Luận án tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu và phát triển phương pháp đo liều bức xạ gamma và nơtron dùng liều kế màng mỏng nhuộm màu

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:103

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là chế tạo được loại liều kế màng mỏng hữu cơ nhuộm màu đo được cả liều bức xạ gamma và nơtron, đồng thời xác định được độ nhạy, dải liều cũng như hàm đặc trưng liều của liều kế.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu và phát triển phương pháp đo liều bức xạ gamma và nơtron dùng liều kế màng mỏng nhuộm màu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM ----------------------------- VÕ THỊ ANH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP ĐO LIỀU BỨC XẠ GAMMA VÀ NƠTRON DÙNG LIỀU KẾ MÀNG MỎNG NHUỘM MÀU LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ HÀ NỘI – 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM ----------------------------- VÕ THỊ ANH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP ĐO LIỀU BỨC XẠ GAMMA VÀ NƠTRON DÙNG LIỀU KẾ MÀNG MỎNG NHUỘM MÀU LUẬN ÁN TIẾN SỸ Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân Mã số: 9.44.01.06 Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Trịnh Văn Giáp 2. PGS.TS. Trần Đại Nghiệp Hà Nội – 2018
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Trịnh Văn Giáp và PGS. TS. Trần Đại Nghiệp. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng để bảo vệ ở bất kỳ học vị nào. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm Tác giả luận án NCS. Võ Thị Anh
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đề tài “ Nghiên cứu và phát triển phương pháp đo liều bức xạ gamma và nơtron dùng liều kế màng mỏng nhuộm màu”, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của tập thể ban lãnh đạo, các nhà khoa học, cán bộ Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân, Trung tâm Chiếu Xạ Hà Nội, Viện Nghiên cứu Hạt nhân, Trung tâm Đào tạo Hạt nhân. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Trịnh Văn Giáp, PGS. TS. Trần Đại Nghiệp là những người thầy kính mến đã hết lòng giúp đỡ, dạy bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Lê Tuấn Tú, TS. Phạm Ngọc Sơn và TS. Nguyễn Thành Công đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện cũng như hoàn thiện luận án này. Xin chân thành cảm ơn bố mẹ và người chồng yêu quý đã luôn ở bên cạnh động viên và giúp đỡ tôi học tập làm việc và hoàn thành luận án. Hà Nội, ngày tháng năm Tác giả luận án NCS. Võ Thị Anh
MỤC LỤC Trang Lời cam đoan…………………………………………………………………… Lời cảm ơn……………………………………………………………………… Danh sách từ viết tắt…………………………………………………………… IV Danh sách bảng…………………………………………………………………. V Danh sách hình vẽ………………………………………………………………. VI Mở đầu…………………………………………………………………………... 1 Chương I. Tổng quan nghiên cứu…………………………………………....... 4 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu………………………………………....... 4 1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới…………………………………….. 4 1.1.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam……………………………………. 8 1.2 Tổng quan về các loại liều kế thông dụng……………………………......... 10 1.2.1 Phân loại liều kế………………………………………………… 10 1.2.2 Một số tiêu chí lựa chọn liều kế cho các dải đo……………………….. 11 1.2.2.1 Các tiêu chí lựa chọn…………………………………………… 11 1.2.2.2 Dải liều sử dụng đối với các liều kế…………………………… 12 1.2.3 Đơn vị đo lường và định liều bức xạ…………………………………... 12 1.2.4 Một số loại liều kế đo liều cao………………………………………... 15 1.2.4.1 Nhiệt lượng kế………………………………………………………. 15 1.2.4.2 Phương pháp đo liều dựa trên sự ion hóa chất khí…………………... 16 1.2.3.3 Liều lượng kế hoá học……………………………………………….. 17 Kết luận Chương I……………………………………………………………… 24 Chương II. Phương pháp và thiết bị nghiên cứu…………………………… 25 2.1 Tương tác của bức xạ với vật liệu Polyvinyl alcohol……………………... 25 2.1.1 Hiệu ứng khâu mạch và ngắt mạch của polymer……………………… 26 2.1.2 Hiệu ứng tách khí………………………………………………………. 28 2.1.3 Oxy hóa bức xạ và sau bức xạ của polymer…………………………… 28 2.1.4 Sự phá hủy của cấu trúc………………………………………………… 29 2.1.5 Sự biến đổi tính chất vật lý của polymer sau khi chiếu xạ……………... 33 i
2.1.5 Sự bảo vệ bức xạ và sự tăng nhạy bức xạ……………………………… 33 2.2 Quá trình truyền năng lượng của bức xạ cho vật chất…………………… 34 2.2.1 Hệ số truyền năng lượng tuyến tính……………………………………. 34 2.2.2 Mô hình truyền năng lượng…………………………………………… 35 2.2.3 Các dẫn xuất của mô hình truyền năng lượng………………………….. 37 2.3 Phân tích đọc kết quả liều kế bằng phương pháp quang phổ kế hấp thụ 40 2.3.1 Phương pháp quang phổ kế hấp thụ……………………………………. 40 2.5.2 Định luật Lambert-Beer………………………………………………… 41 2.5.3 Cấu tạo thiết bị…………………………………………………………. 42 Kết luận Chương II…………………………………………………………….. 44 Chương III: Kết quả và thảo luận…………………………………………….. 45 3.1 Nghiên cứu đo liều bức xạ gamma dùng liều kế màng mỏng PVA được nhuộm màu……………………………………………………………………... 45 3.1.1 Nguồn chiếu xạ gamma 60Co…………………………………………… 45 3.1.2 Chế tạo phim màng mỏng……………………………………………… 47 3.1.2.1 Chuẩn bị nguyên liệu và hóa chất…………………………………… 47 3.1.2.2 Các bước gia công chế tạo…………………………………………… 48 3.1.3 Sự biến đổi màu và phổ hấp thụ của các phim màng mỏng được nhuộm các màu khác nhau ……………………………………………………………… 51 3.1.4 Xác định đường đặc trưng liều của liều kế nhuộm màu PVA………….. 54 3.1.5 Đánh giá khả năng nhạy bức xạ của các màu chỉ thị…………………… 56 3.1.6 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dung dịch PVA lên khả năng làm việc của phim ……………………………………………………………………. 57 3.1.7 Khảo sát sự ảnh hưởng của các chất phụ gia lên giá trị mật độ quang của phim trước và sau khi chiếu xạ gamma……………………………………... 59 3.1.8 Đánh giá sự ảnh hưởng của axit boric lên phim PVA nhuộm màu…….. 61 3.1.9 Đánh giá sai số của liều kế màng mỏng PVA nhuộm màu kiểm soát liều gamma dùng trong phép đo thường quy……………………………………. 63 3.2 Nghiên cứu một số tính chất của phim PVA nhuộm màu khi chiếu trên chùm nơtron nhiệt tại kênh số 2 của Lò nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt……… 79 ii
3.2.1 Nguồn nơtron nhiệt tại kênh số 2, Lò nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt……. 64 3.2.2 Chế tạo phim màng mỏng……………………………………………... 67 3.2.2.1 Chuẩn bị nguyên liệu và hoá chất……………………………………. 67 3.1.2.2 Các bước gia công chế tạo…………………………………………… 67 3.2.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của các chất phụ gia lên giá trị mật độ quang của phim sau khi chiếu xạ. ………………………………………..…………….. 68 3. 2.4 Khảo sát trạng thái của phim sau khi chiếu……………………………. 69 3.2.5 Khảo sát sự ảnh hưởng của khối lượng axit boric lên chất lượng phim trước và sau khi được chiếu trên nguồn nơtron nhiệt…………………………… 74 3.2.6 Đường đặc trưng liều…………………………………………………… 75 Kết luận Chương III…………………………………………………………... 79 Kết luận chung………………………………………………………………….. 80 Danh sách công trình của tác giả………………………………........................ 82 Tài liệu tham khảo……………………………………………………………… 83 iii
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt PVA Poly(vinyl alcohol) Vật liệu Poly(vinyl alcohol) TCA Tri-chloro-acetamid Chất màu Tri-chloro-acetamid Tetra bromophenol phthalein Chất màu Tetra bromophenol TBPE ethyl ester phthalein ethyl ester ECB Eetanol-clobenxen Liều kế Eetanol-clobenxen PVC Poly(vinyl-chloride) Vật liệu Poly(vinyl-chloride) LET Linear energy transfer Truyền năng lượng tuyến tính Kinetic energy released in Động năng được truyền cho vật Kerma material chất PMMA Polymerthyl methacrylate Liều kế Polymerthyl methacrylate CTA Cellulose triacetate Liều kế Cellulose triacetate EC Electric conductivity Độ dẫn điện Thermally Luminescence TLD Liều kế nhiệt phát quang Dosimeter Nationnal Council on Radiation Hội đồng Đo lường và an toàn NCRP Protection and Measurement quốc gia Mỹ DI De-ion nước De-ion iv
DANH SÁCH BẢNG Bảng 1.1 Dải liều và phạm vi ứng dụng Bảng 1.2 Các đặc trưng chủ yếu của các liều kế hoá học thể khí và thể lỏng Bảng 1.3 Giới thiệu các đặc trưng chủ yếu của một số liều kế thể rắn Bảng 2.1 Một số tính chất đặc trưng của PVA trước khi bị chiếu xạ Bảng 2.2 Các giá trị bước sóng hấp thụ quang học đặc trưng max và bề rộng đỉnh phổ ở nửa chiều cao W1/2 của một số chất Bảng 3.1 Giá trị hệ số được làm khớp theo mô hình truyền năng lượng Bảng 3.2 Giá trị mật độ quang của phim trước và sau khi chiếu xạ với %PVA khác nhau Bảng 3.3 Khảo sát độ đồng đều của các phim trên mỗi loại phim có chứa chất phụ giá khác nhau Bảng 3.4 Xác định liều nơtron bằng phương pháp kích họat nơtron sử dụng lá dò vàng và sử dụng hệ số chuyển đổi Bảng 3.5 Kết quả làm khớp sự biến đổi mật độ quang của phim sau khi được chiếu xạ và được lưu giữ trong phòng thí nghiệm Bảng 3.6 Sự thăng giáng giá trị mật độ quang của phim PVA nhuộm màu Methylene blue có chứa hàm lượng acid boric khác nhau Bảng 3.7 Giá trị các tham số của đường cong đặc trưng liều trên các phim PVA nhuộm màu có chứa hàm lượng axit boric khác nhau v
DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Sự biến đổi màu của phim PVA nhuộm xanh methylene (a) và methyl cam (b) trước và sau khi được chiếu xạ gamma Hình 1.2 Một số liều kế hoá học thể khí và thể lỏng Hình 1.3 Liều lượng kế nền polymer Hình 1.4 Một số loại liều kế alanine thông dụng với dải liều làm việc từ 0,1 kGy70 kGy Hình 1.5 Một số liều lượng kế vô cơ Hình 2.1 Hai loại khâu mạch của polymer Hình 2.2 Quá trình biến đổi của PVA khi bị chiếu xạ bởi nguồn phóng xạ gamma Hình 2.3 Minh hoạ khuyết tật lỗ trống đôi cation-anion (Schottky) và lỗ trống cation (khuyết tật Frenkel) trong mạng tinh thể ion hai chiều Hình 2.4 Dịch chuyển tầng Hình 2.5 Cơ chế tạo khuyết tật dưới ngưỡng Hình 2.6 Minh họa tâm màu Hình 2.7 Tính lưỡng trị của hàm đặc trưng liều Hình 2.8 Các trạng thái kích thích phân tử Hình 2.9 Mô hình minh họa định luật Lambert-Beer Hình 2.10 Hệ phổ kế UV-VIS 2450 tại Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội Hình 3.1 Sơ đồ phân rã với các chuyển mức chính của nguồn gamma công nghiệp 60Co Hình 3.2 Khu vực chiếu mẫu bằng nguồn gamma 60Co Hình 3.3 Phổ hấp thụ của phim MB/PVA khi được chiếu xạ với các liều khác nhau ở khoảng bước sóng từ 500 nm đến 750 nm Hình 3.4 Phổ hấp thụ của phim MO/PVA khi được chiếu xạ với các liều khác nhau ở bước sóng từ bước sóng từ 300 nm đến 600 nm Hình 3.5 Cấu trúc phân tử của chất chỉ thị màu crystal violet (a), methyl red (b), methylene blue (c) và methyl orange (d) vi
Hình 3.6 Phổ hấp thụ của phim MR/PVA được chiếu xạ khoảng liều khác nhau ở dải bước sóng từ 400 nm đến 600 nm Hình 3.7 Phổ hấp thụ của phim CV/PVA được chiếu xạ khoảng liều khác nhau ở dải bước sóng từ 550 nm đến 650 nm Hình 3.8 Mô tả đường đặc trương liều của phim mỏng PVA nhuộm các màu khác nhau tại các bước sóng đỉnh hấp thụ đặc trưng Hình 3.9 Sự thay đổi giá trị mật độ quang trên các phim nhuộm màu có chứa %PVA khác nhau trước khi được chiếu xạ gamma tại bước sóng 668 nm Hình 3.10 Sự thay đổi giá trị A/d trên các phim mỏng có %PVA khác nhau tại bước sóng 668 nm Hình 3.11 Giá trị mật độ quang trung bình của các loại phim trước và sau khi được chiếu xạ gamma tại đỉnh hấp thụ có bước sóng 668 nm Hình 3.12 Sự thăng giáng giá trị mật độ quang của các phim tại bước sóng 668 nm sau khi được chiếu trên nguồn gamma ở liều 25 kGy Hình 3.13 Sự thay đổi giá trị mật độ quang trên các phim nhuộm màu với lượng axit boric khác nhau trước chiếu xạ gamma tại bước sóng 668 nm Hình 3.14 Sự thay đổi giá trị A/d trên các phim mỏng có chứa lượng axit boric khác nhau tại bước sóng 668 nm Hình 3.15 Sự thăng giáng giá trị mật độ quang của các phim tại bước sóng 668nm sau khi được chiếu trên nguồn nơtron nhiệt 10 giờ Hình 3.16 Sự thay đổi giá trị mật độ quang của phim PVA nhuộm Methylene blue và không có axit boric, được chiếu trong 10 giờ Hình 3.17 Cấu trúc kênh ngang tại Lò nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt Hình 3.18 Cấu trúc hệ che chắn và dẫn dòng nơtron qua phin lọc trên kênh số 2 của Lò nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt Hình 3.19 Sự thay đổi giá trị mật độ quang của phim PVA nhuộm Methylene blue với 100 mg Axit boric và được chiếu trong 10 giờ Hình 3.20 Sự thay đổi giá trị mật độ quang của phim PVA nhuộm Methylene blue có LiF và được chiếu trong 10 giờ vii
Hình 3.21 Sự thay đổi giá trị mật độ quang của phim PVA nhuộm Methylene blue có Lithium hydroxide monohydrate và được chiếu trong 10 giờ Hình 3.22 Sự thay đổi giá trị mật độ quang của phim PVA nhuộm Methylene blue có Sulfat cadmium và được chiếu trong 10 giờ Hình 3.23 Sự thay đổi giá trị mật độ quang của phim PVA nhuộm Methylene blue có Natri borat decahodrat và được chiếu trong 10 giờ Hình 3.24 Sự thay đổi giá trị A/d trên các phim mỏng có chứa lượng axit boric khác nhau tại bước sóng 668 nm Hình 3.25 Sự thay đổi giá trị mật độ quang của phim PVA nhuộm màu Methylene blue có chứa khối lượng axit boric khác nhau tại bước sóng 668 nm viii
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Sự phát triển bền vững của Vật lý hạt nhân, Công nghệ hạt nhân, Công nghệ bức xạ và các lĩnh vực ứng dụng liên quan trong nền kinh tế quốc dân như công nghiệp, nông nghiệp, y tế, v.v… đều gắn liền với lĩnh vực liều lượng học. Lĩnh vực này với sự phát triển đa dạng và tính ứng dụng cao nhằm kiểm tra chính xác sự phân bố liều chiếu xạ trên vật phẩm được chiếu xạ. Kỹ thuật đo liều bức xạ nói chung đều dựa trên quá trình đánh giá năng lượng hấp thụ mà bức xạ truyền trực tiếp cho vật chất thông qua quá trình tăng nhiệt độ, hoặc đo năng lượng hấp thụ thông qua các quá trình thứ cấp diễn ra trong vật chất như ion hoá, biến đổi cấu trúc, các phản ứng hoá học, sinh học, sự biến màu của vật liệu, v.v… Các loại liều kế màng mỏng nhuộm màu Poly(vinyl alcohol) (PVA) sử dụng vật liệu hữu cơ là loại vật liệu tương đương mô, do đó chúng rất được ưa chuộng dùng làm liều kế trong phép đo liều gamma, đặc biệt trong lĩnh vực công nghệ bức xạ. Bằng cách đưa thêm các chất nhuộm màu và các chất phụ gia khác nhau vào các phim mỏng PVA, chúng ta có thể tính toán được liều hấp thụ của phim dựa trên quá trình biến đổi màu sắc trên phim. Loại liều kế màng mỏng PVA thường được dùng làm liều kế thường quy trong ngành công nghệ bức xạ. Bên cạnh đó, các loại liều kế màng mỏng cũng có thể dùng để đo liều nơtron và các loại bức xạ khác. Tuy nhiên cơ chế tương tác của bức xạ nơtron với vật liệu màng mỏng cũng như với màu thuốc nhuộm và chất phụ gia đưa vào phim rất phức tạp. Chính vì vậy chúng ít được chú ý vì khó đánh giá được độ nhạy trong dải liều nghiên cứu do chưa biết chính xác dạng hàm đặc trưng liều. Với quan điểm đo liều trong dải rộng và áp dụng các hàm toán học mô tả đường đặc trưng liều hợp lý, cũng như việc lựa chọn các chất nhuộm màu và chất phụ gia thích hợp, luận án kỳ vọng giải quyết được vấn đề xác định hàm đặc trưng liều và độ nhạy của loại liều kế màng mỏng dùng để đo liều bức xạ gamma trong công nghệ bức xạ và nơtron trên Lò nghiên cứu. Cùng với kế họach xây dựng và đưa vào họat động Lò nghiên cứu mới để chế tạo đồng vị phóng xạ và phục vụ cho chương trình điện hạt nhân trong tương lai 1
thì lĩnh vực đo liều lượng gamma và nơtron trong việc kiểm soát liều lượng bức xạ, đảm bảo an toàn cho con người vận hành và sử dụng bức xạ cũng như các sản phẩm công nghệ liên quan là vô cùng cần thiết. Chính vì vậy, luận án “NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP ĐO LIỀU BỨC XẠ GAMMA VÀ NƠTRON DÙNG LIỀU KẾ MÀNG MỎNG NHUỘM MÀU” được xây dựng nhằm tạo ra một loại liều kế có khả năng kiểm soát được liều hấp thụ của bức xạ gamma và nơtron. 2. Mục đích của luận án Mục tiêu nghiên cứu của luận án là chế tạo được loại liều kế màng mỏng hữu cơ nhuộm màu đo được cả liều bức xạ gamma và nơtron, đồng thời xác định được độ nhạy, dải liều cũng như hàm đặc trưng liều của liều kế. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu chế tạo liều kế màng mỏng nhuộm màu trong kiểm soát liều cao của bức xạ gamma tại cơ sở họat động công nghệ chiếu xạ, liều nơtron tại kênh số 2 Lò nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt. 4. Nội dung luận án - Nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng một số liều kế màng mỏng nhuộm màu dùng đo liều chiếu bức xạ gamma và nơtron; - Nghiên cứu những yếu tố ảnh hưởng các đặc trưng của liều kế màng mỏng nhuộm màu đo liều chiếu bức xạ gamma và nơtron, từ đó đưa ra biện pháp xử lý phù hợp; - Xác định các hàm đặc trưng liều cho các loại màng mỏng nhuộm màu; - Lựa chọn loại liều kế có những đặc trưng làm việc tốt nhất. Các thí nghiệm này đã được thực hiện tại Trung tâm Kỹ thuật Hạt nhân, Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân, Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội, Viện Nghiên cứu Hạt nhân, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam. 5. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận chung và tư liệu tham khảo, luận án được chia thành 3 chương, bao gồm: Chương I. Tổng quan nghiên cứu Chương II. Phương pháp và thiết bị nghiên cứu Chương III. Kết quả và thảo luận 2
6. Ý nghĩa khoa học và những đóng góp mới của luận án Luận án đã nghiên cứu và chế tạo thành công liều kế màng mỏng PVA nhuộm màu có khả năng kiểm soát liều bức xạ gamma trong khoảng liều rộng, có độ nhạy bức xạ tối ưu nhất có thể. Bên cạnh đó, luận án là công trình đầu tiên nghiên cứu tính chất của phim màng mỏng PVA khi chúng được chiếu trên chùm nơtron nhiệt tại kênh số 2 của Lò nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt. Từ kết quả nghiên cứu, luận án đã đăng tải được 06 công trình khoa học đăng tải trên tạp chí trong nước và quốc tế, 01 công trình được trình bày trong hội nghị Khoa học và Công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ XI. 7. Ý nghĩa thực tiễn của luận án Kết quả nghiên cứu của luận án đã góp phần phát triển một loại liều kế màng mỏng mới có khả năng kiểm soát liều bức xạ gamma trong khoảng liều rộng và liều bức xạ nơtron với thông lượng lớn. 3
CHƯƠNG I TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới Lịch sử phát triển của liều lượng học trên thế giới được ghi nhận chính thức đầu tiên vào năm 1925 với khái niệm về đơn vị phóng xạ và đo lường. Từ đó đến nay, lĩnh vực liều lượng học bức xạ đã phát triển mạnh mẽ gắn liền với các lĩnh vực nghiên cứu cơ bản và ứng dụng vật lý hạt nhân trên khắp thế giới. Có thể nói bất cứ ở đâu có sử dụng bức xạ là ở đó cần tới các thiết bị đo liều lượng. Phép đo liều lượng vừa cung cấp các số liệu nghiên cứu chính xác cho khoa học vừa đảm bảo an toàn cho con người. Những nghiên cứu đầu tiên trong việc kiểm soát liều cao gây ra bởi đồng thời bức xạ gamma và nơtron được tiến hành nghiên cứu ở lò phản ứng tại Liên Xô trước đây thông qua công trình đăng tải của nhóm tác giả Ya. I. Lavrentovich và các cộng sự vào năm 1965 [77]. Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm một loại vật liệu hòan toàn mới PVA dùng làm liều kế. Đây chỉ là nghiên cứu có tính chất khảo sát hiệu ứng của phim PVA với bức xạ gamma và nơtron. Tuy nhiên trong nghiên cứu này, nhóm tác giả không có bất kỳ một đánh giá nào liên quan đến độ nhạy của film trong dải liều nghiên cứu bởi chưa biết chính xác dạng hàm đặc trưng liều. Tiếp sau những nghiên cứu của nhóm tác giả người Liên Xô đến nay, đã có nhiều các nhà khoa học khác nghiên cứu các loại liều kế gamma kiểm soát liều bức xạ. Điển hình là nghiên cứu về cấu trúc vết của Robert Katz, S. C. Sharma và M. Homayoonfar công bố năm 1972 [59]. Lý thuyết cấu trúc vết môi trường nghiên cứu gồm các phần tử nhạy bức xạ đồng nhất với nhau được gắn chặt trong một ma trận sao cho có thể coi là một môi trường truyền năng lượng. Lý thuyết này được nhóm tác giả sử dụng để nghiên cứu các loại liều kế bức xạ khác nhau. Đến những năm 1980, trong nghiên cứu của mình, nhóm tác giả Johnny W. Hansen, Mikael Jensen và Robert Katz, đã tiến hành nghiên cứu về liều kế phim nhuộm màu radiochromic hay trên liều kế Fricke [39, 56]. Các tác giả đã sử dụng lý 4
thuyết vết của Robert Katz [59] để so sánh đánh giá với giá trị thực nghiệm thu nhận được trên liều kế phim nhuộm màu radiochromic hay trên liều kế Fricke. Bằng việc sử dụng nguồn phát gamma 60 Co, electron, proton hay các ion oxygen ở liều thấp, nhóm nghiên cứu đã đánh giá hàm đặc trưng trên từng đối tượng khác nhau. Cũng từ chính kết quả thực nghiệm đã chỉ ra rằng lý thuyết vết của Robert Katz và các cộng sự công bố năm 1972 không đúng hòan toàn trong mọi trường hợp bởi nó chưa mô tả được hiệu ứng suất liều, hiệu ứng liều siêu cao và một số hiệu ứng khác. Để có thể kiểm soát được liều bức xạ gamma, đã có nhiều nghiên cứu liên quan đến các loại vật liều màng mỏng khác nhau như hệ thống liều kế phim mỏng radiochromic của A. Miller cùng các cộng sự [17] hay liều kế dạng phim Cellulose Diacetate [75] của William L. McLaughlin và các cộng sự cùng được công bố vào năm 1988. Các nhóm tác giả trên đã nghiên cứu và chế tạo liều kế phim từ các vật liệu khác nhau như PVB và cellulose diacetate dựa trên sự biến đổi màu sắc khi được chiếu xạ gamma ở dải liều 104 Gy đến 2x106 Gy. Các nhà nghiên cứu đã tiến hành khảo sát sự ảnh hưởng của suất liều, nhiệt độ, độ ẩm đến sự đổi màu của phim trước và sau quá trình chiếu xạ. Tuy nhiên các nghiên cứu chỉ khảo sát trên khoảng liều rất cao, chưa đưa ra được hàm đặc trưng liều trong phạm vi nghiên cứu và chỉ mang tính chất nghiên cứu hiệu ứng. Trong những năm gần đây, các loại liều kế màng mỏng nhuộm màu sử dụng vật liệu hữu cơ PVA rất được ưa chuộng dùng làm liều kế trong phép đo liều gamma đặc biệt trong lĩnh vực công nghệ bức xạ. Nghiên cứu hiệu ứng của bức xạ gamma lên PVA nhuộm màu TBPE (tetrabromophenolphthalein ethyl ester) đã được tiến hành. Tác giả M. El.Kelany đã tiến hành nghiên cứu và thấy PVA chuyển màu từ xanh nước biển sang màu xanh lá cây và xanh xám khi chiếu trong khoảng liều từ 1 kGy đến 5 Gy phụ thuộc vào hàm lượng TCA (tri-chloro acetamid) có trong phim [45]. Nghiên cứu đặc tính đo liều trên phim PVA nhuộm màu Henna của nhóm tác giả Muhammad Attique Khan Shahid cùng cộng sự [ 49], hay methyl đỏ của N V Bhat và cộng sự [50], và Linda F. Gudeman cùng cộng sự [43].Trong đó, các tác giả đã tiến hành khảo sát và tìm thấy mối tương quan giữa hàm lượng của các chất nhạy màu khác nhau, giá trị pH khác nhau khi đưa vào PVA với giá trị hấp thụ riêng tại 5
bước sóng đặc trưng màu. Các kết quả nghiên cứu cho thấy giá trị pH, EC có trong dung dịch làm phim PVA là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ riêng của phim. Tuy vậy, những yếu tố đặc trưng của phim PVA như độ nhạy, độ tuyến tính, độ lặp lại chưa được đề cập ở đây. Sử dụng phim PVA có thêm Ethyl violet và bromophenol chiếu bức xạ gamma phát ra từ nguồn 60Co trong dải liều cao từ 1-30kGy của nhóm tác giả Seif Ebraheem, Moushera El-Kelany [62], thêm methylen blue, Methyl orange chiếu bức xạ gamma trong dải liều 100 kGy đến 200 kGy của nhóm tác giả Shaheen Akhtar cùng cộng sự [63-64] (Hình 1.1) hay PVA nhuộm màu TBPE (tetrabromophenolphthalein ethyl ester) của tác giả M. El.Kelany [45]. Các nghiên cứu đã tiến hành khảo sát chi tiết sự thay đổi màu sắc trên phim khi được chiếu xạ ở những hàm lượng chất đưa vào, độ pH, độ dày phim khác nhau. Kết quả thu được cho thấy PVA được nhuộm màu Ethyl violet và bromophenol có thể dùng để tạo ra liều kế bức xạ với khoảng liều lên đến 70 kGy. Trong khi đó phim có chứa chloral hydrat chỉ ghi được hiệu ứng tốt nhất ở khoảng liều thấp hơn từ 5 kGy đến 30 kGy [15]. Và phim có chứa methylen blue có hiệu ứng tốt ở khoảng liều 100 kGy đến 200 kGy. Đối với loại phim PVA nhuộm màu TBPE, nhóm nghiên cứu nhận quá trình chuyển màu từ xanh nước biển sang màu xanh lá cây và xanh xám khi chiếu trong khoảng liều từ 1 kGy đến 5 kGy phụ thuộc vào hàm lượng TCA có trong phim. Ưu điểm của loại phim này là có độ bền cao sau khi được chiếu xã và dễ bảo quản. Hình 1.1: Sự biến đổi màu của phim PVA nhuộm Methylene blue (a) [63] và Methyl orange (b) [64] trước và sau khi được chiếu xạ gamma. Từ những thống kê trên, việc nghiên cứu các loại liều kế màng mỏng nhuộm màu để xác định liều chiếu bức xạ gamma trên thế giới rất phát triển và còn tiếp tục nghiên cứu khai thác đưa vào sử dụng trong nghành công nghệ bức xạ, y tế và cả 6
trong lò phản ứng. Tuy nhiên, các nghiên cứu này mới dùng lại ở việc nghiên cứu khảo sát các hiệu ứng của liều kế phim khi bị chiếu xạ gamma ở những dải liều khác nhau, chưa tìm được hàm đặc trưng liều cho từng dải liều nghiên cứu. Ngoài ra, việc nghiên cứu liều nơtron bằng một số liều màng mỏng lại ít được quan tâm nghiên cứu trên thế giới. Sau nghiên cứu của nhóm tác giả người Liên Xô Ya. I. Lavrentovich [77], hầu như không có nghiên cứu nào sử dụng kỹ thuật màng mỏng PVA nhuộm màu để xác định liều của nơtron. Hầu hết các nghiên cứu xác định liều bức xạ nơtron về sau đều sử dụng kỹ thuật detector vết. Có thể kể một số kết quả nghiên cứu điển hình dưới đây như: - Kiểm soát thông lượng của nơtron nhiệt thông qua phim mỏng có chứa Uranium tự nhiên của G. Bigazzi và các cộng sự [29]. Dựa trên phản ứng phân hạch 235U(n,f), để tạo ra các hạt alpha và các hạt này sẽ tạo ra vết trên bề mặt phim mỏng. Cùng với kỹ thuật đếm vết, nhóm nghiên cứu đã xác định mối tương quan giữa số vết ghi nhận được trên phim mỏng với thông lượng của nơtron nhiệt. Kết quả nghiên cứu này mới chỉ có tính chất khảo sát hiệu ứng ghi nhận nơtron để xác định thông lượng nơtron, mà chưa đề cập đến việc xác định liều bức xạ nơtron gây ra trên film mỏng. - Nhóm các tác giả Robert A. Dudley đã sử dụng khả năng đáp ứng của nhũ tương ảnh với nơtron nhiệt và nơtron nhanh thông qua việc ghi nhận vết. Dựa trên các phản ứng của 14N, 6Li và 10B với nơtron để tạo ra các hạt mang điện như proton và alpha và các hạt này sẽ tạo ra các vết trong nhũ tương ảnh. Các tác giả chỉ nghiên cứu và ứng dụng trong khoảng liều nhỏ, có vai trò như kiểm soát liều cá nhân [57]. - Nhóm tác giả Milena Cernilogar Radez cùng cộng sự [48] tiến hành nghiên cứu xác định thông lượng nơtron nhiệt bằng phương pháp detector vết dựa trên phản ứng 10B(n,)7Li. Nhóm nghiên cứu phủ một lớp mỏng 10B lên detector rồi mang đi chiếu trên nguồn nơtron, sau đó tiến hành tẩm thực và mang đếm vết. Những vết này được tạo ra từ hạt alpha mang năng lượng cao 2,3MeV tạo ra trên bề mặt detector. Từ mặt độ vết ghi nhận được, nhóm nghiên cứu tính toán được thông lượng của chùm nơtron nhiệt theo công thức: i − i0 i = (1.1) Ki 7
trong đó  i mật độ vết ghi nhận được,  i 0 là mật độ vết phông, K i là hệ số đáp ứng của detector, i là chỉ số của detector. Ưu điểm của phương pháp này là độ nhạy cao với dòng nơtron nhiệt, tính chọn lọc cao loại bỏ được yếu tố ảnh hưởng môi trường. Tuy nhiên loại liều kế này chỉ phù hợp như một liều kế cá nhân với suất liều hàng năm nhỏ hơn 1 mSv/năm. Hiện nay, để kiểm soát suất liều thấp đối với nơtron, các nghiên cứu tập chung vào phát triển loại liều kế nhiệt phát quang có gắn thêm một số chíp đặc biệt để ghi nơtron. Nguyên lý chung của liều kế nhiệt phát quang (TLD) có đồng thời hai chíp 6LiF và 7LiF để xác định đồng thời liều nơtron và gamma. Trong đó 7Li có trong liều kế đáp ứng được với bức xạ gamma, còn 6Li phù hợp cho cả gamma, nơtron nhiệt và các vùng năng lượng cộng hưởng. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đặc biệt quan tâm tới việc xác định liều nơtron nhiệt và nơtron nhanh bằng liều kế TLD trong việc kiểm soát liều cá nhân [17]. 1.1.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam Ở Việt Nam, ngay từ những năm 1980, các nghiên cứu đầu tiên về công nghệ bức xạ đã được tiến hành triển khai tại Lò nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt. Công việc kiểm soát an toàn bức xạ ngay từ những thời điểm ban đầu đều được quan tâm chú ý. Bên cạnh việc sử dụng các loại liều kế nhập ngoại thì những nghiên cứu đầu tiên về kỹ thuật đo liều cho công nghệ bức xạ cũng được quan tâm nghiên cứu. Những nghiên cứu đầu tiên về kỹ thuật đo liều cho ngành công nghệ bức xạ được thực hiện tại Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân. Việc sử dụng phim màng mỏng PVA có chứa thêm ferrous ammonium và axit sulphat trong kiểm soát liều cao gamma đã được tiến hành nghiên cứu và đã có một số công bố đầu tiên năm 1997 trên tạp chí chuyên ngành [66, 72]. Trong công bố của mình, nhóm nghiên cứu đã ghi nhận được sự thay đổi mật độ quang của phim khi chiếu trên nguồn gamma ở khoảng liều từ 0,5 đến 80 kGy. Dựa trên vật liệu PVA nhuộm các màu khác nhau như methyl đỏ [52] hay bromocresol [3], các nghiên cứu đã khảo sát sự biến đổi màu sắc trên phim màng mỏng để từ đó đánh giá khả năng tương tác của phim với bức xạ gamma. Từ các nghiên cứu trên, các nhà khoa học cũng tại Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân đã tiếp tục nghiên cứu các hiệu ứng hoá lý trong tương tác của bức xạ 8