Tóm tắt:
     Vật liệu K₂YF₅ pha tạp ion Tb³⁺ với nồng độ 1% và 2% được tổng hợp bằng phương pháp phản ứng pha rắn. Đường cong nhiệt phát quang của vật liệu K₂YF₅:Tb³⁺ có các đỉnh đơn tại 176^oC và 300^oC (tốc độ gia nhiệt 2^oC/s). Trong đó vật liệu K₂YF₅ pha tạp 2% mol ion Tb³⁺ có dạng đường cong đơn giản, cường độ nhiệt phát quang tại đỉnh đo liều 176^oC cao so với K₂YF₅ pha tạp 1% mol ion Tb³⁺. Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu K₂YF₅ pha tạp Tb³⁺ có thể ứng dụng trong đo liều bức xạ hạt nhân.
     Từ khóa:   K₂YF₅ , phương pháp phản ứng pha rắn.

     I. TỔNG QUAN
     Vật liệu nhiệt phát quang (Thermoluminescence) đang được nghiên cứu và sử dụng để đo liều phóng xạ trong công nghiệp, y tế, môi trường, nghiên cứu hạt nhân... Những vật liệu thông dụng như CaSO₄:Dy (TLD900); LiF:Mg,Ti (TLD100) đều nhạy với bức xạ hạt nhân. Với những nghiên cứu mới gần đây, vật liệu mới được chế tạo trên nền Gadoli và Yttri pha tạp ion đất hiếm bằng phương pháp thủy nhiệt [1, 2 ,3]. Với phương pháp thủy nhiệt sản phẩm sau khi chế tạo có độ tinh khiết cao, dễ dàng làm sạch các chất phản ứng và không bị nhiễm bẩn do tiếp xúc với bình chứa, kích cỡ hạt nhỏ, đồng nhất do trộn ở thang nguyên tử trong pha hơi và khả năng điều chế các thành phần phi oxit, nhưng điều kiện chế tạo các bột có thể điều chế bằng oxi hóa, khử, phân tách hay các phản ứng hóa học khác, dùng nhiệt độ cao tạo ra bằng lò đốt, laser, chùm điện tử, plasma hay ngọn lửa rất khó thực hiện với phòng thí nghiệm nhỏ ở Việt Nam. 

     Trong 5 năm trở lại đây ở Việt Nam vật liệu nền floride pha tạp ion đất hiếm được nhóm nghiên cứu phòng Vật Lý Ứng Dụng – Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn là vật liệu mới được ứng dụng trong đo liều bức xạ hạt nhân[4, 5]. Vì vậy trong nghiên cứu này chúng tôi trình bày nghiên cứu chế tạo vật liệu mới K₂YF₅:Tb³⁺ bằng phương pháp phản ứng pha rắn.

     II. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
     1. Vật liệu
     - Những đặc tính lý hóa của vật liệu:
     + KF: Nhiệt độ sôi 1.502^oC, nhiệt độ nóng chảy 858^oC, khối lượng nguyên tử 58, cấu trúc tinh thể dạng khối.
     + Y: Nhiệt độ sôi 3.336^oC, nhiệt độ nóng chảy 1.526^oC, khối lượng nguyên tử 38, cấu trúc tinh thể lục phương.
     + Tb: Nhiệt độ sôi 3.230^oC, nhiệt độ nóng chảy 1.356^oC, khối lượng nguyên tử 158, cấu trúc tinh thể lục giác xếp chặt.
    - Các hóa chất được sử dụng: KF, YF₃, TbF₃ ở dạng rắn có độ tinh khiết 99,99% của hãng SIGMA-ALDRICH. 
    - Dụng cụ làm thí nghiệm: muỗng múc hóa chất, thuyền graphite, bình khí nitơ, lò nung, lò sấy, cân, chày cối mã não….

     2. Phương pháp nghiên cứu
     Phương pháp phản ứng pha rắn
     Nghiên cứu quy trình chế tạo vật liệu K₂YF₅ ion đất Tb³⁺ với hàm lượng khác nhau nhằm chế tạo các loại liều kế thế hệ mới. Sử dụng phương pháp phản ứng pha rắn ở nhiệt độ cao. Vật liệu K₂YF₅ pha tạp 1% và 2% ion đất hiếm Tb³⁺ được tổng hợp bằng phương pháp phản ứng pha rắn ở nhiệt độ cao theo phương trình (1). Với x là phần trăm mol chất pha tạp ion terbium.

2KF +  (1-x) YF₃ + xTbF₃ -> K₂Y_(1-x)Tb_xF₅  (1)

     KF được sấy khô ở 600^oC, YF₃ sấy khô ở 300^oC trong môi trường khí nitơ. Hợp chất KF (99,9%), YF₃ (99,9%) và chất pha tạp như TbF₃ được nghiền và trộn đều trong cối mã não theo tỷ lệ. Sau đó cho vào nung trong thuyền graphit tinh khiết, để phản ứng xảy ra ở nhiệt độ 600^oC từ 36 – 48 giờ trong môi trường nitơ hoặc argon, hợp chất sẽ thu được dưới dạng bột mịn. 
     Vật liệu sau khi chế tạo được chia thành các mẫu có khối lượng là 20 mg và được đặt trong ống nhựa để chiếu xạ. Trong nghiên cứu này, các mẫu được chiếu với nguồn Beta 90Sr/90Y tại Viện Khoa học Vật liệu Hà Nội

     III. KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN
     1. Kết quả chế tạo vật liệu
     Trên hình 1 là kết quả thu được vật liệu mới K₂YF₅ pha tạp ion terbium. Vì KF hút nước trong không khí ở nhiệt độ phòng, do đó bước đầu tiên làm khan KF (tức là KF ở dạng khô), trong quá trình làm thí nghiệm các hóa chất được đặt trong buồng kín tạo môi trường chân không hoặc khí trơ.

     Kết quả vật liệu K₂YF₅ pha tạp ion Tb sau khi chế tạo có thể đặt ở ngoài không khí mà không bị ẩm. Vật liệu có dạng bột trắng, mịn được đóng gọi trong ống nhựa với khối lượng khoảng 20mg.

     2. Kết quả đo đường cong nhiệt phát quang trên máy TLD 3500
     Vật liệu K₂YF₅ pha tạp ion Tb được chiếu xạ nguồn Beta ⁹⁰Sr/⁹⁰Y tại Viện Khoa học Vật liệu Hà Nội. Chúng tôi đo đường cong nhiệt phát quang của vật liệu trên máy TLD3500 do hãng Harshaw của Mỹ sản xuất. 
     Kết quả đo đường cong nhiệt phát quang tinh thể K₂YF₅:Tb nồng độ 1% (hình 2) và K₂YF₅:Tb 2% (hình 3) được chiếu bởi nguồn beta ⁹⁰Sr/⁹⁰Y. Hình dạng đường cong có đỉnh thứ nhất ở vùng nhiệt độ 170^oC – 180^oC, và đỉnh thứ 2 ở vùng nhiệt độ khoảng 300^oC – 340^oC.

     Để đánh giá ảnh hưởng hàm lượng tạp chất (ion Tb) lên đường cong nhiệt phát quang, chúng tôi thực hiện đo đường cong nhiệt phát quang các mẫu K₂YF₅:Tb(1%) và K₂YF₅:Tb(2%) – M1, với liều chiếu 12Gy nguồn beta ⁹⁰Sr/⁹⁰Y và cùng đo tốc độ gia nhiệt 2^oC/s trên máy Harshaw TLD – 3500. Kết quả được thể hiện trong hình 4.

     Từ kết quả hình 4 có thể nhận thấy dạng đường cong nhiệt phát quang các mẫu K₂YF₅ pha tạp Tb³⁺ hai hàm lượng khác nhau đều rất giống nhau.

     Kết quả bảng 1 cho thấy mẫu K₂YF₅ pha tạp Tb³⁺ hàm lượng 2% mol và 1% mol có cường độ cực đại đỉnh chính tăng theo hàm lượng pha tạp lần lượt tại vị trí nhiệt độ đỉnh 314^oC và 333^oC. Tức là đỉnh dịch về phía nhiệt độ cao, đồng thời cường độ đỉnh cũng tăng lên. Điều này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết nhiệt phát quang. Kết quả cũng cho thấy, K₂YF₅ pha tạp Tb³⁺ hàm lượng 2% mol nhạy hơn K₂YF₅ pha tạp Tb³⁺ hàm lượng 1% mol và không bị vượt ngưỡng của hệ đo thương mại Harshaw TLD – 3500.       

     IV. KẾT LUẬN
     Vật liệu K₂YF₅ pha tạp ion Tb bằng phương pháp phản ứng pha rắn có cấu trúc tinh thể đúng với thẻ chuẩn, đồng thời có đường cong nhiệt phát quang tại đỉnh liều 176^oC phù hợp với vật liệu nhiệt phát quang. Đặc biệt, vật liệu K₂YF₅ pha tạp 2% mol ion Tb có triển vọng trong nghiên cứu chế tạo các liều kế có thể đo bức xạ beta hoặc bức xạ riêng rẽ trong chùm bức xạ hỗn hợp. 

     Tài liệu tham khảo
[1] N.A. Sooner, A.D. Franklin, (2002), “Effect of the heating rate on the red TL of quartz”, Radiation Measurements 35, pp. 59 – 66.
[2] James O. Eckert, Jr. , I-Ching Lin, Malgorzata M. Lencka, Paul M. Bridenbaugh, Alexandra Navrotsky, Robert A. Laudise, Richard E. Riman.(1996), “Energetics of formation of KF – GdF3 binary-intermediate compounds”, Thermochimica Acta, 286, 233 – 243.
[3] Huynh Ky Hanh , Nicholas M Khaidukov, V. N. Makhov , Vu Xuan Quang, Nguyen Trong Thanh, Vu Phi Tuyen.(2010), “Thermoluminescence properties of isostructural K₂YF₅ and K₂GdF₅ crystals doped with Tb³⁺ in response to alpha, beta and X-ray irradiation”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B 268, 3344 – 3350.
[4] Ha Xuan Vinh, Doan Phan Thao Tien, Nguyen Chi Thang (2014), Preparation of Tb³⁺ -doped K₂GdF₅ Used to Neutron Dosimetry, Tạp chí Nuclear Science and Technology – ISSN 1810 – 5408Claudio Furetta - Handbook of Thermoluminescence (2003) World Scientific, Singapore. 
[5] Hà Xuân Vinh và cộng sự (2015) Nghiên cứu chế tạo liều kế từ vật liệu K₂YF₅ và K2GdY5, Tạp chí khoa học và công nghệ – Đại học Duy Tân, ISSN 1859 – 4905, 4(13) 2014, p 77-84 

Đoàn Phan Thảo Tiên(1,2,*), Hà Xuân Vinh(1,2), Nguyễn Thị Minh Nguyệt(2)
1: Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang
2: Chi Hội Vật Lý Khánh Hòa
*: thaotien2109@gmail.com