Thông số động học của MGB4O7dy 2

Thông số động học của MGB4O7dy

PHẦN 2: THỰC NGHIỆM

Trên cơ sở sẵn có hệ thiết bị nâng nhiệt tuyến tính theo thời gian với tốc độ nâng nhiệt β =10C/s, chúng tôi tiến hành thiết lập một số các điều kiện đểxây

dựng các tốc độ nâng nhiệt khác nhau cụ thể là β = 2, 3, 5, 8 và 100C/s Sau đó, chúng tôi đo đường nhiệt phát quang của mẫu và xác định các thông số bẫy của vật liệu MgB4O7:Dy Do vậy, trong phạm vi của đề tài này chúng tôi chia phần thực nghiệm làm hai chương:

• Chương III Xây dựng các đường nâng nhiệt tuyến tính với các tốc độ nâng nhiệt khác nhau

• Chương IV Xác định các thông số bẫy của vật liệu MgB4O7: Dy bằng phương pháp thay đổi tốc độ nâng nhiệt

Chương III

XÂY DỰNG CÁC ĐƯỜNG NÂNG NHIỆT TUYẾN TÍNH VỚI

CÁC TỐC ĐỘ NÂNG NHIỆT KHÁC NHAU

Trước khi đi vào chi tiết việc xây dựng các đường nâng nhiệt tuyến tính với các tốc độ nâng nhiệt khác nhau, chúng ta sẽ tìm hiểu sơ lược về hệ thiết bị đo đường nhiệt phát quang của vật liệu mà BMVLCR đã xây dựng

III.1 Tổng quan về hệ thiết bị đo đường cong phát quang của vật liệu [1], [5], [6], [16]

Phép đo đường cong phát quang I (T) của vật liệu là phép đo cơ bản trong nghiên cứu nhiệt phát quang Từ phép đo này, ta có thể rút ra được nhiều thông tin về tính chất vật lý của bẫy và các đặc trưng phát quang của vật liệu Hệ thiết

bị đo đường nhiệt phát quang cần đảm bảo hai điều kiện cơ bản sau:

• Đường tăng của nhiệt độ theo thời gian (đường quét nhiệt) phải là đường thẳng và phải được lặp đi lặp lại sau mỗi lần đo, tức là nhiệt độ đầu và cuối cũng như tốc độ nâng nhiệt β của mỗi lần quét nhiệt phải được lặp lại

• Hệ thu tín hiệu phát quang phải có đặc trưng phổ trùng với phổ của

đa số vật liệu phát ra (vùng phổ của ánh sáng nhìn thấy)

Từ hai yêu cầu trên, BMVLCR đã xây dựng hệ đo đường nhiệt phát quang gồm ba khối cơ bản như sau:

• Khối nâng và đọc nhiệt độ của mẫu

• Khối đọc cường độ tín hiệu phát quang của mẫu

• Khối điều khiển và xử lý tín hiệu

Hình III.1 giới thiệu sơ đồ khối của hệ đo đường phát quang tại BMVLCR

Hình III.1 Sơ đồ khối của hệ đo đường TL của vật liệu tại BMVLCR Hình III.2 giới thiệu toàn cảnh hệ đo nhiệt phát quang

Bộ giao tiếp DAQ

Bộ điều khiển sự quét nhiệt tuyến tính Buồng nhiệt

Chopper

điện tử

Oáng nhân

quang Nguồn cao áp

Khối xử lý tín hiệu

Khối nâng và đọc nhiệt độ Khối thu tín hiệu

Cặp nhiệt điện

Do những yêu cầu và tính chất của đề tài chúng tôi không mô tả chi tiết toàn bộ ba khối của hệ đo mà chỉ đề cập đến khối nâng và đọc nhiệt độ của mẫu để chúng ta có thể hình dung được phương pháp xây dựng các đường nâng nhiệt tuyến tính với các tốc độ nâng nhiệt khác nhau

III.2 Khối nâng và đọc nhiệt độ mẫu

Chức năng của khối này là nâng nhiệt độ mẫu tăng tuyến tính theo thời gian và đọc nhiệt độ mẫu tại các thời điểm định trước với tốc độ nâng nhiệt tuyến tính Mẫu cần được tiếp xúc tốt với thanh đốt để bảo đảm nhiệt độ của thanh đốt và mẫu chênh lệch nhau không lớn lắm

Hình III.3 Đường nâng nhiệt tuyến tính theo thời gian

Trong hình III.3, đường liền nét là đường lý thuyết được điều khiển bởi một chương trình trong LabVIEW đường có các dấu chấm là đường nhiệt độ thực của thanh đốt

Khối này gồm có hai phần chính: buồng nhiệt và bộ điều khiển sự quét nhiệt tuyến tính

III.2.1 Buồng nhiệt

Buồng nhiệt được thiết kế sao cho cách ly tốt với môi trường bên ngoài để cho không khí và ánh sáng bên ngoài không lọt được vào

a Thanh đốt

Là một miếng kim loại nhỏ, mỏng, phẳng (có thể là Titalum hoặc Crom), kích thước tiêu chuẩn là 0.025 cm × (1-2) cm × (4-5) cm Thanh đốt có quán tính nhiệt nhỏ, vì thế có thể điều khiển được nhiệt độ cũng như tốc độ nâng nhiệt

Niken-b Cặp nhiệt điện

Cặp nhiệt điện trong hệ buồng nhiệt này là loại Niken (+) / Constantan (-) (90%Ni10%Cr/57%Cr43%Ni), có độ nhạy S=55µV/0C với sai số 0.5%, dãy nhiệt độ có thể đo từ -400C đến 8000C

III.2.2 Bộ điều khiển sự quét nhiệt tuyến tính [8]

a Môtơ bước

Môtơ bước được sử dụng để quay Variac để cho ra điện áp thích hợp Mục đích của việc quay này là cung cấp điện thế sao cho nhiệt độ của thanh đốt tăng một cách tuyến tính theo thời gian Môtơ bước dễ dàng được điều khiển bằng phần mềm và có các ưu điểm nổi bật đó là có thể khởi động hoặc dừng lại tại các thời điểm hoặc vị trí mong muốn một cách chính xác

b Mạch khuếch đại công suất

Tín hiệu ra từ máy tính có điện áp không đủ để điều khiển môtơ bước, vì thế mạch khuếch đại công suất làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu này, giúp môtơ bước có đủ công làm quay Variac

c Variac

Là thiết bị dùng để thay đổi điện áp đầu vào của biến thế một cách liên tục Variac được cấp nguồn 220V và điện áp đầu ra có thể thay đổi từ 0V đến 220V

Điện áp này sau đó chỉ còn cỡ mV khi đi qua cuộn thứ cấp của biến thế, rồi được đưa vào làm thay đổi nhiệt độ thanh đốt Việc thay đổi điện áp ra của Variac được điều khiển bằng môtơ bước thông qua dây cua roa Bằng cách thay đổi tốc độ quay của môtơ bước một cách thích hợp ta có thể thay đổi tốc độ nâng nhiệt β của mẫu

Hình III.4 Bộ cấp thế để điều khiển nhiệt độ

d Biến thế

Đầu vào Variac Đầu ra Variac Mạch

khuếch đại

Là bộ phận có chức năng hạ điện áp từ Variac xuống cỡ vài chục mV để cấp cho thanh đốt Lõi biến thế làm bằng vật liệu Ton-Silic (2,8% - 3,8% Si) dưới dạng tấm thép kỹ thuật điện Cuộn sơ cấp có nhiều đầu vào, thay đổi từ 170V, 180V, 190V, 200V, 210V đến 220V Còn cuộn thứ cấp thì có 4 đầu ra nhưng vì điện áp quá nhỏ nên không thể xác định được

Mục đích của việc thiết kế biến thế có nhiều đầu vào cũng như ngõ ra là để

ta chọn lựa điện áp thích hợp cung cấp cho thanh đốt sao cho nhiệt độ tăng tuyến tính theo thời gian

Hình III.5 Biến thế

III.3 Xây dựng các đường nâng nhiệt tuyến tính với các tốc độ nâng nhiệt khác nhau

Trong phần này, chúng tôi tiến hành xây dựng các tốc độ nâng nhiệt khác nhau dựa trên hệ thiết bị được xây dựng trước đó với tốc độ nâng nhiệt β = 10C/s Giới hạn khoảng nhiệt độ của mẫu được xây dựng từ 370C – 3870C Nhiệt độ ban đầu hay nhiệt độ phòng (Tmin) có thể dao động từ 370C đến 400C và nhiệt độ cuối

của mẫu (Tmax) dao động trong khoảng từ 3870C đến 4000C đối với tất cả các tốc độ nâng nhiệt

Nhiệt độ của mẫu tăng tuyến tính theo thời gian theo công thức:

Trong đó, T0 = Tmin: nhiệt độ ban đầu

Tốc độ nâng nhiệt β [8] được tính theo công thức:

true false

C s N

• Tmin: Nhiệt độ ban đầu của thanh đốt

• Tmax: Nhiệt độ đạt được của thanh đốt (nhiệt độ cuối)

• Ntrue: Số lần nhiệt độ thanh đốt cao hơn nhiệt độ chuẩn

• Nfalse: Số lần nhiệt độ thanh đốt thấp hơn nhiệt độ chuẩn

• ttrue: Thời gian đợi thực hiện bước tiếp theo khi nhiệt độ thanh đốt

cao hơn nhiệt độ chuẩn

• tfalse: Thời gian đợi thực hiện bước tiếp theo khi nhiệt độ thanh đốt

thấp hơn nhiệt độ chuẩn

Hai giá trị ttrue và tfalse được điều chỉnh bởi một chương trình được viết bằng ngôn ngữ LabView Việc thiết lập hai giá trị này nhằm điều chỉnh thời gian chờ

để thực hiện bước tiếp theo khi nhiệt độ thanh đốt có sự chênh lệch với nhiệt độ

chuẩn, tức là nó sẽ điều chỉnh đường nâng nhiệt thực nghiệm theo đường nâng

nhiệt chuẩn đã được thiết lập với tốc độ nâng nhiệt xác định Hai giá trị này

được thiết lập khác nhau với từng tốc độ nâng nhiệt khác nhau

Hình III.6 minh họa việc xây dựng đường nâng nhiệt tuyến tính với

β =10C/s

Hình III.6 Minh họa việc xây dựng đường nâng nhiệt tuyến tính với β=1oC/s

Từ đồ thị ở hình III.6 ta thấy, với tốc độ nâng nhiệt 10C/s ta phải thực hiện

quét nhiệt qua 350 bước Đường chuẩn được xây dựng bắt đầu từ nhiệt độ phòng

và tăng tuyến tính theo thời gian (qua 350 bước ta sẽ đạt được khoảng 3500C,

chưa kể nhiệt độ phòng)

Với tốc độ nâng nhiệt 10C/s, các giá trị ttrue và tfalse lần lượt là 750ms và

1250ms

Ngoài ra, hai giá trị quan trọng cần điều chỉnh là điện áp đầu vào cuộn sơ

cấp nhận điện thế từ Variac và điện áp đầu ra cuộn thứ cấp để cấp cho thanh

t(s)

Chúng tôi kí kiệu:

• DSC: Điện áp đầu vào cuộn sơ cấp nhận điện thế từ Variac

• DTC: Điện áp đầu ra cuộn thứ cấp để cấp cho thanh đốt

Giá trị DSC được thay đổi từ 0V – 220V đến 0V – 170V, còn giá trị DTC chỉ vào khoảng cỡ mV nên không xác định được giá trị và được đánh số từ 1 đến 4

Do giá trị của DTC không được xác định và chúng tôi sử dụng giá trị DTC được đánh số là 1 – 4 nên việc thay đổi giá trị này được điều chỉnh bằng việc thay đổi giá trị DSC Giá trị DTC được điều chỉnh tăng dần khi giá trị DSC thay đổi từ 0V-220V đến 0V – 170V, khi tốc độ nâng nhiệt tăng thì điện áp cấp cho thanh đốt (DTC) cũng phải điều chỉnh tăng để đạt tốc độ nâng nhiệt mong muốn

Với tốc độ nâng nhiệt 10C/s, hai giá trị này như sau:

• DSC: 0V – 220V

• DTC: 1 – 3

Hình III.7 là đường nâng nhiệt tuyến tính với β = 10C/s Trong hình III.7 đường liền nét là đường nâng nhiệt chuẩn, đường dấu chấm là đường nâng nhiệt thực nghiệm

Hình III.7 Đường nâng nhiệt tuyến tính với β = 10C/s

Các điều kiện ban đầu như sau:

true false

C s N

Như vậy, kết quả thực nghiệm thu được với sai số (S) =1%

Bằng việc thiết lập các giá trị điều kiện ban đầu thích hợp ta có thể xây

dựng được các đường nâng nhiệt tuyến tính với các tốc độ nâng nhiệt khác nhau

Hình III.8 giới thiệu đường nâng nhiệt tuyến tính với tốc độ nâng nhiệt

β =50C/s Đường có các dấu chấm là đường nâng nhiệt tuyến tính được xây dựng

từ thực nghiệm Đường liền nét là đường lý thuyết được thiết lập vơi β =50C/s

Bảng III.1 dưới đây tổng hợp các điều kiện ban đầu và kết quả của việc

xây dựng các đường nâng nhiệt tuyến tính với các tốc độ nâng nhiệt

β = 1, 2, 3, 5, 8 và 100C/s mà chúng tôi đã thực hiện Kết quả này có được sau

một thời gian thực nghiệm khá dài với hệ thiết bị tự lắp ráp tại BMVLCR

Chúng tôi gặp khó khăn khi xây dựng các đường nâng nhiệt tuyến tính với tốc

độ nâng nhiệt cao bởi vì mạch điện tử không đáp ứng được Tuy nhiên, với khoảng β từ 1 – 100C/s mà chúng tôi xây dựng thì đường nâng nhiệt tuyến tính khá tốt và ổn định, đảm bảo độ tin cậy cho việc khảo sát tìm các thông số bẫy của vật liệu bằng phương pháp thay đổi tốc độ nâng nhiệt Ta cần lưu ý một điều rằng các giá trị Ntrue, Nfalse, Tmin, Tmax trong bảng có thể xê dịch một vài đơn vị khi ta khảo sát với mẫu.

Hình III.8 Đường nâng nhiệt tuyến tính với β = 50C/s

Bảng III.1 Tổng hợp các điều kiện cho các tốc độ nâng nhiệt

β =1, 2, 3, 5, 8 và 100C/s

Điều kiện

& Kết quả

Các tốc độ nâng nhiệt β (0C/s) khác nhau

Chương IV XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ BẪY CỦA VẬT LIỆU MgB4O7: Dy BẰNG PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI TỐC ĐỘ

NÂNG NHIỆT

MgB4O7: Dy là vật liệu nhiệt phát quang đang được BMVLCR nghiên cứu và thu được một số kết quả về các thông số đặc trưng cho bẫy của vật liệu Vật liệu MgB4O7: Dy được tổng hợp từ hỗn hợp: HNO3, Dy2O3, H3BO3 và MgCO3 với nồng độ Dy chiếm 0.3%mol [4] Hỗn hợp được nung ở 8300C trong 2 giờ và ủ nhiệt ở 3000C trong 30 phút Sau đó vật liệu được chiếu xạ với liều chiếu 5kGy từ nguồn 60Co

Hình IV.1 giới thiệu đường nhiệt phát quang của vật liệu MgB4O7: Dy được

đo tại BMVLCR với tốc độ nâng nhiệt 10C/s (đường dấu chấm) Fitting có điều kiện với kết quả thu được từ nhiều phương pháp thực nghiệm cho thấy đường phát quang của vật liệu có hai đỉnh chính: đỉnh thứ nhất tại nhiệt độ 1480C và đỉnh thứ hai tại nhiệt độ 2640C Hai đỉnh này khá tách biệt nhau Ngoài ra còn có một đỉnh ở khoảng 2050C có cường độ nhỏ, bị xen phủ khá nhiều bởi đỉnh 2640C

Ta thấy rằng sai số trong việc fitting có điều kiện khá nhỏ, FOM= 0.03 (tức 3%)

Hình IV.1 Fitting có điều kiện vật liệu MgB4O7:Dy.Đường thực nghiệm là đường

dấu chấm, đường liền nét là đường fitting có điều kiện

Các thông số bẫy của vật liệu được xác định bằng nhiều phương pháp khác nhau cho kết qủa với độ chính xác khá cao Các phương pháp đã xây dựng và được dùng để xác định các thông số bẫy là: phương pháp sườn lên ban đầu, phương pháp xóa nhiệt, phương pháp hình dạng đỉnh, phương pháp suy giảm đẳng nhiệt, phương pháp dùng toàn bộ đỉnh, phương pháp dùng một phần đỉnh đơn và phương pháp fitting (làm khớp đường phát quang lý thuyết sao cho trùng với đường phát quang thực nghiệm)

Bảng IV.1 trình bày các giá trị thông số bẫy của vật liệu MgB4O7: Dy được xác định bằng các phương pháp khác nhau và thông số bẫy sau khi fitting có điều kiện

Bảng IV.1 Tổng hợp các giá trị tìm được cho các thông số bẫy

của MgB4O7:Dy từ các phương pháp khác nhau [4]

(Đơn vị của E là eV, của s’’ là s-1)

Từ đây, chúng tôi tiếp tục khảo sát tìm các thông số bẫy của vật liệu MgB4O7: Dy bằng Phương pháp thay đổi tốc độ nâng nhiệt β Kết quả của phương pháp này được so sánh với kết quả của các phương pháp đã thực hiện để kiểm tra tính chính xác của nó

IV.1 Khảo sát vật liệu MgB4O7: Dy với các tốc độ nâng nhiệt khác nhau Như đã nói ở phần Tổng quan về ảnh hưởng của tốc độ nâng nhiệt β đối với đường phát quang của vật liệu: đỉnh phát quang sẽ dịch về phía nhiệt độ cao khi tốc độ nâng nhiệt β tăng và ngược lại khi β giảm

Đỉnh Sườn lên và

xóa nhiệt Hình dạng đỉnh đẳng nhiệt Suy giảm Toàn bộ đỉnh đơn Một phần đỉnh đơn Làm khớp có điều kiện

2

E=1.4552

s’’=5.2910 13

E = 1.4589 s’’=8.710 16

b =1.5

E =1.4540 s’’=1.410 14

Ơû phương pháp này, chúng tôi chỉ xét cho hai đỉnh chính: đỉnh thứ nhất ở

1480C và đỉnh thứ ba ở 2640C, không xét cho đỉnh thứ hai ở 2050C vì cường độ đỉnh này quá nhỏ và bị phủ nhiều (nhiệt độ đỉnh ứng với trường hợp β =10C/s) Đối với các tốc độ nâng nhiệt khác nhau và trong quá trình tính toán các thông số bẫy của các đỉnh chúng tôi cũng chỉ tính cho hai đỉnh chính này mà thôi Chúng tôi tiếp tục tiến hành đo đường nhiệt phát quang của MgB4O7:Dy với các tốc độ nâng nhiệt β = 2, 3, 5, 8, 100C/s Sau khi khảo sát với lần lượt các tốc độ nâng nhiệt β khác nhau, ta thấy rõsự dịch chuyển của các đường TL theo các tốc độ nâng nhiệt khác nhau đúng như lý thuyết đã khẳng định: khi tốc độ nâng nhiệt β tăng thì đỉnh phát quang dịch chuyển về bên phải (về phía nhiệt độ cao) và ngược lại (hình IV.2) Theo đó, với các tốc độ nâng nhiệt β =1, 2, 3, 5, 8và100C/s đã thực hiện, đỉnh thứ nhất của đường TL ứng với từng tốc độ nâng nhiệt trên lần lượt ở các vị trí 148, 153, 161, 169, 176 và 1790C, đỉnh thứ ba lần lượt ở các vị trí 264, 266, 267, 270, 277 và 2810C Độ chênh lệch nhiệt độ giữa các đỉnh cũng khác nhau theo từng tốc độ nâng nhiệt β

Hình IV.3 biểu diễn vị trí đỉnh cực đại di chuyển về phía nhiệt độ cao khi tốc độ nâng nhiệt tăng

Hình IV.3 Vị trí Tm của MgB4O7: Dy khảo sát với các tốc độ nâng

nhiệt β =1, 2, 3, 5, 8 và 100C/s

Sau đây chúng tôi dẫn ra một số kết quả của các nhà nghiên cứu trên thế giới dùng phương pháp thay đổi tốc độ nâng nhiệt để tìm các thông số bẫy của vật liệu

M Prokic và các đồng nghiệp [9] nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ nâng nhiệt lên đường nhiệt phát quang của vật liệu Mg2SiO4: Tb được chiếu xạ165mGy Tác giả khảo sát với các giá trị tốc độ nâng nhiệt là 1, 2, 3, 5, 7, 10,

120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Đỉnh 1 Đỉnh 2

Heating rate (0C/s)

Tm (0C)