Thạc Sĩ Nghiên cứu xác định liều bức xạ bêta hằng năm trong mẫu gốm bằng vật liệu LiF Mg,Cu,P

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÍ NGUYÊN TỬ, HẠT NHÂN VÀ NĂNG LƯỢNG CAO
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ
2009



MỤC LỤC


DANH MỤC CÁC BẢNG 1
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 3
MỞ ĐẦU 6
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP .7
1.1. Bức xạ hạt nhân trong môi trường tự nhiên 7
1.1.1. Sự hình thành các nguyên tố phóng xạ trong tự nhiên 7
1.1.2. Phân bố của các nguyên tố phóng xạ trong đất đá 9
1.1.3. Bức xạ hạt nhân và đơn vị đo liều bức xạ hạt nhân 10
1.2. Hiện tượng nhiệt huỳnh quang và liều kế nhiệt huỳnh quang LiF:Mg,Cu,P 12
1.2.1. Hiện tượng nhiệt huỳnh quang . 12
1.2.1.1. Lịch sử phát hiện và nghiên cứu 12
1.2.1.2. Mô hình giải thích cơ chế động học nhiệt huỳnh quang 13
1.2.2. Liều kế nhiệt huỳnh quang LiF:Mg,Cu,P 19
1.2.2.1. Đặc trưng nhiệt huỳnh quang của LiF:Mg,Cu,P 19
1.2.2.2. Xử lí nhiệt cho vật liệu nhiệt huỳnh quang 21
1.2.3. Nguyên lí chung về đo tín hiệu nhiệt huỳnh quang 22
1.3. Liều bức xạ bêta trong mẫu gốm 23
1.3.1. Ý nghĩa của xác định liều bức xạ bêta trong nghiên cứu phóng xạ môi trường và khảo cổ học . 23
1.3.2. Phân bố các nguyên tố phóng xạ và liều bức xạ bêta trong mẫu gốm cổ 24
1.3.3. Nguyên lí chung về đo liều bêta trong mẫu gốm 28
1.4. Tình hình nghiên cứu và vấn đề quan tâm của luận văn 31
1.4.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước 31
1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước . 32


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Sơ đồ chuỗi phóng xạ tự nhiên Thorium và Uranium .7
Bảng 1.2: Hoạt độ phóng xạ của các nguyên tố phóng xạ trong đất 9
Bảng 1.3: Trọng số phóng xạ của các loại bức xạ 11
Bảng 1.4: Các đặc trưng chủ yếu của một số vật liệu nhiệt huỳnh quang .21
Bảng 1.5: Thành phần đóng góp và liều hằng năm từ Potassium (Kali), Rubidium, Thorium và Uranium với hàm lượng của nó được cho trước [6] 26
Bảng 1.6: Liều bức xạ hằng năm đối với đất đá và gốm điển hình(a) [6] .27
Bảng 2.1: Danh mục mẫu gốm sử dụng trong công trình 33
Bảng 2.2: Khối lượng của các mẫu sau khi được đóng vào hộp nhựa .34
Bảng 2.3: Số đếm ghi nhận được với các mức liều tương ứng ở các tốc độ gia nhiệt khác nhau .47
Bảng 3.1: Dịch chuyển của đỉnh phổ nhiệt huỳnh quang theo tốc độ gia nhiệt .58
Bảng 3.2: Độ nhạy nhiệt huỳnh quang theo tốc độ gia nhiệt .60
Bảng 3.3: Kết quả tách đỉnh phổ bằng chương trình Origin 6.1 đối với mẫu chuẩn
được đo ở tốc độ gia nhiệt là 60C/giây 64
Bảng 3.4: Kết quả tính diện tích đỉnh (số đếm tín hiệu nhiệt huỳnh quang) bằng phương pháp làm khớp đỉnh phổ 66
Bảng 3.5: Số liệu liều nhận được của một số mẫu gốm được tính bằng phương pháp nhiệt huỳnh quang .66
Bảng 3.6: Số liệu liều hằng năm của một số mẫu gốm 67
Bảng 3.7: Kết qủa xác định hoạt độ riêng của các mẫu gốm .68
Bảng 3.8: Các thành phần liều hằng năm đối với hoạt độ riêng là 1Bq/kg [6] 68
Bảng 3.9: Kết quả tính toán liều bêta hằng năm dựa trên phân tích hoạt độ sử dụng hệ đo gamma đa kênh GPM - 100 .69
Bảng 3.10: Kết quả tính toán hệ số hiệu chỉnh .69
Bảng 3.11: Số đếm nhiệt huỳnh quang của các mẫu chưa trừ phông và số đếm phông .70
Bảng 3.12: Kết quả tính toán thời gian đo cần thiết đối với các mẫu gốm 71


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Giản đồ năng lượng và các quá trình chuyển mức .14
Hình 1.2: Giản đồ mô tả chuyển động bậc hai và tổng quát 17
Hình 1.3: Đường cong bậc 1 được tính với E = 1,0eV, s=1010s-1 và β = 100C/phút. Đường cong bậc nhất này được tính với nồng độ hạt mang điện ban đầu là: (1): 1,0; (2): 0,8; (3): 0,6; (4): 0,4; (5): 0,2 và (6): 0,05x1022m-3 [11] 18
Hình 1.4: Đường cong bậc 2 được tính với E = 1,0eV, s=1010s-1 và β = 100C/phút. Đường cong bậc hai này được tính với: (1): 1,0; (2): 0,8; (3): 0,6; (4): 0,4; (5): 0,2 và (6): 0,05x1022m-3 của bẫy trước khi nung nhiệt [11] 18
Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lí hệ đo nhiệt huỳnh quang [6] 23
Hình 1.6: Mô hình tương tác gây liều bức xạ ion hóa trong hạt vật liệu có kích thước > 5mm .25
Hình 1.7: Mô hình tương tác gây liều bức xạ ion hóa trong hạt vật liệu có kích thước < 1mm .25
Hình 1.8: Đo suất liều bêta bằng liều kế nhiệt huỳnh quang (Bailiff và Aitken,1980) .29
Hình 1.9: Đo suất liều bêta bằng liều kế nhiệt huỳnh quang [6] 31
Hình 2.1: Dụng cụ tạo mẫu 35
Hình 2.2: Buồng chiếu xạ cho mẫu gốm 35
Hình 2.3: Thiết bị nung rửa nhiệt – giúp loại bỏ tín hiệu dư trước khi đo .36
Hình 2.4: Khay chứa capsule có bột LiF:Mg,Cu,P 37
Hình 2.5: Mô hình capsule .38
Hình 2.6: Hộp đựng mẫu và buồng chì phông thấp .39
Hình 2.7: Sơ đồ khối của hệ đo RGD-3A 41

Hình 2.8: Hệ đo RGD-3A tại phòng thí nghiệm và xác định niên đại – Viện khảo cổ học Việt Nam .42
Hình 2.9: Menu chính của chương trình khi khởi động .42
Hình 2.10: Dụng cụ dùng để định lượng mẫu trước khi cho mẫu đo vào hệ đo 44
Hình 2.11: Phổ nhiệt huỳnh quang mẫu LiF:Mg,Cu,P đo với tốc độ gia nhiệt β=2oC/giây trên hệ đo RGD-3A .45
Hình 2.12: Phổ nhiệt huỳnh quang mẫu LiF:Mg,Cu,P đo với tốc độ gia nhiệt β=4oC/giây trên hệ đo RGD-3A .46
Hình 2.13: Phổ nhiệt huỳnh quang mẫu LiF:Mg,Cu,P đo với tốc độ gia nhiệt β=6oC/giây trên hệ đo RGD-3A .46
Hình 2.14: Phổ nhiệt huỳnh quang mẫu LiF:Mg,Cu,P đo với tốc độ gia nhiệt β=8oC/giây trên hệ đo RGD-3A 47
Hình 2.15: Phổ nhiệt huỳnh quang mẫu LiF:Mg,Cu,P chiếu bởi mẫu gốm Lung Leng. Đường đỏ là chỉ thị thay đổi nhiệt độ của phép đo 48
Hình 2.16: Phổ nhiệt huỳnh quang mẫu LiF:Mg,Cu,P chiếu bởi mẫu gốm Cổ Loa.
Đường đỏ là chỉ thị thay đổi nhiệt độ của phép đo .49
Hình 2.17: Phổ nhiệt huỳnh quang mẫu LiF:Mg,Cu,P chiếu bởi mẫu gốm Đông Triều. Đường đỏ là chỉ thị thay đổi nhiệt độ của phép đo 49
Hình 2.18: Phổ nhiệt huỳnh quang mẫu LiF:Mg,Cu,P chiếu bởi mẫu gốm Dục Tú.
Đường đỏ là chỉ thị thay đổi nhiệt độ của phép đo .50
Hình 2.19: Phổ nhiệt huỳnh quang mẫu LiF:Mg,Cu,P chiếu bởi mẫu gốm Dương Long. Đường đỏ là chỉ thị thay đổi nhiệt độ của phép đo .50
Hình 2.20: Phổ nhiệt huỳnh quang mẫu LiF:Mg,Cu,P chiếu bởi phông trong buồng tích mẫu. Đường đỏ là chỉ thị thay đổi nhiệt độ của phép đo 51
Hình 2.21: Phổ nhiệt huỳnh quang mẫu gốm Lung Leng 51
Hình 2.22: Phổ nhiệt huỳnh quang mẫu gốm Cổ Loa 52
Hình 2.23: Phổ nhiệt huỳnh quang mẫu gốm Đông Triều .52

Hình 2.24: Phổ nhiệt huỳnh quang mẫu gốm Dục Tú 53
Hình 2.25: Phổ nhiệt huỳnh quang của mẫu gạch Dương Long 53
Hình 2.26: Đồ thị tuyến tính xác định độ nhạy nhiệt huỳnh quang của vật liệu 55
Hình 2.27: Sơ đồ tách đỉnh phổ nhiệt huỳnh quang: đường xanh là phổ kép, đường hồng và vàng là hai phổ thành phần 56
Hình 3.1: Đồ thị xác định độ nhạy nhiệt huỳnh quang mẫu với các tốc độ tăng nhiệt khác nhau .59
Hình 3.2: Độ nhạy nhiệt huỳnh quang theo tốc độ gia nhiệt .61
Hình 3.3: Phổ nhiệt huỳnh quang của mẫu chuẩn được chiếu với các mức liều khác nhau .62
Hình 3.4: Phổ nhiệt huỳnh quang của các mẫu gốm 62
Hình 3.5: Một phổ nhiệt huỳnh quang với hai đỉnh chồng chập được tách ra bằng chương trình Origin .63
Hình 3.6: Đường chuẩn liều theo tín hiệu nhiệt huỳnh quang xây dựng .64
Hình 3.7: Phổ nhiệt huỳnh quang của mẫu phông và các mẫu gốm chưa trừ phông .65
Hình 3.8: Kết quả so sánh liều bêta đo bằng liều kế LiF:Mg,Cu,P và phương pháp phân tích hoạt độ K, Th, U .72

1.4.3. Những vấn đề quan tâm nghiên cứu của luận văn 32

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH LIỀU BỨC XẠ BÊTA TRONG MẪU GỐM .33
2.1. Gia công chế tạo mẫu đo .33
2.1.1. Gia công mẫu gốm 33
2.1.2. Xử lí nhiệt và chiếu xạ mẫu bột nhiệt huỳnh quang . 36
2.1.3. Chiếu xạ bột nhiệt huỳnh quang LiF:Mg,Cu,P trong buồng chì phông thấp 37
2.2. Xây dựng cấu hình phép đo nhiệt huỳnh quang trên hệ đo RGD – 3A 40
2.2.1. Giới thiệu hệ đo nhiệt huỳnh quang RGD – 3A 40
2.2.2. Các đặc trưng kỹ thuật cơ bản của hệ đo RGD-3A . 41
2.2.3. Phần mềm điều khiển và xử lí tín hiệu đo . 42
2.2.4. Xây dựng cấu hình phép đo nhiệt huỳnh quang trên hệ đo RGD-3A . 43
2.3. Đo tín hiệu nhiệt huỳnh quang trên hệ đo RGD-3A 44
2.3.1. Định lượng mẫu và khởi động chương trình đo 44
2.3.2. Phổ và số đo bức xạ nhiệt huỳnh quang từ mẫu chuẩn . 45
2.3.3. Phổ nhiệt huỳnh quang của các mẫu gốm và mẫu phông 48
2.4. Xử lí số liệu và tính toán kết quả thực nghiệm .54
2.4.1. Độ nhạy nhiệt huỳnh quang 54
2.4.2. Tách đỉnh phổ nhiệt huỳnh quang 55
2.4.3. Tính toán giá trị liều bêta hằng năm . 57
2.4.4. Xác định hiệu suất ghi của phương pháp . 57

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .58

3.1. Độ nhạy nhiệt huỳnh quang theo tốc độ gia nhiệt 58
3.1.1. Sự dịch chuyển đỉnh phổ nhiệt huỳnh quang theo tốc độ gia nhiệt . 58
3.1.2. Tốc độ gia nhiệt tối ưu trong đo tín hiệu nhiệt huỳnh quang 58

3.1.3. Thay đổi dạng phổ nhiệt huỳnh quang và giải pháp tách đỉnh . 61
3.2. Xác định liều bêta trong một số mẫu gốm cổ .65
3.2.1. Hiệu chỉnh phông bức xạ nhiệt huỳnh quang 65
3.2.2. Xác định liều bêta trong một số mẫu gốm cổ 65
3.3. Một số nhận xét .67
3.3.1. Khả năng đo bức xạ bêta của phương pháp . 67
3.3.2. Về giải pháp gia công xử lí mẫu đo . 70
3.3.3. Về những kết quả đo liều bêta trong mẫu gốm . 71
KẾT LUẬN 73
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO 76
PHỤ LỤC 1 .78
PHỤ LỤC 2 79
PHỤ LỤC 3 84
PHỤ LỤC 4

MỞ ĐẦU


Ngành vật lí nói chung và vật lí hạt nhân nói riêng đang ngày càng được ứng dụng vào các lĩnh vực của đời sống, trong đó có ngành khảo cổ học. Trong số những phương pháp có khả năng xác định tuổi đồ gốm hiện nay, đo tuổi nhiệt huỳnh quang (Thermoluminescence dating) đang được giới nghiên cứu xem là một phương pháp có tính khoa học và thực tiễn cao. Phương pháp này đã được ứng dụng khá thành công ở các nước có nền khoa học kỹ thuật tiên tiến: Anh, Pháp, Mỹ . Ở nước ta, gần đây cũng đã có một số công trình nghiên cứu mang tính giới thiệu ứng dụng công nghệ này [4].
Để có thể triển khai phương pháp đo tuổi này, một trong những nhiệm vụ không thể thiếu là cần phải xác định chính xác liều bức xạ bêta hằng năm chiếu lên mẫu vật. Đây là một công tác khá phức tạp cả về lí thuyết cũng như trang thiết bị thực hành.
Xuất phát từ ý tưởng thử nghiệm, tìm kiếm giải pháp xác định hữu hiệu giá trị liều bức xạ bêta hằng năm trong mẫu gốm để phục vụ nhu cầu đo tuổi cổ vật bằng phương pháp nhiệt huỳnh quang trong nghiên cứu khảo cổ học ở Việt Nam, tác giả của luận văn đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu xác định liều bức xạ bêta hằng năm trong mẫu gốm bằng vật liệu LiF:Mg,Cu,P”.
Luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận, được kết cấu như sau: Chương 1: Cơ sở khoa học của phương pháp.
Chương 2: Thực nghiệm xác định liều bức xạ bêta trong mẫu gốm. Chương 3: Kết quả và thảo luận.
Thành công của luận án không những góp phần nâng cao hiểu biết chuyên môn về lĩnh vực đo liều bức xạ bêta bằng vật liệu nhiệt huỳnh quang LiF:Mg,Cu,P mà còn trực tiếp cung cấp cho các nhà nghiên cứu một giải pháp hữu hiệu xác định giá trị liều bức xạ bêta hằng năm trong đo tuổi mẫu gốm cổ ở Việt Nam.