Đang tải... (xem toàn văn)
Vật liệu thủy tinh aluminoborate - kiềm pha tạp Sm (ABLi:Sm) được chế tạo thành công bằng phương pháp nung nóng chảy, với định hướng sử dụng trong chế tạo liều kế đo liều bức xạ tia X. Các dải bức xạ nhiệt phát quang đều là đỉnh đơn với cấu trúc dải rộng và có đặc trưng của phân bố Gaussian nên dễ phân tích. Các thông số động học đặc trưng cho vật liệu đã được xác định bằng phương pháp độ bán rộng của R.Chen. Độ đáp ứng liều tia X khá tuyến tính ở vùng liều cao, điều đó cho thấy thủy tinh ABLi:Sm có thể sử dụng để chế tạo liều kế đo liều bức xạ ion hóa năng lượng cao.
Trần Ngọc / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Duy Tân 01(44) (2021) 30-35 30 01(44) (2021) 30-35 Chế tạo nghiên cứu tính chất nhiệt phát quang thủy tinh aluminoborate-kiềm pha tạp samarium (ABLi:Sm) định hướng ứng dụng đo liều xạ tia X Fabrication and study on the thermoluminescent properties of alkali aluminoborate glass doped with samarium (ABLi: Sm), with orientation for application in X-ray dose measurement Trần Ngọca,b* Tran Ngoca,b* Viện Nghiên cứu Phát triển Công nghệ Cao, Trường Đại học Duy Tân, Đà Nẵng, Việt Nam a Institute of Research and Development, Duy Tan University, Da Nang, 550000, Vietnam b Khoa Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Duy Tân, Đà Nẵng, Việt Nam b Faculty of Natural Sciences, Duy Tan University, Da Nang, 550000, Vietnam a (Ngày nhận bài: 31/12/2020, ngày phản biện xong: 09/01/2021, ngày chấp nhận đăng: 05/02/2021) Tóm tắt Vật liệu thủy tinh aluminoborate - kiềm pha tạp Sm (ABLi:Sm) chế tạo thành công phương pháp nung nóng chảy, với định hướng sử dụng chế tạo liều kế đo liều xạ tia X Các dải xạ nhiệt phát quang đỉnh đơn với cấu trúc dải rộng có đặc trưng phân bố Gaussian nên dễ phân tích Các thông số động học đặc trưng cho vật liệu xác định phương pháp độ bán rộng R.Chen Độ đáp ứng liều tia X tuyến tính vùng liều cao, điều cho thấy thủy tinh ABLi:Sm sử dụng để chế tạo liều kế đo liều xạ ion hóa lượng cao Từ khóa: Thermoluminescence; ABLi:Sm glass; dosimeter Abstract Alkali aluminoborate glass doped with samarium were prepared by conventional melt quenching technique, with an orientation for use in the manufacture of X-ray dose measurement Thermoluminescence (TL) is single peak with wide band structure and features of Gaussian distribution, so it is easy to analyze The characteristic kinetic parameters for the material were determined using the semi-wide method of R Chen The X-ray dose response is quite linear in the high dose region, which shows that ABLi:Sm glass can be used to make dosimeters to measure ionizing radiation dosimeters high energy Keywords: Thermoluminescence; ABLi:Sm glass; dosimeter * Corresponding Author: Ngoc Tran; Institute of Research and Development, Duy Tan University, Da Nang, 550000, Vietnam; Faculty of Natural Sciences, Duy Tan University, Da Nang, 550000, Vietnam Email: tranngoc11@duytan.edu.vn Trần Ngọc / Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Duy Tân 01(44) (2021) 30-35 Giới thiệu Cho tới nay, phương pháp đo liều thụ động người ta sử dụng nhiều liều kế dạng bột chế tạo từ vật liệu CaSO4 hợp chất chứa Li (LiF; Li2B4O7…) pha tạp nguyên tố đất kim loại chuyển tiếp [1] Với vật liệu truyền thống cho sản phẩm liều kế có tốc độ suy giảm tín hiệu thấp có đáp ứng liều tuyến tính khoảng liều rộng có độ nhạy liều cao Tuy nhiên, tín hiệu nhiệt phát quang (TL) phụ thuộc vào khối lượng diện tích tiếp xúc mẫu với đốt, liều kế dạng bột thường gây sai số lớn trình đọc tín hiệu Vì vậy, việc lặp lại phép đọc tín hiệu vấn đề khó khăn gây sai số nhiều, mà lại yêu cầu liều kế [2] Trong năm gần đây, liều kế dạng tinh thể chế tạo thành công phương pháp nuôi đơn tinh thể thủy tinh chế tạo phương pháp nung nóng chảy hay solgen số phịng thí nghiệm khắc phục nhược điểm Các liều kế dạng đơn tinh thể thường có chất lượng tốt với độ đáp ứng liều độ ổn định tín hiệu Tuy nhiên, phương pháp ni đơn tinh thể địi hỏi kỹ thuật cơng nghệ cao, sản phẩm thường có giá thành cao khơng phải phịng thí nghiệm thực Tuy chất lượng đơn tinh thể, liều kế dạng thủy tinh chế tạo phương pháp nung nóng chảy lại nhiều phịng thí nghiệm quan tâm Ưu điểm liều kế có tính đồng cao, dễ dàng cưa cắt, tạo dáng để tạo liều kế đồng nồng độ tạp kích thước, hình dáng Hơn cơng nghệ chế tạo lại đơn giản giá thành rẻ liều kế dạng đơn tinh thể nhiều [3, 4] Các hợp chất có chứa Li thường vật liệu TL dùng chế tạo liều kế bao gồm 31 liều kế cá nhân liều kế dùng xạ trị thích hợp chúng có tiết diện hiệu dụng tương đương mơ sinh học (cỡ 7,6) [1, 2, 5] Khi kết hợp với vật liệu khác ơxít nhơm (tạo độ bền cơ, bền hóa) hợp chất borate (tạo biến tính sớm đạt pha thủy tinh) để tạo hợp chất nền, với việc pha tạp (các nguyên tố đất kim loại chuyển tiếp) với nồng độ thích hợp, tính chất hấp thụ tốt loại xạ ion hóa, tạo độ nhạy tín hiệu lớn Tuy nhiên, cấu trúc thủy tinh thường có độ rộng vùng cấm lớn, nên liều kế chế tạo vật liệu dạng ứng dụng để đo liều xạ ion hoá lượng cao (cỡ vài bậc eV) [6, 7] Trong báo chúng tơi trình bày cơng nghệ chế tạo thủy tinh ABLi pha tạp Sm phương pháp nung nóng chảy Các kết nghiên cứu tính chất TL như: dạng đường cong tích phân, vị trí cực đại phổ xuất vùng nhiệt độ nào, độ đáp ứng liều xạ ion hóa nhằm tìm thành phần nền-tạp tối ưu cho trình TL theo định hướng đo liều Ngồi ra, báo đưa kết khảo sát đáp ứng liều tia X khoảng từ 68 Gy đến 1035 Gy, qua để định hướng ứng dụng làm vật liệu đo liều xạ ion hóa ứng dụng đo liều tia X Thực nghiệm chế tạo thủy tinh ABLi:Sm Hóa chất ban đầu gồm ơxít: Al2O3; B2O3; Li2O3 loại hóa chất (99,9%) dùng phân tích (xuất xứ Hàn Quốc) ơxít đất (Sm2O3) có độ tính khiết 99,99% (Merck), cân với khối lượng thích hợp theo tỷ lệ hợp phần mẫu dự kiến (65-x) B2O3-30Li2O-5Al2O3-xSm2O3 Các mẫu thủy tinh chế tạo phương pháp nung nóng chảy, cách tiến hành sau: - Trộn hóa chất cách nghiền cối mã não Hỗn hợp sau trộn cho vào khuôn graphit (than) 32 Trần Ngọc / Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Duy Tân 01(44) (2021) 30-35 nung đến 1050oC (giữ nhiệt độ giờ), sau làm nguội xuống nhiệt độ phịng Tiếp theo cắt, mài đánh bóng mặt thành mẫu có kích thước giống (d = 5mm, h = 1mm) Cuối sản phẩm ủ nhiệt độ 300oC trước đưa vào bảo quản để thực phép đo Sản phẩm thủy tinh sau lấy khỏi khn nung, mắt thường thấy mẫu có màu hồng, suốt đồng đều, khơng có bọt (Hình 1) Kết phân tích giản đồ nhiệt vi sai (DTA) trình bày Hình 2, cho thấy: - Ở nhiệt độ 1700C có tăng nhẹ khối lượng (khoảng 0,52%) điều giải thích nung nóng vật liệu mơi trường khơng khí xảy q trình oxy hóa, mẫu thu thêm O2 làm khối lượng tăng nhẹ Hình Một số mẫu thủy tinh ABLi:Sm: khối mẫu lấy từ khuôn sau cắt, mài kích thước: d = 5mm, h = 1mm Trong trình chế tạo, bước nung, ủ mẫu khâu quan trọng sản phẩm đồng có chất lượng theo định hướng ứng dụng Các nội dung cần lưu ý nung, ủ mẫu là: + Trong trình nung mẫu đến nhiệt độ chuyển pha để tạo thủy tinh, cần thực cẩn thận giai đoạn: tăng chậm nhiệt độ (với tốc độ gia nhiệt = 20C/s) từ nhiệt độ phòng lên đến 1000C giữ ổn định nhiệt độ 15 phút Tiếp tục tăng nhiệt độ với tốc độ trung bình (tốc độ gia nhiệt = 50C/s) đến 3000C giữ ổn định nhiệt độ 30 phút, sau tăng nhanh đến nhiệt độ 10500C (với tốc độ gia nhiệt = 100C/s) giữ ổn định nhiệt độ + Trong trình làm nguội: ngắt nguồn điện mở cửa lò đưa dần mẫu miệng lò, đợi cho nhiệt độ bên lò hạ xuống 7000C, lấy mẫu khỏi lị Hình Giản đồ phân tích nhiệt DTA mẫu thủy tinh ABLi:Sm (2mol% Sm) - Khối lượng mẫu giảm mạnh hai điểm nhiệt độ 3950C 9800C + Ở nhiệt độ 3950C xảy q trình phân hủy để giải phóng CO2 nước cịn lại mẫu ngồi + Ở nhiệt độ 9800C xảy chuyển pha rắn qua pha lỏng q trình nóng chảy vật liệu Như để chế tạo thuỷ tinh phương pháp nóng chảy nhiệt độ nung mẫu phải 9800C Trên sở kết tối ưu hóa quy trình nung mẫu (ở điều kiện nhiệt độ thời gian) để mẫu nóng chảy hòa tan hết tạp đất nhiệt độ ủ để ổn định cấu trúc sau 3000C Để kiểm tra pha cấu trúc sản phẩm thu được, tiến hành đo phổ nhiễu xạ tia X, kết trình bày Hình Trần Ngọc / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Duy Tân 01(44) (2021) 30-35 33 2θ Hình 3: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu 63B2O3-30Li2O-5Al2O3-2Sm2O3 Phổ có dạng dải rộng Điều cho thấy sản phẩm thu có cấu trúc thủy tinh (vơ định hình) Cấu trúc phổ nhiễu xạ cho thấy pha kết tinh thuỷ tinh phụ thuộc vào nồng độ tạp chất Điều lý giải sau: Các mẫu thủy tinh chế tạo nghiên cứu loại thủy tinh có thành phần hỗn hợp từ aluminoborate - kiềm có tỷ lệ hợp phần không đổi lớn Việc pha tạp ion đất với nồng độ bé không làm thay đổi cấu hình trường cục trình hình thành thủy tinh [2, 6] Kết thảo luận 3.1 Đường cong nhiệt phát quang tích phân Hình đường cong nhiệt phát quang tích phân mẫu ABLi:Sm có nồng độ tạp 2mol% chiếu xạ tia γ (a) tia X (b) Dạng đường cong tích phân tương đối đơn giản, đỉnh đơn xuất 600C, 1180C 2200C dải rộng, không chồng chập có dạng đối xứng Gaussian (trường hợp đường cong b) Cực đại 2200C có cường độ lớn xuất nhiệt độ không nhỏ để tránh fading tín hiệu nhiệt, lại khơng lớn để chạm ngưỡng hồng ngoại phép đọc tín hiệu nên phù hợp dùng để đo liều Hình 4: Đường cong tích phân thủy tinh ABLi:Sm, (a) chiếu xạ tia γ (500 Gy) (b) chiếu xạ tia X: (500 Gy); = 50C/s Ngoài ta thấy vật liệu có đáp ứng liều (độ nhạy) với xạ tia X xạ tia γ Ta lý giải vấn đề sau: xuất đỉnh đơn hẹp trường hợp vật liệu tinh thể có chất lượng cao Ở mẫu chế tạo nằm nhóm vật liệu vơ định hình suy biến giá trị lượng liên quan đến khuyết tật trải rộng dải giá trị mà giá trị đơn Trong loại vật liệu vậy, có mặt khuyết tật làm thay đổi cấu trúc trường tinh thể xung quanh chúng cách ngẫu nhiên, đặc biệt góc chiều dài liên kết với ion gần dẫn đến tín hiệu TL thay đổi Kết cấu trúc mức lượng kích hoạt bẫy có xu hướng mở rộng Mặt khác, vật liệu vơ định hình ta khơng thể xem độ rộng vùng cấm có giới hạn vật liệu tinh thể Vì vậy, mức bẫy vùng cấm khơng có giá trị gián đoạn rõ ràng thống nhất, dẫn đến đỉnh nhiệt phát quang thường có dải rộng có đặc trưng tổng hợp phân bố Gaussian Đây sở để xác định phân bố lượng mức bẫy vật liệu thủy tinh [6, 7, 8, 9] Các giá trị lượng kích hoạt ứng với mức bẫy xuất đường cong xác định phương pháp sử dụng độ bán rộng R Chen, trình bày Bảng Trần Ngọc / Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Duy Tân 01(44) (2021) 30-35 34 Bảng Giá trị lượng E ứng với mức bẫy thủy tinh ABLi:Sm (2%mol) Thuỷ tinh ABLi:Sm (2mol%) Vị trí đỉnh 60 0C 118 0C 220 0C Năng lượng E (độ sâu bẫy) 0,67 eV 0.81 eV 1,05 eV Từ kết thực nghiệm trên, ta mơ tả q trình hình thành TL vật liệu thủy tinh ABLi:Sm sau: Quá trình chiếu xạ hình thành cặp điện tử - lỗ trống, điện tử chuyển lên vùng dẫn sau bị bắt bẫy (ứng với độ sâu bẫy cỡ 0,67 eV, 0,81 eV 1,05 eV), lỗ trống bị bắt tâm phát quang Trong trình cưỡng nhiệt, điện tử từ bẫy giải phóng, chúng chuyển động lên vùng dẫn, sau tái hợp với lỗ trống tâm tái hợp cho tín hiệu TL Đối với vật liệu vơ định hình, chuyển dời tạo hiệu ứng TL thường xảy cấu trúc trật tự gần (phạm vi cục bộ) vị trí trường thủy tinh Vì vậy, dạng đường cong tín hiệu đơn giản dễ phân tích Vật liệu thủy tinh ABLi:Sm nhạy với liều tia X liều tia γ Đây kết lý thú, dẫn nghĩ đến nghiên cứu xa hơn, với hy vọng đưa thủy tinh vào ứng dụng lĩnh vực đo liều xạ tia X TL [1] Hình Sự phụ thuộc hiệu suất phát quang đỉnh 220oC vào nồng độ tạp Sm 3.3 Đường đáp ứng liều tia X Một tiêu chí quan trọng chế tạo vật liệu làm liều kế đáp ứng liều xạ vật liệu khoảng tuyến tính [1, 2, 3] Cũng cần lưu ý, đáp ứng liều xạ vật liệu phụ thuộc vào khả gây ion hóa chất tia phóng xạ tia , , tia X Vì vậy, thơng thường ta phải khảo sát đáp ứng liều vật liệu theo tính chất loại xạ , , tia X Tuy nhiên, vật liệu thủy tinh ABLi:Sm lại nhạy với liều tia X liều tia (Hình 4) khả đáp ứng nằm khoảng liều cao Với lý vậy, nên xây dựng đáp ứng liều tia X khoảng liều từ 68 Gy đến 1035 Gy 3.2 Tối ưu hóa hiệu suất nhiệt phát quang Hiệu suất phát quang thể chất lượng sản phẩm độ nhạy liều liều kế Các nghiên cứu cho thấy hiệu suất phát quang phụ thuộc mạnh vào nồng độ tạp pha vào cấu trúc nền, nói cách khác phụ thuộc vào tỷ lệ thành phần phối liệu ban đầu Thường hiệu suất phát quang kiểm tra thông qua hiệu suất phát quang đỉnh dùng đo liều Trong nghiên cứu sử dụng đỉnh 2200C để đánh giá Sau mẽ chế tạo, điều chỉnh nồng độ tạp chọn nồng độ tạp tối ưu cho hiệu suất phát quang mol% (Hình 5) Hình Đường đáp ứng liều tia X thủy tinh ABLi:Sm (2mol%) Việc chiếu xạ thực nguồn chiếu xạ tia X ((YPC1-CCCP) có bia Cu, với thông số kỹ thuật: Vmax: 50 kV, Imax 20 Trần Ngọc / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Duy Tân 01(44) (2021) 30-35 mA suất liều 1,15 Gys-1, thời gian chiếu mẫu từ phút đến 15 phút), kết cho Hình Vật liệu đáp ứng liều tuyến tính tốt (đặc biệt khoảng liều cao từ 250 Gy đến 1000 Gy), có phi tuyến vùng liều thấp 250 Gy Kết cho thấy sử dụng liều kế liều tia X cho kết tin cậy (đặc biệt khoảng liều cao) Tài liệu tham khảo [1] [2] [3] [4] Kết luận Chúng tơi hồn tồn làm chủ cơng nghệ chế tạo vật liệu thủy tinh ABLi:Sm Các mẫu chế tạo có độ đồng nền-tạp tốt, điều thể tính xác riêng phép đọc liều lô sản phẩm loại vật liệu Nồng độ tạp tối ưu cho hiệu suất nhiệt phát quang mol% Sm Các kết nghiên cứu tính chất TL sản phẩm chế tạo cho thấy: dải xạ nhiệt phát quang dùng đo liều 2200C có cấu trúc dải rộng, đỉnh đơn, có đặc trưng phân bố Gaussian có độ nhạy lớn, đặc biệt với liều tia X Tuy có phi tuyến vùng liều thấp 250 Gy, vật liệu đáp ứng liều tuyến tính khoảng liều cao từ 250 Gy đến 1000 Gy Điều cho phép nghĩ đến nghiên cứu xa hơn, với hy vọng đưa vật liệu vào ứng dụng lĩnh vực đo liều xạ tia X phương pháp TL 35 [5] [6] [7] [8] [9] Horowitz Y.S, Thermolminescence and Thermoluminescent dosimetry, Vol I, CRCPress (1984) IAEA, Environmental Radiation, IAEA (2000) Jan van Dam and Ginette Marinello, Methods for in vivo dosimetry in External Radiotherapy, Physics for clinucak radiotherapy, Booklet No.1 (1999) H.W Kui, D Lo, Y.C Tsang, N.M Khaidukov, V.N Makhov, Thermoluminescence properties of double potassium yttrium fluorides singly doped with Ce3+, Tb3+, Dy3+ and Tm3+ in response to α and β irradiation, Journal of Luminescence 117 (2006) 29-38 Tran Ngoc and Phan Van Do, optical spectroscopy of Sm3+ ions in the alkali metal borate glass and crossrelaxation of 4G5/2 level of f - f transition, proceedings of international conference on Spectroscopy and applications-Danang - ICSA2013, pp 247-259 Y.C Ratnakaram, D Thirupathi Naidu, Spectral studies of Sm3+ and Dy3+ doped lithium cesium mixed alkali borate glasses, Journal of NonCrystalline Solids, Vol 352, Issue (2006) 39143922 Y.C Ratnakaram, D Thirupathi Naidu, Influence of mixed alkalies on absorption and emission properties of Sm3+ ion in borate glasses, Physica B, Vol 358 (2005) 296-307 Christane Görller, Walrand and K Binnemans, Spectral intensities of f - f transition, Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths Vol.25 (1998) 101-252 T Suhasini, J Suresh Kumar, T Sasikala, K Jang, H.S Lee, M Jayasimhadri, J.H Jeong, S.S Yi, L Rama Moorthy, Absorption and fluorescence properties of Sm3+ ions in fluoride containing phosphate glasses, Opt Mater Vol 31 (2009) 1167-1172 ... đến nghiên cứu xa hơn, với hy vọng đưa thủy tinh vào ứng dụng lĩnh vực đo liều x? ?? tia X TL [1] Hình Sự phụ thuộc hiệu suất phát quang đỉnh 220oC vào nồng độ tạp Sm 3.3 Đường đáp ứng liều tia X. .. để đo liều Hình 4: Đường cong tích phân thủy tinh ABLi:Sm, (a) chiếu x? ?? tia γ (500 Gy) (b) chiếu x? ?? tia X: (500 Gy); = 50C/s Ngoài ta thấy vật liệu có đáp ứng liều (độ nhạy) với x? ?? tia X x? ?? tia. .. trọng chế tạo vật liệu làm liều kế đáp ứng liều x? ?? vật liệu khoảng tuyến tính [1, 2, 3] Cũng cần lưu ý, đáp ứng liều x? ?? vật liệu phụ thuộc vào khả gây ion hóa chất tia phóng x? ?? tia , , tia X