Phân tích, so sánh các liều kế đo liều phóng xạ tích lũy của môi trường trên nền CaSO4 pha tạp các nguyên tố đất hiếm (RE

LỜI CẢM ƠN
Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình đến thầy giáo - PGS.TS
Trần Ngọc người đã truyền cho em cảm hứng học tập và nghiên cứu khoa học, người
đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp.
Em cũng xin bày tỏ lòng cám ơn đến thầy giáo - Thạc sĩ Hoàng Sỹ Tài – phụ
trách phòng thí nghiệm Vật lí là người đi trước luôn chỉ dẫn cho em.
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô giáo trường Đại học Quảng
Bình, khoa Khoa học tự nhiên và các thầy cô trong tổ Vật lí đã luôn tạo điểu kiện giúp
đỡ em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và tập thể lớp Đại học sư phạm Vật Lí
K56 - Trường Đại học Quảng Bình đã động viên tinh thần và giúp đỡ em rất nhiều
trong suốt thời gian học tập và hoàn thành kháo luận tốt nghiệp.
Em kính chúc quý thầy giáo, cô giáo, gia đình bạn bè sức khỏe và thành công!

Quảng Bình,

tháng 05 năm 2018
Sinh viên

Hoàng Thị Phương Linh


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ......................................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................... 2
3. Đối tượng nghiên cứu .................................................................................................. 2
4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 2
5. Cấu trúc khóa luận ....................................................................................................... 3
Chương 1 - TỔNG QUAN LÝ THUYẾT ....................................................................... 4
1.1. Cơ sở lý thuyết nhiệt phát quang (Thermoluminescence – TL) ............................... 4

1.1.1. Hiện tượng nhiệt phát quang ................................................................................. 4
1.1.2. Cơ chế quá trình nhiệt phát quang ......................................................................... 4
1.1.3. Các phương trình cơ bản – Bậc động học ............................................................ 6
1.1.4. Các hạn chế và ưu điểm của đo liều bằng TL ...................................................... 7
1.1.5. Vật liệu và các thiết bị đo liều trong nhiệt phát quang ......................................... 8
1.2. Tổng quan về vật liệu CaSO4 và các nguyên tố đất hiếm ...................................... 11
1.2.1. Calcium sulphate CaSO4 ..................................................................................... 11
1.2.2. Đặc điểm chung của các nguyên tố đất hiếm ...................................................... 13
Chương 2 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................... 17
2.1. Đặc trưng TL của vật liệu nền Calcium sulphate pha tạp các nguyên tố đất hiếm 17
2.1.1. Cấu trúc đường cong nhiệt phát quang tích phân ............................................... 17
2.1.2. Phổ nhiệt phát quang của vật liệu CaSO4:RE3+ ................................................... 20
2.1.3. Phổ quang phát quang của vật liệu CaSO4:RE3+ ................................................. 21
2.2. Đặc trưng TL của vật liệu Sulphate kiềm thổ pha tạp Dy ...................................... 23
2.2.1. Cấu trúc đường cong TL của vật liệu Sulphate kiềm thổ pha tạp Dy ................. 24
2.2.2. Phổ quang phát quang của vật liệu Sunphat kiềm thổ pha tạp Dy ...................... 25
2.3. Thảo luận kết quả ................................................................................................... 30
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 32
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 34


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình vẽ

Chú thích

Trang

Hình 1.1

Sơ đồ mức năng lượng của mẫu đơn giản trong TL

4

Hình 1.2

Phối cảnh liên kết Ca - O trong tinh thể CaSO4

12

Hình 1.3

Phối cảnh liên kết Ba - O trong tinh thể BaSO4

12

Hình 1.4

Phối cảnh liên kết Sr - O trong tinh thể SrSO4

13

Hình 1.5

Giản đồ mức năng lượng của các ion

16

Hình 2.1

Sơ đồ khối hệ đo đường cong nhiệt phát quang tích phân

17

Hình 2.2

Đường TSL của CaSO4:Gd

18

Hình 2.3

Đường TSL của CaSO4:Eu

18

Hình 2.4

Đường TSL của CaSO4:Dy

18

Hình 2.5

Đường TSL của CaSO4:Sm

18

Hình 2.6

Đường TSL của CaSO4:Nd

18

Hình 2.7

Đường TSL của CaSO4: Cường độ TSL của các mẫu pha tạp

18

- Giản đồ Dieke.

khác nhau 1.Dy; 2 Eu; 3.Sm,42.Gd; 5.Nd
Hình 2.8

Phổ nhiệt phát quang của CaSO4:Sm3+ và CaSO4:Dy3+ đo ở

21

xung quanh nhiệt độ đỉnh 220oC
Hình 2.9

Phổ PL của CaSO4:Sm kích thích bằng ánh sáng có bước sóng

22

365nm
Hình 2.10

Phổ PL của CaSO4:Eu kích thích bằng ánh sáng có bước sóng

22

365nm
Hình 2.11

Phổ PL của CaSO4:Nd kích thích bằng ánh sáng có bước sóng

22

365nm
Hình 2.12

Phổ PL của CaSO4:Gd kích thích bằng ánh sáng có bước sóng

22

365nm
Hình 2.13

Phổ PL của CaSO4:Dy kích thích bằng ánh sáng có bước sóng

22

365nm
Hình 2.14

Đường nhiệt phát quang tích phân của họ vật liệu MSO4:Dy

24

Hình 2.15

Phổ PL của CaSO4: Dy3+ kích thích bằng bức xạ 365nm

25


Hình 2.15a

Phổ PL của CaSO4: Dy3+ chưa chịu ảnh hưởng của bức xạ ion

25

hóa
Hình 2.15b

Phổ PL của CaSO4: Dy3+ sau khi chiếu xạ tia X

25

Hình 2.15c

Phổ PL của CaSO4: Dy3+ sau khi chiếu xạ tia X, được đốt nóng

25

và đo ở 2200C
Hình 2.15d

Phổ PL của CaSO4: Dy3+ sau khi chiếu xạ tia X, được đốt nóng

25

và đo ở 4000C
Hình 2.16

Sơ đồ mô tả cấu trúc tinh thể của CaSO4. Cấu hình octahedral

26

của cation Ca2+ với các anion SO42Hình 2.17

Phổ PL của BaSO4: Dy3+ kích thích bằng bức xạ 365nm

28

Hình 2.18

Phổ PL của SrSO4: Dy3+ kích thích bằng bức xạ 365nm

28


DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG KHÓA LUẬN
Bảng
Bảng 1
Bảng 2
Bảng 3
Bảng 4

Bảng 5
Bảng 6

Chú thích

Trang

Cấu hình điện tử và trạng thái cơ bản của các ion RE hoá trị

14

3
Nhiệt độ đỉnh nhiệt phát quang mạnh nhất thay đổi theo tạp
trong vật liệu CaSO4:RE
Các thông số động học nhiệt phát quang của vật liệu CaSO4:

20

RE3+
Các thông số động học quang phát quang của mẫu

22

CaSO4:
Nhiệt độ đỉnh phát quang mạnh nhất thay đổi theo nền và tạp

24

trong vật liệu MSO4:RE
Các thông số động học nhiệt phát quang của vật liệu

25

MSO4: Dy
Các thông số động học quang phát quang của vật liệu

Bảng 7

19

MSO4:Dy

29


BẢNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Ký

Tiếng Anh

hiệu

Tiếng Việt

RE

Rare Earth

Đất hiếm.

TL

Thermoluminescence

Nhiệt phát quang

IR

Infrared

Hồng ngoại

TLD

Thermoluinescence Dosimeter

Liều kế nhiệt phát quang

GOT

General One Trap

MSO4

-

Sunphat kiềm thổ

EPR

Electron paramagnetic resonance

Cộng hưởng từ điện tử

RE3+

Trivalent rare earth ions

Ion đất hiếm hóa trị 3

PL

Photoluminescence

Quang phát quang

Biểu thức một bẫy tổng quát
cho bức xạ nhiệt phát quang


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Nhiệt phát quang (Thermo luminescence – TL), hay còn gọi là quá trình phát
quang cưỡng bức nhiệt (Thermally stimulated luminescence) là một hiện tượng đã và
đang thu được nhiều thành công ứng dụng trong thực tiễn. Đó là những thành công
trong các lĩnh vực: đo liều bức xạ (đo liều cá nhân, môi trường và liều xạ trị trong y
học hạt nhân), định tuổi (tuổi địa chất, tuổi cổ vật) và nghiên cứu cấu trúc vật liệu. Bản
chất của hiệu ứng nhiệt phát quang là quá trình bức xạ ánh sáng sinh ra do cưỡng bức
bằng nhiệt tiếp theo sau sự kích thích bởi các bức xạ ion hóa. Cường độ TL đo được
trong quá trình cưỡng bức nhiệt tỷ lệ với liều bức xạ ion hóa mà mẫu hấp thụ. Nếu

trong cùng một trường bức xạ, mẫu nào bị chiếu xạ càng lâu thì mẫu đó có cường độ
TL càng lớn. Chính lí do trên những vật liệu có tính chất nhiệt phát quang được sử
dụng nhiều để đo liều lượng bức xạ, gọi là “liều kế” và khảo sát các khuyết tật điểm
trong các vật liệu bán dẫn và điện môi.
Ở các nước, để đo liều môi trường, cho tới nay phần lớn người ta sử dụng loại
liều kế chế tạo từ vật liệu CaSO4: Dy và CaSO4: Tm. Với vật liệu này được chế tạo
theo nhiều phương pháp khác nhau, nhưng trên thực tế thường sử dụng hai phương
pháp chủ yếu là “kết tinh” và “tái kết tinh” trong môi trường axit dư. Đặc điểm của
liều kế trên nền sunphat kiềm thổ và pha tạp các nguyên tố đất hiếm đều thường có độ
nhạy rất cao, cấu trúc đường cong tích phân khá đơn giản, thuận tiện cho các công tác
nghiên cứu.
Như chúng ta đã biết, vấn đề ô nhiễm môi trường và cảnh báo ô nhiễm môi
trường là vấn đề bức xúc của toàn cầu nói chung và Việt Nam nói riêng. Với nhu cầu
sử dụng năng lượng cho sự phát triển kinh tế - xã hội như hiện nay của các quốc gia,
thì năng lượng hóa thạch sẽ không mấy nữa là cạn kiệt. Trong khi năng lượng tái tạo
chưa thể đáp ứng và giá thành đầu tư rất cao thì giải pháp năng lượng hạt nhân vẫn là
hy vọng nhất cho các quốc gia và là đích đến trong vấn đề an toàn năng lượng cho
chiến lược phát triển trong đó có Việt Nam. Tuy nhiên sự cố Chernobyl (Ukraina) và
Fukushima I (Nhật Bản) vẫn là nỗi ám ảnh trong tiềm thức của nhân loại. Lượng
phóng xạ tồn tại trong môi trường có hai nguồn gốc: tự nhiên và nhân tạo. Nguồn gốc
tự nhiên bao gồm các nguyên tố phóng xạ như U, Th, K...và các tia vũ trụ. Nguồn gốc
nhân tạo đáng kể nhất liên quan đến các nhà máy điện hạt nhân, các thiết bị phát các
1


tia bức xạ ion hóa của các cơ sở nghiên cứu, y tế...Nói chung các liều lượng bức xạ
này thường rất nhỏ, vào cỡ

gray, thường được quan sát trong một thời gian rất

dài, có khi tới hàng năm, cho nên cần sử dụng những liều kế nhiệt phát quang (Thermo
luinescence Dosimeter – TLD) rất nhậy và có độ suy giảm (fading) thấp, độ ổn định
nhiệt, cơ và quang học cao...Vì vậy vấn đề cảnh báo ô nhiễm phóng xạ trong môi
trường là việc làm cấp thiết để tiến tới xây dựng bản đồ phông phóng xạ cho toàn lãnh
thổ.
Nhằm nâng cao hiểu biết của bản thân về vật liệu này, nên em đã chọn đề tài
“Phân tích, so sánh các liều kế đo liều phóng xạ tích lũy của môi trường trên nền
CaSO4 pha tạp các nguyên tố đất hiếm (RE)” cho luận văn tốt nghiệp của mình. Trên
cơ sở đưa ra bức tranh tổng quát về các tính chất theo hướng đo liều của các liều kế
được chế tạo trên cùng một loại nền nhưng khác nhau về tạp và cùng một loại tạp
nhưng trong các loại nền sunphat kiềm thổ khác nhau.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tổng quan được lý thuyết liên quan đến:
+ Hiện tượng nhiệt phát quang
+ Vật liệu nhiệt phát quang trên nền sunphat kiềm thổ.
+ Lý thuyết về một số nguyên tố đất hiếm.
- Phân tích, so sánh các liều kế đo liều phóng xạ tích lũy của môi trường trên nền
CaSO4 pha tạp RE (với RE: Dy, Sm, Eu, Gd, Nd).
- Phân tích, so sánh các liều kế đo liều phóng xạ tích lũy của môi trường trên nền
Sunphat kiềm thổ pha tạp Dy.
3. Đối tượng nghiên cứu
- Vật liệu calcium sunphate pha tạp các ion đất hiếm (CaSO4: RE3+); trong đó
RE3+ là các ion đất hiếm như Dy3+, Eu3+, Sm3+, Nd3+, Gd3+.
- Vật liệu nền sulphat kiềm thổ pha tạp ion Dy3+.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp lý thuyết:
+ Tìm hiểu, tổng quan lại lý thuyết nhiệt phát quang và ứng dụng trong đo liều
bức xạ.
+ Tìm hiểu, tổng quan lí thuyết về vật liệu sunphat kiềm thổ và các nguyên tố đất
hiếm.

2


- Phương pháp thực nghiệm: Tham gia chế tạo TLD trên cơ sở nền sunphat kiềm
thổ pha tạp các nguyên tố đất hiếm (RE) bằng phương pháp tái kết tinh.
5. Cấu trúc khóa luận
Chương 1: Tổng quan lý thuyết
Trình bày tổng quan lý thuyết về hiện tượng phát quang, nhiệt phát quang, tổng
quan về vật liệu Calcium sulphate pha tạp các nguyên tố đất hiếm.
Chương 2: Kết quả và thảo luận
Phân tích, so sánh các liều kế đo liều phóng xạ tích lũy của môi trường trên nền
CaSO4 pha tạp các nguyên tố đất hiếm
Phân tích, so sánh các liều kế đo liều phóng xạ tích lũy của môi trường trên nền
Sunphat kiềm thổ pha tạp Dy.

3


Chương 1 - TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.1. Cơ sở lý thuyết nhiệt phát quang (Thermoluminescence – TL)
1.1.1. Hiện tượng nhiệt phát quang
Nhiệt phát quang là hiện tượng bức xạ ra ánh sáng của chất điện môi hay bán dẫn
khi nó được nung nóng sau khi chiếu xạ ở nhiệt độ thấp (nhiệt độ phòng hay nitơ
lỏng...) Bởi các bức xạ ion hóa như tia UV, tia γ, tia X... Định nghĩa về nhiệt phát
quang đã nêu ở trên có thể tổng quát hóa bằng mệnh đề sau: Nhiệt phát quang xảy ra
khi chiếu bức xạ ion hóa lên hệ, hệ hấp thu năng lượng làm xảy ra sự đảo lộn mật độ
của hệ từ trạng thái cân bằng nhiệt động sang trạng thái nửa bền, sau đó hồi phục
bằng quá trình cưỡng bức nhiệt về trạng thái cân bằng ban đầu [1,2,3,4].
 Phân tích định nghĩa trên ta thấy rằng, hiện tượng nhiệt phát quang phải được
cấu thành bởi các điều kiện:

- Vật liệu phát quang phải là các chất bán dẫn hoặc điện môi (có năng lượng
vùng cấm lớn);
- Để vật liệu có thể bức xạ được trong quá trình kích thích ánh sáng hoặc nung
nóng, thì trước đó nó phải được chiếu xạ bởi các bức xạ ion hóa năng lượng cao;
- Vật liệu không có khả năng tái bức xạ trong quá trình kích thích hoặc nung
nóng lần thứ hai sau đó mà không có chiếu xạ lại;
- Quá trình chiếu xạ phải phù hợp với từng loại vật liệu và liều chiếu, thời gian
chiếu, nhiệt độ chiếu.
1.1.2. Cơ chế quá trình nhiệt phát quang

3
2

4

E
T

1
R

5

Hình 1.1 Sơ đồ mức năng lượng của mẫu đơn giản trong TL
4


- Mẫu điển hình đơn giản về hiện tượng nhiệt phát quang được đề cập bởi nhiều
tác giả (Garlick và Wilkins – 1945; Randell và Wilkins – 1945; Garlick và Gibson
1948) được chỉ ra trên hình 1.1

- Trong sơ đồ vùng năng lượng này, một mức có tác dụng như mức bẫy T và mức
khác gọi là tâm tái hợp R. Bẫy nằm ở trên mức cân bằng Fecmi Ef và vì vậy nó trống
trong trạng thái cân bằng (trước khi hấp thụ năng lượng bức xạ) là bẫy điện tử. Ngược
lại tâm tái hợp nằm dưới mức Fecmi Ef là lấp đầy lỗ trống. Việc hấp thụ bức xạ với
năng lượng hc = EC – EV (lớn hơn năng lượng vùng cấm) làm ion hóa điện tử hóa trị,
hình thành các điện tử tự do trong vùng dẫn và các lỗ trống tự do trong vùng hóa trị
(chuyển dời 1). Các hạt tải tự do này có thể tái hợp trực tiếp với nhau hoặc bị bắt ở bẫy
hoặc bị giữ trong mức định xứ.
- Trong các chất bán dẫn hoặc là chất cách điện. Khe vùng rộng, sự tái hợp trực
tiếp ít xảy ra hơn tái hợp gián tiếp. Do vậy, để sự tái hợp xảy ra đầu tiên lỗ trống bị bắt
ở tâm R (chuyển dời 5). Sự hủy lỗ trống tạo nên bởi các điện tử tự do (dịch chuyển 2),
nếu chuyển dời giả thiết có xác suất bức xạ lớn thì phát quang xuất hiện.
- Điện tử tự do có thể bị bắt ở mức T (chuyển dời 3), trong trường hợp này sự tái
hợp xảy ra chỉ khi điện tử bị bắt hấp thụ đủ năng lượng E để giải phóng trở lại vùng
dẫn (chuyển dời 4) từ đó tái hợp với lỗ trống. Xác suất giải phóng điện tử khỏi bẫy:
p =

-1

= s exp(E/kT) (1.1)

- Nếu độ sâu của bẫy E ở nhiệt độ chiếu xạ T0 mà E >> KT0 thì điện tử bị bắt sẽ
bị giữ ở bẫy t trong khoảng thời gian dài.
- Do mức Fecmi cân bằng nằm dưới bẫy T nên sự phân bố điện tử bị bắt và lỗ
trống nằm trong trạng thái không cân bằng. Khi nâng nhiệt độ của mẫu lên trênT0, E <
kT, lúc này sẽ làm cho điện tử giải phóng khỏi bẫy và tăng khả năng tái hợp và gây
nên hiện tượng phát quang [4,5]
- Cường độ phát quang được tính tốc dộ suy giảm mật độ điện tử bị bắt trong các
bẫy hoặc lỗ trống trên các tâm tái hợp trong quá trình cưỡng bức:


dn
dm

 ITL (1.2)
dt
dt

- Các phép tính lý thuyết thu được các biểu thức cho cường độ nhiệt phát quang ITL:
ITL 

ns exp  Et / kTm mn
(1.3)
( N  n) n  m mn 

5



( N  n) n
 Et 
1 
 (1.4)
 kT  ( N  n) n  m mn 

Hay là ITL  ns exp 
Trong đó:

 = s-1 exp(E/kT): Thời gian điện tử tiêu tán ở nhiệt độ T

E: Độ sâu bẫy bắt điện tử
m: mật độ lỗ trống trên tâm tái hợp
n: mật độ điện tử trên bẫy
n: tiết diện tái bắt điện tử hiệu dụng
mn: tiết diện tái hợp của điện tử
(N−n) : là số bẫy còn trống
T: nhiệt độ tuyệt đối
N: mật độ bẫy điện tử
s: hệ số tần số
k: hằng số Boltzman
vn: vận tốc nhiệt của điện tử tự do
Biểu thứ 1.4 gọi là biểu thức một bẫy tổng quát (General one trap – GOT) cho
bức xạ nhiệt phát quang.
1.1.3. Các phương trình cơ bản – Bậc động học [2]
a) Quá trình động học bậc 1 – Sự bắt tái yếu:
- Randall và Wilkins giả thiết rằng sự tái tạo bắt nhỏ không đáng kể khi cưỡng
bức nhiệt, tức là mmn >> (N-n) n. Khi đó biểu thức GOT sẽ có dạng:
 E 
ITL  ns exp  t  (1.5)
 kT 

- Lấy tích phân từ 0 → t, với tốc độ gia nhiệt không đổi =dT/dt thu được biểu
thức động học bậc 1 của Randall – Wilkins
T

 s

 E 
 E  
ITL (T )  no s exp   t  exp  ( )  exp   t d  (1.6)

 KT 
 K  

  T0


Với n0 là mật độ điện tử ở thời điểm t = 0 và  biểu diến sự thay đổi nhiệt độ.
Lúc này: I = -dn/dt ~ n, ta có quá trình động học bậc 1.
b) Quá trình động học bậc 2 – Sự bắt tái mạnh:
- Garlick và Gibson quan tâm đến trường hợp xác suất tái bắt điện tử lớn hơn xác
suất tái hợp, tức là mmn << (N-n) n
6


Với điều kiện N

ITL (T )  

n và n = m, biểu thức GOT (1.4) khi đó được viết lại:

 n  2
dn
Et 
n exp 
 s

 (1.7)
dt
 kT 
 N mn 

Ta thấy ITL ~ n2 nên 1.7 được gọi là biểu thức động học bậc 2.
Với giả thiết mn = n , nghiệm của phương trình sẽ là:

 n0 s '  T
 Et 
 E 
  exp   t d 
ITL (T )  n s ' exp 
1  
 kT 
 k 
  T0


2

2
0

(1.8)

Biểu thức 1.8 gọi là biểu thức Garlick – Gibson. Trong đó
 Tỉ số n0/N có ảnh hưởng rất lớn đến dạng đường cong của bức xạ.
 s'=s/N gọi là hệ số s hiệu dụng, có thứ nguyên là (s-1m3)
c) Quá trình động học bậc tổng quát:
- Các phương trình TL tuân theo quá trình động học bậc 1 và bậc 2 đã thu được
trên cơ sở các giả thiết đơn giản và riêng biệt. Tuy nhiên, khi các giả thiết này không
có ý nghĩa, đỉnh TL sẽ không đúng với trường hợp bậc 1 và bậc 2.
- Từ thực tế đó, May và Partridge và sau đó là Rasheedy đã viết biểu thức động

học tổng quát như sau:

I TL  

dn  n b 
 E 
  b1  s exp  t  (b 1,2) (1.9)
dt  N 
 kT 

Phương trình này sẽ trở về dạng bậc 1 khi b = 1 và bậc hai khi b = 2, nghiệm của
nó sẽ là:
b 1 T
 Et  (1b )   s(b  1)(n0 / N ) 
 E  
b
  exp   t d 
I TL (T )  sn0 exp 
1  
N

 kT 
 k  
T0
 



b
b 1

(1.10)

Lưu ý rằng, biểu thức (1.10) không xác định khi b = 1, tuy nhiên có thể thu được
biểu thức bậc 1 khi b → 1.
1.1.4. Các hạn chế và ưu điểm của đo liều bằng TL [6]
- Ưu điểm:
 Kích thước của liều kế nhiệt phát quang nhỏ. Chỉ cần khoảng 10mg chất phát
quang là đủ để đo được liều.
 Khoảng liều có thể đo khá rộng. Từ mức liều cỡ 10μGy – 104Gy
 Có những vật liệu tương đương mô và giống mô như Li2B4O7: Cu
7


 Có hình dạng nhất định và có thể xử lí bằng cơ học.
 Độ ổn định tín hiệu TL trong một thời gian dài sau khi chiếu.
 Có thể đạt độ chính xác tốt hơn 3% trong vùng mGy

10Gy.

 Ít nhạy với các yếu tố môi trường: độ ẩm, ánh sáng..
 Tín hiệu TL dể xử lý và cho phép có thể tự động hóa.
 Có thể đánh giá tại chỗ nhanh chóng.
 Thiết kế thuận lợi cho vận chuyển kể cả bằng bưu điện.
 Có thể tái sử dụng mà không bị thay đổi chất lượng.
- Hạn chế:
+ Liều kế TL không phải là liều kế đo tuyệt đối. Chúng cần phải được chuẩn với
một hệ đo chuẩn nào đó, TL chỉ là đo gián tiếp.
 Thành phần của liều kế: Vật liệu làm liều kế nhiệt phát quang rất khó phù hợp
về thành phần hóa học với môi trường mà ở đó cần xác định liều.

 Hiệu ứng bề mặt: Một vài hiệu ứng bề mặt như nhiễm bẩn, nước, sự bám khí
có thể gây ảnh hưởng đến độ nhạy, khả năng truyền ánh sáng và đôi khi gây nên
những tín hiệu nhiệt phát quang giả.
 Tính không hoàn thiện của các đặc trưng nhiệt phát quang: Hiệu suất nhiệt
phát quang cũng như độ nhạy phụ thuộc rất mạnh vào phân bố sai hỏng, thành phần
tạp chất (cỡ một phần triệu) trong vật liệu nhiệt phát quang. Điều này dẫn tới rất khó
chế tạo một lượng lớn liều kế có dộ đồng đều cao. Do đó cần phải chuẩn liều kế theo
từng mẽ sản xuất.
1.1.5. Vật liệu và các thiết bị đo liều trong nhiệt phát quang [7]
a) Vật liệu đo liều nhiệt phát quang:
- Vật liệu TL là một yếu tố rất cơ bản và không thể thiếu trong một hệ thống đo
liều TLD. Có rất nhiều vật liệu tự nhiên hoặc tổng hợp có tính chất TL khi vật liệu
được đốt nóng mà trước đó đã chiếu xạ với các nguồn bức xạ ion hóa. Các chất điện
môi, bán dẫn và khoáng vật là những chất có khả năng phát huỳnh quang trong quá
trình đốt nóng, nhưng không phải tất cả các chất nhiệt phát quang đều có thể sử dụng
làm liều kế nhiệt phát quang (TLD). Các chất được dùng làm TLD cần có những tính
chất sau:

8


 Cấu trúc đường cong TL phải tương đối đơn giản, đỉnh nhiệt phát quang chính
(đỉnh dùng để đo liều) phải có độ nhạy cao, điều này bao gồm cả hai hiệu suất bức xạ
cao và ngưỡng đo liều thấp.
 Trơ với các yếu tố của môi trường như độ ẩm, các dung môi hóa chất, ánh
sáng... Thật vậy, các điện tích bị bẫy trong vật liệu có thể bị mất trước khi được đọc
nhiệt, ánh sáng và bởi các nguyên nhân khác. Thông thường người ta phải chọn đỉnh
đo liều nằm trong khoảng nhiệt độ từ 200 – 250

(để đảm bảo E > kT và ít bị fading

nhiệt và không bị ảnh hưởng bởi bức xạ hồng ngoại của thanh đốt khi nhiệt độ cao hơn
350 ).
 Thông tin được giữ ổn định và bền với thời gian.
 Hiệu suất phát xạ ít phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ ion hóa.
 Có sự phụ thuộc tuyến tính tốt giữa tín hiệu TL với liều bức xạ trong khoảng
liều quan tâm.
 Vật liệu phải có khả năng tái sử dụng nhiều lần sau khi được xử lí nhiệt.
 Cuối cùng một yêu cầu quan trọng là vật liệu phải “tương đương mô”. Đây là
một yêu cầu quan trọng vì khi vật liệu có khối lượng riêng xấp xỉ gần bằng khối lượng
riêng của mô người thì liều lượng mà và vật liệu hấp thụ mới biểu thị gần đúng nhất
liều lượng mà mô người hấp thụ. Nguyên tử số hiệu dụng Zeff của TLD phải gần với
nguyên tử số hiệu dụng của mô sinh học là 7.4. Trong thực tế chỉ có một vài chất nhiệt
phát quang đáp ứng yêu cầu này.
- Nhìn chung, các hợp chất tinh khiết như các muối và các ôxit cho thấy các tín
hiệu TL thấp, vì thế ít được quan tâm sử dụng trong đo liều. Hiệu suất TL cao hơn thu
được bằng cách pha tạp hợp chất tinh khiết với các tạp chủ định, các tạp này đóng vai
trò như các thành phần kích hoạt của các vật liệu chủ.
- Thành phần tạp thông thường được lựa chọn sự trên tiêu chí hiệu suất TL cao
nhất, nhưng các thông số khác không kém phần quan trọng cũng được quan tâm như
giá thành thấp, sẵn có trên thị trường.
- Nói chung các liều kế TL không phải là liều kế đo tuyệt đối. Chúng cần phải
được chuẩn thông qua hệ đo tuyệt đối hoặc trong những trường bức xạ chuẩn, thường
thì điều này gây thêm sai số. Hiệu suất TL cũng như độ nhạy phụ thuộc rất mạnh vào
phân bố sai hỏng, thành phần tạp chất trong vật liệu TL. Điều này dẫn tới rất khó chế
9


tạo một lượng lợn liều kế có độ đồng đều cao. Điều này cần thiết ta phải chuẩn liều kế
theo từng mẻ sản xuất, thâm chí đôi khi phải chuẩn riêng cho từng liều kế. Việc khảo

sát và chuẩn liều bằng cách vẽ đường đáp ứng liều cho từng mẻ là một khâu vô cùng
quan trọng không thể thiếu trong quy trình công nghệ sản xuất liều kế.
b) Thiết bị đo liều bằng nhiệt phát quang:
- Trong nghiên cứu đo liều bức xạ bằng phương pháp TL. Tùy thuộc vào mục
đích, yêu cầu của từng phép đo để cơ cấu, liên kết các khối chức năng sao cho thỏa
mãn với yêu cầu của phép đo. Tuy nhiên các khối cơ bản của một hệ đo liều phải bao
gồm:
 Buồng đốt và Bộ khống chế nhiệt độ.
 Bộ thu nhận và lọc lựa tín hiệu quang học.
 Phổ kế.
 Buồng đốt và khống chế nhiệt độ: Đây là một trong những bộ phận cơ bản nhất
của hệ đo, gồm hệ thống đốt nóng phải đảm bảo sự ổn định tiếp xúc nhiệt về cơ học,
hình chọ, hóa học, đảm bảo có tính đối lưu. Cơ chế đôt nóng phải tiếp xúc với thanh
đốt, đốt theo kiểu xung hoặc liên tục nhưng đảm bảo nhiệt độ trên thanh đốt tăng liên
tục. Bộ phận không chế nhiệt độ có thể dùng chương trình khống chế để đảm bảo tính
lặp lại của chương trình đốt (Trong nghiên cứu cơ bản phảo đảm bảo tuyến tính trong
vùng nhiệt độ đo đến cỡ 500 ). Để tránh những tín hiệu phát quang giả phải hạn chế
tối đa sự oxy hóa bề mặt bằng cách thổi khí trơ hoặc khí nitơ vào buồng đốt trong quá
trình đo. Một hệ đo dùng trong đo liều thường không cần chương trình, không cần
tuyến tính, quan trong chỉ cần sự lặp lại.
 Bộ thu nhận và lọc lựa tín hiệu quang học: Một trong những yêu cầu là phải có
độ nhạy cao, có tính lọc lựa và phân giải tốt, ít có dộ thăng giáng theo phần trăm tín
hiệu.
Về lý thuyết, tốt nhất là dùng hệ thống thu nhận bằng gương Parabolic nhưng
nhược điểm là ở chổ vị trí của mẫu phải thật chính xác ở tiêu điểm của gương nếu có
sai lệch (cỡ 1mm) sẽ dẫn đến sự thăng giáng một số phần trăm tín hiệu TL.
Hệ thống lọc quang học có mục đích ngăng cách nhiệt giữa detector và buồng
đốt, phản xạ và hấp thụ hồng ngoại (IR) nhưng cho ánh sáng mong muốn đi qua. Sự

10

nóng sáng của thanh đốt hoàn toàn phụ thuộc vào nhiệt độ, diện tích và bước sóng (Ở
300

số photon với bước sóng 600nm không đáng kể).
 Phổ kế: Để có được các thông tin về tâm tái hợp từ đó giúp ta chọn kính lọc

thích hợp trong các phép đo TL, hạn chế được tối đa tín hiệu không phải của liều chiếu
xạ, sự cần thiết ta phải đo phổ TL thông qua hệ phổ kế, vì vậy yêu cầu của hệ phải có
tính lọc lựa, có độ phân giải cao, có vùng nhạy của các thiết bị nằm trong vùng phổ
cần đo. Thường trong các phòng thí nghiệm của chúng ta, hệ phổ kế thường dùng là
loại SPM2 của Đức có thể dùng cách tử hoặc lăng kính có độ phân giải cỡ 2A0.
1.2. Tổng quan về vật liệu CaSO4 và các nguyên tố đất hiếm
1.2.1. Calcium sulphate CaSO4
Canxi sunphat (CaSO4) có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống, từ xây
dựng cho đến y học, nghệ thuật..
Canxi sunphat được biết đến với công thức hóa học CaSO4, tuy nhiên nó tồn tại ở
3 pha cơ bản:
 Canxi sunphat khan CaSO4.
 Canxi sunphat đihyđrat CaSO4.2H2O (thạch cao).
 Canxi sunphat hemihyđrat CaSO4.0.5H2O.
Riêng Canxi sunphat hemihyđrat có 2 pha:
α - Canxi sunphat hemihyđrat (α – CaSO4.0.5H2O gọi tắt là α hemihydrat).
β - Canxi sunphat hemihyđrat (β – CaSO4.0.5H2O gọi tắt là β hemihydrat).
Trong các pha hệ canxi sunphat tồn tại sự chuyển hóa qua lại:
CaSO4.2H2O ↔ CaSO4.0,5H2O ↔ CaSO4
- Như chúng ta đã biết những tinh thể là chất phát quang ở trạng thái tinh khiết
thường không phát quang, sự phát quang hình thành do đưa vào tinh thể các tạp đóng
vai trò các chất kích hoạt. Về phương diện tính chất quang, nền CaSO4 cũng không

phát quang khi ta kích thích bằng ánh sáng tử ngoại. Tuy nhiên khi pha tạp các ion đất
hiếm, vật liệu sẽ phát ra các màu sắc khác nhau tuỳ thuộc vào ion pha tạp. Như vậy,
phổ phát quang là phổ đặc trưng của các ion đất hiếm.
* Các thông số cấu trúc tinh thể của các vật liệu sulphate kiềm thổ
- Các thông số cấu trúc tinh thể của vật liệu CaSO4 [2]

11


Các thông số cấu trúc tinh thể của vật liệu CaSO4 được minh họa như hình 1.2
Ca-O1 = 2.18Ao
Ca-O2 = 2.50Ao
Ca-O3 = 2.50Ao
Ca-O4 = 2.18Ao
Ca-O5 = 2.39Ao
Ca-O6 = 2.39Ao

R(Ca2+) = 1.05Ao

Ca-O7 = 2.50Ao

R(O2-) = 1.32Ao

Ca-O8 = 2.50Ao

R(Dy3+) = 0.91Ao

Hình 1.2. Phối cảnh liên kết Ca - O trong tinh thể CaSO4
như sau:
Hệ thống Orthorhombic, nhóm Bbmm (D2h17)

Các thông số mạng: a=6.21Ao, b=6.95Ao và c=6.96Ao; thể tích V=300.4 Ao3
Từ hình 1.2, ta có thể thấy phối cảnh của cation Ca2+ bao gồm 8 ion oxy lân cận,
trong đó 2 ion oxy có khoảng cách tới cation Ca2+ ngắn nhất là 2.18Ao, còn 2 ion oxy
có khoảng cách 2.93Ao và 4 ion oxy có khoảng cách 2.50Ao. Cấu trúc này có thể áp
dụng cho phối cảnh của các ion đất hiếm thường thay thế các vị trí ion Ca2+. Ta nhận
thấy rằng, vật liệu CaSO4 pha tạp các ion RE đều có bán kính nhỏ hơn bán kính của
ion mà nó thay thế.
- Các thông số cấu trúc tinh thể của vật liệu BaSO4 [2]
Hệ thống Orthorhombic, nhóm Pnma (D2h16)
Các thông số mạng: a=8.879Ao, b=5.452Ao và c=7.162Ao; thể tích V=346.70Ao3
Trong số 12 ion oxy phối cảnh với ion Ba có 2 ion nằm gần Ba nhất, ứng với
khoảng cách 2.772Ao và 2.806Ao, hình 1.3.
Ba-O1 = 2.806Ao
Ba-O2 = 2.806Ao
Ba-O3 = 3.065Ao
Ba-O4 = 3.065Ao
Ba-O5 = 2.812Ao
Ba-O6 = 2.812Ao

Ba-O7 = 3.317Ao
Ba-O8 = 3.317Ao
Ba-O9 = 2.910Ao
Ba-O10 = 2.910Ao
Ba-O11 = 2.772Ao
Ba-O12 = 2.826Ao

R(Ba2+) = 1.38Ao
R(O2-) = 1.32Ao R(Dy3+) = 0.91Ao

Hình 1.3. Phối cảnh liên kết Ba - O trong tinh thể

BaSO4
12


- Các thông số cấu trúc tinh thể của vật liệu SrSO4 [2]
Hệ thống Orthorhombic, nhóm đối xứng Pnma (D2h16) giống BaSO4
Các thông số mạng: a=8.324Ao, b=5.343Ao và c=6.871Ao; thể tích V=305.59Ao3
Khoảng cách ngắn nhất giữa oxy và cation trong vật liệu này là 2.52Ao, hình 1.4.

Sr

Sr - O1 = 2.69

Sr - O7 = 3.26

Sr - O2 = 2.69

Sr - O8 = 3.26

Sr - O3 = 3.96

Sr - O9 = 2.80

Sr - O4 = 3.96

Sr - O10 = 2.80

Sr - O5 = 2.64

Sr - O11 = 2.52

Sr - O6 = 2.64
2+

Sr - O12 = 2.64
o

R(Sr ) = 1.18A
2-

R(O ) = 1.32A

R(Dy3-) = 0.91Ao

o

Hình 1.4. Phối cảnh liên kết Sr - O trong tinh thể
SrSO4
Nhận xét chung: trong tất cả các vật liệu đang quan tâm nói trên các ion tạp RE3+
đều có bán kính nhỏ hơn bán kính các ion mà nó thay thế.
1.2.2. Đặc điểm chung của các nguyên tố đất hiếm
Các nguyên tố đất hiếm RE (Rare Earth) là các nguyên tố thuộc họ Lanthan,
được đặc trưng bởi lớp điện tử chưa được lấp đầy 4f. Năng lượng tương đối của các
obitan 4f và 5d rất gần nhau và electron dễ được điền vào cả 2 loại obitan này. Quỹ
đạo 4f của các ion RE được che chắn bởi các quỹ đạo đã được lấp đầy nằm bên ngoài
2

6

là 5s và 5p . Do vậy, ảnh hưởng của trường tinh thể mạng chủ lên các dịch chuyển

n

quang trong cấu hình 4f là nhỏ (nhưng rất cần thiết).
Trong các oxit kim loại đất hiếm RE2O3, thì các dịch chuyển hấp thụ bị cấm rất
mạnh theo quy tắc chọn lọc chẵn-lẻ. Do đó, các oxit kim loại đất hiếm thường không
màu.
Các nguyên tố họ đất hiếm: Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gb, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb
có số nguyên tử từ 58 đến 70 giữ vai trò hết sức quan trọng trong sự phát quang của
tinh thể phát quang. Cấu hình điện tử của các ion hoá trị 3, với sự lấp đầy của các điện
tử lớp 4f: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d10 ( 4f n) 5s25p6 với n = 1 ÷ 13, có thể được
biểu diễn ở bảng 1.
13


Bảng 1: Cấu hình điện tử và trạng thái cơ bản của các ion RE hoá trị III
Số

Ion đất

nguyên tử

hiếm

Cấu hình điện tử

Trạng thái cơ
bản theo quy tắc
Hund

57

La3+

1s22s22p6….. (4f 0)

5s25p6

58

Ce3+

1s22s22p6….. (4f1)

5s25p6

59

Pr3+

1s22s22p6….. (4f2)

5s25p6

3

60

Nd3+

1s22s22p6….. (4f3)

5s25p6

4

61

Pm3+

1s22s22p6….. (4f4)

5s25p6

62

Sm3+

1s22s22p6….. (4f5)

5s25p6

63

Eu3+

1s22s22p6….. (4f6)

5s25p6

64

Gd3+

1s22s22p6….. (4f7)

5s25p6

65

Tb3+

1s22s22p6….. (4f8)

5s25p6

66

Dy3+

1s22s22p6….. (4f9)

5s25p6

67

Ho3+

1s22s22p6… (4f10)

5s25p6

68

Er3+

1s22s22p6… (4f11)

5s25p6

69

Tm3+

1s22s22p6… (4f12)

5s25p6

3

70

Yb3+

1s22s22p6… (4f13)

5s25p6

2

O

2

F5/2
H4

I9/2

5
6

H5/2
7

8

F0

S7/2

7
6

I4

F6

H15/2
5

4

I8

I15/2
H6

F7/2

Các bức xạ của chuyển mức quang học ở các ion này nằm từ vùng ánh sáng tới
vùng hồng ngoại. Những tính chất này làm cho các ion đất hiếm trở nên quan trọng
trong các mục đích sử dụng.
Theo thuyết cấu tạo hoá học thì cấu trúc các lớp điện tử trong nguyên tử của các
nguyên tố đất hiếm hình thành như sau: sau khi bão hoà lớp điện tử s của lớp thứ sáu
6s2 bằng hai điện tử thì lớp điện tử 4f được lấp đầy dần dần bằng 14 điện tử, tức là cấu
hình điện tử có lớp chưa lấp đầy là 4f.
Nói chung, tất cả các nguyên tố đất hiếm có tính chất hoá học giống nhau. Do sự
khác nhau về cấu trúc lớp vỏ điện tử của các nguyên tử nên chúng khác nhau về tính
chất vật lý, đặc biệt là sự hấp thụ và bức xạ năng lượng (photon ánh sáng).
Như vậy, việc pha tạp các nguyên tố RE có thể nâng cao hiệu suất phát quang của
tinh thể, đem lại nhiều khả năng ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau nên việc phát
triển nghiên cứu, chế tạo vật liệu phát quang này đã trở nên thông dụng trong thực tế.

14


Hình 1.2 trình bày giản đồ cấu trúc mức năng lượng của các ion đất hiếm hóa trị
3, RE3+, còn được gọi là giản đồ Dieke.
Các mức năng lượng điện tử 4f là đặc điểm tiêu biểu của các ion đất hiếm. Do
các điện tử lớp 4f chưa lấp đầy nằm sâu bên trong so với các lớp 5s, 5p, 5d, 6s đã được
lấp đầy và bị che chắn bởi các lớp này nên điện tử lớp 4f của các nguyên tố đất hiếm

tương tác rất yếu với mạng tinh thể (phần năng lượng đóng góp do tương tác này chỉ
khoảng 0.01 eV, nhỏ hơn so với tương tác spin quỹ đạo một bậc) nhưng chúng tương
tác với nhau khá mạnh.
Do đó, mặc dù các nguyên tố đất hiếm đã nằm tại các nút mạng tinh thể nhưng
chúng vẫn có các mức năng lượng xác định đặc trưng riêng cho mình. Các mức này ít
chịu ảnh hưởng của trường tinh thể. Khi có sự chuyển dời của các điện tử giữa các
mức năng lượng của lớp 4f sẽ cho bức xạ nội một tâm. Phổ phát quang của tinh thể
phát quang pha tạp các nguyên tố đất hiếm gồm cả những dải rộng và các vạch hẹp đặc
trưng cho từng nguyên tố. Nếu tâm kích hoạt quang học nào bị ảnh hưởng mạnh của
trường tinh thể thì phổ bức xạ có dải rộng. Ngược lại, nếu tâm kích hoạt nào ít bị ảnh
hưởng của trường tinh thể thì phổ bức xạ của nó là phổ vạch.
Mỗi mức năng lượng của điện tử 4f được xác định bằng số lượng tử S, L, J.
Thực tế môi trường xung quanh ion tạp là môi trường động, vì các ion trong
mạng tinh thể luôn dao động quanh một vị trí cân bằng nào đó. Chính trường động này
ảnh hưởng lên trạng thái điện tử của các tâm quang học, ngược lại chính môi trường
xung quang lại bị ảnh hưởng của sự thay đổi trạng thái điện tử của các tâm quang học.

15


Hình 1.5 Giản đồ mức năng lượng của các ion RE 3+ - Giản đồ Dieke.
16


Chương 2 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
2.1. Đặc trưng TL của vật liệu nền Calcium sulphate pha tạp các nguyên tố đất
hiếm
2.1.1. Cấu trúc đường cong nhiệt phát quang tích phân [2]
Một trong những phép đo cơ bản không thể thiếu được khi nghiên cứu nhiệt phát
quang là việc đo đạc và ghi nhận đường nhiệt phát quang tích phân – TL interrgral

glow – curve.
Đồ thị mô tả quá trình phát quang là những đường cong biểu diễn sự phụ thuộc
của cường độ bức xạ theo nhiệt độ ITL = f(T), gọi là đường cong TL tích phân. Thông
thường để thuận lợi cho việc xác định các thông số động học trong quá trình nhiệt phát
quang của mẫu, người ta thường xác định đường cong nhiệt phát quang tích phân khi
tốc độ nhiệt không đổi. Mỗi đỉnh trên đường cong nhiệt phát quang tích phân ứng với
một cực đại phát quang có nhiệt độ Tm ứng với cường độ cực đại, năng lượng kích
hoạt E (độ sâu bẫy) và hệ số tần số s xác nhận cho sự tồn tại một bẫy bắt trong vùng
cấm của tinh thể. Nói chung, số đỉnh trên đường TL tích phân đặc trưng cho bản chất,
cấu tạo vật liệu và ngược lại từ việc phân tích đường TL tích phân chúng ta sẽ thu
được các thông tin về cấu trúc vật liệu.
Sơ đồ khối của hệ đo cường độ nhiệt phát quang tích phân trên hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ đo đường cong nhiệt phát quang tích phân
Sau khi mẫu đã được chiếu xạ, nhiệt cung cấp cho mẫu bởi bộ phận gia nhiệt, tín
hiệu TL do mẫu phát ra được thu bằng nhân quang điện và chuyển đổi thành tín hiệu
điện, tín hiệu này được khuếch đại và chuyển đổi thành tín hiệu số để đưa vào máy
tính ghi và xử lý.

17


Các thí nghiệm đo đường nhiệt phát quang tích phân trong các cấu trúc có mạng
oxy khác nhau của vật liệu nền CaSO4 pha tạp các ion đất hiếm khác nhau đã được tiến
hành. Cụ thể là khảo sát vai trò của oxy trong các phản ứng khuyết tật thông qua mối
quan hệ giữa nhiệt độ phát quang Tmax và khoảng cách ngắn nhất giữa các ion oxy và
các ion cation rmin (RE-O) trong các hợp chất nói trên. Theo sơ đồ trên, chúng tôi đã
tiến hành đo đường nhiệt phát quang của các mẫu CaSO4 pha 5 loại tạp RE khác nhau:
Dy, Sm, Eu, Gd và Nd. Các kết quả đo được trình bày trên các hình vẽ từ hình 2.2 đến
2.7 bằng phần mềm Origin 5.0 và thống kê trên bảng 2.1

CaSO4:Eu

CaSO4:Gd

50

C-êng ®é TL (®vt®)

C-êng ®é TL (®vt®)

120

40
30
20

60

10
0

0
90

180
o
NhiÖt ®é ( C)

90

270

180

270

o

NhiÖt ®é ( C)

Hình 2.3 : Đường TSL của CaSO4:Eu

Hình 2.2: Đường TSL của CaSO4:Gd

180

8000000

6000000

4000000

dem o

dem o

dem o

dem o

dem o

dem o

dem o

dem o

dem o

dem o

dem o

dem o

dem o

dem o

dem o

dem o

dem o

dem o

dem o

dem o

dem o

dem o

dem o

dem o

dem o

dem o

dem o

dem o

dem o

dem o

dem o

CaSO4:Sm
C-êng ®é TL (®vt®)

C-êng ®é (t-¬ng ®èi)

10000000

120

2000000

0

50

100

150

200

60

dem o

250

0

300

40

0

NhiÖt ®é ( C)

80

120

160

200

240

280

o

NhiÖt ®é ( C)

Hình 2.5 : Đường TSL của CaSO4:Sm

Hình 2.4 : Đường TSL củaCaSO4:Dy

180

CaSO4:Nd

1. CaSO4:Dy
2.CaSO4:Eu
3.CaSO4:Sm
120 4.CaSO :Gd
4

5.CaSO4:Nd

232

150

C-êng ®é TL (®vt®)

C-êng ®é TL (®vt®)

200

100

50

0

1
2
3
4
5

60

0
0

50

100

150

200

250

40

300

80

120

160

200

240

280

o

o

NhiÖt ®é ( C)

NhiÖt ®é ( C)

Hình 2.7: Cường độ TSL của các
mẫu pha tạp khác nhau 1.Dy; 2 Eu;
3.Sm,4.Gd; 5.Nd.

Hình 2.6: Đường TSL của CaSO4:Nd

18


Bảng 2: Nhiệt độ đỉnh nhiệt phát quang mạnh nhất thay đổi theo tạp trong vật liệu
CaSO4:RE
Nển

Tmax (0C)

Rmin (M-O)

CaSO4

(A0)

Dy

Gd

Eu

Sm

Nd

2.18

220

214

218

222

232

Trung bình
220

10

Theo các hình vẽ từ 2.2 đến 2.7 ở trên và bảng 2, ta thấy:
Các nguyên tố đất hiếm khác nhau khi được pha tạp vào mạng nền CaSO4 làm
cho nhiệt độ đỉnh và cường độ bức xạ nhiệt phát quang cũng khác nhau. Điều này cho
ta thấy vai trò của các ion đất hiếm khác nhau thì khác nhau do khi được pha tạp vào
mạng nền CaSO4 thì các ion đất hiếm tạo thành những sai hỏng không giống nhau.
- Vật liệu CaSO4 pha tạp các nguyên tố đất hiếm (với RE: Dy, Gd, Sm, Eu, Nd)
có nhiều cực đại khác nhau, nhưng ta thấy cường độ phát quang mạnh nhất ứng với
nhiệt độ nằm trong khoảng từ 150 - 300 .
 Trong đó nền CaSO4:Gd có nhiệt độ đỉnh liều thấp nhất là 214 .

 Nền CaSO4: Nd có nhiệt độ đỉnh liều cao nhất là 232 .
Mặt khác, sự chênh lệch giữa nhiệt độ đỉnh đo liều của các vật liệu CaSO4:RE là
không đáng kể. Điều này cho thấy: dạng của các đường cong nhiệt phát quang cũng
như vị trí đỉnh cực đại trên đường cong đó phụ thuộc chủ yếu vào chất nền, ít phụ
thuộc vào tạp RE.
- Hình 2.7 thể hiện cường độ bức xạ TL của mẫu pha tạp khác nhau 1.Nd; 2.Dy;
3.Sm; 4.Eu, 5.Gd .
 Từ đồ thị ta thấy; nhiệt độ đỉnh phát quang của nền CaSO4:Nd cao nhất (232 )
tương ứng với cường độ bức xạ nhiệt phát quang của nó cao nhất. Điều này chúng tỏ
việc thay thế ion Nd

3+

vào vị trí Ca2+ trong mạng tinh thể đã làm xuất hiện các sai

hỏng, cùng với các sai hỏng hình thành do khuyết tật của mạng, do đó xuất hiện các
bẫy với nồng độ thấp.
 Trong khi đó, nền CaSO4:Gd có nhiệt độ đỉnh phát quang thấp nhất (214 )
tương ứng với cường độ bức xạ nhiệt phát quang của nó thấp nhất, chứng tỏ việc pha
19