Một số kết quả nghiên cứu ban đầu về sự biến đổi màu của phim poly(vinyl alcohol) chiếu trên nguồn nơtron nhiệt

Trường Đại học Vinh<br /> <br /> Tạp chí khoa học, Tập 46, Số 4A (2017), tr. 5-10<br /> <br /> MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU BAN ĐẦU VỀ SỰ BIẾN ĐỔI MÀU<br /> CỦA PHIM POLY(VINYL ALCOHOL)<br /> CHIẾU TRÊN NGUỒN NƠTRON NHIỆT<br /> Võ Thị Anh (1), Nguyễn Thành Công (2), Trịnh Văn Giáp (1)<br /> Trần Đại Nghiệp (1), Phạm Ngọc Sơn (3)<br /> 1<br /> Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân<br /> 2<br /> Trường Đại học Vinh<br /> 3<br /> Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt<br /> Ngày nhận bài 05/01/2018, ngày nhận đăng 07/3/2018<br /> Tóm tắt: Phim mỏng poly(vinyl alcohol) đƣợc nhuộm màu xanh methylene bị<br /> biến đổi màu khi chúng đƣợc chiếu trên chùm nơtron nhiệt tại kênh số 2 của lò phản<br /> ứng hạt nhân Đà Lạt. Thông lƣợng nơtron nhiệt tại vị trí chiếu mẫu là 1,6x106<br /> nơtron/cm2.s. Các phim nhuộm màu đƣợc chiếu liên tục trên nguồn nơtron trong 1 giờ,<br /> 2 giờ, 4 giờ, 8 giờ và 12 giờ. Phƣơng pháp quang phổ kế UV-VIS đƣợc sử dụng trong<br /> việc xác định mật độ quang của phim trƣớc và sau khi chiếu trên nguồn nơtron nhiệt tại<br /> bƣớc sóng 668 nm. Giá trị mật độ quang của phim giảm khi thời gian chiếu phim trên<br /> nguồn tăng lên. Đƣờng đặc trƣng mô tả mối quan hệ giữa giá trị mật độ quang và thời<br /> gian chiếu phim đƣợc xác định bằng mô hình truyền năng lƣợng.<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Poly(vinyl alcohol) (PVA) là chất rắn cao phân tử gồm nhiều nhóm phân tử là các<br /> chuỗi đơn phân tử đƣợc sắp xếp theo thứ tự lặp lại nhiều lần, nối với nhau bằng các mối<br /> liên kết hoá học. PVA là loại vật liệu tƣơng đƣơng mô, chiếm một vị trí rất nhỏ trong<br /> không gian. Chúng rất đƣợc ƣa chuộng dùng làm liều kế trong phép đo liều gamma, đặc<br /> biệt trong lĩnh vực công nghệ bức xạ bởi vì khi bị chiếu xạ bởi bức xạ ion hoá thì tính<br /> chất vật lý của PVA bị thay đổi [1-4]. Mức độ và tính chất của sự thay đổi này phụ thuộc<br /> vào cấu tạo thành phần phân tử của PVA và năng lƣợng của bức xạ ion hoá [5]. Các nhà<br /> nghiên cứu đã sử dụng các phim màng mỏng PVA nhuộm một số màu khác nhau để<br /> kiểm soát liều gamma từ thấp đến cao. Hầu hết các nghiên cứu này đã khảo sát một cách<br /> chi tiết các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng làm việc của phim mỏng đổi màu nhƣ pH,<br /> hàm lƣợng màu đƣa vào, độ dày mỏng của phim, môi trƣờng bảo quản phim sau khi<br /> chiếu và xác định dạng hàm đặc trƣng liều cho từng dải liều nghiên cứu [6-16].<br /> Mặc dù các phim mỏng này đƣợc nghiên cứu và khảo sát nhƣ một liều kế thƣờng<br /> quy trong quá trình công nghệ bức xạ sử dụng nguồn gamma, nhƣng chúng ít đƣợc<br /> nghiên cứu trên nguồn nơtron. Chính vì vậy chúng tôi tiến hành nghiên cứu bƣớc đầu sự<br /> biến đổi màu của phim PVA trƣớc và sau khi đƣợc chiếu trên nguồn nơtron nhiệt. Chúng<br /> tôi cũng tiến hành khảo sát sự biến đổi mật độ quang của phim khi chúng đƣợc lƣu giữ<br /> tại điều kiện phòng thí nghiệm sau khi đƣợc chiếu. Đƣờng cong thể hiện mối quan hệ<br /> giữa thời gian chiếu mẫu và giá trị mật độ quang đặc trƣng của phim tƣơng ứng cũng<br /> đƣợc xác định trong nghiên cứu này.<br /> 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> Phim PVA nhuộm màu đƣợc làm từ bột PVA có khối lƣợng mol phân tử là<br /> .<br /> <br /> Email: nhatancong@gmail.com (N. T. Công)<br /> <br /> 5<br /> <br /> V. T. Anh, N. T. Công, T. V. Giáp, T. Đ. Nghiệp, P. N. Sơn / Một số kết quả nghiên cứu ban đầu…<br /> <br /> Mw = 89000-98000 g/mol, thuỷ phân đạt 99% và đƣợc cung cấp bởi hãng SIGMA. Chất<br /> nhuộm màu đƣợc dùng để nhuộm phim là methylene blue 10-3M (C16H18ClN3SxxH2O,<br /> Mw = 319,86).<br /> Dung dịch PVA có chứa chất nhuộm màu đƣợc khuấy đều trên bếp khuấy từ và<br /> duy trì ở nhiệt độ từ 70oC đến 80oC cho đến khi hỗn hợp dung dịch mẫu đƣợc đồng nhất.<br /> Dung dịch mẫu khi chuyển từ màu trắng đục sang màu trắng trong thì đạt đƣợc độ đồng<br /> nhất của dung dịch. Khi dung dịch mẫu hạ nhiệt độ xuống khoảng 45oC đến 50oC thì bắt<br /> đầu đổ từ từ dung dịch ra tấm kính phẳng để tạo màng mỏng. Điều kiện làm mẫu ở nhiệt<br /> độ phòng thí nghiệm. Tấm kính với màng dung dịch sẽ khô tự nhiên trong vòng 72 giờ.<br /> Màng PVA đƣợc bóc ra khỏi mặt kính và cắt thành những phim mỏng có kích thƣớc 0,8<br /> cm x 4 cm và độ dày 0,02 mm, đƣợc bảo quản trong các túi tối màu. Các phim mỏng<br /> đƣợc đem chiếu nơtron nhiệt tại kênh số 2 trên lò phản ứng hạt nhân thuộc Viện Nghiên<br /> cứu Hạt nhân Đà Lạt với các khoảng thời gian chiếu mẫu 1 giờ, 2 giờ, 4 giờ, 8 giờ và 12<br /> giờ. Mẫu sau chiếu xạ đƣợc tiến hành xác định đỉnh mật độ hấp thụ quang đặc trƣng ở<br /> bƣớc sóng 668 nm trên hệ quang phổ kế UV-VIS 1240 (Shimadzu).<br /> Từ kết quả giá trị mật độ quang của phim trƣớc và sau khi chiếu trên nguồn<br /> nơtron nhiệt, chúng tôi tiến hành khảo sát và tìm ra quy luật biến đổi giá trị mật độ quang<br /> của phim khi đƣợc lƣu giữ trong điều kiện phòng thí nghiệm. Chúng tôi xác định đƣờng<br /> đặc trƣng liều của phim tại đỉnh hấp thụ năng lƣợng có bƣớc sóng 668 nm.<br /> 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> 3.1 Khảo sát sự biến đổi giá trị mật độ quang của phim<br /> Nghiên cứu sự đổi màu của phim mỏng PVA nhuộm màu methylene blue, chúng<br /> tôi tiến hành khảo sát sự thay đổi mật độ quang của phim khi quét ở tần số bƣớc sóng từ<br /> 190 nm đến 800 nm và xác định mật độ quang tại đỉnh hấp thụ đặc trƣng có bƣớc sóng<br /> 668 nm. Sai số của phép đo mật độ quang của phim tại đỉnh hấp thụ đặc trƣng là ±2%.<br /> Hình 1 mô tả quá trình biến đổi màu của phim mỏng PVA đƣợc nhuộm màu xanh sau khi<br /> chiếu từ 3 đến 28 ngày và đƣợc cất giữ trong bình hút ẩm với điều kiện nhiệt độ của<br /> phòng thí nghiệm. Bởi vì sau khi chiếu trên lò, mẫu mới đƣợc chuyển ra Hà Nội để đo<br /> nên chúng tôi không thể đo ngay trong ngày chiếu mẫu. Chính vì vậy, việc khảo sát sự<br /> biến đổi giá trị mật độ quang của phim sau khi chiếu trong vòng một tháng sẽ giúp chúng<br /> tôi ngoại suy đƣợc giá trị mật độ quang của phim ngay tại thời điểm vừa đƣợc chiếu<br /> xong.<br /> Hình 1 cho thấy trong vòng 5 đến 10 ngày đầu tiên sau chiếu, giá trị mật độ<br /> quang của phim gần nhƣ đã trở về trạng thái bão hoà. Hiện tƣợng này có thể đƣợc giải<br /> thích bởi hiệu ứng nhớ của vật liệu sau khi bị chiếu xạ. Sau khi đƣợc chiếu xạ, các phim<br /> này đƣợc bảo quản trong bình hút ẩm có hút chân không nên đã loại bỏ quá trình oxy hóa<br /> sau bức xạ [17].<br /> Nhƣ vậy, để đánh giá đúng đƣợc giá trị mật độ quang của phim ngay sau khi<br /> chiếu xạ, phim cần đƣợc đo ngay trong vòng 48 tiếng đầu tiên sau khi chiếu. Tuy nhiên,<br /> khoảng thời gian vận chuyển mẫu sau khi chiếu nhiều hơn 2 ngày, khiến cho việc xác<br /> định giá trị mật độ quang của phim sau khi chiếu xạ không thể thực hiện đƣợc ngay. Vì<br /> thế chúng tôi đã tiến hành khảo sát hệ số hiệu chỉnh kết quả cho từng loại phim có thời<br /> <br /> 6<br /> <br /> Trường Đại học Vinh<br /> <br /> Tạp chí khoa học, Tập 46, Số 4A (2017), tr. 5-11<br /> <br /> gian chiếu khác nhau thông qua hàm làm khớp mô tả xu hƣớng biến đổi màu của phim<br /> sau khi chiếu.<br /> <br /> Hình 1: Sự biến đổi mật độ quang sau khi chiếu trên nguồn nơtron của phim PVA<br /> theo thời gian lưu cất mẫu tại đỉnh hấp thụ 668 nm<br /> Để có thể xác định đƣợc hệ số hiệu chỉnh phù hợp với thời điểm đo mật độ quang<br /> sau khi chiếu, chúng tôi sử dụng hàm mũ suy giảm một dẫn xuất của mô hình truyền<br /> năng lƣợng có dạng [17-19]<br /> (1)<br /> abs  aebd  c<br /> trong đó abs là giá trị mật độ quang ghi nhận đƣợc tại đỉnh hấp thụ đặc trƣng với số ngày<br /> lƣu giữ d (ngày). Hình 1 và bảng 1 mô tả giá trị làm khớp hàm theo công thức (1).<br /> Bảng 1: Các hệ số làm khớp của các phim chiếu trong các khoảng thời gian khác nhau<br /> Thời gian chiếu<br /> [giờ]<br /> 1<br /> 2<br /> 4<br /> 8<br /> 12<br /> <br /> a<br /> <br /> b<br /> <br /> c<br /> <br /> R2<br /> <br /> -0,32±0,05<br /> -0,38±0,06<br /> -0,64±0,11<br /> -0,35±0,04<br /> -0,24±0,060<br /> <br /> 0,19±0,05<br /> 0,21±0,04<br /> 0,34±0,05<br /> 0,12±0,05<br /> 0,08±0,07<br /> <br /> 1,55±0,01<br /> 1,59±0,01<br /> 1,59±0,01<br /> 1,52±0,04<br /> 1,46±0,09<br /> <br /> 0,91<br /> 0,94<br /> 0,96<br /> 0,92<br /> 0,81<br /> <br /> Sau khi xác định đƣợc đƣờng cong biến đổi mật độ quang theo thời gian lƣu mẫu,<br /> chúng tôi đã xác định đƣợc giá trị mật độ quang của các phim tại thời điểm ngay sau khi<br /> chiếu trên nguồn nơtron (bảng 2).<br /> <br /> 7<br /> <br /> V. T. Anh, N. T. Công, T. V. Giáp, T. Đ. Nghiệp, P. N. Sơn / Một số kết quả nghiên cứu ban đầu…<br /> <br /> Bảng 2: Giá trị mật độ quang của phim trước và ngay sau khi chiếu trên nguồn nơtron nhiệt<br /> Giá trị mật độ quang<br /> 0 giờ<br /> 1giờ<br /> 2 giờ<br /> 4 giờ<br /> 8 giờ<br /> 12 giờ<br /> 1,585±0,03 1,285±0,08 1,278±0,09 1,129±0,18 1,213±0,07 1,244±0,09<br /> 3.2 Đường đặc trưng liều<br /> Việc xác định đặc trƣng liều của phim là một công việc quan trọng và cần thiết.<br /> Hàm đặc trƣng liều mô tả mối quan hệ giữa thời gian chiếu mẫu với giá trị mật độ quang<br /> của phim sau khi đƣợc chiếu. Về nguyên tắc, hàm đặc trƣng liều thƣờng xuất phát từ khái<br /> niệm về hàm đặc trƣng của quá trình truyền năng lƣợng của bức xạ đối với vật chất dùng<br /> làm liều lƣợng kế. Theo mô hình truyền năng lƣợng, hàm đặc trƣng liều hấp thụ D của<br /> các loại liều kế có thể biểu diễn dƣới dạng hàm mũ nhƣ sau [16], 17]:<br /> k 0<br /> <br /> D<br /> <br /> k 0<br /> <br /> D<br /> <br /> (2)<br /> n( D)  n s [1  e D ]  no e D '<br /> trong đó D’ là suất liều, ns là mật độ các phần tử kích hoạt tại liều vô cùng lớn (D = ∞);<br /> n0 là mật độ các phần tử kích hoạt tại liều D = 0, k0= p+q với p là xác suất để một phần tử<br /> nhạy bức xạ trở thành phần tử kích hoạt và q là xác suất để một phần tử kích hoạt bị khử<br /> kích hoạt tính cho một đơn vị thời gian,<br /> là thời gian mẫu đƣợc chiếu trên nguồn<br /> phóng xạ.<br /> Hàm đặc trƣng liều của phim mỏng nhuộm xanh methylene khi chiếu trên nguồn<br /> nơtron nhiệt đƣợc xác định bởi công thức (2) và đƣợc biểu diễn trên hình 2 có giá trị ns =<br /> 1,2050,033; k = 1,3360,639; n0 = 1,5830,058; hệ số tƣơng quan giữa lý thuyết và<br /> thực nghiệm R2 = 0,92.<br /> '<br /> <br /> Hình 2: Đường đặc trưng liều của phim PVA nhuộm màu tại bước sóng 668 nm<br /> <br /> 8<br /> <br /> Trường Đại học Vinh<br /> <br /> Tạp chí khoa học, Tập 46, Số 4A (2017), tr. 5-11<br /> <br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Phim mỏng PVA đƣợc nhuộn xanh methylene sau khi đƣợc chiếu trên kênh số 2<br /> của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt với khoảng thời gian chiếu 1 giờ, 2 giờ, 4 giờ, 8 giờ và<br /> 12 giờ đƣợc xác định giá trị mật độ quang trên thiết bị UV-VIS đặt tại Hà Nội. Giá trị<br /> mật độ quang của phim ngay sau khi chiếu đƣợc xác định ngoại suy từ hàm mô tả sự biến<br /> đổi màu của phim theo hàm mũ suy giảm sau khi chiếu trong khoảng thời gian 28 ngày.<br /> Đƣờng đặc trƣng liều mô tả mối quan hệ giữa thời gian chiếu phim và giá trị mật độ<br /> quang đƣợc xác định bằng mô hình truyền năng lƣợng. Từ kết quả nghiên cứu ban đầu về<br /> sự biến đổi màu của phim PVA khi chiếu trên nguồn nơtron nhiệt tại lò phản ứng hạt<br /> nhân Đà Lạt, chúng tôi thấy phim mỏng nhuộm màu PVA có khả năng sử dụng trong<br /> việc đánh giá liều nơtron tại lò nghiên cứu.<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1] Christie M. Hassan, Nikolaos A.Peppas, Structure and Application of Poly(vinyl<br /> alcohol) hydrogels Produced by Conventional Crosslinking or by Freezing/Thawing<br /> methods, Advances in Polymer Science, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Vol.<br /> 153, 2000.<br /> [2] Abd El-Kader K. M., El-Lawindy A. M. Y., Mansour A. F., Abdel Hamied S. F., Cutout filter for ultraviolet radiation from poly(vinyl alcohol), Journal of Applied<br /> Polymer Science, 2002, Vol. 84, 1295 -1299.<br /> [3] Sharaf F., El-Eraki M. H. I., El-Gohary A. R., Ahmed F. M. A., Mechanical and<br /> relaxation properties of -irradiated PVA doped with ferrous sulphate, Polym. Deg.<br /> and Stab., 1996, 47, 343-348.<br /> [4] Khaled M. A, Optical absorption and microhardness of gamma irradiated poly(vinyl<br /> alcohol) doped with CuClz and CrCI3, Polym. Deg. Stab., Vol. 43, 1994, 373 -377.<br /> [5] N. M. El-Sawy, M. B. El-Arnaouty & A. M. Abdel Ghaffar, γ-Irradiation Effect on<br /> the Non-Cross-Linked and Cross-Linked Polyvinyl Alcohol Films, Journal PolymerPlastics Technology and Engineering, Vol. 49, 2010.<br /> [6] Chung W.,H., Miller A., Film dosimeters based on methylene blue and methyl orange<br /> in polyvinylalcohol, Nuclear Technology, 1994, 261-264.<br /> [7] Robert A. Dudley, Dosimetry with photographic emulsions, Radiation Dosimetry:<br /> Instrumentation, Radiation Dosimetry, Eugene Tochilin, Academic Press 1972.<br /> [8] Susilawati and Aris Doyan, Dose response and optical properties of dyed Poly Vinyl<br /> Alcohol-trichloroacetic acid polymeric blends irradiated with gamma-rays,<br /> American Journal of Applied Sciences 6 (12), 2009, 2071-2077.<br /> [9] Shaheen Akhtar. Taqmeem Hussain. Aamir Shahzad and Qamar-ul-Islam, The<br /> Feasibility of Reactive Dye in PVA Films as High Dosimeter, Journal of Basic &<br /> Applied Sciences, Vol. 9, 2013, 420-423.<br /> [10] Shaheen Akhtar. Taqmeem Hussain. Aamir Shahzad and Qamar-ul-Islam, Radiation<br /> induced decoloration of reactive dye in PVA films for film dosimetry, Journal of<br /> Basic & Applied Sciences, Vol. 9, 2013, 416-419.<br /> <br /> 9<br /> <br />