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) (Khóa luận tốt nghiệp)

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


Khóa luận đủ ở file: Khóa luận full