Nghiên cứu về quá trình phát quang cưỡng bức nhiệt và ứng dụng của nó

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KHOA VẬT LÝ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Đề tài: NGHIÊN CỨU VỀ QUÁ TRÌNH PHÁT QUANG CƢỠNG BỨC NHIỆT VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ Ngƣời thực : LÊ THỊ MỸ THẨM Lớp : 11SVL Khóa : 2011 - 2015 Ngành : SƢ PHẠM VẬT LÝ Ngƣời hƣớng dẫn : ThS LÊ VĂN THANH SƠN Đà Nẵng, tháng 04 năm 2015 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP _ KHOA VẬT LÝ GVHD: ThS LÊ VĂN THANH SƠN MỞ ĐẦU Kể từ năm 1663, Robert Boyle phát tượng liên quan đến nhiệt phát quang (Thermoluminescence-TL) tiến hành kim cương, nhà khoa học có cơng trình nghiên cứu TL nhiều vật liệu khác nhau, sâu vào nghiên cứu tìm ứng dụng TL Năm 1930, Urbach đưa kết luận phụ thuộc nhiệt độ đỉnh TL có liên quan đến độ sâu bẫy electron, chìa khóa để ứng dụng tượng nhiệt phát quang nghiên cứu phân bố độ sâu bẫy Tuy nhiên, nghiên cứu nhóm khoa học trường Birmingham, Anh (Randall & Wilkins, năm 1945; Garlick & Gibson, 1948) trình bày nghiên cứu họ phát thật có ý nghĩa trở thành lý thuyết chung cho nhiệt phát quang Cũng từ đó, lý thuyết sở ứng dụng nhiệt phát quang ngày xác Hiện tượng nhiệt phát quang phát vào kỉ XVII, nhiên, đến khoảng kỉ XIX, tượng bắt đầu ứng dụng để đo liều xạ (dosimeter) khảo sát khuyết tật mạng điểm vật liệu ứng dụng ngành khoa học khác Những ứng dụng nghiên cứu phát triển mạnh giới năm gần Trên phương diện nghiên cứu bản, nhiệt phát quang góp phần nhiều việc hiểu biết chế vật lý sai hỏng xảy mạng tinh thể, cấu trúc vùng lượng vật liệu Những hiểu biết giúp giải vấn đề gặp phải áp dụng tượng nhiệt phát quang vào ứng dụng thực tế vật liệu Ở Việt Nam, ứng dụng hiệu ứng nhiệt phát quang nhà khoa học quan tâm gần nhu cầu phát triển kinh tế đất nước, đặc biệt lĩnh vực y tế Cùng với mục đích ứng dụng đó, nhiệt phát quang ngày trở thành phương pháp phổ biến để nghiên cứu cấu trúc, phân bố bẫy electron vật liệu nhờ kĩ thuật tương đối đơn giản Với điều kiện đề tài chọn “Nghiên cứu trình phát quang cƣỡng nhiệt ứng dụng nó” để làm khóa luận tốt nghiệp Với điều kiện có phịng thí nghiệm khoa Vật Lý, trường Đại Học Sư Phạm - ĐHĐN, tác giả tìm hiểu cách chế tạo nhóm vật liệu 5MO:6Al2O3: xCr3+ Mục đích đề tài nghiên cứu độ sâu bẫy vật liệu Aluminate có pha tạp ion kim loại xCr3+ nghiên cứu số ứng dụng SVTH: LÊ THỊ MỸ THẨM Trang KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP _ KHOA VẬT LÝ GVHD: ThS LÊ VĂN THANH SƠN PHẦN A: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƢƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ HIỆN TƢỢNG NHIỆT PHÁT QUANG 1.1 Hiện tƣợng phát quang 1.1.1 Khái niệm tƣợng phát quang Người ta làm số thí nghiệm, ví dụ như: chiếu tia tử ngoại (UV) có bước sóng λ vào dung dịch rượu fluorêxêin dung dịch phát ánh sáng màu xanh lục nhạt có bước sóng λ’ (λ’ > λ) Sự phát sáng biến sau ngừng kích thích ánh sáng tử ngoại Hay chiếu tia UV vào tinh thể ZnS có pha lượng nhỏ Cu Co tinh thể phát ánh sáng có màu xanh lục, ánh sáng tồn lâu sau ngừng kích thích Hiện tượng tương tự xảy với nhiều chất rắn, lỏng khí khác đồng thời với tác nhân kích thích khác Chúng có tên chung tượng phát quang (Luminescence) Như vậy, phát quang xạ ánh sáng vật chất tác động tác nhân kích thích khơng phải đốt nóng thơng thường Bước sóng ánh sáng phát quang đặc trưng cho vật liệu phát quang, hồn tồn khơng phụ thuộc vào xạ chiếu lên Đa số nghiên cứu tượng phát quang quan tâm đến xạ vùng khả kiến, bên cạnh có số tượng xạ có bước sóng thuộc vùng hồng ngoại (IR) tử ngoại 1.1.2 Phân loại tƣợng phát quang Có nhiều cách khác để phân loại tượng phát quang - Phân loại theo tính chất động học trình xảy ngƣời ta phân ra:  Phát quang tâm bất liên tục  Phát quang tái hợp - Phân loại theo phƣơng pháp kích thích: + Quang phát quang (Photoluminescence - PL): Kích thích chùm tia tử ngoại + Cathod phát quang (Cathodoluminescence - CAL): Kích thích chùm điện tử + Điện phát quang (Electroluminescence - EL): Kích thích hiệu điện + X – ray phát quang (X-ray luminescence - XL): Kích thích tia X + Hố phát quang (Chemiluminescence - CL): Kích thích lượng phản ứng hố học… SVTH: LÊ THỊ MỸ THẨM Trang KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP _ KHOA VẬT LÝ GVHD: ThS LÊ VĂN THANH SƠN - Phân loại theo thời gian phát quang kéo dài sau ngừng kích thích, ngƣời ta phân tƣợng phát quang làm hai loại: Quá trình huỳnh quang (Fluorescence) trình lân quang (Phosphorescence) Quá trình huỳnh quang xạ xảy sau ngừng kích thích suy giảm khoảng thời gian pico – giây (10-12 s) Hiện tượng xảy phổ biến hầu hết vật liệu phát quang dạng chất lỏng, chất khí số chất rắn Quá trình lân quang xạ suy giảm chậm, thời gian suy giảm kéo dài từ vài phút hàng tuần sau ngừng kích thích Hiện tượng xảy phổ biến vật liệu dạng rắn - Phân loại theo cách thức chuyển dời từ trạng thái kích thích trạng thái cho xạ phát quang ngƣời ta chia hai loại: + Phát quang tự phát: tâm xạ tự phát chuyển từ trạng thái kích thích trạng thái để phát ánh sáng, không cần chi phối yếu tố từ bên + Phát quang cưỡng (phát quang cảm ứng): phát quang xảy tâm xạ chuyển từ trạng thái kích thích trạng thái nhờ tác động từ bên ngồi (ví dụ : ánh sáng nhiệt độ) Quá trình nhờ tăng nhiệt độ gọi cưỡng nhiệt hay nhiệt phát quang (sẽ trình bày kỹ mục 1.2) 1.1.3 Vật liệu phát quang (phốt tinh thể) Phốt tinh thể (phosphor) chất vơ tổng hợp (có thể bán dẫn điện mơi) có khuyết tật mạng tinh thể Đây loại vật liệu phát quang có hiệu suất phát quang lớn ứng dụng nhiều Chúng có khả phát quang sau q trình kích thích Nhìn chung, phốt tinh thể thường gồm hai thành phần: chất (còn gọi chất nền, mạng chủ) chất kích hoạt (cịn gọi tâm kích hoạt, tâm phát quang) Chất thường hợp chất sulphua kim loại nhóm hai (như ZnS, CdS, …) oxít kim loại, hợp chất aluminate, sulphate, halosulphate, … Chất kích hoạt thường kim loại Ag, Cu, Mn, Cr,… nguyên tố đất RE (Rare Earth) họ Lanthan, thường có nồng độ nhỏ so với chất lại định tính chất phát quang Số lượng chất kích hoạt ( gọi đơn pha tạp), hai, ba nhiều (gọi đồng pha tạp) SVTH: LÊ THỊ MỸ THẨM Trang KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP _ KHOA VẬT LÝ GVHD: ThS LÊ VĂN THANH SƠN Sự phát quang phốt tinh thể mang tất đặc điểm phát quang tái hợp, là: + Khơng có liên hệ trực tiếp phổ hấp thụ phổ phát quang Phổ hấp thụ chủ yếu chất định, thường phổ đám rộng vùng tử ngoại Phổ phát quang chủ yếu chất kích hoạt định, thường dải hẹp thuộc vùng khả kiến hồng ngoại Mỗi chất kích hoạt cho phổ phát quang riêng, phụ thuộc vào chất trừ chất làm thay đổi hóa trị ion chất kích hoạt + Ánh sáng phát quang phốt tinh thể khơng bị phân cực + Trong q trình phát quang phốt tinh thể có phát quang kéo dài phát quang tức thời Thời gian phát quang tức thời ngắn ( Dựa việc nghiên cứu lí thuyết nhiệt phát quang khảo sát độ sâu bẫy tượng nhiệt phát quang nhóm vật liệu Aluminate, tác giả hồn tồn kết luận vật liệu đá quý Spynen có bẫy sâu, từ thông số độ sâu bẫy khảo sát phục vụ cho phương pháp đo liều xạ xác định tuổi, nguồn gốc mẫu vật SVTH: LÊ THỊ MỸ THẨM Trang 48 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP _ KHOA VẬT LÝ GVHD: ThS LÊ VĂN THANH SƠN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S.W.S Mc Keever (1985), Thermoluminescence of Solid, Department of Physics, Oklahoma State University [2] A.H.Kitai (1981), Solid State Luminescence, Department of Materials Science and Engineering and Engineering Physics McMaster Univesity, Ontario, Canada [3] M.J.Aitken (1985), Thermoluminescence, Pringing in the United States of America [4] G.Blasse.BC Grambmaier (1994), Luminescent Materials, Germany Siemens Research Laboratories [5] Claudio Furetta (2003), Handbook of Thermoluminescence, Physics Department Rome Univesity “La Sapienza”, Italy [5] Vũ Thị Thái Hà (2010), Luận án tiến sĩ SVTH: LÊ THỊ MỸ THẨM Trang 49 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP _ KHOA VẬT LÝ GVHD: ThS LÊ VĂN THANH SƠN MỤC LỤC MỞ ĐẦU PHẦN A: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƢƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ HIỆN TƢỢNG NHIỆT PHÁT QUANG 1.1 Hiện tượng phát quang 1.1.1 Khái niệm tượng phát quang 1.1.2 Phân loại tượng phát quang 1.1.3 Vật liệu phát quang (phốt tinh thể) 1.1.4 Cơ sở lý thuyết vùng lượng để giải thích cho phát quang phốt tinh thể 1.1.5 Các chuyển dời xạ phốt tinh thể 1.1.6 Tái hợp xạ nội tâm 1.2 Hiện tượng nhiệt phát quang (TL) 1.2.1 Hiện tượng nhiệt phát quang 1.2.2 Điều kiện xảy tượng nhiệt phát quang 1.2.3 Lý thuyết sở tượng nhiệt phát quang 1.2.3.1 Mơ hình tâm - bẫy 1.2.3.2 Sự truyền lượng 11 1.2.3.3 Sự truyền lượng tâm phát quang không giống 12 1.2.3.4 Truyền lượng tâm giống 14 CHƢƠNG II: CÁC MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA HIỆN TƢỢNG NHIỆT PHÁT QUANG 17 2.1 Quá trình động học bậc một- tái bắt yếu 17 2.2 Quá trình động học bậc hai- tái bắt mạnh 17 2.3 Quá trình động học tổng quát 18 CHƢƠNG III: CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐƢỜNG CONG TL 19 3.1 Phương pháp Urbach 19 3.2 Phương pháp tốc độ gia nhiệt 19 3.1 Phương pháp phân tích phần hay tồn đường cong 20 3.1.1 Phương pháp sườn lên (initial rise) 20 3.1.2 Phương pháp xóa nhiệt (thermal cleaning) 20 3.2 Phương pháp hình dạng đỉnh (phương pháp Chen) 21 3.3 Phương pháp vị trí đỉnh 23 3.3.1 Phương pháp trực tiếp ( phương pháp Urbach) 23 SVTH: LÊ THỊ MỸ THẨM Trang 50 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP _ KHOA VẬT LÝ GVHD: ThS LÊ VĂN THANH SƠN 3.3.2 Phương pháp tính E từ thay đổi Tm (phương pháp thay đổi tốc độ gia nhiệt  ) 23 3.4 Phương pháp làm khớp đường cong 24 3.5 Tính tốn thừa số tần suất s 24 CHƢƠNG IV: ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƢỢNG NHIỆT PHÁT QUANG 25 4.1 Đo liều lượng xạ 25 4.2 Xác định tuổi vật liệu 26 4.3 Nghiên cứu địa chất học 28 4.4 Xác định khuyết tật vật rắn 28 4.5 Ứng dụng y học 30 4.6 Xác định nồng độ môi trường 30 4.7 Xác định niên đại nhiệt phát quang 31 4.8 Một số ứng dụng khác 32 KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 SVTH: LÊ THỊ MỸ THẨM Trang 51 ... 1948) trình bày nghiên cứu họ phát thật có ý nghĩa trở thành lý thuyết chung cho nhiệt phát quang Cũng từ đó, lý thuyết sở ứng dụng nhiệt phát quang ngày xác Hiện tượng nhiệt phát quang phát vào... SƠN CHƢƠNG IV: ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƢỢNG NHIỆT PHÁT QUANG 4.1 Đo liều lƣợng xạ Việc tăng cường sử dụng tượng nhiệt phát quang mở rộng phạm vi ứng dụng nhiệt phát quang tăng lên nhiều vào cuối năm... Hiện tượng nhiệt phát quang phát xạ nhiệt kích thích ánh sáng sau hấp thụ trước lượng từ xạ Vật liệu kim loại tượng nhiệt phát quang Hiện tượng nhiệt phát quang kích thích lượng nhiệt, nhiệt khơng