Đáp ứng năng lượng

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN

2.2 Các đặc trưng của liều kế OSL

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 ln có xu hướng mơ phỏng gần nhất với mô cơ thể con người. Mơ đã được xác định bởi ICRU là có Zeff = 7.34, các vật liệu dùng làm liều kế có Zeff gần giá trị này được gọi là các liều kế tương đương mơ. 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 khơng có cùng thành phần các nguyên tố hóa học như mơ 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. (2.3) (2.4) [2] Hình 2.4a: Hệ số μen/ρ (g/cm2 ) của một số nguyên tố là một hàm của

năng lượng photon

[2]

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

[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 Zeff = 7.34

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

Những vật liệu có tỉ số (μen/ρ)m/(μen/ρ)tissue gần bằng 1 được gọi là vật liệu tương đương mơ. Theo hình 2.5 thì tỉ số (μen/ρ)m/(μen/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

(μen/ρ)m/(μen/ρ)tissue người ta thường sử dụng nguyên tử khối hiệu dụng Zeff để mô tả 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: ai 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 (Zeff ) của một số vật liệu OSL (Trích dẫn trong tài liệu số 2 phần tài liệu tham khảo)

Vật liệu OSL Nguyên tử số hiệu dụng (Zeff)

Al2O3:C 11,3 BeO 7,2 MgO:Tb 10,8 BFX:Eu2+(X=Br,Cl,I) 50 Quartz 11,8 Feldspar 11,5 ( Feldspar trắng) 13,7 ( K- Feldspar) MgS:Ce,Sm 14,6 SrS: Ce,Sm 34,6 CaS:Ce, Sm 18,5 KCl:Eu 18,1 KBr:Eu 31,5 2.2.4 Đáp ứng liều (đáp ứng tuyến tính)

Tín hiệu quang phát quang là một hàm S(D) của liều hấp thụ D. Trong điều

kiện lí tưởng S(D) là một hàm tuyến tính trong một dải liều rộng. Tuy nhiên hầu hết các vật liệu được sử dụng trên thực tế đều có các hiệu ứng phi tuyến khác nhau, điều này có thể tiên đốn nhờ vào việc xem xét các quá trình động học liên quan đến các quá trình bẫy và giải bẫy của các hạt mang điện xảy ra trong vật liệu OSL. Mơ 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 hịa 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 Do 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 hịa. Hình 2.6b biểu thị các giá trị của hệ số f(D)

2.2.5 Sự suy giảm tín hiệu

Sự sự mất tín hiệu khơng mong muốn hay là sự giải phóng tuỳ ý những electrơn ra khỏi bẫy trước khi quá trình đọc được thực hiện được gọi là sự suy giảm tín hiệu. Q trình suy giảm này do các quá trình nhiệt hoặc quang kích thích sự giải phóng electrơn.

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 =

Trong đó: là độ lệch chuẩn sau n lần thí nghiệm. là giá trị trung bình sau n lần thí nghiệm và

lj là khoảng tin cậy của sau n lần thí nghiệm

2.3 Một số các đặc trưng khác của liều kế OSL

Ngồi 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 cịn 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 đường cong giới hạn độ sai lệch liều “Trumpet Curve’’.

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:

≤ ≤ 1.5*(1+ ) Trong đó: 1, 5.(1 ) 2. o ul o t H H H H    1 2. .(1 ) 1, 5 o ll o t H H 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.

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. 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 thốt 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 q trình đọc để lấy thơng 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 thốt 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 khơng mong muốn như ánh sáng

dị từ các đèn LED hoặc ánh sáng khơng phải do q 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 dịng 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. 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 khơng chiếu dùng làm liều kế phơng. 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:

RCFi =

(2.11) Trong đó: RCFi 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 phơng trung bình của liều kế OSL chuẩn ở vị trí i.

2.6.2 Hiệu chuẩn độ nhạy của chip OSL.

Các liều kế OSL được chế tạo ln 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).

ECCij =

Trong đó : ECCij: Là hệ số hiệu chỉnh độ nhạy của chip ở vị trí thứ i của liều kế thứ j.

<Ri>: Là số đọc trung bình của n chip ở vị trí thứ i ( i = ), n là số lượng liều kế.

Ri j: Là số đọc của chip ở vị trí thứ i của liều kế thứ j.

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

Sau khi xác định được hệ số chuẩn máy đọc RCF và hệ số hiệu chỉnh độ nhạy ECC, các liều kế OSL được đeo bởi người sử dụng sẽ được đọc để lấy dữ liệu theo một chế độ được thiết lập trên phần mềm kèm theo Microstar có tích hợp thuật tốn tính tốn liều NVLAP/DOELAP. Quá trình đọc và đánh giá liều được trình bày theo sơ đồ sau: Số đọc thu được từ máy đọc Microstar Sử dụng thuật toán NVLAP/ DOELAP Áp dụng ECC, RCF Kết quả

Hình 2.11: Giao diện màn hình của phần mềm microstar trong quá trình đọc liều kế