Ứng dụng phương pháp nhiệt phát quang trong đo liều bức xạ và tính tuổi khảo cổ

Ứng dụng trong đo liều phóng xạ

Các vật liệu thể hiện tính chất nhiệt phát quang thường được ứng dụng để làm thiết bị đo liều bức xạ (gọi tắt là liều kế). Với ưu điểm nhỏ gọn, độ nhạy cao, ít chịu tác động của môi trường và khả năng lưu giữ thông tin tốt, các liều kế nhiệt phát quang là lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng trong đo liều y tế, đo liều cá nhân và môi trường. Liều kế nhiệt phát quang có thể ở rất nhiều dạng khác nhau, phụ thuộc vào đối tượng sử dụng.

Ở Việt Nam, mặc dù nhu cầu về liều kế dùng trong xạ trị, đo liều cá nhân và môi trường ngày càng cao nhưng những nghiên cứu về vấn đề này còn ít được chú trọng. Với hơn 2000 cơ sở chụp X quang và gần 200 cơ sở sử dụng các nguồn phóng xạ trong cả nước thì vấn đề an toàn bức xạ là không thể xem nhẹ.

Theo thông báo của chương trình Quốc gia “Đảm bảo tiêu chuẩn chất lượng trong xạ trị ung thư”, mỗi năm Việt Nam có khoảng 70 – 100 ngàn bệnh nhân ung thư; đa số phải điều trị bằng tia xạ. Nhưng cho đến nay ngay cả các trung tâm điều trị ung thư lớn như bệnh viện K-Hà Nội, bệnh viện Chợ Rẫy – TP Hồ Chí Minh cũng không thể trang bị các hệ thống đo liều để kiểm tra chính xác sự phân bố liều chiếu xạ trên cơ thể bệnh nhân.

Thống kê của Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam (VAEC) cũng cho thấy hiện nay tại Việt Nam có khoảng 10.000 người thường xuyên làm việc và tiếp xúc với các nguồn phóng xạ và tia X trong bệnh viện và trong công nghiệp. Việc kiểm tra bằng các liều kế cá nhân và các liều kế nhiệt phát quang đối với họ là thích hợp nhất.

Nhu cầu này sẽ tăng cao khi kế hoạch xây dựng nhà máy điện hạt nhân của Việt Nam được thực hiện, ở đó vấn đề an toàn phóng xạ cho con người được ưu tiên quan tâm. 

Tuy nhiên, việc ứng dụng các phương pháp đo liều hiện nay ở Việt Nam là khá hạn chế bởi giá nhập ngoại các trang thiết bị khá cao. Mỗi viên liều kế LiF (loại được sử dụng rộng rãi nhất trong y tế) có giá khoảng 5 USD. Mỗi liều kế cá nhân (cassette) có giá khoảng 100 USD. Để khắc phục tình trạng khó khăn trên, một số nhóm nghiên cứu ở Việt Nam đã cố gắng nghiên cứu và tự chế tạo các liều kế nhiệt phát quang, trong đó Phòng Quang phổ ứng dụng và Ngọc học của Viện Khoa học vật liệu là một trong những đơn vị đầu tiên nghiên cứu chế tạo các vật liệu nhiệt phát quang. Cho đến nay phòng này đã đưa ra được công nghệ chế tạo các vật liệu có tính chất nhiệt phát quang tốt, có thể sử dụng làm liều kế như CaSO4:Dy3+, Li2B4O7:Cu, LiF:Mg,Ti…

Ứng dụng trong tính tuổi khảo cổ

Xác định tuổi là một trong những nhu cầu cơ bản thường được đặt ra trong khảo cổ và địa chất. Trên thực tế không có một phương pháp nào có khả năng tính tuổi của mọi loại đối tượng. Tuy nhiên, sự tồn tại của môi trường phóng xạ tự nhiên chính lại là một yếu tố rất quan trọng để từ đó các nhà khoa học tìm ra nhiều cơ chế khác nhau có thể sử dụng để tính tuổi khảo cổ, trong đó phương pháp tính tuổi bằng nhiệt phát quang đang rất được chú ý.

Việc đưa nhiệt phát quang vào ứng dụng để tính tuổi khảo cổ là một bước phát triển cao hơn so với ứng dụng nhiệt phát quang trong xạ trị , bởi vì các nguồn phóng xạ ở đây là các ion phóng xạ phân bố tản mạn trong tự nhiên mà không phải các máy gia tốc và các nguồn phóng xạ hiện đại được hoạt động theo một chương trình có sẵn, các liều kế ở đây là các hạt tinh thể thạch anh, feldspar, calcite… phân bố ngẫu nhiên trong lòng đất mà không phải là các vật liệu siêu sạch như CaSO4, Li2B4O7 được chế tạo để có một độ nhạy tối ưu cho việc đo lường. Công việc bị chi phối bởi rất nhiều yếu tố tiềm ẩn trong tự nhiên, hơn nữa các tín hiệu ở đây lại rất nhỏ, đòi hỏi nhiều cải tiến và nâng cấp về thiết bị cũng như xây dựng các quy trình đo lường hoàn toàn mới.

Từ 2001 đến nay, trên cơ sở những tích luỹ về kiến thức và bổ sung về thiết bị và nhất là sự hỗ trợ của các chuyên gia Italia thông qua Nghị định thư Việt- Ý, các nhà nghiên cứu Viện Khoa học Vật liệu đã mở rộng nghiên cứu và ứng dụng nhiệt phát quang vào việc tính tuổi các mẫu khảo cổ.

Các nghiên cứu một cách hệ thống bằng cả thực nghiệm và lý thuyết đã chứng minh rằng cường độ nhiệt phát quang ở nhiệt độ cao hầu như tỷ lệ với liều phóng xạ mà mẫu nhận được. Mặt khác, vì các nguyên tố phóng xạ Urani(U), Thori(Th) và Kali(K) có thời gian bán rã rất lớn, nên có thể xem liều chiếu trong một đơn vị thời gian là không đổi trong toàn bộ quá trình tồn tại của mẫu khoáng vật, nếu những mẫu khoáng vật đó luôn luôn nằm trong một môi trường cố định. Khi đó, liều chiếu trong một đơn vị thời gian có thể tính được bằng cách xác định nồng độ 3 nguyên tố phóng xạ U, Th và K. Mặt khác độ nhạy nhiệt phát quang của các mẫu khoáng vật trên một liều chiếu đơn vị có thể xác định bằng cách đo nhiệt phát quang sau khi chiếu các liều của nguồn chuẩn nhân tạo lên cùng các mẫu khoáng vật đó. Và như vậy, nếu xem thời điểm zero là lúc kết tinh của khoáng vật trong macma lỏng hay lần nung nóng cuối cùng của gốm, ta sẽ dễ dàng tính tuổi của khoáng vật hay mẫu gốm từ thời điểm zero đó.

Ở đây liều khảo cổ (hay địa chất) được hiểu là năng lượng sinh ra do sự phân rã của các nguyên tố phóng xạ có mặt trong tính thể và môi trường xung quanh được tích trữ trong một đơn vị khối lượng trong suốt thời gian tính từ điểm zero. Còn liều hàng năm được hiểu là năng lượng hàng năm được cung cấp cũng chính bởi các nguyên tố phóng xạ đó cho một đơn vị khối lượng.

Trong điều kiện thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Quang phổ ứng dụng và Ngọc học và phòng Dating Milano, liều khảo cổ ( liều hấp thụ) được xác định bằng phương pháp nhiệt phát quang, còn liều hàng năm (liều tốc độ) được xác định bằng phương pháp hóa-phóng xạ, cụ thể là phương pháp đếm hạt alpha và phân tích kali để tính nồng độ U, Th, K rồi  từ đó xác định liều.

Thông qua đề tài nghị định thư Việt –Ý, các nhà nghiên cứu Việt Nam đã được tham gia vào dự án UNESCO MY-SON CONSERVATION PROJECT - một dự án lớn của UNESCO giao cho các nhà khoa học Italia nhằm bảo tồn một số tháp trong khu di tích Mỹ Sơn. Với sự giúp đỡ của các nhà khoa học Italia, các nhà nghiên cứu Việt Nam đã trực tiếp tính tuổi tuyệt đối và định lượng của các tháp Mỹ Sơn và kết quả đã được công bố trong Hội nghị “ Rescuing the Past: Challenges and Opportunities in Cultural Heritage Preservation and Development” do Đại Sứ Quán Italia, Bộ Văn hoá và UNESCO tổ chức taị Hà Nội ngày 21-22 tháng 5 năm 2007. Đặc biệt, các nhà nghiên cứu của Viện Khoa học vật liệu, Viện KHCNVN và Đại học Biccoca-Milano,Italia cũng đã tiến hành tính tuổi thử nghiệm cho một số mẫu của Hoàng thành Thăng Long, kết quả tính tuổi phù hợp với niên đại được các nhà khảo cổ dự đoán.

Nghiên cứu hiện tượng nhiệt phát quang đã hình thành một hướng khoa học rất có ý nghĩa cho khoa học môi trường, khảo cổ, điạ chất, y tế, năng lượng hạt nhân…Đó là hướng LUMINESCENCE DETECTORS. Trên thực tế hướng đó bao gồm phương pháp tính tuổi nhiệt phát quang, huỳnh quang cưỡng bức quang, đo liều nhiệt phát quang, vật liệu và thiết bị scintillation…. Đây là một hướng có triển vọng ứng dụng thiết thực phục vụ khoa học và cuộc sống.