Chế tạo và nghiên cứu tính chất nhiệt phát quang của thủy tinh aluminoborate-kiềm pha tạp samarium (ABLi:Sm) định hướng ứng dụng trong đo liều bức xạ tia X

Nội dung text: Chế tạo và nghiên cứu tính chất nhiệt phát quang của thủy tinh aluminoborate-kiềm pha tạp samarium (ABLi:Sm) định hướng ứng dụng trong đo liều bức xạ tia X

1. 30 Trần Ngọc / Tạp chí Khoa học và Cơng nghệ Đại học Duy Tân 01(44) (2021) 30-35 01(44) (2021) 30-35 Chế tạo và nghiên cứu tính chất nhiệt phát quang của thủy tinh aluminoborate-kiềm pha tạp samarium (ABLi:Sm) định hướng ứng dụng trong đo liều bức xạ tia X Fabrication and study on the thermoluminescent properties of alkali aluminoborate glass doped with samarium (ABLi: Sm), with orientation for application in X-ray dose measurement Trần Ngọca,b* Tran Ngoca,b* aViện Nghiên cứu và Phát triển Cơng nghệ Cao, Trường Đại học Duy Tân, Đà Nẵng, Việt Nam aInstitute of Research and Development, Duy Tan University, Da Nang, 550000, Vietnam bKhoa Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Duy Tân, Đà Nẵng, Việt Nam bFaculty of Natural Sciences, Duy Tan University, Da Nang, 550000, Vietnam (Ngày nhận bài: 31/12/2020, ngày phản biện xong: 09/01/2021, ngày chấp nhận đăng: 05/02/2021) Tĩm tắt Vật liệu thủy tinh aluminoborate - kiềm pha tạp Sm (ABLi:Sm) được chế tạo thành cơng bằng phương pháp nung nĩng chảy, với định hướng sử dụng trong chế tạo liều kế đo liều bức xạ tia X. Các dải bức xạ nhiệt phát quang đều là đỉnh đơn với cấu trúc dải rộng và cĩ đặc trưng của phân bố Gaussian nên dễ phân tích. Các thơng số động học đặc trưng cho vật liệu đã được xác định bằng phương pháp độ bán rộng của R.Chen. Độ đáp ứng liều tia X khá tuyến tính ở vùng liều cao, điều đĩ cho thấy thủy tinh ABLi:Sm cĩ thể sử dụng để chế tạo liều kế đo liều bức xạ ion hĩa năng lượng cao. Từ khĩa: Thermoluminescence; ABLi:Sm glass; dosimeter. Abstract Alkali aluminoborate glass doped with samarium were prepared by conventional melt quenching technique, with an orientation for use in the manufacture of X-ray dose measurement. Thermoluminescence (TL) is single peak with wide band structure and features of Gaussian distribution, so it is easy to analyze. The characteristic kinetic parameters for the material were determined using the semi-wide method of R. Chen. The X-ray dose response is quite linear in the high dose region, which shows that ABLi:Sm glass can be used to make dosimeters to measure ionizing radiation dosimeters high energy. Keywords: Thermoluminescence; ABLi:Sm glass; dosimeter. * Corresponding Author: Ngoc Tran; Institute of Research and Development, Duy Tan University, Da Nang, 550000, Vietnam; Faculty of Natural Sciences, Duy Tan University, Da Nang, 550000, Vietnam. Email: tranngoc11@duytan.edu.vn
2. Trần Ngọc / Tạp chí Khoa học và Cơng nghệ Đại học Duy Tân 01(44) (2021) 30-35 31 1. Giới thiệu liều kế cá nhân và liều kế dùng trong xạ trị rất Cho tới nay, phương pháp đo liều thụ động thích hợp vì chúng cĩ tiết diện hiệu dụng tương người ta sử dụng nhiều nhất vẫn là các liều kế đương mơ sinh học (cỡ 7,6) [1, 2, 5]. Khi được dạng bột được chế tạo từ vật liệu nền như kết hợp với các vật liệu khác như ơxít nhơm CaSO4 hoặc các hợp chất chứa Li (LiF; (tạo độ bền cơ, bền hĩa) và hợp chất borate (tạo Li2B4O7 ) pha tạp các nguyên tố đất hiếm biến tính và sớm đạt được pha thủy tinh) để tạo hoặc kim loại chuyển tiếp [1]. Với các vật liệu ra hợp chất nền, cùng với việc pha tạp (các truyền thống này cho sản phẩm liều kế cĩ tốc nguyên tố đất hiếm hoặc kim loại chuyển tiếp) độ suy giảm tín hiệu thấp và cĩ đáp ứng liều với nồng độ thích hợp, thì tính chất hấp thụ tốt tuyến tính trong khoảng liều rộng và cĩ độ nhạy các loại bức xạ ion hĩa, tạo ra độ nhạy tín hiệu liều cao. Tuy nhiên, vì tín hiệu nhiệt phát quang khá lớn. Tuy nhiên, do cấu trúc thủy tinh (TL) phụ thuộc vào khối lượng và diện tích tiếp thường cĩ độ rộng vùng cấm lớn, nên các liều xúc của mẫu với thanh đốt, do đĩ liều kế ở kế chế tạo trên vật liệu nền dạng này được ứng dạng bột thường gây sai số khá lớn trong quá dụng để đo liều bức xạ ion hố năng lượng cao trình đọc tín hiệu. Vì vậy, việc lặp lại giữa các (cỡ vài bậc eV) [6, 7]. phép đọc tín hiệu là vấn đề khĩ khăn và gây sai Trong bài báo này chúng tơi trình bày cơng số nhiều, mà đây lại là một trong những yêu nghệ chế tạo thủy tinh ABLi pha tạp Sm bằng cầu cơ bản của một liều kế [2]. Trong những phương pháp nung nĩng chảy. Các kết quả năm gần đây, các liều kế dạng tinh thể được nghiên cứu về tính chất TL như: dạng đường chế tạo thành cơng bằng phương pháp nuơi đơn cong tích phân, vị trí cực đại phổ xuất hiện tinh thể hoặc thủy tinh được chế tạo bằng trong vùng nhiệt độ nào, độ đáp ứng liều đối phương pháp nung nĩng chảy hay solgen ở một với bức xạ ion hĩa nhằm tìm ra thành phần số phịng thí nghiệm đã khắc phục được các nền-tạp tối ưu cho quá trình TL theo định nhược điểm này. Các liều kế dạng đơn tinh thể hướng đo liều. Ngồi ra, bài báo cũng đưa ra thường cĩ chất lượng tốt với độ đáp ứng liều kết quả khảo sát sự đáp ứng liều tia X trong cũng như độ ổn định tín hiệu. Tuy nhiên, khoảng từ 68 Gy đến 1035 Gy, qua đĩ để định phương pháp nuơi đơn tinh thể địi hỏi kỹ thuật hướng ứng dụng làm vật liệu đo liều bức xạ ion và cơng nghệ cao, vì vậy các sản phẩm thường hĩa ứng dụng trong đo liều tia X. cĩ giá thành rất cao và khơng phải phịng thí nghiệm nào cũng thực hiện được. 2. Thực nghiệm chế tạo thủy tinh ABLi:Sm Tuy chất lượng khơng thể bằng đơn tinh thể, Hĩa chất ban đầu gồm các ơxít: Al2O3; nhưng các liều kế dạng thủy tinh được chế tạo B2O3; Li2O3 là các loại hĩa chất sạch (99,9%) bằng phương pháp nung nĩng chảy lại được rất dùng trong phân tích (xuất xứ Hàn Quốc) và nhiều phịng thí nghiệm quan tâm. Ưu điểm của ơxít đất hiếm (Sm2O3) cĩ độ tính khiết 99,99% các liều kế này là cĩ tính đồng đều cao, dễ dàng (Merck), được cân với khối lượng thích hợp cưa cắt, tạo dáng để tạo ra những liều kế đồng theo tỷ lệ hợp phần của mẫu dự kiến (65-x) nhất cả về nồng độ tạp và cả về kích thước, B2O3-30Li2O-5Al2O3-xSm2O3. Các mẫu thủy hình dáng. Hơn nữa cơng nghệ chế tạo lại đơn tinh được chế tạo bằng phương pháp nung nĩng giản vì vậy giá thành rẻ hơn các liều kế dạng chảy, cách tiến hành như sau: đơn tinh thể rất nhiều [3, 4]. - Trộn đều các hĩa chất bằng cách nghiền Các hợp chất cĩ chứa Li thường là những trong cối mã não. Hỗn hợp sau khi đã được trộn vật liệu TL dùng chế tạo liều kế bao gồm cả đều được cho vào khuơn graphit (than) và được
3. 32 Trần Ngọc / Tạp chí Khoa học và Cơng nghệ Đại học Duy Tân 01(44) (2021) 30-35 nung đến 1050oC (giữ ở nhiệt độ này trong 1 Sản phẩm thủy tinh sau khi lấy ra khỏi khuơn giờ), sau đĩ làm nguội xuống nhiệt độ phịng. nung, bằng mắt thường thấy mẫu cĩ màu hồng, Tiếp theo là cắt, mài và đánh bĩng 2 mặt thành trong suốt đồng đều, khơng cĩ bọt (Hình 1). các mẫu cĩ kích thước giống nhau (d = 5mm, Kết quả phân tích giản đồ nhiệt vi sai (DTA) h = 1mm). Cuối cùng các sản phẩm được ủ ở trình bày ở Hình 2, cho thấy: nhiệt độ 300oC trong 2 giờ trước khi đưa vào - Ở nhiệt độ 1700C cĩ sự tăng nhẹ khối bảo quản để thực hiện các phép đo. lượng (khoảng 0,52%) điều này cĩ thể giải thích là khi nung nĩng vật liệu trong mơi trường khơng khí đã xảy ra quá trình oxy hĩa, mẫu thu thêm O2 làm khối lượng tăng nhẹ. Hình 1. Một số mẫu thủy tinh ABLi:Sm: khối mẫu khi lấy từ khuơn và sau khi cắt, mài kích thước: d = 5mm, h = 1mm Trong quá trình chế tạo, các bước nung, ủ Hình 2. Giản đồ phân tích nhiệt DTA của mẫu thủy tinh ABLi:Sm (2mol% Sm) mẫu là khâu quan trọng nhất để cho ra sản phẩm đồng đều và cĩ chất lượng theo định - Khối lượng mẫu giảm mạnh ở hai điểm hướng ứng dụng. Các nội dung cần lưu ý khi nhiệt độ 3950C và 9800C nung, ủ mẫu là: + Ở nhiệt độ 3950C xảy ra quá trình phân + Trong quá trình nung mẫu đến nhiệt độ hủy để giải phĩng CO2 và nước cịn lại trong chuyển pha để tạo thủy tinh, cần thực hiện cẩn mẫu và thốt ra ngồi. thận các giai đoạn: tăng chậm nhiệt độ (với tốc + Ở nhiệt độ 9800C xảy ra sự chuyển pha rắn độ gia nhiệt  = 20C/s) từ nhiệt độ phịng lên qua pha lỏng bằng quá trình nĩng chảy vật liệu. đến 1000C và giữ ổn định tại nhiệt độ này trong 15 phút. Tiếp tục tăng nhiệt độ với tốc độ Như vậy để chế tạo thuỷ tinh bằng phương trung bình (tốc độ gia nhiệt  = 50C/s) đến pháp nĩng chảy thì nhiệt độ nung mẫu phải trên 0 3000C và giữ ổn định tại nhiệt độ này trong 30 980 C. Trên cơ sở kết quả này chúng tơi đã tối phút, sau đĩ tăng nhanh đến nhiệt độ 10500C ưu hĩa quy trình nung mẫu (ở điều kiện nhiệt (với tốc độ gia nhiệt  = 100C/s) và giữ ổn định độ và thời gian) để mẫu nĩng chảy và hịa tan ở nhiệt độ này trong 1 giờ. hết tạp đất hiếm và nhiệt độ ủ để ổn định cấu trúc sau đĩ là 3000C. + Trong quá trình làm nguội: ngắt nguồn điện và mở cửa lị đưa dần mẫu ra miệng lị, đợi Để kiểm tra pha cấu trúc của sản phẩm thu cho nhiệt độ bên trong lị hạ xuống cịn 7000C, được, chúng tơi đã tiến hành đo phổ nhiễu xạ lấy mẫu ra khỏi lị. tia X, kết quả được trình bày ở Hình 3.
4. Trần Ngọc / Tạp chí Khoa học và Cơng nghệ Đại học Duy Tân 01(44) (2021) 30-35 33 2θ Hình 3: Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu 63B2O3-30Li2O-5Al2O3-2Sm2O3 Hình 4: Đường cong tích phân của thủy tinh ABLi:Sm, Phổ cĩ dạng dải rộng. Điều đĩ cho thấy các (a) chiếu xạ tia γ (500 Gy) và (b) chiếu xạ tia sản phẩm thu được đều cĩ cấu trúc thủy tinh X: (500 Gy);  = 50C/s (vơ định hình). Cấu trúc phổ nhiễu xạ cho thấy Ngồi ra ta thấy rằng vật liệu này cĩ sự đáp các pha kết tinh của thuỷ tinh ít phụ thuộc vào ứng liều (độ nhạy) với bức xạ tia X hơn là bức nồng độ tạp chất. Điều đĩ cĩ thể lý giải như xạ tia γ. Ta cĩ thể lý giải các vấn đề trên như sau: Các mẫu thủy tinh chế tạo trong nghiên sau: sự xuất hiện các đỉnh đơn và hẹp chỉ đúng cứu này là loại thủy tinh cĩ thành phần hỗn hợp trong trường hợp vật liệu tinh thể cĩ chất lượng từ aluminoborate - kiềm cĩ tỷ lệ hợp phần rất cao. Ở đây các mẫu chế tạo nằm trong nhĩm khơng đổi và khá lớn. Việc pha tạp ion đất các vật liệu vơ định hình do đĩ sự suy biến các hiếm với nồng độ rất bé như vậy khơng làm giá trị năng lượng liên quan đến những khuyết thay đổi cấu hình của trường cục bộ trong quá tật trải rộng trên một dải các giá trị mà khơng trình hình thành thủy tinh [2, 6]. phải là giá trị đơn. Trong những loại vật liệu 3. Kết quả và thảo luận như vậy, sự cĩ mặt của các khuyết tật làm thay 3.1. Đường cong nhiệt phát quang tích phân đổi cấu trúc trường tinh thể xung quanh chúng một cách ngẫu nhiên, đặc biệt là gĩc và chiều Hình 4 là các đường cong nhiệt phát quang dài liên kết với các ion gần nhất dẫn đến tín tích phân của mẫu ABLi:Sm cĩ cùng nồng độ hiệu TL cĩ thể thay đổi. Kết quả là cấu trúc các tạp 2mol% nhưng được chiếu xạ bằng tia γ (a) mức năng lượng kích hoạt của các bẫy cĩ xu và tia X (b). Dạng đường cong tích phân tương hướng mở rộng. Mặt khác, đối với các vật liệu đối đơn giản, các đỉnh đơn xuất hiện ở 600C, vơ định hình ta khơng thể xem độ rộng vùng 1180C và 2200C đều là dải rộng, khơng chồng cấm cĩ giới hạn như trong vật liệu tinh thể. Vì chập và cĩ dạng đối xứng Gaussian (trường hợp vậy, các mức bẫy trong vùng cấm khơng cĩ giá đường cong b). Cực đại ở 2200C cĩ cường độ trị gián đoạn rõ ràng và thống nhất, dẫn đến các lớn và xuất hiện ở nhiệt độ khơng quá nhỏ để đỉnh nhiệt phát quang thường cĩ dải rộng và cĩ tránh được sự fading tín hiệu do nhiệt, nhưng đặc trưng tổng hợp của phân bố Gaussian. Đây lại khơng quá lớn để chạm ngưỡng hồng ngoại là cơ sở để xác định sự phân bố năng lượng các trong phép đọc tín hiệu nên rất phù hợp dùng để mức bẫy trong vật liệu thủy tinh [6, 7, 8, 9]. đo liều. Các giá trị năng lượng kích hoạt ứng với các mức bẫy xuất hiện trên đường cong đã được xác định bằng phương pháp sử dụng độ bán rộng của R. Chen, được trình bày ở Bảng 1.
5. 34 Trần Ngọc / Tạp chí Khoa học và Cơng nghệ Đại học Duy Tân 01(44) (2021) 30-35 Bảng 1. Giá trị năng lượng E ứng với các mức bẫy trong thủy tinh ABLi:Sm (2%mol) Thuỷ tinh ABLi:Sm (2mol%) Vị trí đỉnh 60 0C 118 0C 220 0C Năng lượng E 0,67 eV 0.81 eV 1,05 eV (độ sâu bẫy) Từ các kết quả thực nghiệm trên, ta cĩ thể mơ tả quá trình hình thành TL trong vật liệu thủy tinh ABLi:Sm như sau: Quá trình chiếu xạ Hình 5. Sự phụ thuộc hiệu suất phát quang của đỉnh hình thành cặp điện tử - lỗ trống, các điện tử 220oC vào nồng độ tạp Sm chuyển lên vùng dẫn và sau đĩ bị bắt trên các 3.3. Đường đáp ứng liều tia X bẫy (ứng với độ sâu bẫy cỡ 0,67 eV, 0,81 eV và 1,05 eV), các lỗ trống sẽ bị bắt tại tâm phát Một trong những tiêu chí quan trọng nhất quang. Trong quá trình cưỡng bức nhiệt, các khi chế tạo các vật liệu làm liều kế là sự đáp điện tử từ các bẫy được giải phĩng, chúng ứng liều bức xạ của vật liệu và khoảng tuyến chuyển động lên vùng dẫn, sau đĩ tái hợp với lỗ tính của nĩ [1, 2, 3]. Cũng cần lưu ý, sự đáp trống tại tâm tái hợp cho tín hiệu TL. Đối với ứng liều bức xạ của vật liệu phụ thuộc vào khả vật liệu vơ định hình, những chuyển dời tạo năng gây ion hĩa và bản chất của các tia phĩng hiệu ứng TL thường xảy ra trong cấu trúc trật xạ như tia , ,  hoặc tia X. Vì vậy, thơng tự gần (phạm vi cục bộ) tại một vị trí trong thường ta phải khảo sát sự đáp ứng liều của vật trường thủy tinh. Vì vậy, dạng đường cong tín liệu theo tính chất của từng loại bức xạ , ,  hiệu đơn giản dễ phân tích. Vật liệu thủy tinh hoặc tia X. Tuy nhiên, đối với vật liệu thủy tinh ABLi:Sm khá nhạy với liều tia X hơn liều tia γ. ABLi:Sm lại nhạy với liều tia X hơn liều tia  Đây là một kết quả lý thú, dẫn chúng ta nghĩ (Hình 4) và khả năng đáp ứng nằm trong đến các nghiên cứu xa hơn, với hy vọng đưa khoảng liều cao. Với lý do như vậy, nên chúng thủy tinh này vào ứng dụng trong lĩnh vực đo tơi chỉ xây dựng đáp ứng liều tia X trong liều bức xạ tia X bằng TL [1]. khoảng liều từ 68 Gy đến 1035 Gy. 3.2. Tối ưu hĩa hiệu suất nhiệt phát quang Hiệu suất phát quang thể hiện chất lượng của sản phẩm và độ nhạy liều của liều kế. Các nghiên cứu cho thấy hiệu suất phát quang phụ thuộc rất mạnh vào nồng độ tạp khi được pha vào cấu trúc nền, nĩi cách khác là phụ thuộc vào tỷ lệ thành phần các phối liệu ban đầu. Thường thì hiệu suất phát quang được kiểm tra thơng qua hiệu suất phát quang của đỉnh dùng đo liều. Trong nghiên cứu này chúng tơi sử Hình 6. Đường đáp ứng liều tia X của thủy tinh ABLi:Sm (2mol%) dụng đỉnh ở 2200C để đánh giá. Sau mỗi mẽ chế tạo, chúng tơi đã điều chỉnh nồng độ tạp và Việc chiếu xạ được thực hiện trên nguồn đã chọn được nồng độ tạp tối ưu cho hiệu suất chiếu xạ tia X ((YPC1-CCCP) cĩ bia bằng Cu, phát quang là 2 mol% (Hình 5). với thơng số kỹ thuật: Vmax: 50 kV, Imax 20
6. Trần Ngọc / Tạp chí Khoa học và Cơng nghệ Đại học Duy Tân 01(44) (2021) 30-35 35 mA và suất liều 1,15 Gys-1, thời gian chiếu mẫu Tài liệu tham khảo từ 1 phút đến 15 phút), kết quả cho ở Hình 6. [1] Horowitz Y.S, Thermolminescence and Vật liệu đáp ứng liều tuyến tính khá tốt (đặc Thermoluminescent dosimetry, Vol. I, CRCPress biệt trong khoảng liều cao từ 250 Gy đến 1000 (1984). [2] IAEA, Environmental Radiation, IAEA (2000). Gy), cĩ phi tuyến ở vùng liều thấp dưới 250 [3] Jan van Dam and Ginette Marinello, Methods for in Gy. Kết quả này cho thấy cĩ thể sử dụng các vivo dosimetry in External Radiotherapy, Physics liều kế này trong đĩ liều tia X cho kết quả tin for clinucak radiotherapy, Booklet No.1 (1999). [4] H.W. Kui, D. Lo, Y.C. Tsang, N.M. Khaidukov, cậy (đặc biệt trong khoảng liều cao). V.N. Makhov, Thermoluminescence properties of double potassium yttrium fluorides singly doped 4. Kết luận with Ce3+, Tb3+, Dy3+ and Tm3+ in response to α and Chúng tơi đã hồn tồn làm chủ cơng nghệ β irradiation, Journal of Luminescence 117 (2006) 29-38. chế tạo vật liệu thủy tinh ABLi:Sm. Các mẫu [5] Tran Ngoc and Phan Van Do, optical spectroscopy of 3+ chế tạo được đều cĩ độ đồng nhất nền-tạp tốt, Sm ions in the alkali metal borate glass and cross- 4 điều đĩ thể hiện ở tính chính xác riêng trong relaxation of G5/2 level of f - f transition, proceedings of international conference on các phép đọc liều trên một lơ sản phẩm của loại Spectroscopy and applications-Danang - ICSA- vật liệu này. Nồng độ tạp tối ưu cho hiệu suất 2013, pp 247-259. nhiệt phát quang là 2 mol% Sm. [6] Y.C. Ratnakaram, D. Thirupathi Naidu, Spectral studies of Sm3+ and Dy3+ doped lithium cesium Các kết quả nghiên cứu tính chất TL trên các mixed alkali borate glasses, Journal of Non- Crystalline Solids, Vol. 352, Issue 8 (2006) 3914- sản phẩm chế tạo được cho thấy: dải bức xạ 3922. nhiệt phát quang dùng đo liều ở 2200C cĩ cấu [7] Y.C. Ratnakaram, D. Thirupathi Naidu, Influence of trúc dải rộng, đỉnh đơn, cĩ đặc trưng của phân mixed alkalies on absorption and emission properties of Sm3+ ion in borate glasses, Physica B, bố Gaussian và cĩ độ nhạy khá lớn, đặc biệt với Vol 358 (2005) 296-307. liều tia X. Tuy rằng cĩ phi tuyến ở vùng liều [8] Christane Gưrller, Walrand and K. Binnemans, thấp dưới 250 Gy, nhưng vật liệu đáp ứng liều Spectral intensities of f - f transition, Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths. Vol.25 tuyến tính trong khoảng liều cao từ 250 Gy đến (1998) 101-252. 1000 Gy. Điều đĩ cho phép chúng ta nghĩ đến [9] T. Suhasini, J. Suresh Kumar, T. Sasikala, K. Jang, các nghiên cứu xa hơn, với hy vọng đưa vật H.S. Lee, M. Jayasimhadri, J.H. Jeong, S.S. Yi, L. Rama Moorthy, Absorption and fluorescence liệu này vào ứng dụng trong lĩnh vực đo liều properties of Sm3+ ions in fluoride containing bức xạ tia X bằng phương pháp TL. phosphate glasses, Opt. Mater. Vol. 31 (2009) 1167-1172.