Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Bức xạ ion hóa tồn tại phổ biến trong tự nhiên và ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong y tế, công nghiệp cũng như nghiên cứu khoa học. Do bức xạ mang năng lượng cao có khả năng ion hóa vật chất, phá vỡ cấu trúc ADN và gây ra các tổn thương tế bào nguy hiểm, việc giám sát an toàn bức xạ và kiểm soát liều chiếu cá nhân là yêu cầu bắt buộc đối với các nhân viên bức xạ. Trên thế giới, công nghệ liều kế quang phát quang (Optically Stimulated Luminescence Dosimeter - OSLD) đang dần thay thế liều kế nhiệt phát quang (TLD) và liều kế phim nhờ những ưu thế về độ nhạy, khả năng đọc lại nhiều lần và quy trình xử lý không cần gia nhiệt. Tuy nhiên, việc ứng dụng liều kế OSL tại Việt Nam vẫn còn nhiều hạn chế và cần các nghiên cứu thực nghiệm kiểm định độc lập.

Khóa luận tốt nghiệp tập trung giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu sau:

  1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về tương tác bức xạ photon với vật chất, cơ chế quang kích thích phát quang trong vật liệu bán dẫn nhôm oxit pha carbon ($Al_2O_3:C$) và các đại lượng đo liều bức xạ cá nhân.
  2. Thiết lập quy trình thực nghiệm trên hệ chiếu chuẩn bức xạ gamma và tia X tại Phòng chuẩn liều cấp 2 (SSDL) thuộc Trung tâm Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh (CNT).
  3. Đánh giá độ ổn định của hệ đọc liều kế microStar do hãng Landauer sản xuất.
  4. Xác định 07 đặc trưng đo lường cơ bản của 100 liều kế OSL loại InLight Model 2 gồm: ngưỡng nhạy ($D_v$), độ đồng đều ($U$), độ lặp lại ($S_i, S_n$), đáp ứng tuyến tính trong dải liều thấp ($c$), sự suy giảm tín hiệu theo thời gian ($F_t$), khả năng ghi nhận liều hỗn hợp và sự phụ thuộc vào góc chiếu xạ ($\Delta$).
  5. Xác định độ không đảm bảo đo loại A, loại B và đối sánh kết quả với các tiêu chuẩn quốc tế (IEC 61066:2006, IEC 62387:2020, ISO 4037:2019, khuyến cáo của IAEA).

Đối tượng nghiên cứu là 100 liều kế OSL loại InLight Model 2 sử dụng vật liệu $Al_2O_3:C$ của hãng Landauer. Phạm vi không gian thực hiện tại Phòng chuẩn liều cấp 2 thuộc Trung tâm Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh. Phạm vi thời gian nghiên cứu và thu thập số liệu thực nghiệm được tiến hành từ tháng 11 năm 2023 đến đầu năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết tương tác của bức xạ photon (tia gamma, tia X) với vật chất thông qua ba hiệu ứng chính: hiệu ứng quang điện ($T_e = h\nu - E_b$), tán xạ Compton ($E' = \frac{E}{1 + \frac{E}{m_0 c^2}(1 - \cos\theta)}$) và hiệu ứng tạo cặp ($h\nu = T_+ + T_- + 2m_0 c^2$ khi photon có năng lượng lớn hơn 1,02 MeV). Về mặt vật lý chất rắn, tác giả áp dụng lý thuyết vùng năng lượng của chất bán dẫn, trong đó vật liệu nhôm oxit pha carbon ($Al_2O_3:C$) có độ rộng vùng cấm khoảng 9,5 eV và số nguyên tử hiệu dụng $Z_{eff} = 11,3$. Khi bị chiếu xạ, electron nhảy lên vùng dẫn và bị bẫy tại các mức năng lượng định xứ trong vùng cấm do khuyết tật carbon tạo ra.

Phương pháp quang phát quang được sử dụng là mô hình kích thích sóng liên tục (Continuous Wave Optically Stimulated Luminescence - CW-OSL). Dưới tác động của nguồn sáng kích thích quang học, electron thoát khỏi bẫy, tái hợp với lỗ trống tại tâm phát quang và phát ra photon có bước sóng đặc trưng. Các đại lượng đo lường liều lượng học được khảo sát gồm: Liều hấp thụ ($D$), Kerma ($K$) và Tương đương liều cá nhân ($H_p(d)$) ở các độ sâu $d = 10\text{ mm}$ ($H_p(10)$ cho toàn thân), $d = 3\text{ mm}$ ($H_p(3)$ cho thủy tinh thể) và $d = 0,07\text{ mm}$ ($H_p(0,07)$ cho da).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được triển khai với hệ thống thiết bị chuẩn hóa:

  • Hệ đọc liều: Đầu đọc microStar (Landauer) sử dụng 36 đèn LED phát ánh sáng kích thích màu lục (đỉnh phổ 525 nm), tấm lọc quang học Hoya B-370 dày 7,5 mm (truyền qua bước sóng 300 - 450 nm) và ống nhân quang điện (Photomultiplier Tube - PMT) ghi nhận ánh sáng phát quang màu xanh da trời (đỉnh phổ 415 nm).
  • Hệ chiếu chuẩn: Hệ gamma G10 Irradiator System (G10-1-12-E) nguồn Cs-137 (hoạt độ 26,973 Ci ngày 13/05/2019, năng lượng 662 keV, dải suất liều 9,4 đến 47183,2 $\mu Sv/h$) có 3 tấm chắn chì X4 (1,16 cm), X10 (2,45 cm), X25 (3,05 cm); Hệ tia X phổ hẹp Model X80-160-E (Hopewell Designs) cung cấp các phẩm chất N-40, N-60, N-80, N-100, N-120 theo ISO 4037:2019.
  • Dụng cụ hỗ trợ: Phantom nước chuẩn ISO Water Slab Phantom ($30\text{ cm} \times 30\text{ cm} \times 15\text{ cm}$ bằng PMMA), thiết bị xóa liều Annealer Pocket, máy đo môi trường nhiệt độ - áp suất PCE-THB 40.
  • Nguồn dữ liệu và phân tích sai số: Thu thập từ phần mềm $\mu$Star kết nối đầu đọc; tính toán độ không đảm bảo đo tổng hợp ($u_c$) từ độ không đảm bảo đo loại A ($u_A$) qua phép đo thống kê và độ không đảm bảo đo loại B ($u_B = 5,69%$) theo tham số kỹ thuật.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan lí thuyết về liều kế OSL

Chương này hệ thống hóa toàn bộ cơ sở lý thuyết về ba cơ chế tương tác cơ bản của photon với vật chất; phân tích mô hình vùng năng lượng (vùng hóa trị, vùng cấm, vùng dẫn) và sự hình thành các bẫy điện tử, bẫy lỗ trống trong chất bán dẫn do pha tạp tạp chất. Tác giả trình bày chi tiết ba mô hình quang phát quang: CW-OSL (cường độ sáng không đổi), LM-OSL (biến điệu tuyến tính) và POSL (chế độ xung).

Chương 1 cũng mô tả cấu trúc vật lý của liều kế InLight Model 2 gồm 3 bộ phận: vỏ nhựa polycarbonate ($74\text{ mm} \times 36\text{ mm} \times 11\text{ mm}$ chống va đập, cản tia UV), thanh trượt nhựa ABS gắn 4 chip $Al_2O_3:C$ dạng đĩa tròn (đường kính 5 mm, dày 0,9 mm, ký hiệu E1 đến E4) và thân liều kế gắn các màng lọc bức xạ để phân tách các thành phần $H_p(10)$, $H_p(3)$, $H_p(0,07)$ và liều beta. Cuối chương, các khái niệm Liều hấp thụ, Kerma, Độ nhạy và Tương đương liều cá nhân được chuẩn hóa theo định nghĩa của ICRU/IAEA.

Chương 2. Thực nghiệm đánh giá các đặc trưng cơ bản của liều kế OSL

Chương 2 trình bày chi tiết cấu tạo, nguyên lý làm việc của hệ đọc microStar (khối lượng 16 kg, kích thước $12\text{ cm} \times 33\text{ cm} \times 24\text{ cm}$, tốc độ đọc 100 liều kế/giờ) và các hệ chiếu chuẩn bức xạ Cs-137, tia X tại phòng SSDL của CNT. Tác giả thiết lập công thức và tiêu chuẩn đánh giá cho từng đặc trưng đo lường:

  • Ngưỡng nhạy ($D_v$): $D_v = 3 \times \sigma_{bg}$ (theo IEC 61066:2006).
  • Độ đồng đều ($U$): $U = \frac{D_{max} - D_{min}}{D_{max} + D_{min}} \times 100%$, yêu cầu $U \le 30%$ (IEC 61066:2006).
  • Độ lặp lại ($S_i, S_n$): Đánh giá qua nửa khoảng tin cậy của độ lệch chuẩn sau 10 lần đo, yêu cầu $S_i, S_n \le 0,075$ (IEC 62387:2020).
  • Đáp ứng tuyến tính dải thấp ($c$): Đánh giá trong dải liều 0,1 mSv đến 1 mSv, yêu cầu $c$ nằm trong khoảng $-13%$ đến $+18%$ (IEC 62387:2020).
  • Độ không đảm bảo đo: Xác định công thức tính độ không đảm bảo đo loại A từ thống kê thực nghiệm và chuẩn hóa độ không đảm bảo đo loại B từ bảng dữ liệu của nhà sản xuất Landauer.

Chương 3. Kết quả và thảo luận các đặc trưng cơ bản của liều kế OSL

Chương 3 trình bày toàn bộ kết quả thực nghiệm và đối chiếu với tiêu chuẩn:

  • Khảo sát độ ổn định hệ đọc microStar: Khảo sát từ 17/11/2023 đến 06/12/2023 qua 3 thông số. Dòng tối Dark dao động từ 9 đến 11 số đếm (chuẩn: $< 30$); chỉ số CAL trung bình đạt 2196 và chỉ số LED trung bình đạt 2710 (đều biến thiên $< 10%$), xác nhận thiết bị đọc hoạt động ổn định.
Thông số kiểm tra Giá trị đo được Giới hạn tiêu chuẩn Landauer Đánh giá
Dòng tối (Dark) 9 – 11 (số đếm) $< 30$ Đạt yêu cầu
Độ nhạy PMT (CAL) Trung bình 2196 Biến thiên $< 10%$ Đạt yêu cầu
Nguồn LED (LED) Trung bình 2710 Biến thiên $< 10%$ Đạt yêu cầu
  • Ngưỡng nhạy: Khảo sát trên 50 liều kế OSL đã xóa liều. Giá trị phông nội tại trung bình đạt 0,047 mSv với độ lệch chuẩn $\sigma_{bg} = 0,014\text{ mSv}$, suy ra ngưỡng nhạy thực nghiệm $D_v = 3 \times 0,014 = 0,042\text{ mSv}$ (phù hợp với công bố của nhà sản xuất là 0,05 mSv).
  • Độ đồng đều: Khảo sát 20 nhóm (mỗi nhóm 5 liều kế) chiếu liều 2 mSv bằng nguồn Cs-137. Độ biến thiên trong từng nhóm dao động từ 2,65% (nhóm 18) đến 14,96% (nhóm 14). Độ đồng đều chung của cả 20 nhóm đạt 7,8%, hoàn toàn thỏa mãn tiêu chuẩn IEC 61066:2006 ($U \le 30%$).
  • Độ lặp lại: Thực nghiệm trên 15 liều kế (3 nhóm) qua 10 chu kỳ chiếu 2 mSv Cs-137 và đọc kết quả. Độ lặp lại của từng lần đo $S_i$ dao động từ 0,034 đến 0,063 và độ lặp lại tổng thể $S_n = 0,037$, đều nhỏ hơn ngưỡng giới hạn 0,075 của IEC 62387:2020.
  • Đáp ứng tuyến tính dải thấp: Thí nghiệm với nguồn Cs-137 trên 13 nhóm liều kế (mức liều từ 0,05 mSv đến 10,0 mSv) xác lập phương trình tuyến tính với hệ số góc 0,88. Các nhóm liều từ 0,1 mSv trở lên đều nằm trong khoảng sai số cho phép $-13%$ đến $+18%$ theo IEC 62387:2020 (riêng mức 0,05 mSv nằm ở vùng tiệm cận do gần ngưỡng nhạy).

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã thu được các kết quả định lượng cụ thể qua kiểm định thực nghiệm:

Đặc trưng đo lường Kết quả thực nghiệm Tiêu chuẩn tham chiếu Kết luận kỹ thuật
Ngưỡng nhạy ($D_v$) $0,042\text{ mSv}$ $\le 0,05\text{ mSv}$ (Nhà sản xuất) Đạt chuẩn
Độ đồng đều ($U$) $2,65% - 14,96%$ (Từng nhóm)
$7,8%$ (Toàn bộ 20 nhóm)		 $U \le 30%$ (IEC 61066:2006) Đạt chuẩn
Độ lặp lại ($S_i, S_n$) $S_i \le 0,063$; $S_n = 0,037$ $S_i, S_n \le 0,075$ (IEC 62387:2020) Đạt chuẩn
Đáp ứng tuyến tính ($c$) Hệ số góc 0,88 (dải 0,1 - 10 mSv) $-13% \le c \le +18%$ (IEC 62387:2020) Đạt chuẩn
Độ không đảm bảo đo loại B $u_B = 5,69%$ Bảng tham số Landauer Được kiểm soát

Các giải pháp và kiến nghị kỹ thuật do tác giả đề xuất:

  • Trước khi đưa vào sử dụng hoặc chiếu chuẩn, liều kế OSL phải được xóa phông quang học hoàn toàn bằng thiết bị chuyên dụng Annealer Pocket để triệt tiêu năng lượng còn lưu giữ trong bẫy sâu.
  • Sau khi bị chiếu xạ, liều kế cần được lưu trữ trong buồng chì hoặc môi trường làm việc tiêu chuẩn tối thiểu 24 giờ nhằm ổn định trạng thái bẫy điện tử trước khi tiến hành đọc trên hệ microStar.
  • Kiểm soát nghiêm ngặt các thông số môi trường (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm) tại phòng chuẩn liều thông qua máy đo cảm biến PCE-THB 40 để hiệu chỉnh chính xác giá trị suất liều tham chiếu $H_p(10)_{ref}$.

Đóng góp của nghiên cứu là cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm toàn diện, độc lập đầu tiên tại Phòng chuẩn liều cấp 2 - Trung tâm Hạt nhân TP.HCM về 100 liều kế OSL InLight Model 2 theo hệ tiêu chuẩn quốc tế ISO 4037:2019 và IEC 62387:2020, chứng minh tính phù hợp của liều kế OSL trong công tác quản lý an toàn bức xạ cá nhân.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận ghi nhận một số hạn chế dựa trên phạm vi thực hiện:

  • Nghiên cứu tập trung khảo sát đáp ứng tuyến tính chủ yếu ở dải liều thấp (từ 0,05 mSv đến 10 mSv), tại điểm liều 0,05 mSv độ đáp ứng tuyến tính chưa đạt mức tối ưu do nằm quá gần ngưỡng phông tự nhiên.
  • Các thông số độ không đảm bảo đo loại B phụ thuộc vào dữ liệu do hãng Landauer cung cấp mà chưa thể đánh giá thực nghiệm riêng lẻ cho từng thành phần tại phòng thí nghiệm trong nước.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất:

  • Mở rộng khảo sát đặc trưng của liều kế OSL trong các trường bức xạ neutron và trường bức xạ hỗn hợp có tỷ lệ năng lượng phức tạp.
  • Khảo sát sự suy giảm tín hiệu theo thời gian lưu trữ dài hạn (trên 120 ngày) trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm thực tế tại Việt Nam.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các ngành: Sư phạm Vật lý, Vật lý Hạt nhân, Kỹ thuật Hạt nhân, Kỹ thuật Y sinh (Vật lý Y khoa) và Quản lý An toàn bức xạ.

Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao gồm:

  • Quy trình chuẩn hóa thực nghiệm đo liều cá nhân trên phantom nước (ISO Water Slab Phantom) theo tiêu chuẩn ISO 4037:2019.
  • Phương pháp luận đánh giá độ không đảm bảo đo tổng hợp ($u_c$) kết hợp giữa sai số thống kê loại A và sai số thiết bị loại B trong đo lường bức xạ ion hóa.
  • Hệ thống công thức và tiêu chí kiểm định chất lượng thiết bị đo bức xạ theo hệ tiêu chuẩn IEC 61066:2006 và IEC 62387:2020.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu nhạy bức xạ chính trong liều kế InLight Model 2 là gì và có đặc tính nào nổi bật?
Vật liệu chính là nhôm oxit pha tạp carbon ($Al_2O_3:C$) với nồng độ pha tạp khoảng 5000 ppm, số nguyên tử hiệu dụng $Z_{eff} = 11,3$ và độ rộng vùng cấm 9,5 eV. Vật liệu này có độ nhạy cao, độ bền cơ học tốt, không bị gia công nhiệt và chỉ cần giải phóng 0,2% electron bị bẫy trong quá trình kích thích quang học là đã có thể xác định chính xác liều bức xạ.

2. Ngưỡng nhạy đo được của 50 liều kế OSL trong khóa luận là bao nhiêu?
Qua khảo sát thực nghiệm trên 50 liều kế OSL đã xóa liều, giá trị phông nội tại trung bình là $0,047\text{ mSv}$ với độ lệch chuẩn $\sigma_{bg} = 0,014\text{ mSv}$. Theo công thức $D_v = 3 \times \sigma_{bg}$, ngưỡng nhạy của liều kế đạt $0,042\text{ mSv}$, tiệm cận với giá trị công bố của nhà sản xuất Landauer ($0,05\text{ mSv}$).

3. Hệ đọc microStar sử dụng cơ chế kích thích và thu nhận quang học như thế nào?
Đầu đọc microStar sử dụng 36 đèn LED phát ra ánh sáng màu lục có đỉnh phổ khoảng 525 nm để kích thích quang học. Tín hiệu phát quang sinh ra từ liều kế có màu xanh da trời với đỉnh phổ 415 nm, sau đó đi qua tấm lọc quang học Hoya B-370 dày 7,5 mm (chỉ cho ánh sáng bước sóng 300 - 450 nm đi qua) để loại bỏ nhiễu và được thu nhận bởi ống nhân quang điện PMT.

4. Kết quả kiểm tra độ đồng đều và độ lặp lại của liều kế có đạt tiêu chuẩn IEC không?
Cả hai đặc trưng đều đạt tiêu chuẩn quốc tế:

  • Độ đồng đều của 20 nhóm liều kế (100 liều kế) đạt 7,8% (giới hạn của IEC 61066:2006 là $U \le 30%$).
  • Độ lặp lại qua 10 chu kỳ đo đạt chỉ số $S_n = 0,037$ và $S_i \le 0,063$ (giới hạn của IEC 62387:2020 là $S_i, S_n \le 0,075$).

5. Độ không đảm bảo đo loại B của phương pháp đo liều kế OSL được tính toán như thế nào?
Độ không đảm bảo đo loại B ($u_B$) được tổng hợp từ 7 yếu tố thành phần do hãng Landauer cung cấp gồm: năng lượng (5%), góc chiếu (2%), tuyến tính (1%), suy giảm tín hiệu (0,6%), nhiệt độ/độ ẩm (0,4%), ánh sáng (0,2%) và độ không ổn định máy đọc (0,7%). Áp dụng công thức căn bậc hai của tổng bình phương, giá trị $u_B$ được xác định là $5,69%$.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Lê Mạnh Trí đã hoàn thành việc xác định và kiểm định thực nghiệm các đặc trưng đo lường cơ bản của 100 liều kế OSL InLight Model 2 tại Trung tâm Hạt nhân TP.HCM. Các kết quả về ngưỡng nhạy ($0,042\text{ mSv}$), độ đồng đều ($7,8%$), độ lặp lại ($S_n = 0,037$) và đáp ứng tuyến tính dải thấp đều thỏa mãn đầy đủ các yêu cầu khắt khe của tiêu chuẩn IEC 61066:2006, IEC 62387:2020 và ISO 4037:2019. Nghiên cứu khẳng định hệ đọc microStar và liều kế OSL tại Trung tâm Hạt nhân TP.HCM hoạt động ổn định, đủ điều kiện kỹ thuật để phục vụ công tác giám sát liều bức xạ cá nhân trong thực tế.