BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  LÝ DUY NHẤT Đề tài: Giáo viên hướng dẫn: TS THÁI KHẮC ĐỊNH Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2009 Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân LỜI CẢM ƠN Trong q trình thực hồn thành khóa luận này, ngồi nỗ lực thân, em nhận quan tâm giúp đỡ động viên q thầy khoa Vật Lý trường ĐH Sư Phạm TP Hồ Chí Minh Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS Thái Khắc Định – thầy tận tình hướng dẫn, truyền thụ cho em kiến thức bổ ích, đóng góp kinh nghiệm q báu để em thực khóa luận Em khơng thể qn cơng lao thầy Hồng Đức Tâm thầy tổ mơn “Vật Lý Hạt Nhân”, thầy động viên giúp đỡ, bảo tận tình truyền cho em lòng nhiệt tình nghiên cứu khoa học Xin cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè hỗ trợ mặt tinh thần cho Nhất hồn thành khóa luận Một lần em xin chân thành cảm ơn Lý Duy Nhất GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Thí nghiệm vật lý phần khơng thể thiếu học tập nghiên cứu vật lý Thực hành vật lý rèn luyện cho sinh viên phương pháp học tập, nghiên cứu kỹ thực hành vật lý, củng cố kiến thức lý thuyết học Nó có tác dụng to lớn việc rèn luyện cho sinh viên đức tính người làm cơng tác khoa học nói chung, làm cơng tác vật lý nói riêng Ngồi ra, thực hành vật lý giúp cho sinh viên làm quen với việc nghiên cứu tượng vật lý phòng thí nghiệm, kiểm nghiệm lại định luật vật lý học Thơng qua thí nghiệm vật lý, sinh viên bước đầu làm quen với phương pháp nghiên cứu mơn So với mơn học vật lý khác, “VẬT LÝ NGUN TỬ VÀ HẠT NHÂN” mơn học khó, ngồi việc học kiến thức khơ khan sinh viên cần phải thực hành thiết bị ghi đo phòng thí nghiệm Sự kết hợp lý thuyết thực hành giúp cho sinh viên nắm cốt lỗi mơn học hơn, giúp cho sinh viên phát triển tư khả sáng tạo q trình học tập Đồng thời làm cho việc học vật lý trở nên lý thú hơn, có hiệu Nhờ quan tâm q thầy khoa vật lý lãnh đạo trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh, phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân xây dựng hồn thành vào năm 2008 Do phòng thí nghiệm thành lập đường hồn thiện nên việc tìm hiểu dụng cụ, thiết bị phòng thí nghiệm vấn đề cấp thiết Trước tình hình đó, em định thực khóa luận tốt nghiệp với đề tài “TÌM HIỂU VỀ CÁC HỆ GHI ĐO TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN” nhằm góp phần nhỏ vào cơng tác đào tạo cơng việc hồn thiện phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân q trường Bên cạnh khóa luận tốt nghiệp giúp em tự mở rộng thêm hiểu biết sang lĩnh vực vật lý hạt nhân MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI  Tìm hiểu chế hoạt động thiết bị ghi đo xạ ion hóa  Tìm hiểu cấu tạo, đặc tính kỹ thuật cách vận hành thiết bị phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân  Xây dựng số thí nghiệm dựa dụng cụ ghi đo xạ ion hóa phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN Từ mục tiêu đề ra, em xây dựng cấu trúc luận văn gồm có ba phần chính:  Phần mở đầu trình bày lý chọn đề tài, mục tiêu bố cục đề tài  Phần nội dung chia làm ba chương: CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC DỤNG CỤ CHÍNH TRONG HỆ GHI ĐO BỨC XẠ ION HĨA CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ GHI ĐO BỨC XẠ TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN CHƯƠNG III: XÂY DỰNG MỘT SỐ BÀI THÍ NGHIỆM DỰA TRÊN CÁC THÍ BỊ GHI ĐO TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM HẠT NHÂN  Phần kết luận đưa nhận xét tổng qt đề tài kiến nghị nhằm hồn thiện phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC DỤNG CỤ CHÍNH TRONG HỆ GHI ĐO BỨC XẠ ION HĨA TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ VỚI VẬT CHẤT Các xạ khảo sát bao gồm hạt tích điện alpha beta, tia gamma tia X Để hiểu sở vật lý việc chế tạo thiết bị ghi đo xạ ta cần hiểu chế tương tác xạ với vật chất Trong q trình tương tác xạ với vật chất, lượng tia xạ truyền cho electron quỹ đạo cho hạt nhân ngun tử tùy thuộc vào loại lượng xạ chất mơi trường hấp thụ Các hiệu ứng chung tương tác xạ với vật chất kích thích ion hóa ngun tử mơi trường hấp thụ 1.1 TƯƠNG TÁC CỦA HẠT BETA VỚI VẬT CHẤT 1.1.1 Sự ion hóa Do hạt beta mang điện tích nên chế tương tác với vật chất tương tác tĩnh điện với electron quỹ đạo làm kích thích ion hóa ngun tử mơi trường Trong trường hợp ngun tử mơi trường bị ion hóa, hạt beta phần lượng Et để đánh bật electron quỹ đạo ngồi Động Ek electron bị bắn liên hệ với lượng ion hóa ngun tử E độ lượng E t sau: Ek  Et  E (1.1) Trong lượng ion hóa E xác định theo cơng thức: 1  E  Rh      Rh   Trong nhiều trường hợp electron bắn có động đủ lớn để ion hóa ngun tử tiếp theo, electron thứ cấp (delta electron) Do hạt beta phần lượng Et để ion hóa ngun tử, nên dọc theo đường mình, gây thêm số lớn cặp ion GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Năng lượng trung bình để sinh cặp ion thường gấp đến lần lượng ion hóa Bởi vì, ngồi q trình ion hóa, hạt beta lượng kích thích ngun tử Do hạt beta có khối lượng khối lượng electron quỹ đạo nên va chạm chúng làm hạt beta chuyển động lệch khỏi hướng ban đầu Do đó, hạt beta chuyển động theo đường cong khúc khuỷu sau nhiều lần va chạm mơi trường hấp thụ cuối dừng lại hết lượng 1.1.2 Độ ion hóa riêng Độ ion hóa riêng số cặp ion tạo hạt beta chuyển động centimet mơi trường hấp thụ Độ ion hóa riêng cao hạt beta lượng thấp, giảm dần tăng lượng hạt beta đạt cực tiểu lượng khoảng MeV, sau tăng chậm (hình 1.1) Độ ion hóa riêng xác định qua tốc độ lượng tuyến tính hạt beta ion hóa kích thích, thơng số quan trọng dùng để thiết kế thiết bị đo liều xạ tính tốn hiệu ứng sinh học xạ Tốc độ lượng tuyến tính hạt beta tn theo cơng thức:  dE 2 q NZ (3.109 )4   E m E k   2 ln      MeV / cm   dx E m  (1,6.106 )2   I (1   )   Trong đó: (1.1) q = l,6.10-19C , điện tích electron N số ngun tử chất hấp thụ cm3 Z số ngun tử chất hấp thụ GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân NZ  3,88.1020 / cm , số electron khơng khí nhiệt độ 0oC áp suất 76 cm thủy ngân Em  0, 51 MeV , lượng tĩnh electron Ek động hạt beta   v / c , v vận tốc hạt beta c = 3.1010 cm/s I  8,6.10-5 MeV khơng khí I  1, 36.10-5 Z (MeV ) chất hấp thụ khác, lượng ion hóa kích thích ngun tử chất hấp thụ Nếu biết trước đại lượng w, độ lượng trung bình sinh cặp ion, độ ion hóa riêng s tính theo cơng thức sau: s dE / dx (eV / cm ) w (eV / c i ) (1.2) Trong c i cặp ion 1.1.3 Hệ số truyền lượng tuyến tính Độ ion hóa riêng dùng xem xét độ lượng ion hóa Khi quan tâm đến mơi trường hấp thụ, thường sử dụng tốc độ hấp thụ lượng tuyến tính mơi trường hạt beta qua Đại lượng xác định tốc độ hấp thụ lượng nói hệ số truyền lượng tuyến tính Hệ số truyền lượng tuyến tính LET (Linear Energy Transfer) định nghĩa theo cơng thức sau: LET  dE d (1.3) Trong dE lượng trung bình mà hạt beta truyền cho mơi trường hấp thụ qua qng đường dài d Đơn vị đo thường dùng LET keV /  m 1.1.4 Bức xạ hãm Khi hạt beta đến gần hạt nhân, lực hút Coulomb mạnh làm thay đổi đột ngột hướng bay ban đầu lượng dạng xạ điện từ, gọi xạ hãm, hay Bremsstrahlung Năng lượng xạ hãm phân bố liên tục từ đến giá trị cực đại động hạt beta Khó tính tốn dạng phân bố lượng xạ hãm nên người ta thường sử dụng đường cong đo đạt thực nghiệm GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Để đánh giá mức độ nguy hiểm xạ hãm, người ta thường dùng cơng thức gần sau đây: f = 3,5.10-4 ZE  max (1.4) Trong f phần lượng tia beta chuyển thành photon, Z số ngun tử chất hấp thụ E  max (MeV) lượng cực đại hạt beta 1.1.5 Qng chạy hạt beta vật chất Do hạt beta lượng dọc theo đường nên qng đường hữu hạn Như vậy, cho chùm tia beta qua vật chất, chùm tia bị dừng lại sau khoảng đường Khoảng đường gọi qng chạy (range) hạt beta, qng chạy hạt beta phụ thuộc vào lượng tia beta mật độ vật chất mơi trường hấp thụ Biết qng chạy hạt beta với lượng cho trước tính độ dày vật che chắn làm từ vật liệu cho trước Một đại lượng thường dùng tính tốn thiết kế che chắn độ dày hấp thụ (absorber half - thickness), tức độ dày chất hấp thụ làm giảm số hạt beta ban đầu lại 1/2 sau qua hấp thụ Đo đạc thực nghiệm cho thấy độ dày hấp thụ nửa vào khoảng 1/8 quảng chạy Hình 1.2 trình bày phụ thuộc qng chạy cực đại hạt beta vào lượng chúng số chất hấp thụ thơng dụng Hình 1.2 cho thấy qng chạy hạt beta với lượng cho trước giảm tăng mật độ chất hấp thụ GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Ngồi bề dày tuyến tính d (linear thickness) tính theo centimet người ta dùng bề dày mật độ dm (density thickness) tính theo mật độ diện tích, đơn vị g/cm2, xác định sau: d m ( g / cm )   ( g / cm ).d (cm ) (1.5) Trong đó:  mật độ khối chất hấp thụ tính theo g/cm3 Việc sử dụng bề dày mật độ làm dễ dàng cho việc tính tốn bề dày khơng phụ thuộc vào vật liệu cụ thể Hình 1.3 trình bày đường cong miêu tả phụ thuộc qng chạy hạt beta tính theo đơn vị bề dày mật độ vào lượng Đường cong dùng thay cho đường cong hình 1.2 tính qng chạy theo đơn vị bề dày mật độ Đường cong qng chạy - lượng hình 1.3 biểu diễn cơng thức sau đây: Đối với miền lượng beta 0,01  E  2,5 MeV R = 412 E 1,265 0.0954 ln E (1.6) Đối với miền qng chạy R < 1200 ln E  6,63  3, 2376.(10, 2146  ln R ) (1.7) Đối với miền lượng beta E > 2,5 MeV miền qng chạy R > 1200 R  530 E  106 (1.8) Trong R qng chạy, tính theo mg/cm2 E lượng cực đại tia beta, tính theo đơn vị MeV GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân 1.2 TƯƠNG TÁC CỦA HẠT ALPHA VỚI VẬT CHẤT 1.2.1 Truyền lượng hạt alpha Cũng giống hạt beta, hạt alpha qua mơi trường vật chất bị lượng ion hóa kích thích ngun tử mơi trường hấp thụ Khi qua phần khơng khí tế bào xốp, hạt alpha lượng lượng trung bình 35 eV cho cặp ion Do hạt alpha có điện tích lớn hạt beta hai lần khối lượng lớn, dẫn tới vận tốc tương đối thấp nên độ ion hóa riêng cao, vào khoảng hàng nghìn cặp ion cm khơng khí (hình 1.4) Tốc độ lượng tuyến tính tất hạt tích điện nặng hạt electron, có hạt alpha, tn theo cơng thức:  dE 4 z 2q NZ (3.109 )4  Mv v  v  ln ln       Mev / cm    dx Mv 1,6.106 I c    c  Trong đó: (1.9) z số ngun tử hạt gây ion hóa, z = đối hạt alpha q  1,6.10-19 C , điện tích electron zq điện tích hạt gây ion hóa M khối lượng tĩnh hạt gây ion hóa M  6,6.10-24 g hạt alpha v vận tốc hạt gây ion hóa N số ngun tử chất hấp thụ cm3 Z số ngun tử chất hấp thụ NZ số electron chất hấp thụ cm3 GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Như ta đo hoạt độ phóng xạ chất phóng xạ có chu kỳ bán rã lớn nhiều so với thời gian tiến hành đo Nếu T  t e  ln t T  nên A  A0 Có hai cách đo hoạt độ phóng xạ Phương pháp tuyệt đối Phương pháp đo cho phép xác định trực tiếp hoạt độ thực nguồn gọi phương pháp tuyệt đối Từ (4.1) ta viết lại thành (4.3): A 4 d N t S  P f (4.3) Trong đó: N số đếm máy đo d khoảng cách từ nguồn đến detector t thời gian ghi đo S diện tích detector  P hiệu suất đỉnh (tùy thuộc vào lượng tia gamma kích thước detector dùng) f tỷ số phân rã cho trước bảng 4.1 Bảng 4.1: Tỷ số phân rã gamma ( f ) Đồng vị Năng tia gamma (Mev) f 137Cs 0.662 0.92 51Cr 0.323 0.09 60Co 1.17 0.99 60Co 1.33 0.99 22Na 1.276 0.99 22Na 0.511 0.99 54Mn 0.842 1.00 65Zn 1.14 0.44 GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 75 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Phương pháp tương đối Phương pháp đo tương đối hoạt độ dựa sở so sánh hoạt độ nguồn chưa biết AU với hoạt độ biết trước AS nguồn chuẩn Từ cơng thức (4.3) ta tìm cơng thức liên hệ hoạt độ phóng xạ nguồn chưa biết hoạt độ phóng xạ nguồn chuẩn là: AU nU t S  AS tU nS (4.4) Nếu thời gian đo hai nguồn thì: AU  Và AS tính: AS  AS0 e  nU A nS S (4.5) ln t T Trong đó: AS hoạt độ nguồn chuẩn thời điểm đo AS0 hoạt độ nguồn chuẩn thời điểm xuất xưởng nU số đếm thực nguồn chưa biết CHUẨN BỊ DỤNG CỤ Hệ phổ kế gamma Bộ nguồn chuẩn 137Cs ( E  0.662 Mev ), 60Co mẫu cần đo độ phóng xạ TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Phương pháp tuyệt đối Bước 1: Khởi động máy tính, mở phần mềm “ADMCA” sẵn sàng cho cơng việc ghi đo phổ Bước 2: Đặt nguồn gamma chưa biết mặt trước cách đầu dò khoảng 9.3 cm Bước 3: Cài đặt thời gian đếm cho máy làm việc (khoảng 300 giây) Bước 4: Sau máy dừng đo, đọc số đếm ghi vào bảng 4.2 Bước 5: Lấy nguồn đo phơng với khoảng thời gian Bước 6: Lặp lại thao tác từ hay lần tiếp tục ghi vào bảng 4.2 Bảng 4.2 Lần đo NU GVHD: TS Thái Khắc Định NU Nb Trang: 76 Nb t SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Phương pháp tương đối Bước 1: Đặt nguồn chuẩn mặt trước cách detector cm Bước 2: Đợi khoảng thời gian (300 s) cho phổ rõ hình Bước 3: Dịch chuyển trỏ qt vùng đỉnh lương hấp thụ tồn phần, xác định tổng số đếm máy Bước 4: Lấy nguồn chuẩn khỏi detector tiến hành đo phơng khoảng thời gian Bước 5: Đặt nguồn cần đo vào trước cách detector cm Bước 6: Tiến hành xác định tổng số đếm tổng số đếm phơng nguồn cần đo Sau ghi vào bảng 4.3 Từ biểu thức (4.5) ta viết lại: AU  NU  N b A N S  Nb S (4.6) Bước 7: Thay vào biểu thức (4.6) ta tìm hoạt độ mẫu đo Bước 8: Lặp lại thao tác từ hay lần tiếp tục ghi vào bảng 4.3 Bảng 4.3 Lần đo NU NU NS NS Nb Nb t MẪU BÁO CÁO BÀI 4: ĐO HOẠT ĐỘ CỦA MỘT NGUỒN PHÁT GAMMA Mục tiêu thí nghiệm Tóm tắt sở lý thuyết GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 77 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Các bước tiến hành Báo cáo kết Xác định hoạt độ phóng xạ phương pháp tuyệt đối Bảng 4.2 Lần đo NU AU  Từ (4.5): Nb NU Nb t NU  N b t  NU  N b Từ cơng thức truyền sai số:  AU  t  AU  AU   AU Xác định hoạt độ phóng xạ phương pháp tương đối Bảng 4.3 Lần đo NU NU Từ (4.6): Từ cơng thức truyền sai số:  AU NS NS AU  Nb Nb t NU  N b A N S  Nb S AS  N S  Nb ( N S  N b )( N U  N b )2 NU  N b  ( N S  N b )2 AU  AU   AU GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 78 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân BÀI 5: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ HẤP THỤ KHỐI CỦA VẬT LIỆU ĐỐI VỚI TIA GAMMA MỤC TIÊU CỦA BÀI THÍ NGHIỆM  Xác định hệ số hấp thụ khối chì, nhơm… tia gamma có lượng 0.662 MeV  Xác định bề dày mật độ hấp thụ (HVL)  Vẽ đường cong thể phụ thuộc cường độ tia gamma (I) vào bề dày mật độ (x) CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Sự suy giảm xạ gamma qua mơi trường Sự suy giảm xạ gamma qua mơi trường khác với suy giảm xạ alpha beta Bức xạ alpha beta có tính chất hạt nên chúng có qng chạy hữu hạn vật chất, nghĩa chúng bị hấp thụ hồn tồn, lúc xạ gamma bị suy giảm cường độ chùm tia tăng bề dày vật chất mà khơng bị hấp thụ hồn tồn Ta xét chùm tia hẹp gamma đơn với cường độ ban đầu I o Sự thay đổi cường độ qua lớp mỏng vật liệu dx bằng: dI    Idx (5.1) Trong  hệ số suy giảm tuyến tính (linear attenuation coeficient) Đại lượng có thứ ngun (độ dày)-1 thường tính theo cm-1 Từ (5.1) viết phương trình: dI    dx I Giải phương trình ta được: I  I oe   x (5.2) Hệ số suy giảm tuyến tính  phụ thuộc vào lượng xạ gamma mật độ vật liệu mơi trường    ( E ,  ) 2.2 Bề dày mật độ hệ số hấp thụ khối GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 79 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Nếu ta đặt xm   x ( g / cm ) gọi bề dày mật độ Lúc (5.2) viết lại thành (5.3) I  I o e   m xm (5.3) Trong đó:  m hệ số hấp thụ khối ( cm / g ) (5.3) biểu thức định luật Lambert Từ (5.3) ta được: ln Nếu I    m xm I0 (5.4) I ln 0.693  0.5 xm  HVL   I0 m m HVL độ dày mật độ hấp thụ I cường độ tia tia gamma (số tia gamma đơn vị thời gian đếm) CHUẨN BỊ DỤNG CỤ Hệ phổ kế gamma Bộ nguồn chuẩn 137Cs ( E  0.662 Mev ), kim loại chì, nhơm, đồng… có độ dày khác TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Bước 1: Khởi động máy tính, mở phần mềm “ADMCA” sẵn sàng cho cơng việc ghi đo phổ Bước 2: Sau xác định số đếm phơng, ta đặt nguồn chuẩn 137 Cs cách detector khoảng cm xác định số đếm hiển thị máy đo Ghi kết đo vào bảng 5.1 Chú ý đợi khoảng thời gian đủ dài cho số đếm lớn 6000 Bước 3: Đặt miếng chì mỏng detector nguồn chuẩn Xác định số đếm phơng số đếm lúc có nguồn Ghi vào bảng 5.1 Bước 4: Tiếp tục ghép thêm miếng chì khác vào nguồn chuẩn detector Thực thao tác tương tự Xác định số đếm phơng số đếm lúc có nguồn Ghi vào bảng 5.1 Thực tương tự dừng lại sau thấy số đếm gần với 1000 GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 80 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Bảng 5.1 Thời gian = ……… Lần đo x xm   x 0 N Cs Nb N Cs  N b I Bước 5: Vẽ đồ thị thể phụ thuộc cường độ phóng xạ tia gamma vào bề dày mật độ Bước 6: Thay chì nhơm thực thao tác Sau vẽ đồ thị thể phụ thuộc cường độ phóng xạ tia gamma vào bề dày mật độ So sánh dạng hai đồ thị Bước 7: Từ biểu thức (5.4) xác định hệ số hấp thụ khối chì, nhơm tia gamma Bước 8: Xác định bề dày mật độ hấp thụ hấp thụ ( HVL) MẪU BÁO CÁO BÀI 5: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ HẤP THỤ KHỐI CỦA VẬT LIỆU ĐỐI VỚI TIA GAMMA Mục tiêu thí nghiệm Tóm tắt sở lý thuyết Các bước tiến hành GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 81 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Báo cáo kết Xác định hệ số hấp thụ chì, nhơm Bảng 5.1 Thời gian = ……… Lần đo x xm   x 0 N Cs N Cs  N b Nb I … Từ (5.4): ln I   m xm I0 ln I0 Ii n  m  Suy ra:  mi  Nên:  m   m   m xmi  i 1 mi n Vẽ đồ thị thể phụ thuộc cường độ phóng xạ tia gamma vào bề dày mật độ xm … … … I GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 82 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân BÀI 6: ĐO TỔNG HOẠT ĐỘ PHĨNG XẠ ALPHA MỤC TIÊU CỦA BÀI THÍ NGHIỆM  Nắm vững thao tác sử dụng máy đo tổng hoạt độ phóng xạ alpha phơng thấp UMF – 2000  Xác định tổng hoạt độ phóng xạ alpha CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Hạt alpha Hạt alpha hạt nhân 2He4 có điện tích +2e khối lượng gần bốn lần khối lượng nucleon Phân rã alpha xảy hạt nhân phóng xạ có tỷ số N/Z q thấp Khi phân rã alpha, hạt nhân ban đầu ZXA chuyển thành hạt nhân Z – 2Y A–4 phát hạt alpha ZX A  Z – 2YA – + 2He4 Về quan hệ khối lượng, phân rã alpha thỏa mãn điều kiện: Mm = MC + m + 2me + Q Trong Mm, MC, m me tương ứng khối lượng ngun tử mẹ, ngun tử con, hạt alpha hạt electron Q khối lượng tương ứng với lượng tổng cộng giải phóng phân rã, tổng động hạt nhân hạt alpha Hai hạt electron quỹ đạo bị hạt nhân mẹ phân rã, hạt nhân có số ngun tử thấp Hạt alpha có khả đâm xun thấp số xạ ion hóa Trong khơng khí, hạt alpha có lượng cao nguồn phóng xạ phát vài centimet, mơi trường sinh học qng chạy vài micromet Do đo nguồn alpha người ta thiết kế khay đặt nguồn sát đầu dò 2.2 Đo hoạt độ nguồn alpha Phương pháp đo tuyệt đối Phương pháp đo cho phép xác định trực tiếp hoạt độ thực nguồn gọi phương pháp tuyệt đối Thơng thường số hạt thiết bị ghi nhận khác với hoạt độ nguồn Hệ số tỉ lệ () đại lượng gọi hiệu suất ghi thiết bị đo, GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 83 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân phụ thuộc vào yếu tố hình học đo, tính chất detetor, chiều dày nguồn, … Khi hoạt độ nguồn AU xác định: AU  nU t  (6.1) Trong đó: nU số đếm thực; t thời gian đo Phương pháp đo tương đối Phương pháp đo tương đối hoạt độ dựa sở so sánh hoạt độ nguồn chưa biết AU với hoạt độ biết trước AS nguồn chuẩn Số hạt thiết bị ghi nhận đơn vị thời gian hoạt độ A nguồn liên hệ với biểu thức sau: N   A (6.2) Nếu hiệu suất thiết bị ghi trường hợp nguồn chuẩn S nguồn cần đo hoạt độ U có giá trị nhau, từ biểu thức ta tìm AU: nU  U AU  nS  S AS (6.3) nU nS (6.4) Từ (6.3) ta tìm (6.4): AU  AS Đại lượng U S điều kiện sau thỏa mãn:  Các phép đo hai trường hợp tiến hành điều kiện hình học  Độ xác thống kê phép đo hai trường hợp  Giá đỡ mẫu nguồn chuẩn phải chế tạo từ loại vật liệu có chiều dày  Thành phần đồng vị tiêu phải Ngồi thân chất phóng xạ cần phân bố đồng theo thể tích nguồn chiều dày nguồn phải CHUẨN BỊ DỤNG CỤ Máy đo tổng hoạt độ phóng xạ alpha phơng thấp UMF – 2200 Nguồn chuẩn phát xạ alpha nguồn phát xạ alpha chưa biết TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 84 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Phương pháp đo tuyệt đối Bước 1: Khởi động máy UMF – 2000 khoảng 30 phút Bước 2: Đặt nguồn alpha cần đo vào đĩa đựng mẫu máy đếm Bước 3: Cài đặt thời gian đếm cho máy làm việc (khoảng 300 giây) Bước 4: Sau máy dừng đo đọc số đếm ghi vào bảng 6.1 Bước 5: Lấy nguồn đo phơng với khoảng thời gian Bước 6: Lặp lại thao tác từ hay lần tiếp tục ghi vào bảng 6.1 Bảng 6.1 Lần đo NU NU Nb Nb t Hoạt độ nguồn xác định theo cơng thức 6.5 sau: AU  NU  N b t  (6.5) Trong đó: N U số đếm đo khoảng thời gian t ;  hiệu suất ghi đầu dò Phương pháp tương đối Bước 1: Đặt nguồn chuẩn vào đĩa đựng mẫu máy đếm Bước 2: Cài đặt thời gian đếm cho máy làm việc (khoảng 300 giây) Bước 3: Sau máy dừng đo đọc số đếm ghi vào bảng 6.2 Bước 4: Lấy nguồn chuẩn khỏi detector tiến hành đo phơng khoảng thời gian Bước 5: Tiến hành xác định tổng số đếm tổng số đếm phơng nguồn cần đo Sau ghi vào bảng 6.2 Từ biểu thức (6.4) ta có xác định hoạt độ phóng xạ nguồn chưa biết: AU  Bước 6: NU  N b A N S  Nb S Lặp lại thao tác từ hay lần tiếp tục ghi vào bảng 6.2 GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 85 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Bảng 6.2 NU Lần đo NS NU NS Nb Nb t MẪU BÁO CÁO BÀI 6: ĐO TỔNG HOẠT ĐỘ PHĨNG XẠ ALPHA Mục tiêu thí nghiệm Tóm tắt sở lý thuyết Các bước tiến hành Báo cáo kết Đo hoạt độ phóng xạ phương pháp tuyệt đối Bảng 6.1 Lần đo NU Từ (6.5): AU  Từ cơng thức truyền sai số:  AU  GVHD: TS Thái Khắc Định Nb NU Nb t NU  N b t  NU  N b t  Trang: 86 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân AU  AU   AU Đo hoạt độ phóng xạ phương pháp tuyệt đối Bảng 6.2 Lần đo NU NU Từ (6.4): Từ cơng thức truyền sai số:  AU NS NS AU  Nb Nb t NU  N b A N S  Nb S AS  N S  Nb ( N S  N b )( N U  N b )2 NU  N b  ( N S  N b )2 AU  AU   AU GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 87 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân KẾT LUẬN Sau hồn tất khóa luận tốt nghiệp, ngồi việc em tích lũy nhiều kiến thức bổ ích dụng cụ ghi đo xạ ion hóa em thực mục tiêu đề phần mở đầu là:  Tìm hiểu chế hoạt động thiết bị ghi đo xạ ion hóa  Tìm hiểu cấu tạo, đặc tính kỹ thuật cách vận hành thiết bị phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân  Xây dựng sáu thí nghiệm dựa dụng cụ ghi đo xạ ion hóa phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân Nếu phép khoa nhà trường, đề tài dùng làm tài liệu cho sinh viên khoa Vật Lý tham khảo, giúp cho sinh viên có nhìn tổng thể thiết bị ghi đo xạ ion hóa phòng thí nghiệm “Vật Lý Hạt Nhân”, để bạn bước đầu làm quen với thiết bị tránh bỡ ngỡ trước tiến hành làm thí nghiệm dựa sở thí nghiệm xây dựng chương ba phần nội dung Qua việc tìm hiểu thiết bị phòng thí nghiệm “Vật Lý Hạt Nhân” em xin có vài kiến nghị sau:  Do tình hình khí hậu đặc thù vùng nhiệt đới nóng độ ẩm cao Để bảo quản detector hệ phổ kế, số mẫu phóng xạ, nguồn phóng xạ chuẩn thiết bị khác Phòng thí nghiệm cần trang bị thêm Máy Hút Ẩm  Nhằm tạo điều kiện cho việc khai thác triệt để dụng cụ thí nghiệm giúp cho sinh viên thực tốt thí nghiệm, phòng thí nghiệm cần trang bị thêm dụng cụ “phụ” kèm theo hệ ghi đo xạ như: nguồn chuẩn, vật che chắn, hộp đựng mẫu, sổ ghi chép… Do hạn chế mặt thời gian trình độ kiến thức tầm hiểu biết, nên dù nỗ lực chắn có nhiều thiếu xót khóa luận Rất mong dạy tận tình q thầy để em sửa chữa kịp thời bổ sung vào điểm thiếu xót, giúp cho kiến thức em ngày hồn thiện GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 88 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Thái Khắc Định, Tạ Hưng Q (2006), Vật lý ngun tử hạt nhân, NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh [2] Ngơ Quang Huy (2004), An tồn xạ ion hóa, NXB Khoa học kỹ thuật [3] Ngơ Qung Huy (2006), Cơ sở vật lý hạt nhân, NXB Khoa học kỹ thuật [4] Lê Hồng Khiêm (2008), Phân tích số liệu ghi nhận xạ, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội [5] Trương Thị Hồng Loan (2006), Các phương pháp thống kê đánh giá số liệu thực nghiệm hạt nhân [6] Advanced Measurement Technology (2002), Ortec Model 570 Spectroscopy Amplifier Operating and Service Manual, Advanced Measurement Technology, Inc [7] Advanced Measurement Technology (2002), Ortec Model 659 5-kV Detector Bias Supply Operating and Service Manual, Advanced Measurement Technology, Inc [8] Advanced Measurement Technology (2002), Ortec Model 4006 Minibin and Power Supply Operating Manual, Advanced Measurement Technology, Inc [9] Ludlum Measurement (2005), Instruction Manual Ludlum Model 2200 Scaler Ratemeter, Ludlum Measurement, Inc [10] Ludlum Measurement (2007), Instruction Manual Ludlum Model 44-10 Gamma scintillator, Ludlum Measurement, Inc [11] Scientific and Producing Company Doza (2006), Alpha-Beta Radiometer for Low Activity Measurement UMF-2000 GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 89 SVTH: Lý Duy Nhất [...]... phân biệt các xung trong các kênh khác nhau theo độ cao của chúng Số xung đếm được trong một kênh được biểu diễn trên một sự mô tả trực quan và cung cấp thông tin về phổ năng lượng của bức xạ GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 32 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ GHI ĐO BỨC XẠ TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN 1... sự ghi đo các hạt alpha và các ion nặng nhưng nhược điểm chính là lớp mỏng này có thể dể dàng bị đâm thủng bởi các vật nhọn GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 28 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân 2.2.2.2 Các detector Natri iodide Các detector Natri iodide cùng với sự cộng thêm các nguyên tử thallium NaI(Tl) thì chúng có rất nhiều khả năng ghi đo. .. 150 keV), các tia X và các hạt beta 2.1.2.3.5 Các detector germanium siêu tinh khiết GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 26 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Germanium tinh khiết có hiệu suất ghi cao đối với sự ghi đo của bức xạ gamma Vì vậy nếu các tạp chất trong một tinh thể Germanium được duy trì thấp thì có thể thu được các vùng nghèo (các thể tích... lớp vật liệu loại p rất mỏng được kết tủa trên vật chất loại n (hình 2.7) Do lớp vật liệu p của detector hàng rào mặt rất mỏng, nên bức xạ tới dễ đi qua để tới thể tích nhạy và các hạt tích điện có thể dễ dàng được ghi nhận hơn GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 24 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Cũng với khả năng ghi đo các hạt tích điện thì các. .. nhấp nháy và có thể dẫn đến hiệu suất ghi rất cao 2.2.3 Các ống nhân quang điện 2.2.3.1 Giới thiệu Các ống nhân quang điện (hoặc PM) là cần thiết trong các mạch nhấp nháy để biến đổi các photon ánh sáng từ chất nhấp nháy sáng thành các xung điện GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 29 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân 2.2.3.2 Nguyên tắc hoạt động Trước... Nhất Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Do các photon được phát xạ và cường độ của ánh sáng này tỷ lệ với năng lượng của bức xạ tới Vì vậy, các detector nhấp nháy có thể được sử dụng không chỉ để ghi đo bức xạ mà còn để phân biệt các mức năng lượng ngoài (tức là chúng có thể được sử dụng cho các mục đích đo phổ) 2.2.2 Các kiểu của detector nhấp nháy Các chất phosphor...Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân c  3.1010 cm / s , là vận tốc ánh sáng I  8,6.10-5 MeV đối với không khí và I  1, 36.10-5 Z (MeV ) đối với các chất hấp thụ khác, là năng lượng ion hóa và kích thích của nguyên tử chất hấp thụ 1.2.2 Quãng chạy của hạt alpha trong vật chất Hạt alpha có khả năng đâm xuyên thấp nhất trong số các bức xạ ion hóa Trong không... Nhất Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân xảy ra gần hạt nhân, do động năng chuyển động giật lùi của hạt nhân rất bé nên phần năng lượng còn dư biến thành động năng của electron và positron Quá trình tạo cặp cũng có thể xảy ra gần electron nhưng xác suất rất bé so với quá trình tạo cặp gần hạt nhân 2 CÁC DỤNG CỤ GHI ĐO BỨC XẠ Con người không cảm nhận được các bức xạ,... một giới hạn thời gian sống hữu ích khoảng 109 tổng số đếm Đối với các GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 20 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân ống chứa khí halogen thì có thời gian sống dài hơn và giúp ích hơn ở các trạng thái có tốc độ đếm cao Các bộ đếm Geiger - Meller có thể tạo các hình dạng và kích thước khác nhau Nhưng phần lớn trong các ứng... Bức xạ alpha và beta có tính chất hạt nên chúng có quãng chạy hữu hạn trong vật chất, nghĩa là chúng có thể bị hấp thụ hoàn toàn, trong khi đó bức xạ GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 10 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân gamma chỉ bị suy giảm về cường độ chùm tia khi tăng bề dày vật chất mà không bị hấp thụ hoàn toàn Ta xét một chùm tia hẹp gamma