Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu đặc tính nhiệt phát quang của K2GdF5:Tb trong đo liều bức xạ hạt nhân - TRƯỜNG CÁN BỘ QUẢN LÝ GIÁO DỤC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (578.64 KB, 20 trang )

(1)<div class='page_container' data-page=1>

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC 
 VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

Trần Đình Hùng

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH NHIỆT PHÁT QUANG

CỦA K

2

GdF

5

:Tb TRONG ĐO LIỀU BỨC XẠ HẠT NHÂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

</div>
(2)<div class='page_container' data-page=2>

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC 
 VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ

Trần Đình Hùng

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH NHIỆT PHÁT QUANG

CỦA K

2

GdF

5

:Tb TRONG ĐO LIỀU BỨC XẠ HẠT NHÂN

Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật 
 Mã số: 8520401

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Hà Xuân Vinh

</div>
(3)<div class='page_container' data-page=3>

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn này là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tơi, đƣợc thực hiện
dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của TS. Hà Xuân Vinh. Các số liệu, những kết
luận nghiên cứu đƣợc trình bày trong luận văn này hồn tồn trung thực. Tơi
xin hồn tồn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này.

Học viên

</div>
(4)<div class='page_container' data-page=4>

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và thực hiện luận văn tôi đã nhận đƣợc
sự giúp đỡ, chỉ bảo nhiệt tình của các thầy cơ giáo quản lý và giảng dạy lớp
Vật lý kỹ thuật – 2018 Nha Trang tại Học Viện Khoa học và Công nghệ và
Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang . Đặc biệt, tôi xin bày
tỏ sự kính trọng và lịng biết ơn sâu sắc đến thầy TS Hà Xuân Vinh- Viện
Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang, ngƣời đã trực tiếp hƣớng
dẫn, giúp đỡ về kiến thức, tài liệu và phƣơng pháp để tơi hồn thành đề tài
nghiên cứu này.

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn:
- Học Viện Khoa học và Công nghệ

- Sở Giáo dục và Đào tạo Khánh Hòa, Lãnh đạo trƣờng THPT Huỳnh
Thúc Kháng đã quan tâm và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình
học tập và nghiên cứu.

- Bên cạnh đó sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và ngƣời thân đã ủng hộ
và tạo điều kiện tốt nhất để tơi có thể tập trung nghiên cứu và hồn thành đề

tài này.

</div>
(5)<div class='page_container' data-page=5>

DANH MỤC CÁC BẢNG

Nội dung Trang

Bảng 1.1. Sự phụ thuộc của τ vào E và t 12

Bảng 3.1. Sự phụ thuộc của nhiệt độ đỉnh, cƣờng độ đỉnh vào tốc
độ gia nhiệt.

</div>
(6)<div class='page_container' data-page=6>

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Nội dung Trang

Hình 1.1. Mơ hình đơn giản của nhiệt phát quang gồm 2 mức
đối với điện tử và lỗ trống.

Hình 1.2. Đƣờng cong nhiệt phát quang động học bậc 1 15
Hình 1.3. Đƣờng cong nhiệt phát quang động học bậc 2 15
Hình 1.4. Các đƣờng cong nhiệt phát quang bậc tổng quát với các
giá trị b khác nhau

Hình 1.5. Sự phụ thuộc của đƣờng cong nhiệt phát quang theo tốc

độ gia nhiệt.

Hình 1.6. Sự thay đổi của nhiệt độ Tm khi thay đổi tốc độ gia
nhiệt.

Hình 2.1. Chuẩn bị liều kế 23

Hình 2.2. Khn đong mẫu 23

Hình 2.3. Khay chứa mẫu trong máy TLD 3500 24

Hình 2.4. Nguồn gamma 60

Co. 25

Hình 2.5. Nguồn beta 90

Sr. 25

Hình 2.6. Nguồn neutron 241

Am-Be . 26

Hình 2.7. Thiết kế liều chiếu 26

Hình 2.8. Sơ đồ khối hệ đo đƣờng cong nhiệt phát quang 27

</div>
(7)<div class='page_container' data-page=7>

Hình 2.10. Mẫu ở khay đo của máy TLD 3500 30
Hình 2.11. Dạng đƣờng cong nhiệt phát quang của K2GdF5:Tb

với các liều gamma.

Hình 2.12. Đƣờng cong nhiệt phát quang trong máy đọc liều. 35

Hình 2.13. Đƣờng cong của K2GdF5:Tb 10% với β = 1 °C/s 36

Hình 2.14. Đƣờng cong của K2GdF5:Tb 10% với β = 2 °C/s 36

Hình 2.15. Đƣờng cong của K2GdF5:Tb 10% với β = 4 °C/s 37

Hình 2.16. Bức xạ hồng ngoại khi đo nhiệt phát quang 38

Hình 2.17. Đặt kính lọc quang trong máy TLD 3500 38

Hình 2.18. Các loại kính lọc quang 39

Hình 2.19. Đƣờng cong TL của K2GdF5:Tb 2% qua các kính lọc
quang

Hình 3.1. Các đƣờng cong của mẫu nghiên cứu 42

Hình 3.2. Ảnh hƣởng của nồng độ Tb lên đƣờng cong nhiệt phát

quang khi chiếu xạ beta

Hình 3.3. Ảnh hƣởng của nồng độ Tb lên đƣờng cong nhiệt phát
quang khi chiếu xạ neutron

Hình 3.4. Kết quả đo mẫu CaSO4:Dy 47

Hình 3.5. Kết quả đo mẫu K2GdF5:Tb 10% 47

Hình 3.6. Đƣờng cong nhiệt phát quang của mẫu K2GdF5:Tb với
liều chiếu gamma khác nhau.

</div>
(8)<div class='page_container' data-page=8>

Hình 3.7. Đáp ứng tuyến tính của đƣờng cong nhiệt phát quang
với liều chiếu gamma

Hình 3.8. Đáp ứng tuyến tính của đƣờng cong nhiệt phát quang
với liều chiếu beta

Hình 3.9. Đáp ứng tuyến tính của đƣờng cong nhiệt phát quang
với liều chiếu neutron

Hình 3.10. .Dạng đƣờng cong nhiệt phát quang của mẫu
K2GdF5:Tb và CaSO4:Dy với nguồn chiếu neutron

Hình 3.11. Dạng đƣờng cong nhiệt phát quang của mẫu
K2GdF5:Tb và CaSO4:Dy với nguồn chiếu beta

Hình 3.12. Đồ thị nhiệt độ theo thời gian 57

</div>
(9)<div class='page_container' data-page=9>

MỤC LỤC

Nội dung Trang

LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

MỤC LỤC 1

MỞ ĐẦU 5

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 9

1.1. LÝ THUYẾT NHIỆT PHÁT QUANG 9

1.1.1. Khái niệm hiện tượng nhiệt phát quang 9
1.1.2. Giải thích hiện tượng nhiệt phát quang 10
1.1.3. Các phư ng trình ộng học nhiệt phát quang 13

1.2. ĐO LIỀU THEO PHƢƠNG PHÁP NHIỆT PHÁT QUANG 17

1.2.1 Đo liều phóng xạ 17

1.2.2. Tính tuổi khảo cổ 17

1.3. MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN NHIỆT PHÁT
QUANG

1.3.1. Các nguồn bức xạ hạt nhân 17

</div>
(10)<div class='page_container' data-page=10>

1.3.3. Ảnh hưởng của các loại bức xạ lên ường cong 
nhiệt phát quang

1.3.4. Yêu cầu áp ứng liều tuyến tính của vật liệu 
làm liều kế

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM 23

2.1. PHƢƠNG PHÁP ĐO LIỀU 23

2.1.1. Chuẩn bị mẫu 23

2.1.2. Chiếu mẫu 25

2.1.3. Cài ặt máy ọc liều Harshaw TLD 3500 27

2.1.4. Cài ặt các thông số o liều theo chư ng trình 
WinRems

2.1.5. Đo ường cong nhiệt phát quang 29

2.1.6. Xuất số liệu từ chư ng trình Winrems 30
2.1.7. Các yếu tố ảnh hưởng ến kết quả o liều 31

2.2. TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU DÙNG LÀM LIỀU KẾ 32

2.2.1. Tính chất nhiệt phát quang của liều kế K2GdF5:Tb 32

2.2.2. Tính toán áp ứng liều 33

2.3. THAY ĐỔI CÁC CHẾ ĐỘ ĐO ĐỂ XÁC ĐỊNH QUY
TRÌNH ĐO CHO VẬT LIỆU

2.3.1. Nghiên cứu tính ồng dạng của ường cong nhiệt 
phát quang với liều chiếu khác nhau

</div>
(11)<div class='page_container' data-page=11>

2.3.2. Ảnh hưởng của tốc ộ gia nhiệt 36

2.3.3.Ảnh hưởng của kính lọc quang 37

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41

3.1. PHÂN TÍCH ĐƢỜNG CONG NHIỆT PHÁT QUANG 41

3.1.1. Phân tích ường cong nhiệt phát quang 41
3.1.2. Sự phụ thuộc vào tốc ộ gia nhiệt 43
3.2. ĐÁP ỨNG NHIỆT PHÁT QUANG CỦA K2GdF5:Tb TRÊN

CÁC NGUỒN CHIẾU

3.2.1. Kết quả ảnh hưởng của nồng ộ pha tạp lên 
 ường cong nhiệt phát quang

3.2.1.1. Ảnh hưởng nồng độ pha tạp khi chiếu beta 44

3.2.1.2. Ảnh hưởng nồng độ pha tạp khi chiếu neutron 45

3.2.1.3.So sánh độ nhạy của K2GdF5:Tb và CaSO4:Dy 46

3.2.2. Đáp ứng nhiệt phát quang ối với liều chiếu 48

3.2.2.1. Đáp ứng với liều chiếu gamma. 48

3.2.2.2. Đáp ứng với liều chiếu beta 50

3.2.2.3. Đáp ứng với liều chiếu neutron 51

3.3. CÁC ĐẶC TÍNH ĐO LIỀU CỦA K2GdF5:Tb 55

3.3.1.Nghiên cứu sự suy giảm cường ộ nhiệt phát 
quang theo thời gian

</div>
(12)<div class='page_container' data-page=12>

3.3.3. Xây dựng ường chuẩn 54

KẾT LUẬN CHUNG 61

</div>
(13)<div class='page_container' data-page=13>

MỞ ĐẦU 
Lý do chọn ề tài

Các bức xạ hạt nhân hiện nay đang đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các
lĩnh vực kỹ thuật, sản xuất, đời sống xã hội. Tại các cơ sở có sử dụng đến các
nguồn bức xạ hạt nhân nhƣ: nhà máy điện hạt nhân, phịng thí nghiệm hạt
nhân, cơ sở y tế, trung tâm chiếu xạ bảo quản thực phẩm,…. luôn tồn tại các
bức xạ hạt nhân. Các bức xạ này ảnh hƣởng trực tiếp đến môi trƣờng và sức
khỏe con ngƣời nếu khơng đƣợc kiểm sốt tốt. Do đó, để đảm bảo an tồn
sức khỏe cho ngƣời sử dụng và mơi trƣờng thì ln cần kiểm tra đo liều các
bức xạ, đảm bảo ở trong ngƣỡng an tồn. Có nhiều phƣơng pháp đo liều
phóng xạ, trong đó kĩ thuật đo liều theo ngun lí nhiệt phát quang đã đƣợc áp
dụng đạt hiệu quả cao.

Phƣơng pháp nhiệt phát quang (Thermo luminescense) đƣợc ứng dụng
rộng rãi trong đo liều bức xạ trong lĩnh vực nhƣ đo liều xạ trị, đo liều môi
trƣờng và nghiên cứu vật liệu. Những vật liệu đo liều hiện có nhƣ CaSO4:Dy;
LiF:Mg,Ti đều nhạy với bức xạ gamma, tuy nhiên độ nhạy của chúng với các
loại bức xạ beta và neutron đều thấp. Các nghiên cứu về đo liều của các tia
beta và neutron rất ít, các loại liều kế đo liều beta, neutron hiện nay vẫn chƣa
xác định đƣợc loại vật liệu có thể dùng làm liều kế. Các nguồn neutron đã
đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhƣ nghiên cứu vật liệu, phản ứng
hạt nhân, xạ trị… do đó yêu cầu liều kế có độ nhạy cao và tin cậy trong đo
liều bức xạ hạt nhân là hết sức cần thiết.

Các nghiên cứu gần đây cho thấy, một số các hợp chất fluoride pha tạp
đất hiếm có độ nhạy nhiệt phát quang khá cao. Vì vậy, các hợp chất fluoride
gadolinium pha tạp với ion đất hiếm là các vật liệu đầy hứa hẹn nhằm phát
triển phƣơng pháp đo liều bức xạ hạt nhân.

Trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu trên vật liệu K2GdF5:Tb với các
nồng độ pha tạp khác nhau. Vật liệu này có nhiều đặc điểm quan trọng là độ

hấp thụ neutron của Gd cao nhất trong số các nguyên tố tự nhiên, do đó tƣơng
tác của vật liệu K2GdF5 với chùm neutron rất mạnh. Hơn nữa ion Tb

</div>
(14)<div class='page_container' data-page=14>

cƣờng độ phát quang cao ở bƣớc sóng 542 nm, phù hợp với vùng nhạy của
ống nhân quang điện trong các máy đo liều nhiệt phát quang. Ngoài ra, việc
truyền năng lƣợng từ ion Gd3+ sang ion Tb3+ rất hiệu quả, ion Gd3+ đƣợc kích
hoạt nhƣ một trung tâm hấp thụ năng lƣợng và ion Tb3+ là một trung tâm phát
quang. Các quá trình này làm tăng cƣờng độ nhiệt phát quang của vật liệu khi
đo liều neutron.

Vật liệu có tính chất nhiệt phát quang thích hợp sẽ đƣợc ứng dụng làm
liều kế để đo liều bức xạ, để lựa chọn một vật liệu sử dụng làm liều kế cần
nghiên cứu chi tiết nhiều tính chất nhiệt phát quang của nó nhƣ: khoảng đo
liều, đáp ứng năng lƣợng, sự ổn định của liều chiếu theo thời gian, tính đẳng
hƣớng, ảnh hƣởng của mơi trƣờng, đáp ứng tuyến tính với liều chiếu. Hiện
nay vật liệu CaSO4:Dy là liều kế thông dụng và vật liệu K2GdF5:Tb đang
đƣợc nghiên cứu cho lĩnh vực đo liều, đặc biệt trong lĩnh vực đo liều neutron,
do đó cần có nghiên cứu và so sánh về đặc trƣng nhiệt phát quang của các loại
vật liệu này.

Với những yêu cầu trên chúng tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứ c nh 
nhiệ h ng c 2GdF5 ng i ức xạ hạ nh n để thực
hiện luận văn thạc sĩ chuyên ngành Vật lý kỹ thuật.

Mục ích của ề tài

Nghiên cứu này đƣợc thực hiện với mục đích tìm kiếm một vật liệu
mới có các đặc tính nhiệt phát quang thích hợp để đo liều neutron. Vật liệu

K2GdF5:Tb với các nồng độ khác nhau đã đƣợc tổng hợp, sau đó phân tích
phổ phát quang và phổ kích thích của vật liệu này.

Đây là loại liều kế mới, hƣớng nghiên cứu vật liệu K2GdF5:Tb là một
hƣớng mới so với các loại liều kế gamma truyền thống nhƣ CaSO4:Dy và
LiF:Mg,Ti, kết quả của đề tài có khả năng ứng dụng trong thực ti n.

</div>
(15)<div class='page_container' data-page=15>

thông số đo liều phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ chế tạo vật liệu, liên quan
đến độ đồng đều của mẫu, nồng độ pha tạp tối ƣu. Ngồi ra giá trị đo liều cịn
phụ thuộc vào các thông số đo của máy đo và các điều kiện chiếu xạ gamma,
beta và neutron khác nhau.

Nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ đọc liều trên máy đo nhƣ đặt khoảng
nhiệt độ đo, nhiệt độ và thời gian ủ, tốc độ gia nhiệt, sự suy giảm giá trị đo
liều sau thời gian lƣu trữ. Nghiên cứu khối lƣợng tối ƣu của vật liệu khi sử
dụng trong các lĩnh vực đo liều khác nhau.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Vật liệu CaSO4:Dy và K2GdF5:Tb chế tạo tại Phòng Vật lý Ứng dụng,
Viện Nghiên cứu Ứng dụng Công nghệ Nha Trang. Các nguồn chiếu xạ
gamma, beta, neutron thực hiện tại Viện Hạt nhân Đà Lạt, Viện Vật lý, Viện
Khoa học Vật liệu.

Nghiên cứu quy trình đo trên thiết bị TLD – Reader 3500 cho vật liệu
CaSO4:Dy và K2GdF5:Tb với các nguồn chiếu xạ khác nhau.

Nghiên cứu vật liệu K2GdF5:Tb với nồng độ pha tạp khác nhau, thành

phần pha tạp khác nhau, kính lọc quang khác nhau và tốc độ gia nhiệt khác
nhau.

Phư ng pháp nghiên cứu 
- Phƣơng pháp thực nghiệm

+ Đo đƣờng cong nhiệt phát quang (TL glowcurve) của CaSO4 và
K2GdF5 so sánh tính chất nhiệt phát quang của vật liệu cũng nhƣ sự phụ thuộc
của các tính chất đó vào cấu trúc vật liệu.

+ Các mẫu vật liệu đƣợc chiếu xạ bởi các trƣờng bức xạ khác nhau
nhƣ: gamma, beta, neutron. Sau đó đo đƣờng cong nhiệt phát quang.

</div>
(16)<div class='page_container' data-page=16>

- Thực hiện các chế độ đọc liều khác nhau trên máy Harshaw TLD
3500, thay đổi tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ ủ (preheat), vùng nhiệt độ, nghiên
cứu ảnh hƣởng của thời gian lƣu trữ mẫu lên giá trị đo liều nhằm xác định quy
trình đọc liều tối ƣu.

- Số liệu đo đƣợc chƣơng trình WINREM theo máy đo Harshaw TLD
3500, cần xây dựng phần mềm xử lý đƣờng cong đo liều, viết chƣơng trình
phân tích các đỉnh đo liều. Xác định cƣờng độ chiếu, nhằm xây dựng đƣờng
chuẩn và tính tốn các liều chiếu trong các trƣờng hợp chiếu xạ khác nhau.

Bố cục của luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo luận văn đƣợc chia
thành 3 chƣơng:

Chƣơng 1: Trình bày về lý thuyết nhiệt phát quang, phƣơng pháp đo
liều, nghiên cứu đặc tính của đƣờng cong nhiệt phát quang và phân tích
đƣờng cong thành các đỉnh đơn.

Chƣơng 2: Quá trình chuẩn bị mẫu, đo đƣờng cong nhiệt phát quang
của các vật liệu. Trong phép đo đã thay đổi nguồn chiếu, thay đổi thành phần
pha tạp, thay đổi nồng độ pha tạp. Nghiên cứu đáp ứng tuyến tính với liều
chiếu.

Chƣơng 3: Trình bày kết quả của q trình đo đạc đƣợc tính tốn ở trên
và đƣa ra những ý kiến thảo luận về kết quả thu nhận đƣợc làm cơ sở cho
những nhận xét, kiến nghị trong phần kết luận.

</div>
(17)<div class='page_container' data-page=17>

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 
1.1. LÝ THUYẾT NHIỆT PHÁT QUANG

1.1.1. Khái niệm hiện tượng nhiệt phát quang

Nhiệt phát quang (Thermo-Stimulated Luminescence hay ngắn gọn là
Thermo-Luminescence) là hiện tƣợng phát xạ ánh sáng khi bị đốt nóng của
chất điện mơi đã đƣợc chiếu xạ trƣớc đó bằng các bức xạ nhƣ tia X, tia , 
hoặc . Cƣờng độ ánh sáng thu đƣợc khi đốt nóng sẽ tỷ lệ với với liều hấp thụ.
Việc đo đƣờng cong nhiệt phát quang cho phép ta tính đƣợc liều bức xạ mà
vật liệu đã hấp thụ [1, 2].

Vật liệu nhiệt phát quang là vật liệu có khả năng hấp thụ và tích lũy
năng lƣợng ion hóa trong suốt q trình bị phơi chiếu bởi các bức xạ nhƣ tia
X, α, β hoặc γ. Sau đó năng lƣợng đƣợc giải phóng dƣới dạng ánh sáng khi

vật liệu bị đốt nóng.

Rất nhiều vật liệu có tính chất nhiệt phát quang nhƣng để ứng dụng
trong đo liều thì vật liệu cần thỏa mãn những yêu cầu khắt khe nhƣ độ nhạy
cao, độ tuyến tính cao, độ fading thấp… Trong những năm gần đây, thế giới
vẫn đang tập trung nghiên cứu nhiều loại vật liệu khác nhau nhằm tăng cƣờng
độ chính xác của việc đo liều bức xạ bằng phƣơng pháp nhiệt phát quang.

Đây là một hiện tƣợng rất phổ biến, trong số vài ngàn khoáng vật tự
nhiên đã biết có hơn 60 % khống vật có hiệu ứng nhiệt phát quang, hiệu ứng
này còn đƣợc phát hiện đối với nhiều vật liệu khác, kể cả các tổ chức sống và
vật liệu tổng hợp nhân tạo.

Các đặc điểm của hiện tượng nhiệt phát quang:

</div>
(18)<div class='page_container' data-page=18>

- Vật liệu nhiệt phát quang phải là vật liệu cách điện hoặc bán dẫn, kim
loại khơng có hiện tƣợng nhiệt phát quang.

- Nhiệt lƣợng mà ta cung cấp cho vật liệu khi nung nóng chỉ là yếu tố
kích thích, khơng phải là ngun nhân gây ra sự phát quang. Nguyên nhân
gây ra sự phát quang là do vật liệu đã hấp thụ năng lƣợng ion hố từ trƣớc đó.

- Các vật liệu này sau khi đã đƣợc kích thích nhiệt để phát quang thì khi
nâng nhiệt một lần nữa cũng sẽ không phát quang, do electron đã thoát ra khỏi
bẫy. Nếu muốn phát quang thì vật liệu cần chiếu xạ lần nữa.

Lƣợng tia phóng xạ tích lũy theo thời gian đƣợc đo đếm bằng các dụng
cụ nhƣ liều kế nhiệt phát quang (Thermo luminescense Dosimeter - TLD) và

tấm phim (Film Badge).

Trên thế giới, nhiệt phát quang là một phƣơng pháp đƣợc ứng dụng
rộng rãi từ lâu trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ đo liều xạ trị, đo liều môi
trƣờng, đo liều xác định tuổi khảo cổ. Tại Việt Nam, trong khoảng mƣời năm
gần đây, Viện năng lƣợng nguyên tử Việt Nam đã nghiên cứu và chế tạo liều
kế nhiệt phát quang làm dịch vụ đo liều cá nhân. Nhiệt phát quang là hiện
tƣợng phát quang xảy ra khi đốt nóng một vật liệu đã bị chiếu xạ trƣớc đó
bằng các loại bức xạ ion hóa nhƣ tia X, tia ,  hoặc . Cƣờng độ ánh sáng
thu đƣợc khi đốt nóng sẽ tỷ lệ với với liều hấp thụ [1, 5].

Nhƣ vậy, hiện tƣợng nhiệt phát quang của các vật liệu này liên quan
đến hai quá trình vật lý là quá trình hình thành các khuyết tật trong mạng tinh
thể đóng vai trị các bẫy và tâm tái hợp trong vật liệu và q trình tích lũy của
các điện tích trong bẫy do chiếu xạ và quá trình tái hợp điện tử - lỗ trống do
cƣỡng bức nhiệt phát quang.

1.1.2. Giải thích hiện tượng nhiệt phát quang

</div>
(19)<div class='page_container' data-page=19>

(nghĩa là chƣa bị chiếm bởi các điện tử) gọi là vùng dẫn; vùng dẫn tách khỏi
vùng hóa trị bởi một khe năng lƣợng Eg gọi là vùng cấm.

Tuy nhiên, nếu trong mạng tinh thể có những sai hỏng về cấu trúc hoặc
có các tạp chất (gọi chung là các sai hỏng), thì các sai hỏng này có thể tạo ra
một số mức năng lƣợng nằm bên trong vùng cấm.

Hãy xét một mơ hình nhiệt phát quang đơn giản có hai mức năng
lƣợng trong vùng cấm hình 1.1. Mức T (Trap) nằm ở phía trên mức Fermi

(EF) cân bằng và do đó ở trạng thái trƣớc khi mẫu bị chiếu xạ mức này hồn
tồn bị trống. Mức T chỉ có khả năng bắt điện tử trong vùng dẫn, nên nó là
một bẫy điện tử. Mức R (Recombination), còn gọi là tâm tái hợp vì có khả
năng bắt lỗ trống trong vùng hóa trị là một bẫy lỗ trống đồng thời lại có khả
năng bắt điện tử từ vùng dẫn. Nói cách khác, điện tử tự do trong vùng dẫn có
thể tái hợp với lỗ trống bị bắt trên mức R. Các quá trình chuyển dời trong vật
liệu TL theo mơ hình đơn giản gồm: (1) kích thích tạo ra các electron và lỗ
trống; (2) bẫy điện tử và bẫy lỗ trống; (3) giải phóng điện tử khỏi bẫy do sự
cƣỡng bức nhiệt; (4) tái hợp phát xạ. Trong quá trình tái hợp, năng lƣợng
đƣợc giải phóng ra dƣới dạng bức xạ sóng điện từ (photon).

Vùng dẫn

Vùng hóa trị

EF

R

T

E

1 
2

2

3

4 Eg

</div>
(20)<div class='page_container' data-page=20>

Sự hấp thụ bức xạ với năng lƣợng h



> Eg gây ra sự ion hóa các điện
tử hóa trị, tạo ra các điện tử tự do trong vùng dẫn và các lỗ trống tự do
trong vùng hóa trị (chuyển dời 1, hình 1.2). Các hạt tải tự do này có thể tái
hợp với nhau hoặc bị bắt trên các bẫy.

Trong trƣờng hợp điện tử và lỗ trống tự do tái hợp trực tiếp, năng lƣợng
đƣợc giải phóng ra dƣới dạng bức xạ sóng điện từ (photon). Cũng có thể xảy
ra trƣờng hợp một phần năng lƣợng đƣợc giải phóng ra đƣợc dùng để kích
thích một tâm huỳnh quang (tâm này có thể trùng với tâm tái hợp). Tâm
huỳnh quang hồi phục (trở về trạng thái cơ bản) bằng cách phát xạ ánh sáng.

Tuy nhiên, trong các chất bán dẫn hoặc điện mơi các hạt tải điện có thể
bị bẫy tại các mức năng lƣợng trong vùng cấm: các điện tử bị bẫy trên bẫy T
và các lỗ trống bị bẫy trên tâm tái hợp R chuyển dời (2) hình 1.2. Xác suất p
tính trong một đơn vị thời gian để giải phóng một điện tử khỏi bẫy ở nhiệt độ
T tuân theo phƣơng trình Arrhenius [11]

exp E

p s

kT



 

   (1.1)

Với E là độ sâu của bẫy hay năng lƣợng cần thiết để giải phóng một
điện tử từ bẫy lên vùng dẫn (hình 1.1), T là nhiệt độ tuyệt đối,k = 8,61710-5
eV/K là hằng số Boltzmann. Số hạng s đƣợc gọi là thừa số tần số hoặc tần số
thốt, trong mơ hình đơn giản, s đƣợc xem là một hằng số (không phụ thuộc
nhiệt độ) với một giá trị vào bậc tần số dao động mạng, nghĩa là vào khoảng
1010  1014 s-1. Với s = 1010 s-1 sự phụ thuộc của thời gian sống của điện tử
trên bẩy  theo E và t thể hiện trên bảng 1.1.

Bảng 1.1. Sự phụ thuộc của  vào E và t [11]

E
(eV)

t °C

-40 20 100 200 300

0.75 13 ngày 9,1 phút 0,94 s 9,7 ms 270 s

</div>