Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghệ hạt nhân và ứng dụng bức xạ trong nhiều lĩnh vực như y tế, công nghiệp, nông nghiệp và nghiên cứu khoa học, việc đảm bảo an toàn bức xạ cho con người và môi trường trở thành vấn đề cấp thiết. Theo báo cáo của ngành, các nguồn bức xạ ion hóa như alpha (α), beta (β), gamma (γ), tia X và neutron được sử dụng phổ biến, tuy nhiên, neutron được đánh giá là loại bức xạ nguy hiểm do khả năng xuyên thấu cao và ảnh hưởng sâu rộng đến sức khỏe con người. Do đó, việc phát triển vật liệu nhiệt phát quang (Thermoluminescence - TL) để đo liều neutron cá nhân là rất cần thiết nhằm đảm bảo an toàn bức xạ (ATBX).

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là khảo sát chi tiết các đặc trưng định liều bức xạ neutron đối với vật liệu nhiệt phát quang K2GdF5:Tb dạng bát, nhằm đánh giá khả năng ứng dụng làm liều kế cá nhân đo neutron trong môi trường bức xạ. Nghiên cứu được thực hiện tại Trung tâm An toàn bức xạ, Viện Nghiên cứu hạt nhân, từ tháng 05/2023 đến tháng 10/2023. Phạm vi khảo sát tập trung vào các đặc trưng như độ lặp lại, ngưỡng liều nhạy, đáp ứng tuyến tính, sự phụ thuộc của liều neutron vào năng lượng neutron, ảnh hưởng của tự chiếu xạ và sự suy giảm tín hiệu theo thời gian (fading).

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp dữ liệu khoa học quan trọng để phát triển vật liệu TL mới có khả năng đo liều neutron chính xác, góp phần nâng cao hiệu quả kiểm soát liều cá nhân cho nhân viên làm việc trong môi trường bức xạ neutron, từ đó bảo vệ sức khỏe và đảm bảo an toàn lao động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên lý thuyết nhiệt phát quang (Thermoluminescence - TL), một hiện tượng vật lý trong đó vật liệu bán dẫn hoặc cách điện phát ra ánh sáng khi được nung nóng sau khi đã hấp thụ năng lượng ion hóa từ bức xạ. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Hiện tượng nhiệt phát quang (TL): Năng lượng bức xạ ion hóa tạo ra các hạt tải điện (electron và lỗ trống) bị bẫy trong các trạng thái năng lượng trung gian (bẫy điện tử và tâm tái hấp thụ). Khi nung nóng, các hạt này được giải phóng và phát ra photon ánh sáng, cường độ ánh sáng tỷ lệ với liều bức xạ đã hấp thụ.
  • Đường cong nhiệt phát quang (TL glow curve): Biểu diễn cường độ phát quang theo nhiệt độ nung, giúp xác định các đặc trưng bẫy năng lượng trong vật liệu.
  • Đáp ứng tuyến tính: Mối quan hệ tỷ lệ giữa liều bức xạ chiếu vào và tín hiệu TL thu được, là tiêu chí quan trọng để đánh giá tính chính xác của vật liệu làm liều kế.
  • Fading (suy giảm tín hiệu): Hiện tượng giảm tín hiệu TL theo thời gian do sự giải phóng electron khỏi bẫy trước khi đo, ảnh hưởng đến độ tin cậy của kết quả đo.
  • Đặc trưng định liều neutron: Bao gồm độ nhạy neutron, ngưỡng phát hiện, độ lặp lại, và sự phụ thuộc của tín hiệu TL vào năng lượng neutron.

Ngoài ra, mô hình vùng năng lượng của vật liệu bán dẫn được sử dụng để giải thích cơ chế hấp thụ và phát quang, trong đó vùng cấm năng lượng chứa các bẫy điện tử và tâm tái hấp thụ đóng vai trò quan trọng trong quá trình TL.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu nhiệt phát quang K2GdF5:Tb dạng bát được tổng hợp tại Viện Nghiên cứu hạt nhân bằng phương pháp phản ứng pha rắn, pha tạp 10% Tb. Các mẫu có khối lượng khoảng 20 mg, được chuẩn bị và xử lý nhiệt theo quy trình chuẩn nhằm loại bỏ tín hiệu nền.

Phương pháp thí nghiệm bao gồm:

  • Chiếu xạ neutron: Sử dụng nguồn neutron Am-Be chuẩn tại phòng thí nghiệm cấp 3, với hai chế độ chiếu neutron nhanh và neutron nhiệt. Mẫu được đặt vuông góc với chùm neutron, khoảng cách và thời gian chiếu được điều chỉnh chính xác để đảm bảo liều chiếu phù hợp.
  • Đo tín hiệu TL: Sử dụng máy đo phổ nhiệt phát quang Rexon UL-320, với chu trình nung mẫu gồm 7 bậc nhiệt độ từ 20°C đến 300°C, tốc độ gia nhiệt được kiểm soát chặt chẽ. Tín hiệu TL được ghi nhận dưới dạng số đếm photon ánh sáng.
  • Phân tích dữ liệu: Đánh giá các đặc trưng như độ lặp lại (reproducibility), ngưỡng phát hiện (limit of detection), đáp ứng tuyến tính, sự phụ thuộc của tín hiệu vào năng lượng neutron, ảnh hưởng của tự chiếu xạ và fading theo thời gian. Cỡ mẫu gồm nhiều lần đo lặp lại để đảm bảo độ tin cậy, sử dụng phương pháp thống kê mô tả và so sánh với tiêu chuẩn IEC 1066:1991.

Thời gian nghiên cứu kéo dài 6 tháng, từ tháng 05 đến tháng 10 năm 2023, với các bước chuẩn bị mẫu, chiếu xạ, đo đạc và phân tích dữ liệu tuần tự.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ lặp lại cao: Vật liệu K2GdF5:Tb thể hiện độ lặp lại tín hiệu TL tốt với sai số chuẩn (SD) dưới 7,5% sau 10 lần đo lặp, đáp ứng tiêu chuẩn IEC 1066:1991 về độ tin cậy của liều kế nhiệt phát quang.

  2. Ngưỡng phát hiện thấp: Ngưỡng liều phát hiện của vật liệu đạt khoảng 0,1 mSv, cho phép phát hiện liều neutron cá nhân ở mức thấp, phù hợp với yêu cầu kiểm soát liều trong an toàn bức xạ.

  3. Đáp ứng tuyến tính rộng: Tín hiệu TL tỷ lệ tuyến tính với liều neutron trong khoảng từ 0,1 mSv đến 20 mSv, với sai số tuyến tính dưới 10%, cho thấy vật liệu có khả năng đo liều chính xác trong phạm vi liều phổ biến của nhân viên bức xạ.

  4. Ảnh hưởng năng lượng neutron: Tín hiệu TL phụ thuộc rõ rệt vào năng lượng neutron, với hiệu suất hấp thụ neutron nhiệt cao hơn neutron nhanh, phù hợp với đặc tính bắt neutron của nguyên tố Gadolinium trong vật liệu.

  5. Fading thấp: Sau 90 ngày lưu trữ ở điều kiện phòng, tín hiệu TL giảm khoảng 15%, cho thấy vật liệu có khả năng lưu giữ thông tin liều bức xạ ổn định trong thời gian dài, đảm bảo độ tin cậy của kết quả đo.

Thảo luận kết quả

Các kết quả trên cho thấy vật liệu K2GdF5:Tb có nhiều ưu điểm vượt trội so với các vật liệu TL truyền thống như LiF:Mg,Ti hay CaSO4:Dy trong đo liều neutron. Độ lặp lại và ngưỡng phát hiện thấp giúp nâng cao độ chính xác và độ nhạy của liều kế cá nhân. Đáp ứng tuyến tính rộng cho phép ứng dụng trong nhiều mức liều khác nhau, từ liều thấp đến liều cao.

Sự phụ thuộc của tín hiệu TL vào năng lượng neutron phản ánh đặc tính bắt neutron của nguyên tố Gadolinium, vốn có tiết diện bắt neutron nhiệt rất lớn (lên đến 6,1×10^5 barn đối với đồng vị 155Gd). Điều này giúp vật liệu có khả năng phân biệt và đo chính xác liều neutron nhiệt, một ưu điểm quan trọng trong các môi trường bức xạ hỗn hợp.

Hiện tượng fading được kiểm soát tốt, với mức giảm tín hiệu dưới 20% sau 3 tháng, phù hợp với yêu cầu lưu trữ và đo đạc trong thực tế. Các biểu đồ đường cong TL và phân tích thống kê được trình bày chi tiết trong luận văn, minh họa rõ ràng các đặc trưng kỹ thuật của vật liệu.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế gần đây, vật liệu K2GdF5:Tb do nhóm nghiên cứu trong nước tổng hợp và khảo sát cho thấy tiềm năng ứng dụng cao, góp phần làm phong phú thêm kho vật liệu TL phục vụ an toàn bức xạ neutron.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển sản phẩm liều kế cá nhân: Tiếp tục hoàn thiện quy trình tổng hợp và chế tạo vật liệu K2GdF5:Tb dạng bát để sản xuất liều kế cá nhân đo neutron, nhằm cung cấp thiết bị đo liều chính xác cho các cơ sở hạt nhân và y tế trong vòng 1-2 năm tới.

  2. Mở rộng khảo sát năng lượng neutron: Thực hiện các nghiên cứu bổ sung về đáp ứng của vật liệu với phổ năng lượng neutron rộng hơn, bao gồm neutron nhanh và neutron nhiệt trong các điều kiện thực tế, nhằm tối ưu hóa hiệu suất đo liều.

  3. Nâng cao độ bền tín hiệu: Áp dụng các kỹ thuật xử lý nhiệt và pha tạp ion hiếm khác để giảm thiểu hiện tượng fading, kéo dài thời gian lưu giữ tín hiệu TL, đảm bảo độ tin cậy trong các ứng dụng dài hạn.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật: Hợp tác với các cơ quan quản lý và tổ chức quốc tế để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho vật liệu TL mới, đảm bảo phù hợp với các quy định an toàn bức xạ hiện hành và dễ dàng áp dụng trong thực tế.

  5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật đo liều neutron bằng vật liệu K2GdF5:Tb cho cán bộ kỹ thuật và nhân viên an toàn bức xạ, đồng thời chuyển giao công nghệ sản xuất cho các đơn vị có nhu cầu trong vòng 3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhân viên an toàn bức xạ và kỹ thuật viên đo liều: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu TL mới, giúp nâng cao hiệu quả kiểm soát liều neutron cá nhân trong môi trường làm việc.

  2. Nhà nghiên cứu và phát triển vật liệu: Các chuyên gia trong lĩnh vực vật liệu nhiệt phát quang và vật liệu hạt nhân có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các vật liệu đo liều mới với tính năng ưu việt hơn.

  3. Cơ quan quản lý an toàn bức xạ: Thông tin về đặc trưng kỹ thuật và hiệu suất của vật liệu giúp xây dựng chính sách, tiêu chuẩn và quy trình kiểm soát liều bức xạ phù hợp.

  4. Đơn vị sản xuất thiết bị đo liều: Các doanh nghiệp công nghệ có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu để sản xuất liều kế cá nhân đo neutron, đáp ứng nhu cầu thị trường trong và ngoài nước.

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 neutron nhiệt nhờ nguyên tố Gadolinium có tiết diện bắt neutron lớn, ngưỡng phát hiện thấp khoảng 0,1 mSv và đáp ứng tuyến tính rộng, giúp đo liều neutron chính xác hơn so với LiF:Mg,Ti hay CaSO4:Dy.

  2. Phương pháp chiếu xạ neutron được sử dụng trong nghiên cứu là gì?
    Nguồn neutron Am-Be chuẩn được sử dụng với hai chế độ chiếu neutron nhanh và neutron nhiệt, mẫu được đặt vuông góc với chùm neutron, khoảng cách và thời gian chiếu được điều chỉnh để đảm bảo liều chiếu phù hợp.

  3. Hiện tượng fading ảnh hưởng như thế nào đến kết quả đo?
    Fading là sự suy giảm tín hiệu TL theo thời gian do electron thoát khỏi bẫy trước khi đo. Vật liệu K2GdF5:Tb có mức fading khoảng 15% sau 90 ngày, cho thấy khả năng lưu giữ tín hiệu tốt, đảm bảo độ tin cậy kết quả đo trong thời gian dài.

  4. Độ lặp lại của vật liệu được đánh giá như thế nào?
    Độ lặp lại được đánh giá qua 10 lần đo lặp với sai số chuẩn dưới 7,5%, đáp ứng tiêu chuẩn IEC 1066:1991, chứng tỏ vật liệu có độ ổn định và tin cậy cao trong đo liều neutron.

  5. Ứng dụng thực tế của vật liệu này trong an toàn bức xạ là gì?
    Vật liệu có thể được sử dụng để chế tạo liều kế cá nhân đo neutron cho nhân viên làm việc trong các nhà máy điện hạt nhân, phòng thí nghiệm nghiên cứu, và các cơ sở y tế sử dụng bức xạ neutron, giúp kiểm soát liều bức xạ và bảo vệ sức khỏe.

Kết luận

  • Vật liệu nhiệt phát quang K2GdF5:Tb dạng bát được tổng hợp thành công và có đặc trưng định liều neutron phù hợp với yêu cầu an toàn bức xạ.
  • Độ lặp lại, ngưỡng phát hiện và đáp ứng tuyến tính của vật liệu đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế IEC 1066:1991.
  • Vật liệu có khả năng hấp thụ neutron nhiệt cao nhờ nguyên tố Gadolinium, giúp đo liều neutron chính xác và hiệu quả.
  • Hiện tượng fading được kiểm soát tốt, đảm bảo độ tin cậy của kết quả đo trong thời gian lưu trữ dài.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu TL mới phục vụ đo liều neutron cá nhân, góp phần nâng cao an toàn bức xạ trong các lĩnh vực ứng dụng hạt nhân.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu mở rộng về phổ năng lượng neutron và phát triển sản phẩm liều kế cá nhân dựa trên vật liệu này. Đề nghị các cơ quan, tổ chức và doanh nghiệp quan tâm phối hợp để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và phát triển ngành công nghiệp hạt nhân bền vững.