Phân tích, so sánh các liều kế đo liều phóng xạ tích lũy của môi trường trên nền CaSO4 pha tạp các nguyên tố đất hiếm (RE) (Khóa luận tốt nghiệp)

Phân tích, so sánh các liều kế đo liều phóng xạ tích lũy của môi trường trên nền CaSO4 pha tạp các nguyên tố đất hiếm (REPhân tích, so sánh các liều kế đo liều phóng xạ tích lũy của môi trường trên nền CaSO4 pha tạp các nguyên tố đất hiếm (REPhân tích, so sánh các liều kế đo liều phóng xạ tích lũy của môi trường trên nền CaSO4 pha tạp các nguyên tố đất hiếm (REPhân tích, so sánh các liều kế đo liều phóng xạ tích lũy của môi trường trên nền CaSO4 pha tạp các nguyên tố đất hiếm (REPhân tích, so sánh các liều kế đo liều phóng xạ tích lũy của môi trường trên nền CaSO4 pha tạp các nguyên tố đất hiếm (REPhân tích, so sánh các liều kế đo liều phóng xạ tích lũy của môi trường trên nền CaSO4 pha tạp các nguyên tố đất hiếm (REPhân tích, so sánh các liều kế đo liều phóng xạ tích lũy của môi trường trên nền CaSO4 pha tạp các nguyên tố đất hiếm (REPhân tích, so sánh các liều kế đo liều phóng xạ tích lũy của môi trường trên nền CaSO4 pha tạp các nguyên tố đất hiếm (REPhân tích, so sánh các liều kế đo liều phóng xạ tích lũy của môi trường trên nền CaSO4 pha tạp các nguyên tố đất hiếm (RE

LỜI CẢM ƠN

Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình đến thầy giáo - PGS.TS Trần Ngọc người đã truyền cho em cảm hứng học tập và nghiên cứu khoa học, người

đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp

Em cũng xin bày tỏ lòng cám ơn đến thầy giáo - Thạc sĩ Hoàng Sỹ Tài – phụ trách phòng thí nghiệm Vật lí là người đi trước luôn chỉ dẫn cho em

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô giáo trường Đại học Quảng Bình, khoa Khoa học tự nhiên và các thầy cô trong tổ Vật lí đã luôn tạo điểu kiện giúp

đỡ em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và tập thể lớp Đại học sư phạm Vật Lí K56 - Trường Đại học Quảng Bình đã động viên tinh thần và giúp đỡ em rất nhiều trong suốt thời gian học tập và hoàn thành kháo luận tốt nghiệp

Em kính chúc quý thầy giáo, cô giáo, gia đình bạn bè sức khỏe và thành công!

Quảng Bình, tháng 05 năm 2018

Sinh viên

Hoàng Thị Phương Linh

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Cấu trúc khóa luận 3

Chương 1 - TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 4

1.1 Cơ sở lý thuyết nhiệt phát quang (Thermoluminescence – TL) 4

1.1.1 Hiện tượng nhiệt phát quang 4

1.1.2 Cơ chế quá trình nhiệt phát quang 4

1.1.3 Các phương trình cơ bản – Bậc động học 6

1.1.4 Các hạn chế và ưu điểm của đo liều bằng TL 7

1.1.5 Vật liệu và các thiết bị đo liều trong nhiệt phát quang 8

1.2 Tổng quan về vật liệu CaSO4 và các nguyên tố đất hiếm 11

1.2.1 Calcium sulphate CaSO4 11

1.2.2 Đặc điểm chung của các nguyên tố đất hiếm 13

Chương 2 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 17

2.1 Đặc trưng TL của vật liệu nền Calcium sulphate pha tạp các nguyên tố đất hiếm 17 2.1.1 Cấu trúc đường cong nhiệt phát quang tích phân 17

2.1.2 Phổ nhiệt phát quang của vật liệu CaSO4:RE3+ 20

2.1.3 Phổ quang phát quang của vật liệu CaSO4:RE3+ 21

2.2 Đặc trưng TL của vật liệu Sulphate kiềm thổ pha tạp Dy 23

2.2.1 Cấu trúc đường cong TL của vật liệu Sulphate kiềm thổ pha tạp Dy 24

2.2.2 Phổ quang phát quang của vật liệu Sunphat kiềm thổ pha tạp Dy 25

2.3 Thảo luận kết quả 30

KẾT LUẬN 32

TÀI LIỆU THAM KHẢO 34

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ mức năng lượng của mẫu đơn giản trong TL 4 Hình 1.2 Phối cảnh liên kết Ca - O trong tinh thể CaSO4 12 Hình 1.3 Phối cảnh liên kết Ba - O trong tinh thể BaSO4 12 Hình 1.4 Phối cảnh liên kết Sr - O trong tinh thể SrSO4 13 Hình 1.5 Giản đồ mức năng lượng của các ion - Giản đồ Dieke 16 Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ đo đường cong nhiệt phát quang tích phân 17

Hình 2.7 Đường TSL của CaSO4: Cường độ TSL của các mẫu pha tạp

khác nhau 1.Dy; 2 Eu; 3.Sm,42.Gd; 5.Nd

18

Hình 2.8 Phổ nhiệt phát quang của CaSO4:Sm3+ và CaSO4:Dy3+ đo ở

xung quanh nhiệt độ đỉnh 220oC

Hình 2.15a Phổ PL của CaSO4: Dy3+ chưa chịu ảnh hưởng của bức xạ ion

Hình 2.16 Sơ đồ mô tả cấu trúc tinh thể của CaSO4 Cấu hình octahedral

của cation Ca2+ với các anion SO42-

26

Hình 2.17 Phổ PL của BaSO4: Dy3+ kích thích bằng bức xạ 365nm 28 Hình 2.18 Phổ PL của SrSO4: Dy3+ kích thích bằng bức xạ 365nm 28

DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG KHÓA LUẬN

Bảng 1 Cấu hình điện tử và trạng thái cơ bản của các ion RE hoá trị

3

14

Bảng 2 Nhiệt độ đỉnh nhiệt phát quang mạnh nhất thay đổi theo tạp

trong vật liệu CaSO4:RE

Bảng 5 Nhiệt độ đỉnh phát quang mạnh nhất thay đổi theo nền và tạp

trong vật liệu MSO4:RE

BẢNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Ký

TLD Thermoluinescence Dosimeter Liều kế nhiệt phát quang

GOT General One Trap Biểu thức một bẫy tổng quát

cho bức xạ nhiệt phát quang

EPR Electron paramagnetic resonance Cộng hưởng từ điện tử

RE3+ Trivalent rare earth ions Ion đất hiếm hóa trị 3

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Nhiệt phát quang (Thermo luminescence – TL), hay còn gọi là quá trình phát quang cưỡng bức nhiệt (Thermally stimulated luminescence) là một hiện tượng đã và đang thu được nhiều thành công ứng dụng trong thực tiễn Đó là những thành công trong các lĩnh vực: đo liều bức xạ (đo liều cá nhân, môi trường và liều xạ trị trong y học hạt nhân), định tuổi (tuổi địa chất, tuổi cổ vật) và nghiên cứu cấu trúc vật liệu Bản chất của hiệu ứng nhiệt phát quang là quá trình bức xạ ánh sáng sinh ra do cưỡng bức bằng nhiệt tiếp theo sau sự kích thích bởi các bức xạ ion hóa Cường độ TL đo được trong quá trình cưỡng bức nhiệt tỷ lệ với liều bức xạ ion hóa mà mẫu hấp thụ Nếu trong cùng một trường bức xạ, mẫu nào bị chiếu xạ càng lâu thì mẫu đó có cường độ

TL càng lớn Chính lí do trên những vật liệu có tính chất nhiệt phát quang được sử dụng nhiều để đo liều lượng bức xạ, gọi là “liều kế” và khảo sát các khuyết tật điểm trong các vật liệu bán dẫn và điện môi

Ở các nước, để đo liều môi trường, cho tới nay phần lớn người ta sử dụng loại liều kế chế tạo từ vật liệu CaSO4: Dy và CaSO4: Tm Với vật liệu này được chế tạo theo nhiều phương pháp khác nhau, nhưng trên thực tế thường sử dụng hai phương pháp chủ yếu là “kết tinh” và “tái kết tinh” trong môi trường axit dư Đặc điểm của liều kế trên nền sunphat kiềm thổ và pha tạp các nguyên tố đất hiếm đều thường có độ nhạy rất cao, cấu trúc đường cong tích phân khá đơn giản, thuận tiện cho các công tác nghiên cứu

Như chúng ta đã biết, vấn đề ô nhiễm môi trường và cảnh báo ô nhiễm môi trường là vấn đề bức xúc của toàn cầu nói chung và Việt Nam nói riêng Với nhu cầu

sử dụng năng lượng cho sự phát triển kinh tế - xã hội như hiện nay của các quốc gia, thì năng lượng hóa thạch sẽ không mấy nữa là cạn kiệt Trong khi năng lượng tái tạo chưa thể đáp ứng và giá thành đầu tư rất cao thì giải pháp năng lượng hạt nhân vẫn là

hy vọng nhất cho các quốc gia và là đích đến trong vấn đề an toàn năng lượng cho chiến lược phát triển trong đó có Việt Nam Tuy nhiên sự cố Chernobyl (Ukraina) và Fukushima I (Nhật Bản) vẫn là nỗi ám ảnh trong tiềm thức của nhân loại Lượng phóng xạ tồn tại trong môi trường có hai nguồn gốc: tự nhiên và nhân tạo Nguồn gốc

tự nhiên bao gồm các nguyên tố phóng xạ như U, Th, K và các tia vũ trụ Nguồn gốc nhân tạo đáng kể nhất liên quan đến các nhà máy điện hạt nhân, các thiết bị phát các

2

tia bức xạ ion hóa của các cơ sở nghiên cứu, y tế Nói chung các liều lượng bức xạ này thường rất nhỏ, vào cỡ gray, thường được quan sát trong một thời gian rất dài, có khi tới hàng năm, cho nên cần sử dụng những liều kế nhiệt phát quang (Thermo luinescence Dosimeter – TLD) rất nhậy và có độ suy giảm (fading) thấp, độ ổn định nhiệt, cơ và quang học cao Vì vậy vấn đề cảnh báo ô nhiễm phóng xạ trong môi trường là việc làm cấp thiết để tiến tới xây dựng bản đồ phông phóng xạ cho toàn lãnh thổ

Nhằm nâng cao hiểu biết của bản thân về vật liệu này, nên em đã chọn đề tài

“Phân tích, so sánh các liều kế đo liều phóng xạ tích lũy của môi trường trên nền

cơ sở đưa ra bức tranh tổng quát về các tính chất theo hướng đo liều của các liều kế được chế tạo trên cùng một loại nền nhưng khác nhau về tạp và cùng một loại tạp nhưng trong các loại nền sunphat kiềm thổ khác nhau

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Tổng quan được lý thuyết liên quan đến:

+ Hiện tượng nhiệt phát quang

+ Vật liệu nhiệt phát quang trên nền sunphat kiềm thổ

+ Lý thuyết về một số nguyên tố đất hiếm

- Phân tích, so sánh các liều kế đo liều phóng xạ tích lũy của môi trường trên nền CaSO4 pha tạp RE (với RE: Dy, Sm, Eu, Gd, Nd)

- Phân tích, so sánh các liều kế đo liều phóng xạ tích lũy của môi trường trên nền Sunphat kiềm thổ pha tạp Dy

3 Đối tượng nghiên cứu

- Vật liệu calcium sunphate pha tạp các ion đất hiếm (CaSO4: RE3+); trong đó

RE3+ là các ion đất hiếm như Dy3+, Eu3+, Sm3+, Nd3+, Gd3+

- Vật liệu nền sulphat kiềm thổ pha tạp ion Dy3+

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thực nghiệm: Tham gia chế tạo TLD trên cơ sở nền sunphat kiềm thổ pha tạp các nguyên tố đất hiếm (RE) bằng phương pháp tái kết tinh

5 Cấu trúc khóa luận

Chương 1: Tổng quan lý thuyết

Trình bày tổng quan lý thuyết về hiện tượng phát quang, nhiệt phát quang, tổng quan về vật liệu Calcium sulphate pha tạp các nguyên tố đất hiếm

Chương 2: Kết quả và thảo luận

Phân tích, so sánh các liều kế đo liều phóng xạ tích lũy của môi trường trên nền CaSO4 pha tạp các nguyên tố đất hiếm

Phân tích, so sánh các liều kế đo liều phóng xạ tích lũy của môi trường trên nền Sunphat kiềm thổ pha tạp Dy

4

Chương 1 - TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

1.1 Cơ sở lý thuyết nhiệt phát quang (Thermoluminescence – TL)

1.1.1 Hiện tượng nhiệt phát quang

Nhiệt phát quang là hiện tượng bức xạ ra ánh sáng của chất điện môi hay bán dẫn khi nó được nung nóng sau khi chiếu xạ ở nhiệt độ thấp (nhiệt độ phòng hay nitơ lỏng ) Bởi các bức xạ ion hóa như tia UV, tia γ, tia X Định nghĩa về nhiệt phát

quang đã nêu ở trên có thể tổng quát hóa bằng mệnh đề sau: Nhiệt phát quang xảy ra khi chiếu bức xạ ion hóa lên hệ, hệ hấp thu năng lượng làm xảy ra sự đảo lộn mật độ của hệ từ trạng thái cân bằng nhiệt động sang trạng thái nửa bền, sau đó hồi phục bằng quá trình cưỡng bức nhiệt về trạng thái cân bằng ban đầu [1,2,3,4]

 Phân tích định nghĩa trên ta thấy rằng, hiện tượng nhiệt phát quang phải được cấu thành bởi các điều kiện:

- Vật liệu phát quang phải là các chất bán dẫn hoặc điện môi (có năng lượng vùng cấm lớn);

- Để vật liệu có thể bức xạ được trong quá trình kích thích ánh sáng hoặc nung nóng, thì trước đó nó phải được chiếu xạ bởi các bức xạ ion hóa năng lượng cao;

- Vật liệu không có khả năng tái bức xạ trong quá trình kích thích hoặc nung nóng lần thứ hai sau đó mà không có chiếu xạ lại;

- Quá trình chiếu xạ phải phù hợp với từng loại vật liệu và liều chiếu, thời gian chiếu, nhiệt độ chiếu

1.1.2 Cơ chế quá trình nhiệt phát quang

Hình 1.1 Sơ đồ mức năng lượng của mẫu đơn giản trong TL

2 1

T E

Khóa luận đủ ở file: Khóa luận full