Luận văn thạc sĩ khảo sát tính ổn định của quy trình chế tạo k2gdf5 tb bằng nghiên cứu đáp ứng nhiệt phát quang của vật liệu với bức xạ hạt nhân

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu khảo sát tính ổn định của quy trình chế tạo k2gdf5 tb bằng nghiên cứu đáp ứng nhiệt phát quang của, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Trần Hà My
• Người hướng dẫn: TS. Hà Xuân Vinh
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân
• Đề tài: Khảo Sát Tính Ổn Định Quy Trình Chế Tạo K2GdF5:Tb Qua Đáp Ứng Nhiệt Phát Quang Với Bức Xạ Hạt Nhân
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
• 1.1. LÝ THUYẾT NHIỆT PHÁT QUANG
• 1.2. BỨC XẠ HẠT NHÂN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GHI ĐO
• 1.3. TỔNG QUAN CHẾ TẠO VẬT LIỆU THEO PHƯƠNG PHÁP PHA RẮN
• 1.4. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC VẬT LIỆU
• 1.5. TIỂU KẾT CHƯƠNG 1
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
• 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.3. TIỂU KẾT CHƯƠNG 2
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. KẾT QUẢ CHẾ TẠO MẪU
• 3.2. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU K2GdF5:Tb BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ TIA X
• 3.3. KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐỘ ĐỒNG ĐỀU MẪU BẰNG CHỤP ẢNH SEM
• 3.4. KẾT QUẢ KHẢO SÁT PHỔ NHIỆT PHÁT QUANG
• 3.5. KẾT QUẢ KHẢO SÁT TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA CÁC MẺ VẬT LIỆU CHẾ TẠO
• 3.6. TIỂU KẾT CHƯƠNG 3
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan nghiên cứu và lý thuyết nhiệt phát quang

Nhiệt phát quang là hiện tượng vật liệu phát ra ánh sáng khi được nung nóng sau khi chiếu xạ bằng các bức xạ như tia X, alpha, beta hoặc gamma. Hiện tượng này xảy ra do sự tích lũy năng lượng trong các bẫy điện tử và lỗ trống trong vật liệu. Khi vật liệu được đốt nóng, các điện tử thoát khỏi bẫy và tái hợp với lỗ trống, giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng. Vật liệu nhiệt phát quang như K2GdF5:Tb được nghiên cứu để ứng dụng trong đo liều bức xạ hạt nhân, đặc biệt là với bức xạ neutron và gamma. Các vật liệu này cần có độ nhạy cao, độ tuyến tính tốt và khả năng tái sử dụng.

1.1. Hiện tượng nhiệt phát quang

Hiện tượng nhiệt phát quang xảy ra khi vật liệu bị chiếu xạ bởi các bức xạ ion hóa, tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống. Các điện tử bị bắt tại các bẫy năng lượng, và khi vật liệu được nung nóng, chúng thoát khỏi bẫy và tái hợp với lỗ trống, phát ra ánh sáng. Quá trình này được mô tả bằng mô hình hai mức năng lượng, bao gồm bẫy điện tử và tâm tái hợp.

1.2. Cơ chế nhiệt phát quang

Cơ chế nhiệt phát quang dựa trên lý thuyết vùng năng lượng của vật rắn. Khi vật liệu bị chiếu xạ, các điện tử được kích thích lên vùng dẫn, để lại lỗ trống trong vùng hóa trị. Các điện tử bị bắt tại bẫy và chỉ thoát ra khi được cung cấp đủ năng lượng nhiệt. Quá trình tái hợp điện tử và lỗ trống tại tâm phát quang giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng.

II. Quy trình chế tạo vật liệu K2GdF5 Tb

Quy trình chế tạo vật liệu K2GdF5:Tb được thực hiện bằng phương pháp phản ứng pha rắn. Quá trình bao gồm các bước: chuẩn bị nguyên liệu, nghiền mẫu, nung mẫu và sấy khô. Tính ổn định của quy trình được đánh giá thông qua việc đo phổ nhiễu xạ tia X và chụp ảnh SEM để xác định cấu trúc và độ đồng đều của vật liệu. Các mẫu vật liệu được chiếu xạ bằng tia X để nghiên cứu đáp ứng nhiệt phát quang.

2.1. Phương pháp phản ứng pha rắn

Phương pháp pha rắn được sử dụng để chế tạo vật liệu K2GdF5:Tb. Quá trình bao gồm việc nghiền các nguyên liệu ban đầu, nung ở nhiệt độ cao để tạo thành pha rắn, và sấy khô để thu được sản phẩm cuối cùng. Phương pháp này đảm bảo độ đồng nhất và ổn định của vật liệu.

2.2. Đánh giá tính ổn định của quy trình

Tính ổn định của quy trình chế tạo được đánh giá thông qua việc đo phổ nhiễu xạ tia X và chụp ảnh SEM. Các kết quả cho thấy cấu trúc tinh thể và độ đồng đều của vật liệu K2GdF5:Tb được duy trì qua các mẻ chế tạo, chứng tỏ quy trình có độ ổn định cao.

III. Ứng dụng và giá trị thực tiễn

Vật liệu K2GdF5:Tb có tiềm năng lớn trong việc ứng dụng làm liều kế để đo liều bức xạ hạt nhân, đặc biệt là với bức xạ neutron và gamma. Nghiên cứu này không chỉ khẳng định tính ổn định của quy trình chế tạo mà còn mở ra hướng phát triển các vật liệu mới trong lĩnh vực đo liều bức xạ. Ứng dụng trong công nghệ đo liều bức xạ cá nhân và môi trường là một trong những giá trị thực tiễn quan trọng của nghiên cứu này.

3.1. Ứng dụng trong đo liều bức xạ

Vật liệu K2GdF5:Tb được nghiên cứu để ứng dụng làm liều kế trong đo liều bức xạ hạt nhân. Đặc biệt, vật liệu này có độ nhạy cao với bức xạ neutron và gamma, phù hợp để sử dụng trong các lĩnh vực như y tế, công nghiệp và nghiên cứu hạt nhân.

3.2. Giá trị thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cơ sở khoa học cho việc chế tạo vật liệu K2GdF5:Tb mà còn mở ra hướng ứng dụng thực tiễn trong việc đo liều bức xạ. Đây là bước tiến quan trọng trong việc phát triển các vật liệu mới có độ nhạy cao và ổn định trong đo liều bức xạ hạt nhân.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ứng dụng rộng rãi của bức xạ hạt nhân trong y tế, công nghiệp và nghiên cứu khoa học, việc định liều chính xác bức xạ là yêu cầu thiết yếu nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả. Vật liệu nhiệt phát quang (Thermoluminescence - TL) được sử dụng phổ biến trong liều kế thụ động nhờ khả năng hấp thụ và lưu trữ năng lượng bức xạ, sau đó phát xạ ánh sáng khi nung nóng. Trong đó, vật liệu K2GdF5 pha tạp ion Tb3+ với nồng độ 10% được đánh giá có độ nhạy cao với bức xạ gamma và neutron, hứa hẹn ứng dụng trong đo liều bức xạ hạt nhân.

Luận văn tập trung khảo sát tính ổn định của quy trình chế tạo vật liệu K2GdF5:Tb (10%) dạng bột bằng phương pháp phản ứng pha rắn, thông qua nghiên cứu đáp ứng nhiệt phát quang của vật liệu khi chiếu bức xạ tia X. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2022-2023 tại Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang và Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt, với mục tiêu đánh giá độ đồng đều, cấu trúc tinh thể và tính ổn định của các mẻ vật liệu chế tạo nhằm hướng tới ứng dụng làm liều kế cá nhân trong đo liều bức xạ photon và neutron.

Việc khảo sát này có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng và độ tin cậy của vật liệu liều kế, góp phần nâng cao hiệu quả đo liều bức xạ trong các lĩnh vực an toàn bức xạ, y tế và công nghiệp hạt nhân. Qua đó, nghiên cứu cũng đóng góp vào phát triển khoa học vật liệu nhiệt phát quang tại Việt Nam, đáp ứng nhu cầu thực tiễn trong đo lường bức xạ hạt nhân.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết nhiệt phát quang (Thermoluminescence - TL), hiện tượng phát xạ ánh sáng của vật liệu sau khi bị chiếu xạ ion hóa và nung nóng. Cơ chế TL được mô tả qua mô hình năng lượng của vật rắn, trong đó các điện tử bị bắt giữ tại các bẫy năng lượng (trap) và tái hợp với lỗ trống tại tâm tái hợp (recombination center) khi được kích thích nhiệt, phát ra photon. Các khái niệm chính bao gồm:

• Bẫy điện tử (Trap): Mức năng lượng nằm trong vùng cấm, giữ điện tử sau chiếu xạ.
• Tâm tái hợp (Recombination Center): Vị trí bắt lỗ trống, nơi tái hợp điện tử-lỗ trống phát quang.
• Đường cong nhiệt phát quang (Glow curve): Biểu diễn cường độ phát quang theo nhiệt độ, phản ánh các mức bẫy khác nhau.

Ngoài ra, nghiên cứu áp dụng mô hình phản ứng pha rắn trong chế tạo vật liệu, trong đó các nguyên liệu rắn tương tác ở nhiệt độ cao để tạo thành sản phẩm mới. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng bao gồm kích thước hạt, cấu trúc tinh thể và nhiệt độ nung.

Phương pháp xác định cấu trúc vật liệu sử dụng kỹ thuật nhiễu xạ tia X (XRD) để phân tích cấu trúc tinh thể, chỉ số Miller và hằng số mạng tinh thể. Kỹ thuật chụp ảnh SEM (Scanning Electron Microscope) được dùng để khảo sát hình thái bề mặt, độ đồng đều và kích thước hạt của vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu K2GdF5 pha tạp Tb3+ nồng độ 10% được chế tạo theo phương pháp phản ứng pha rắn tại phòng thí nghiệm Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang. Quá trình chế tạo gồm các bước: làm khan KF, cân nguyên liệu, nghiền hỗn hợp trong môi trường khí trơ, nung ở 620°C trong 5-6 ngày, rửa, sấy khô và ủ nhiệt ở 400°C.

Cỡ mẫu gồm 4 mẻ vật liệu với khối lượng mỗi mẻ khoảng 2,5-3 gam. Mỗi mẻ được đóng gói riêng biệt để đánh giá tính ổn định và đồng đều. Phân tích cấu trúc vật liệu bằng máy XRD tại Đại học Quốc gia Changwon (Hàn Quốc) với bước sóng Cu-Kα = 1,5406 Å, góc 2θ từ 15° đến 70°. Hình ảnh bề mặt được chụp bằng SEM với điện áp 15 kV.

Để khảo sát đáp ứng nhiệt phát quang, mẫu được chiếu bức xạ tia X trên hệ phát tia X “RF-200EGM2” tại Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt với liều chiếu 10 mSv. Phổ nhiệt phát quang được đo trên hệ đọc liều Rexon UL–320, ghi nhận đường cong TL và số đếm tín hiệu. Tính đồng nhất của các mẻ được đánh giá qua tỉ số biến thiên giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất trong cùng mẻ.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ khâu tổng hợp vật liệu, phân tích cấu trúc, chiếu xạ và đo phổ nhiệt phát quang, tổng cộng khoảng 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Độ ổn định cấu trúc tinh thể: Kết quả phổ nhiễu xạ tia X của 4 mẻ vật liệu K2GdF5:Tb (10%) cho thấy các đỉnh nhiễu xạ trùng khớp với thẻ chuẩn JCPDS số 77-1924, với sai lệch hằng số mạng dưới 5%. Điều này chứng tỏ quy trình chế tạo ổn định, đảm bảo cấu trúc tinh thể trực giao nhóm không gian Pnam, phù hợp cho ứng dụng liều kế.

2. Đồng đều bề mặt vật liệu: Ảnh SEM cho thấy bề mặt vật liệu có cấu trúc xốp, hạt đồng nhất, không chồng lấn, mật độ cao. Đặc điểm này phù hợp với phương pháp pha rắn và đảm bảo tính đồng nhất của mẫu, yếu tố quan trọng trong đo liều bức xạ.

3. Đáp ứng nhiệt phát quang: Các mẻ vật liệu sau khi chiếu bức xạ tia X với liều 10 mSv đều cho tín hiệu nhiệt phát quang cao và ổn định. Số đếm tín hiệu của các mẻ có sự biến thiên nhỏ, tỉ lệ đồng nhất đạt khoảng dưới 10%, cho thấy tính ổn định và khả năng tái sản xuất của quy trình chế tạo.

4. Khối lượng mẫu và hao hụt: Khối lượng mẫu sau nung và rửa dao động từ 2,5 đến 3 gam, với hao hụt khối lượng dưới 5%, đảm bảo thành phần nguyên liệu phản ứng hoàn toàn, không tồn dư tạp chất ảnh hưởng đến tính chất vật liệu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của độ ổn định cấu trúc và đồng đều bề mặt là do quy trình chế tạo nghiêm ngặt, kiểm soát nhiệt độ nung ở 620°C trong môi trường khí trơ liên tục, giúp hạn chế phản ứng phụ và duy trì cấu trúc tinh thể. Kích thước hạt nhỏ và đồng đều nhờ quá trình nghiền kỹ càng trong môi trường khí trơ cũng góp phần nâng cao tính đồng nhất của vật liệu.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về vật liệu TL khác như CaSO4:Dy hay LiF:Mg,Ti, vật liệu K2GdF5:Tb thể hiện ưu thế về độ nhạy với bức xạ neutron và gamma, đồng thời có đường cong nhiệt phát quang rõ ràng trong khoảng nhiệt độ 150-400°C, phù hợp cho ứng dụng liều kế hạt nhân.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ nhiễu xạ XRD so sánh các mẻ với thẻ chuẩn, hình ảnh SEM thể hiện bề mặt đồng đều, và biểu đồ đường cong nhiệt phát quang với các mức liều chiếu khác nhau. Bảng tổng hợp số liệu khối lượng và tỉ lệ hao hụt cũng minh họa tính ổn định của quy trình.

Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi của vật liệu K2GdF5:Tb (10%) làm liều kế nhiệt phát quang trong đo liều bức xạ hạt nhân, đặc biệt trong đo liều neutron, góp phần nâng cao độ chính xác và tin cậy trong các ứng dụng an toàn bức xạ.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình nghiền: Đề xuất tăng cường kiểm soát thời gian và môi trường nghiền nhằm giảm kích thước hạt đồng đều hơn, nâng cao độ nhạy và tính ổn định của vật liệu. Thời gian thực hiện trong 3-6 tháng, do phòng thí nghiệm vật lý ứng dụng chủ trì.

2. Mở rộng khảo sát liều chiếu: Thực hiện các thí nghiệm chiếu bức xạ với nhiều mức liều khác nhau (từ 0,1 mSv đến 50 mSv) để đánh giá tuyến tính đáp ứng nhiệt phát quang, đảm bảo ứng dụng đa dạng trong thực tế. Thời gian 6 tháng, phối hợp Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt.

3. Nghiên cứu ảnh hưởng môi trường: Khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm, nhiệt độ bảo quản và thời gian lưu trữ đến độ fading của vật liệu nhằm đảm bảo độ ổn định lâu dài khi sử dụng liều kế cá nhân. Thời gian 6-9 tháng, do nhóm nghiên cứu vật liệu thực hiện.

4. Phát triển dạng viên nén: Nghiên cứu chế tạo vật liệu dạng viên nén thay vì dạng bột để thuận tiện trong ứng dụng thực tế, đồng thời đánh giá ảnh hưởng đến tính chất nhiệt phát quang và độ bền cơ học. Thời gian 9-12 tháng, phối hợp với đơn vị sản xuất vật liệu.

5. Chuẩn hóa quy trình sản xuất: Xây dựng quy trình chuẩn hóa và kiểm soát chất lượng cho sản xuất quy mô lớn vật liệu K2GdF5:Tb nhằm đảm bảo tính đồng nhất và ổn định trong từng lô sản phẩm. Thời gian 12 tháng, phối hợp Viện Khoa học Vật liệu và các đối tác công nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu nhiệt phát quang: Luận văn cung cấp dữ liệu chi tiết về quy trình chế tạo, phân tích cấu trúc và tính chất nhiệt phát quang của vật liệu K2GdF5:Tb, hỗ trợ phát triển vật liệu mới trong lĩnh vực đo liều bức xạ.

2. Chuyên gia an toàn bức xạ và đo liều: Thông tin về tính ổn định và độ nhạy của vật liệu giúp lựa chọn liều kế phù hợp cho đo liều cá nhân và môi trường trong các cơ sở y tế, công nghiệp hạt nhân.

3. Kỹ sư công nghệ sản xuất vật liệu: Hướng dẫn quy trình phản ứng pha rắn, kiểm soát nhiệt độ và môi trường khí trơ trong sản xuất vật liệu tinh thể, giúp tối ưu hóa quy trình công nghiệp.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành Vật lý nguyên tử và hạt nhân: Tài liệu tham khảo thực tiễn về ứng dụng lý thuyết nhiệt phát quang, kỹ thuật phân tích XRD, SEM và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trong lĩnh vực vật lý hạt nhân.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu K2GdF5:Tb có ưu điểm gì so với các vật liệu TL truyền thống?
   K2GdF5:Tb có độ nhạy cao với bức xạ neutron và gamma, đường cong nhiệt phát quang rõ ràng trong khoảng 150-400°C, và khả năng tái sử dụng tốt, vượt trội so với CaSO4:Dy hay LiF:Mg,Ti vốn nhạy kém với neutron.

2. Tại sao cần khảo sát tính ổn định của các mẻ vật liệu?
   Tính ổn định đảm bảo rằng các mẻ vật liệu sản xuất ra có đặc tính đồng nhất, tránh sai số trong đo liều bức xạ, từ đó nâng cao độ tin cậy và chính xác của liều kế trong ứng dụng thực tế.

3. Phương pháp phản ứng pha rắn có ưu nhược điểm gì?
   Ưu điểm là đơn giản, chi phí thấp, dễ kiểm soát nhiệt độ và thành phần. Nhược điểm là vật liệu không nóng chảy nên bề mặt có thể gồ ghề, cần nghiền kỹ để đạt độ đồng đều hạt.

4. Độ biến thiên số đếm nhiệt phát quang trong các mẻ là bao nhiêu?
   Tỉ lệ đồng nhất của các mẻ vật liệu đạt dưới 10%, cho thấy sự ổn định cao trong đáp ứng nhiệt phát quang, phù hợp cho ứng dụng liều kế.

5. Có thể ứng dụng vật liệu này trong đo liều bức xạ môi trường không?
   Có, với độ nhạy cao và khả năng đo liều thấp, vật liệu K2GdF5:Tb thích hợp cho đo liều bức xạ cá nhân và môi trường, đặc biệt trong các khu vực có nguồn neutron và gamma.

Kết luận

• Luận văn đã thành công trong việc chế tạo và khảo sát tính ổn định của vật liệu K2GdF5:Tb (10%) dạng bột bằng phương pháp phản ứng pha rắn.
• Kết quả XRD và SEM chứng minh cấu trúc tinh thể ổn định, bề mặt đồng đều, phù hợp làm liều kế nhiệt phát quang.
• Đáp ứng nhiệt phát quang với bức xạ tia X cho thấy tính ổn định và độ nhạy cao, đáp ứng yêu cầu đo liều bức xạ hạt nhân.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu liều kế neutron và photon tại Việt Nam, góp phần nâng cao an toàn bức xạ.
• Các bước tiếp theo bao gồm tối ưu quy trình, mở rộng khảo sát liều chiếu và phát triển dạng viên nén để ứng dụng thực tế.

Kêu gọi hành động: Các nhà nghiên cứu và đơn vị sản xuất vật liệu nhiệt phát quang nên tiếp tục phối hợp để hoàn thiện quy trình sản xuất và ứng dụng vật liệu K2GdF5:Tb trong các hệ thống đo liều bức xạ hiện đại, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và phát triển khoa học công nghệ hạt nhân.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Để định liều bức xạ, các nhà nghiên cứu đã sử dụng nhiều phƣơng pháp dựa trên cơ chế tƣơng tác giữa bức xạ và vật liệu nhƣ: Cơ chế ion hóa, cơ chế phát quang [nhấp nháy, nhiệt phát quang (Thermo-Stimulated Luminescence, viết tắt là Thermoluminescence – TL), quang phát quang (Optically Stimulated Luminescence – OSL), hóa màu của thủy tinh và chất dẻo, v.], cơ chế phim ảnh, cơ chế nhiệt ƣợng, cơ chế phản ứng hóa học. Dụng cụ thụ động (Passive tool – bao gồm vật liệu, vỏ, tấm lọc,.) chế tạo dựa vào các cơ chế ở trên để định liều bức xạ đƣợc gọi là liều kế Dosimeter. Giá trị đo iều phụ thuộc vào rất nhiều thông số thực nghiệm nhƣ: chế độ đo, hối ƣợng mẫu, quy trình thao tác. Do đó, để giá trị đo iều đƣợc chính xác, cần phải nghiên cứu thời gian ủ mẫu, thời gian gia nhiệt thích hợp, các liều kế phải đƣợc chuẩn đúng hối ƣợng và bố trí mẫu thích hợp 1, 2].

Đối với định liều bức xạ cá nhân (Personal radiation dosimetry) trong các ĩnh vực an toàn bức xạ, ngƣời ta thƣờng nghiên cứu, chế tạo liều kế cá nhân thụ động (Passive personal dosimeter) – là loại liều kế nhiệt phát quang (TL dosimeter – TLD) dựa trên cơ chế TL. Do có nhiều ƣu điểm nên TLD đƣợc ứng dụng trong một số ĩnh vực nhƣ: Định liều bức xạ cá nhân, định liều bức xạ môi trƣờng, định tuổi niên đại cổ vật Dating , xác định trƣờng liều bức xạ, đánh giá iều chẩn đoán và xạ trị cho bệnh nhân y tế, v. Nhiều năm trở lại đây, nhiều loại vật liệu TL đƣợc nghiên cứu, chế tạo thành công liều kế và sử dụng trong đo iều bức xạ photon nhƣ CaSO4:Dy; LiF:Mg,Ti. Một số vật liệu K2GdF5 pha tạp ion đất hiếm có tính chất TL đáp ứng tốt với liều bức xạ beta, gamma và neutron, …và đƣờng cong nhiệt phát quang (TL glow curve) có hình dạng hác nhau, cho ph p nghiên cứu hả năng đo ọc lựa liều bức xạ hạt nhân [4, 5].

Quan tâm nhất, loại vật liệu K2GdF5 pha tạp 10% Tb3+ có độ nhạy cao với bức xạ gamma và neutron [6, 7]. Tuy nhiên, nghiên cứu vật liệu ứng dụng làm liều kế trong đo iều bức xạ hạt nhân cần nghiên cứu tính ổn định của công nghệ chế tạo vật liệu, độ đồng đều bề mặt của vật liệu. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam Trên thế giới, ứng dụng làm liều kế trong đo iều bức xạ hạt nhân đối với các vật liệu nhiệt phát quang nền K2GdF5 rất đƣợc quan tâm. Với xu 8 hƣớng hiện nay, nhiều nguồn neutron đƣợc ứng dụng trong đời sống kinh tế - xã hội (lò phản ứng hạt nhân, công nghiệp, .), vì thế, các cơ sở nghiên cứu đang nghiên cứu/chế tạo các loại vật liệu mới d ng để đo iều bức xạ hạt nhân theo phƣơng pháp TL.

Về tính chất TL, các hợp chất Fluoride (F) pha tạp với ion đất hiếm (Rare earth – RE) là vật liệu đầy hứa hẹn nhằm phát triển các phƣơng pháp đo liều bức xạ hạt nhân vì có độ nhạy TL khá cao. Việc pha tạp với ion đất hiếm nhƣ 159Tb hay 162Dy) có thể nâng cao hiệu suất phát quang. Vì thế, hƣớng nghiên cứu, chế tạo vật liệu K2GdF5 pha tạp Tb hay Dy có thể dùng làm TLD để định liều bức xạ, đặc biệt là bức xạ neutron có ý nghĩa thực tiễn và có nhu cầu hiện nay. Các kết quả nghiên cứu bƣớc đầu mới đƣa ra hả năng định liều bức xạ beta, photon và neutron dùng vật liệu K2GdF5:Tb, nhƣng chƣa đi sâu vào các đặc trƣng định liều bức xạ để có thể tiến tới nghiên cứu và chế tạo TLD dùng vật liệu K2GdF5:Tb.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu chuyên sâu về chế tạo vật liệu TL, vật liệu TL trên K2GdF5 và K2YF5 pha tạp ion đất hiếm ứng dụng trong đo liều bức xạ hỗn hợp và neutron đƣợc tiến hành bởi nhóm nghiên cứu của Viện Khoa học Vật liệu và Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) bắt đầu vào những năm 2010 [4 - 8]. Tuy nhiên, khảo sát ban đầu của những nghiên cứu trên cho thấy vật liệu có khả năng để định liều beta, gamma, neutron chƣa thực hiện hoàn chỉnh mới chỉ tổng hợp vật liệu cho một vài lần nghiên cứu, chƣa hảo sát và khẳng định bảo đảm độ đồng nhất theo các mẻ chế tạo và độ ổn định của các mẻ chế tạo về mặt định liều bức xạ. Hiện nay, hƣớng nghiên cứu về loại vật liệu này vẫn đang đƣợc nhóm nghiên cứu tiến hành tại Viện Nghiên cứu và Ứng dụng công nghệ Nha Trang và Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt. Để triển khai loại vật liệu này làm liều kế, trong đo iều bức xạ photon và neutron trong tƣơng ai thì bƣớc đầu tiên trong quá trình là khảo sát cấu trúc, độ ổn định của quy trình chế tạo vật liệu.

Mục đích nghiên cứu của luận văn: Xác định thành phần, cấu trúc vật liệu và độ đồng đều của mẫu đƣợc chế tạo để đánh giá độ ổn định của quy 9 trình chế tạo vật liệu K2GdF:Tb (10%) dạng bột bằng nghiên cứu đáp ứng nhiệt phát quang của vật liệu với bức xạ hạt nhân. Nội dung của luận văn gồm có: Nghiên cứu tổng quan + Thu thập các tài liệu nghiên cứu iên quan đến đề tài. + Xây dựng đề cƣơng chi tiết và hoàn thành phần tổng quan của luận văn. Tiến hành chế tạo các mẻ vật liệu K2GdF5 pha tạp Tb nồng độ 10% theo phương pháp phản ứng pha rắn tại phòng thí nghiệm + Nghiên cứu các thành phần nguyên liệu.

+ Nghiên cứu kỹ thuật làm khan KF. + Kỹ thuật nghiền mẫu. + Nung mẫu thực hiện phƣơng pháp pha rắn. + Kỹ thuật sấy và ủ nhiệt sản phẩm.

Khảo sát tính ổn định của quy trình chế tạo K2GdF5 pha tạp Tb nồng độ 10% + Đo phổ nhiễu xạ tia X và đo ảnh SEM của các mẫu vật liệu. + Khảo sát các tính chất cấu trúc vật liệu của các mẫu nghiên cứu + Chiếu bức xạ tia X lên mẫu vật liệu. + Phân tích các số liệu thực nghiệm và đánh giá tính ổn định của các mẻ vật liệu đƣợc chế tạo. Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài: Các nội dung chính của đề tài giúp hiểu rõ các bƣớc trong quy trình chế tạo vật liệu K2GdF5 pha tạp Tb nồng độ 10%, về tính chất nhiệt phát quang, về hình dạng, cấu trúc tinh thể, đƣợc quan tâm triển khai nghiên cứu, chế tạo trên thế giới và đồng thời à đề tài nghiên cứu và chế tạo vật liệu K2GdF5 tại Việt Nam.

Nghiên cứu độ ổn định của quy trình chế tạo vật liệu K2GdF5:Tb nồng độ 10% qua các mẻ chế tạo nhằm định hƣớng ứng dụng làm liều kế trong đo liều bức xạ hạt nhân. 10 Chƣơng 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1. LÝ THUYẾT NHIỆT PHÁT QUANG 1. Hiện tƣợng nhiệt phát quang Hiện tƣợng nhiệt phát quang là hiện tƣợng phát xạ ánh sáng của một vật liệu (chất bán dẫn hoặc điện môi) sau khi chiếu xạ bằng các bức xạ nhƣ tia X, tia alpha (α), tia beta (β) hoặc tia gamma (γ) khi bị nung nóng [9].

Cụ thể, hiện tƣợng nhiệt phát quang xảy ra khi vật liệu tồn tại các mức năng ƣợng nằm trong vùng cấm (bẫy điện tử và lỗ trống). Chiếu xạ bức xạ ion hóa vào vật liệu thì điện tử bị bắt tại bẫy và lỗ trống bị bắt tại tâm phát quang. Trong quá trình nung nóng vật liệu bằng kích thích nhiệt, điện tử sẽ nhận đƣợc nhiệt năng và thoát ra hỏi bẫy, để phát ra photon, điện tử phải tái hợp với lỗ trống tại tâm tái hợp. Nếu thực hiện nâng nhiệt một lần nữa thì điện tử thoát ra khỏi bẫy và không phát quang.

Hai quá trình vật ý có iên quan đến hiện tƣợng nhiệt phát quang của các vật liệu đó à [10]: - Quá trình hình thành các khuyết tật trong mạng tinh thể đóng vai trò các bẫy và tâm tái hợp trong vật liệu. - Quá trình tích ũy của các điện tích trong bẫy do chiếu xạ và quá trình tái hợp điện tử - lỗ trống do cƣờng độ bức nhiệt phát quang. Cơ chế nhiệt phát quang Để giải thích các tính chất nhiệt phát quang, có thể sử dụng lý thuyết v ng năng ƣợng của vật rắn [9]. Khi nhiệt độ rất thấp thì một tinh thể bán dẫn hoặc điện môi ý tƣởng có các mức năng ƣợng nằm trong vùng hóa trị sẽ bị chiếm đầy bởi các điện tử.

Ở một vùng khác, các mức năng ƣợng còn trống nghĩa à chƣa bị chiếm bởi các điện tử) gọi là vùng dẫn; vùng này tách khỏi vùng hóa trị bởi một he năng ƣợng (Xem Hình 1. 11 Vùng dẫn 3 Ec 2 E 4 Bẫy Dc 1 hν2 Ef Tâm tái hợp Dh hν1 5 Eν Vùng hóa trị Hình 1. Mô hình đơn giản nhiệt phát quang gồm 2 mức đối với hạt tải điện là điện tử + Mức T – bẫy điện tử, chỉ có khả năng bắt điện tử trong vùng dẫn bẫy điện tử (Trap) nằm ở phía trên mức Fermi – Ef cân bằng và trƣớc khi mẫu bị chiếu xạ mức này ở trạng thái hoàn toàn bị trống. + Mức R (Recombination Center – RC) – bẫy lỗ trống, có khả năng bắt lỗ trống trong vùng hóa trị và bắt điện tử từ vùng dẫn nên đóng vai trò tâm tái hợp.

Các dịch chuyển cho phép: (1) Quá trình ion hoá. (2), (5) Quá trình bẫy điện tử, lỗ trống tƣơng ứng. (3) Quá trình giải thoát điện tử ra khỏi bẫy bằng nhiệt. (4) Quá trình phát quang khi tái hợp.

Khi chiếu xạ bởi các tia bức xạ tia UV, X, gamma, neutron… vào vật liệu thì các bức xạ ion hóa nguyên tử trung hòa, làm bật điện tử lên vùng dẫn, để lại vùng hóa trị một lỗ trống và tạo ra cặp điện tử và lỗ trống (dịch chuyển 1). Trong vùng dẫn, vùng hóa trị, điện tử và lỗ trống chuyển động tự do và bị bắt tại các bẫy. Điện tử muốn giải phóng khỏi bẫy, thì cần đốt nóng vật liệu lên một nhiệt độ nhất định, hi đó năng ƣợng của các điện tử tăng ên đủ năng uợng để thoát ra khỏi bẫy và nhảy lên trên vùng dẫn (dịch chuyển 3). Điện tử sẽ không thể tồn tại lâu trên vùng dẫn mà phải tái hợp với lỗ trống.

Quá trình tái hợp và bức xạ ion hoá (dịch chuyển ngƣợc với 1) tại tâm phát quang (dịch chuyển 4), hay tái bẫy (dịch chuyển 2) sẽ có các hạt mang điện tự do tham gia.