Nghiên cứu phương pháp đo liều bức xạ ion hóa bằng liều kế OSL

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-------------O0O------------

BÙI ĐỨC KỲ

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP
ĐO LIỀU BỨC XẠ ION HÓA BẰNG LIỀU KẾ OSL

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-----------O0O-----------

BÙI ĐỨC KỲ

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP
ĐO LIỀU BỨC XẠ ION HÓA BẰNG LIỀU KẾ OSL

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
Mã số: 60440106

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Người hướng dẫn khoa học: TS. Trịnh Văn Giáp

Hà Nội - 2015

Mục lục
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN ......................................................................................4
1.1 Hiện tượng phát quang.......................................................................................4
1.2 Hiện tượng quang kích thích phát quang : OSL ................................................4
1.2.1 Định nghĩa ...................................................................................................4
1.2.2 Cơ sở lý thuyết của hiện tượng quang phát quang. .....................................5
1.2.3 Các mô hình quang kích thích phát quang. .................................................7
1.2.4 Mô hình một bẫy- một tâm tái hợp..............................................................9
1.2.5 Mô hình động học bậc 2 ............................................................................12
1.2.6 Mô hình động học tổng quát......................................................................13
1.3 Một số khái niệm về các đại lượng và đơn vị đo dùng trong đo liều cá nhân. 14
1.3.1 Liều hấp thụ: D ..........................................................................................14
1.3.2 Kerma: K ...................................................................................................14
1.3.3 Tương đương liều cá nhân .........................................................................15
CHƯƠNG II: CẤU TẠO, CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA LIỀU KẾ OSL VÀ HỆ MÁY
ĐỌC LIỀU KẾ OSL MICROSTAR. ........................................................................16
2.1 Cấu tạo của liều kế OSL loại Inlight model 2 .................................................16
2.2 Các đặc trưng của liều kế OSL ........................................................................18
2.2.1 Độ nhạy .....................................................................................................18
2.2.2 Ngưỡng nhạy của liều kế OSL ..................................................................18
2.2.3 Đáp ứng năng lượng ..................................................................................19
2.2.4 Đáp ứng liều (đáp ứng tuyến tính) ............................................................22
2.2.5 Sự suy giảm tín hiệu ..................................................................................24
2.2.6 Độ lặp lại của liều kế OSL ........................................................................24
2.3 Một số các đặc trưng khác của liều kế OSL ....................................................25
2.4 Tiêu chuẩn đánh giá các đặc trưng của liều kế OSL .......................................25
2.5 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy đọc liều kế Microstar .....................27

2.5.1 Cấu tạo của máy đọc liều kế Microstar. ....................................................27
2.5.2 Nguyên lý hoạt động của máy đọc Microstar ...........................................28
2.6 Quy trình đánh giá liều cá nhân sử dụng liều kế OSL .....................................29
2.6.1 Chuẩn máy đọc liều kế Microstar. ............................................................29
2.6.2 Hiệu chuẩn độ nhạy của chip OSL. ...........................................................30
2.6.3 Đọc và đánh giá liều bằng liều kế OSL loại OSL - InLight Model 2 trên
máy đọc Microstar ..............................................................................................30
2.6.4 Thuật toán tính toán liều Microstar ...........................................................31
CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ .....................................................33
3.1 Thiết lập chiếu chuẩn liều kế OSL trên hệ chuẩn bức xạ gamma và tia X......33
3.2 Thực nghiệm khảo sát độ ổn định của máy đọc liều kế Microstar ..................36
3.3 Xác định ngưỡng nhạy của liều kế OSL Inlight model 2 ................................39
3.4 Thực nghiệm khảo sát độ tuyến tính của liều kế OSL .....................................41
3.5 Thực nghiệm khảo sát sự phụ thuộc năng lượng .............................................46
3.6 Thực nghiệm đánh giá sự suy giảm tín hiệu của liều kế OSL. ........................52
3.7 Thực nghiệm đánh giá độ lặp lại của liều kế OSL ..........................................54
3.8 Thực nghiệm khảo sát độ đồng đều của liều kế OSL ......................................56
3.9 Thực nghiệm khảo sát sự phụ thuộc góc của liều kế OSL ..............................60
3.10 Thực nghiệm khảo sát mức độ tự chiếu xạ của liều kế OSL .........................70
3.11 Đánh giá độ không đảm bảo đo ( Uncertainty)..............................................72
KẾT LUẬN ...............................................................................................................74
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................76
PHỤ LỤC ..................................................................................................................77


Danh mục các từ viết tắt
STT

Ký hiệu

1

OSL

2

OSLD

3

TLD

4

IEC

5

CW-OSL

6

LM-OSL

7

POSL

8

ABS

9

ICRU

10

IAEA

11
12
13
14

LED
PMT
RCF
ECC

15

NVLAP

16

VN-SDL
(VN-SSDL)

17

ICRP

Giải thích
Optically Stimulated Luminescence: Hiện tượng quang kích
thích phát quang hay gọi tắt là quang phát quang
Optically Stimulated Luminescence Dosimeter: Liều kế
quang phát quang.
Thermally Luminescence Dosimeter: Liều kế nhiệt phát
quang
International Electrotechnical Comission: Ủy ban kỹ thuật
điện quốc tế
Continous Wave Optically Stimulated Luminescence: Chế độ
quang kích thích sử dụng nguồn ánh sáng có cường độ không
thay đổi theo thời gian.
Linear Modulation Optically Stimulated Luminescence: Chế
độ quang kích thích sử dụng nguồn ánh sáng có cường độ
tăng tuyến tính theo thời gian
Pulsed Optically Stimulated Luminescence: chế độ quang
kích thích phát quang sử dụng nguồn ánh sáng dưới chế độ
xung
Acrylonitrin Butadien Styren : Nhựa ABS
International Comission on Radiation Units and
Measurement: Ủy ban quốc tế về đơn vị và đo lường bức xạ
International Atomic Energy Agency: Cơ quan năng lượng
nguyên tử quốc tế.
Light Emitting Diode: Điốt phát quang
Photomultiplier: Ống nhân quang điện
Reader Calibration Factor: Hệ số chuẩn máy đọc

Element Correction Coefficients: Hệ số hiệu chỉnh độ nhạy
National Voluntary Laboratory Accreditation Program: Thuật
toán tính toán liều NVLAP.
Vietnam Standard Dosimetry Laboratory: Phòng thí nghiệm
chuẩn liều lượng bức xạ cấp 2 thuộc mạng lưới các phòng
chuẩn cấp 2 của IAEA.
International commission on radiological protection: Ủy ban
quốc tế về bảo vệ phóng xạ.


Danh mục các bảng biểu
STT
1
2
3
4

Tên bảng
Trang
Bảng 2.1: Giá trị nguyên tử số hiệu dụng (Zeff ) của một số vật liệu
OSL
22
Bảng 3.1 :Giá trị suất kerma không khí xác định tại phòng chuẩn
VN-SDL
Bảng 3.2: Kết quả khảo sát độ ổn định của máy đọc liều kế
Microstar
Bảng 3.3: Kết quả phông nội tại của các liều kế OSL dùng để xác
định ngưỡng nhạy

9

Bảng 3.4: Kết quả đo của 11 nhóm liều kế OSL khảo sát độ tuyến
tính
Bảng 3.5 : Kết quả khảo sát độ tuyến tính của liều kế OSL
Bảng 3.6: Kết quả tính toán khoảng giới hạn của liều kế OSL theo
công thức (3.5)
Bảng 3.7: Đáp ứng của Al2O3:C theo năng lượng khi được chiếu
trong không khí.
Bảng 3.8: Số đọc của liều kế OSL khi được chiếu trong không khí

10

Bảng 3.9: Kết quả đáp ứng phụ thuộc năng lượng của liều kế OSL
trong không khí ( Đã quy chiếu về đáp ứng của 137Cs)

5
6
7
8

11
12

Bảng 3.10: Số đọc của liều kế OSL khi được chiếu trên phantom
Bảng 3.11: Kết quả đáp ứng phụ thuộc năng lượng của liều kế OSL
trên phantom ( Đã quy chiếu về đáp ứng của 137Cs)

34
38
40

42
43
44
47
48
48
49
50

14

Bảng 3.12: Kết quả đáp ứng liều phụ thuộc năng lượng của liều kế
OSL khi chiếu trên phantom PMMA.
Bảng 3.13 : Kết quả khảo sát sự suy giảm tín hiệu của liều kế OSL

15

Bảng 3.14: Kết quả đánh giá độ lặp lại của liều kế OSL

54

16

Bảng 3.15: Giá trị R đánh giá độ lặp lại của liều kế OSL

55

17

Bảng 3.16: Giá trị R đánh giá độ lặp lại của liều kế TLD

55

18

Bảng 3.17: Kết quả khảo sát độ đồng đều của liều kế OSL với H
=0.5 mSv

13

19

Bảng 3.18: Kết quả khảo sát độ đồng đều của liều kế OSL với H =3
mSv

50
53

56
58


20
21
22
23
24
25
26
27

28
29

Bảng 3.19: Kết quả đo sự phụ thuộc góc của liều kế OSL với bức
xạ 137Cs
Bảng 3.20: Kết quả đánh giá sự phụ thuộc góc với bức xạ gamma137
Cs theo IEC
Bảng 3.21 : Kết quả khảo sát sự phụ thuộc góc của liều kế OSL với
bức x gamma của nguồn chuẩn 137Cs (Các kết quả được tham chiếu
về góc 00).
Bảng 3.22: Kết quả đo sự phụ thuộc góc của liều kế OSL với bức
xạ tia X ISO N-80
Bảng 3.23: Kết quả đo trung bình từ 3 lần thí nghiệm trong bảng
3.19
Bảng 3.24: Kết quả đánh giá sự phụ thuộc góc đối với tia X ISO N80 theo IEC (Kết quả được tham chiếu về góc 00)
Bảng 3.25: Kết quả khảo sát sự phụ thuộc góc của liều kế OSL với
tia X ISO N-80
Bảng 3.26: Kết quả phông nội tại của liều kế OSL trước khi đưa
vào buồng chì
Bảng 3.27: Kết quả khảo sát độ tự chiếu xạ của liều kế OSL
Bảng 3.28: Nguồn gốc gây ra độ không đảm bảo đo

62
63
63
65
66
67

71

71
73


Danh mục các hình vẽ, đồ thị
STT
1

Tên hình vẽ, đồ thị
Hình 1.1: Cấu trúc vùng năng lượng và các quá trình dịch chuyển

Trang
5

2

Hình 1.2: Cấu trúc vùng năng lượng thực tế gồm nhiều bẫy điện tử
và lỗ trống.

3

Hình 1.3: Mô hình quang kích thích CW-OSL

4

Hình 1.4: Mô hình quang kích thích LM-OSL

8

5

Hình 1.5: Mô hình quang kích thích POSL

9

6

Hình 1.6: Mô hình một bẫy electron, một tâm tái hợp
Hình 1.7: Đường cong OSL thu được nhờ giải các phương trình tốc
độ bằng phương pháp số đối với mô hình một bẫy – một tâm tương
ứng với các giá trị (m0=n0=1015 cm-3) và (m0=1016 cm-3 và n0=1015
cm-3).

10

7

7
8

12

8

Hình 1.8: Đường cong OSL với các dạng động học bậc 1, bậc 2 và
bậc động học tổng quát khi b = 1.3 và b = 1.7. Thông số sử dụng
bao gồm n0=1015/cm3, N=1016/cm3 và p = σФ =0.1/s

13

9

15

10

Hình 1.9: Tương đương liều cá nhân
Hình 2.1: Vỏ ngoài của liều kế OSL - Inlight model 2

11

Hình 2.2: Cấu tạo thanh trượt của liều kế OSL

17

12

Hình 2.3: Cấu tạo thân liều kế OSL loại XA Inlight model 2

17

16

2

13
14
15
16
17

18
19
20
21

Hình 2.4a: Hệ số μen/ρ (g/cm ) của một số nguyên tố là một hàm
của năng lượng photon
Hình 2.4b: Hệ số μen/ρ (g/cm2) đối với năng lượng xác định là một
hàm của số khối Z
Hình 2.5: Đáp ứng phụ thuộc năng lượng của một số loại vật liệu.
Vật liệu chuẩn để so sánh là mô cơ thể người với Zeff = 7.34
Hình 2.6: Đường cong đáp ứng liều và các giá trị của hệ số f(D) đối
với Al2O3:C
Hình 2.7: Đường cong giới hạn độ sai lệch liều ( Trumpet Curve)
Hình 2.8: Máy đọc liều kế Microstar
Hình 2.9: Nguồn sáng của Microstar (chuỗi 36 LED)
Hình 2.10: Nguyên lý hoạt động của máy đọc Microstar
Hình 2.11: Dao diện màn hình của phần mềm microstar trong quá

20
20
21
23
26
27
27
28
31

trình đọc liều kế
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40

41
42

Hình 3.1: Sơ đồ chiếu chuẩn liều kế cá nhân OSL trên nguồn chuẩn
137
Cs
Hình 3.2: Hệ chuẩn gamma của 137Cs
Hình 3.3: Nguồn chuẩn 137Cs
Hình 3.4. Sơ đồ chiếu chuẩn liều kế cá nhân OSL trên hệ chuẩn tia

X
Hình 3.5: Hệ chuẩn tia X Pantax HF 160
Hình 3.6: Dao diện màn hình khi tiến hành đo Dark - CAL - LED
Hình 3.7: Đồ thị khảo sát độ ổn định của máy đọc Microstar
Hình 3.8: Đồ thị khảo sát độ tuyến tính liều Hp(10) của liều kế
OSL
Hình 3.9: Đồ thị khảo sát độ tuyến tính liều Hp(3) của liều kế OSL
Hình 3.10: Đồ thị khảo sát độ tuyến tính liều Hp(0.07) của liều kế
OSL
Hình 3.11: Đồ thị khảo sát độ tuyến tính của liều kế OSL
Hình 3.12: Đáp ứng năng lượng của liều kế OSL khi được chiếu
trong không khí xác định tại phòng chuẩn VN-SDL
Hình 3.13: Đáp ứng năng lượng của liều kế OSL khi được chiếu
trong không khí do hãng Landauer thực hiện
Hình 3.14: Đáp ứng năng lượng của liều kế OSL khi được chiếu
trên phantom PMMA xác định tại phòng chuẩn VN-SDL
Hình 3.15: Đáp ứng liều phụ thuộc năng lượng của liều kế OSL
Hình 3.16: Đồ thị khảo sát sự suy giảm tín hiệu của liều kế OSL
trong khoảng thời gian 120 ngày lưu giữ tại điều kiện làm việc
thông thường
Hình 3.17: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định sự phụ thuộc góc
Hình 3.18: Bố trí thí nghiệm xác định sự phụ thuộc góc của liều kế
OSL trên thực tế
Hình 3.19: Đồ thị khảo sát sự phụ thuộc góc của liều kế OSL với
bức xạ gamm của nguồn chuẩn 137Cs (sai số biểu diễn = 1 lần độ
lệch chuẩn và biểu thị cho Hp(10).
Hình 3.20: Đồ thị khảo sát sự phụ thuộc góc của liều kế TLD với
bức xạ gamma của nguồn chuẩn 137Cs(sai số biểu diễn = 1 lần độ
lệch chuẩn và biểu thị cho Hp(10).
Hình 3.21: Đồ thị khảo sát sự phụ thuộc góc của liều kế OSL với

35
35
35
35
36
37
39
44
45
45
46
49
49
50
51

61
61
64

64
68


43

tia X ISO N-80
( Sai số biểu diễn =1 lần độ lệch chuẩn và biểu thị cho đại lượng
Hp(10)).

Hình 3.22: Đồ thị khảo sát sự phụ thuộc góc của liều kế TLD với
tia X ISO N-80
( Sai số biểu diễn =1 lần độ lệch chuẩn và biểu thị cho đại lượng
Hp(10)).

68


MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Những tác động bất lợi của việc chiếu xạ quá mức cũng như những ảnh hưởng
của bức xạ đến con người đã được chứng minh rất rõ ràng. Do đó các phép đo chính
xác về liều lượng bức xạ là rất quan trọng đối với những người làm việc liên quan
tới bức xạ ion hóa. Các nhân viên trực tiếp làm việc trong môi trường có sử dụng
nguồn phóng xạ và thiết bị bức xạ được bảo vệ bằng nhiều phương cách khác nhau
trong đó có sự theo dõi liên tục liều cá nhân. Những người làm việc trong vùng bức
xạ phải đeo liều kế cá nhân, đây là một thiết bị đo liều tích luỹ nhỏ gọn, thuận tiện
hết sức cần thiết và không thể thiếu được để xác định liều bị nhiễm và đưa ra những
cảnh báo cho người đeo chúng.
Trong lĩnh vực đo liều cá nhân thì phương pháp đo liều thụ động vẫn là thông
dụng nhất. Có rất nhiều các loại liều kế cá nhân thụ động khác nhau như liều kế
phim, liều kế thủy tinh, liều kế vết, liều kế nhiệt phát quang, liều kế quang phát
quang... Tuy nhiên, hai loại liều kế thụ động phổ biến nhất thường dùng trong đo
liều cá nhân hiện nay đó là: liều kế nhiệt phát quang và liều kế quang phát quang.
Liều kế quang phát quang (Optically Stimulated Luminescence Dosimeters OSLD) đã được nghiên cứu từ những năm 1950. Tuy nhiên, phải đến những năm
1990 thì chúng mới được áp dụng mạnh mẽ vào mục đích đo liều bức xạ ion hóa
trong các lĩnh vực khác nhau như đo liều cá nhân, đo liều y tế, đo liều môi trường,
đo liều vũ trụ, đo liều cho mục đích an ninh… Hiện nay, liều kế OSL đã được sử
dụng ở nhiều nước trên thế giới như ở Pháp, Mỹ, Canada, Nhật Bản, Hàn Quốc,
Thái Lan.. Tuy nhiên, tính đến nay ở Việt Nam việc cung cấp dịch vụ đo liều cá

nhân chủ yếu sử dụng liều kế nhiệt phát quang (Thermoluminescence Dosimeters –
TLD). Bên cạnh những ưu điểm, ứng dụng không thể phủ nhận của TLD thì chúng
cũng tồn tại một số điểm yếu nhất định như: cần cung cấp nhiệt trong quá trình đọc,
hệ thiết bị đo đạc khá phức tạp. Với những yếu điểm tồn tại của liều kế TLD thì
việc cung cấp dịch vụ đo liều cá nhân cho một lượng lớn nhân viên bức xạ trong
tương lai sẽ gặp một số khó khăn. Với những ưu điểm như là thời gian xử lý nhanh,

1


không phải nung nhiệt khi đọc liều kế, hệ thiết bị đo đơn giản, thuận tiện phương
pháp đo liều quang phát quang sử dụng liều kế OSL hứa hẹn là sẽ khắc phục được
những tồn tại đó và góp phần đa dạng hóa các phương pháp đo liều ở Việt Nam.
Do chưa có cơ sở nghiên cứu, cung cấp dịch vụ nào ở Việt Nam sử dụng loại
liều kế quang phát quang vào mục đích đo liều cá nhân. Vì vậy, việc nghiên cứu,
triển khai kỹ thuật đo liều bức xạ ion hóa sử dụng liều kế OSL là thiết thực để phục
vụ nhu cầu thực tế của công tác đảm bảo an toàn bức xạ tại Việt Nam hiện nay.
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu này tìm hiểu lý thuyết cơ bản của hiện tượng quang phát quang,
các đặc trưng của liều kế quang phát quang, đặc điểm của liều kế OSL – Inlight
model 2 và ứng dụng của nó trong việc xác định liều cá nhân cho các nhân viên,
những người làm việc trong môi trường có liên quan đến bức xạ photon tại phòng
thí nghiệm chuẩn liều lượng bức xạ ion hóa VN-SDL/ Viện Khoa học và kỹ thuật
hạt nhân.
Phương pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng phương pháp so sánh và đánh giá giữa các kết quả thực
nghiệm đo được từ liều kế OSL với các giá trị chuẩn đưa ra bởi phòng thí nghiệm
và các tiêu chuẩn quốc tế quy định chất lượng của một liều kế cá nhân theo IEC
1066 và các khuyến cáo của IAEA, ICRP.
Nội dung chính của luận văn

Bố cục của luận văn chia làm 3 chương và 6 phụ lục
Chương I: Trình bày kiến thức tổng quan về hiện tượng và cơ chế quang phát
quang, các mô hình lý thuyết mô tả các quá trình động học xảy ra đối với vật liệu
quang phát quang. Chương này cũng trình bày một số khái niệm cơ bản về các đại
lượng đo liều bức xạ dùng để đánh giá liều cá nhân.
Chương II: Trình bày cấu tạo chi tiết về liều kế OSL – Inlight model 2 và các
tính chất đặc trưng của một liều kế quang phát quang sử dụng trong thực tế như

2


ngưỡng nhạy, đáp ứng liều, đáp ứng năng lượng, sự suy giảm tín hiệu và một vài
các đặc trưng khác. Chương này cũng trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hệ
máy đọc liều kế Microstar, quy trình đánh giá liều cá nhân sử dụng liều kế OSL và
thuật toán NVLAP sử dụng để tính toán liều .
Chương III: Trình bày các thí nghiệm và kết quả khảo sát các đặc trưng của
liều kế OSL sử dụng trong thực tế. Các kết quả thu được có so sánh, đối chiếu với
các giá trị chuẩn đưa ra của phòng thí nghiệm, các tiêu chuẩn đánh giá quốc tế theo
IEC 1066 và các khuyến cáo của IAEA, ICRP. Ngoài ra một số kết quả cũng được
so sánh với phương pháp đo liều thụ động phổ biến hiện nay là phương pháp đo liều
cá nhân nhiệt phát quang sử dụng các liều kế TLD-100.

3


CHƯƠNG I : TỔNG QUAN
1.1 Hiện tượng phát quang
Hiện tượng phát quang là hiện tượng một số chất (rắn, lỏng, khí) khi hấp thụ
năng lượng dưới một dạng nào đó có khả năng phát ra bức xạ quang học trong vùng
ánh sáng nhìn thấy. Ví dụ như sự phát sáng của phốt pho khi tiếp xúc với ôxy hay

sự phát sáng của một số chất rắn, khí khi được chiếu bằng ánh sáng tử ngoại. Hiện
tượng phát quang được phân loại theo phương pháp kích thích gây nên chúng:
+ Hiện tượng phát sáng quang hóa: (Photoluminescence): là hiện tượng phát
quang khi vật liệu được kích thích bằng tác nhân ánh sáng (quang photon).
+ Sự phát quang do ma sát (Triboluminescence): là hiện tượng phát quang
dưới tác động cơ học do trà sát, mài.. (do các ứng suất cơ học).
+ Sự phát quang bằng phản ứng hoá học (Chemiluminescence): Là hiện tượng
ánh sáng phát ra từ những phản ứng hóa học.
+ Sự phát quang sinh học (Bioluminescence): Ánh sáng phát ra từ những phản
ứng hóa sinh.
+ Điện phát quang (Electroluminescence): Sự phát ra ánh sáng do tác động
của trường điện từ.
+ Nhiệt phát quang (Thermoluminescence - TL) : Là hiện tượng phát ra ánh
sáng khi vật thể được kích thích bởi nhiệt.
1.2 Hiện tượng quang kích thích phát quang : OSL
1.2.1 Định nghĩa
Hiện tượng quang kích thích phát quang hay còn gọi là hiện tượng quang phát
quang (Optically Stimulated Luminesscence – OSL): Là hiện tượng một vật liệu
cách điện hay bán dẫn (thường dưới dạng tinh thể) phát ra ánh sáng khi được chiếu
bằng ánh sáng có bước sóng thích hợp nếu trước đó nó được chiếu bởi các nguồn
bức xạ ion hóa. Cường độ ánh sáng phát ra tỉ lệ với năng lượng mà nó hấp thụ trong
vật liệu.

4


1.2.2 Cơ sở lý thuyết của hiện tượng quang phát quang.
Hiện tượng quang phát quang lần đầu tiên được quan sát và chú ý từ những
năm 1843 bởi Edmond Becquerel và sau đó là Henry Becquerel vào năm 1883 khi
quan sát hiện tượng huỳnh quang của ZnS và CaS bị dập tắt rất nhanh khi những vật

liệu này được chiếu bởi ánh sáng hồng ngoại nếu trước đó chúng được chiếu bởi
bức xạ ion hóa. Hiện tượng này và nhiều các hiện tượng tương tự khác đã được
quan sát vào cùng thời gian này và khi đó người ta đặt tên cho hiện tượng này là
hiện tượng quang huỳnh quang (photophosphorescence). Hiện tượng này sau đó
được rất nhiều các nhà khoa học nghiên cứu, giải thích và đặt cho nhiều tên gọi
khác nhau, tuy nhiên vẫn không giải thích được một cách chính xác và đầy đủ nhất.
Phải đến những năm giữa thế kỉ XX khi mà cơ học lượng tử và lý thuyết cấu trúc
vùng năng lượng phát triển thì người ta mới có thể hiểu rõ và đầy đủ hơn về hiện
tượng này và năm 1963 hiện tượng này chính thức được gọi là hiện tượng quang
kích thích phát quang hay hiện tượng quang phát quang bởi Fowler.
Các quá trình vật lý dẫn đến hiện tượng quang phát quang đều liên quan tới sự
chuyển động của các hạt tải điện (điện tử và lỗ trống) giữa các trạng thái không
hoàn hảo (các khuyết tật) trong cấu trúc của vật rắn. Mô hình cấu trúc vùng năng
lượng giải thích hiện tượng quang phát quang được mô tả trên hình 1.1

Vùng cấm

Hình 1.1: Cấu trúc vùng năng lượng và các quá trình dịch chuyển
Cấu trúc vùng năng lượng của các chất bán dẫn hay các chất cách điện lý
tưởng chia ra làm 3 vùng đó là:

5


+ Vùng hóa trị: Là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng lượng, là
vùng mà điện tử bị liên kết mạnh và không linh động.
+ Vùng dẫn: Là vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà điện tử sẽ linh
động như các điện tử tự do và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn.
+ Vùng cấm: Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức năng
lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trong vùng cấm.

Trên thực tế trong mạng tinh thể luôn luôn tồn tại các loại khuyết tật khác
nhau như các vùng khuyết ion hay các tạp chất xen vào nên trong vùng cấm tồn tại
một số mức năng lượng cho phép. Các mức năng lượng này đóng vai trò là tâm bẫy
electron hoặc bẫy lỗ trống (tâm tái hợp). Trên giản đồ năng lượng trình bày ở hình
1.1 (đây là mô hình đơn giản nhất) tồn tại một tâm bắt điện tử và một tâm tái hợp
(hay tâm phát quang). Sự hình thành và vận chuyển của các hạt tải điện được diễn
ra như sau:
+ Sự ion hoá và bẫy electron.
+ Sự kết hợp giữa electron và lỗ trống với sự phát ra photon ánh sáng.
Bức xạ ion hóa khi được hấp thụ trong vật liệu sẽ tạo ra các hạt tải điện là các
điện tử (electron) và lỗ trống tự do. Số hạt tải điện sinh ra tỉ lệ với năng lượng mà
vật liệu hấp thụ. Đối với sơ đồ vùng năng lượng, các electron sau khi nhận được
năng lượng của bức xạ ion hóa chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn và chuyển động
tự do trong vùng này (bước 1). Điện tử và lỗ trống tự do có thời gian sống rất ngắn,
chúng lập tức bị bắt vào các tâm bẫy tương ứng (bước 2 và 5). Lúc này mẫu ở trạng
thái kích thích, nếu chiếu mẫu với nguồn ánh sáng có bước sóng thích hợp thì các
điện tử bị bẫy có thể nhận được năng lượng đủ để thoát ra khỏi bẫy. Sau khi thoát ra
khỏi bẫy chúng chuyển lên vùng dẫn (bước 3). Thời gian điện tử ở vùng dẫn rất
ngắn, chúng có xu thế chuyển về trạng thái cân bằng thông qua việc tái hợp với các
lỗ trống trên tâm tái hợp. Quá trình tái hợp của điện tử và lỗ trống xảy ra kèm theo
việc giải phóng năng lượng dưới dạng photon ánh sánh nhìn thấy (bước 4). Hiện

6


tượng phát ra ánh sáng do được chiếu bằng nguồn ánh sáng có bước sóng thích hợp
này được gọi là hiện tượng quang phát quang.
Cấu trúc vùng năng lượng thực tế phức tạp hơn nhiều bởi nó không chỉ tồn tại
một mức bẫy electron và một mức bẫy lỗ trống như hình 1.1 mà nó có nhiều các
mức bẫy khác nhau như trình bày trên hình 1.2. C là mức bẫy elctron gần phía đáy

của vùng dẫn, nó là các mức bẫy nông, không bền ngay ở nhiệt độ môi trường do đó
electron dễ dàng thoát ra khỏi bẫy. D là mức bẫy trung bình và đóng vai trò là các
bẫy đo liều chính, electron trong mức bẫy này được giải phóng khi được kích thích
bằng ánh sáng phù hợp. E là các mức bẫy sâu, electron bị bắt ở đây chỉ có thể thoát
ra khi được nung với nhiệt độ cao hoặc được chiếu bằng ánh sáng tử ngoại cường
độ mạnh. B là mức bẫy lỗ trống sâu và F là bẫy lố trống đóng vai trò là là tâm tái
hợp của điện tử và lỗ trống hay chính là tâm phát quang. Ngoài ra các quá trình
chuyển động của điện tử và lỗ trống cũng phức tạp hơn nhiều chứ không đơn giản
như mô hình một bẫy một tâm.

Hình 1.2: Cấu trúc vùng năng lượng thực tế gồm nhiều bẫy điện tử và lỗ trống.
1.2.3 Các mô hình quang kích thích phát quang.
Có 3 mô hình quang kích thích phát quang đang được sử dụng phổ biến hiện
nay đó là:

7


+ Mô hình quang kích thích phát quang sử dụng nguồn ánh sáng có cường độ
không thay đổi theo thời gian kích thích (Continous Wave Optically Stimulated
Luminescence: CW-OSL).

[2]

Hình 1.3: Mô hình quang kích thích CW-OSL

(Trích dẫn trong tài liệu số 2 phần tài liệu tham khảo)
+ Mô hình quang kích thích phát quang sử dụng sử dụng nguồn ánh sáng có
cường độ tăng tuyến tính theo thời gian kích thích (Linear Modulation Optically
Stimulated Luminescence: LM-OSL).

[2]

Hình 1.4: Mô hình quang kích thích LM-OSL

(Trích dẫn trong tài liệu số 2 phần tài liệu tham khảo)
+ Mô hình quang kích thích phát quang sử dụng nguồn ánh sáng dưới chế độ
xung (Pulsed Optically Stimulated Luminescence: POSL).

8


[2]

Hình 1.5: Mô hình quang kích thích POSL

(Trích dẫn trong tài liệu số 2 phần tài liệu tham khảo)
Mỗi một mô hình tương ứng với những đặc điểm riêng trong các quá trình
động học của nó vì vậy luận văn này chỉ tập trung trình bày mô hình động học liên
quan đến mô hình quang kích thích sử dụng nguồn ánh sáng có cường độ không
thay đổi theo thời gian kích thích CW-OSL và nó cũng là mô hình được lựa chọn
cho các máy đọc liều kế OSL thương mại MicroStar hiện nay.
1.2.4 Mô hình một bẫy- một tâm tái hợp.
Mô hình một bẫy một tâm được đưa ra với hai giả thiết sau:
+ Trong vùng cấm chỉ tồn tại một loại tâm bẫy (bẫy electron) và một loại tâm
tái hợp (bẫy lỗ trống).
+ Điện tử được kích thích bởi ánh sáng thoát khỏi tâm bắt, tái hợp ngay với lỗ
trống trên các tâm tái hợp mà không bị bắt trở lại vào các bẫy.
Mô hình một bẫy-một tâm được biểu diễn trên hình 1.6. Sự cân bằng điện tích
của hệ có thể biểu thị như sau:

nc+ n = mv + m

(1.1)

Trong đó: nc và n tương ứng là nồng độ của electron trong vùng dẫn và trong
các bẫy electron ; mv và m tương ứng là nồng độ của lỗ trống trong vùng hóa trị và
trong các bẫy lỗ trống.

9


[2]

Hình 1.6: Mô hình một bẫy electron, một tâm tái hợp.

(Trích dẫn trong tài liệu số 2 phần tài liệu tham khảo)
Nếu coi hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động ở giai đoạn cuối của quá trình
chiếu xạ thì nc và mv là bằng không thì chúng ta có thể thấy ở giai đoạn đầu của quá
trình quang kích thích n0=m0 ( giá trị “0” được hiểu là tại thời gian t=0).
Trong quá trình quang kích thích các electron thoát ra khỏi các bẫy, sự dịch
chuyển của electron từ vùng dẫn về vùng hóa trị không xảy ra do các quy tắc dịch
chuyển và khi đó điều kiện cân bằng điện tích trở thành nc + n = m. Từ đó ta có thể
viết tốc độ thay đổi của nồng độ của các hạt như sau:
(1.2)
Các đại lượng phía bên phải có thể biểu diễn một cách rõ ràng như sau:

= -np + nc An(N - n)
= - ncAmm =

(1.3)

(1.4)

Trong đó: p là tốc độ kích thích các electron tại các bẫy và nó liên quan đến
thông lượng Ф của photon tới và tiết diện quang ion hóa σ.
p = Ф*σ

10

(1.5)


An là xác suất bị bẫy, Am là xác suất tái hợp : đơn vị m3/s.
N là số các trạng thái bẫy electron khả dĩ: đơn vị 1/m3
τ=

thời gian sống của các electron tự do kết hợp: đơn vị là giây (s)
Với việc đưa ra phân bố chuẩn dừng của các electron tự do trong vùng dẫn (

được gọi là chuẩn cân bằng nhiệt động) hay dnc/dt << dm/dt và nc << n, m thì chúng
ta có:
(1.6)
Các phương trình 1.3 và 1.4 có thể đơn giản hóa như sau:
Ф

Điều này dẫn đến:

-nδФ [

(1.7)

]

(1.8)

Giả thiết thứ hai được đưa ra đó là quá trình bị bẫy trở lại của electron diễn ra
rất yếu (không đáng kể) do đó mà ncAn(N – n) << np, ncAmm. Điều này dẫn tới mô
hình động học bậc một.

IOSL

(1.9)

Giải phương trình này ta được:
IOSL = n0p*exp(-pt) = I0* exp(-t/ )
I0: là cường độ OSL tại thời điểm t=0 và

(1.10)

là hằng số phân rã CW-OSL. Do

vậy mà mô hình động học bậc một dẫn đến sự suy giảm của cường độ OSL theo
hàm e mũ khi cường độ của ánh sáng kích thích không thay đổi và cuối cùng tất cả
các điện tử bị bẫy sẽ được giải phóng và cường độ OSL sẽ tiến về không. Đây chính
là mô hình đơn giản nhất của OSL.

11


[2]

Hình 1.7: Đường cong OSL thu được nhờ giải các phương trình tốc độ bằng

phương pháp số đối với mô hình một bẫy – một tâm tương ứng với các giá trị
(m0=n0=1015 cm-3) và (m0=1016 cm-3 và n0=1015 cm-3).
(Trích dẫn trong tài liệu số 2 phần tài liệu tham khảo)
1.2.5 Mô hình động học bậc 2
Trên thực tế các thí nghiệm chỉ ra rằng hình dạng của đường cong CW-OSL
có những điểm khác biệt với đường cong được mô tả bằng mô hình động học bậc
một. Lý do giải thích cho vấn đề này có thể được đưa ra dưới quan điểm như sau:
- Các electron bị bẫy trở lại sau khi thoát ra khỏi các tâm bẫy trong quá trình
quang kích thích chiếm ưu thế điều này làm cho giả thiết ncA(N – n) << np, ncAmm
không còn phù hợp. Lúc này phương trình 1.9 sẽ có dạng:
=

(1.11)

Cường độ ánh sáng phát ra IOSL ~ | dn/dt |

(1.12)
Thông thường sự phân rã của tín hiệu OSL theo phương trình này được quan
sát trong các trạng thái giả bền bao gồm cả trạng thái không ổn định của hệ. Khi hệ
quay trở về trạng thái cân bằng thì sự phân rã là một hằng số. Đây chính là mô hình
động học bậc hai .

12


1.2.6 Mô hình động học tổng quát.
Các phương trình động học bậc 1 và bậc 2 mô tả các quá trình OSL là kết quả
thu được nhờ vào các giả thiết đơn giản hóa. Khi các giả thiết này không còn phù

hợp khi ta xét đến nhiều các yếu tố ảnh hưởng hơn thì đường cong OSL không tuân
theo mô hình động học bậc một hay bậc hai đơn thuần nữa. Chen và Mc Keever đã
đưa ra mô hình tổng quát đối với quá trình OSL như sau:
(1.13)
Trong đó: b là thông số động học không có thứ nguyên, b=1 tương ứng với
động học bậc một, b=2 tương ứng với động học bậc hai và p = δФ.

(1.14)
Phương trình này quay trở về mô hình bậc một khi b  1 và mô hình bậc 2 khi b=2.

[2]

Hình 1.8: Đường cong OSL với các dạng động học bậc 1, bậc 2 và bậc động học
tổng quát khi b = 1.3 và b = 1.7. Thông số sử dụng bao gồm n0=1015/cm3,
N=1016/cm3 và p = σФ =0.1/s
((Trích dẫn trong tài liệu số 2 phần tài liệu tham khảo)

13


1.3 Một số khái niệm về các đại lượng và đơn vị đo dùng trong đo liều cá nhân.
1.3.1 Liều hấp thụ: D
D

Được định nghĩa bằng tỷ số :

d
dm

( 1.15)

Với d là năng lượng trung bình mà bức xạ ion hóa truyền cho vật chất trong
một thể tích nguyên tố và dm là khối lượng vật chất của thể tích đó. Đơn vị liều hấp
thụ trong hệ SI là Gray (kí hiệu là Gy). Một Gy bằng năng lượng 1 June truyền cho
1Kg vật chất. Đơn vị cũ của liều hấp thụ là rad
1Gy = 1J/kg = 100 rad


Suất liều hấp thụ :

D

dD
dt

( 1.16 )

Với dD là sự thay đổi của liều hấp thụ trong khoảng thời gian dt (Gy/ giây
hoặc Gy/phút ).
1.3.2 Kerma: K
Được định nghĩa bằng tỷ số :

K

dE k
dm

(1.17)

Với dEk là tổng động năng ban đầu của tất cả các hạt mang điện được sinh ra do

các hạt ion hóa không mang điện ( tia X ,tia gamma hoặc nơtron ) trong thể tích
nguyên tố của vật chất có khối lượng dm. Trong hệ SI đơn vị của kerma là joule
trên kilogram (J/kg) và cũng có đơn vị là Gy.
Cần phân biệt sự khác nhau cơ bản giữa hai khái niệm Kerma và liều hấp thụ.
Trong khi liều hấp thụ bức xạ là năng lượng của bức xạ ion hóa bất kỳ được hấp thụ
trong một đơn vị khối lượng của chất bị chiếu xạ thì Kerma chỉ là động năng được
giải phóng bởi bức xạ ion hóa gián tiếp trong một đơn vị khối lượng của chất bị
chiếu xạ và một phần của động năng này có thể được truyền ra bên ngoài rồi bị hấp
thụ ở bên ngoài giới hạn của đơn vị khối lượng đó.
Đối với bức xạ luợng tử, khi các điều kiện đảm bảo trạng thái cân bằng điện tử
được thoả mãn thì hai đại lượng Kerma và liều hấp thụ D có giá trị bằng nhau.

14


Trạng thái cân bằng điện tử là trạng thái khi tương tác của bức xạ với môi trường
mà năng lượng bức xạ bị hấp thụ trong một thể tích nào đó của môi trường bằng
tổng động năng của các hạt mang điện được sinh ra do tương tác của bức xạ với
khối vật chất có bên trong thể tích đó.


Suất Kerma : .

K

dK
( Gy.s-1 hoặc J.kg-1.s-1)
dt

(1.18)

1.3.3 Tương đương liều cá nhân
Tương đương liều cá nhân Hp(d), là tương đương liều trong mô mềm nằm
dưới một điểm xác định của cơ thể người tại độ sâu thích hợp d.
Đối với bức xạ xâm nhập yếu d = 0.07 mm được khuyến cáo để kiểm soát liều
da, Hp(d) được viết thành Hp(0.07) và d = 3 mm để kiểm soát liều thủy tinh thể của
mắt, Hp(d) được viết thành Hp(3).
Độ sâu d = 10 mm được khuyến cáo đối với bức xạ xâm nhập mạnh, và H p(d)
được viết thành Hp(10). Trong lĩnh vực đo liều cá nhân Hp(10) được coi như liều
hiệu dụng toàn thân. Hp(d) có thể được đo bằng một liều kế đeo trên bề mặt cơ thể
và được bao phủ bằng vật liệu tương đương mô có độ dày thích hợp.

Hình 1.9: Tương đương liều cá nhân

15