(Luận án tiến sĩ) nghiên cứu phát triển vật liệu lithium aluminate (lialo2) đo liều bức xạ photon

Trong nước đã có những nghiên cứu chếtạo vật liệu nhiệt phát quang ứng dụng trong đo liều như Li2B4O7:Cu; LiF: Mg, liều kế bức xạ, liều kế phải có ít nhất một tính chất vật lý là hàm của

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

-NGUYỄN THỊ THU HÀ

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU LITHIUM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Hà Nội – 2023

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

-NGUYỄN THỊ THU HÀ

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU LITHIUM

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướngdẫn của TS Trịnh Văn Giáp và TS Nguyễn Trọng Thành Các kết quả nghiêncứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng bảo

Tác giả xin gửi lời cảm ơn các thầy cô, các cán bộ tham gia giảng dạy vàcông tác tại Trung tâm Đào tạo hạt nhân - Viện Năng lượng nguyên tử ViệtNam đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ và hỗ trợ mọi thủ tục cần thiết cho tác giả

trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án.

Trong quá trình thực hiện luận án “Nghiên cứu và phát triển vật liệu lithium aluminate (LiAlO2) để đo liều photon”, tác giả đã nhận được rất nhiều

sự giúp đỡ, tạo điều kiện của tập thể ban lãnh đạo, các nhà khoa học, cán bộViện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân, Viện Khoa học vật liệu, Trung tâm Đàotạo Hạt nhân Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó

Cuối cùng tác giả muốn giành tình cảm chân thành gửi lời cảm ơn bốmẹ, người thân và đặc biệt là người chồng yêu quý đã luôn ở bên cạnh độngviên, hỗ trợ và giúp đỡ tôi học tập, làm việc và hoàn thành luận án

Luận án không tránh khỏi còn nhiều khiếm khuyết, thiếu sót, tác giảmong muốn nhận được những ý kiến đóng góp của quí thầy cô, nhà khoa học,đồng nghiệp và những người quan tâm, để tác giả tiếp tục hoàn thiện luận áncủa mình

Hà Nội, ngày tháng năm 2023

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Thị Thu Hà

ii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 3

1.1 Tương tác của bức xạ với vật chất 3

1.1.1 Sự ion hóa trực tiếp và gián tiếp 3

1.1.2 Tương tác của bức xạ ion hóa với vật chất 4

1.2 Các đại lượng, đơn vị và phương pháp đo liều bức xạ 9

1.2.1 Các đại lượng và đơn vị trong đo liều bức xạ 9

1.2.2 Các phương pháp đo liều bức xạ 14

1.2.3 Phương pháp đo liều nhiệt phát quang 15

1.2.4 Các tham số động học trong đo liều nhiệt phát quang 23

1.2.5 Vật liệu dùng trong đo liều nhiệt phát quang 28

1.3 Tổng quan về vật liệu LiAlO2 29

1.3.1 Vật liệu LiAlO2 và ứng dụng trong đo liều bức xạ 29

1.3.2 Tổng quan nghiên cứu về vật liệu LiAlO 2 trên thế giới và trong nước 35

1.4 Tiểu kết chương 1 40

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VẬT LIỆU LiAlO 2 41

2.1 Phương pháp chế tạo vật liệu LiAlO2 41

2.1.1 Dụng cụ và thiết bị chính dùng cho chế tạo vật liệu 41

2.1.2 Phương pháp chế tạo vật liệu LiAlO 2 42

2.2 Khảo sát đặc trưng cấu trúc hình thái học của vật liệu LiAlO 2 45

2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 45

2.2.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 46

2.3 Nghiên cứu khảo sát đặc tính đo liều của vật liệu LiAlO2 48

2.3.1 Nguồn chiếu xạ 48

2.3.2 Thiết bị đo nhiệt phát quang 48

2.4 Phân tích đường cong TL của LiAlO 2 bằng phương pháp giải chập 49

2.5 Tiểu kết chương 2 51

iii

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU

LiAlO 2 53

3.1 Kết quả chế tạo và khảo sát đặc trưng cấu trúc của vật liệu LiAlO 2 53

3.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết và giá trị pH đến cấu trúc pha của mẫu được chế tạo 53

3.1.2 Kết quả đo phổ nhiễu xạ tia X 55

3.1.3 Kết quả đo kính hiển vi điện tử quét 59

3.2 Kết quả nghiên cứu khảo sát đặc tính đo liều của vật liệu γ-LiAlOLiAlO 2 60

3.2.1 Phông và giới hạn phát hiện của LiAlO 2 60

3.2.2 Độ đồng đều của vật liệu LiAlO2 sau khi được chế tạo 61

3.2.3 Độ tuyến tính 62

3.2.4 Độ nhạy tín hiệu nhiệt phát quang của LiAlO 2 63

3.2.5 Nghiên cứu, khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu LiAlO 2 65

3.2.6 Đáp ứng liều của vật liệu LiAlO 2 65

3.2.7 Độ suy giảm tín hiệu TL sau khi chiếu xạ 68

3.3 Nghiên cứu, khảo sát đường cong TL và các tham số bẫy của vật liệu LiAlO 2 72

3.3.1 Dạng đường cong ứng với các loại bức xạ khác nhau 72

3.3.2 Nghiên cứu khảo sát tín hiệu TL của vật liệu LiAlO2 khi thay đổi tốc độ gia nhiệt 74

3.4 Phân tích đường cong TL của LiAlO 2 bằng phương pháp giải chập 79

3.4.1 Đường cong TL mô phỏng được so sánh với đường cong thực nghiệm của vật liệu LiAlO2 được chế tạo bằng phương pháp sol-LiAlOgel 80

3.4.2 Đường cong TL mô phỏng được so sánh với đường cong thực nghiệm của vật liệu LiAlO2 được chế tạo bằng phương pháp sol-LiAlOgel kết hợp với EDTA 84

3.5 Tiểu kết chương 3 87

Chương 4 ÁP DỤNG MẠNG NƠRON NHÂN TẠO ĐỂ NHẬN DẠNG, ĐÁNH GIÁ LIỀU CỦA VẬT LIỆU LiAlO 2 90

4.1 Giới thiệu mạng nơron nhân tạo 90

4.1.1 Khái niệm mạng nơron nhân tạo 90

4.1.2 Phân loại mạng nơron nhân tạo 90

4.1.3 Mô hình mạng nhiều lớp 93

4.1.4 Quá trình học của mạng nơron 93

iv

4.1.5 Thuật toán lan truyền ngược 95

4.2 Xây dựng cấu trúc mô hình mạng 96

4.3 Xây dựng cơ sở dữ liệu dùng cho việc huấn luyện mạng 97

4.4 Quá trình huấn luyện 98

4.5 Kết quả áp dụng mạng nơron nhân tạo để nhận dạng, đánh giá liều của vật liệu LiAlO 2 100

4.5.1 Kết quả áp dụng ANN để nhận dạng, đánh giá liều của vật liệu LiAlO 2 sau 52 lần học 100

4.5.2 Kết quả áp dụng ANN để nhận dạng, đánh giá liều của vật liệu LiAlO 2 sau 109 lần học 102

4.5.3 Viết chương trình thu thập, tính toán dữ liệu, ứng dụng mạng nơron 105 4.6 Tiểu kết chương 4 109

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 110

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115

PHỤ LỤC 1 123

PHỤ LỤC 2 128

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

ANN Artificial Neural Network Mạng nơron nhân tạo

EDTA Etylen Diamin Tetra Acetic Hợp chất hóa học EDTA

International Commission on Ủy ban quốc tế về An toàn bức

Radiation Protection

ICRU International Commission on

Ủy ban quốc tế về đơn vị và đo lường bức xạ

Radiation Units and Measurements

MLP Multilayer perceptron Mạng truyền thẳng nhiều lớpOSL Optical Stimulated Luminesence Phát quang cưỡng bức quang

SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét

TLD Thermo-Luminescence Detector Đầu dò nhiệt phát quang

TSC Thermal Stimulated Conductivity Độ dẫn điện cưỡng bức nhiệt

TSL Thermally Stimulated Phát quang cưỡng bức nhiệt

Luminescence

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

1.1 Giá trị trọng số bức xạ (wR) của một số loại bức xạ ion 12

hóa có năng lượng khác nhau

1.2 Giá trị trọng số mô wT được ICRP khuyến cáo 13

1.4 Đặc tính đo liều của một số vật liệu nhiệt phát quang 393.1 Cấu trúc pha của vật liệu bị ảnh hưởng bởi việc điều 53

chỉnh giá trị pH khi được thiêu kết ở nhiệt độ 600 0C

3.2 Cấu trúc pha của vật liệu bị ảnh hưởng bởi việc điều 54

chỉnh giá trị pH khi được thiêu kết ở nhiệt độ 800 0C

3.3 Cấu trúc pha của vật liệu bị ảnh hưởng bởi việc điều 54

chỉnh giá trị pH khi được thiêu kết ở nhiệt độ 900 0C

3.4 Dữ liệu cấu trúc của vật liệu γ- LiAlO2 sau khi được chế 59

tạo

3.5 Giá trị phông và giới hạn phát hiện của LiAlO2 60

3.7 Đánh giá độ tuyến tính đo liều của LiAlO2 63

3.8 Kết quả kiểm tra khả năng tái sử dụng của vật liệu 65

LiAlO2 được chế tạo bằng phương pháp sol-gel kết hợp

với EDTA sau khi được chiếu bức xạ gamma 4mGy

3.9 Suy giảm tín hiệu TL của một số vật liệu khác nhau sử 71

dụng trong đo liều bức xạ và vật liệu do chúng tôi chế

tạo

3.10 Dịch chuyển đỉnh phổ TL của LiAlO2 theo tốc độ gia 74

nhiệt

3.11 Các tham số bẫy xác định bằng phương pháp dạng đỉnh 77

của LiAlO2 được chiếu xạ gamma 0,3 Gy với tốc độ gia

nhiệt 5 0C/s

vii

3.12 Các tham số bẫy xác định bằng phương pháp dạng đỉnh của 77

LiAlO 2 được chiếu xạ beta 30 phút với tốc độ gia nhiệt 10

0

C/s

3.13 Các tham số động học tính bằng phương pháp vị trí 78

đỉnh của LiAlO2 được chiếu xạ chiếu xạ gamma 0,3 Gy

với tốc độ gia nhiệt 5 0C/s

3.16 Các tham số bẫy của LiAlO2 được chế tạo bằng sol-gel 85

với EDTA chiếu bức xạ gamma 0,3 Gy

4.1 Bảng tóm tắt kết quả tính toán của mạng nơron sau 52 101

lần học

4.2 Bảng tóm tắt kết quả tính toán của mạng nơron sau 109 104

lần học

P2.1 Bảng kết quả tính toán của mạng nơron sau 52 lần học 128

P2.2 Bảng kết quả tính toán của mạng nơron sau 109 lần 131

học

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

83

1.3 Sơ đồ phân rã của 27 Co và 137

1.6 Hiệu ứng tạo và hủy cặp điện tử - positron 8

1.7 Mô hình minh họa cấu trúc vùng năng lượng và các quá trình 17

dịch chuyển của các phần tử hạt tải (điện tử, lỗ trống) của hiện

tượng nhiệt phát quang

1.8 Các chuyển dời cho phép của mô hình đơn giản một tâm 18

một bẫy cho quá trình TL

1.10 Các thành phần của liều kế nhiệt phát quang-TLD 29

1.12 Sơ đồ khối của việc tạo ra tritium trong một lò nhiệt hạch 321.13 Quá trình phát xạ photon của một chất điện môi hoặc chất 33

bán dẫn

1.14 Sơ đồ ảnh hưởng của các chất kích hoạt đến sự phát xạ ánh 34

sáng

1.15 Giản đồ XRD của gel được chế tạo từ lithium butoxide và 37

aluminum butoxide được thiêu kết ở (a) 105 °C, (b) 250 °C,

(c) 400 °C, (d) 650 °C, (e) 750 °C, (f) 850 °C và (g) 1000

°C

ix

2.1 Một số hình ảnh thiết bị chính dùng trong chế tạo LiAlO2 42

2.2 Sơ đồ chế tạo vật liệu LiAlO2 bằng phương pháp sol-gel 43

2.3 Sơ đồ quy trình tổng hợp LiAlO2 bằng phương pháp phản 44ứng pha rắn

2.4 Sơ đồ quy trình tổng hợp LiAlO2 bằng phương pháp sol-gel 44với EDTA

2.5 Hình ảnh và cấu tạo của thiết bị nhiễu xạ tia X (XRD) 462.6 Hình ảnh và nguyên lý của kính hiển vi điện tử quét (SEM) 47

2.9 Hình ảnh của thiết bị đọc liều Harshaw 3500 và Harshaw 484000

Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu được chế tạo bằng

3.1 phương pháp sol-gel nung ở nhiệt độ: (a) 600

0C; (b) 800 0C

56and (c) 900 0C

Giản đồ nhiễu xạ tia X của LiAlO2 được chế tạo bằng

3.2 phương pháp pha rắn ở nhiệt độ nung (a) 900

0C, (b) 1000 0C

57được so sánh với kết quả chế tạo bằng phương pháp sol-gel

R.A Ribeiro và cộng sự [99]: (a) 5500C; (b) 7500C; (c)

9500C; (d) 11500C (x) a-LiAlO2, (+) η-Al2O3, (□) γ-LiAlO2,

(∆) LiAl5O8, (o) NaCl.

3.5 Hình ảnh SEM của vật liệu LiAlO2 chế tạo bằng phương 59pháp sol-gel nung ở các nhiệt độ khác nhau: (a) 600 0C; (b)

800 0C and (c) 900 0C

x

3.6 Hình ảnh SEM của γ-LiAlO2 được chế tạo bằng phương 59

pháp sol-gel được nung ở 900 0C (a), và hình ảnh của

γ-LiAlO2 được chế tạo bằng phương pháp pha rắn được nung

ở 900 0C (b) và 1000 0C (c)

3.7 Hình ảnh SEM của vật liệu được chế tạo bằng phương pháp

sol-gel kết hợp với EDTA được nung ở nhiệt độ khác nhau:

60(a) 600 0C, (b) 800 0C, (c) 900 0C và (d) 1000 0C

3.8 Hình ảnh SEM của γ-LiAlO2 được chế tạo bằng ba phương 60

pháp sau khi thiêu kết ở nhiệt độ 900 0C

3.9 Kết quả của 5 mẫu đo liều TL kiểm tra độ đồng đều của 61

lô vật liệu LiAlO2 được chế tạo bằng phương pháp

sol-gel kết hợp với EDTA được chiếu bức xạ gamma 4 mGy

ở tốc độ gia nhiệt 5 0C/s

3.10 Đồ thị khảo sát độ tuyến tính của LiAlO2 trong dải liều 4- 63

40mGy

3.11 Kết quả khảo sát độ nhạy TL của vật liệu LiAlO2 64

3.12 Đáp ứng liều gamma của vật liệu LiAlO2 được chế tạo 66

bằng phương pháp sol-gel

3.13 Đáp ứng liều chiếu beta của vật liệu LiAlO2 được chế tạo 66

bằng phương pháp sol-gel kết hợp với EDTA

3.14 Đáp ứng liều chiếu beta của vật liệu LiAlO2 được chế tạo 67

bằng phương pháp sol-gel

3.15 Đáp ứng liều chiếu beta của vật liệu LiAlO2 được chế tạo 68

bằng phương pháp sol-gel kết hợp với EDTA

3.16 Độ suy giảm tín hiệu nhiệt phát quang theo thời gian của 69

LiAlO2 được chế tạo bằng phương pháp sol-gel

xi

3.17 Độ suy giảm tín hiệu nhiệt phát quang theo thời gian của 70LiAlO2 được chế tạo bằng phương pháp sol-gel kết hợp

chiếu xạ beta (90Sr); 2-chiếu xạ gamma (137Cs) Trên cùng

chế độ thí nghiệm ở tốc độ gia nhiệt 5 0C/s

3.20 Tín hiệu TL của vật liệu γ-LiAlO2 chế tạo bằng phương 73pháp sol-gel kết hợp với EDTA được chiếu các nguồn bức

xạ khác nhau: 1-chiếu xạ beta (90Sr); 2-chiếu xạ gamma

(137Cs) Trên cùng chế độ thí nghiệm ở tốc độ gia nhiệt 5

0C/s

3.21 Đường cong nhiệt phát quang tích phân của LiAlO2 với 74tốc độ gia nhiệt khác nhau

3.22 Cường độ TL của LiAlO2 với tốc độ gia nhiệt khác nhau 75

3.23 Xác định E và s từ giản đồ tương quan giữa ln(Tm2/β) và) và 761/kTm của đỉnh đo liều

3.24 Làm khớp hàm theo động học bậc 1 của LiAlO2 với 8 đỉnh 80sau khi mẫu được chiếu gamma 0,3 Gy với tốc độ gia nhiệt

3.27 Ảnh hưởng của năng lượng kích hoạt E đến đường cong 82

nhiệt phát quang tích phân bằng phương pháp giải chập

3.28 Ảnh hưởng của bậc động học b đến đường cong nhiệt phát 83

quang tích phân bằng phương pháp giải chập

3.29 Làm khớp hàm theo động học bậc 1 của LiAlO2 với 6 đỉnh 84

sau khi mẫu được chiếu gamma 0,3 Gy với tốc độ gia nhiệt

5 0C/s

3.30 Làm khớp hàm theo động học bậc 2 của LiAlO2 với 6 đỉnh 84

sau khi mẫu được chiếu gamma 0,3 Gy với tốc độ gia nhiệt

5 0C/s

3.31 Làm khớp hàm theo động học bậc tổng quát của LiAlO2 85

với 6 đỉnh sau khi mẫu được chiếu gamma 0,3 Gy với tốc

độ gia nhiệt 5 0C/s

3.32 Ảnh hưởng của năng lượng kích hoạt E đến đường cong 86

nhiệt phát quang tích phân bằng phương pháp giải chập

3.33 Ảnh hưởng của bậc động học b đến đường cong nhiệt phát 87

quang tích phân bằng phương pháp giải chập

4.5 Sơ đồ mô hình ứng dụng nhận dạng, đánh giá cho vật liệu 97

LiAlO2

4.6 Sơ đồ mô hình mạng nhiều lớp ứng dụng nhận dạng đánh 97

giá cho vật liệu LiAlO2

4.8 Sơ đồ nghiên cứu, phân tích, nhận dạng, và xử lý kết quả 99

dùng mạng nơron

4.10 Đường thay đổi giá trị gradient, sai số Mu (sau 52 lần học) 100

xiii

4.11 Đường thay đổi giá trị sai số MSE thực theo số lần học (sau 100

4.19 Giao diện chương trình C# sau khi áp dụng mạng nơron để 108nhận dạng và đánh giá liều của vật liệu LiAlO2

xiv

MỞ ĐẦU

Đo liều bức xạ trong các lĩnh vực vật lý, y tế và an toàn bức xạ là các phép

đo, tính toán và đánh giá liều bức xạ ion hóa được hấp thụ bởi một vật thể,thường là cơ thể con người Điều này áp dụng cho cả xác định liều chuẩn trong

cơ thể (do nuốt hoặc hít phải các chất phóng xạ) hoặc liều chuẩn ngoài do phơinhiễm bởi các nguồn bức xạ Đánh giá, đo liều chuẩn trong dựa trên một số kỹthuật như giám sát, xét nghiệm sinh học hoặc chụp ảnh bức xạ, trong khi đo liềuchuẩn ngoài dựa trên các phép đo bằng liều kế hoặc suy ra từ các phép đo đượcthực hiện bởi các thiết bị an toàn bức xạ khác Phép đo liều bức xạ đã được ứngdụng rộng rãi trong lĩnh vực đo liều cá nhân, đo liều môi trường và nghiên cứuvật liệu Đây là phương pháp tin cậy để đánh giá liều bức xạ tích lũy theo thờigian đối với các nhân viên làm việc tiếp xúc với bức xạ Ngày càng có nhiều cơ

sở y tế ứng dụng các thiết bị phát bức xạ và nguồn phóng xạ trong chẩn đoán vàđiều trị, chiếu xạ cộng hưởng nên nhu cầu liều kế có độ nhạy cao và tin cậy làhết sức cần thiết Có nhiều loại liều kế nhiệt phát quang đã được nghiên cứu chếtạo như CaSO4: Dy; LiF: Mg, Ti; LiF: Mg, Cu, P; Li2B4O7: Cu; Al2O3:C…, đây

là các liều kế thông dụng trong đo liều photon

Về tính chất nhiệt phát quang, các hợp chất chứa lithium có cường độ nhiệtphát quang cao, trong đó có vật liệu LiAlO2 Vật liệu này đã được nghiên cứu vàứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như trong ghi đo bức xạ và trong đoliều bức xạ Việc nghiên cứu và phát triển vật liệu mới này dùng trong đo liềuphoton rất có tiềm năng trong thực tế Trong nước đã có những nghiên cứu chếtạo vật liệu nhiệt phát quang ứng dụng trong đo liều như Li2B4O7:Cu; LiF: Mg,

liều kế bức xạ, liều kế phải có ít nhất một tính chất vật lý là hàm của đại lượngđược đo và có thể được sử dụng để đo liều bức xạ với sự hiệu chuẩn phù hợp.Liều kế bức xạ phải thể hiện một số tính chất như độ chính xác, ngưỡng ghinhận, đáp ứng liều tuyến tính, độ suy giảm, khả năng tái sử dụng… Không phảitất cả các liều kế đều có thể đáp ứng các yêu cầu về độ nhạy, độ bền, độ tươngđương mô, dải liều tuyến tính…nên mặc dù đã có nhiều loại liều kế khác nhaunhưng hiện nay các vật liệu làm liều kế vẫn thu hút được sự quan tâm của nhiềunhóm nghiên cứu Trên thế giới cũng đã có một số tác giả nghiên cứu về vật liệu

để đo liều photon” là có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

1

Xuất phát từ những yêu cầu trên, luận án tập trung vào ba mục tiêu chínhsau:

1 Nghiên cứu phương pháp chế tạo vật liệu LiAlO2 đơn pha gamma

2 Nghiên cứu, khảo sát đặc trưng cấu trúc hình thái học của vật liệu LiAlO2 sau khi được chế tạo

3 Nghiên cứu, khảo sát một số đặc tính đo liều của vật liệu γ-LiAlO2 khi

được chiếu bức xạ gamma, beta

Trong luận án này, vật liệu LiAlO2 sau khi được chế tạo bằng ba phươngpháp tổng hợp khác nhau được khảo sát đặc trưng cấu trúc hình thái học bằngcác kỹ thuật điển hình nhiễu xạ tia X (XRD) và kính hiển vi điện tử quét (SEM).Vật liệu sau khi được chiếu bức xạ gamma, beta được tiến hành đo tín hiệu nhiệtphát quang trên thiết bị đọc liều Harshaw Bằng việc sử dụng các phương phápphân tích, phương pháp làm khớp, các mô hình động học một số kết quả đặc tính

đo liều, các tham số bẫy đã được nghiên cứu và báo cáo Ngoài ra, luận án đãbước đầu xây dựng mạng nơron nhân tạo để nhận dạng, đánh giá liều của vật liệuLiAlO2 cũng được nghiên cứu và trình bày trong luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, nội dung chính củaluận án được trình bày trong 4 chương như sau:

Chương 1 nghiên cứu tổng quan trình bày tương tác của bức xạ với vậtchất, các đại lượng, đơn vị và phương pháp đo liều bức xạ, và tổng quan vềvật liệu LiAlO2

Chương 2 trình bày phương pháp nghiên cứu và chế tạo vật liệu LiAlO2;phương pháp khảo sát đặc trưng cấu trúc hình thái học của LiAlO2 bằng kỹthuật nhiễu xạ tia X (XRD) và kính hiển vi điện tử quét (SEM); phương phápnghiên cứu, khảo sát đặc tính đo liều của vật liệu LiAlO2; khảo sát các tham

số động học của LiAlO2 bằng các phương pháp khác nhau; xây dựng chươngtrình phân tích đường cong nhiệt phát quang tích phân của LiAlO2 bằngphương pháp giải chập

Chương 3 trình bày kết quả chế tạo và khảo sát đặc trưng cấu trúc hìnhthái học của vật liệu LiAlO2; kết quả đặc tính đo liều của vật liệu LiAlO2;Chương 4: Bước đầu xây dựng và áp dụng mạng nơ ron nhân tạo để nhậndạng, đánh giá liều và xác định các tham số động học của vật liệu LiAO2 saukhi được chế tạo

2

Chương 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Tương tác của bức xạ với vật chất

1.1.1 Sự ion hóa trực tiếp và gián tiếp

Bức xạ ion hóa là các loại bức xạ có khả năng gây nên hiện tượng ionhoá các nguyên tử, phân tử khi tương tác với môi trường vật chất Các loạibức xạ ion hoá chủ yếu bao gồm: các hạt mang điện như alpha, beta (electron

và positron), proton, các ion nặng, các bức xạ điện từ (tia X, tia gamma, tiacực tím), hạt nơtron, các hạt cơ bản, Bức xạ ion hoá có hai loại: ion hóatrực tiếp và ion hóa gián tiếp:

Ion hóa trực tiếp: Bức xạ ion hoá trực tiếp là loại bức xạ được tạo thành

từ các hạt mang điện có động năng đủ lớn để có thể gây nên hiệu ứng ion hoá(bứt electron ra khỏi vỏ nguyên tử)

Ion hóa gián tiếp: Bức xạ ion hoá gián tiếp là loại bức xạ gồm những

thành phần không có điện tích (bức xạ điện từ, nơtron) nhưng khi tương tácvới môi trường chúng có thể làm sinh ra bức xạ ion hoá trực tiếp

Các bức xạ ion hóa có nguồn gốc từ tự nhiên và nhân tạo Các bức xạ ionhóa tự nhiên sinh ra từ các hạt nhân phóng xạ có nguồn gốc ở trái đất (cácnhóm U, Th, K, ), và các tia vũ trụ Các bức xạ ion hóa nhân tạo sinh ra từcác máy gia tốc hạt, lò phản ứng hạt nhân, các nguồn phóng xạ, ống phóng tia

X, các vụ nổ hạt nhân, Khi tương tác với cơ thể sống, bức xạ ion hóa gây ranhững thay đổi về cấu trúc các mô cơ thể (cả về hóa học, vật lý, và sinh học)

Ở một cấp độ tác động lớn, nó có thể gây ra tổn thương cho các mô cơ thểsống gây ra các bệnh về phóng xạ, thậm chí có thể dẫn đến tử vong Mỗi loạibức xạ ion hóa khác nhau thì có khả năng ion hóa khác nhau và mức độ đâmxuyên cũng khác nhau

Quá trình ion hóa đầu tiên trong vật chất gọi là sự ion hóa sơ cấp Cácđiện tử được tạo ra trong quá trình ion hóa sơ cấp tiếp tục gây ion hóa cácnguyên tử khác trong vật chất Quá trình này được gọi là quá trình ion thứcấp Một sự ion hóa sơ cấp đơn lẻ có thể gây ra rất nhiều sự kiện ion hóa thứcấp và kích thích

Sự kích thích: Khi bức xạ tương tác với nguyên tử, năng lượng của nó

truyền cho nguyên tử đủ để nó dịch chuyển đến một trạng thái kích thích (trạng

3

thái với mức năng lượng cao hơn nhưng không đủ năng lượng để bứt điện tử

ra khỏi nguyên tử) Khi trở về trạng thái cơ bản nó sẽ phát ra bức xạ điện từ

1.1.2 Tương tác của bức xạ ion hóa với vật chất

1.1.2.1 Tương tác của hạt alpha với vật chất

Phân rã alpha là hi ện tượ ng h ạ t nhânAZ X t ự độ ng phát ra h ạ t nhân tr ở thành h ạ t nhân conAZ− 4Y được mô tả theo

phương trình sau:

A A → 4 He + A 4 Y Hình 1.1 mô tả phân rã của 212

1.1.2.2 Tương tác của hạt beta với vật chất

Phân rã beta là hiện tượng hạt nhân tự động phát ra các electron,positron Sau khi phân rã, hạt nhân mẹ không thay đổi số khối A, nhưng điệntích Z thay đổi một đơn vị Có ba loại phân rã beta

Phân rã -: Phân rã - là hi ện tượ ng h ạ t nhân phát ra m ộ t electron (e-), m ộ t ph ả n h ạ t antineutrino (

4

biến đổi thành một nơtron Do đó, điện tích của hạt nhân con giảm đi một đơn

vị như phương trình sau:

A X → A Y + e + + υ

Z Z−1

Hi ện tượ ng chi ế m điện tử (hay chi ế m K): Ngoài hai quá trình nêu trên,

trong phân rã beta còn có hiện tượng một proton trong hạt nhân tương tác với

một điện tử của vỏ điện tử (thường là điện tử ở lớp vỏ K) phát ra neutrino.Quá trình này rất đặc biệt, vì không có điện tử hay positron bay ra Điện tích

hạt nhân giảm một đơn vị trong hiện tượng chiếm K như phương trình sau:

− + A

Z X→ Z−A1 Y+υ

Hình 1.2 mô tả phân rã của 64 Cu

Hình 1.2: Sơ đồ phân rã của 6429

Chùm beta (β) và) là chùm các hạt mang điện (±1), có khả năng ion hóa trựctiếp, khả năng đâm xuyên kém Có thể che chắn chúng bằng một lớp mỏngcác vật liệu nhẹ (nhôm) Chùm beta có nhiều ứng dụng trong y tế (xạ trị),trong công nghiệp (khử trùng thực phẩm), xử lý môi trường Các hạt beta cónăng lượng cao có thể di chuyển tới gần hạt nhân mang điện của vật chất có

số Z lớn Chúng sẽ chịu một lực hút làm lệch phương chuyển động và bị mấtmột phần năng lượng Phần năng lượng đó thể hiện các tia X được phát ra.Loại bức xạ này gọi là bức xạ hãm (bremsstrahlung)

1.1.2.3 Tương tác của tia gamma và tia X với vật chất

trạng thái kích thích thấp hơn, bằng cách phát ra bức xạ điện từ có bước sóng

5

ngắn gọi là tia gamma Trong quá trình này, hạt nhân không thay đổi số khối A

không có khối lượng), khả năng ion hóa được xem là kém so với các hạt mang

điện, nhưng có khả năng đâm xuyên lớn, tùy thuộc vào năng lượng của chúng

Do đó cần phải che chắn bằng vật liệu có mật độ lớn và bề dày nhất định Bức xạ

tia X và gamma có nhiều ứng dụng trong y tế (chẩn đoán hình ảnh, xạ trị), công

nghiệp (khử trùng), nông nghiệp (đột biến gen), …Tia X và tia gamma có bản

chất tương tác giống nhau (chỉ có nguồn gốc sinh ra chúng khác nhau) nên để

thuận tiện, ở đây trình bày tương tác của gamma với vật chất Do có khả năng

đâm xuyên cao nên tia gamma di chuyển một khoảng cách khá dài trong quá

trình tương tác với vật chất và khi đó có thể xảy ra ba hiệu ứng chính gồm:

Hiệu ứng quang điện: Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác của

bức xạ gamma với điện tử nào đó gắn với nguyên tử, suốt quá trình đó năng

lượng toàn phần của bức xạ gamma được truyền cho điện tử Kết quả của

tương tác này là điện tử đó bị bứt khỏi nguyên tử với động năng:

E e = E γ − E i

trong đó E là năng lượng của tia gamma, Ei là năng lượng liên kết của

điện tử ở lớp thứ i (ở đây bỏ qua động năng giật lùi Tat của nguyên tử, vì Tat

nhỏ hơn nhiều so với Ee và Ei).

6

Hình 1.4: Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng tán xạ compton: Khi năng lượng gamma đạt đến giá trị lớnhơn nhiều so với năng lượng liên kết của các điện tử lớp K trong nguyên tửthì vai trò của hiệu ứng quang điện giảm dần, và hiệu ứng Compton xuất hiện.Khi đó có thể bỏ qua năng lượng liên kết của điện tử so với năng lượnggamma, và tán xạ gamma lên điện tử có thể coi như tán xạ với điện tử tự do.Tán xạ này được gọi là tán xạ Compton, là tán xạ đàn hồi của các tia gammatới với các điện tử (chủ yếu là các điện tử ở quỹ đạo ngoài của nguyên tử).Sau tán xạ, bức xạ gamma thay đổi phương bay và bị mất một phần nănglượng, còn điện tử giải phóng ra khỏi nguyên tử

Hình 1.5: Hiệu ứng compton

Hiệu ứng tạo cặp: Nếu gamma tới có năng lượng lớn hơn hai lần nănglượng nghỉ của điện tử (2mec2 = 1,022 MeV), khi đi qua điện trường của hạtnhân nó tạo ra cặp điện tử - positron; đó là hiệu ứng tạo cặp điện tử - positron

trình tạo cặp xảy ra gần hạt nhân, do động năng chuyển động giật lùi của hạt

7

nhân rất nhỏ nên phần năng lượng còn dư biến thành động năng của điện tử vàpositron Quá trình tạo cặp cũng có thể xảy ra gần điện tử nhưng xác suất nhỏ

so với quá trình tạo cặp gần hạt nhân khoảng 1000 lần Như vậy hiệu ứng tạo

c p chỉ xảy ra khi năng lượng E của gamma tới lớn hơn 1,022 MeV Hiệu sốnăng lượng E – 2mec2 bằng tổng động năng (Ee-) của điện tử và động năng(Ee+) của positron bay ra Do khối lượng của hai hạt này giống nhau nên xác

suất để hai hạt có năng lượng bằng nhau là lớn Điện tử mất dần năng lượng

của mình để ion hóa các nguyên tử môi trường Positron mang điện tíchdương nên khi gặp điện tử của nguyên tử, điện tích của chúng bị trung hoà và

hủy lẫn nhau, gọi là hiện tượng hủy điện tử - positron Khi hủy điện tử positron, hai bức xạ gamma sinh ra bay ngược chiều nhau, mỗi lượng tử cónăng lượng bằng 0,511 MeV, tức là năng lượng tổng cộng của chúng bằng

-tổng khối lượng hai điện tử và positron, và bằng 1,022 MeV

Hình 1.6: Hiệu ứng tạo và hủy cặp điện tử - positron

1.1.2.4 Tương tác của notron với vật chất

Bức xạ nơtron là bức xạ ion hóa gián tiếp (không mang điện), có khốilượng lớn và khả năng đâm xuyên rất mạnh Nơtron được che chắn bằng các vậtliệu nhẹ nhiều hydro như nước, parafin, polyetylen Chùm nơtron có nhiều ứngdụng trong công nghiệp và trong y tế, cùng nhiều ngành nghề khác Nơtron sinh

ra từ sự phân hạch hạt nhân hoặc phản ứng hạt nhân Ban đầu là các nơtronnhanh với năng lượng E > 100 keV Các nơtron nhanh sau đó bị làm chậm do vachạm với các hạt nhân nguyên tử chất làm chậm để tạo thành nơtron trung gian

và nơtron nhiệt Các nơtron tương tác với vật chất thông qua ba hiệu ứng:

8

tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi và bắt nơtron Tán xạ đàn hồi và tán xạkhông đàn hồi dẫn đến làm chậm notron nhanh và nơtron trung gian Sự bắtnơtron chỉ xảy ra đối với nơtron nhiệt dẫn đến phản ứng hạt nhân.

1.2 Các đại lượng, đơn vị và phương pháp đo liều bức xạ

1.2.1 Các đại lượng và đơn vị trong đo liều bức xạ

Mục đích của phép đo liều bức xạ là xác định năng lượng đã bị hấp thụtrong vật chất dưới tác dụng của bức xạ ion hóa Các bức xạ ion hóa bao gồmalpha, beta, tia X, tia gamma và nơtron Cơ chế và hiệu suất hấp thụ phụ thuộcvào loại và năng lượng của bức xạ cũng như thành phần của chất hấp thụ Đặcbiệt khi bị chiếu bức xạ, hiệu ứng sinh học xảy ra đối với các tổ chức tế bàocủa cơ thể sống khác nhau là khác nhau và hoàn toàn phụ thuộc vào loại bức

xạ Ảnh hưởng của bức xạ ion hóa được đánh giá thông qua liều lượng bức xạ

mà cơ thể sống phải nhận trong các hoạt động lao động-sản xuất cũng nhưsinh hoạt hàng ngày Một hệ thống các đơn vị và các tiêu chuẩn được xâydựng để đánh giá các hiệu ứng sinh học khác nhau ứng với các loại bức xạkhác nhau Các đại lượng và đơn vị này được Ủy ban quốc về đơn vị và đolường bức xạ (ICRU) và Ủy ban quốc tế về An toàn bức xạ (ICRP) chấp nhận

và đang được sử dụng rộng rãi bao gồm các đại lượng sau:

trong đó, dN là số hạt nhân bị phân rã trong khoảng thời gian dt; A(t) là hoạt

độ phóng xạ tại thời điểm t; λ là hằng số phân rã Theo hệ đơn vị quốc tế SIthì hoạt độ phóng xạ được tính là Becquerel (Bq) Ngoài ra, còn có đơn vị tính

là Curi (Ci): 1 Ci = 3,7.1010 Bq

9

1.2.1.2 Liều hấp thụ (D) và Suất liều hấp thụ (Ḋ)

Liều hấp thụ là đại lượng biểu diễn lượng năng lượng của bức xạ đã hấpthụ bởi một đơn vị khối lượng của chất bị chiếu xạ, được định nghĩa bằng tỷsố:

=

Ԑ

trong đó, dԐ là năng lượng trung bình mà bức xạ ion hóa truyền cho vật chấttrong một thể tích nguyên tố và dm là khối lượng vật chất của thể tích đó.Đơn vị liều hấp thụ trong hệ SI là Gray (kí hiệu là Gy) Một Gy bằng nănglượng 1 June truyền cho 1kg vật chất Đơn vị cũ của liều hấp thụ là rad:

1Gy = 1J/kg = 100 radSuất liều hấp thụ được định nghĩa bằng tỷ số:

Cần phân biệt sự khác nhau cơ bản giữa hai khái niệm Kerma và liều hấpthụ Trong khi liều hấp thụ bức xạ là năng lượng của bức xạ ion hóa bất kỳ đượchấp thụ trong một đơn vị khối lượng của chất bị chiếu xạ thì Kerma chỉ là độngnăng được giải phóng bởi bức xạ ion hóa gián tiếp trong một đơn vị khối lượngcủa chất bị chiếu xạ và một phần của động năng này có thể được truyền ra bênngoài rồi bị hấp thụ ở bên ngoài giới hạn của đơn vị khối lượng đó Đối với bức

xạ lượng tử, khi các điều kiện đảm bảo trạng thái cân bằng điện tử được thoảmãn thì hai đại lượng Kerma và liều hấp thụ D có giá trị bằng nhau Trạng tháicân bằng điện tử là trạng thái khi tương tác của bức xạ với môi

10

trường mà năng lượng bức xạ bị hấp thụ trong một thể tích nào đó của môitrường bằng tổng động năng của các hạt mang điện được sinh ra do tương táccủa bức xạ với khối vật chất có bên trong thể tích đó.

1.2.1.4 Tương đương liều cá nhân

Tương đương liều cá nhân Hp(d), là tương đương liều trong mô mềmnằm dưới một điểm xác định của cơ thể người tại độ sâu thích hợp d Đối vớibức xạ xâm nhập yếu d = 0,07 mm được khuyến cáo để kiểm soát liều da,Hp(d) được viết thành Hp(0,07) và d = 3 mm để kiểm soát liều thủy tinh thểcủa mắt, Hp(d) được viết thành Hp(3) Độ sâu d = 10 mm được khuyến cáođối với bức xạ xâm nhập mạnh, và Hp(d) được viết thành Hp (10) Trong lĩnhvực đo liều cá nhân Hp(10) được coi như liều hiệu dụng toàn thân Hp(d) cóthể được đo bằng một liều kế đeo trên bề mặt cơ thể và được bao phủ bằng vậtliệu tương đương mô có độ dày thích hợp

1.2.1.5 Liều chiếu và suất liều chiếu

Liều chiếu (exposure dose) áp dụng cho bức xạ gamma và tia X, môitrường chiếu xạ là không khí Liều chiếu ký hiệu là X, được xác định theocông thức:

X =

dQ

dmtrong đó, dm là khối lượng không khí mà bức xạ gamma hoặc chùm tia X bịhấp thụ hoàn toàn để tạo ra tổng các điện tích cùng dấu là dQ

Đơn vị đo liều chiếu, trong hệ đo lường SI là Coulomb trong một đơn vịkhối lượng không khí tính bằng kg (C/kg) và được định nghĩa là: “Số ioncùng dấu được tạo ra khi bức xạ gamma hoặc tia X bị dừng lại hoàn toàntrong 1 kilogam không khí ở điều kiện tiêu chuẩn” [1-3]

Đơn vị đo liều chiếu ngoài hệ đo SI là Rơnghen (R) và 1 R = 2,58.10-4C/kg

Suất liều chiếu là liều chiếu trong một đơn vị thời gian Suất liều chiếu,

ký hiệu là X*, được xác định theo công thức sau:

X ∗ =

dX

dttrong đó dX là liều chiếu trong thời gian dt

Trong hệ SI, đơn vị đo suất liều chiếu là C/kg.s, ngoài hệ đo lường SIđơn vị đo suất liều chiếu thường là R/h và ước số là mR/h hoặc μR/h.R/h

11

1.2.1.6 Liều tương đương (H) và suất liều tương đương:

Các loại bức xạ khác nhau có điện tích cũng như số khối khác nhau nênkhả năng ion hóa của chúng cũng khác nhau Liều tương đương đối với môhoặc cơ quan được định nghĩa là tích của liều hấp thụ trong mô hoặc cơ quannhân với trọng số bức xạ:

(1.14)trong đó, H là liều tương đương (Sv=J/kg), D là liều hấp thụ và wR là trọng

số bức xạ, trọng số bức xạ đặc trưng sức mạnh ion hóa cho từng loại bức xạ

khác nhau Về mặt vật lý, đơn vị đo liều tương đương cũng là J/kg vì wR chỉ

là một hệ số so sánh khả năng ion hóa của các loại bức xạ khác nhau nhưngtích số của liều hấp thụ và wR được đổi tên gọi là Sievert, viết tắt là Sv Bảng1.1 trình bày giá trị trọng số bức xạ của các loại bức xạ khác nhau [2, 4, 5]

Bảng 1.1 Giá trị trọng số bức xạ (wR) của một số loại bức xạ ion hóa

có năng lượng khác nhau [2, 4, 5]

Khi mô hoặc cơ quan chịu nhiều loại bức xạ thì liều tương đương bằng

tổng các liều tương đương thành phần theo công thức:

1.2.1.7 Liều hiệu dụng (E) và suất liều hiệu dụng

Khái niệm liều hiệu dụng áp dụng để đặc trưng cho mức mẫn cảm khácnhau của các mô khác nhau trong cơ thể đối với cùng một liều tương đương.Liều hiệu dụng được định nghĩa là tích số của liều tương đương và trọng số mô:

(1.16)trong đó, E là liều hiệu dụng (Sv = J/kg), H là liều tương đương và wT làtrọng số mô Liều hiệu dụng cũng được đo bằng đơn vị Sievert (Sv) Bảng 1.2trình bày giá trị trọng số mô (wT) của những mô/tổ chức trong cơ thể sống doICRP khuyến cáo trong ấn phẩm ICRP 103 năm 2007 [2]

Bảng 1.2 Giá trị trọng số mô (wT) được ICRP khuyến cáo [2]

*) Các tổ chức/mô còn lại bao gồm: tuyến thượng thận, ruột non, thận,

cơ, tụy, mật, tuyến ức và tử cung

Thường người ta tính liều hiệu dụng cho toàn cơ thể (gọi tắt là liều hiệudụng - Là tổng liều hiệu dụng các cơ quan và mô trong cơ thể) theo công thứcsau:

E = ∑ H × w T

13

E = H × w T

Suất liều hiệu dụng được đo bằng Sv/h và ước số là mSv/h hoặc Sv/h.

1.2.1.8 Giới hạn liều

Là giá trị không được phép vượt quá liều hiệu dụng hoặc liều tương đươngcủa các cá nhân nhận được từ các công việc tiếp xúc với bức xạ ion hóa

1.2.1.9 Phân bố liều theo chiều sâu

Độ xuyên sâu của năng lượng bức xạ vào vật liệu có thể được mô tảbằng đường phân bố theo chiều sâu, trong đó liều hấp thụ tương đối tại cácđiểm đo được vẽ theo khoảng cách hay độ sâu tính từ bề mặt vật liệu chiếu

xạ Dạng của đường phân bố liều-độ sâu phụ thuộc vào bản chất của bức xạ,năng lượng của bức xạ hay chùm hạt, cấu hình của nguồn và mẫu

1.2.2 Các phương pháp đo liều bức xạ

Để phát hiện và xác định năng lượng đã hấp thụ trong vật chất dưới tácdụng của bức xạ ion hóa, người ta thường dựa trên những thay đổi hóa lý gâybởi sự tương tác giữa bức xạ ion hóa với vật chất Cho đến nay, đã có nhiềuphương pháp có khả năng phát hiện và đo các loại bức xạ khác nhau Trên cơ

sở cưỡng bức là phương pháp nhiệt phát quang (TL) và phương pháp quangphát quang (OSL) Dựa trên sự hình thành các tâm màu là phương pháp hóamàu của thủy tinh và chất dẻo Ngoài ra, còn sử dụng phương pháp dùngphim, đo nhiệt lượng, v.v …

Trong lịch sử phát triển của phép đo liều bức xạ, mỗi phương pháp đo đều

có những ưu điểm và hạn chế riêng, việc lựa chọn phương pháp đo cần dựa vàomục đích và phạm vi áp dụng để phát huy tốt hiệu quả của phép đo Trong đó,hai phương pháp đo liều thụ động bằng TL và OSL đã và đang được sử dụngrộng rãi trong vài chục năm trở lại đây Hiện nay, các vật liệu đo liều và các thiết

bị đo liều TL và OSL đã phát triển đến mức cho phép phát huy các ưu điểm nổibật của mình đó là công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành thấp, thời gian sử dụnglâu dài, hoạt động liên tục, kích thước nhỏ, dải liều hấp thụ rộng Trong khuônkhổ của luận án, tác giả tập trung vào chế tạo vật liệu LiAlO2 đơn pha gamma (γ-LiAlO2) ứng dụng trong đo liều photon bằng phương pháp TL

14

1.2.3 Phương pháp đo liều nhiệt phát quang

Phương pháp đo liều bằng vật liệu nhiệt phát quang (TL) ra đời cùngnăm Roentgen C.W phát hiện ra tia X 1895 Tuy nhiên, mãi đến năm 1953,sau khi Daniels và cộng sự tiến hành thử nghiệm và ứng dụng vật liệu TLthành công trong lĩnh vực y tế tại trường Đại học Wisconsin, thì phương pháp

TL mới thực sự được chấp nhận sử dụng như một phương pháp đo liều bức

xạ Đầu tiên, người ta đã sử dụng vật liệu LiF trong phép chẩn đoán bằng Xquang, các mẫu LiF được đặt trên bệnh nhân, rồi sau đó nhận lại mẫu đã chiếu

xạ Liều hấp thụ bức xạ tia X trong vật liệu được xác định bằng cách đo tínhiệu TL các mẫu đã chiếu xạ [6-8]

Phương pháp TL đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như đo liều bức

xạ (cá nhân, môi trường, xạ trị…) và xác định tuổi đồ vật gốm, sứ trong khảo

cổ học Hơn nữa, sự xuất hiện của hiện tượng TL dựa trên sự tồn tại các mứcnăng lượng định xứ, trong đó phần lớn là do các khuyết tật mạng nền gây nên

Do vậy, phương pháp TL còn là một công cụ mạnh trong nghiên cứu cấu trúctinh thể của vật liệu [9-12]

1.2.3.1 Cơ sở lý thuyết của hiện tượng nhiệt phát quang

Tác giả Robert Boyle và đồng nghiệp đã quan sát được hiệu ứng TL sớmnhất vào năm 1663 Sau đó, hàng loạt các vật liệu nhiệt phát quang đã đượcnghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp Năm 1895, Wiedemann

và Schmidt đã khảo sát đặc trưng TL của nhiều vật liệu sau khi chiếu xạ bằngtia X, đó cũng là những nghiên cứu đầu tiên có tính hệ thống về vật liệu TL.Đến nay, TL là một trong những hiện tượng đã và đang thu được nhiều thànhcông ứng dụng trong thực tiễn như đo liều bức xạ, định tuổi và nghiên cứucấu trúc khuyết tật của vật liệu [5, 13-17]

TL là một trong những họ phát quang khá điển hình Năng lượng TL đượcgiải phóng có thể được diễn giải như sau: Ví dụ khi bức xạ alpha, beta, photonhoặc các bức xạ năng lượng cao tương tác với vật chất (chất bán dẫn, điện môi),

nó sẽ truyền một phần năng lượng của mình cho vật chất bằng cách tạo ra cácđiện tử ở trạng thái kích thích lệch khỏi các quĩ đạo ban đầu của chúng, tức làcác điện tử trong vùng hóa trị (trạng thái cơ bản) nhận đủ năng lượng để dịchchuyển lên vùng dẫn đồng thời để lại lỗ trống tương ứng trong vùng hóa trị

15

Điện tử và lỗ trống có thể di chuyển một cách độc lập qua các vùng nănglượng tương ứng cho đến khi chúng được tái hợp và trở về trạng thái ban đầuhoặc điện tử bị bắt bởi các bẫy điện tử Năng lượng của các bẫy này chính làcác mức năng lượng định xứ trong vùng cấm được sinh ra bởi các khuyết tậtmạng hoặc những tâm tạp trong mạng nền của vật liệu.

Cấu trúc vùng năng lượng của vật liệu điện môi, bán dẫn gồm: vùng hóatrị, vùng dẫn và giữa chúng là vùng cấm năng lượng Theo lý thuyết, nhữngdịch chuyển của điện tử từ vùng hóa trị đến các vùng cấm và vùng dẫn lànhững dịch chuyển được phép Do vậy, khi vật liệu bị kích thích hay tươngtác bởi các bức xạ ion hóa thì các cặp hạt tải điện tử-lỗ trống được sinh ra từvùng hóa trị, điện tử có thể di chuyển đến vùng dẫn đồng thời để lại lỗ trốngtrong vùng hóa trị

Khi vật liệu sau chiếu xạ bị nung nóng hay nói khác đi là quá trình cưỡngbức nhiệt, điện tử tại các bẫy nhận năng lượng nhiệt phù hợp sẽ dao động vàthoát khỏi mức năng lượng bẫy và tái hợp với tâm lỗ trống đồng thời giải phóngnăng lượng dư dưới dạng photon ánh sáng Cường độ photon ánh sáng này tỉ lệvới độ lớn liều bức xạ đã bị hấp thụ hoặc tích lũy bởi quá trình chiếu xạ trước đó.Kết quả thực nghiệm đo phát quang cưỡng bức nhiệt nhận được là đường cong

TL tích phân (Intergrated thermoluminescence glowcurve) Đường cong thựcnghiệm nói trên có thể được biểu diễn ở 2 dạng đồ thị: (i) cường độ phát quangphụ thuộc vào nhiệt độ trong trường hợp sử dụng chế độ gia nhiệt tuyến tínhtrong dải nhiệt độ đo (T = T0+β) vàt, β) và là tốc độ gia nhiệt (oC/giây)); (ii) cường độphát quang phụ thuộc thời gian (t) trong trường hợp sử dụng chế độ đốt nóngđẳng nhiệt (T = const), khi đó thường là đường cong suy giảm đơn điệu hoặcphức tạp, bậc suy giảm còn tùy thuộc vào bản chất của mức năng lượng bẫy.Đường cong TL tích phân gia nhiệt tuyến tính có thể gồm một hoặc nhiều đỉnh,điều này tùy thuộc bản chất hình thành của các mức bẫy Từ kết quả đường congthực nghiệm thu được (nhiệt độ tương ứng với cường độ cực đại và độ bán rộng(FWHM) của mỗi đỉnh TL), ta có thể tính toán, xác định được số lượng các mứcbẫy và giá trị năng lượng tương ứng của chúng Hình 1.7a minh họa các quátrình được sinh ra và dịch chuyển của điện tử, lỗ trống khi vật liệu bị kích thích(tương tác) bởi bức xạ ion hóa Các điện tử này bị bắt bởi các khuyết tật củamạng tinh thể như được chỉ trong Hình 1.7b Khi vật liệu được gia nhiệt thì

16

điện tử ở trạng thái kích thích có thể được giải phóng khỏi bẫy và quay vềtrạng thái cơ bản đồng thời phát ra photon.

Hình 1.7 Mô hình minh họa cấu trúc vùng năng lượng và các quá

trình dịch chuyển của các phần tử hạt tải (điện tử, lỗ trống) của hiện

tượng nhiệt phát quang.

Hiện tượng TL có thể được giải thích dựa trên cơ sở lý thuyết mức nănglượng Một số mô hình mô tả hiện tượng TL như sau:

1.2.3.2 Mô hình một tâm một bẫy

Các tính chất TL có thể được giải thích theo quan điểm lý thuyết vùng nănglượng của chất rắn Thông thường dưới điều kiện cân bằng nhiệt động, trong cáctinh thể bán dẫn hoặc điện môi hoàn thiện, các điện tử lấp đầy vùng định xứ (gọi

là vùng hóa trị) Vùng cao nhất gần đó các điện tử có thể xuất hiện gọi là vùngdẫn hoặc vùng không định xứ, có khoảng cách so với vùng hóa trị bằng độ rộngvùng cấm Sự chênh lệch năng lượng giữa vùng định xứ và vùng không định xứ

là Eg Tuy nhiên, khi trong tinh thể xuất hiện các khuyết tật do cấu trúc hoặc cáctạp ở trong mạng tinh thể, khi đó xuất hiện xác suất các điện tử chiếm giữ cácnăng lượng trong vùng cấm của tinh thể lý tưởng Mô hình TL đơn giản gồm haimức đơn, một mức dưới đáy vùng dẫn và một mức khác nằm trên đỉnh vùng hóatrị (Hình 1.8) Mức cao nhất T nằm ở vị trí trên mức cân bằng Fermi (Ef) do đó ởtrạng thái cân bằng tức là trước khi chiếu xạ mức này trống rỗng, trong quá trìnhhình thành các điện tử và lỗ trống nó là một bẫy điện tử Mức R nằm dưới mức

Ef là bẫy lỗ trống giữ vai trò của một tâm tái hợp Xét trong giới hạn các chuyểndời cho phép của mô hình một tâm một bẫy biểu diễn trên giản đồ mức nănglượng như Hình 1.8 Khi chiếu bức xạ ion hóa, cặp điện tử và lỗ trống được tạothành (quá trình a), điện tử chuyển động trong vùng dẫn và có thể rơi vào bẫyđiện tử, còn lỗ trống bị bắt ở R (quá trình

17

b) Nếu độ sâu của các bẫy này đủ lớn thì các điện tích có thể nằm ở các bẫynày trong một khoảng thời gian dài Khi nâng nhiệt độ của hệ lên, điện tử dễdàng được giải phóng khỏi bẫy (quá trình c) và tái hợp với lỗ trống ở R (quátrình d) Nếu quá trình tái hợp của điện tử và lỗ trống có phát xạ photon thì tathu được tín hiệu TL Xác suất giải phóng các điện tử trong mỗi đơn vị thờigian từ bẫy được giả thiết tuân theo phương trình:

p = s × exp (

E

)

kT

trong đó, p là xác suất giải phóng trong một đơn vị thời gian, s gọi là hệ số tần

số (hay còn gọi là tần số thoát) Trong mô hình đơn giản s được coi là hằng

số, có giá trị cùng bậc với tần số dao động mạng, cỡ 1012-1014 (s-1) E là nănglượng kích hoạt (hay là độ sâu bẫy) là năng lượng cần thiết để giải phóng mộtđiện tử khỏi bẫy lên vùng dẫn (Hình 1.8), T là nhiệt độ tuyệt đối và k là hằng

số Boltzmann

Hình 1.8 Các chuyển dời cho phép của mô hình đơn giản một tâm một bẫy cho quá

trình TL.

Cường độ TL, I(t) được định nghĩa bằng tốc độ suy giảm mật độ điện tử

bị bắt hoặc tốc độ suy giảm mật độ tâm tái hợp trong quá trình gia nhiệt I(t) ởthời gian t trong quá trình gia nhiệt tỷ lệ với tốc độ tái kết hợp R được thểhiện như phương trình (1.19)

trong đó, m là mật độ của các lỗ trống ở R và dấu “-’’ cho biết sự giảm củacác lỗ trống Bằng tính toán lý thuyết người ta thu được các biểu thức chocườngđộ TL (ITL) như sau:

T là nhiệt độ tuyệt đối, s là hệ số tần số (tần số thoát)

Các phương trình (1.20), (1.21) được gọi là biểu thức một bẫy tổng quát(General One Trap - GOT) cho bức xạ gây ra hiệu ứng TL

Các nghiên cứu về động học của quá trình TL được bắt đầu từ công bốcủa Urbach (1930), sau đó là nhóm tác giả Randall và Wilkins (1945), Garlick

và Gibson (1948) Các nghiên cứu này đã lập được mối liên hệ giữa nhiệt độxuất hiện, hình dạng và kích thước của đỉnh TL với các thông số bẫy như độsâu E của bẫy, tần số thoát s, mật độ điện tử bị bắt trước khi đốt nóng n, bậcđộng học b của quá trình TL Tiếp theo là hàng loạt nghiên cứu đã xây dựngđược các hệ thức, phương pháp biểu diễn mối liên hệ giữa các thông số bẫyvới số liệu thực nghiệm TL

1.2.3.3 Động học bậc 1 (mô hình Randall-LiAlOWilkins)

Randall và Wilkins sử dụng giả thiết sự tái bắt là nhỏ không đáng kể khi có

sự cưỡng bức nhiệt, tức là mAm >> (N-n) An Với giả thiết này thì phương trình(1.21) có thể được viết như sau: