(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu phương pháp đo liều bức xạ ion hóa bằng liều kế OSL

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 Hà Nội - 2015 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 Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS Trịnh Văn Giáp Hà Nội - 2015 Mục lục MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG I : TỔNG QUAN 1.1 Hiện tượng phát quang .4 1.2 Hiện tượng quang kích thích phát quang : OSL 1.2.1 Định nghĩa 1.2.2 Cơ sở lý thuyết tượng quang phát quang 1.2.3 Các mơ hình quang kích thích phát quang .7 1.2.4 Mơ hình bẫy- tâm tái hợp 1.2.5 Mơ hình động học bậc 12 1.2.6 Mơ hình động học tổng qt 13 1.3 Một số khái niệm đại lượng đơn vị đo dùng 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 liều kế OSL loại Inlight model 16 2.2 Các đặc trưng liều kế OSL 18 2.2.1 Độ nhạy .18 2.2.2 Ngưỡng nhạy liều kế OSL 18 2.2.3 Đáp ứng 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 liều kế OSL 24 2.3 Một số đặc trưng khác liều kế OSL 25 2.4 Tiêu chuẩn đánh giá đặc trưng liều kế OSL .25 2.5 Cấu tạo nguyên lý hoạt động máy đọc liều kế Microstar .27 2.5.1 Cấu tạo máy đọc liều kế Microstar 27 2.5.2 Nguyên lý hoạt động 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 chip OSL .30 2.6.3 Đọc đánh giá liều liều kế OSL loại OSL - InLight Model máy đọc Microstar 30 2.6.4 Thuật tốn tính tốn liều Microstar 31 CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ .33 3.1 Thiết lập chiếu chuẩn liều kế OSL hệ chuẩn xạ gamma tia X 33 3.2 Thực nghiệm khảo sát độ ổn định máy đọc liều kế Microstar 36 3.3 Xác định ngưỡng nhạy liều kế OSL Inlight model 39 3.4 Thực nghiệm khảo sát độ tuyến tính liều kế OSL .41 3.5 Thực nghiệm khảo sát phụ thuộc lượng .46 3.6 Thực nghiệm đánh giá suy giảm tín hiệu liều kế OSL 52 3.7 Thực nghiệm đánh giá độ lặp lại liều kế OSL 54 3.8 Thực nghiệm khảo sát độ đồng liều kế OSL 56 3.9 Thực nghiệm khảo sát phụ thuộc góc liều kế OSL 60 3.10 Thực nghiệm khảo sát mức độ tự chiếu xạ 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 từ viết tắt STT Ký hiệu OSL OSLD TLD IEC CW-OSL LM-OSL POSL ABS ICRU 10 IAEA 11 12 13 14 LED PMT RCF ECC 15 NVLAP 16 VN-SDL (VN-SSDL) 17 ICRP Giải thích Optically Stimulated Luminescence: Hiện tượng quang kích thích phát quang hay gọi tắt quang phát quang Optically Stimulated Luminescence Dosimeter: Liều kế quang phát quang Thermally Luminescence Dosimeter: Liều kế nhiệt phát quang International Electrotechnical Comission: Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế Continous Wave Optically Stimulated Luminescence: Chế độ quang kích thích sử dụng nguồn ánh sáng có cường độ khơng thay đổi theo thời gian 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 chế độ xung Acrylonitrin Butadien Styren : Nhựa ABS International Comission on Radiation Units and Measurement: Ủy ban quốc tế đơn vị đo lường xạ International Atomic Energy Agency: Cơ quan lượng nguyên tử quốc tế Light Emitting Diode: Điốt phát quang Photomultiplier: Ống nhân quang điện Reader Calibration Factor: Hệ số chuẩn máy đọc Element Correction Coefficients: Hệ số hiệu chỉnh độ nhạy National Voluntary Laboratory Accreditation Program: Thuật tốn tính tốn liều NVLAP Vietnam Standard Dosimetry Laboratory: Phịng thí nghiệm chuẩn liều lượng xạ cấp thuộc mạng lưới phòng chuẩn cấp IAEA International commission on radiological protection: Ủy ban quốc tế bảo vệ phóng xạ Danh mục bảng biểu STT Tên bảng Trang Bảng 2.1: Giá trị nguyên tử số hiệu dụng (Zeff ) số vật liệu OSL 22 Bảng 3.1 :Giá trị suất kerma khơng khí xác định phòng chuẩn VN-SDL Bảng 3.2: Kết khảo sát độ ổn định máy đọc liều kế Microstar Bảng 3.3: Kết phông nội liều kế OSL dùng để xác định ngưỡng nhạy Bảng 3.4: Kết đo 11 nhóm liều kế OSL khảo sát độ tuyến tính Bảng 3.5 : Kết khảo sát độ tuyến tính liều kế OSL Bảng 3.6: Kết tính tốn khoảng giới hạn liều kế OSL theo công thức (3.5) Bảng 3.7: Đáp ứng Al2O3:C theo lượng chiếu khơng khí Bảng 3.8: Số đọc liều kế OSL chiếu khơng khí 10 Bảng 3.9: Kết đáp ứng phụ thuộc lượng liều kế OSL không khí ( Đã quy chiếu đáp ứng 137Cs) 11 12 Bảng 3.10: Số đọc liều kế OSL chiếu phantom Bảng 3.11: Kết đáp ứng phụ thuộc lượng liều kế OSL phantom ( Đã quy chiếu đáp ứng 137Cs) 34 38 40 42 43 44 47 48 48 49 50 14 Bảng 3.12: Kết đáp ứng liều phụ thuộc lượng liều kế OSL chiếu phantom PMMA Bảng 3.13 : Kết khảo sát suy giảm tín hiệu liều kế OSL 15 Bảng 3.14: Kết đánh giá độ lặp lại liều kế OSL 54 16 Bảng 3.15: Giá trị R đánh giá độ lặp lại liều kế OSL 55 17 Bảng 3.16: Giá trị R đánh giá độ lặp lại liều kế TLD 55 18 Bảng 3.17: Kết khảo sát độ đồng liều kế OSL với H =0.5 mSv 13 19 Bảng 3.18: Kết khảo sát độ đồng liều kế OSL với H =3 mSv 50 53 56 58 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 Bảng 3.19: Kết đo phụ thuộc góc liều kế OSL với xạ 137Cs Bảng 3.20: Kết đánh giá phụ thuộc góc với xạ gamma137 Cs theo IEC Bảng 3.21 : Kết khảo sát phụ thuộc góc liều kế OSL với x gamma nguồn chuẩn 137Cs (Các kết tham chiếu góc 00) Bảng 3.22: Kết đo phụ thuộc góc liều kế OSL với xạ tia X ISO N-80 Bảng 3.23: Kết đo trung bình từ lần thí nghiệm bảng 3.19 Bảng 3.24: Kết đánh giá phụ thuộc góc tia X ISO N80 theo IEC (Kết tham chiếu góc 00) Bảng 3.25: Kết khảo sát phụ thuộc góc liều kế OSL với tia X ISO N-80 Bảng 3.26: Kết phông nội liều kế OSL trước đưa vào buồng chì Bảng 3.27: Kết khảo sát độ tự chiếu xạ liều kế OSL Bảng 3.28: Nguồn gốc gây độ không đảm bảo đo 62 63 63 65 66 67 71 71 73 Danh mục hình vẽ, đồ thị STT Tên hình vẽ, đồ thị Hình 1.1: Cấu trúc vùng lượng trình dịch chuyển Trang Hình 1.2: Cấu trúc vùng lượng thực tế gồm nhiều bẫy điện tử lỗ trống Hình 1.3: Mơ hình quang kích thích CW-OSL Hình 1.4: Mơ hình quang kích thích LM-OSL Hình 1.5: Mơ hình quang kích thích POSL Hình 1.6: Mơ hình bẫy electron, tâm tái hợp Hình 1.7: Đường cong OSL thu nhờ giải phương trình tốc độ phương pháp số mơ hình bẫy – tâm tương ứng với giá trị (m0=n0=1015 cm-3) (m0=1016 cm-3 n0=1015 cm-3) 10 7 12 Hình 1.8: Đường cong OSL với dạng động học bậc 1, bậc bậc động học tổng quát b = 1.3 b = 1.7 Thông số sử dụng bao gồm n0=1015/cm3, N=1016/cm3 p = σФ =0.1/s 13 15 10 Hình 1.9: Tương đương liều cá nhân Hình 2.1: Vỏ ngồi liều kế OSL - Inlight model 11 Hình 2.2: Cấu tạo trượt liều kế OSL 17 12 Hình 2.3: Cấu tạo thân liều kế OSL loại XA Inlight model 17 16 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Hình 2.4a: Hệ số μen/ρ (g/cm ) số nguyên tố hàm lượng photon Hình 2.4b: Hệ số μen/ρ (g/cm2) lượng xác định hàm số khối Z Hình 2.5: Đáp ứng phụ thuộc lượng số loại vật liệu Vật liệu chuẩn để so sánh mô thể người với Zeff = 7.34 Hình 2.6: Đường cong đáp ứng liều giá trị hệ số f(D) Al2O3:C Hình 2.7: Đường cong giới hạn độ sai lệch liều ( Trumpet Curve) Hình 2.8: Máy đọc liều kế Microstar Hình 2.9: Nguồn sáng Microstar (chuỗi 36 LED) Hình 2.10: Nguyên lý hoạt động máy đọc Microstar Hình 2.11: Dao diện hình phần mềm microstar 20 20 21 23 26 27 27 28 31 trình đọc liều kế 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 Hình 3.1: Sơ đồ chiếu chuẩn liều kế cá nhân OSL nguồn chuẩn 137 Cs Hình 3.2: Hệ chuẩn gamma 137Cs Hình 3.3: Nguồn chuẩn 137Cs Hình 3.4 Sơ đồ chiếu chuẩn liều kế cá nhân OSL hệ chuẩn tia X Hình 3.5: Hệ chuẩn tia X Pantax HF 160 Hình 3.6: Dao diện hình tiến hành đo Dark - CAL - LED Hình 3.7: Đồ thị khảo sát độ ổn định máy đọc Microstar Hình 3.8: Đồ thị khảo sát độ tuyến tính liều Hp(10) liều kế OSL Hình 3.9: Đồ thị khảo sát độ tuyến tính liều Hp(3) liều kế OSL Hình 3.10: Đồ thị khảo sát độ tuyến tính liều Hp(0.07) liều kế OSL Hình 3.11: Đồ thị khảo sát độ tuyến tính liều kế OSL Hình 3.12: Đáp ứng lượng liều kế OSL chiếu khơng khí xác định phịng chuẩn VN-SDL Hình 3.13: Đáp ứng lượng liều kế OSL chiếu không khí hãng Landauer thực Hình 3.14: Đáp ứng lượng liều kế OSL chiếu phantom PMMA xác định phịng chuẩn VN-SDL Hình 3.15: Đáp ứng liều phụ thuộc lượng liều kế OSL Hình 3.16: Đồ thị khảo sát suy giảm tín hiệu liều kế OSL khoảng thời gian 120 ngày lưu giữ điều kiện làm việc thông thường Hình 3.17: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định phụ thuộc góc Hình 3.18: Bố trí thí nghiệm xác định phụ thuộc góc liều kế OSL thực tế Hình 3.19: Đồ thị khảo sát phụ thuộc góc liều kế OSL với xạ gamm nguồn chuẩn 137Cs (sai số biểu diễn = lần độ lệch chuẩn biểu thị cho Hp(10) Hình 3.20: Đồ thị khảo sát phụ thuộc góc liều kế TLD với xạ gamma nguồn chuẩn 137Cs(sai số biểu diễn = lần độ lệch chuẩn biểu thị cho Hp(10) Hình 3.21: Đồ thị khảo sát phụ thuộc góc liều kế OSL với 35 35 35 35 36 37 39 44 45 45 46 49 49 50 51 61 61 64 64 68 43 tia X ISO N-80 ( Sai số biểu diễn =1 lần độ lệch chuẩn biểu thị cho đại lượng Hp(10)) Hình 3.22: Đồ thị khảo sát phụ thuộc góc liều kế TLD với tia X ISO N-80 ( Sai số biểu diễn =1 lần độ lệch chuẩn biểu thị cho đại lượng Hp(10)) 68 3.10 Thực nghiệm khảo sát mức độ tự chiếu xạ liều kế OSL Mục đích: Khảo sát tượng liều kế OSL bị chiếu xạ nguyên tố hay nhân phóng xạ có bị lẫn vào thành phần cấu tạo nên liều kế vỏ liều kế, thân liều kế thân chip OSL Tiêu chuẩn đánh giá: Trong đó: ( + lS) –Cb ≤ H (3.11) giá trị trung bình tự chiếu xạ n liều kế Cb phông giám sát tương ứng với khoảng thời gian lưu giữ liều kế ls nửa giá trị khoảng tin cậy ls tính theo công thức (3.6) + Đối với Hp(0.07): Giá trị tự chiếu xạ không vượt 0.5mSv/ tháng giá trị tăng lên với hệ số tăng thời gian đánh giá mức độ tự chiếu xạ Ví dụ: thời gian đánh giá tháng giá trị tiêu chuẩn tự chiếu xạ khơng đước vượt 0.5 x = mSv + Đối với Hp(10): Giá trị tự chiếu xạ không vượt 0.1 mSv/tháng Giá trị tăng lên theo cách thức tương tự Hp(0.07) Phương pháp thí nghiệm: + Chuẩn bị n liều kế khử hết tín hiệu giá trị phơng nội + Đọc ghi lại giá trị phông liều kế, thời gian đo + Lưu giữ liều kế buồng chì thời gian tháng Sử dụng thiết bị đo liều/ suất liều có độ xác cao để giám sát phơng buồng chì (Thí nghiệm sử dụng liều kế điện tử EPD Thermo Scientific làm thiết bị giám sát phông giám sát thời gian 15 ngày) + Sau tháng lấy tất liều kế khỏi buồng chì, đọc kết đánh giá độ tự chiếu xạ theo công thức (3.11) Kết thu sau: 70 Bảng 3.26: Kết phông nội liều kế OSL trước đưa vào buồng chì Số thứ tự Mã liều kế 10 11 12 13 14 15 XA00065091R XA00210226X XA00943605D XA00641923E XA00540214T XA01084061P XA019366159 XA02372739X XA02324773D XA00052685D XA00094670E XA00030965F XA00113690S XA01881084C XA01096225D Phông nội liều kế trước đưa vào buồng chì Hp(10) Hp(0.07) mSv mSv 0,07 0,07 0,06 0,06 0,07 0,07 0,07 0,07 0,05 0,05 0,08 0,08 0,07 0,07 0,09 0,08 0,06 0,06 0,06 0,05 0,05 0,05 0,06 0,06 0,06 0,06 0,07 0,06 0,05 0,05 Phông liều kế sau tháng lưu trữ buồng chì Hp(10) Hp(0.07) mSv mSv 0,08 0,08 0,08 0,09 0,08 0,08 0,10 0,10 0,09 0,09 0,08 0,08 0,09 0,09 0,10 0,10 0,07 0,07 0,08 0,08 0,06 0,06 0,07 0,07 0,07 0,07 0,08 0,08 0,08 0,08 Bảng 3.27: Kết khảo sát độ tự chiếu xạ liều kế OSL Số thứ tự Mã liều kế Hp(10) mSv Hp(0.07) mSv 10 11 XA00065091R XA00210226X XA00943605D XA00641923E XA00540214T XA01084061P XA019366159 XA02372739X XA02324773D XA00052685D XA00094670E 0,01 0,02 0,01 0,03 0,04 0,00 0,02 0,01 0,01 0,02 0,01 0,03 0,01 0,03 0,01 0,00 0,04 0,02 0,02 0,03 0,01 0,02 71 12 13 14 15 XA00030965F XA00113690S XA01881084C XA01096225D Trung bình STD 0,01 0,01 0,01 0,03 0.02 0.01 0,01 0,01 0,01 0,03 0,02 0,01 Các liều kế lưu trữ buồng chì mà giá trị Cb nhỏ bỏ qua Do ta có: + Đối với Hp(10): 0.02 + lS = 0.02 + 0.006 = 0.026 < 0.2 mSv + Đối với Hp(0.07): 0.02 + lS = 0.02 + 0.026 = 0.026