Nghiên cứu đo liều bức xạ Anpha trong mẫu gốm cỗ bằng Đềtectơ nhiệt huỳnh quang LiF (Mg, Cu, P)

ng người đã cĩ cơng nuơi dưỡng và tạo mọi điều kiện để tơi ăn học thành người. Tơi cũng xin chân thành cảm ơn:  TS Nguyễn Quang Miên người thầy đã giảng dạy tơi những năm cao học và đã tận tình hướng dẫn cho tơi hồn thành luận văn này.  Ban Lãnh đạo và các Anh Chị Viện khảo cổ học Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cho tơi trong suốt quá trình nghiên cứu hồn thành luận văn.  Th.S Hồng Đức Tâm người đã giúp đỡ và cho tơi những gĩp ý quý báu.  Thầy phản biện đã dành hiều thời gian quý báu để đọc và đĩng gĩp nhiều ý kiến để luận văn được hồn thiện.  Tập thể các thầy, cơ trong Khoa vật lý dạy dỗ và động viên tơi trong suốt quá trình học tập và hồn thành luận văn này. Cuối cùng xin được cám ơn tất cả các bạn thuộc Khoa Vật Lý, các bạn cao học khĩa 18 và các đồng nghiệp đã đĩng gớp ý kiến cho tơi hồn thành luận văn này. MỞ ĐẦU Nhiệt huỳnh quang là hiện tượng vật liệu sau khi bị chiếu xạ cĩ khả năng phát ra các lượng tử ánh sáng trong miền khả kiến khi được kích thích nhiệt. Hiệu ứng này đã được nghiên cứu ứng dụng trong đo liều bức xạ hạt nhân và kiểm sốt an tồn bức xạ. Đặc biệt nĩ cũng được sử dụng nhiều trong đo liều bức xạ mơi trường và tính tuổi cổ vật. Trên thế giới, ở các nước cĩ trình độ khoa học cơng nghệ cao (Mỹ, Pháp, Anh, Trung Quốc, Thái Lan…) phương pháp này rất được quan tâm nghiên cứu phát triển và được coi như là một trong những phương pháp cĩ khả năng chỉ thị niên đại cổ vật hữu hiệu với độ tin tưởng cao. Trong đo tuổi nhiệt nhuỳnh quang, mỗi bức xạ hạt nhân ở mơi trường khác nhau cĩ khả năng gây ra các tác dụng liều chiếu xạ khác nhau và cần phải được ghi nhận cụ thể. Dựa trên nhu cầu thực tế và trang thiết bị hiện cĩ, chúng tơi đã chọn đề tài “Nghiên cứu xác định liều bức xạ anpha hàng năm trong mẫu gốm bằng vật liệu LiF: Mg,Cu,P” làm đề tài luận văn thạc sỹ của mình. Luận văn ngồi phần mở đầu và kết luận được kết cấu như sau: Chương 1: Tổng quan về phương pháp. Chương 2:Thực nghiệm xác định liều bức xạ anpha trong mẫu gốm. Chương 3: Kết quả và thảo luận. Đề tài luận văn được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 10/2009 đến tháng 6/1010 tại Phịng thí nghiệm và xác định niên đại – Viện khảo cổ học Việt Nam. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP 1.1. Cơ sở khoa học của phương pháp 1.1.1. Hình thành các nguyên tố phĩng xạ trong mơi trường tự nhiên Như đã biết, từ các sao bụi của các vụ nổ của các ngơi sao, khoảng 4,5 tỉ năm trước đây đã hình thành mặt trời và hệ thống hành tinh của chúng ta. Trong đám tro bụi đĩ, cĩ một lượng rất lớn các nguyên tố phĩng xạ. Theo thời gian, đa số các nguyên tố phĩng xạ này phân rã và trở thành những nguyên tố bền vững. Chúng là thành phần vật liệu chính của hệ thống hành tinh chúng ta hiện nay. Tuy nhiên trong vỏ trái đất vẫn cịn những nguyên tố phĩng xạ là uranium, thorium, con cháu của chúng và một số nguyên tố khác. Các nguyên tố phĩng xạ này cùng với sản phẩm phân rã của chúng là nguồn bức xạ ion hĩa tự nhiên chủ yếu tác dụng lên mọi sinh vật trên trái đất. Trong tự nhiên tồn tại rất nhiều nguyên tố phĩng xạ nhưng phổ biến nhất là uran, thori, kali, radi, radon… Đối với các mẫu vật dùng đo tuổi nhiệt phát quang, liều ion hĩa hằng năm trong chúng gần như đều được gây bởi từ những nguyên tố này, chỉ cĩ khoảng một vài phần trăm cịn lại được sinh ra từ nguyên tố rubidi và tia vũ trụ… Uranium gồm các đồng vị: U238 chiếm 93% uranium thiên nhiên, U235 chiếm 0,7%, và U234 chiếm khoảng 0,005%, U238 và U234 là các đồng vị phĩng xạ thuộc họ uranium, cịn U235 là đồng vị phĩng xạ thuộc họ Actinium. Các nguyên tố phĩng xạ trong đất đá chủ yếu được tạo thành từ ba dãy phĩng xạ U238, U235, và Th232 cĩ thể tĩm lược như trong bảng 1.1 sau: Bảng 1.1: Sơ đồ chuỗi phĩng xạ tự nhiên thorium và uranium Chuỗi Th-232 Chuỗi U-238 Chuỗi U-235 Hạt nhân Thời gian bán rã Hạt nhân Thời gian bán rã Hạt nhân thời gian bán rã Th -232 14x109 năm U-238 4,47x109 năm U-235 0,704x109 năm 1α 1α, 2β 1α,1β Ra -228 6,7 năm U-234 245x103 năm Pa-231 32,8x103 năm 1α Th-230 75x103 năm 1α, 2β 1α 2α,1β Ra -224 3,6 ngày Ra-226 1600 năm Ra-223 11,4 ngày 1α 1α 1α Rn -220 55 giây Rn-222 3,82 ngày Rn-219 4 giây 2α,2β 3α, 2β 1α 1α Pb-210 22 năm Po-215 1,8x10-3 giây Po-216 0,16 giây 2β Po-210 138 ngày 1α 2α, 2β Pb-208 Bền Pb-206 Bền Pb-207 Bền Trong tự nhiên, ngồi ba dãy phĩng xạ trên cịn một số các nguyên tố phĩng xạ tự nhiên khác khơng tạo thành dãy phĩng xạ như K40. Ngồi ra, cịn cĩ các đồng vị C14, H3, Cs137… Đây là loại đồng vị được hình thành do sự tương tác giữa tia vũ trụ với những nguyên tố trong khí quyển. Như vậy, các nguyên tố phĩng xạ cĩ khắp nơi trên trái đất, trong đất đá, nước và trong khơng khí. Các đồng vị phĩng xạ này cùng với các con cháu của chúng là nguồn gốc chính của sự bức xạ tự nhiên tác dụng lên các sinh vật trên trái đất. Theo nguồn gốc, chúng cĩ thể phân chia thành 3 loại: - Loại nguyên tố phĩng xạ cĩ trong đất đá. - Loại nguyên tố phĩng xạ cĩ nguồn gốc từ vũ trụ. - Loại nguyên tố phĩng xạ do hoạt động của con người tạo ra. Các hạt nhân phĩng xạ được tạo thành và tồn tại trong đất đá, nước và trong khơng khí thậm chí trong cơ thể chúng ta. Theo cơ quan năng lượng nguyên tử Quốc tế (IAEA), trong 1kg đất cĩ thể chứa 3 đồng vị phĩng xạ tự nhiên với hàm lượng trung bình như sau: 370Bq K40 (100-700Bq) 25Bq Ra226 ( 10- 50 Bq) 25 Bq U238 ( 10 – 50 Bq) 25 Bq Th232 (7 – 50 Bq) 1.1.2. Phân bố các nguyên tố phĩng xạ trong đất đá Hoạt độ phĩng xạ trong đất đá được hình thành từ những nguồn phĩng xạ cĩ sẵn trong tự nhiên và các nguồn phĩng xạ do hoạt động của con người tạo ra. Các nguyên tố phĩng xạ tích tụ trong đất đá và thường khơng đồng đều giữa các vùng trên trái đất. Chẳng hạn, ở nước ta, một số nơi như Quảng Nam, Cao Bằng, Lai Châu.... cĩ lượng quặng phĩng xạ khá lớn nên cường độ phĩng xạ trung bình tại những nơi đĩ cao hơn nhiều lần so với hoạt độ trung bình của mơi trường tồn quốc. Lượng hoạt độ phĩng xạ của một số nguyên tố trong đất được chỉ trong Bảng 1.2. Bảng 1.2: Hoạt độ phĩng xạ của các nguyên tố phĩng xạ trong đất [7] Nguyên tố phĩng xạ Hoạt độ trung bình Tổng khối lượng nguyên tố phĩng xạ Tổng hoạt độ trong tồn bộ thể tích đất Uranium 0,7pCi/g (25Bq/kg) 2200kg 0,8Ci (31GBq) Thorium 1,1pCi/g (40Bq/kg) 12000kg 1,4 Ci (52 GBq) Potassium-40 11pCi/g (400Bq/kg) 2000kg 13 Ci (500 GBq) Radium 1,3pCi/g (48Bq/kg) 1,7g 1,7 Ci (63,GBq) Radon 0,17pCi/g (10Bq/kg) 11μ g 0,2 Ci (7,4 GBq) Các đồng vị phĩng xạ nhân tạo như H3 (12,3 năm), I129( 1,57x107 năm), Cs137(30,17 năm), Sr90(28,78 năm), Tc99 (2,11 x 105 năm), Pu239(2,41 x 104 năm) cĩ thời gian sống dài, do vậy nếu bị đưa ra mơi trường sẽ tích tụ lâu dài trong đất và gây ra phơng phĩng xạ cao, đặc biệt khi bị động vật, thực vật hấp thụ qua trao đổi chất. Và con người khi sử dụng các sản phẩm dinh dưỡng từ động thực vật đĩ cũng sẽ bị nhiễm phải những liều lượng phĩng xạ nhất định. 1.1.3. Hệ thống các đơn vị đo liều phĩng xạ Liều chiếu và suất liều chiếu: - Liều chiếu: Đối với tia X, tia gamma là tổng số điện tích ion cùng dấu được sinh ra khi tất cả các hạt tích điện (electron và ion dương) được giải phĩng bởi photon trong một thể tích khơng khí chia cho khối lượng khơng khí của thể tích đĩ, theo cơng thức: ch dQ D = dm (1.1) Trong đĩ: dQ: Tổng số điện tích sinh ra trong một thể tích khí. dm: Khối lượng thể tích khơng khí đĩ. - Suất liều chiếu: Là giá trị liều chiếu tính trong một đơn vị thời gian. Các đơn vị thường dùng: liều chiếu (R, rad, rem, Sv…); suất liều (R/ giờ, rad/giờ, rem/giờ, Sv/giờ…). Liều hấp thụ và suất liều hấp thụ: - Liều hấp thụ: là năng lượng bị hấp thụ trên đơn vị khối lượng của đối tượng bị chiếu xạ, theo cơng thức: ht dε D = dm (1.2) Trong đĩ: dε : là năng lượng truyền trung bình của bức xạ ion hĩa cho vật chất cĩ khối lượng dm. - Suất liều hấp thụ: là giá trị liều hấp thụ trong một đơn vị thời gian. Đơn vị liều hấp thụ là Gray, ký hiệu Gy. 1Gy = 1J/1kg = 100rad. 1rad = 100erg/g (1 rad là một lượng bức xạ đi qua vật chất truyền năng lượng 100erg cho 1g vật chất). Liều tương đương và hệ số phẩm chất: - Hệ số phẩm chất: Mỗi loại bức xạ đặc trưng bởi một đại lượng cĩ tên gọi là hệ số phẩm chất, ký hiệu là Q (Bảng 1.3). - Liều tương đương: Bằng hệ số phẩm chất Q nhân với liều hấp thụ. - Đơn vị là rem. 1rem = 1rad x Q. Trong hệ SI, liều tương đương sinh học cĩ tên là Sievert(Sv). 1Sv = 1Gy x Q = 100rem. Bảng 1.3: Hệ số phẩm chất của các loại bức xạ Các loại bức xạ và năng lượng Hệ số phẩm chất Q Photon (X, γ ) mọi năng lượng 1 Electron và hạt muyon(μ ) mọi năng lượng 1 Nơtron năng lượng <10Kev 5 Nơtron năng lượng 10Kev-100Kev 10 Nơtron năng lượng 100Kev-2Mev 20 Nơtron năng lượng 2Mev-20Mev 10 Nơtron năng lượng >20Mev 5 Photon năng lượng >2Mev 5 Hạt ( α ), mảnh phân hạch, hạt nặng 20 1.2. Liều bức xạ 1.2.1. Tác dụng của các tia bức xạ đối với sức khỏe của con người Tác dụng sinh học của bức xạ hạt nhân cĩ nhiều hình thức khác nhau, đối với sức khỏe con người thì quan trọng nhất là các dạng cĩ thể xuyên qua cơ thể và gây ra hiệu ứng ion hĩa. Nếu bức xạ ion hĩa thấm vào các mơ sống, các ion được tạo ra đơi khi ảnh hưởng đến quá trình sinh học bình thường. Tiếp xúc với bất kỳ loại nào trong số các loại bức xạ ion hĩa, bức xạ anpha, beta, các tia gamma, tia X và nơtron đều cĩ ảnh hưởng đến sức khỏe. Trong mơi trường vật chất, bức xạ anpha khơng cĩ khả năng truyền xa, chúng sẽ bị cản lại tồn bộ bởi một lớp giấy mỏng hoặc bởi lớp màng ngồi của da. Tuy nhiên, nếu một chất phát tia anpha được đưa vào trong cơ thể, nĩ sẽ phát ra năng lượng tác dụng vào các tế bào xung quanh. Ví dụ trong phổi, nĩ cĩ thể tạo ra liều chiếu trong đối với các mơ nhạy cảm, mà các mơ này thì khơng cĩ lớp bảo vệ bên ngồi giống như da. 1.2.2. Ý nghĩa của xác định liều bức xạ anpha trong nghiên cứu phĩng xạ mơi trường và khảo cổ học Như đã biết, bức xạ phĩng xạ cĩ khắp nơi trên trái đất, vì vậy việc xác định liều bức xạ là nhiệm vụ cĩ ý nghĩa quan trọng trong việc kiểm sốt các nguồn phĩng xạ và đo liều trong y tế và mơi trường hay xác định tuổi cổ vật. Để xác định tuổi cổ vật bằng gốm, cĩ thể dùng phương pháp nhiệt huỳnh quang, do bởi trong mẫu gốm luơn cĩ các hạt khống nhiệt huỳnh quang khi nung nĩng hạt khống đến nhiệt độ xác định thì chúng sẽ phát ra. Nghĩa là, quá trình tích lũy liều trong mẫu gốm chỉ bắt đầu sau khi nung, dựa vào đặc tính này, người ta cĩ thể xác định được niên đại của vật cổ theo phương trình sau α β γ c P t = D +D +D +D (1.3) Trong đĩ: P: là liều tích lũy trong mẫu (Gy) α β γ cD ,D ,D ,D tương ứng là suất liều hằng năm của các tia anpha, beta, gamma và vũ trụ lên mẫu (Gy/năm) [8] Phương trình 1.3 cho thấy xác định liều bức xạ anpha trong mẫu gốm là nhiệm vụ khơng thể thiếu trong đo tuổi mẫu gốm cổ bằng phương pháp nhiệt huỳnh quang. 1.2.3. Phân bố các nguyên tố phĩng xạ và liều bức xạ anpha trong mẫu gốm cổ Trong đất đá cĩ các nguyên tố phĩng xạ urani, thori và kali…Mẫu gốm khi bị chơn vùi trong đất đá sẽ bị chiếu xạ bởi các nguyên tố phĩng xạ trên. Khi phân rã, các nguyên tố này phát ra các bức xạ anpha, beta và gamma. Cả 3 loại bức xạ này đều tham gia vào quá trình gây liều tích lũy lên các vật liệu nhiệt huỳnh quang nhưng với mức độ khác nhau. Hình 1.1 và 1.2 bên dưới mơ tả tác động của các bức xạ này ở các mức độ khác nhau. Hình 1.1: Mơ hình tương tác gây liều bức xạ ion hĩa trong hạt vật liệu cĩ kích thước > 5mm D d > 5mm αD βD α β γD +D +D β γD +D γ D Hình 1.2: Mơ hình tương tác gây liều bức xạ ion hĩa trong hạt vật liệu cĩ kích thước < 1mm α αD ,P : Mơ tả tác dụng của bức xạ β βD ,P : Mơ tả tác dụng của bức xạ β γ γD ,P Mơ tả tác dụng của bức xạ γ Từ những hình trên chúng ta cĩ một số nhận xét sau: - Bức xạ gamma cĩ khả năng đâm xuyên lớn và nĩ được coi như cĩ tác dụng đồng nhất trong tồn bộ vật liệu. Bán kính tác dụng của nguồn bức xạ gamma trong mơi trường đất đá khoảng 30cm. - Bức xạ beta cĩ khả năng đâm xuyên kém hơn cĩ tác dụng lên tồn bộ vật liệu, song chúng khơng hồn tồn như nhau. - Bức xạ anpha cĩ khả năng đâm xuyên kém nhất, nĩ chỉ cĩ tác dụng ở lớp vỏ ngồi của vật liệu. Về khả năng tác dụng ion hĩa của bức xạ anpha,beta và gamma trên khống vật thạch anh hình cầu được mơ tả trong hình vẽ sau: [3] β γP P d < 1mm αP Pα βD +Dγ α β γD +D +D Hình 1.3: Khả năng tác dụng của các bức xạ ion hĩa trong hạt thạch anh Từ hình trên chúng ta nhận thấy: với hạt thạch anh cĩ kích thước lớn, cĩ hai vùng phân biệt. Vùng ngồi: cĩ bề dày khoảng micromet (tương ứng với quãng chạy của hạt anpha) chịu tác dụng của cả 3 loại bức xạ. Vùng trong: nằm sâu hơn quãng chạy của hạt anpha, chỉ chịu tác dụng của hạt beta và gamma. Như vậy để xác định liều bức xạ ion hĩa của các đối tượng khảo cổ và địa chất theo phương pháp nhiệt huỳnh quang ta cần phải quan tâm và phân loại kích thước hạt. Nghĩa là, khi sử dụng các hạt cĩ kích thước nhỏ cỡ quãng chạy của hạt anpha cần xác định liều chiếu của ba lọai bức xạ lên chúng. Ngược lại, khi sử dụng hạt khống cĩ kích thước đủ lớn so với quãng chạy của hạt anpha và bức xạ của nhiệt phát quang được phát ra từ vùng chỉ chịu tác dụng của bức xạ beta và gamma thì chỉ cần xác định liều chiếu hai loại bức xạ beta và gamma. Trong đo tuổi nhiệt huỳnh quang, tùy theo sự lựa chọn các hạt cĩ kích thước khác nhau cĩ kỹ thuật phân tích và chế độ xử lý hĩa học tương ứng. Sau đây là ví dụ tính liều bức xạ hằng năm đối với đất đá và đồ gốm điển hình. Bảng 1.4: Liều bức xạ hằng năm đối với đất đá và gốm điển hình [8]. Suất liều anpha Suất liều anpha hiệu dụng Suất liều beta Suất liều gamma Tổng Potassium - - 0,83 0,24 1,07 α β γ Rubidium - - 0,02 - 0,02 Thorium 7,39 1,11 0,29 0,51 1,91 Uranium 8,34 1,25 0,44 0,34 2,03 Bức xạ vũ trụ - - - 0,15 0,15 Các giá trị trên đựơc tính theo đơn vị Gray/1000năm. Giá trị được cho ở đây tương ứng với đất đá và gốm cĩ hàm lượng potassium là 1%, rubidium là 0,005%, thorium tự nhiên là 10ppm, của uranium tự nhiên là 3ppm. Sự gĩp phần của suất liều hiệu dụng được xem như bằng 0,15 nhân với giá trị suất liều anpha. Đối với vật liệu nhiệt huỳnh quang, người ta cịn phân loại các bức xạ theo nguồn gốc chiếu lên vật liệu này như sau: - Nguồn bức xạ từ vũ trụ: Loại bức xạ này cĩ trong phơng phĩng xạ của vũ trụ, chúng tương đối ổn định và cĩ cường độ tương đối nhỏ khi so sánh với các bức xạ từ các nguồn khác. Tuy nhiên trong các phép đo yêu cầu độ chính xác lớn người ta phải hiệu chỉnh đối với các loại bức xạ từ vũ trụ này. - Nguồn bức xạ từ các vật liệu xung quanh: Đây chính là các nguồn phĩng xạ do các chuỗi phĩng xạ tạo ra chiếu lên vật liệu nhiệt huỳnh quang. - Nguồn phĩng xạ từ các đồng vị phĩng xạ định xứ ngay bên trong vật liệu: Loại nguồn này cĩ giá trị đáng kể trong các khống vật ziricon, feldspar. Tuy nhiên đối với thạch anh thì chúng thường rất nhỏ. 1.2.4. Nguyên lý chung về đo liều anpha trong mẫu gốm Cĩ thể đo liều bức xạ anpha bằng đềtectơ nhiệt huỳnh quang, song cần cĩ một số điều kiện đặc biệt, bởi vì quãng chạy của hạt anpha rất nhỏ nên muốn chúng đi vào đềtectơ thì phải cĩ màng rất mỏmg phủ bên ngồi đềtectơ nhiệt huỳnh quang sao cho gần như mọi bức xạ anpha cĩ thể đi qua. Ngồi ra, cũng cần phải lưu ý khi dùng màng mỏng sẽ đo được cả bức xạ anpha và bức xạ beta và phần khơng đáng kể bức xạ gamma, vì vậy chúng cần được bổ sung thêm một phương pháp đo riêng biệt bức xạ beta, để từ đĩ bằng phép hiệu chỉnh cĩ thể tính được liều bức xạ anpha. 1.3. Đềtectơ LiF:Mg,Cu,P 1.3.1. Cơ chế động học nhiệt huỳnh quang Như đã biết, nhiệt phát quang là hiện tượng các chất điện mơi hay chất bán dẫn điện phát ra ánh sáng khi bị nung nĩng nếu như trước đĩ các vật liệu này đã được chiếu xạ bởi các bức xạ ion hĩa như: tia X, tia anpha, tia beta hay tia gamma. Đối với vật liệu nhiệt phát quang ta cần lưu ý những điều sau: - Vật liệu phải là chất điện mơi hay chất bán dẫn. - Vật liệu phải cần thời gian hấp thụ năng lượng trong suốt quá trình phơi chiếu bức xạ. - Nhiệt chỉ đĩng vai trị kích thích chứ khơng phải là nguyên nhân chính gây phát quang. - Vật liệu sau khi đã được kích thích nhiệt để phát quang thì khi nâng nhiệt một lần nữa cũng sẽ khơng phát quang do electron đã thốt khỏi bẫy. Nếu muốn phát quang thì vật liệu cần được chiếu xạ lần nữa. Mơ hình cấu trúc vùng năng lượng của hiện tượng nhiệt huỳnh quang được chỉ trong hình 1.4. Đây là sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng đơn giản nhất mơ tả hiện tượng nhiệt huỳnh quang [9]. Mơ hình động học bậc 1- mơ hình Randall Wikins Hình 1.4: Mơ hình mức năng lượng thể hiện những vị trí của điện tử trong vật liệu nhiệt phát quang Vùng dẫn Vùng hĩa trị hv R hv’ d Dh EF De e a b c E T : Điện tử : Lỗ trống Mức năng lượng T là mức bẫy electron và nằm trên mức năng lượng Fermi EF. Mức này trống rỗng trước khi vật liệu được chiếu xạ để tạo ra những electron và những lỗ trống. Một mức khác (mức R) là một thế bẫy lỗ trống và cĩ chức năng như một tâm tái hợp, mức này nằm bên dưới mức năng lượng Fermi. Khi chiếu xạ bằng các tia X, , beta hay gamma, nguyên tử sẽ bị ion hĩa, các electron sẽ nhận năng lượng bức xạ này để nhảy lên vùng dẫn và chuyển động tự do trong vùng này, đồng thời tạo ra các lỗ trống trong vùng hĩa trị (quá trình a). Các hạt này cĩ thể tái hợp với nhau và giải phĩng năng lượng dưới dạng ánh sáng hoặc cĩ thể bị bắt lại tại các bẫy. Đối với những chất cách điện hoặc bán dẫn, số lượng các hạt bị bẫy là rất thấp vào khoảng một vài phần trăm, trong đĩ electron bị bẫy ở mức T và lỗ trống ở mức R (quá trình b,e). Các electron sẽ nằm lại tại bẫy trong trạng thái giả bền và khi chúng nhận đủ năng lượng chúng sẽ thốt khỏi bẫy lên vùng dẫn (quá trình c), sau đĩ sẽ tái hợp với lỗ trống tại tâm tái hợp đồng thời phát ra ánh sáng (quá trình d). Như vậy, quá trình phát huỳnh quang sẽ cĩ thời gian trì hỗn bằng thời gian của các electron trong bẫy với phương trình sau: E - 1 kTp = se  (1.4) Ở đây: p được định nghĩa là xác suất giải phĩng electron khỏi bẫy do tác động nhiệt. s là hệ số tần số thốt cĩ thứ nguyên là giây -1. Ý nghĩa vật lý của hệ số này là bẫy bắt được xem như một hố thế được đặc trưng bởi hệ số thốt s (s là tích của tần số va chạm điện tử với vách hố thế và hệ số phản xạ). Do vậy cĩ thể xem s cĩ độ lớn bằng tần số dao động của mạng tinh thể. Hiện tượng phát quang do khi chúng ta cung cấp năng lượng cho các electron dưới dạng nhiệt gọi là hiệu ứng nhiệt huỳnh quang. Mơ hình Randall Winkins là mơ hình đơn giản nhất mơ tả đường cong nhiệt huỳnh quang được đưa ra vào năm 1945 trên cơ sở cấu trúc vùng năng lượng (Hình 1.4) Như vậy cĩ thể thấy nếu xác định được lượng nhiệt huỳnh quang phát ra thì cĩ thể xác định được liều bức xạ ion hĩa đã chiếu lên mẫu. Đây chính là cơ sở của kỹ thuật đo liều phĩng xạ bằng phương pháp nhịêt huỳnh quang. 1.3.2. Liều kế nhiệt huỳnh quang LiF:Mg,Cu,P 1.3.2.1. Đặc trưng nhiệt huỳnh quang của LiF:Mg,Cu,P a. Đường cong nhiệt huỳnh quang Dạng đường cong của vật liệu nhiệt huỳnh quang LiF:Mg,Cu,P thay đổi theo nồng độ của chất tạo khuyết tật và xử lí nhiệt. Chẳng hạn như chiều cao của đỉnh chính thay đổi đáng kể theo nồng độ của nguyên tố pha tạp trong đĩ. Ngồi ra đường cong nhiệt huỳnh quang của LiF:Mg,Cu,P cũng cĩ thể bị thay đổi bởi cách xử lí nhiệt khác nhau. Khi nung ở nhiệt độ thấp cấu trúc của đường cong nhiệt huỳnh quang hơi khác với cấu trúc nhiệt huỳnh quang khi nung ở chế độ cao. Khi vật liệu được nung ở nhiệt độ cao hơn 2400C sẽ gây ra một thay đổi về hình dạng của đường cong nhiệt huỳnh quang. Bằng cách cải thiện quá trình chuẩn bị sẽ gớp phần tích cực làm ổn định cấu trúc đường cong nhiệt huỳnh quang từ đĩ thu được độ lập lại tốt hơn. Tĩm lại, các nhà nghiên cứu luơn cố gắng xây dựng một chương trình nung để giảm độ cao của các đỉnh nhiệt độ cao hơn, đỉnh này là đáng tin cậy cho tín hiệu cịn dư và cho việc tái sử dụng. Ngồi ra, khi được chiếu bởi nguồn nơtron nhiệt, dạng của đường cong LiF:Mg,Cu,P khơng cịn sự thay đổi rõ ràng, điều này khác với LiF:Mg,Ti (TLD-100) ở đĩ các đỉnh nhiệt độ cao hơn tăng theo sự chiếu xạ nơtron nhiệt. b. Phổ phát xạ nhiệt huỳnh quang Bước sĩng phát ra của LiF:Mg,Cu,P ngắn hơn so với bước sĩng phát ra của vật liệu TLD- 100. Tâm của vùng phát xạ nằm trong khoảng bước sĩng 420nm cịn đối với LiF:Mg,Cu,P tâm nằm trong khoảng 350-370nm. Trong hầu hết các hệ đo nhiệt huỳnh quang đều cĩ bộ lọc quang học trong hệ thống quang học của nĩ. Phổ phát xạ của tâm lọc thơng thường tại 450-500nm. Đối với TLD-100, bộ lọc là tốt nhưng đối với LiF:Mg,Cu,P tâm phát xạ cần được chuyển dịch về phía vùng tử ngoại khoảng 50nm. Với việc lựa chọn bộ lọc phù hợp, độ nhạy của LiF:Mg,Cu,P cĩ thể tăng lên khoảng 10-30% Với nồng độ khác nhau, nhiệt độ nhiệt huỳnh quang và dạng của đường cong thay đổi nhiều, trong khi đĩ phổ phát xạ thay đổi ít. Tương tự như trường hợp này, các kết quả thực nghiệm cũng đã chứng minh rằng với cách xử lí nhiệt khác nhau, phổ phát xạ thay đổi ít nhưng các đường cong thay đổi nhiều [9]. c. Đáp ứng liều Như ta đã biết cĩ sự tuyến tính rất tốt trong sự tương ứng liều của loại vật liệu nhiệt huỳnh quang LTD-100, nhưng đối với loại vật liệu LiF:Mg,Cu,P mặc dù với cùng chất nền là tinh thể LiF, tuy nhiên nĩ vẫn ít cĩ sự tuyến tính hơn. Điều này cĩ nghĩa là sự tương ứng liều phụ thuộc mạnh vào các chất pha tạp. Các kết quả thí nghiệm đã chỉ ra rằng đối với tinh thể LiF chỉ cĩ chất pha tạp là Mg, đáp ứng liều là tuyến tính, nhưng khi pha thêm tạp chất thứ hai (ví dụ là Cu) đáp ứng liều trở nên hạ tuyến tính. Vùng tuyến tính của LiF:Mg,Cu,Pcĩ thể lên đến 10-15Gy. Đối với liều cao hơn 10Gy, đáp ứng tín hiệu nhiệt huỳnh quang giảm theo liều, nghĩa là hạ tuyến tính. Đối với vật liệu được sản xuất tại Bắc Kinh - Trung Quốc, sự hạ tuyến tính bắt đầu xuất hiện khi giá trị liều đạt đến 12Gy. Các nhà khoa học Italia đo đáp ứng liều của LiF:Mg,Cu,P (loại GR-200) cĩ vùng tuyến tính lên đến 18Gy. Với chùm electron năng lượng 15MeV thì vùng tuyến tính lên đến 10Gy. 1.3.2.2. Xử lí nhiệt cho vật liệu nhiệt huỳnh quang Xử lí nhiệt là một quá trình thiết yếu cho việc tái sử dụng LiF:Mg,Cu,P là loại vật liệu rất nhạy với xử lí nhiệt. Trước khi chiếu xạ, nếu nung ở nhiệt độ cao hơn 2450C, nĩ sẽ thay đổi cấu trúc đường cong và gây ra sự mất độ nhạy nhiệt huỳnh quang. Đã cĩ một số cơng trình nghiên cứu cho rằng đường cong phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ nung. Thơng thường các cơ sở sản xuất sẽ khuyến cáo nhiệt độ nung tối ưu. Tuy nhiên, nếu chúng ta nung ở nhiệt độ này một thời gian dài cũng sẽ gây ra sự giảm độ nhạy nhiệt huỳnh quang của nĩ. Trong trường hợp tín hiệu dư là khơng đáng kể và cĩ thể chấp nhận được, thời gian nung nên càng ngắn càng tốt. Với nguyên lí này, sử dụng liều kế trong trường hợp liều thấp khơng cần thiết phải nung, chúng ta vẫn cĩ được một liều kế tái sử dụng tốt. Sau đây là giới thiệu chung về một số vật liệu nhiệt huỳnh quang. Bảng 1.5: Các đặc trưng chủ yếu của một số vật liệu nhiệt huỳnh quang [7] Vật liệu nhiệt huỳnh quang LiF:Mg,Ti (TLD-100) CaSO4:Dy LiF:Mg,Cu,P Độ nhạy nhiệt huỳnh quang tương đối 1 30 30 (vùng tích hợp) 40 (chiều cao đỉnh) Bước sĩng cực đại phát ra 425nm 480;570nm 380nm Ngưỡng dị với nhiệt độ quy 50nGy 1mGy-30gy 0,1mGy-12Gy ước Đáp ứng năng lượng 1,3KeV 10-12KeV 0,8KeV Vùng tuyến tính 50mGy-3mGy 10-20 0,8KeV Đỉnh cong 210 220 210 Tiền chiếu xạ 4000C-1h 4000C-1h 2400C-10 phút Xử lí nhiệt 800-24h Nĩi chung trong các loại vật liệu nhiệt huỳnh quang đang được sử dụng phổ biến, cĩ thể chia thành hai loại: một loại cĩ sự tương đương mơ tốt nhưng độ nhạy nhiệt huỳnh quang tương đối thấp, chẳng hạn TLD-100, BeO và độ cịn lại là cĩ độ nhạy nhiệt huỳnh quang cao phụ thuộc năng lượng thấp như CaSO4 và CaF. LiF:Mg,Cu,P là loại vật liệu kết hợp được hai ưu điểm của hai lọai vật liệu trên, nĩ cĩ độ nhạy nhiệt huỳnh quang cao và phụ thuộc năng lượng tốt. Điều này rất cĩ ý nghĩa trong việc ứng dụng vào lĩnh vực đo liều lượng bức xạ trong y tế và mơi trường. Tuy nhiên, sử dụng loại vật liệu này cần phải chú ý đặc biệt đối với quá trình xử lí nhiệt. Các cơng trình nghiên cứu trước đây về loại vật liệu này đều đã được chứng minh rằng việc rửa nhiệt với nhiệt độ trên 2400C sẽ làm giảm độ nhạy nhiệt huỳnh quang của nĩ. Khi làm việc với vật liệu nhiệt huỳnh quang LiF:Mg,Cu,P cần đặc biệt chú ý đến quá trình xử lí nhiệt độ và trong ứng dụng thực tế chúng thường được xử lí khơng quá 2400C và thời gian khơng dài. Ngày nay, khi quá trình xử lí nhiệt đều được điều khiển bằng máy tính, việc xử lí nhiệt trở nên chính xác. Kết quả kiểm tra của nhĩm Horowitz với vật liệu LiF:Mg,Cu,P (loại GR-200A) đã cho thấy sau 60 lần tái sử dụng, độ nhạy nhiệt huỳnh quang giảm mất 3% và đây là kết quả tốt. 1.3.3. Nguyên lí chung về đo tín hiệu nhiệt huỳnh quang - Trong hệ đo nhiệt huỳnh quang, ngồi ống nhân quang điện và các bộ phận xử lí tín hiệu như máy đo phĩng xạ thơng thường cịn cĩ bộ phận nung và xử lí nhiệt độ. Sơ đồ nguyên lý hoạt động chung về một hệ đo nhiệt huỳnh quang như chỉ trong Hình 1.5. Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lí hệ đo nhiệt huỳnh quang Hình 1.5 cho thấy, khi nâng dần nhiệt độ khay đo thì ở mặt trên của khay vật liệu nhiệt huỳnh quang sẽ phát sáng, xung sáng này sẽ được gửi đến photocathode ở nhân quang điện và ở lối ra anode của ống nhân này sẽ xuất hiện các xung điện tử tương ứng với tín hiệu nhiệt huỳnh quang phát ra. Xung điện này sẽ được khuếch đại và đưa đến bộ đếm và biểu diễn trên màn hình của máy tính. Ngồi ra, các thơng số về bộ điều khiển nhiệt độ cũng đã được đưa đến và biểu diễn trên màn hình. Từ đĩ, căn cứ vào kết quả đo phổ nhiệt huỳnh quang và nhiệt độ mà nhà thực nghiệm cĩ các đánh giá tổng quát hơn về quá trình bức xạ nhiệt huỳnh quang của mẫu. 1.4. Tình hình nghiên cứu và vấn đề quan tâm của luận văn 1.4.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước - Hiện nay vật liệu nhiệt huỳnh quang LiF:Mg,Cu,P đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực đo liều bức xạ. Các nghiên cứu về vật liệu này đã đạt được nhiều sự tiến bộ ở nhiều phịng thí nghiệm trên thế giới. - Năm 1978, các nhĩm khoa học Nhật Bản tại viện Khoa học bức xạ quốc gia của Nhật Bản dẫn đầu bởi giáo sư Toshiyoki Nakajima đã chế tạo thành cơng một loại vật liệu nhiệt huỳnh quang mới đĩ là LiF: Mg, Cu, P dạng bột. - Năm 1984, phịng thí nghiệm phương pháp và đềtectơ liều lượng vật rắn (Bắc Kinh- Trung Quốc) đã chế tạo thành cơng vật liệu LiF: Mg, Cu, P dạng rắn. Với kỹ thuật đặc biệt, độ nhạy của tín hiệu nhiệt huỳnh quang của vật liệu LiF: Mg, Cu, P thậm chí cịn cao hơn dạng bột. - Bên cạnh việc đo liều bức xạ tự nhiên, hiện nay các nhà khoa học trên thế giới đang tích cực áp dụng phương pháp nhiệt huỳnh quang trong việc xác định tuổi các loại gốm cổ và đã đạt được độ chính xác dưới 10%. 1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước Đối với nước ta, các nghiên cứu về hiện tượng nhiệt huỳnh quang mới được quan tâm trong những năm gần đây, song các thiết bị quan sát bức xạ nhiệt huỳnh quang ở nước ta cũng rất phong phú, như hệ đo Harsaw 4500 ở Viện Khoa học kỹ thuật hạt nhân, hệ đo Harsaw 3500 ở Viện Khoa học vật liệu, hệ đo RGD-3A ở Viện Khảo cổ học…. Các hệ đo này nĩi chung cĩ sự khác biệt về cấu tạo buồng đốt khay đo. Để nâng cao hiệu quả của phương pháp, cần nghiên cứu chế độ nhiệt một cách cụ thể phù hợp với từng đối tượng đo và thiết bị đo. Một số cơng trình nghiên cứu liên quan được cơng bố tại hội nghị Quang phổ-quang học hay vật lý hạt nhân (Đặng Thanh Lương 1996; Nguyễn Quang Miên, Bùi Văn Lốt 2004; Vũ Xuân Quang, MarcoMartini 2006; Nguyễn Quang Miên, Bùi Văn Lốt, Thái Khắc Định 2009,…). Những cơng trình này đã cho thấy tiềm năng ứng dụng to lớn và hiệu quả của kỹ thuật nhiệt huỳnh quang trong đo liều bức xạ mơi trường, đo liều y tế cũng như trong việc xác định tuổi các vật cổ. Bên cạnh vấn đề này, các nhà khoa học trong nước cịn đặc ra nhiệm vụ nghiên cứu về các loại vật liệu nhiệt huỳnh quang sao cho cĩ độ ổn định và độ lặp lại cao, gớp phần mở ra hướng ứng dụng vào trong đo liều xạ trị cũng như đo liều cá nhân (Huỳnh Kỳ Hạnh ,Phan tiến Dũng....2006, Hồng Đức Tâm, Thái Khắc Định...... 2008). 1.4.3. Những vấn đề quan tâm nghiên cứu của luận văn - Nghiên cứu giải pháp gia cơng và chế tạo mẫu đo trên mẫu gốm. - Xây dựng cấu hình phép đo tín hiệu nhiệt huỳnh quang trên hệ đo RGD-3A. - Xử lí tín hiệu, tính liều bức xạ anpha trong mẫu gốm và đề xuất giải pháp nghiên cứu trong thời gian tới. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ XÁC ĐỊNH LIỀU BỨC XẠ ANPHA TRONG MẪU GỐM Quá trình thực nghiệm được tiến hành qua các giai đoạn sau: - Gia cơng chế tạo mẫu đo. - Xây dựng cấu hình phép đo trên hệ đo RGD-3A. - Đo bức xạ nhiệt huỳnh quang mẫu LiF:Mg,Cu,P trên hệ đo RGD-3A. - Xử lí số liệu đo. 2.1. Gia cơng chế tạo mẫu đo 2.1.1.Gia cơng mẫu gốm - Bước 1: Lựa chọn mẫu gốm Để thuận tiện cho việc gia cơng chế tạo mẫu, chúng tơi chọn những mẫu cĩ khối lượng lớn, độ nung khơng cao, dễ gia cơng. Những mẫu này được sưu tầm ở những khu di tích cao, ít khả năng ngập nước, vì thế giúp chúng ta loại bỏ được ảnh hưởng của độ ẩm lên quá trình đo đạt liều bức xạ. Bảng 2.1: Các mẫu gốm được chọn làm thí nghiệm Thứ tự Tên mẫu Mơ tả mẫu Địa điểm lấy mẫu Đặc điểm 1 G1-CL Xã Cổ Loa, Huyện Đơng Anh, Hà Nội. Mẫu là những mảnh đồ gốm màu nâu nhạt. 2 G2-DT Di tích Dục Tú, xã Dục Tú, Huyện Đơng Anh, Hà Nội. Mẫu là những mảnh đồ gốm màu nâu nhạt. 3 G3-ĐTr Làng gốm Đơng Triều, Huyện Đơng Triều, Quảng Ninh. Mẫu ._.