Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu và phát triển vật liệu lithium aluminate (LiAlO2) để đo liều photon

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý "Nghiên cứu và phát triển vật liệu lithium aluminate (LiAlO2) để đo liều photon" được nghiên cứu với mục tiêu: Tương tác của bức xạ với vật chất, các đại lượng, đơn vị và phương pháp đo liều bức xạ, và tổng quan về vật liệu LiAlO2; Kết quả chế tạo và khảo sát đặc trưng cấu trúc hình thái học của vật liệu LiAlO2; Bước đầu xây dựng và áp dụng mạng nơron nhân tạo để nhận dạng, đánh giá liều và xác định các tham số động học của vật liệu LiAO2 sau khi được chế tạo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu và phát triển vật liệu lithium aluminate (LiAlO2) để đo liều photon

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 ALUMINATE (LiAlO2) ĐỂ ĐO LIỀU PHOTON 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. TS. Nguyễn Trọng Thành TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ Hà Nội – 2023 1
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 chiếu trong cơ thể (do nuốt hoặc hít phải các chất phóng xạ) hoặc liều chiếu ngoài do phơi nhiễm bởi các nguồn bức xạ. Đánh giá, đo liều chiếu trong dựa trên một số kỹ thuật như giám sát, xét nghiệm sinh học hoặc chụp ảnh bức xạ, trong khi đo liều chiếu ngoài dựa trên các phép đo bằng liều kế hoặc suy ra từ các phép đo được thực hiện bởi các thiết bị an toàn bức xạ khác. Phép đo liều bức xạ đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực đo liều cá nhân, đo liều môi trường và nghiên cứu vật liệu. Đây là phương pháp tin cậy để đánh giá liều bức xạ tích lũy theo thời gian 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 và điều trị, chiếu xạ cộng hưởng nên nhu cầu liều kế có độ nhạy cao và tin cậy là hết sức cần thiết. Có nhiều loại liều kế nhiệt phát quang đã được nghiên cứu chế tạo 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 nhiệt phát quang cao, trong đó có vật liệu LiAlO2. Vật liệu này đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như trong ghi đo bức xạ và trong đo liều bức xạ. Việc nghiên cứu và phát triển vật liệu mới này dùng trong đo liều photon rất có tiềm năng trong thực tế. Trong nước đã có những nghiên cứu chế tạo vật liệu nhiệt phát quang ứng dụng trong đo liều như Li2B4O7:Cu; LiF: Mg, Cu, P; Li2B4O7:Cu, Ag, P và CaSO4:Dy. Tuy nhiên, để có thể sử dụng như một liều kế bức xạ, liều kế phải có ít nhất một tính chất vật lý là hàm của đại lượng được 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 ghi nhận, đáp ứng liều tuyến tính, độ suy giảm, khả năng tái sử dụng… Không phải tất cả các liều kế đều có thể đáp ứng các yêu cầu về độ nhạy, độ bền, độ tương đương mô, dải liều tuyến tính…nên mặc dù đã có nhiều loại liều kế khác nhau nhưng hiện nay các vật liệu làm liều kế vẫn thu hút được sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu. Trên thế giới cũng đã có một số tác giả nghiên cứu về vật liệu LiAlO2 nhưng hiện tại vật liệu này vẫn chưa trở thành vật liệu đo liều thương mại. Do đó, tác giả “Nghiên cứu và phát triển vật liệu lithium aluminate (LiAlO2) 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 chính sau: - Nghiên cứu phương pháp chế tạo vật liệu LiAlO2 đơn pha gamma - Nghiên cứu, khảo sát đặc trưng cấu trúc hình thái học của vật liệu LiAlO2 sau khi được chế tạo. - Nghiên cứu, khảo sát một số đặc tính đo liều của vật liệu γ-LiAlO2 khi được chiếu bức xạ gamma. Trong luận án này, vật liệu LiAlO2 sau khi được chế tạo bằng ba phương pháp tổng hợp khác nhau được khảo sát đặc trưng cấu trúc hình thái học bằng các 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 nhiệt phát quang trên thiết bị đọc liều Harshaw. Bằng việc sử dụng các phương pháp phân 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 đã bước đầu xây dựng mạng nơron nhân tạo để nhận dạng, đánh giá liều của vật liệu LiAlO2 cũng được nghiên cứu và trình bày trong luận án. Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, nội dung chính của luận án được trình bày trong 4 chương như sau: Chương 1 nghiên cứu tổng quan trình bày tương tác của bức xạ với vật chất, các đại lượng, đơn vị và phương pháp đo liều bức xạ, và tổng quan về vật 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 kỹ thuật nhiễu xạ tia X (XRD) và kính hiển vi điện tử quét (SEM); phương pháp nghiên 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 chương trình phân tích đường cong nhiệt phát quang tích phân của LiAlO2 bằng phương pháp giải chập. Chương 3 trình bày kết quả chế tạo và khảo sát đặc trưng cấu trúc hình thái 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 nơron nhân tạo để nhận dạng, đánh giá liều và xác định các tham số động học của vật liệu LiAO2 sau khi được chế tạo. 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 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). 2
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 tác với môi trường chúng có thể sinh ra bức xạ ion hoá trực tiếp. 1.1.2 Tương tác của bức xạ ion hóa với vật chất Tương tác của hạt alpha với vật chất: Phân rã alpha là hiện tượng hạt nhân A 4 A−4 ZX tự động phát ra hạt nhân 2He và trở thành hạt nhân con Z−2Y được mô tả theo phương trình sau: A 4 A−4 ZA → 2He + Z−2Y (1.1) 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 điện tích Z thay đổi một đơn vị. Có ba loại phân rã beta. Bao gồm: Phân rã -, Phân rã + và hiện tượng chiếm electron được mô tả theo các phương trình sau: A A − ZX → Z+1Y + e + υ ̅ (1.2) A A + ZX → Z−1Y + e + υ (1.3) 𝑒 − + AX → Z−1Y + υ Z A (1.4) Tương tác của tia gamma và tia X với vật chất: Bức xạ tia X và tia gamma là bức xạ ion hóa gián tiếp (không có điện tích, 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), …Do có khả năng đâm xuyên cao nên tia gamma và tia X 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 tán xạ compton và hiệu ứng tạo cặp. Tương tác của nơtron với vật chất: Bức xạ nơtron là bức xạ ion hóa gián tiếp (không mang điện), có khối lượng lớn và khả năng đâm xuyên rất mạnh. Nơtron được che chắn bằng các vật liệu nhẹ nhiều hydro như nước, parafin, polyetylen. Chùm nơtron có nhiều ứng dụng 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 nơtron nhanh với năng lượng E > 100keV. Các nơtron nhanh sau đó bị làm chậm do va chạm 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: tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi và bắt notron. Tán xạ đàn hồi và tán xạ không đàn hồi dẫn đến làm chậm nơtron nhanh và nơtron 3
trung gian. Sự bắt nơtron chỉ xảy ra đối với notron nhiệt dẫn đến phản ứng hạt nhân. 1.2 Các đại lượng, đơn vị và phương pháp đo liều 1.2.1 Các đại lượng và đơn vị đo liều Mục đích của phép đo liều bức xạ là xác định năng lượng đã bị hấp thụ trong vật chất dưới tác dụng của bức xạ ion hóa. Các bức xạ ion hóa bao gồm alpha, beta, tia X, tia gamma và nơtron. Cơ chế và hiệu suất hấp thụ phụ thuộc vào loại và năng lượng của bức xạ cũng như thành phần của chất hấp thụ. Đặc biệt khi bị chiếu bức xạ, hiệu ứng sinh học xảy ra đối với các tổ chức tế bào của 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 như sinh hoạt hàng ngày. Một hệ thống các đơn vị và các tiêu chuẩn được xây dựng để đánh giá các hiệu ứng sinh học khác nhau ứng với các loại bức xạ khác nhau. Các đại lượng và đơn vị này được Ủy ban quốc về đơn vị và đo lường 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: hoạt độ phóng xạ, liều hấp thụ và suất liều hấp thụ, Kerma, tương đương liều cá nhân, liều chiếu và suất liều chiếu, liều tương đương và suất liều tương đương, liều hiệu dụng và suất liều hiệu dụng, giới hạn liều và phân bổ liều theo chiều sâu. 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 tác dụng của bức xạ ion hóa, người ta thường dựa trên những thay đổi hóa lý gây bởi sự tương tác giữa bức xạ ion hóa với vật chất. Cho đến nay, đã có nhiều phương 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 và phương pháp quang cưỡng bức quang. Dựa trên sự hình thành các tâm màu là phương pháp hóa màu của thủy tinh và chất dẻo. Ngoài ra, phương pháp dùng phim, đo nhiệt lượng v.v … 1.2.3 Phương pháp đo liều nhiệt phát quang Các nghiên cứu về động học của quá trình nhiệt phát quang được bắt đầu từ công bố của 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 độ xuất hiện, hình dạng và kích thước của đỉnh nhiệt phát quang với các thông số bẫy như độ sâu E của bẫy, tần số thoát s, mật độ điện tử bị bắt trước khi đốt nóng n, bậc động học b của quá trình nhiệt phát quang... Tiếp theo là hàng loạt nghiên cứu đã xây dựng được các hệ thức, phương pháp biểu diễn mối liên hệ giữa các thông số bẫy với số liệu thực nghiệm nhiệt phát quang. Động học bậc 1 (mô hình Randall-Wilkins) 4
E T−TM T2 2kT E T−TM 2kTM I(T) = IM exp [1 + ( )− (1 − ) exp [ ( )] − ] (1.5) kT TM T2 M E kT TM E Ưu điểm của phương trình 1.5 đó là nó chỉ có hai tham số tự do là cường độ IM và nhiệt độ TM tại vị trí cao nhất của đỉnh mà có thể thu được trực tiếp từ đường cong thực nghiệm. Động học bậc 2 (Garlick and Gibson model) −2 E T−TM T2 2kT E T−TM 2kTM I(T) = 4IM exp ( ( )) [ (1 − ) exp ( ) + 1 + (1 − )] (1.6) kT TM T2 M E kT TM E Động học bậc tổng quát (May and Partridge model) b b −b−1 E T−TM 2kT T E T−TM I(T) = IM (b) b−1 exp ( ) [(b − 1) (1 − ) exp ( ) + ZM ] (1.7) kT TM E T2 M kT TM 2kTM ở đó, ZM = 1 + (b − 1) E (1.8) 1.2.4 Các tham số động học của đo liều nhiệt phát quang Việc ghi nhận tín hiệu nhiệt phát quang nhờ vào hệ đầu thu (ống nhân quang điện, photodiot) kết quả cho ta một đường cong đặc trưng có thể có một hoặc nhiều cực đại tại các vị trí nhiệt độ và cường độ khác nhau. Dạng của đường cong mô tả tính chất phân bố của các mức định xứ trong vùng cấm của vật liệu, diện tích dưới đường cong phản ánh liều tích lũy trong quá trình vật liệu tương tác với bức xạ ion hóa. Mỗi đỉnh trên đường cong được đặc trưng bởi nhiệt độ TM (nhiệt độ tại vị trí cao nhất của đỉnh), năng lượng kích hoạt E (hay độ sâu bẫy), và hệ số tần số s (hay tần số thoát) … gọi là các thông số động học đặc trưng xác định sự tồn tại một trạng thái bắt điện tích trong vùng cấm của vật liệu. 1.2.5 Vật liệu dùng trong đo liều nhiệt phát quang Có rất nhiều vật liệu tự nhiên hoặc được tổng hợp có tính chất nhiệt phát quang. Tuy nhiên, không phải tất cả các vật liệu đều thích hợp với đo liều bức xạ. Với mục đích đo liều bức xạ, vật liệu nhiệt phát quang cần phải thỏa mãn một số yêu cầu sau: đường cong nhiệt phát quang tương đối đơn giản, nhiệt độ của đỉnh chính trong khoảng 180-300 0C, độ nhạy cao, độ suy giảm do quang, nhiệt thấp, bức xạ nhiệt phát quang ít phụ thuộc vào năng lượng bức xạ, cường độ tín hiệu nhiệt phát quang phụ thuộc tuyến tính trong khoảng liều bức xạ quan tâm, có số nguyên tử hiệu dụng (Zeff) tương đương hoặc gần tương đương chỉ số Zeff của mô tế bào sống (cơ thể). Trong lịch sử phát triển của hệ thống đo liều nhiệt phát quang, nhiều vật liệu đã được nghiên cứu thành công và được sử dụng rộng rãi. Vật liệu được sử dụng phổ biến nhất là LiF: Mg, Ti (TLD-100). Tiếp theo là một số vật liệu với các tên thương phẩm quen thuộc như: LiF: Mg, Cu, P 5
(TLD-100H); CaF2: Dy (TLD-200); Al2O3:C (TLD-500) và CaSO4: Dy (TLD- 900) … 1.3 Tổng quan về vật liệu LiAlO2 1.3.1 Vật liệu LiAlO2 và ứng dụng trong đo liều bức xạ LiAlO2 là một chất điện môi, cấu trúc tinh thể của lithium aluminate có thể được tìm thấy trong các pha alpha (α- LiAlO2), pha beta (β- LiAlO2), và pha gamma (γ- LiAlO2). Bảng 1.1: Một vài tính chất của lithium aluminate Công thức hóa học LiAlO2 Khối lượng phân tử 65,92 g·mol−1 Nhận dạng bề ngoài Bột tinh thể trắng Tỷ trọng của γ- LiAlO2 2,615 g/cm3, dạng rắn Tỷ trọng của β- LiAlO2 2.61 g/cm3, dạng rắn Tỷ trọng của α- LiAlO2 3,401 g/cm3, dạng rắn Nhiệt độ nóng chảy 1,625 °C (2.957 °F; 1.898 K) Độ hòa tan trong nước Không hòa tan Trong đo liều cá nhân, thông tin một liều kế cá nhân sẽ cung cấp là cho biết lượng bức xạ ion hóa mà người đeo liều kế đó đã tiếp xúc, bị phơi nhiễm. Thông tin liều bức xạ đã tiếp xúc rất quan trọng đối với sức khỏe của những người thường xuyên làm việc trong môi trường phóng xạ. Liều kế là một thiết bị đo liều tích lũy dạng thụ động. Sự tích lũy năng lượng bức xạ dựa trên cơ chế bắt các điện tử và lỗ trống được sinh ra khi các bức xạ ion hóa tương tác với vật liệu liều kế bởi các bẫy tương ứng và các điện tử, lỗ trống bị bắt tồn tại với thời gian sống khá dài. Bản chất của các bẫy này chính là các mức năng lượng định xứ trong vùng cấm năng lượng của vật liệu. 1.3.2 Tổng quan nghiên cứu về vật liệu LiAlO2 trong và ngoài nước Phương pháp tổng hợp vật liệu LiAlO2 bằng phản ứng pha rắn đã được báo cáo bởi một số tác giả. Trong đó muối lithium với alumina được trộn và thiêu kết ở nhiệt độ cao trong môi trường không khí, quá trình phản ứng tạo ra hợp chất lithium aluminate pha gamma (γ-LiAlO2). Tác giả Kinoshita và cộng sự đã tổng hợp γ-LiAlO2 bằng phản ứng giữa alumina với alkali carbonate hoặc với alkali hydroxide. Tác giả Becerril và cộng sự thu được γ-LiAlO2 bao gồm một lượng nhỏ của LiAl5O8 từ phản ứng giữa Li2CO3 và bột Al2O3 ở nhiệt độ 1000 0 C. Gần đây, γ-LiAlO2 được tổng hợp bằng các phương pháp nung chảy và sol- gel. Đặc tính phát quang cưỡng bức quang (OSL) của Lithium aluminate lần đầu tiên được nghiên cứu năm 2008 bởi tác giả Mittani và cộng sự. Tác giả Dhabekar và cộng sự đã mô tả các đường cong nhiệt phát quang tích phân của LiAlO2: Ce 6
và LiAlO2: Mn. Các tính chất nhiệt phát quang của LiAlO2: Mn cũng được nghiên cứu bởi tác giả Teng và cộng sự. Đường cong nhiệt phát quang tích phân của LiAlO2 không pha tạp cũng được trình bày bởi tác giả Lee và cộng sự… Ở Việt Nam, một số năm trở lại đây đã có một số cơ sở: Viện Khoa học Vật liệu, Viện Vật lý, Viện Nghiên cứu và Ứng dụng công nghệ Nha Trang– thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Viện Nghiên cứu hạt nhân; Đại học Huế, ... đã và đang nghiên cứu về một số vật liệu nhiệt phát quang nhằm ứng dụng trong đo liều bức xạ (chủ yếu là đo liều bức xạ photon) trên cơ sở nghiên cứu và chế tạo một số vật liệu như: CaSO4:Dy; Al2O3; Li2B4O7:Cu; … Qua tìm hiểu tình hình nghiên cứu vật liệu TL trong nước, tác giả thấy rằng LiAlO2 là vật liệu mới có nhiều tiềm năng trong đo liều bức xạ và chưa được nghiên cứu. Với những lý đo được đề cập ở trên, tác giả tập trung tiến hành nghiên cứu và phát triển vật liệu LiAlO2 cho ứng dụng trong đo liều photon. 2. Phương pháp nghiên cứu, chế tạo vật liệu LiAlO2 2.1. Phương pháp chế tạo vật liệu LiAlO2 2.1.1 Dụng cụ và thiết bị chính dùng cho chế tạo vật liệu Cân phân tích Máy khuấy từ gia nhiệt Tủ sấy Lò nung 1000 0C Lò nung 1700 0C Máy nghiền trộn Hình 2.1: Một số hình ảnh thiết bị chính dùng trong chế tạo LiAlO2 2.1.2 Phương pháp chế tạo vật liệu LiAlO2 Tạo sol Tạo gel Làm già gel Thiêu kết Hình 2.2: Sơ đồ chế tạo bột LiAlO2 bằng phương pháp sol-gel 7
Nghiền trộn Thiêu kết Hình 2.3: Sơ đồ chế tạo bột LiAlO2 bằng phương pháp phản ứng pha rắn Tạo sol Tạo gel Xử lý nhiệt Thiêu kết Hình 2.4: Sơ đồ chế tạo bột LiAlO2 bằng phương pháp sol-gel với EDTA 2.2 Khảo sát đặc trưng cấu trúc hình thái học của LiAlO2 2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) Nhiễu xạ X-ray là một kỹ thuật phân tích không phá hủy, cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể, trạng thái, định hướng tinh thể, và các thông số cấu trúc khác, chẳng hạn như kích thước trung bình hạt hay các khuyết tật tinh thể. Bản chất của nhiễu xạ tia X là hiện tượng các chùm tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể của chất rắn. Các phép đo nhiễu xạ tia X của vật liệu LiAlO2 được thực hiện trên máy D8 Advanced–Bruker của Đức tại Viện Khoa học và vật liệu. Hình 2.5: Hình ảnh và cấu tạo của thiết bị nhiễu xạ tia X (XRD) 2.2.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope, SEM), là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử hẹp quét trên bề mặt mẫu. Hình thái học của vật liệu LiAlO2 sau bước thiêu kết được tiến hành đo trên hệ thiết bị kính hiển vi điện tử quét S-4800 của Hãng Hitachi của Nhật tại Viện Khoa học và vật liệu. 8
Hình 2.6: Hình ảnh và nguyên lý của kính hiển vi điện tử quét (SEM) 2.3 Nghiên cứu, khảo sát đặc tính đo liều của LiAlO2 2.3.1 Nguồn chiếu xạ - Chiếu bức xạ gamma sử dụng nguồn 137Cs có hoạt độ ~ 1.1Ci. Hình 2.7: Hình ảnh nguồn và sơ đồ phân rã của 137Cs - Nguồn chiếu Beta là nguồn bức xạ 90Sr có hoạt độ 1.5GBq (40.54 mCi). Hình 2.8: Hình ảnh nguồn và sơ đồ phân rã của Sr-90 2.3.2 Thiết bị đo nhiệt phát quang Các phép đo tín hiệu nhiệt phát quang được thực hiện trên máy đọc Harshaw TLD 4000 tại phòng thí nghiệm Trung tâm An toàn bức xạ, Viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân và máy đọc Harshaw TLD 3500 của Viện Khoa học vật liệu. 9
Hình 2.9: Hình ảnh của thiết bị đọc liều Harshaw 3500 (a) và Harshaw 4000 (b) 2.4 Phân tích đường cong nhiệt phát quang của LiAlO2 bằng phương pháp giải chập Để hiểu rõ hơn về đường cong nhiệt phát quang tích phân của vật liệu LiAlO2 với các bậc động học khác nhau, chúng tôi thực hiện tính toán bằng các phương trình động học mô tả quá trình nhiệt phát quang bằng phần mềm do chúng tôi xây dựng trên ngôn ngữ lập trình Matlab. Để có số liệu thu được thích hợp cho việc làm khớp thì chúng ta cần phải chọn phương trình động học thích hợp để khớp với đường cong thực nghiệm. Những phương trình động học nhiệt phát quang cơ bản này được chuyển thành hàm I=I (IM, E, TM, T). Các giá trị ban đầu của E, TM, IM và b được đánh giá sử dụng các phương trình động học, ở đó IM và TM, có thể thu được trực tiếp từ đường cong nhiệt phát quang thực nghiệm. Thừa số đánh giá chất lượng khớp hàm FOM (Figure of Merit) được tính để đánh giá chất lượng làm khớp giữa đường thực nghiệm và đường lý thuyết. Quy trình tiếp tục được thực hiện bằng cách thay đổi các tham số làm khớp cho đến khi thu được giá trị FOM là nhỏ nhất có thể. (2.1) trong đó ye và yf mô tả số liệu cường độ nhiệt phát quang thực nghiệm và các giá trị của hàm làm khớp. Lấy tổng theo p của tất cả các điểm thực nghiệm. 3. Kết quả nghiên cứu và phát triển vật liệu LiAlO2 3.1 Kết quả chế tạo và khảo sát đặc trưng cấu trúc của vật liệu LiAlO2 3.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết và giá trị pH đến cấu trúc pha của mẫu được chế tạo Mẫu sau khi được điều chỉnh giá trị pH và xử lý nhiệt, tiến hành thiêu kết ở các nhiệt độ khác nhau trong thời gian 4 giờ. Trước tiên, vật liệu được thiêu kết ở 600 0C, sản phẩm chính thu được thành phần chiếm khoảng 80% là (Al2Li(OH)6)2CO3H2O còn 20 % là LiOH.H2O hoặc Li2CO3. Tiến hành nâng nhiệt độ thiêu kết lên 800 0C thì cấu trúc pha của vật liệu có sự thay đổi rõ rệt, thành phần (Al2Li(OH)6)2CO3H2O giảm xuống còn khoảng trên 40%, thành phần 10
LiOH.H2O xuất hiện rất ít hoặc không xuất hiện, nhưng một điều tuyệt vời là đã xuất hiện cấu trúc pha gamma của LiAlO2 chiếm khoảng trên 30%. Tiếp tục nâng nhiệt độ thiêu kết lên 900 0C thì cấu trúc đơn pha gamma đạt 100 % với giá trị pH=1±0.1 còn các giá trị pH khác vẫn có một phần các tạp chất xuất hiện trong cấu trúc pha của LiAlO2. 3.1.2 Kết quả phổ nhiễu xạ tia X Hình 3.1 trình bày kết quả nghiên cứu khảo sát đo phổ nhiễu xạ tia X của mẫu ứng với các nhiệt độ thiêu kết khác nhau: 600 0C, 800 0C, 900 0C và 1000 0C. Hình 3.1: Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu được chế tạo bằng phương pháp sol-gel nung ở nhiệt độ: (a) 600 0C; (b) 800 0C, (c) 900 0C và (d) 1000 0C. Hình 3.2 trình bày kết quả nghiên cứu khảo sát đo phổ nhiễu xạ tia X của mẫu được chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn và phương pháp sol-gel ứng với các nhiệt độ thiêu kết khác nhau: 900 0C và 1000 0C. Hình 3.2: Giản đồ nhiễu xạ tia X của LiAlO2 được chế tạo bằng phương pháp pha rắn ở nhiệt độ nung (a) 900 0C, (b) 1000 0C được so sánh với kết quả chế tạo bằng phương pháp sol-gel được nung ở (c) 900 0C, (d) 1000 0C Hình 3.3 trình bày giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu được chế tạo bằng phương pháp sol-gel kết hợp với EDTA được thiêu kết ở các nhiệt độ khác nhau: 600 0C, 800 0C, 900 0C và 1000 0C. 11
Hình 3.3: Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu được chế tạo bằng phương pháp sol-gel kết hợp với EDTA được nung ở nhiệt độ khác nhau: (a) 600 0C, (b) 800 0C, (c) 900 0C và (d) 1000 0C. Kết quả nhiễu xạ tia -X của vật liệu LiAlO2 được chế tạo bằng ba phương pháp khác nhau đều thu được cấu trúc đơn pha gamma khi được thiêu kết ở nhiệt độ lớn hơn 900 0C. Hằng số mạng và tỷ trọng đã được xác định là: a= 5.16870 Å, c= 6.26790 Å, và δ= 2.615 g/cm³. 3.1.3 Kết quả đo kính hiển vi điện tử quét Hình 3.4: Hình ảnh SEM của γ-LiAlO2 được chế tạo bằng ba phương pháp: (a) sol-gel; (b) phản ứng pha rắn và (c) sol-gel kết hợp với EDTA cùng thiêu kết ở nhiệt độ 900 0C Từ kết quả khảo sát cấu trúc và hình thái học của vật liệu LiAlO2, cho thấy rằng cấu trúc và hình thái học phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ thiêu kết và phương pháp chế tạo vật liệu. 3.2 Kết quả nghiên cứu khảo sát đặc tính đo liều của vật liệu γ-LiAlO2 3.2.1. Phông và giới hạn phát hiện của vật liệu LiAlO2 Giới hạn phát hiện (DL) được xác định bằng ba lần độ lệch chuẩn (σ) của 10 giá trị phông của LiAlO2 (DL = 3 × σ). Độ lệch chuẩn giá trị phông của LiAlO2 xác định là σ = 6 µGy. Trong thí nghiệm này giới hạn phát hiện được đánh giá bằng 3 lần độ lệch chuẩn và có giá trị là 18 µGy. 3.2.2. Độ đồng đều của vật liệu LiAlO2 sau khi được chế tạo Việc chế tạo và ứng dụng vật liệu đo liều có một thông số quan trọng đầu tiên là độ đồng đều của bột sau khi được chế tạo. Kết quả kiểm tra độ đồng đều của 12
lô mẫu được trình bày trong Hình 3.5. Kết quả thu được có độ lệch chuẩn 2,58 %. Như vậy vật liệu LiAlO2 dạng bột được chế tạo bằng phương pháp sol-gel kết hợp với EDTA nằm ở giới hạn được chấp nhận trong ứng dụng đo liều bức xạ. Hình 3.5: Kết quả của 5 mẫu đo liều TL kiểm tra độ đồng đều của 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 Độ đồng đều được tính theo công thức sau và kết quả được trình bày trong bảng 3.1 𝐷 −𝐷 𝐻(%) = 𝑚𝑎𝑥 𝑚𝑖𝑛 × 100 𝐷 (3.1) 𝑚𝑖𝑛 Bảng 3.1: Kết quả đánh giá độ đồng đều của LiAlO2 Mẫu 1 (nC) Mẫu 2 (nC) Mẫu 3 (nC) Mẫu 4 (nC) Mẫu 5 (nC) 1383,47 1369,44 1342,22 1293,25 1359,71 Dmax = 1383,47 nC; Dmin = 1293,25 nC Độ đồng đều H(%) = (1383,47-1293,25)/1293,25×100 = 6,98% 3.2.3 Độ tuyến tính Vật liệu LiAlO2 được chia làm ba nhóm đã được khử tín hiệu và tiến hành chiếu bức xạ gamma với liều tương ứng: 4mGy, 6mGy và 8mGy, tiến hành đọc kết quả. Các nhóm vật liệu sau đó được khử tín hiệu dư và tiến hành chiếu với dải liều 10mGy, 20mGy và 40mGy, và đọc kết quả. Hình 3.6 biểu diễn đồ thị khảo sát độ tuyến tính của LiAlO2 trong dải liều 4-40 mGy. Hình 3.6: Đồ thị khảo sát độ tuyến tính của LiAlO2 trong dải liều 4-40mGy 13
3.2.4 Độ nhạy tín hiệu nhiệt phát quang (TL) của LiAlO2 Các phép đo được thực hiện trên cùng điều kiện thực nghiệm (cùng tốc độ gia nhiệt, cùng liều chiếu, cùng đọc liều trên một thiết bị). Hình 3.7 trình bày kết quả khảo sát độ nhạy TL của vật liệu LiAlO2 so sánh tương đối với độ nhạy của TLD100 và độ nhạy của mẫu α-Al2O3:C thương phẩm. Các thí nghiệm khảo sát cho thấy độ nhạy của TLD100 và α-Al2O3:C thương phẩm cao gấp 1,2 và 17,5 lần so với vật liệu LiAlO2. Hình 3.7: Kết quả khảo sát độ nhạy TL của vật liệu LiAlO2 3.2.5 Nghiên cứu, khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu LiAlO2 Khả năng tái sử dụng của vật liệu đo liều cũng là một thông số cần đánh giá vì nhiều vật liệu sau mỗi chu trình sử dụng bị ảnh hưởng bởi chiếu xạ, do tác động của nhiệt độ trong quá trình đo…, độ nhạy nhiệt phát quang có thể bị thay đổi. Để kiểm tra khả năng tái sử dụng, tác giả đã lặp lại 10 chu trình đọc liều trên một mẫu vật liệu LiAlO2 bao gồm các bước chiếu bức xạ, xử lý nhiệt và đọc liều với cùng điều kiện giống nhau. Kết quả các phép đo kiểm tra khả năng tái sử dụng của mẫu bột LiAlO2 được trình bày trong bảng 3.2. Bảng 3.2: Kết quả kiểm tra khả năng tái sử dụng của vật liệu LiAlO2 sau khi được chiếu bức xạ gamma 4mGy Lần đọc 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 TL (103 nC) 2,47 2,39 2,42 2,46 2,50 2,36 2,41 2,52 2,44 2,49 Giá trị trung bình 2,44. 103 (nC) Độ lệch chuẩn 2,09 % 3.2.6 Đáp ứng liều của vật liệu LiAlO2 Để tiến tới bước thử nghiệm ứng dụng trong đo liều, cần thiết phải xác định đặc trưng đáp ứng liều của vật liệu được chế tạo trong khoảng liều quan tâm. Đường cong đáp ứng liều mô tả mối quan hệ giữa cường độ nhiệt phát quang và liều bức xạ. Hình 3.8 mô tả đường đáp ứng liều của vật liệu LiAlO2 được chế tạo bằng phương pháp sol-gel kết hợp với EDTA chiếu bức xạ gamma với các giá 14
trị liều khác nhau từ 4 mGy - 2,4 Gy. Chấm tròn là điểm thực nghiệm tại các giá trị liều chiếu khác nhau còn đường liền nét là đường làm khớp. Hình 3.8: Đáp ứng liều gamma của vật liệu LiAlO2 được chế tạo bằng phương pháp sol-gel kết hợp với EDTA 3.2.7 Độ suy giảm tín hiệu nhiệt phát quang sau khi chiếu xạ Độ suy giảm của tín hiệu nhiệt phát quang theo thời gian lưu giữ mẫu sau khi chiếu xạ (còn gọi là hiệu ứng fading) là một thông số rất quan trọng của vật liệu, thông số này đánh giá khả năng lưu trữ thông tin theo thời gian của liều kế. Các mẫu bột LiAlO2 được chiếu xạ với cùng một liều hấp thụ 0,3 Gy từ nguồn 137Cs, khảo sát đáp ứng liều TL trong khoảng thời gian sau khi chiếu xạ đến 90 ngày của đỉnh đo liều. Hình 3.9 mô tả độ suy giảm tín hiệu nhiệt phát quang theo thời gian của vật liệu LiAlO2 được chế tạo bằng phương pháp sol-gel. Hình 3.9: Độ suy giảm tín hiệu nhiệt phát quang theo thời gian của LiAlO2 được chế tạo bằng phương pháp sol-gel Các kết quả cho thấy độ suy giảm tín hiệu của vật liệu LiAlO2 được chế tạo bằng phương pháp sol-gel giảm khoảng 2% sau 30 ngày tại đỉnh đo liều (đỉnh 2) và tín hiệu gần như ổn định và giảm không đáng kể sau 90 ngày. Hình 3.10 mô tả độ suy giảm tín hiệu nhiệt phát quang theo thời gian của vật liệu LiAlO2 được chế tạo bằng phương pháp sol-gel kết hợp với EDTA. Kết quả cho thấy sau 5 ngày tín hiệu tại đỉnh đo liều (đỉnh 2) giảm gần 3%, sau đó 15
tín hiệu giảm chậm sau ngày thứ 10 khoảng 1,2%. Sau 30 ngày tín hiệu TL của vật liệu LiAlO2 giảm cỡ 6% sau đó 90 ngày thì tín hiệu giảm không đáng kể. Hình 3.10: Độ suy giảm tín hiệu nhiệt phát quang theo thời gian của LiAlO2 được chế tạo bằng phương pháp sol-gel kết hợp với EDTA 3.3 Nghiên cứu khảo sát đường cong TL và các tham số bẫy của vật liệu LiAlO2 3.3.1 Dạng đường cong ứng với các loại bức xạ khác nhau Hình 3.11 trình bày kết quả khảo sát đường cong nhiệt phát quang tích phân của vật liệu γ-LiAlO2 được chế tạo bằng phương pháp sol-gel kết hợp với EDTA được chiếu các bức xạ ion hóa khác nhau. Kết quả thu được các đường cong nhiệt phát quang là rất ổn định về hình dạng cũng như vị trí xuất hiện hai đỉnh 117 0C và 231 0C. Đỉnh 231 0C được lựa chọn là đỉnh đo liều. Hình 3.11: Tín hiệu TL của vật liệu γ-LiAlO2 chế tạo bằng phương pháp 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 16
3.3.2 Nghiên cứu khảo sát tín hiệu TL khi thay đổi tốc độ gia nhiệt Dạng đường cong nhiệt phát quang của LiAlO2 được chiếu xạ gamma 0.3 Gy và đo với các tốc độ gia nhiệt khác nhau được trình bày trong hình 3.19. Đường cong nhiệt phát quang tích phân của vật liệu LiAlO2 xuất hiện hai đỉnh chính, đỉnh thứ hai được xác định là đỉnh đo liều nhiệt phát quang. Vị trí cực đại hai đỉnh của đường cong tích phân nhiệt phát quang có xu hướng dịch chuyển về phía nhiệt độ cao khi tăng tốc độ gia nhiệt, cụ thể là khi tốc độ gia nhiệt là 1 0C/s thì vị trí của đỉnh đo liều là khoảng 203 ± 2 0C, khi tăng tốc độ gia nhiệt lên 10 0 C/s thì vị trí của đỉnh đo liều là khoảng 250 ± 2 0C. Hình 3.12: Đường cong nhiệt phát quang tích phân của LiAlO2 với tốc độ gia nhiệt khác nhau Kết quả khảo sát cho thấy cường độ tại vị trí cao nhất của đỉnh có xu hướng giảm khi tăng tốc độ gia nhiệt, hiện tượng này là do ảnh hưởng của quenching nhiệt và chỉ ảnh hưởng rõ rệt khi tốc độ gia nhiệt thấp. Tuy nhiên, khi tốc độ gia nhiệt lớn hơn 5 0C/s thì cường độ của đỉnh giảm chậm hơn và có xu thế thay đổi không đáng kể. Dạng của đường cong thực nghiệm không thay đổi khi tốc độ gia nhiệt thay đổi. 3.3.3 Nghiên cứu khảo sát các tham số bẫy của vật liệu LiAlO2 Các tham số động học là các đại lượng vật lý đặc trưng cho một bẫy bắt điện tích, cho ta biết các thông tin về nhiệt độ đỉnh Tm, năng lượng kích hoạt E (độ sâu bẫy), tần số thoát s (hệ số tần số) và thời gian sống τ mà điện tích bị giữ trong bẫy tại một nhiệt độ nào đó. Các thông số này thể hiện độ ổn định của một bẫy khi vật liệu tương tác với các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, ánh sáng…Đây là các thông tin cơ bản trong nghiên cứu sử dụng vật liệu để đo liều bức xạ ion hóa. Các tham số động học được khảo sát bằng các phương pháp sau: 3.3.3.1 Phương pháp thay đổi tốc độ gia nhiệt 17
Tìm mối tương quang giữa các thừa số ln(Tm2/β) và 1/kTm. Trong đó, Tm là nhiệt độ tại vị trí cao nhất của đỉnh, β là tốc độ gia nhiệt tuyến tính và k là hằng số Boltzmann. Các tham số này được xác định từ các đường thực nghiệm. Đường làm khớp sẽ là một đường thẳng tuyến tính có dạng như phương trình (3.1). 𝑇2 𝐸 𝐸 𝑙𝑛 ( 𝛽𝑀 ) = 𝑘𝑇 𝑀 + 𝑙𝑛 ( 𝑘𝑠) (3.1) trong đó, độ dốc của đường làm khớp cho ta giá trị của năng lượng kích hoạt E 𝐸 (độ sâu bẫy), từ đó ta tính được tần số thoát từ thừa số 𝑙𝑛 ( 𝑘𝑠). Hình 3.13 mô tả mối tương quan ln(Tm2/β) và 1/kTm của đỉnh đo liều với các tốc độ gia nhiệt khác nhau. Tham số năng lượng kích hoạt E và tần số thoát s tính được có giá trị lần lượt là: E = 0.81 (eV) và s = 1.09x107 (s-1). Hình 3.13: Xác định E và s từ giản đồ tương quan giữa ln(Tm2/β) và 1/kTm của đỉnh đo liều 3.3.3.2 Phương pháp dạng đỉnh Phương pháp dạng đỉnh của Chen được phát triển bởi R. Chen để xác định các giá trị động học năng lượng kích hoạt E, tần số thoát s và bậc động học b bằng cách sử dụng các tính chất hình dạng và hình học của đường cong nhiệt phát quang tích phân, các tham số thực nghiệm Tm (nhiệt độ tại vị trí cao nhất của đỉnh), T1 (nhiệt độ phía bên trái của đỉnh mà tại độ cường độ của đỉnh giảm đi một nửa) và T2 (nhiệt độ phía bên phải của đỉnh mà tại đó cường độ của đỉnh giảm đi một nửa). Giá trị của tham số đối xứng μg có thể được thu nhận từ các tham số thực nghiệm. Kết quả xác định các tham số động học của vật liệu LiAlO2 bằng phương pháp của Chen được trình bày trong bảng 3.3 Bảng 3.3 Các tham số bẫy của LiAlO2 được chiếu xạ gamma với tốc độ gia nhiệt 5 0C/s Tm(0C) Tm(K) T1(K) T2(K) µg E(eV) s(s-1) 117 ± 2 392 ± 2 365 ± 2 417 ± 2 0,49 0,68 8,58.1011 18
231 ± 2 506 ± 2 470 ± 2 549 ± 2 0,54 1,38 1,10.1018 3.4 Kết quả phân tích đường cong nhiệt phát quang của LiAlO2 bằng phương pháp giải chập Việc tìm ra chế độ tối ưu cũng như để xác định được các mô hình động học phù hợp nhất với loại vật liệu nhiệt phát quang đang nghiên cứu là đặc biệt quan trọng, do vậy chúng tôi đã chủ động xây dựng phần mềm của riêng mình bằng phương pháp giải chập để phân tích đường cong nhiệt phát quang thực nghiệm theo các mô hình khác nhau. Hình 3.14: Làm khớp hàm theo động học bậc tổng quát của LiAlO2 với 6 đỉnh sau khi mẫu được chiếu gamma 0,3 Gy với tốc độ gia nhiệt 5 0C/s Thuật toán của chương trình chúng tôi dựa trên cơ sở làm khớp số liệu thực nghiệm với các hàm gần đúng bậc 1, bậc 2 và bậc tổng quát. Chúng tôi đã sử dụng thuật toán lặp Levenberg-Marquard để làm khớp. Thuật toán làm khớp đường cong đòi hỏi các tham số ban đầu phải đủ độ chính xác để đảm bảo tính hội tụ và tối thiểu hóa số lần lặp. Chất lượng của việc làm khớp được kiểm chứng bằng đại lượng FOM. Hình 3.14 mô tả phương trình động học bậc tổng quát của vật liệu LiAlO2 được chế tạo bằng phương pháp sol-gel kết hợp với EDTA sau khi được chiếu gamma với 0.3 Gy. Hàm làm khớp áp dụng phương trình động học bậc tổng quát có 6 đỉnh thành phần với hệ số làm khớp hàm FOM = 1.08x10- 2 . Kết quả chỉ ra rằng vật liệu LiAlO2 này phù hợp nhất với mô hình bậc động học tổng quát với b=1.79. Số liệu so sánh giữa các mô hình bậc 1, bậc 2 và bậc tổng quát được trình bày trong bảng 3.4. Bảng 3.4: Các tham số bẫy của LiAlO2 được chế tạo bằng sol-gel với EDTA chiếu bức xạ gamma 0,3 Gy. Đỉnh Nhiệt Mô hình bậc 1 Mô hình bậc 2 Mô hình bậc độ (K) (FOK) (SOK) tổng quát (GOK) E(eV) s(s-1) E(eV) s(s-1) E(eV) s(s-1) 19