Luận án tiến sĩ vật lý: Phương pháp đo liều bức xạ gamma và nơtron bằng liều kế PVA nhuộm màu - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

MỤC LỤC Trang Lời cam đoan…………………………………………………………………… Lời cảm ơn……………………………………………………………………… Danh sách từ viết tắt…………………………………………………………… IV Danh sách bảng…………………………………………………………………. V Danh sách hình vẽ………………………………………………………………. VI Mở đầu…………………………………………………………………………. Tổng quan nghiên cứu………………………………………….1 Tổng quan tình hình nghiên cứu……………………………………….1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới…………………………………….2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam…………………………………….2 Tổng quan về các loại liều kế thông dụng…………………………….1 Phân loại liều kế………………………………………………… 10 1.2 Một số tiêu chí lựa chọn liều kế cho các dải đo……………………….1 Các tiêu chí lựa chọn…………………………………………… 11 1.2 Dải liều sử dụng đối với các liều kế…………………………… 12 1.3 Đơn vị đo lường và định liều bức xạ………………………………….4 Một số loại liều kế đo liều cao……………………………………….1 Nhiệt lượng kế……………………………………………………….2 Phương pháp đo liều dựa trên sự ion hóa chất khí………………….3 Liều lượng kế hoá học……………………………………………….

17 Kết luận Chương I……………………………………………………………… 24 Chương II. Phương pháp và thiết bị nghiên cứu…………………………… 25 2.1 Tương tác của bức xạ với vật liệu Polyvinyl alcohol…………………….1 Hiệu ứng khâu mạch và ngắt mạch của polymer……………………… 26 2.2 Hiệu ứng tách khí……………………………………………………….3 Oxy hóa bức xạ và sau bức xạ của polymer…………………………… 28 2.4 Sự phá hủy của cấu trúc………………………………………………… 29 2.5 Sự biến đổi tính chất vật lý của polymer sau khi chiếu xạ…………….5 Sự bảo vệ bức xạ và sự tăng nhạy bức xạ……………………………… 33 2.2 Quá trình truyền năng lượng của bức xạ cho vật chất…………………… 34 2.1 Hệ số truyền năng lượng tuyến tính…………………………………….2 Mô hình truyền năng lượng…………………………………………… 35 2.3 Các dẫn xuất của mô hình truyền năng lượng………………………….3 Phân tích đọc kết quả liều kế bằng phương pháp quang phổ kế hấp thụ 40 2.1 Phương pháp quang phổ kế hấp thụ…………………………………….2 Định luật Lambert-Beer………………………………………………… 41 2.3 Cấu tạo thiết bị…………………………………………………………. 42 Kết luận Chương II……………………………………………………………. 44 Chương III: Kết quả và thảo luận…………………………………………….1 Nghiên cứu đo liều bức xạ gamma dùng liều kế màng mỏng PVA được nhuộm màu…………………………………………………………………….1 Nguồn chiếu xạ gamma 60Co…………………………………………… 45 3.2 Chế tạo phim màng mỏng……………………………………………… 47 3.1 Chuẩn bị nguyên liệu và hóa chất…………………………………… 47 3.2 Các bước gia công chế tạo…………………………………………… 48 3.3 Sự biến đổi màu và phổ hấp thụ của các phim màng mỏng được nhuộm các màu khác nhau ……………………………………………………………… 51 3.4 Xác định đường đặc trưng liều của liều kế nhuộm màu PVA………….5 Đánh giá khả năng nhạy bức xạ của các màu chỉ thị…………………… 56 3.6 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dung dịch PVA lên khả năng làm việc của phim …………………………………………………………………….7 Khảo sát sự ảnh hưởng của các chất phụ gia lên giá trị mật độ quang của phim trước và sau khi chiếu xạ gamma…………………………………….8 Đánh giá sự ảnh hưởng của axit boric lên phim PVA nhuộm màu…….9 Đánh giá sai số của liều kế màng mỏng PVA nhuộm màu kiểm soát liều gamma dùng trong phép đo thường quy…………………………………….2 Nghiên cứu một số tính chất của phim PVA nhuộm màu khi chiếu trên chùm nơtron nhiệt tại kênh số 2 của Lò nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt……… 79 ii 3.1 Nguồn nơtron nhiệt tại kênh số 2, Lò nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt…….2 Chế tạo phim màng mỏng…………………………………………….1 Chuẩn bị nguyên liệu và hoá chất…………………………………….2 Các bước gia công chế tạo…………………………………………… 67 3.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của các chất phụ gia lên giá trị mật độ quang của phim sau khi chiếu xạ.4 Khảo sát trạng thái của phim sau khi chiếu…………………………….5 Khảo sát sự ảnh hưởng của khối lượng axit boric lên chất lượng phim trước và sau khi được chiếu trên nguồn nơtron nhiệt…………………………… 74 3.6 Đường đặc trưng liều…………………………………………………… 75 Kết luận Chương III………………………………………………………….

79 Kết luận chung…………………………………………………………………. 80 Danh sách công trình của tác giả………………………………. 82 Tài liệu tham khảo……………………………………………………………… 83 iii DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt PVA Poly(vinyl alcohol) Vật liệu Poly(vinyl alcohol) TCA Tri-chloro-acetamid Chất màu Tri-chloro-acetamid Tetra bromophenol phthalein Chất màu Tetra bromophenol TBPE ethyl ester phthalein ethyl ester ECB Eetanol-clobenxen Liều kế Eetanol-clobenxen PVC Poly(vinyl-chloride) Vật liệu Poly(vinyl-chloride) LET Linear energy transfer Truyền năng lượng tuyến tính Kinetic energy released in Động năng được truyền cho vật Kerma material chất PMMA Polymerthyl methacrylate Liều kế Polymerthyl methacrylate CTA Cellulose triacetate Liều kế Cellulose triacetate EC Electric conductivity Độ dẫn điện Thermally Luminescence TLD Liều kế nhiệt phát quang Dosimeter Nationnal Council on Radiation Hội đồng Đo lường và an toàn NCRP Protection and Measurement quốc gia Mỹ DI De-ion nước De-ion iv DANH SÁCH BẢNG Bảng 1.1 Dải liều và phạm vi ứng dụng Bảng 1.2 Các đặc trưng chủ yếu của các liều kế hoá học thể khí và thể lỏng Bảng 1.3 Giới thiệu các đặc trưng chủ yếu của một số liều kế thể rắn Bảng 2.1 Một số tính chất đặc trưng của PVA trước khi bị chiếu xạ Bảng 2.2 Các giá trị bước sóng hấp thụ quang học đặc trưng max và bề rộng đỉnh phổ ở nửa chiều cao W1/2 của một số chất Bảng 3.1 Giá trị hệ số được làm khớp theo mô hình truyền năng lượng Bảng 3.2 Giá trị mật độ quang của phim trước và sau khi chiếu xạ với %PVA khác nhau Bảng 3.3 Khảo sát độ đồng đều của các phim trên mỗi loại phim có chứa chất phụ giá khác nhau Bảng 3.4 Xác định liều nơtron bằng phương pháp kích họat nơtron sử dụng lá dò vàng và sử dụng hệ số chuyển đổi Bảng 3.5 Kết quả làm khớp sự biến đổi mật độ quang của phim sau khi được chiếu xạ và được lưu giữ trong phòng thí nghiệm Bảng 3.6 Sự thăng giáng giá trị mật độ quang của phim PVA nhuộm màu Methylene blue có chứa hàm lượng acid boric khác nhau Bảng 3.7 Giá trị các tham số của đường cong đặc trưng liều trên các phim PVA nhuộm màu có chứa hàm lượng axit boric khác nhau v DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Sự biến đổi màu của phim PVA nhuộm xanh methylene (a) và methyl cam (b) trước và sau khi được chiếu xạ gamma Hình 1.2 Một số liều kế hoá học thể khí và thể lỏng Hình 1.3 Liều lượng kế nền polymer Hình 1.4 Một số loại liều kế alanine thông dụng với dải liều làm việc từ 0,1 kGy70 kGy Hình 1.5 Một số liều lượng kế vô cơ Hình 2.1 Hai loại khâu mạch của polymer Hình 2.2 Quá trình biến đổi của PVA khi bị chiếu xạ bởi nguồn phóng xạ gamma Hình 2.3 Minh hoạ khuyết tật lỗ trống đôi cation-anion (Schottky) và lỗ trống cation (khuyết tật Frenkel) trong mạng tinh thể ion hai chiều Hình 2.4 Dịch chuyển tầng Hình 2.5 Cơ chế tạo khuyết tật dưới ngưỡng Hình 2.6 Minh họa tâm màu Hình 2.7 Tính lưỡng trị của hàm đặc trưng liều Hình 2.8 Các trạng thái kích thích phân tử Hình 2.9 Mô hình minh họa định luật Lambert-Beer Hình 2.10 Hệ phổ kế UV-VIS 2450 tại Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội Hình 3.1 Sơ đồ phân rã với các chuyển mức chính của nguồn gamma công nghiệp 60Co Hình 3.2 Khu vực chiếu mẫu bằng nguồn gamma 60Co Hình 3.3 Phổ hấp thụ của phim MB/PVA khi được chiếu xạ với các liều khác nhau ở khoảng bước sóng từ 500 nm đến 750 nm Hình 3.4 Phổ hấp thụ của phim MO/PVA khi được chiếu xạ với các liều khác nhau ở bước sóng từ bước sóng từ 300 nm đến 600 nm Hình 3.5 Cấu trúc phân tử của chất chỉ thị màu crystal violet (a), methyl red (b), methylene blue (c) và methyl orange (d) vi Hình 3.6 Phổ hấp thụ của phim MR/PVA được chiếu xạ khoảng liều khác nhau ở dải bước sóng từ 400 nm đến 600 nm Hình 3.7 Phổ hấp thụ của phim CV/PVA được chiếu xạ khoảng liều khác nhau ở dải bước sóng từ 550 nm đến 650 nm Hình 3.8 Mô tả đường đặc trương liều của phim mỏng PVA nhuộm các màu khác nhau tại các bước sóng đỉnh hấp thụ đặc trưng Hình 3.9 Sự thay đổi giá trị mật độ quang trên các phim nhuộm màu có chứa %PVA khác nhau trước khi được chiếu xạ gamma tại bước sóng 668 nm Hình 3.10 Sự thay đổi giá trị A/d trên các phim mỏng có %PVA khác nhau tại bước sóng 668 nm Hình 3.11 Giá trị mật độ quang trung bình của các loại phim trước và sau khi được chiếu xạ gamma tại đỉnh hấp thụ có bước sóng 668 nm Hình 3.12 Sự thăng giáng giá trị mật độ quang của các phim tại bước sóng 668 nm sau khi được chiếu trên nguồn gamma ở liều 25 kGy Hình 3.13 Sự thay đổi giá trị mật độ quang trên các phim nhuộm màu với lượng axit boric khác nhau trước chiếu xạ gamma tại bước sóng 668 nm Hình 3.14 Sự thay đổi giá trị A/d trên các phim mỏng có chứa lượng axit boric khác nhau tại bước sóng 668 nm Hình 3.15 Sự thăng giáng giá trị mật độ quang của các phim tại bước sóng 668nm sau khi được chiếu trên nguồn nơtron nhiệt 10 giờ Hình 3.16 Sự thay đổi giá trị mật độ quang của phim PVA nhuộm Methylene blue và không có axit boric, được chiếu trong 10 giờ Hình 3.17 Cấu trúc kênh ngang tại Lò nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt Hình 3.18 Cấu trúc hệ che chắn và dẫn dòng nơtron qua phin lọc trên kênh số 2 của Lò nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt Hình 3.19 Sự thay đổi giá trị mật độ quang của phim PVA nhuộm Methylene blue với 100 mg Axit boric và được chiếu trong 10 giờ Hình 3.20 Sự thay đổi giá trị mật độ quang của phim PVA nhuộm Methylene blue có LiF và được chiếu trong 10 giờ vii Hình 3.21 Sự thay đổi giá trị mật độ quang của phim PVA nhuộm Methylene blue có Lithium hydroxide monohydrate và được chiếu trong 10 giờ Hình 3.22 Sự thay đổi giá trị mật độ quang của phim PVA nhuộm Methylene blue có Sulfat cadmium và được chiếu trong 10 giờ Hình 3.23 Sự thay đổi giá trị mật độ quang của phim PVA nhuộm Methylene blue có Natri borat decahodrat và được chiếu trong 10 giờ Hình 3.24 Sự thay đổi giá trị A/d trên các phim mỏng có chứa lượng axit boric khác nhau tại bước sóng 668 nm Hình 3.25 Sự thay đổi giá trị mật độ quang của phim PVA nhuộm màu Methylene blue có chứa khối lượng axit boric khác nhau tại bước sóng 668 nm viii MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Sự phát triển bền vững của Vật lý hạt nhân, Công nghệ hạt nhân, Công nghệ bức xạ và các lĩnh vực ứng dụng liên quan trong nền kinh tế quốc dân như công nghiệp, nông nghiệp, y tế, v.v… đều gắn liền với lĩnh vực liều lượng học.

Lĩnh vực này với sự phát triển đa dạng và tính ứng dụng cao nhằm kiểm tra chính xác sự phân bố liều chiếu xạ trên vật phẩm được chiếu xạ. Kỹ thuật đo liều bức xạ nói chung đều dựa trên quá trình đánh giá năng lượng hấp thụ mà bức xạ truyền trực tiếp cho vật chất thông qua quá trình tăng nhiệt độ, hoặc đo năng lượng hấp thụ thông qua các quá trình thứ cấp diễn ra trong vật chất như ion hoá, biến đổi cấu trúc, các phản ứng hoá học, sinh học, sự biến màu của vật liệu, v.