Trong quỏ trỡnh truyền năng lượng của bức xạ cho vật liệu thuỷ tinh, việc tạo ra cỏc phần tử kớch hoạt cú tớnh chất hấp thụ ỏnh sỏng ở bước súng đặc trưng mang một ý nghĩa nhất định về khoa học và ứng dụng.
Quy trỡnh chế tạo vật liệu compozite này, trờn tực tế tương tự như quy trỡnh chế tạo của loại vật liệu cổ điển thụng thường [23].Việc đưa một tổ hợp cỏc oxit với khối lượng nhỏ cỡ 10-3 g/g, sau đú chiếu xạ gamma hầu như khụng làm thay đổi cỏc tớnh chất cơ lý của vật liệu. Tuy nhiờn, sự cú mặt của cỏc oxit từ cỏc kim loại chuyển tiếp hoặc cỏc kim loại cú lớp vỏ electron chưa đầy cú thể làm thay đổi tớnh chất quang lý của loại vật liệu mới trong trường gamma. Việc xuất hiện cỏc bước súng hấp thụ đặc trưng phụ thuộc vào bản thõn kim loại, hoỏ trị của nú dưới dạng oxit ban đầu, cũng như tổ hợp thành phần của hỗn hợp oxit. Cường độ hấp thụ tại bước súng đặc trưng của vật liệu khụng chỉ phụ thuộc vào hàm lượng của cỏc phần tử nhạy bức xạ mà cũn phụ thuộc vào liều lượng hấp thụ và suất liều của bức xạ. Cỏc vật liệu thuỷ tinh nhạy bức xạ được dựng để chế tạo cỏc liều lượng kế, cỏc chỉ thị bức xạ, cỏc dụng cụ
chống tia tử ngoại, tạo ảnh gamma, cũng như cỏc đồ gia dụng và vật liệu trang trớ với cỏc gam
màu linh hoạt dễ thay đổi [20].
7.1.1 Sự hỡnh thành và phỏ huỷ cỏc tõm màu trong thuỷ tinh do bức xạ
Ngoài sự hấp thụ tự thõn của thuỷ tinh ở vựng phổ cực tớm và vựng ỏnh sỏng nhỡn thấy do cỏc tõm màu cú sẵn gõy ra, khi chiếu xạ gamma cũn xuất hiện sự hấp thụ cảm ứng. Cỏc tõm màu mới xuất hiện từ cỏc phần tử nhạy bức xạ tạo cho thuỷ tinh cú màu sắc đặc trưng. Cỏc phần tử nhạy bức xạ thường là cỏc oxit thuộc nhúm kim loại chuyển tiếp được đưa vào thuỷ tinh. Sự hiện diện của hai hoặc nhiều oxit kết hợp với sự chiếu xạ cú thể làm thay đổi hoỏ trị liờn kết trong cỏc oxit tạo ra những chất hấp thụ ỏnh sỏng với bước súng đặc trưng, làm cho thuỷ tinh chiếu xạ cú những màu sắc nhất định. Cỏc oxit được lựa chọn trờn cơ sở cỏc kết quả thớ nghiệm ở lượng mẫu nhỏ là V2O5, Cr2O3,, MnO.
7.1.2 Phối trộn cỏc thành phần nhạy bức xạ
Việc chế tạo kớnh tấm nhạy bức xạ được tiến hành trờn dõy chuyền cụng nghệ sản xuất kớnh tấm xõy dựng của Nhà mỏy kớnh Đỏp Cầu với thành phần phối liệu đó được xỏc định phự hợp với thiết kế kỹ thuật. Bảng 7.1 giới thiệu một số đặc trưng cơ bản của dõy chuyền cụng nghệ.
74
Bảng 7.1
Một số đặc trưng kỹ thuật cơ bản của dõy chuyền sản xuất kớnh tấm
Dung lượng hoạt động của lũ, T 500 tấn
Nhiệt độ cực đại, oC 1450
Suất lượng thành phẩm, T/ngày 50 tấn/ngày
Suất lượng kớnh thành phẩm 5mm, m2/ngày 4000
Thành phần phối liệu, % SiO2 68 ữ70 K2O, Na2O 18 CaO, MgO 10 Al2O3 2 Fe2O3 <1
Việc đưa nhúm vật liệu V2O5, Cr2O3, MnO với hàm lượng 10–3 g/g để tạo ra tấm kớnh nhạy bức xạ, hầu như khụng làm thay đổi dõy chuyền cụng nghệ sản xuất thụng thường. Tuy nhiờn, việc nghiờn cứu động học của quỏ trỡnh phối liệu với cỏc nguyờn tố nhạy bức xạ và độ
đồng đều của chỳng trong sản phẩm là vấn đề cần thiết.
Mụ hỡnh tớnh toỏn lý thuyết cho thấy nồng độ của cỏc phần tử nhạy bức xạ phụ thuộc vào thời gian nạp nhiờn liệu t được xỏc định bằng cụng thức:
N(t) = Ns(1- e-gt) (7.1)
trong đú, Ns là nồng độ cỏc phần tử nhạy bức xạ đạt giỏ trị bóo hồ, g là hệ số tỷ lệ với thành phần cỏc nguyờn tố nhạy bức xạ lưu giữ trong lũ.
Quỏ trỡnh suy giảm nồng độ cỏc phần tử nhạy bức xạ đối với trường hợp t>t0 được biểu diễn bằng biểu thức:
0 0
gt g(t t ) s
N(t) N (1 e= − − )e− − (7.2)
trong đú to – thời điểm ngừng đưa phần tử nhạy bức xạ vào lũ.
Tỷ lệ thành phần khối lượng của tổ hợp oxit nhạy bức xạ được đưa vào phối liệu chớnh của dõy chuyền theo tỷ lệ MnO: V2O5: Cr2O3 là 5:10:1. Hỡnh 7.1 giới thiệu phổ hấp thụ đặc trưng của vật liệu với dải bước súng hấp thụ khỏ rộng từ vựng cận tử ngoại tới vựng cận hồng ngoại đo bằng quang phổ kế U-2000.
Nhúm nguyờn tố nhạy bức xạ được trộn theo quy trỡnh cụng nghệ cựng với cỏc vật liệu khỏc. Khối lượng được cung cấp đều với khối lượng 50 kg/ngày.
Để theo dừi động học của quỏ trỡnh khuếch tỏn và độ đồng đều của phối liệu, lượng mẫu
phõn tớch được lấy với số lượng 3 mẫu ì 3 ca ì 2 mỏy /ngày, được chiếu trờn nguồn gamma
60Co bỏn cụng nghiệp với liều lượng xỏc định là 10 kGy và 15 kGy (Hoạt độ nguồn là
75 lưu ý rằng, mật độ quang D đo được tỷ lệ với nồng độ tõm màu bức xạ. Đồ thị biến thiờn của D cho ta bức tranh động học của quỏ trỡnh phối trộn nhúm oxit nhạy bức xạ.
Hỡnh 7.2 giới thiệu phõn bố mật độ quang học của cỏc mẫu theo thời gian. Đường đậm nột là hàm tớnh toỏn theo cụng thức (7.2).
7.1.3 Tạo thành phẩm và kiểm tra chất lượng sản phẩm
Phối liệu trong lũ thuỷ tinh được trộn theo nguyờn lý đối lưu nhiệt tự nhiờn ở nhiệt độ cực
đại 1450oC. Nguyờn liệu ở lối ra được kộo dưới dạng kớnh tấm theo phương thẳng đứng bằng hai mỏy cụng suất 50 tấn/ngày với kớch thước 3, 4 và 5 mm ì (1200mm ì 2000mm).
Việc đưa cỏc tõm nhạy bức xạ vào quy trỡnh sản xuất kớnh tấm hầu như khụng làm thay
đổi quy trỡnh sản xuất của cỏc nhà mỏy sản xuất kớnh thụng thường, do đú cú thể sản xuất loại
kớnh đặc biệt này mà khụng cần thay đổi quy trỡnh cụng nghệ. Cỏc sản phẩm được tạo ra hầu như khụng cú gỡ thay đổi so với sản phẩm cũ.
Hỡnh 7.1
Phổ hấp thụ đặc trưng của kớnh tấm nhạy bức xạ liều chiếu 15kGy
Kớnh tấm nhạy bức xạ cú thể sử dụng vào mục đớch chế tạo cỏc liều lượng kế và chỉ thị bức xạ, vật liệu trang trớ và tạo chất liệu mới cho mụn nghệ thuật tạo hỡnh bức xạ. Chỳng cũng
được sử dụng như những loại kớnh xõy dựng thụng thường.
Hỡnh 7.2.
Phõn bố mật độ quang của kớnh theo thời gian nạp tõm màu
Quỏ trỡnh chiếu xạ gamma được thực hiện trờn nguồn 60Co bỏn cụng nghiệp. Kớnh tấm kớch cỡ khỏc nhau được chiếu trong trường liều giới thiệu trờn Hỡnh 7.3.
76
Độ đậm của màu được xỏc định bằng mật độ quang. Mối tương quan giữa mật độ quang
và liều lượng hấp thụ được giới thiệu trờn Hỡnh 7.4. Đường đặc trưng mụ tả hàm mũ bóo hồ, theo cụng thức (4.6), trong đú mật độ tõm màu ban đầu n0 ≈ 0.
7.1.4 Tạo hỡnh bức xạ
Đõy là phương phỏp tạo hỡnh hoàn toàn theo cụng thức (4.6) bao gồm quỏ trỡnh tạo màu
nền và quỏ trỡnh phỏ huỷ cỏc tõm màu bức xạ.
Sau khi tạo màu nền theo kỹ thuật thụng thường với mật độ quang OD=0.40, cần tiến hành tạo hỡnh bằng phương phỏp cổ điển; sau đú, tiến hành chiếu tia cực tớm bước súng
200ữ300nm với liều lượng tương đương 20 kGy. Quỏ trỡnh huỷ màu tuõn theo định luật hàm mũ suy giảm mụ tả theo thành phần thứ hai của cụng thức (4.6).
Hỡnh 7.3.
Phõn bố liều lượng theo mặt phẳng song song với mặt phẳng nguồn ở khoảng cỏch 20 cm:
1) Đo bằng liều lượng kế thuỷ tinh; 2) Đo bằng liều lượng kế Fricke
77
Hỡnh 7.4.
Sự phụ thuộc của mật độ quang vào liều chiếu xạ dải rộng
Hỡnh 7.5 và 7.6 giới thiệu cỏc sản phẩm nghệ thuật tạo hỡnh bức xạ và thuỷ tinh chiếu xạ trờn chất liệu thuỷ tinh.
Hỡnh 7.5.
78
Hỡnh 7.6.
Một số sản phẩm thuỷ tinh chiếu xạ
7.1.5 Chế tạo liều kế thuỷ tinh
Từ kớnh tấm nhạy bức xạ cú thể cắt thành cỏc thẻ kớch thước 40ì10ì3 mm3 và đúng gúi
để tạo ra cỏc liều kế thuỷ tinh đo liều lượng chiếu xạ (Hỡnh 7.7)
Hỡnh 7.7.
Liều lượng kế thuỷ tinh chế tạo tại Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhõn
Hàm đặc trưng liều của liều lượng kế thuỷ tinh cú dạng hàm mũ bóo hồ được giới thiệu trờn Hỡnh 7.4.