رفتار ترمولومینسانسی α-al2o3:c سنتز شده با روشهای مختلف جهت دوزیمتری فردی

Transcript

1 رفتار ترمولومینسانسی :C سنتز شده با روشهای مختلف جهت دوزیمتری فردی خیراهلل محمدی علیرضا پورابراهیم علی حسینی زاده دانشگاه صنعتی مالک اشتر author: چکیده: اگرچه اکسید آلومینیوم )3 )Al 2O به دلیل خواصی مانند سختی باال خنثی بودن از نظر شیمیایی و شفافیت داشتن نقطه- ی ذوب باال عایق الکتریسیته و هادی حرارت بودن کاربرد بسیاری در صنایع مختلف پیدا کرده اما استفاده از آن در حوزهی دوزیمتری ترمولومینسانس به دلیل حساسیت پایین از گذشته با محدودیتهایی روبهرو بوده است. برای غلبه بر این مشکل ایجاد ساختاری با عیوب آنیونی و همراه با ناخالصی با رشد کروندوم )3 )α-al 2O از مذاب در دمای 2052 o C و محیط احیاءکنندگی شدید و حضور گرافیت پیشنهاد شد که با دوپ کردن کربن در ساختار اکسید آلومینیوم همراه بود. اگرچه میزان حساسیت ترمولومینسانس این ماده برایر (00 (TLD- LiF:Mg, Ti بود و باند نشری در nm داشت اما به دلیل تجهیزات مورد نیاز انرژی مصرفی زیاد و شرایط حساس رشد و پیدا کردن روشی مناسب از نظر هزینه و مشخصهی ترمولومینسانسی بررسی رفتار ترمولومینسانسی α-al 2O C:3 سنتز شده از روشهای مختلف آغاز شد. در این مقاله به بررسی رفتار ترمولومینسانسی α-al 2O C:3 در اشکال متفاوت بلوری پودری و فیلم نازک سنتز شده به وسیلهی روشهای مختلف اعم از EFG گرادیان دمایی سنتز احتراقی محلول پرس سرد و آندایزینگ پرداخته شد. نتایج نشان داد که روش سنتز احتراقی در مقایسه با روشهای دیگر از نظر هزینه و خواص دوزیمتری مناسب تر میباشد. کلمات کلیدی: رفتار ترمولومینسانس اکسید آلومینیوم دوپ شده با کربن روشهای ساخت دوزیمتری فردی.

2 - مقدمه اکسید آلومینیوم در شکل بلوری خود معروف به کروندوم بوده و در مقیاس موس بعد از الماس در رتبهی دوم قرار دارد. همچنین شفاف و از نظر شیمیایی خنثی بوده و نقطهی ذوب باالیی بیش از 2002 دارد. o C عایق الکتریسیتهی خوبی بوده و هدایت حرارتی مناسبی دارد. این ویژگیها سبب استفادهی گسترده از این ماده در حوزههای الکترونیکی نوری و صنعتی شده است. ساختار بلوری هگزاگونال فشرده بوده که یونهای اکسیژن ( -2 O( در گوشهی سلول واحد قرار داشته و جاهای خالی هشت وجهی شبکه توسط یون- های آلومینیوم ( +3 )Al اشغال شدهاند. برای خنثی نگهداشتن بار کلی این ترکیب و با توجه به بارهای یونهای اکسیژن )2 بار منفی( و آلومینیوم )3 بار مثبت( دو سوم جاهای خالی توسط یونهای +3 Al.[] بررسیهای اولیه دربارهی خواص ترمولومینسانسی اشغال شده است [2] 2 صورت و دانیلز در سال 957 توسط ریک پذیرفت که تالشهای زیادی را برای درک بهتر جزئیات نشر ترمولومینسانس در بلورهای مختلف انجام میدادند. اگرچه بسیاری از خواص برای کار در حوزهی دوزیمتری ترمولومینسانس مناسب بود پایین آن نسبت به تابش یونیزه کننده در مقایسه با مواد شناخته شده در آن زمان مانند کاربرد LiF 3 و ش در این حوزه شده بود. برای رفع این مشکل آکسلرد عیوب آنیونی به وسیلهی دوپ کردن کربن در ساختار با رشد [3] از مذاب در دمای 4 احیاءکنندگی شدید و حضور گرافیت انجام دادند. این روش که معروف به فرآیند استفانو ناخالصیهایی )مانند کربن( در بلور با خلوص باال شد. وجود کربن به شکل یونهای o C اما حساسیت سبب محدودیت را همراه با 2052 و محیط C 2+ است سبب ایجاد سبب تسریع تشکیل 5 شد. تولید لومینسانس در :C جاهای خالی اکسیژن شده و منجر به سنتز مادهای دارای عیوب آنیونی نسبت به جاهای خالی اکسیژن حساس بوده و حاالت مختلفی دارد که مهمترین آنها مراکز F و متقابل این مراکز سبب تولید ترمولومینسانس و لومینسانس تهییج شده با نور میشود. دوزیمتری ترمولومینسانس و لومینسانس تهییج شده با نور با استفاده از F + :C هستند. اثر مکانیزم اصلی در آزاد شدن به صورت الکترونهای گرفتار شده طی پرتودهی به وسیلهی تهییج نوری و حرارتی و سپس بازترکیب الکترونها در مراکز + F جهت تولید لومینسانس بیان شده که توسط معادلهی )( تشریح میشود. F + + e - F * F + hv 420 nm )( F * یک مرکز F :C تهییج شده است. در واقع حساسیت ترمولومینسانس و لومینسانس تهییج شده با نور به غلظت مرکز وابسته است + F.[ 4] Rieke 2 Daniels 3 Akselrod 4 Stepanov 5 Anion-defective 2

3 اخیرا تالشهای بسیار زیادی برای افزایش حساسیت Cr Y و Mg Ti Si اکسید آلومینیوم با استفاده از دوپانتهای مختلف مانند و Ni صورت پذیرفته است. براساس تحقیقات انجام شده توسط آکسلرد و ش در سال 993 حساسیت ترمولومینسانسی [5] برابر TLD-00 :C :C با و میباشد. مزیتهای دیگر در حوزهی ترمولومینسانسی شامل حالت خطی در محدودی دوز وسیع منحنی تابش ساده محو کنندگی پایین تکرارپذیری خوب استحکام مکانیکی و عدد اتمی نسبتا پایین آن است. مواد دوزیمتری ترمولومینسانس که هماکنون در حال استفاده هستند به شکلهای مختلفی از جمله تک بلور پودر و فیلم نازک روشهای گوناگونی مانند [6 7] رشد بلور اکسیداسیون الکتروشیمیایی [2] ساخته میشوند. های ژل پلی آکریالمید [8] سل-ژل سنتز احتراقی [9] [0 ] هدف از این پژوهش بررسی ویژگیهای ترمولومینسانسی اکسیدهای آلومینیوم دوپ شده با استفاده از روش- EFG گرادیان دمایی تجهیزات آزمایشگاهی الزم جهت تولید این مواد است. 2- روشهای ساخت از زمانیکه :C سنتز احتراقی محلول پرس سرد و آندایزینگ و همچنین مقایسهی مواد و به عنوان یک مادهی ترمولومینسانس برای روشهای متفاوتی برای تولید آن به خصوص به تهیهی :C شکل بلور کار در حوزهی دوزیمتری شناخته شد مورد توجه قرار گرفت. روش سنتی برای 2050( و تحت اتمسفر بسیار 2 بود که در آن رشد بلور از دمای ذوب )C o روش چکرالسکی کاهنده در حضور گرافیت انجام شد. در این روش ویژگیهای دوزیمتری به پارامترهای رشد بسیار وابسته بود و کوچکترین تغییر در شرایط رشد تشکیل تلهها و توزیع عیوب را تحتتاثیر قرار میداد. الحاق کربن به ساختار با دوپ شدن و رشد همزمان بلور در دماهای باال انجام پذیرفت و از آنجا که کنترل الحاق کربن به درون مذاب از جایی که بلور رشد میکرد دشوار بود پس کنترل ایجاد عیوب هم بسیار سخت بود [3]. عالوه بر این روش سنتی روشهای ساخت :C دیگری وجود داشته که هر کدام دارای مکانیزمهای مختلف و مواد اولیه و تجهیزات گوناگونی بوده که در ادامه به آنها اشاره خواهد شد. [6] 2-- رشد بلور 3 و ش یانگ 4 بود یافتهی روش چکرالسکی توسط البل برای ساخت بلور :C با حساسیت باال از روش EFG استفاده کردند که توسعه و برای تولید اکسیدهای آلومینیوم با اشکال متفاوت به کار میرفت. در این روش با طراحی مناسب یک قالب و بوتهی مولیبدنی و استفاده از اتمسفر بسیار کاهنده و سازه و حفاظ- Edge-defined, Film- fed Growth 2 Czochralsky 3 Yang 4 Labelle 3

4 های گرافیتی که به عنوان منبع تأمین کنندهی کربن در طول رشد دمای :C o C عمل میکردند تولید بلورها انجام میپذیرفت. سپس بلورها در اتمسفرهای مختلف و زمانهای گوناگون آنیل میشد. با توجه به شکل )الف( میتوان بیان کرد که نمونهی تهیه شده از EFG )نمونهی ( و نمونهی آنیل شده در اتمسفر هیدروژن و 87 از 263 و o C 400 به مدت 80 ساعت )نمونهی 2( به ترتیب پیک تابشی مشخصی را در o C خود نشان دادهاند. طبق پاسخ ترمولومینسانس بلور آنیل شده در اتمسفر هیدروژن نسبت به منبع Cs-37 که در شکل )ب( آورده شده است مشخص است که در محدودهی دوز /2 Gy پاسخ خطی خوبی وجود داشته و از 0/2 تا 0 Gy پاسخ تقریبا خطی شده و در حدود 0 Gy اشباع رخ داده است. شکل - )الف( منحنی ترمولومینسانس نمونههای و 2 و بلور :C تجاری )ب( پاسخ ترمولومینسانس یانگ و ش نمونهی 2 به دوز گاما.[6] Cs 2008 در سال [7] از روش گرادیان دمایی برای ساخت بلور :C با حساسیت باال استفاده کردند. روش گرادیان دمایی یک تکنیک انجماد جهت دار بوده که فصل مشترک جامد- مایع زیر سطح مذاب غوطهور شده و توسط مذاب با دمای باال محاصره میشود. رشد بلور تحت گرادیانهای دمایی پایین انجام شده و حوزهی دمایی در مذاب مخالف جهت میشود. بعد از اختالط اکسید آلومینیوم و گرافیت پودرها در فشار این فرآیند میدان گرانشی بوده که سبب به حداقل رساندن اثرات همرفتی 250 MPa [4] فشرده شدند. کورهی مخصوص در دمای 827 o C به مدت چند ساعت حرارت دیده تا آلودگیهای محیطی به حداقل رسیده و سپس فرآیند رشد در خالء و دمای 2077 انجام پذیرفت. بلور آنیل شده دارای یک پیک تابشی مشخص 89 بود که با افزایش دوز بتا شدت ترمولومینسانسی افزایش مییافت )شکل 2 )الف((. همانطور که در در o C o C شکل 2 )ب( مشخص است پاسخ ترمولومینسانس بلور رشد داده شده در محدودهی دوز Gy خطی بوده و اشباع در 30 Gy اتفاق افتاده است. 4

5 شکل 2- )الف( منحنیهای ترمولومینسانس بلور :C رشد داده شده نسبت به دوز بتا )ب( پاسخ ترمولومینسانس 2-2- سنتز پودر و قرص بلور :C رشد داده شده نسبت به دوز گاما.[7] اخیرا برای دوپ کردن عناصر نادر زمین در ساختار اکسید آلومینیوم از روش سنتز احتراقی محلول استفاده شده است. در این روش از یک محلول آبی اشباع از نمک فلزی دلخواه )معموال نیتراتها به دلیل خواص اکسیدکنندگی مناسب و حاللیت زیاد در آب( و سوخت مناسب )مانند اوره( به عنوان احیاءکننده استفاده شد. مکانیزم روش سنتز احتراقی شامل یک واکنش اکسایش- کاهش بین نمک فلزی و سوخت و در نتیجه آزاد شدن حرارت ناشی از این واکنش بوده که منجر به تشکیل یک مادهی اکسیدی با ساختار نانو میشود. از مشخصههای این روش امکان دستیابی به پودرهای اکسیدی خالص و بلوری در مقیاس نانو با سطح ویژهی باال رسیدن به فازهای دما باال سریع بودن فرآیند دوستدار محیط زیست بودن و نیاز به انرژی کمتر به دلیل انجام واکنش احتراقی است.[0 5] و ش [0] باروس با افزودن یوروپیوم )Eu( تربیوم )Tb( و سیلیسیوم به عنوان دوپانت به محلول آبی آلومینیوم نیترات 9 آبه و اوره رفتار ترمولومینسانسی اکسید آلومینیومی دوپ شده را بررسی کردند. طبق منحنی ترمولومینسانس نشان داده شده در شکل 3 )الف( چنین بیان کردند که اگرچه بیشترین حساسیت مربوط به نمونهی نمونهی Al2O3:Tb, Si Al2O3:Eu و پاسخ ترمولومینسانسی آن 5000 برابر اکسید آلومینیوم دوپ نشده بود اما 200 بود با وجود حساسیت کمتر برای دوزیمتری که دارای یک پیک مشخص در حدود o C تابشی مناسبتر به نظر میرسید. با توجه به پاسخ ترمولومینسانس نمونههای محدودهی دوز Al2O3:Eu Gy در که در شکل 3 )ب( نشان داده شده است پاسخ خطی برای نمونهها مشخص بوده که بیشترین حساسیت مربوط به 0/5 درصد میباشد. Eu Barros 5

6 شکل 3- )الف( منحنیهای تابش درصد 5( درصد Tb Al2O3:Tb, Si و 5 درصد 5( درصد Eu Al2O3:Eu, Si )Si )5 درصد )Eu )ب( پاسخ ترمولومینسانس Al2O3:Eu Al2O3:Eu و )Si با غلظتهای متفاوت و 5.[0] Eu و ش [6] روچا سینتر کردن قرص حاصل در هوا و دمای o C با اختالط پودرهای اکسید آلومینیوم و کربن و سپس پرس سرد آنها و در نهایت 650 به مدت 3 ساعت ویژگیهای ترمولومینسانسی نمونهی نهایی را بررسی کردند. با توجه به منحنی ترمولومینسانس نشان داده شده در شکل 4 )الف( یک پی ک 50 مشاهده شد و طبق شکل 4 )ب( میتوان گفت که پاسخ ترمولومینسانس خطی بود. دوزیمتری در o C شکل 4- )الف( منحنی ترمولومینسانس قرص اکسید آلومینیومی سینتر شده نسبت به تابش اشعهی X با دوز 0 و Gy )ب( پاسخ ترمولومینسانس قرص سینتر شده نسبت به اشعهی X با انرژی پایین 2-3- فیلم نازک.[6] با استفاده از فرآیند آندایزینگ فیلمهایی نازک با تخلخلهای یکنواخت و قطر 50 nm در سطح آلومینیوم ایجاد شد. در طول فرآیند عناصر کربوکسیل در اثر برقراری ولتاژ ثابت از محلول اسید آلی درون تخلخلهای اکسید آلومینیوم قرار گرفته و بعد از آنیل بخشی از این کربوکسیلها تجزیه شده و به ساختار اکسید آلومینیوم نفوذ کردند. در فرآیند آندایزینگ از یک استوانهی گرافیتی که در مرکز سلول قرار گرفته به عنوان کاتد استفاده شد. طبق ویژگیهای ترمولومینسانسی نشان داده شده در اشکال 5 )الف( و )ب( میتوان گفت که برای بهینه کردن پاسخ ترمولومینسانس باید از اگزالیک اسید باغلظت 0/0 موالر و ولتاژ اعمالی 30 v استفاده کرد.[2] Rocha 6

7 شکل 5- )الف( پاسخ ترمولومینسانس نمونههای آندایز شده در غلظتهای مختلف اسید و )ب( حساسیت نمونه- های آندایز شده به ولتاژ بایاس فرآیند آندایزینگ.[2] طبق مطالب گفته شده و مقایسهی صورت گرفته در جدول میتوان چنین گفت که اکسید آلومینیوم دوپ شده در اشکال متفاوتی اعم از بلور پودر قرص و فیلم نازک تولید شده است. جدول - مروری بر روشهای مختلف تولید Al2O3:C α- دوزیمتری ترمولومینسانس اتمسفر به شکل تک بلور پودر و فیلم نازک جهت استفاده در روش مواد اولیه دمای کاری ) o C( زمان کاری )min( مورد نیاز جهت دستگاههای مورد نیاز شکل محصول نوع تابش پاسخ مرجع تولید پودر یا Cs-37 ) Gy( شمش یا بلورهای شکستهی اکسید اتمسفر بسیار کاهنده کوره دما باال قالب- هایی به منظور رشد بلور در جهت و شکل مورد نظر تک بلور برابر یانگ و [6] TLD- 00 EFG آلومینیوم Cs-37 ) Gy( 2077 گرادیان دمایی پودر اکسید آلومینیوم و گرافیت چندین ساعت خالء آسیاب گلولهای دستگاه پرس قالب پرس کوره دما باال تک بلور برابر یانگ و [7] TLD Co- 60 )0/- 70 Gy( سنتز احتراقی محلول نمک فلزی سوخت دوپانت نیتراتی هوا صفحهی داغ کوره دما پایین پودر نانو برابر اکسید آلومینیوم دوپ نشده باروس و [0] 7

8 ژل پلی آکریالمید نمک فلزی عوامل کی- لیتساز عامل اتصال دهندهی عرضی هوا صفحهی داغ خشککن ترموستاتی دستگاه اولتراسونیک جهت پراکندهسازی پودر وانگ و [9] هوا Co- 60 )0/0-00 Gy( تکاننده دستگاه پرس قالب پرس کوره دما باال 650 پرس سرد پودر اکسید آلومینیوم و کربن )نمونههای بدون کربن( و قرص خطی روچا و [6 7] آرگون Co- 60 ) آندایزینگ ورقههای آلومینیوم اسید آلی هوا سلول آندایزینگ فیلم متخلخل خطی باروس و [2] mgy( :C 3- نتیجهگیری مقایسه روش های مختلف تولید نشان داد که اکسید آلومینیوم دوپ شده با کربن در اشکال متفاوتی اعم از بلور پودر قرص و فیلم نازک تولید شده که هر کدام نیاز به مواد اولیه تجهیزات و روشهای متفاوتی داشته و همین امر سبب تفاوت هزینه و رفتار ترمولومینسانسی نمونههای نهایی شده است. در فرآیندهای رشد بلور اگرچه امکان دستیابی به نمونهای با حساسیت برابر TLD-00 وجود دارد اما هزینه و انرژی بیشتری مورد نیاز است. برای غلبه بر این مشکل نیاز به استفاده از روشهای دیگر با هزینه و انرژی کمتر برای تولید مواد ترمولومینسانس ضروری به نظر میرسد با این شرط که این مواد حساسیت ترمولومینسانسی مطلوبی را برای کار در حوزهی دوزیمتری فردی و رادیو پزشکی داشته باشند. تا کنون روش تولید صنعتی و مناسبی برای ساخت این دسته از مواد با عملکرد مطلوب جهت کار در حوزهی دوزیمتری پیشنهاد نشده است اما یکی از روشهایی که توانایی صنعتی شدن از نظر هزینه مواد و تجهیزات مورد نیاز را دارد دوپ کردن مواد نادر زمین در ساختار ترمولومینسانسی خوبی )5000 برابر با استفاده از روش سنتز احتراقی محلول بوده که پاسخ دوپ نشده( را از خود نشان میدهند. با این حال محققین بسیاری سعی در شناسایی روشی جهت تولید اکسید آلومینیوم دوپ شده با مشخصات ترمولومینسانسی مناسب و هزینهی کمتر را دارند. 4- مراجع Shaker 8

9 David Matthew Klein, Development and Characterization of Remote Radiation Dosimetry Systems Using Optically Stimulated Luminescence of Al2O3:C and KBr:Eu, Oklahoma: Stillwater, Rieke, J. K., and F. Daniels, "Thermoluminescence studies of Aluminum Oxide," Journal of Physical Chemistry, vol. 5, p , 957. Akselrod, M. S., V. S. Kortov, D. J. Kravetsky, and V. I. Gotlib, "Highly Sensitive Thermoluminescence Anion-defective :C Single Crystal Detectors," Radiation Protection Dosimetry, vol. 32, pp. 5-20, 990. Yang, X. B., Li, H. J., Bi, Q. U., Cheng, Y., Tang, Q., Xu, J., "Influence of Carbon on the Thermoluminescence and Optically Stimulated Luminescence of :C Crystals," Journal of Applied Physics, vol. 04, p. 32, Akselrod, M. S., V. S. Kortov, and E. A. Gorelova, "Preparation and Properties of Alpha-Al2O3:C," Radiation Protection Dosimetry, vol. 47, p , 993. Xinbo Yang, Hongjun Li, Jun Xu, Yan Cheng, Liangbi Su and Qiang Tang, "Edge- Defined, Film- Fed Growth ( EFG ) Technique for the Preparation of :C Crystal with Highly Sensitive Thermoluminescence Response," Journal of American Ceramic Society, vol. 9, pp , Xinbo Yang, Hongjun Li, Yan Cheng, Qiang Tang, Liangbi Su, Jun Xu, "Growth of highly sensitive thermoluminescent crystal :C by the temperature gradient technique," Journal of Crystal Growth, vol. 30, pp , A. A. Kaplyanskii, A. B. Kulinkin, A. B. Kutsenko, S. P. Feofilov, R. I. Zakharchenya and T. N. Vasilevskaya, "Optical Spectra of Triply-charged Rare-earth Ions in Polycrystalline Corundum," Physics of The Solid State, vol. 40, pp , 998. S. F. Wang, C. F. Zhuang, Y. G. Yuan, X. Xiang, G. Z. Sun, Q. P. Ding, Z. J. Li and X. T. Zu, "Synthesis and Photoluminescence of γ-al2o3 and C-doped γ-al2o3 Powders," Transactions- Indian Ceramic Society, vol. 73, pp , Vinícius S.M. de Barros, Walter M. de Azevedo, Helen J. Khoury, Pedro Linhares Filho, "Combustion synthesis: A suitable method to prepare Al2O3 doped materials for thermoluminescent dosimetry," Radiation Measurements, vol. 43, p , Katia A Gonçalves, Alexandre Ventieri, José F S Bitencourt, Juan C R Mittani and Sonia H Tatumi, "Luminescence Dosemeter of The AL2O3:Er,Yb," in International Nuclear Atlantic Conference, Belo Horizonte,MG, Brazil, 20. V.S.M. de Barros, H.J. Khoury, W.M. Azevedo, E.F. da Silva Jr, "Characterization of nanoporous Al2O3:C for thermoluminescent radiation dosimetry," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. 580, pp , Leong Chuey Yong, Husin Wagiran, Abd Khamim Ismail, "Thermoluminescence Performance of Carbon- doped Aluminium Oxide for Dose Measurement by Various Preparation Methods," Jurnal Teknologi (Sciences & Engineering), vol. 62, no. 3, pp. 09-3,

10 Xu Jianwei, Zhou Yongzong, Zhou Guoqing, Xu Ke, Deng Peizhen, Xu Jun, "Growth of large-sized sapphire boules by temperature gradient technique (TGT)," Journal of Crystal Growth, vol. 93, pp , 998. Sergio L. Gonzalez- Cortes, Freddy E, Imbert, "Fundamentals, properties and applications of solid catalysts prepared by solution combustion synthesis ( SCS )," Applied Catalysis A: General, vol. 452, pp. 7-3, 203. Feliıcia D.G. Rocha, Mercia L. Oliveira, Linda V.E. Caldas, "Thin sintered Al2O3 pellets as thermoluminescent dosimeters for the therapeutic dose range," Applied Radiation and Isotopes, vol. 58, pp , F.D.G. Rocha, E. Okuno, L.V.E. Caldas, J.C.Bressiani, M.R.O.O. da Silva, "Al2O3 Sintered Pellets for Dosimetry at Radiotherapy Level," in International of IRPA, São Paulo, Brazil,