiện tượng quang phát quang bởi Fowler

Các quá trình vật lý dẫn đến hiện tượng quang phát quang đều liên quan tới sự chuyển động của các hạt tải điện (điện tử và lỗ trống) giữa các trạng thái không hoàn hảo (các khuyết tật) trong cấu trúc của vật rắn Mô hình cấu trúc vùng năng lượng giải thích hiện tượng quang phát quang được mô tả trên hình 1.1

Hình 1.1: Cấu trúc vùng năng lượng và các quá trình dịch chuyển

Vùng cấm

+ Vùng hóa trị: Là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng lượng, là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh và không linh động

+ Vùng dẫn: Là vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà điện tử sẽ linh động như các điện tử tự do và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn

+ Vùng cấm: Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trong vùng cấm

Trên thực tế trong mạng tinh thể luôn luôn tồn tại các loại khuyết tật khác nhau như các vùng khuyết ion hay các tạp chất xen vào nên trong vùng cấm tồn tại một số mức năng lượng cho phép Các mức năng lượng này đóng vai trò là tâm bẫy electron hoặc bẫy lỗ trống (tâm tái hợp) Trên giản đồ năng lượng trình bày ở hình 1.1 (đây là mô hình đơn giản nhất) tồn tại một tâm bắt điện tử và một tâm tái hợp (hay tâm phát quang) Sự hình thành và vận chuyển của các hạt tải điện được diễn

ra như sau:

+ Sự ion hoá và bẫy electron

+ Sự kết hợp giữa electron và lỗ trống với sự phát ra photon ánh sáng

Bức xạ ion hóa khi được hấp thụ trong vật liệu sẽ tạo ra các hạt tải điện là các điện tử (electron) và lỗ trống tự do Số hạt tải điện sinh ra tỉ lệ với năng lượng mà vật liệu hấp thụ Đối với sơ đồ vùng năng lượng, các electron sau khi nhận được năng lượng của bức xạ ion hóa chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn và chuyển động

tự do trong vùng này (bước 1) Điện tử và lỗ trống tự do có thời gian sống rất ngắn, chúng lập tức bị bắt vào các tâm bẫy tương ứng (bước 2 và 5) Lúc này mẫu ở trạng thái kích thích, nếu chiếu mẫu với nguồn ánh sáng có bước sóng thích hợp thì các điện tử bị bẫy có thể nhận được năng lượng đủ để thoát ra khỏi bẫy Sau khi thoát ra khỏi bẫy chúng chuyển lên vùng dẫn (bước 3) Thời gian điện tử ở vùng dẫn rất ngắn, chúng có xu thế chuyển về trạng thái cân bằng thông qua việc tái hợp với các

lỗ trống trên tâm tái hợp Quá trình tái hợp của điện tử và lỗ trống xảy ra kèm theo việc giải phóng năng lượng dưới dạng photon ánh sánh nhìn thấy (bước 4) Hiện

tượng phát ra ánh sáng do được chiếu bằng nguồn ánh sáng có bước sóng thích hợp này được gọi là hiện tượng quang phát quang

Cấu trúc vùng năng lượng thực tế phức tạp hơn nhiều bởi nó không chỉ tồn tại một mức bẫy electron và một mức bẫy lỗ trống như hình 1.1 mà nó có nhiều các

mức bẫy khác nhau như trình bày trên hình 1.2 C là mức bẫy elctron gần phía đáy

của vùng dẫn, nó là các mức bẫy nông, không bền ngay ở nhiệt độ môi trường do đó

electron dễ dàng thoát ra khỏi bẫy D là mức bẫy trung bình và đóng vai trò là các

bẫy đo liều chính, electron trong mức bẫy này được giải phóng khi được kích thích

bằng ánh sáng phù hợp E là các mức bẫy sâu, electron bị bắt ở đây chỉ có thể thoát

ra khi được nung với nhiệt độ cao hoặc được chiếu bằng ánh sáng tử ngoại cường

độ mạnh B là mức bẫy lỗ trống sâu và F là bẫy lố trống đóng vai trò là là tâm tái

hợp của điện tử và lỗ trống hay chính là tâm phát quang Ngoài ra các quá trình chuyển động của điện tử và lỗ trống cũng phức tạp hơn nhiều chứ không đơn giản như mô hình một bẫy một tâm

Hình 1.2: Cấu trúc vùng năng lượng thực tế gồm nhiều bẫy điện tử và lỗ trống

1.2.3 Các mô hình quang kích thích phát quang

Có 3 mô hình quang kích thích phát quang đang được sử dụng phổ biến hiện nay đó là:

+ Mô hình quang kích thích phát quang sử dụng nguồn ánh sáng có cường độ không thay đổi theo thời gian kích thích (Continous Wave Optically Stimulated Luminescence: CW-OSL)

[2] Hình 1.4: Mô hình quang kích thích LM-OSL (Trích dẫn trong tài liệu số 2 phần tài liệu tham khảo)

+ Mô hình quang kích thích phát quang sử dụng nguồn ánh sáng dưới chế độ xung (Pulsed Optically Stimulated Luminescence: POSL)

[2] Hình 1.5: Mô hình quang kích thích POSL (Trích dẫn trong tài liệu số 2 phần tài liệu tham khảo)

Mỗi một mô hình tương ứng với những đặc điểm riêng trong các quá trình động học của nó vì vậy luận văn này chỉ tập trung trình bày mô hình động học liên quan đến mô hình quang kích thích sử dụng nguồn ánh sáng có cường độ không thay đổi theo thời gian kích thích CW-OSL và nó cũng là mô hình được lựa chọn cho các máy đọc liều kế OSL thương mại MicroStar hiện nay

1.2.4 Mô hình một bẫy- một tâm tái hợp

Mô hình một bẫy một tâm được đưa ra với hai giả thiết sau:

+ Trong vùng cấm chỉ tồn tại một loại tâm bẫy (bẫy electron) và một loại tâm tái hợp (bẫy lỗ trống)

+ Điện tử được kích thích bởi ánh sáng thoát khỏi tâm bắt, tái hợp ngay với lỗ trống trên các tâm tái hợp mà không bị bắt trở lại vào các bẫy

Mô hình một bẫy-một tâm được biểu diễn trên hình 1.6 Sự cân bằng điện tích của hệ có thể biểu thị như sau:

n c + n = m v + m (1.1)

Trong đó: n c và n tương ứng là nồng độ của electron trong vùng dẫn và trong các bẫy electron ; m và m tương ứng là nồng độ của lỗ trống trong vùng hóa trị và

[2] Hình 1.6: Mô hình một bẫy electron, một tâm tái hợp

(Trích dẫn trong tài liệu số 2 phần tài liệu tham khảo)

Nếu coi hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động ở giai đoạn cuối của quá trình

chiếu xạ thì n c và m v là bằng không thì chúng ta có thể thấy ở giai đoạn đầu của quá

trình quang kích thích n 0 =m 0 ( giá trị “0” được hiểu là tại thời gian t=0)

Trong quá trình quang kích thích các electron thoát ra khỏi các bẫy, sự dịch chuyển của electron từ vùng dẫn về vùng hóa trị không xảy ra do các quy tắc dịch

chuyển và khi đó điều kiện cân bằng điện tích trở thành n c + n = m Từ đó ta có thể

viết tốc độ thay đổi của nồng độ của các hạt như sau:

Trong đó: p là tốc độ kích thích các electron tại các bẫy và nó liên quan đến

thông lượng Ф của photon tới và tiết diện quang ion hóa σ

p = Ф*σ (1.5)

A n là xác suất bị bẫy, Am là xác suất tái hợp : đơn vị m3/s

N là số các trạng thái bẫy electron khả dĩ: đơn vị 1/m3

τ =

thời gian sống của các electron tự do kết hợp: đơn vị là giây (s)

Với việc đưa ra phân bố chuẩn dừng của các electron tự do trong vùng dẫn ( được gọi là chuẩn cân bằng nhiệt động) hay dnc/dt << dm/dt và nc << n, m thì chúng

ta có:

(1.6) Các phương trình 1.3 và 1.4 có thể đơn giản hóa như sau:

Ф (1.7)

Điều này dẫn đến:

-nδФ [

] (1.8) Giả thiết thứ hai được đưa ra đó là quá trình bị bẫy trở lại của electron diễn ra

rất yếu (không đáng kể) do đó mà n c A n (N – n) << np, n c A m m Điều này dẫn tới mô

hình động học bậc một

IOSL (1.9) Giải phương trình này ta được:

I OSL = n 0 p * exp(-pt) = I 0* exp(-t/ ) (1.10)

I 0: là cường độ OSL tại thời điểm t=0 và là hằng số phân rã CW-OSL Do vậy mà mô hình động học bậc một dẫn đến sự suy giảm của cường độ OSL theo hàm e mũ khi cường độ của ánh sáng kích thích không thay đổi và cuối cùng tất cả các điện tử bị bẫy sẽ được giải phóng và cường độ OSL sẽ tiến về không Đây chính

là mô hình đơn giản nhất của OSL

Trên thực tế các thí nghiệm chỉ ra rằng hình dạng của đường cong CW-OSL

có những điểm khác biệt với đường cong được mô tả bằng mô hình động học bậc một Lý do giải thích cho vấn đề này có thể được đưa ra dưới quan điểm như sau:

- Các electron bị bẫy trở lại sau khi thoát ra khỏi các tâm bẫy trong quá trình

quang kích thích chiếm ưu thế điều này làm cho giả thiết n c A(N – n) << np, n c A m m

không còn phù hợp Lúc này phương trình 1.9 sẽ có dạng:

1.2.6 Mô hình động học tổng quát

Các phương trình động học bậc 1 và bậc 2 mô tả các quá trình OSL là kết quả thu được nhờ vào các giả thiết đơn giản hóa Khi các giả thiết này không còn phù hợp khi ta xét đến nhiều các yếu tố ảnh hưởng hơn thì đường cong OSL không tuân theo mô hình động học bậc một hay bậc hai đơn thuần nữa Chen và Mc Keever đã đưa ra mô hình tổng quát đối với quá trình OSL như sau:

Trong đó: b là thông số động học không có thứ nguyên, b=1 tương ứng với

động học bậc một, b=2 tương ứng với động học bậc hai và p = δФ

Phương trình này quay trở về mô hình bậc một khi b  1 và mô hình bậc 2 khi b=2

[2] Hình 1.8: Đường cong OSL với các dạng động học bậc 1, bậc 2 và bậc động học tổng quát khi b = 1.3 và b = 1.7 Thông số sử dụng bao gồm n 0 =10 15 /cm 3 ,

N=10 16 /cm 3 và p = σФ =0.1/s ((Trích dẫn trong tài liệu số 2 phần tài liệu tham khảo)

1.3 Một số khái niệm về các đại lượng và đơn vị đo dùng trong đo liều cá nhân 1.3.1 Liều hấp thụ: D

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 luợng 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 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

Suất Kerma : K dK

dt



 ( Gy.s-1 hoặc J.kg-1.s-1) (1.18)

1.3.3 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

Hình 1.9: Tương đương liều cá nhân

CHƯƠNG II: CẤU TẠO, CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA LIỀU KẾ OSL VÀ HỆ

MÁY ĐỌC LIỀU KẾ OSL MICROSTAR

2.1 Cấu tạo của liều kế OSL loại Inlight model 2

Liều kế OSL - Inlight model 2 đáp ứng với bức xạ photon và beta được sử dụng để đo liều toàn thân Hp(10), Hp(0.07), Hp(3) và liều beta Cấu tạo của liều kế OSL - Inlight model 2 gồm có 3 phần chính: Vỏ ngoài liều kế (holder), thanh trượt (Slide) trên có chứa 4 chip OSL từ E1 đến E4 và một thân liều kế (Case) loại XA Inlight model 2 trên có gắn các tấm lọc tương ứng với 4 vị trí chip OSL

Vỏ ngoài liều kế: Vỏ được dùng để bảo vệ thân và thanh trượt của liều kế và

giúp người sử dụng đeo một cách dễ dàng bằng một cái kẹp gắn trên vỏ Vỏ được làm bằng nhựa polycarbonate hình chữ nhật kích thước 74mm x 36mm x 11mm Vỏ cũng có một tấm lọc phía trước dầy ~0.03mm làm bằng polypropylene, đặt ở vị trí E1

Hình 2.1: Vỏ ngoài của liều kế OSL - Inlight model 2

Thanh trượt: Thanh trượt được làm bằng nhựa ABS (Acrylonitrin Butadien

Styren) trên có gắn 4 đầu dò OSL tương ứng với 4 vị trí từ E1 đến E4 được làm từ vật liệu Al2O3:C có nguyên tử khối hiệu dụng Z eff = 11.3, nồng độ pha tạp Carbon vào khoảng 5000ppm Các đầu dò thường có dạng hình đĩa tròn với đường kính 5mm bề dày 0,9 mm Ngoài ra thanh trượt còn có một mã 2D dùng để xác định thông tin về loại liều kế cũng như độ nhạy riêng của liều kế đó

Hình 2.2: Cấu tạo thanh trượt của liều kế OSL

Thân liều kế OSL: Thân liều kế OSL là loại XA Inlight model 2 Nó được

dùng để chứa thanh trượt và trên có gắn các tấm lọc tương ứng với 4 vị trí đầu dò từ E1 đến E4 cụ thể như sau: Vị trí E1 là tấm lọc cửa sổ mở có bề dày khối 29 mg/cm2

,

vị trí E2 là tấm lọc plastic có bề dày khối 275 mg/cm2; vị trí E3 là tấm lọc nhôm có

bề dày khối 375 mg/cm2 và vị trí E4 là tấm lọc bằng đồng có bề dày khối 545 mg/cm2 Các tấm lọc này kết hợp với các đầu dò trên thanh trượt dùng để đo các đại lượng liều cá nhân như liều sâu Hp(10), liều da Hp(0.07), liều thủy tinh thể của mắt Hp(3) và liều beta

Hình 2.3: Cấu tạo thân liều kế OSL loại XA Inlight model 2

Liều kế OSL - Inlight model 2 có đáp ứng năng lượng từ 5 keV đến 40 MeV đối với bức xạ photon và từ 150 keV đến 20 MeV đối với bức xạ beta Dải liều

đối với bức xạ beta Khác với một loại liều kế cá nhân đang được dùng phổ biến hiện nay là liều kế TLD, liều kế OSL có thể đọc lại nhiều lần để lấy thông tin về liều bức xạ do lượng tín hiệu bị mất đi sau mỗi lần đọc rất nhỏ ( < 1% sau mỗi một lần đọc) cho đến khi chúng ta chủ động xóa thông tin liều bức xạ về giá trị 0

2.2 Các đặc trưng của liều kế OSL

2.2.1 Độ nhạy

Độ nhạy S của vật liệu làm liều kế quang phát quang được định nghĩa bằng tỉ

số giữa tín hiệu quang phát quang OSL trên một đơn vị liều hấp thụ D trong một đơn vị khối lượng vật liệu m

(2.1)

Độ nhạy không chỉ phụ thuộc vào bản chất vật liệu đó mà còn phụ thuộc vào các yếu tố khác như chế độ đọc (phương pháp quang kích thích), hiệu suất truyền qua của các tấm lọc, hiệu suất ghi nhận tín hiệu của hệ đo, do đó mà độ nhạy cũng

có tính tương đối Trên thực tế người ta thường đánh giá độ nhạy bằng cách so sánh

độ nhạy của nó với độ nhạy của một vật liệu được coi là tiêu chuẩn Ví dụ: độ nhạy của TLD-100 thường được lấy là giá trị độ nhạy tiêu chuẩn để đánh giá độ nhạy của các vật liệu khác Vật liệu OSL phổ biến và đang được sản xuất thương mại duy nhất hiện nay là Al2O3:C được đánh giá là có độ nhạy hơn từ 40 đến 60 lần so với TLD-100 Đối với sự phụ thuộc độ nhạy vào loại và năng lượng bức xạ thì người ta thường sử dụng giá trị độ nhạy của vật liệu đó với bức xạ gamma của nguồn chuẩn

60Co (Etrung bình =1250 keV) làm giá trị chuẩn

2.2.2 Ngưỡng nhạy của liều kế OSL

Ngưỡng nhạy của liều kế DL hay giá trị liều thấp nhất có thể đo được là một hàm biến đổi thống kê của những tín hiệu phông thu được từ những liều kế không được chiếu Nó được xác định bằng 3 lần độ lệch chuẩn của tập hợp phông nội tại của liều kế

D L = 3*δ BG (2.2)

Trong đó: =

và =

phi là phông nội tại của liều kế thứ i

ph là phông trung bình của n liều kế

2.2.3 Đáp ứng năng lượng

Mục đích sử dụng của liều kế cá nhân là ghi nhận lượng bức xạ chiếu vào cơ thể người trong quá trình làm việc hay tiếp xúc với bức xạ Do vậy các loại vật liệu dùng để chế tạo liều kế luôn có xu hướng mô phỏng gần nhất với mô cơ thể con

người Mô đã được xác định bởi ICRU là có Z eff = 7.34, các vật liệu dùng làm liều

kế có Z eff gần giá trị này được gọi là các liều kế tương đương mô Một cách lí tưởng những loại vật liệu này phải có cùng thành phần các nguyên tố hóa học, tỉ lệ phần trăm giữa các nguyên tố và tương tác với bức xạ giống như mô cơ thể con người Tuy nhiên trên thực tế cho đến lúc này người ta vẫn chưa tìm ra hay chế tạo được một vật liệu nào đáp ứng được những yêu cầu trên Những vật liệu dùng trong các phép đo liều nhiệt phát quang (TL) hay quang phát quang (OSL) hiện nay không có cùng thành phần các nguyên tố hóa học như mô cơ thể con người, do vậy mà nó tương tác với bức xạ cũng không giống như cơ thể người và phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ Sự phụ thuộc vào năng lượng bức xạ có thể được xem như là sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ năng lượng theo khối lượng của nguyên tố Z trong vật liệu mà yếu tố chính là do tiết diện hấp thụ quang điện của nguyên tố đó Sự phụ thuộc này có thể điển hình hóa bởi Zm với m nằm giữa 3 và 4 Tuy nhiên sự phụ thuộc này cũng chỉ là gần đúng vì tiết diện quang hấp thụ quang điện cũng thay đổi khi năng lượng thay đổi

(Hình 2.4a và 2.4b trích dẫn trong tài liệu số 2 phần tài liệu tham khảo)

Trong điều kiện cân bằng điện tử và đối với các mẫu OSL đủ lớn khi so với quãng chạy của các electron thì liều hấp thụ được xác định bởi công thức sau:

Trong đó: Ф là thông lượng photon, hv: là năng lượng photon và (

) là hệ số hấp thụ năng lượng theo khối lượng Để đánh giá sự phụ thuộc vào năng lượng của vật liệu OSL người ta thông qua việc so sánh tỉ số liều hấp thụ giữa vật liệu OSL và một vật liệu chuẩn để tham chiếu (thường là mô cơ thể người)

Phương trình 2.4 chỉ ra năng lượng được hấp thụ trong vật liệu OSL phụ thuộc vào tỉ số của hệ số hấp thụ khối lượng theo năng lượng Hình 2.5 chỉ ra tỉ số ( ) giữa một số loại vật liệu khác nhau và mô cơ thể như một hàm của năng lượng photon

năng lượng photon

[2]

Hình 2.4b: Hệ số μ en /ρ (g/cm 2 ) đối với năng lượng xác định là một hàm

của số khối Z

[2] Hình 2.5: Đáp ứng phụ thuộc năng lượng của một số loại vật liệu Vật liệu chuẩn

để so sánh là mô cơ thể người với Z eff = 7.34

(Trích dẫn trong tài liệu số 2 phần tài liệu tham khảo)

Những vật liệu có tỉ số (μ en /ρ) m /(μ en /ρ) tissue gần bằng 1 được gọi là vật liệu

tương đương mô Theo hình 2.5 thì tỉ số (μ en /ρ) m /(μ en /ρ) tissue của vật liệu OSL điển hình là Al2O3:C là một hàm phụ thuộc vào năng lượng photon và đối với những năng lượng nhỏ hơn 100 keV thì đáp ứng trong khoảng 3 đến 4 lần cao hơn so với

mô cơ thể Để xác đáp ứng năng lượng của một loại vật liệu thay vì sử dụng tỉ số

đáp ứng của vật liệu đó cao hơn hay thấp hơn so với mô bao nhiêu lần khi tương tác với cùng một loại bức xạ ở cùng một năng lượng Nguyên tử số hiệu dụng được định nghĩa như sau:

Trong đó: a i là hệ số thành phần electron của nguyên tố thứ i trong hợp chất

(2.5)

fi và Ai là hệ số trọng số và nguyên tử khối của nguyên tố thứ i và m có giá trị giữa

3 và 4 Giá trị m thường chọn là 3.5 trong lĩnh vực đo liều cá nhân

[2] Bảng 2.1: Giá trị nguyên tử số hiệu dụng (Z eff ) của một số vật liệu OSL

(Trích dẫn trong tài liệu số 2 phần tài liệu tham khảo)

Mô hình chung thường thấy là đối với dải liều thấp đáp ứng là tuyến tính, khi liều tăng dần lên đáp ứng là trên tuyến tính và cuối cùng khi gần tới điểm bão hòa thì đáp ứng là dưới tuyến tính Hàm đáp ứng phụ thuộc liều được biểu diễn bởi hàm số sau:

S(D) = a (1 - e -bD) (2.7) Trong đó: a xấp xỉ là một hằng số và b là một thông số tự do Đối với mức liều

thấp hàm số (2.7) là một hàm tuyến tính S(D) =abD Đối với mức liều cao đáp ứng

của vật liệu OSL (tỉ số tín hiệu trên liều) nhỏ hơn so với đáp ứng tại mức liều thấp

và được đặc trưng bởi hàm đáp ứng trên tuyến tính Mức độ trên tuyến tính có thể

được biểu thị bởi hàm đáp ứng liều hoặc hệ số trên tuyến tính f(D) như sau:

(2.8)

Trong đó: S0 là tín hiệu thu được đối với liều hấp thụ D o trong vùng tuyến tính

của đáp ứng liều f(D) > 1 thì đáp ứng được gọi là trên tuyến tính, nếu f(D) < 1 thì

đáp ứng là dưới tuyến tính Hình dạng của đường cong đáp ứng liều hay các giá trị của hệ số trên tuyến tính là một hàm của sự phụ thuộc liều vào các quá trình động học của vật liệu OSL

Hình 2.6a biểu thị hàm đáp ứng liều của Al2O3:C với vùng tuyến tính từ 10-4

Gy đến 1Gy (một số tài liệu khác là từ 10-4 Gy đến 0.6Gy), vùng trên tuyến tính từ 1Gy cho đến một vài trăm Gy và sau đó là vùng bão hòa Hình 2.6b biểu thị các giá

trị của hệ số f(D)

Hình 2.6: Đường cong đáp ứng liều và các giá trị của hệ số f(D) đối với Al 2 O 3 :C

2.2.5 Sự suy giảm tín hiệu

Sự sự mất tín hiệu không mong muốn hay là sự giải phóng tuỳ ý những

electrôn ra khỏi bẫy trước khi quá trình đọc được thực hiện được gọi là sự suy giảm

tín hiệu Quá trình suy giảm này do các quá trình nhiệt hoặc quang kích thích sự

giải phóng electrôn

Suy giảm do nhiệt: Xác suất electron được giải phóng khỏi các tâm bắt do

nhiệt tuân theo phân bố Boltzman:

. .

E

k T

p  s e (2.9) Trong đó: s là hệ số liên quan đến khuyết tật mạng

Thời gian bán rã của bẫy này là T1/2, đây cũng là thời gian bán rã của đỉnh

đường cong phát xạ tương ứng, nó được xác định là thời gian để số electrôn bị bẫy

giảm đi một nửa giá trị ban đầu:

(2.10)

Sự suy giảm do nhiệt diễn ra mạnh đối với các electron bị bẫy ở các mức bẫy

nông gần đáy của vùng dẫn

Suy giảm do quang: Các electron cũng có thể được giải phóng ra khỏi bẫy

nếu nó nhận được năng lượng khi vật liệu OSL được chiếu bởi ánh sáng thông

thường, và mức độ suy giảm phụ thuộc vào cường độ và bước sóng của ánh sáng

chiếu tới các chip OSL

2.2.6 Độ lặp lại của liều kế OSL

Độ lặp lại là một trong những đặc trưng cơ bản của liều kế cá nhân OSL, nó

giúp đánh giá sự ổn định của liều kế sau n lần đọc và đánh giá mức độ gần nhau của

các kết quả thu được của một nhóm n liều kế với cùng một giá trị liều trong cùng

một điều kiện Thông số đánh giá độ lặp lại của liều kế OSL là chỉ số độ lặp lại R

R =

≤ 0.075 (2.11)

Trong đó: là độ lệch chuẩn sau n lần thí nghiệm

là giá trị trung bình sau n lần thí nghiệm và

l j là khoảng tin cậy của sau n lần thí nghiệm

2.3 Một số các đặc trưng khác của liều kế OSL

Ngoài các đặc trưng chính đã nêu ở mục 2.2 thì liều kế cá nhân thụ động nói chung và liều kế OSL nói riêng còn có nhiều các đặc trưng khác Có thể kể đến các đặc trưng như:

+ Độ đồng đều về đáp ứng: Đánh giá mức độ biến thiên về đáp ứng của các liều kế cá nhân khi được sản xuất trong cùng một mẻ và được kiểm tra trong cùng một điều kiện Mức độ biến thiên càng nhỏ thì chất lượng của liều kế càng tốt + Sự phụ thuộc góc: Đánh giá ảnh hưởng của góc tới của bức xạ lên đáp ứng của liều kế Một loại liều kế lí tưởng là loại liều kế có đáp ứng như nhau khi góc tới của bức xạ khác nhau Tuy nhiên, trên thực tế các loại liều kế cá nhân thụ động thường bị ảnh hưởng mạnh bởi góc tới của bức xạ

+ Mức độ tự chiếu xạ,

Các đặc trưng này cũng là các tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng và tính ưu việt của một loại liều kế cá nhân Những đặc trưng này cũng sẽ được khảo sát cụ thể

ở chương IV

2.4 Tiêu chuẩn đánh giá các đặc trưng của liều kế OSL

Tiêu chuẩn kỹ thuật được áp dụng để đánh giá các đặc trưng của liều kế OSL dựa trên các tiêu chuẩn của uỷ ban kỹ thuật điện quốc tế và và các khuyến cáo của IAEA, ICRP

Tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng đối với các liều kế cá nhân thụ động TLD và cũng được chấp nhận đối với liều kế OSL là IEC 1066

Khuyến cáo của cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế IAEA dựa trên

Hình 2.7: Đường cong giới hạn độ sai lệch liều (Trumpet Curve)

Tiêu chuẩn khuyến cáo là tỉ số giữa giá trị đo được với giá trị chuẩn nằm trong giới hạn của đường cong Trumpet Curve:

o t

H H

o t

H H



Hul : là đường giới hạn trên của đường cong trumpet

Hll: là đường giới hạn dưới của đường cong trumpet

Ho là liều thấp nhất yêu cầu được đo

Hll =0 nếu Ht < Ho

Ht là giá trị liều chuẩn, Hm là giá trị liều đo được thực tế

2.5 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy đọc liều kế Microstar

2.5.1 Cấu tạo của máy đọc liều kế Microstar

Hình 2.8: Máy đọc liều kế Microstar

Máy đọc liều kế Microstar có kích thước 32.7cm x 23.2cm x 10.9cm gồm có các bộ phận chính sau: Nguồn sáng, tấm lọc quang học, hệ thu nhận ánh sáng và hệ điện tử kèm theo

+ Nguồn sáng: Microstar sử dụng 36 điốt phát quang (LEDs) để tạo ra ánh

sáng màu xanh lá cây với đỉnh phổ vào khoảng 525 nm Vai trò của nguồn sáng là cung cấp ánh sáng có bước sóng phù hợp để kích thích các điện tử thoát khỏi bẫy trong các chip từ E1 đến E4 của liều kế OSL

+ Tấm lọc quang học: Các tấm lọc quang học có tác dụng để cho ánh sáng có bước sóng dự định được đo truyền qua Microstar thường hay sử dụng các tấm lọc Hoya B-370 có bề dày cỡ 7.5 mm Các tấm lọc này cho ánh sáng trong dải bước sóng từ 300 đến 450 nm truyền qua

+ Hệ thu nhận ánh sáng: Cũng giống như các máy đọc nhiệt phát quang TLD

Reader hay các hệ thu nhận ánh sáng phổ biến khác, Microstar cũng sử dụng các ống nhân quang điện (PMT) để thu nhận ánh sáng phát ra từ các chip trong quá trình đọc để lấy thông tin về liều bức xạ của các liều kế OSL Các PMT sử dụng trong các máy đọc Microstar thường có photocathode nhạy với ánh sáng có bước sóng trong khoảng từ 160 đến 650 nm và độ nhạy cực đại xung quanh 400 nm

2.5.2 Nguyên lý hoạt động của máy đọc Microstar

Hình 2.10: Nguyên lý hoạt động của máy đọc Microstar

Nguyên lý hoạt động: Các đèn LED sẽ phát ra ánh sáng màu xanh lá cây với

đỉnh phổ khoảng 525 nm để cung cấp nguồn ánh sáng kích thích sự giải phóng điện

tử khỏi các bẫy từ các chip OSL Các điện tử được kích thích sẽ thoát ra khỏi bẫy, tái hợp với lỗ trống tại các tâm phát quang và phát ra ánh sáng có màu xanh da trời với đỉnh phổ khoảng 415 nm Ánh sáng phát ra có thể gồm có ánh sáng OSL cần

đo, ánh sáng dò từ các đèn LED và các ánh sáng khác Các ánh sáng này sẽ được đi qua các tấm lọc quang học để loại bỏ các ánh sáng không mong muốn như ánh sáng

dò từ các đèn LED hoặc ánh sáng không phải do quá trình quang phát quang phát

ra Ánh sáng sau khi đi qua các tấm lọc quang học sẽ được ghi nhận bởi ống nhân quang điện Lượng ánh sáng thu nhận được sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu dưới dạng điện tích nC hoặc tín hiệu dòng nA hoặc đơn giản là số đếm Tín hiệu này sau

đó được chuyển thành liều cá nhân tương ứng thông qua việc sử dụng các hệ số hiệu chỉnh độ nhạy (ECC: Element Corection Coefficients) và hệ số chuẩn máy đọc (RCF: Reader Calibration Factor)

2.6 Quy trình đánh giá liều cá nhân sử dụng liều kế OSL

2.6.1 Chuẩn máy đọc liều kế Microstar.

Mục đích của việc chuẩn là đưa ra các hệ số chuẩn máy đọc RCF (Reader Calibration Factor) dùng để chuyển đổi tín hiệu ánh sáng do ống nhân quang điện thu được từ liều kế OSL thành liều tương ứng Máy đọc Microstar sử dụng bộ card chuẩn gồm 15 liều kế OSL được thiết kế riêng cho mục đích chuẩn máy Bộ Card chuẩn được chia làm 5 nhóm mỗi nhóm 03 liều kế Nhóm I được chiếu và chuẩn ở mức liều 5 mSv, nhóm II được chiếu chuẩn ở mức liều 50 mSv, nhóm III được chiếu chuẩn ở mức liều 500 mSv, nhóm IV được chiếu chuẩn ở mức 5 Sv, nhóm V không chiếu dùng làm liều kế phông Nhóm I và II được sử dụng để xác định hệ số chuẩn máy đọc ở dải liều thấp, nhóm III và IV được sử dụng để xác định hệ số chuẩn máy đọc ở mức liều cao Hệ số chuẩn máy đọc được xác định bằng biểu thức sau:

RCF i =

(2.11)

Trong đó: RCF i là hệ số chuẩn máy đọc ở vị trí i (i = )

là số đọc trung bình của liều kế OSL chuẩn ở vị trí i

là số đọc phông trung bình của liều kế OSL chuẩn ở vị trí i

C là giá trị liều chuẩn

2.6.2 Hiệu chuẩn độ nhạy của chip OSL

Các liều kế OSL được chế tạo luôn có độ nhạy khác nhau Sự khác nhau về độ nhạy này sẽ làm cho kết quả đo được từ những liều kế này khác nhau khi chúng được chiếu cùng một giá trị liều chuẩn Để hiệu chỉnh sự sai khác này người ta sử dụng hệ số hiệu chỉnh độ nhạy ECC ( Element Correction Coefficients)

một chế độ được thiết lập trên phần mềm kèm theo Microstar có tích hợp thuật toán

tính toán liều NVLAP/DOELAP Quá trình đọc và đánh giá liều được trình bày theo

DOELAP

Áp dụng ECC, RCF

Kết quả