Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật lý hạt nhân

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 5 năm 2009 Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 1 SVTH: Lý Duy Nhất LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện và hồn thành khĩa luận này, ngồi những nỗ lực của bản thân, em cịn nhận được sự quan tâm giúp đỡ và động viên của quí thầy cơ

pdf90 trang | Chia sẻ: huyen82 | Lượt xem: 1663 | Lượt tải: 1download
Tóm tắt tài liệu Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật lý hạt nhân, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
trong khoa Vật Lý trường ĐH Sư Phạm TP. Hồ Chí Minh. Em xin được bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới TS. Thái Khắc Định – thầy đã tận tình hướng dẫn, truyền thụ cho em những kiến thức bổ ích, đĩng gĩp những kinh nghiệm quí báu để em thực hiện khĩa luận này. Em khơng thể nào quên cơng lao của thầy Hồng Đức Tâm cũng như các thầy cơ trong tổ bộ mơn “Vật Lý Hạt Nhân”, các thầy cơ đã động viên giúp đỡ, chỉ bảo tận tình và truyền cho em lịng nhiệt tình trong nghiên cứu khoa học. Xin cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè đã hỗ trợ về mặt tinh thần cho Nhất hồn thành khĩa luận này. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn. Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 2 SVTH: Lý Duy Nhất MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Thí nghiệm vật lý là một phần khơng thể thiếu trong học tập và nghiên cứu vật lý. Thực hành vật lý rèn luyện cho sinh viên phương pháp học tập, nghiên cứu và kỹ năng thực hành vật lý, củng cố các kiến thức lý thuyết đã được học. Nĩ cĩ tác dụng to lớn trong việc rèn luyện cho sinh viên những đức tính của người làm cơng tác khoa học nĩi chung, làm cơng tác vật lý nĩi riêng. Ngồi ra, thực hành vật lý cịn giúp cho sinh viên làm quen với việc nghiên cứu các hiện tượng vật lý trong phịng thí nghiệm, kiểm nghiệm lại các định luật vật lý đã được học. Thơng qua các bài thí nghiệm vật lý, sinh viên bước đầu làm quen với phương pháp nghiên cứu của bộ mơn. So với các mơn học vật lý khác, “VẬT LÝ NGUYÊN TỬ VÀ HẠT NHÂN” là mơn học khĩ, ngồi việc học những kiến thức khơ khan sinh viên cần phải được thực hành trên những thiết bị ghi đo trong phịng thí nghiệm. Sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành giúp cho sinh viên nắm được cốt lỗi trong mơn học hơn, giúp cho sinh viên phát triển tư duy và khả năng sáng tạo trong quá trình học tập. Đồng thời làm cho việc học vật lý trở nên lý thú hơn, cĩ hiệu quả hơn. Nhờ sự quan tâm của quí thầy cơ trong khoa vật lý và lãnh đạo trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh, phịng thí nghiệm vật lý hạt nhân được xây dựng và hồn thành vào giữa năm 2008. Do đây là phịng thí nghiệm mới được thành lập và trên con đường hồn thiện nên việc tìm hiểu các dụng cụ, thiết bị trong phịng thí nghiệm là vấn đề cấp thiết. Trước tình hình đĩ, em quyết định thực hiện khĩa luận tốt nghiệp với đề tài “TÌM HIỂU VỀ CÁC HỆ GHI ĐO TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN” nhằm gĩp một phần nhỏ vào cơng tác đào tạo cũng như cơng việc hồn thiện phịng thí nghiệm vật lý hạt nhân của quí trường. Bên cạnh đĩ khĩa luận tốt nghiệp cịn giúp em tự mở rộng thêm sự hiểu biết của mình sang lĩnh vực vật lý hạt nhân. 2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI  Tìm hiểu cơ chế hoạt động của các thiết bị ghi đo bức xạ ion hĩa.  Tìm hiểu cấu tạo, đặc tính kỹ thuật và cách vận hành các thiết bị trong phịng thí nghiệm vật lý hạt nhân. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 3 SVTH: Lý Duy Nhất  Xây dựng một số bài thí nghiệm dựa trên các dụng cụ ghi đo bức xạ ion hĩa trong phịng thí nghiệm vật lý hạt nhân. 3. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN Từ mục tiêu đã đề ra, em xây dựng cấu trúc của luận văn gồm cĩ ba phần chính:  Phần mở đầu trình bày về lý do chọn đề tài, mục tiêu và bố cục của 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 ra những nhận xét tổng quát về đề tài và những kiến nghị nhằm hồn thiện phịng thí nghiệm vật lý hạt nhân. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 4 SVTH: Lý Duy Nhất NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC DỤNG CỤ CHÍNH TRONG HỆ GHI ĐO BỨC XẠ ION HĨA 1. TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ VỚI VẬT CHẤT Các bức xạ được khảo sát bao gồm các hạt tích điện như alpha và beta, các tia gamma và tia X. Để hiểu được cơ sở vật lý của việc chế tạo ra các thiết bị ghi đo bức xạ ta cần hiểu các cơ chế tương tác của bức xạ với vật chất. Trong quá trình tương tác của bức xạ với vật chất, năng lượng của tia bức xạ được truyền cho các electron quỹ đạo hoặc cho hạt nhân nguyên tử tùy thuộc vào loại và năng lượng của bức xạ cũng như bản chất của mơi trường hấp thụ. Các hiệu ứng chung khi tương tác của bức xạ với vật chất là kích thích và ion hĩa nguyên tử của mơi trường hấp thụ. 1.1. TƯƠNG TÁC CỦA HẠT BETA VỚI VẬT CHẤT 1.1.1. Sự ion hĩa Do hạt beta mang điện tích nên cơ chế tương tác của nĩ với vật chất là tương tác tĩnh điện với các electron quỹ đạo làm kích thích và ion hĩa các nguyên tử mơi trường. Trong trường hợp nguyên tử mơi trường bị ion hĩa, hạt beta mất một phần năng lượng tE để đánh bật một electron quỹ đạo ra ngồi. Động năng kE của electron bị bắn ra liên hệ với năng lượng ion hĩa của nguyên tử E và độ mất năng lượng tE như sau: k tE E E  (1.1) Trong đĩ năng lượng ion hĩa E được xác định theo cơng thức: 1 1E Rh Rh       . Trong nhiều trường hợp electron bắn ra cĩ động năng đủ lớn để cĩ thể ion hĩa nguyên tử tiếp theo, đĩ là electron thứ cấp (delta electron). Do hạt beta chỉ mất một phần năng lượng tE để ion hĩa nguyên tử, nên dọc theo đường đi của mình, nĩ cĩ thể gây ra thêm một số lớn cặp ion. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 5 SVTH: Lý Duy Nhất Năng lượng trung bình để sinh một cặp ion thường gấp 2 đến 3 lần năng lượng ion hĩa. Bởi vì, ngồi quá trình ion hĩa, hạt beta cịn mất năng lượng do kích thích nguyên tử. Do hạt beta cĩ khối lượng bằng khối lượng electron quỹ đạo nên va chạm giữa chúng làm hạt beta chuyển động lệch khỏi hướng ban đầu. Do đĩ, hạt beta chuyển động theo đường cong khúc khuỷu sau nhiều lần va chạm trong mơi trường hấp thụ và cuối cùng sẽ dừng lại khi mất hết năng lượng. 1.1.2. Độ ion hĩa riêng Độ ion hĩa riêng là số cặp ion được tạo ra khi hạt beta chuyển động được một centimet trong mơi trường hấp thụ. Độ ion hĩa riêng khá cao đối với các hạt beta năng lượng thấp, giảm dần khi tăng năng lượng hạt beta và đạt cực tiểu ở năng lượng khoảng 1 MeV, rồi sau đĩ tăng chậm (hình 1.1). Độ ion hĩa riêng được xác định qua tốc độ mất năng lượng tuyến tính của hạt beta do ion hĩa và kích thích, một thơng số quan trọng dùng để thiết kế thiết bị đo liều bức xạ và tính tốn hiệu ứng sinh học của bức xạ. Tốc độ mất năng lượng tuyến tính của hạt beta tuân theo cơng thức: 24 9 4 2 2 6 2 2 2 2 (3.10 ) ln / (1,6.10 ) (1 ) m k m E EdE q NZ MeV cm dx E I              (1.1) Trong đĩ: -19q = l,6.10 C , điện tích của electron. N là số nguyên tử chất hấp thụ trong 1 cm3. Z là số nguyên tử của chất hấp thụ. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 6 SVTH: Lý Duy Nhất 20 3 3,88.10 /NZ cm , số electron của khơng khí ở nhiệt độ 0oC và áp suất 76 cm thủy ngân. 0,51mE MeV , năng lượng tĩnh của electron. kE là động năng của hạt beta. /v c  , trong đĩ v là vận tốc của hạt beta cịn c = 3.1010 cm/s. -58,6.10I MeV đối với khơng khí và ( -51,36.10 )I Z MeV đối với các chất hấp thụ khác, là năng lượng ion hĩa và kích thích của nguyên tử chất hấp thụ. Nếu biết trước đại lượng w, là độ mất năng lượng trung bình sinh cặp ion, thì độ ion hĩa riêng s được tính theo cơng thức sau: / ( / ) ( / . ) dE dx eV cms w eV c i  (1.2) Trong đĩ .c i là cặp ion. 1.1.3. Hệ số truyền năng lượng tuyến tính Độ ion hĩa riêng được dùng xem xét độ mất năng lượng do ion hĩa. Khi quan tâm đến mơi trường hấp thụ, thường sử dụng tốc độ hấp thụ năng lượng tuyến tính của mơi trường khi hạt beta đi qua nĩ. Đại lượng xác định tốc độ hấp thụ năng lượng nĩi trên là hệ số truyền năng lượng tuyến tính. Hệ số truyền năng lượng tuyến tính LET (Linear Energy Transfer) được định nghĩa theo cơng thức sau: dE d LET   (1.3) Trong đĩ dE là năng lượng trung bình mà hạt beta truyền cho mơi trường hấp thụ khi đi qua quãng đường dài d . Đơn vị đo thường dùng đối với LET là /keV m . 1.1.4. Bức xạ hãm Khi hạt beta đến gần hạt nhân, lực hút Coulomb mạnh làm nĩ thay đổi đột ngột hướng bay ban đầu và mất năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ, gọi là bức xạ hãm, hay Bremsstrahlung. Năng lượng bức xạ hãm phân bố liên tục từ 0 đến giá trị cực đại bằng động năng của hạt beta. Khĩ tính tốn dạng của phân bố năng lượng các bức xạ hãm nên người ta thường sử dụng các đường cong đo đạt thực nghiệm. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 7 SVTH: Lý Duy Nhất Để đánh giá mức độ nguy hiểm của bức xạ hãm, người ta thường dùng cơng thức gần đúng sau đây: -4 maxf = 3,5.10 ZE (1.4) Trong đĩ f là phần năng lượng tia beta chuyển thành photon, Z là số nguyên tử của chất hấp thụ và maxE (MeV) là năng lượng cực đại của hạt beta. 1.1.5. Quãng chạy của hạt beta trong vật chất Do hạt beta mất năng lượng dọc theo đường đi của mình nên nĩ chỉ đi được một quãng đường hữu hạn. Như vậy, nếu cho một chùm tia beta đi qua bản vật chất, chùm tia này bị dừng lại sau một khoảng đường đi nào đĩ. Khoảng đường đi này gọi là quãng chạy (range) của hạt beta, quãng chạy của hạt beta phụ thuộc vào năng lượng tia beta và mật độ vật chất của mơi trường hấp thụ. Biết được quãng chạy của hạt beta với năng lượng cho trước cĩ thể tính được độ dày của vật che chắn làm từ vật liệu cho trước. Một đại lượng thường dùng khi tính tốn thiết kế che chắn là độ dày hấp thụ một nữa (absorber half - thickness), tức là độ dày của chất hấp thụ làm giảm số hạt beta ban đầu cịn lại 1/2 sau khi đi qua bản hấp thụ. Đo đạc thực nghiệm cho thấy độ dày hấp thụ một nửa vào khoảng 1/8 quảng chạy. Hình 1.2 trình bày sự phụ thuộc quãng chạy cực đại của các hạt beta vào năng lượng của chúng đối với một số chất hấp thụ thơng dụng. Hình 1.2 cho thấy rằng quãng chạy của hạt beta với năng lượng cho trước giảm khi tăng mật độ chất hấp thụ. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 8 SVTH: Lý Duy Nhất Ngồi bề dày tuyến tính d (linear thickness) tính theo centimet người ta cịn dùng bề dày mật độ md (density thickness) tính theo mật độ diện tích, đơn vị g/cm2, được xác định như sau: 2 3( / ) ( / ). ( )md g cm g cm d cm (1.5) Trong đĩ:  là mật độ khối của chất hấp thụ tính theo g/cm3. Việc sử dụng bề dày mật độ làm dễ dàng cho việc tính tốn vì khi đĩ bề dày khơng phụ thuộc vào vật liệu cụ thể. Hình 1.3 trình bày đường cong miêu tả sự phụ thuộc quãng chạy của hạt beta tính theo đơn vị bề dày mật độ vào năng lượng của nĩ. Đường cong này dùng thay cho các đường cong trên hình 1.2 khi tính quãng chạy theo đơn vị bề dày mật độ. Đường cong quãng chạy - năng lượng trên hình 1.3 được biểu diễn bằng cơng thức sau đây: Đối với miền năng lượng beta 0,01 2,5 E MeV  1,265 0.0954 ln = 412. ER E  (1.6) Đối với miền quãng chạy R < 1200. 1 2ln 6,63 3,2376.(10,2146 ln )E R   (1.7) Đối với miền năng lượng beta E > 2,5 MeV và miền quãng chạy R > 1200. 530 106R E  (1.8) Trong đĩ R là quãng chạy, tính theo mg/cm2 và E là năng lượng cực đại của tia beta, tính theo đơn vị MeV. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 9 SVTH: Lý Duy Nhất 1.2. TƯƠNG TÁC CỦA HẠT ALPHA VỚI VẬT CHẤT 1.2.1. Truyền năng lượng của hạt alpha Cũng giống như hạt beta, hạt alpha khi đi qua mơi trường vật chất cũng bị mất năng lượng do ion hĩa và kích thích nguyên tử của mơi trường hấp thụ. Khi đi qua phần khơng khí của tế bào xốp, hạt alpha mất một lượng năng lượng trung bình 35 eV cho một cặp ion. Do hạt alpha cĩ điện tích lớn hơn hạt beta hai lần và khối lượng rất lớn, dẫn tới vận tốc của nĩ tương đối thấp nên độ ion hĩa riêng của nĩ rất cao, vào khoảng hàng nghìn cặp ion trên 1 cm trong khơng khí (hình 1.4). Tốc độ mất năng lượng tuyến tính của tất cả các hạt tích điện nặng hơn hạt electron, trong đĩ cĩ hạt alpha, tuân theo cơng thức: 2 4 9 4 2 2 2 2 6 2 2 4 (3.10 ) 2ln ln 1 / .1,6.10 dE z q NZ Mv v v Mev cm dx Mv I c c                (1.9) Trong đĩ: z là số nguyên tử của hạt gây ion hĩa, z = 2 đối hạt alpha. -191,6.10q C , điện tích của electron. zq là điện tích của hạt gây ion hĩa. M là khối lượng tĩnh của hạt gây ion hĩa. -246,6.10M g đối với hạt alpha. v là vận tốc của hạt gây ion hĩa. N là số nguyên tử chất hấp thụ trong 1 cm3. Z là số nguyên tử của chất hấp thụ. NZ là số electron của chất hấp thụ trong 1 cm3. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 10 SVTH: Lý Duy Nhất 103.10 /c cm s , là vận tốc ánh sáng. -58,6.10I MeV đối với khơng khí và ( -51,36.10 )I Z MeV đối với các chất hấp thụ khác, là năng lượng ion hĩa và kích thích của nguyên tử chất hấp thụ. 1.2.2. Quãng chạy của hạt alpha trong vật chất Hạt alpha cĩ khả năng đâm xuyên thấp nhất trong số các bức xạ ion hĩa. Trong khơng khí, ngay cả hạt alpha cĩ năng lượng cao nhất do các nguồn phĩng xạ phát ra cũng chỉ đi được một vài centimet, cịn trong mơ sinh học quãng chạy của nĩ cĩ kích thước cỡ micromet. Cĩ hai định nghĩa về quãng chạy của hạt alpha, là quãng chạy trung bình và quãng chạy ngoại suy, được minh họa trên hình 1.5. Trên hình 1.5, đường cong hấp thụ của hạt alpha cĩ dạng phẳng vì nĩ là hạt đơn năng lượng. Ở cuối quãng chạy, số đếm các hạt alpha giảm nhanh khi tăng bề dày chất hấp thụ. Quãng chạy trung bình được một nữa chiều cao đường hấp thụ cịn quãng chạy ngoại suy được xác định khi ngoại suy đường hấp thụ đến giá trị 0. 1.3. TƯƠNG TÁC CỦA TIA X VÀ TIA GAMMA VỚI VẬT CHẤT 1.3.1. Sự suy giảm bức xạ gamma khi đi qua mơi trường Tia X và tia gamma cĩ cùng bản chất sĩng điện từ, đĩ là các photon năng lượng cao. Do sự tương tác của các tia này với vật chất cĩ tính chất chung nên để đơn giản ta gọi là tương tác của tia gamma với vật chất. Sự suy giảm bức xạ gamma khi đi qua mơi trường khác với sự suy giảm của các bức xạ alpha và beta. Bức xạ alpha và beta cĩ tính chất hạt nên chúng cĩ quãng chạy hữu hạn trong vật chất, nghĩa là chúng cĩ thể bị hấp thụ hồn tồn, trong khi đĩ bức xạ Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 11 SVTH: Lý Duy Nhất gamma chỉ bị suy giảm về cường độ chùm tia khi tăng bề dày vật chất mà khơng bị hấp thụ hồn tồn. Ta xét một chùm tia hẹp gamma đơn năng với cường độ ban đầu oI . Sự thay đổi cường độ khi đi qua một lớp mỏng vật liệu dx bằng: dI Idx  (1.10) Trong đĩ  là hệ số suy giảm tuyến tính (linear attenuation coeficient). Đại lượng này cĩ thứ nguyên (độ dày)-1 và thường tính theo cm-1. Từ (1.10) cĩ thể viết phương trình: dI dx I   Giải phương trình ta được: xoI I e  (1.11) Hệ số suy giảm tuyến tính  phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma và mật độ vật liệu mơi trường ( , )E   . 1.3.2. Các cơ chế tương tác của tia X và tia gamma với vật chất Do sự tương tác của các tia X và tia gamma với vật chất cĩ tính chất chung nên để đơn giản ta gọi là tương tác của tia gamma với vật chất. Tương tác của gamma khơng gây hiện tượng ion hĩa trực tiếp như hạt tích điện. Tuy nhiên, khi gamma tương tác với nguyên tử, nĩ làm bứt electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử hay sinh ra các cặp electron - positron (là hạt cĩ khối lượng bằng electron nhưng mang điện tính dương +e). Đến lượt mình, các electron này gây ion hĩa và đĩ là cơ chế cơ bản mà tia gamma năng lượng cao cĩ thể ghi đo và cũng nhờ đĩ chúng cĩ thể gây nên hiệu ứng sinh học phĩng xạ. Cĩ ba dạng tương tác cơ bản của gamma với nguyên tử là hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp. 1.3.2.1. Hiệu ứng quang điện Khi gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma biến mất và năng lượng gamma được truyền cho electron quỹ đạo để nĩ bay ra khỏi nguyên tử. Electron này được gọi là quang electron (photoelectron). Quang electron nhận được động năng Ee bằng hiệu số giữa năng lượng gamma tới E và năng lượng liên kết EB của electron trên lớp vỏ trước khi bị bứt ra. Hình 1.6a Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 12 SVTH: Lý Duy Nhất e BE E E  (1.12) Theo cơng thức (1.12) năng lượng của gamma tới ít nhất phải bằng năng lượng liên kết của electron thì hiệu ứng quang điện mới xảy ra. Tương tác này ra với xác suất lớn nhất khi năng lượng gamma vừa vượt qua năng lượng liên kết, đặc biệt là đối với các lớp trong cùng. Hình 1.6b Khi năng lượng tăng, xác suất tương tác giảm dần theo hàm 31E . Xác suất tổng cộng của hiệu ứng quang điện đối với tất cả các electron quỹ đạo kE E trong đĩ Ek là năng lượng liên kết của electron lớp K, tuân theo quy luật 7 2 1 E cịn khi E >> Ek theo quy luật 1 E . Do năng lượng liên kết thay đổi theo số nguyên tử Z nên tiết diện tương tác quang điện phụ thuộc vào Z, theo quy luật Z5. Như vậy tiết diện hiệu ứng quang điện: 5 7 / 2photo Z E  khi kE E và 5 photo Z E  khi E >> Ek. Các cơng thức trên cho thấy hiệu ứng quang điện xảy ra với tiết diện rất lớn đối với các nguyên tử nặng (chẳng hạn chì) ngay cả ở vùng năng lượng cao, cịn đối với các nguyên tử nhẹ (chẳng hạn cơ thể sinh học) hiệu ứng quang điện chỉ xuất hiện đáng kể ở vùng năng lượng thấp. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 13 SVTH: Lý Duy Nhất Khi electron được bứt ra từ một lớp vỏ nguyên tử, chẳng hạn từ lớp vỏ trong cùng K, thì tại đĩ một lỗ trống được sinh ra. Sau đĩ lỗ trống này được một electron từ lớp vỏ ngồi chuyển xuống chiếm đầy. Quá trình này dẫn tới bức xạ ra các tia X đặc trưng. 1.3.2.2. Hiệu ứng Compton Trong quá trình Compton, gamma năng lượng cao tán xạ đàn hồi lên electron ở quỹ đạo ngồi. Gamma thay đổi phương bay và bị mất một phần năng lượng cịn electron được giải phĩng ra khỏi nguyên tử (Hình 1.7a). Quá trình tán xạ Compton cĩ thể coi như quá trình gamma tán xạ đàn hồi lên electron tự do (Hình1.7b). Trên cơ sở tính tốn động học của quá trình tán xạ đàn hồi của hạt gamma chuyển động với năng lượng E lên electron đứng yên ta cĩ các cơng thức sau đây đối với năng lượng gamma E’ và electron Ee sau tán xạ phụ thuộc vào gĩc tán xạ  gamma sau tán xạ: (1 cos ) 1 (1 cos )e E E       (1.13) ' 1 1 (1 cos ) E E     (1.14) Trong đĩ: 2 e E m c   ; 319,1.10 em kg là khối lượng electron và c = 3.108m/s là vận tốc ánh sáng; 2 0,51em c MeV . Gĩc tán xạ  của electron sau tán xạ liên hệ với gĩc  như sau: Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 14 SVTH: Lý Duy Nhất ' 1 cotg 21 tg E E     (1.15) Theo (1.15) gĩc tán xạ của gamma sau tán xạ càng lớn thì E càng bé. Nghĩa là gamma càng mất nhiều năng lượng. Gamma chuyển phần năng lượng lớn nhất cho electron sau tán xạ bay ra một gĩc 180o, tức là khi tán xạ giật lùi. Gĩc tán xạ của gamma tán xạ cĩ thể thay đổi từ 0o đến 180o trong lúc electron chủ yếu bay về phía trước, nghĩa là gĩc tán xạ  của nĩ thay đổi từ 0o đến 90o. Tiết diện quá trình tán xạ Compton tỉ lệ thuận với điện tích Z của nguyên tử và tỷ lệ nghịch với năng lượng gamma. Compt Z E  1.3.2.3. Hiệu ứng sinh cặp electron-positron Electron cĩ khối lượng bằng 199,1.10 em kg hay năng lượng tĩnh của nĩ, theo cơng thức Einstein, bằng 2 0,51mE mc MeV  . Nếu gamma vào cĩ năng lượng lớn hơn hai lần năng lượng tĩnh electron 22 1,02em c MeV thì khi đi qua điện trường của hạt nhân nĩ sinh ra một cặp electron - positron (positron cĩ khối lượng bằng khối lượng electron nhưng mang điện tích dương +le). Đĩ là hiệu ứng sinh cặp electron - positron (Hình 1.8). Sự biến đổi năng lượng thành khối lượng như trên phải xảy ra gần một hạt nào đĩ để hạt này chuyển động giật lùi giúp tổng động lượng được bảo tồn. Quá trình tạo cặp Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 15 SVTH: Lý Duy Nhất xảy ra gần hạt nhân, do động năng chuyển động giật lùi của hạt nhân rất bé nên phần năng lượng cịn dư biến thành động năng của electron và positron. Quá trình tạo cặp cũng cĩ 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 khơng cảm nhận được các bức xạ, do đĩ cần cĩ thiết bị để ghi và đo chúng. Bộ phận quan trọng nhất trong các thiết bị bức xạ là các detector bức xạ. Đĩ là các dụng cụ đo đạc dựa trên sự tương tác của các hạt bức xạ với vật chất. Mỗi loại bức xạ đều tương tác với vật chất theo một số cơ chế đặc thù, do đĩ detector thường được thiết kế để sử dụng cho một hoặc vài loại bức xạ xác định và các thiết bị đo đạc bức xạ cĩ nhiều dạng khác nhau tùy mục đích sử dụng. 2.1. CÁC DETECTOR DỰA TRÊN SỰ ION HĨA Cĩ hai loại detector thường được sử dụng nhiều nhất trong việc ghi đo bức xạ dựa trên sự ion hĩa đĩ là các detector chứa khí và các detector dẫn điện trạng thái rắn. 2.1.1. Các detector chứa khí 2.1.1.1. Cấu tạo Các detector chứa khí bao gồm một buồng chứa khí (thường là khơng khí) và hai tấm điện thế được gọi là các điện cực. Điện cực dương được gọi là anode và thường nằm ở trung tâm của buồng đo. Nĩ được cách điện với lớp vỏ bọc bên ngồi. Lớp vỏ bọc bên ngồi của buồng này thường là điện cực âm (cathode). Hình 2.1 chỉ ra một sơ đồ đơn giản của một detector chứa khí. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 16 SVTH: Lý Duy Nhất 2.1.1.2. Nguyên tắc hoạt động Bức xạ tới tương tác với các vách của buồng hoặc các hạt khí và tạo thành các cặp ion. Khi một điện thế được áp giữa các điện cực thì các ion dương bị hút về phía cathode tích điện âm và các electron bị hút về phía anode tích điện dương. Một điện tích được tích lũy trên anode sẽ gây ra một biến đổi điện thế trong mạch. Sự biến đổi điện thế này được xem như là một xung và sự cĩ mặt của xung này sinh ra một dịng điện chảy trong mạch ngồi. Bằng cách ghi đo hoặc là xung hoặc là dịng điện này thì chúng ta cĩ thể ghi nhận sự cĩ mặt của bức xạ ion hố. Kích thước của xung phụ thuộc số electron được thu nhận bởi anode và điểm này cĩ thể phụ thuộc vào lượng bức xạ ion hố trong buồng cũng như loại bức xạ và năng lượng của nĩ. Thêm vào đĩ, kích thước của xung cũng phụ thuộc vào điện thế giữa anode và cathode. Hình 2.2 chỉ ra cách thay đổi kích thước xung (hoặc độ lớn) khi điện thế áp vào được tăng lên. Từ hình 2.2 thì sự thay đổi độ lớn của xung theo điện thế biểu diễn một số vùng được xác định rõ rệt. Những vùng này được gọi là các vùng: tái hợp (1), buồng ion (2), tỷ lệ (3), Geiger - Muller (4) và phĩng điện liên tục (5). 2.1.1.2.1. Vùng tái hợp Khi điện thế trong buồng là khá thấp thì lực tác dụng lên các ion (lực hút các ion tới các điện cực) cũng là khá thấp. Trong trường hợp này, cĩ hai quá trình cạnh tranh đối với các ion. Một trong hai quá trình này là sự tập hợp ion và hai là sự tái hợp ion. Điều Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 17 SVTH: Lý Duy Nhất này cĩ nghĩa là sau khi một ion được tạo thành thì nĩ cĩ thể tái hợp để trở lại trung hịa trước khi nĩ bị hút về các điện cực. Vì vậy xung ở mạch ngồi phụ thuộc vào kết quả giữa hai quá trình này. Khi điện thế qua các điện cực được tăng lên thì các ion tới điện cực nhiều hơn và kích thước của xung tăng lên (xem hình 2.2). Tuy nhiên, sự tái hợp của các ion vẫn là đáng kể vì vậy vùng này được gọi là vùng tái hợp. Các detector chứa khí thường khơng được hoạt động trong vùng này vì sự tái hợp của các ion làm cho nĩ rất khĩ đo được lượng bức xạ tới. 2.1.1.2.2. Vùng buồng ion Khi điện thế là đủ lớn thì hầu hết các ion được phát ra đều đi tới điện cực và các ion bị mất do sự tái hợp là khơng đáng kể. Trong vùng này gần như tất cả các ion sẽ được thu nhận và kích thước của xung khơng tăng nữa theo điện thế được áp vào. Dịng điện trong mạch ngồi cũng tiến tới một giá trị cực đại được gọi là dịng bão hịa. Dịng bão hịa này tỷ lệ với lượng bức xạ trong buồng và nếu lượng bức xạ được tăng lên thì dịng bão hịa cũng được tăng lên. Buồng ion hĩa làm việc ở vùng bão hịa này cho phép bảo đảm độ nhạy cực đại đối với việc ghi đo bức xạ và đồng thời đảm bảo sự ổn định của số đo khi cĩ sự thăng giáng điện thế giữa hai điện cực. Độ dài miền bão hịa phụ thuộc vào loại chất khí, áp suất khí, kích thước và bố trí hình học của các điện cực. Detector làm việc ở vùng này gọi là buồng ion hĩa. 2.1.1.2.3. Vùng tỷ lệ Khi điện thế được tăng nhanh trong vùng buồng ion thì kích thước xung bắt đầu lại tăng. Bởi vì khi điện thế áp vào được tăng lên thì các ion khơng chỉ nhận thêm đủ năng lượng để đi tới các điện cực mà cịn nhận thêm đủ năng lượng để được gia tốc nhanh hơn. Sự gia tốc này sinh ra nhiều cặp ion hơn, chúng được tạo ra qua sự ion hĩa thứ cấp của các hạt trong chất khí. Quá trình này được gọi là sự nhân khí và dẫn đến các ion được thu nhận nhiều hơn và do đĩ thu được một xung rộng hơn. Sự tăng số các ion được thu nhận phụ thuộc vào điện thế đặt giữa anode và cathode. Tuy nhiên, kích thước xung tổng mà được tạo ra cũng tỷ lệ với số các ion ban đầu được tạo ra trong chất khí. Vì lý do đĩ nên vùng này được gọi là vùng tỷ lệ. Dectector làm việc ở vùng này gọi là ống đếm tỷ lệ. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 18 SVTH: Lý Duy Nhất 2.1.1.2.4. Vùng Geiger - Muller Nếu điện thế vẫn được tăng thêm nữa thì sự nhân khí là lớn đến mức mà một hạt ion hĩa đơn lẻ tạo ra nhiều các thác ion dọc theo chiều dài của anode, dẫn đến kích thước xung là rất rộng. Vùng này gọi là vùng Geiger - Muller (G - M). Detector làm việc ở vùng này gọi là ống đếm G - M. Đặc trưng tốc độ đếm - điện thế đối với ống đếm G - M là cĩ miền plateau, tại đĩ tốc độ đếm khơng thay đổi khi tăng điện thế nguồn nuơi. Giống như ống đếm tỉ lệ, ống đếm G - M dùng để đếm các hạt xạ ion hĩa riêng biệt. Tuy nhiên do tín hiệu ra cĩ biên bộ khơng đổi, khơng phụ thuộc vào năng lượng bức xạ vào, nên ống đếm G - M khơng thể phân biệt được năng lượng của các bức xạ vào. 2.1.1.2.5. Vùng phĩng điện liên tục Nếu điện thế được tăng lên vượt xa hơn so với trạng thái ổn định của vùng Geiger- Muller thì điện thế là đủ cao để ion hĩa trực tiếp các phân tử khí và một tín hiệu rộng được phát ra ngay cả khi trường bức xạ bị dịch chuyển. Vùng này được gọi là vùng phĩng điện liên tục và khi đĩ kết quả đọc cĩ thể sẽ khơng đúng, các detector ghi bức xạ sẽ khơng được hoạt động trong vùng này. 2.1.1.3. Phân giải thời gian, thời gian chết và thời gian phục hồi Phân giải thời gian của một detector được định nghĩa là lượng thời gian nhỏ nhất mà phải phân biệt được hai sự kiện để chúng được ghi lại như hai quá trình tách rời nhau. Nếu phân giải thời gian của một detector là quá dài, thì ở các tốc độ đếm cao sẽ cĩ nhiều thơng tin bị mất. Điều này cĩ nghĩa là tổng các số đếm khi đĩ cĩ thể bị đánh giá sai. Phân giải thời gian phụ thuộc vào các tham số sau: Thời gian chết của delector là độ dài thời gian đối với tín hiệu hoặc xung được tích luỹ đủ lớn để ghi nhận được nĩ. Thời gian phục hồi là độ dài thời gian mà detector khơi phục từ một sự kiện ion hố và trở lại trạng thái ban đầu của nĩ. Hình 2.3 biểu diễn cách tổ hợp thời gian chết và thời gian phục hồi từ detector Geiger - Muller để đưa ra phân giải thời gian. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 19 SVTH: Lý Duy Nhất Phân giải thời gian của detector phụ thuộc vào các tương tác xảy ra trong detector đĩ. Tuy nhiên, tồn bộ phân giải thời gian của một thiết bị hồn chỉnh cũng sẽ phụ thuộc vào thời gian chết gắn liền với các bộ phận điện tử của một hệ đếm. 2.1.1.4. Các loại detector chứa khí Cĩ ba loại như sau: Buồng ion hố; ống đếm tỷ lệ và ống đếm Geiger - Muller. 2.1.1.4.1. Các buồng ion hĩa Các buồng ion hĩa (thường được gọi phổ biến hơn là các buồng ion) được thiết kế để hoạt động ở dịng bão hịa trong vùng buồng ion được biểu diễn trong hình 2.2. Dịng điện trung bình lối ra được đo và tỷ lệ với lượng bức xạ tới mà buồng này đã được chiếu xạ. Vì tín hiệu lối ra thì khơng phụ thuộc vào điện thế nên khơng cần cĩ một nguồn điện thế mang tính ổn định cao. Tuy nhiên, điều quan trọng là điện thế đủ ổn định để bảo đảm rằng dịng bão hịa được duy trì. Để ngăn cản buồng ion hoạt động trong vùng tỷ lệ thì điện thế áp vào được giới hạn thấp hơn so với yêu cầu đặt ra để gây ra sự ion hố thứ cấp của các phân tử khí (điện thế vào cỡ 25V). Các dịng điện được tạo trong các buồng ion là rất nhỏ, tiêu biểu vào cỡ 10-12 A và vì vậy phải được khuếch đại đối với các kết quả đo. Do đĩ các thiết bị mà kết hợp với các detector buồng ion thì yêu cầu mạch trạng thái rắn khá phức tạp để khuếch đại các dịng một chiều vơ cùng nhỏ này. Thiết kế các buồng ion và chọn lựa khí đổ vào phụ thuộc vào ứng dụng riêng của từng thiết bị. Đối với các thiết bị kiểm tra bức xạ xách tay thì buồng này thường chứa đầy khơng khí và được cấu tạo từ các chất cĩ số nguyên tử thấp. Nếu thiết bị được sử Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 20 SVTH: Lý Duy Nhất d._.ụng để đo bức xạ alpha hoặc beta; gamma thì buồng này phải cĩ các lớp vách mỏng hoặc một cửa sổ rất mỏng được chế tạo từ vật liệu thích hợp, chỉ bằng cách đĩ loại detector này mới cĩ thể được sử dụng để phân biệt giữa các loại bức xạ alpha hay beta; gamma từ trong buồng. Các buồng ion cũng cĩ thể được kết hợp với các thiết bị khác để phân biệt giữa các năng lượng khác nhau của bức xạ tới. Quá trình này được gọi là quang phổ học. 2.1.1.4.2. Các ống đếm tỷ lệ Một ống đếm tỷ lệ là detector khí hoạt động trong vùng tỷ lệ hình 2.2. Do ảnh hưởng của sự nhân khí nên cĩ thể tăng số electron được tạo thành gần 104 lần. Điều này cĩ nghĩa là đối với mỗi electron được tạo ra bởi một sự kiện sự ion ban đầu thì cĩ thể cĩ thêm 10 nghìn electron được tạo ra. Do đĩ mỗi sự kiện ion hố cĩ thể phân biệt được và đếm được. Lối ra từ một bộ đếm tỷ lệ là một chuỗi các xung mà được đếm bởi một mạch đếm. Nĩi chung, thời gian phân giải thường rất ngắn đối với các bộ đếm này (nhỏ hơn một micro giây), vì vậy những tốc độ xung lớn cĩ thể đếm được. Ống đếm tỷ lệ cĩ thể được sử dụng với một mạch phân biệt độ cao của xung để phân biệt giữa các loại bức xạ trên cơ sở khả năng ion hĩa của chúng. Tuy nhiên, biên độ của một xung cũng rất nhỏ (cỡ bậc milivolt) và sự khuyếch đại trước là cần phải cĩ trước khi các xung này cĩ thể được đếm, vì độ dốc của đồ thị trong vùng tỷ lệ là khá dốc. Điều này cĩ nghĩa là một thay đổi nhỏ của điện thế được áp vào sẽ cĩ một ảnh hưởng tới độ lớn xung. Do đĩ điều quan trọng là nguồn cao thế phải rất ổn định. 2.1.1.4.3. Các bộ đếm Geiger – Muller (G - M) Các bộ đếm Geiger - Muller hoạt động trong vùng Geiger - Muller (G - M) được giới thiệu trong hình 2.2 và sử dụng một chất khí như P - 10. Trong vùng Geiger - Muller cĩ sự phĩng điện xảy ra dọc dây anode. Sự phĩng điện này phải bị dập tắt để ngăn cản sự tạo nhiều xung. Cĩ thể sử dụng một khí thích hợp như các khí hữu cơ (ví dụ ethyl alcohol) hoặc các halogen (ví dụ chlorine, bromine) thêm vào trong bình khí để giúp cho sự dập tắt sự phĩng điện. Các khí hữu cơ ở trên được sử dụng trong suốt quá trình dập tắt, do đĩ các ống được dập tắt bằng hữu cơ cĩ một giới hạn thời gian sống hữu ích khoảng 109 tổng số đếm. Đối với các Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 21 SVTH: Lý Duy Nhất ống chứa khí halogen thì cĩ thời gian sống dài hơn và giúp ích hơn ở các trạng thái cĩ tốc độ đếm cao. Các bộ đếm Geiger - Meller cĩ thể tạo các hình dạng và kích thước khác nhau. Nhưng phần lớn trong các ứng dụng thì bộ đếm là một hình trụ nên được gọi là ống đếm G - M. Một ống đếm G - M nhỏ cĩ thể đủ nhạy để đo các suất liều thấp trong khi một buồng ion hĩa với độ nhạy tương tự sẽ cần phải cĩ kích thước rộng hơn. Nếu bộ đếm được sử dụng để đo bức xạ alpha và beta thì nĩ phải cĩ một cửa sổ mỏng để ngăn cản bức xạ vào trong ống. Một ưu điểm của các bộ đếm G - M là ở đĩ xung lối ra cỡ vài volt, vì vậy tín hiệu khơng cần phải khuyếch đại trước và mạch cĩ thể được bảo quản đơn giản. Nên các bộ đếm Geiger - Muller rất bền và do đĩ chúng thường được sử dụng ở nơi làm việc để kiểm tra bức xạ gamma. Một trong những nhược điểm của một bộ đếm G - M là phân giải thời gian của chúng dài. Thời gian phân giải này thường cỡ 100 đến 300 micro giây. Bên cạnh đĩ, độ lớn của xung lối ra khơng phụ thuộc năng lượng của hạt ion hố. Điều này cĩ nghĩa là nĩ khơng thể phân biệt bằng điện tử giữa bức xạ alpha và beta và cũng khơng thể đo hoặc phân biệt giữa các mức năng lượng của bức xạ tới. 2.1.2. Các detector dẫn điện trạng thái rắn 2.1.2.1. Giới thiệu Các detector dẫn điện trạng thái rắn chứa các chất rắn tinh thể bán dẫn. Khi bức xạ ion hĩa tương tác với các chất rắn này thì tồn bộ tính dẫn điện của chất được tăng lên. Nếu ta đo được sự tăng này thì ta cĩ thể biết được lượng bức xạ tới thơng qua sự tương quan giữa chúng. 2.1.2.2. Nguyên tắc làm việc Để hiểu cách làm việc của các detector dẫn điện trạng thái rắn chúng ta cần phải khảo sát sự tương tác của bức xạ ion hĩa với các chất bán dẫn trên một qui mơ rất nhỏ. Chúng ta đã biết, các electron chỉ cĩ thể tồn tại trong các mức năng lượng xác định. Trong các chất rắn các mức năng lượng này được khảo sát như các vùng năng lượng. Các vùng năng lượng này được phân biệt bởi các vùng được gọi là các vùng cấm và vùng năng lượng cao nhất mà các electron thường tồn tại được gọi là vùng hố trị. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 22 SVTH: Lý Duy Nhất Bức xạ ion hĩa cĩ thể truyền đủ năng lượng cho một electron trong một chất rắn tinh thể bán dẫn để chuyển nĩ từ mức năng lượng thơng thường của nĩ (trong vùng hố trị) qua các mức cấm thơng thường (trong vùng cấm) và lên một trạng thái cĩ năng lượng cao hơn được gọi là vùng dẫn. Khi nĩ rời khỏi vùng hố trị thì nĩ sẽ để lại khoảng trống hoặc lỗ trống trong vùng hố trị. (xem hình 2.4) Sự đưa một electron lên vùng dẫn được gọi là sự ion hĩa và kết quả là mỗi cặp electron – lỗ trống được tạo thành. Giống như cách các ion âm và dương dịch chuyển giữa các điện cực trong một detector chứa khí, cặp ion này sẽ dịch chuyển trong một detector trạng thái rắn khi áp vào giữa hai điện cực một điện thế. Sự dịch chuyển này dẫn đến một xung trong mạch ngồi cĩ thể được đo. Các detector dẫn điện trạng thái rắn bao gồm các chất bán dẫn mà độ dẫn điện của chúng được tăng cường bằng cách đưa thêm các tạp chất vào. Quá trình này được gọi là sự kích thích và các tạp chất được đưa vào để cung cấp thêm hoặc là các electron (bán dẫn loại n) hoặc là các lỗ trống (bán dẫn loại p). Các detector bán dẫn trạng thái rắn thực tế bao gồm cả vật liệu loại p và n liên kết với nhau. Một điện thế được áp vào lớp tiếp giáp của hai loại bán dẫn để các lỗ trống và các electron dịch chuyển khỏi lớp tiếp giáp. Vùng xung quanh lớp tiếp giáp cĩ các lỗ trống và electron tự do và nĩ được gọi là lớp nghèo. Lớp nghèo này là một phần của vật chất mà nĩ sẽ ghi đo bất kỳ một bức xạ tới nào (hình 2.5). Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 23 SVTH: Lý Duy Nhất Khi bức xạ ion hĩa đi qua vùng nghèo thì nĩ tạo thành các cặp electron - lỗ trống. Các cặp electron - lỗ trống này dịch chuyển về một phía tạo ra một xung trong mạch ngồi. Sau đĩ, xung này cĩ thể đo được, bằng cách này thì lớp nghèo tạo thành thể tích nhạy của detector trạng thái rắn và nĩ tương đương với một buồng ion trong một detector chứa khí. 2.1.2.3. Các loại detector dẫn điện trạng thái rắn Cĩ rất nhiều loại khác nhau của các detector dẫn điện trạng thái rắn cĩ thể sử dụng để ghi đo bức xạ ion hĩa. Các loại của các detetor dẫn điện trạng thái rắn được khảo sát trong phần này là:  Các diode tiếp giáp khuếch tán.  Các detector hàng rào mặt.  Detector cấy ghép ion.  Detector cĩ chứa Lithium.  Detector Germanium siêu tinh khiết. 2.1.2.3.1. Các diode tiếp giáp khuếch tán Trong các diode tiếp giáp khuếch tán tạp chất loại p được cho phép khuếch tán hoặc truyền lan vào trong chất loại n. Điều này tạo ra một vùng nghèo ngay dưới bề mặt tinh thể (phổ biến thường khoảng 1 micromet dưới bề mặt tinh thể) như được chỉ trong hình 2.6. Lớp bề mặt tương ứng một lớp chết hoặc cửa sổ (window) mà bức xạ phải đi qua trước khi vào trong thể tích nhạy. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 24 SVTH: Lý Duy Nhất Cửa sổ này cĩ thể là một nhược điểm trong việc phân biệt các mức năng lượng khác nhau của bức xạ tới (quang phổ học) bởi vì một vài hạt cĩ năng lượng thấp hơn khơng thể ghi nhận được. Để tránh nhược điểm này, trong nhiều ứng dụng quang phổ học của các hạt tích các diode tiếp giáp khuếch tán thường được thay thế điện bằng các detector hàng rào mặt. Tuy nhiên, các diode tiếp giáp khuếch tán (được làm từ silicon hoặc germanium) vẫn được sử dụng để ghi nhận hạt tích điện vì chúng bền hơn so với các detector hàng rào mặt. Một cơng việc thực hành khác sử dụng các diode tiếp giáp khuếch tán silicon đã được khám phá gần đây. Các diode này (thường được xem như các photodiode PIN silicon) cĩ thể được kết hợp trong các liều kế điện tử để đo lượng bức xạ gamma được thu nhận bởi một người trên một khoảng thời gian (tức là để đo liều lượng gamma cá nhân). So với các liều kế điện tử cũng được chế tạo cùng với các detector G – M thì detector trạng thái rắn cĩ trọng lượng nhẹ hơn. 2.1.2.3.2. Các detector hàng rào mặt Các detector hàng rào mặt cĩ một 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 cĩ thể dễ dàng được ghi nhận hơn. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 25 SVTH: Lý Duy Nhất Cũng với khả năng ghi đo các hạt tích điện thì các detector hàng rào mặt cịn cĩ khả năng phân biệt tốt các năng lượng khác nhau của bức xạ tới (tức là chúng cĩ phân giải năng lượng rất tốt, chúng cĩ thể phân biệt ba hạt alpha gần nhau từ Am-241 với các năng lượng 5.486; 5.443 và 5.389 MeV). Đặc biệt chúng cũng rất nhạy với ánh sáng bởi vì các photon ánh sáng cĩ thể đi đến thể tích nhạy và tạo ra các cặp electron - lỗ trống. Một trong những vấn đề chính của các detector hàng rào mặt đĩ là bề mặt tinh thể phải được giữ sạch tức là khơng bị nhiễm bẩn hoặc các vật liệu khác. 2.1.2.3.3. Các detector cấy ghép ion Một phương pháp khác để đưa các tạp chất trên bề mặt của một chất bán dẫn là chiếu xạ lên bề mặt này một chùm các ion được tạo ra bằng một máy gia tốc. Nhờ đĩ sẽ cĩ một lớp vật chất loại p được tạo ra gần bề mặt của thiết bị. Phương pháp kích thích này gọi là sự cấy ghép ion và nĩ sinh ra một tinh thể bền vững hơn rất nhiều và nĩ gần như ít bị ảnh hưởng bởi các điều kiện mơi trường. Trong thực tế, các detector loại này là rất bền và chúng cĩ thể được chế tạo cùng với các cửa sổ mỏng để ghi đo alpha và beta. Các detector cấy ghép ion cĩ rất nhiều ứng dụng bao gồm phân tích phổ alpha, ghi đo beta năng lượng thấp và các ion nặng. 2.1.2.3.4. Các detector kéo theo Lithium Các detector hàng rào mặt và cấy ghép ion rất tốt cho việc phân tích phổ của các hạt tích điện nhưng do các tạp chất vốn gắn tiền với các tinh thể bán dẫn nên chúng khơng cĩ một thể tích nhạy đủ lớn để phân tích phổ photon (tức là tia gamma và tia – Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 26 SVTH: Lý Duy Nhất X). Để tránh các ảnh hưởng do các tạp chất này gây ra thì các chất bán dẫn cĩ thể thêm Lithium để tạo ra một thể tích nhạy lớn hơn. Vùng giữa các vật chất loại p và loại n thì được gọi là vùng kéo theo Lithium hoặc vùng thực và kích thước của vùng thực này xác định thể tích nhạy của detector (hình 2.8). Khi Lithium được thêm vào một tinh thể Germanium thì detector này được gọi là một detector Germanium cĩ chứa Lithium (hoặc detector Ge(Li) ). Các detector Ge(Li) luơn luơn được duy trì ở nhiệt độ rất thấp (sử dụng nitơ lỏng), thậm chí ngay cả lúc khơng sử dụng. Các detector germanium cĩ chứa Lithium là các detector cĩ khả năng ghi đo bức xạ gamma và cĩ phân giải năng lượng rất tốt. Các detector silicon cĩ chứa Lithium (hoặc Si(Li)) bao gồm một tinh thể silicon cĩ chứa Lithium. Các detector Si(Li) này là rất giống các detector Ge(Li) nhưng cĩ một ưu điểm đĩ là chúng cĩ thể được bảo quản ở nhiệt độ phịng mà khơng gây hư hỏng cho tinh thể. Chúng cĩ thể hoạt động được ở nhiệt độ phịng nhưng hiệu suất của chúng sẽ được cải thiện hơn nếu chúng được làm lạnh bằng nitơ lỏng trước khi sử dụng. Silicon cĩ số nguyên tử rất thấp so với Germanium vì vậy khả năng tương tác với các bức xạ gamma thấp. Do đĩ các detector silicon cĩ chứa Lithium khơng cĩ khả năng ghi đo bức xạ gamma như các detector Ge(Li). Vì vậy, chúng thường được sử dụng để ghi đo tia gamma năng lượng thấp (nhỏ hơn khoảng 150 keV), các tia X và các hạt beta. 2.1.2.3.5. Các detector germanium siêu tinh khiết Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 27 SVTH: Lý Duy Nhất Germanium tinh khiết cĩ 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 cĩ thể thu được các vùng nghèo (các thể tích nhạy) mà chúng cĩ thể so sánh được với các vùng nghèo của một detector Ge(Li). Detector loại này được gọi là detector Germanium siêu tinh khiết (hoặc HPGe) (hình 2.9). Cũng như detector Ge(Li) thì detector HPGe hoạt động với hiệu suất cao cùng với phân giải năng năng lượng tốt. Nhưng một ưu điểm của của detector HPGe là cĩ thể bảo quản được ở nhiệt độ phịng khi khơng sử dụng. 2.2. CÁC DETECTOR DỰA VÀO SỰ NHẤP NHÁY 2.2.1. Nguyên tắc hoạt động Các detector nhấp nháy dựa trên một vài chất mà chúng sẽ phát ánh sáng nhìn thấy khi các electron thay đổi mức năng lượng (được gọi là các phosphor). Trong một chất phosphor thì các electron này khơng duy trì ở mức năng lượng cao trong một khoảng thời gian dài. Sau đĩ các electron này trở lại mức ban đầu của chúng và phát xạ các photon dưới dạng ánh sáng nhìn thấy (xem hình 2.10) Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 28 SVTH: Lý Duy Nhất 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 cĩ thể được sử dụng khơng chỉ để ghi đo bức xạ mà cịn để phân biệt các mức năng lượng ngồi (tức là chúng cĩ thể được sử dụng cho các mục đích đo phổ). 2.2.2. Các kiểu của detector nhấp nháy Các chất phosphor mà cĩ thể được sử dụng trong các detector bức xạ phải cĩ các thuộc tính nhất định như:  Chúng phải biến đổi một phần lớn năng lượng hấp thụ thành năng lượng ánh sáng.  Thời gian giữa sự kích thích của electron và sự phát xạ ánh sáng photon phải ngắn.  Chúng phải cho phép các photon ánh sáng được tạo ra đi qua lớp vật chất.  Ánh sáng được phát ra cần phải được biến đổi dễ dàng để tạo nên một tín hiệu điện. Các loại detector nhấp nháy gồm:  Các detector sulphide kẽm.  Các detector natri iodide.  Các chất nhấp nháy hữu cơ dẻo.  Các chất nhấp nháy hữu cơ lỏng. Một vài chất phosphor này cĩ thể cĩ các lượng nhỏ tạp chất (được gọi là các chất hoạt hĩa) chúng được thêm vào để kiểm sốt cách mà các electron dịch chuyển về các mức năng lượng thấp hơn. Điều này bảo đảm rằng các photon này được phát xạ sẽ là các photon ánh sáng nhìn thấy. 2.2.2.1. Các detector sulphide kẽm Các detector sulphide kẽm(ZnS) thường cĩ các nguyên tử bạc được thêm vào như là các chất hoạt hĩa. Các detector loại này được gọi là các detector ZnS(Ag), chúng cĩ khả năng để ghi đo bức xạ ion hĩa. Vì vật chất loại này khơng cho phép các photon ánh sáng nhìn thấy đi qua nĩ một cách dễ dàng nên nĩ chỉ cĩ thể được sử dụng các lớp mỏng. Nên ưu điểm của các detector này là giúp ích cho sự ghi đo các hạt alpha và các ion nặng nhưng nhược điểm chính là lớp mỏng này cĩ thể dể dàng bị đâm thủng bởi các vật nhọn. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 29 SVTH: Lý Duy Nhất 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 cĩ rất nhiều khả năng ghi đo bức xạ gamma, thậm chí cịn nhiều hơn so với các detector dẫn điện trạng thái rắn. Tuy nhiên, tinh thể này sẽ hấp thụ hơi ẩm từ khơng khí làm hư hỏng rất nhanh. Do đĩ nĩ được đặt trong một bình kín khơng khí. Bình này thường được làm bằng nhơm và cĩ thể cĩ một cửa sổ rất mỏng. Các tinh thể NaI(TI) cĩ thể được tạo ra với các bề dày khác nhau. Một tinh thể mỏng cĩ độ dày 3 mm thì cĩ rất nhiều khả năng ghi đo bức xạ gamma với năng lượng lên tới khoảng 150 keV. Một detector NaI(TI) sử dụng dễ hơn trong cơng việc mơi trường so với một detector dẫn điện trạng thái rắn bởi vì nĩ khơng cần phải làm lạnh. Nĩ cũng cĩ nhiều khả năng ghi đo tốt hơn đặc biệt ở các mức năng lượng cao. Tuy nhiên, phân giải năng lượng của detector NaI(TI) là kém khi được so sánh với một detector trạng thái rắn. 2.2.2.3. Các chất nhấp nháy hữu cơ dẻo Các chất nhấp nháy hữu cơ dẻo thì rẻ và cĩ thể được chế tạo trong một sự đa dạng của các hình dạng và kích thước khác nhau. Chúng thường được sử dụng trong sự liên kết với các detector ZnS(Ag) để kiểm tra bức xạ alpha và beta. 2.2.2.4. Các chất nhấp nháy hữu cơ lỏng Các chất nhấp nháy hữu cơ lỏng được sử dụng riêng để kiểm tra bức xạ alpha và beta đặc biệt là bức xạ beta năng lượng thấp như carbon - 14 và tritium. Sử dụng một chất nhấp nháy lỏng cho phép chất nhiễm bẩn mà mình quan tâm được trộn trực tiếp với chất nhấp nháy và cĩ 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. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 30 SVTH: Lý Duy Nhất 2.2.3.2. Nguyên tắc hoạt động Trước tiên, bức xạ tới tương tác với phosphor để tạo một ánh sáng photon. Sau đĩ ánh sáng photon này đập vào bề mặt được phủ bằng một chất nhấp nháy sáng được gọi là một photocathode. Năng lượng từ ánh sáng photon này bị hấp thụ bởi một electron trong chất nhấp nháy sáng và electron này nhận thêm đủ năng lượng để dời khỏi photocathode. Electron được phát ra tạo thành dưới dạng cơ bản của tín hiệu điện nhưng trong các điều kiện thực hành thì tín hiệu này phải được khuyếch đại bằng một dãy các dynode. Mỗi dynode về cơ bản là một anode mà giải phĩng khoảng bốn electron thứ cấp đối với một trong rất nhiều electron được nĩ thu nhận. Để hệ thống dynode hoạt động cĩ hiệu quả cần phải cĩ một nguồn điện cao thế rất ổn định. 2.2.4. Các thành phần điện tử 2.2.4.1. Giới thiệu Một khi năng lượng bức xạ ion hĩa biến đổi thành tín hiệu điện thì phải cĩ các thành phần điện được bổ xung thêm thành hệ ghi đo để cung cấp một kết quả đọc cĩ ý nghĩa. Các tín hiệu điện được tạo ra bởi các detector cĩ hai loại là dịng một chiều (như trong buồng ion) hoặc dưới dạng xung. Nếu tín hiệu được đo là một dịng một chiều thì dịng trung bình qua nhiều sự tương tác được ghi lại và mạch này được nĩi rằng nĩ đang hoạt động ở chế độ dịng. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 31 SVTH: Lý Duy Nhất Nếu tín hiệu được đo do một sự thay đổi điện thế thì các tương tác riêng được ghi lại và kích thước của xung phụ thuộc vào số các electron được thu nhận, mạch này được nĩi rằng nĩ đang hoạt động ở chế độ xung. Dịng một chiều lối ra được đo bởi một máy khuếch đại dịng một chiều trong khi xung lối ra được đo bằng một mạch đếm. Hình 2.12 chỉ ra các thành phần của một mạch đếm nĩi chung. 2.2.4.2. Nguồn điện Một nguồn điện thế một chiều ổn định là cần thiết để cung cấp thế năng hoạt động cho detector. Thường các thiết bị phụ thuộc vào các bộ ắc qui để cung cấp điện thế. Mức của cao thế và mức độ ổn định yêu cầu phụ thuộc vào loại detector. Nguồn điện thường được gọi là nguồn HV (cao thế). 2.2.4.3. Khuếch đại dịng một chiều Một máy khuếch đại dịng một chiều làm tăng thêm một dịng điện rất thấp cỡ 10-12 A để trở thành một dịng cĩ thể đo được bằng thiết bị đo Ampe, cỡ 10-3A. Điều này cần phải cĩ một hệ số khuếch đại lớn (hệ số khuếch đại của một máy khuếch đại là tỷ số của kích thước xung lối ra trên kích thước xung lối vào). Vì hệ số khuếch đại cần là rất cao nên mỗi sự thay đổi nhỏ trong tín hiệu lối vào cũng cĩ thể ảnh hưởng lớn đến các phép đo lối ra. Các máy khuếch đại dịng một chiều chủ yếu được sử dụng cùng với các buồng ion và một vài detector bán dẫn hoạt động ở chế độ dịng. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 32 SVTH: Lý Duy Nhất 2.2.4.4. Tiền khuếch đại Lối ra từ hầu hết các detector là quá nhỏ do đĩ nĩ phải được khuếch đại trước khi tới bộ khuếch đại chính. Tiền khuếch đại (pre - amp) thường xây dựng trong ngơi nhà detector. Trong trường hợp của các detector nhấp nháy thì nĩ tạo thành một phần của hệ thống nhân quang điện. Tiền khuếch đại phải cĩ khả năng khuếch đại tín hiệu mà khơng tạo thêm tạp âm. Tạp âm điện tử bao gồm các tín hiệu mà cĩ khuynh hướng giấu tin hiệu tới từ detector và cĩ thể do các sự kiện như sự dịch chuyển nhiệt của các electron. 2.2.4.5. Khuếch đại xung Khuếch đại tạo dạng xung và làm tăng độ lớn xung lên một mức mà phù hợp đối với thiết bị đếm sẽ được sử dụng. Hệ số khuếch đại cung cấp bởi bộ khuếch đại phụ thuộc vào kích thước của xung đếm từ detector. 2.2.4.6. Bộ phân biệt xung Một bộ phân biệt xung cho phép chúng ta loại bỏ các xung hoặc là quá lớn hoặc là quá nhỏ. Một bộ phân biệt xung mức thấp sẽ bỏ qua các xung dưới mức cho phép mà cái đĩ rất cĩ ích để loại trừ những tạp âm khơng cần thiết. Nếu cả bộ phân biệt xung mức thấp và mức cao đều được sử dụng và mức cho phép là gần nhau thì thiết bị sẽ hoạt động như một bộ phân tích đơn kênh (SCA) và chỉ chấp nhận các xung của một dải hẹp. Các bộ phân biệt xung cung cấp một kích thước xung chuẩn cho thiết bị đếm khi xung nằm trong dải cho phép. 2.2.4.7. Các thiết bị đếm Cĩ ba loại thiết bị đếm: Một mạch đếm gộp là bộ phận đưa ra các số đếm mà được tích lũy trong thời gian đếm. Các mạch đếm gộp hầu hết thường được sử dụng trong thiết bị thực nghiệm để đếm các mẫu. Một dụng cụ đo tốc độ: là bộ phận đo tốc độ của các xung đến. Một máy phân tích độ cao xung (PHA) hoặc máy phân tích đa kênh (MCA) cái mà sử dụng khi độ cao xung phụ thuộc năng lương của bức xạ ion hĩa. Nĩ 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 mơ tả trực quan và cung cấp thơng tin về phổ năng lượng của bức xạ. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 33 SVTH: Lý Duy Nhất CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ GHI ĐO BỨC XẠ TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN 1. MÁY ĐẾM ĐƠN KÊNH MODEL 2200 1.1. Giới thiệu Máy đếm đơn kênh Model 2200 là thiết bị dùng cho việc phân tích phổ gamma được thiết kế để hoạt động cùng với đầu dị nhấp nháy, ống đếm tỷ lệ hoặc ống đếm Geiger – Muller. Thơng tin đếm được hiển thị gồm số đếm trên đèn LED và tốc độ đếm trung bình trên mạch đếm kỹ thuật số. Máy cĩ thể kết nối với máy vi tính thơng qua cổng RS – 232 và cĩ phần mềm để xử lý kết quả đo. (Hình 1.1) 1.1.1. Mặt trước của máy (Hình 1.2) Mặt trước của máy bao gồm:  Đèn đếm (count Lamd): LED đỏ chỉ thị thang đo trong chu trình đếm.  Cơng tắc đếm (count Switch): Xố và khởi động đếm; thang đếm sẽ tự động tắt khi kết thúc thời gian đã đặt trước.  Thời gian đếm (Count Time): Cơ sở thời gian thơng thường tính bằng phút từ 0 – 999 với các thang nhân X0.1 và X1.  Số phút (Minutes): Núm 3 số thập phân dùng để đặt trước thời gian đếm. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 34 SVTH: Lý Duy Nhất  Cơng tắc chọn chức năng cho bộ đếm tốc độ (Rateme Function Selector): cơng tắc cĩ ba vị trí (RATE, HV và BAT) Chức năng của cơng tắc này cho phép đọc vận tốc đếm, cao thế HV và kiểm tra tình trạng của pin trên đồng hồ.  Ngưỡng (threshold): Núm chọn thế 10 vịng dùng để chọn điểm phân biệt xung cơ sở của thang đo. Việc điều chỉnh này là tuyến tính trong khoảng 1.00 – 10.00. Nếu đặt thấp hơn 1.00, cộng với độ phi tuyến, nhiễu hệ thống sẽ gây ra sai số.  Cửa sổ (window): Nút chọn thế 10 vịng quay dùng để điều chỉnh độ rộng cửa sổ. Nĩ được định chuẩn cùng với việc điều chỉnh ngưỡng sao cho một vịng quay của việc điều chỉnh cửa sổ tương đương với một vịng quay điều chỉnh ngưỡng.  Tắt mở (ON - OFF): cơng tắc cho phép đưa vào hoặc loại bỏ cửa sổ.  Đầu nối vào detector (Detector input connection): đầu nối đồng trục nối tiếp “C”. Nĩ là đầu điều chỉnh khơng cĩ số chỉ thị, cho phép chọn điểm làm việc mà khơng vượt ra khỏi khoảng tuyến tính của mạch threshold/window hoặc suất điện thế của detector. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 35 SVTH: Lý Duy Nhất  Độ nhạy khuếch đại cực đại xảy ra khi quay theo chiều kim đồng hồ đến cực đại.  Cơng tắc nguồn (Power Switch): Cơng tắc 3 vị trí (OFF tắt nguồn; LINE cấp điện cho nguồn từ lưới 85 - 265 V, 50 – 60 Hz; BAT cáp nguồn từ 4 pin loại "D".  Cơng tắc chọn khoảng (range Selector Switch): Cơng tắc 4 vị trí cho phép nhân với X1; X10; X100 và X1K. Với thang đo 0 – 500 số đếm trên phút (cpm), tồn bộ khoảng của thiết bị là 0 - 500.000 cpm.  Cơng tắc ZERO (ZERO Switch): Khi ấn vào, tụ điện tích hợp phĩng điện sẽ đưa đồng hồ đo về mức 0.  Đáp ứng F - S (F - S Response): Cơng tắc 2 vị trí chỉ thị đáp ứng nhanh hoặc chậm ở vị trí “F”, đồng hồ đo sẽ chỉ từ 0 đến 90% tồn bộ thang đo trong 4 giây. Ở vị trí S đồng hồ đo sẽ chỉ từ 0 đến 90% tồn bộ thang đo trong 22 giây.  Cao thế (HV): Núm chỉnh 10 vịng điều chỉnh cao thế từ 200V đến 2500V. Nĩ cho phép điều chỉnh tuyến tính nguồn thế nuơi detector. Việc thay đổi điện thế detector sẽ làm cho gain của detector thay đổi. Sự thay đổi tuyến tính điện thế sẽ làm gain của detector thay đổi theo hàm số mũ. Thiết bị hỗ trợ tải ống đếm nhấp nháy 100 Megaohm đạt tới điện thế 1500 Volt.  Đồng hồ vận tốc (Ratemeter): Đồng hồ 4 số thập phân với các khoảng đo 0 – 500, 0 – 5000; 0 – 50000; 0 – 500.000 cpm. Số đọc trên bảng cĩ kích thước 2.5 inch. Các thang đo để kiểm tra pin và số đọc cao thế liên kết với cơng tắc Rate, HV và BAT.  Đọc số đếm (Count readout): Bảng diot phát quang 6 số thập phân cho biết số đếm. 1.1.2. Mặt sau máy (Hình 1.3) Mặt sau máy bao gồm:  Đầu nối RS232 (RS232 connector): Đầu nối loại “D” chín chân, nối với máy tính hoặc máy in.  Cơng tắc chìm dữ liệu RS - 232 (RS232 Data Dipswitch): Cơng tắc chìm 2 cực đặt trên khung phía sau bên dưới nắp định chuẩn; kiểm sốt dữ liệu RS-232. Cơng tắc chìm phía trên, ký hiệu “PC” và “PRNTR” để điều khiển loại dữ liệu. Ở mode “PC” dự liệu là loại nhị phân cho phép máy tính khởi phát/dừng đếm. Nếu cơng tắc chìm được đặt ở “PC” và vịng ấn được đặt tất cả ở zero, thì thời gian đếm của thiết bị cĩ thể Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 36 SVTH: Lý Duy Nhất được thay đổi bằng máy tính thơng qua cổng RS – 232. Ở mode “PRNTR” số đếm của thang đo chỉ xuất hiện ở lúc kết thúc đếm. Nếu cơng tắc chìm đặt ở “PNTR”, việc đặt vịng ấn về “000” sẽ đặt thời gian đếm đến vơ cùng, cho phép đo với thời gian rất dài. Cơng tắc chìm ở dưới, đánh dấu “RECYLE” hoặc “OFF” cho phép đếm lập lại thay vì phải điều khiển bằng tay đối với mỗi chu trình đếm.  Nguồn lối vào (INPUT POWER): Điện lưới 85 – 265 V, 50 – 60 Hz.  Hộp pin (battery compartment): Chứa 4 pin loại “D”. 1.1.3. Điều khiển bên trong Điều khiển định chuẩn bộ vận tốc đếm (Ratermeter Calibration Controls): Bốn bộ đo thế được dùng để định chuẩn bộ đo vận tốc đếm. Mỗi khoảng điều khiển được đánh dấu tương ứng với khoảng vận tốc đếm được đặt trên mặt trước máy. Cơng tắc chìm cho cơ sở thời gian (Timebase Dipswitch): Cơng tắc chìm 2 cực đặt trên bảng mạch chủ. Nĩ cho cơ sở thời gian tính bằng giây thay đổi từ 0 đến 999 giây, Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 37 SVTH: Lý Duy Nhất với cơng tắc nhân X1; X10. Đặt vịng ấn tới tất cả bằng zero, thời gian đếm của thiết bị sẽ được xác định bởi máy tính nối ngồi thơng qua cổng RS – 232. 1.2. Đặc tính kỹ thuật  Nguồn nuơi : 85 - 265 VAC, nguồn một pha, tần số 50 - 60 Hz.  Pin: 4 pin cĩ thời gian sống 120 giờ, đặt trong thiết bị.  Độ nhạy lối vào: Độ nhạy điện thế cho tất cả các loại detecter, ống đếm tỷ lệ, G–M nhấp nháy.  Cao thế: Điều chỉnh bằng núm xoay 10 vịng từ 200 - 2500 volt; hỗ trợ ống đếm nhấp nháy 100 Megaohm tải đạt tới điện thế l500 volt.  Dây nối lối vào: Dây nối đồng trục "C" nối tiếp.  Thang đo: bảng diot phát quang 6 số (LED).  Bộ đếm tốc độ đo: Máy đếm tuyến tính 4 số thập phân với các khoảng 0 – 500; 0 – 5000; 0 - 50.000 và 0 - 500.000 cpm. Đồng hồ đo 2.5 inch cĩ các thang riêng cho việc kiểm tra pin và số đọc cao thế.  Thời gian: Cơ sở thời gian thơng thường tính bằng phút từ 0 - 999 với các thang nhân X0.1 và X1.  Độ chính xác thời gian: Cơ sở thời gian cho thang đo được kiểm sốt bằng tinh thể và cĩ độ chính xác là +/- 0.2 % số đọc trên núm điều chỉnh.  Đồng hồ đo: 1mA, thang dài 2.5 inch, cơ chế DC tự bảo vệ.  Thời gian đáp ứng: ở vị trí fast 4 giây. Ở vị trí Low 22 giây đối với khoảng 10 – 90% tồn thang đo.  Độ chính xác của thang đo: trong khoảng +/- giá trị tham chiếu.  Độ chính xác của tốc độ đếm: +/- 10% giá trị tham chiếu.  Điều kiện mơi trường làm việc: Chỉ để trong nhà khơng tính độ cao cực đại; nhiệt độ (-20  50o); độ ẩm tương đối nhỏ hơn 95% (khơng tụ hơi nước). 1.3. Cách vận hành 1.3.1. Nguồn nuơi: Ta cĩ thể sử dụng nguồn nuơi bằng cách chọn chế độ dùng điện lưới hoặc dùng pin bằng cơng tắc nguồn. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 38 SVTH: Lý Duy Nhất  Vận hành bằng nguồn điện lưới (LINE OPERATION): Nối thiết bị với nguồn lưới 85 – 265V, 50 – 60 Hz. Bật cơng tắc về LINE.  Vận hành._. khỏi tinh thể là rất nhỏ do đĩ vùng 5 lõm xuống so với vùng 2. Trong trường hợp ghi nhận bức xạ gamma năng lượng lớn 1 022 , E MeV trên phổ cịn cĩ xuất hiện đỉnh thốt đơn, đỉnh thốt đơi. Positron được tạo ra trong quá trình tạo cặp, sau khi tương tác với tinh thể tới động năng gần như bằng khơng, tiếp tục kết hợp với một điện tử trong tinh thể tạo thành hai bức xạ gamma cĩ năng lượng 511 keV. Một hoặc cả hai bức xạ này đều bay ra khỏi tinh thể sẽ xuất hiện đỉnh thốt đơn hay đỉnh thốt đơi. Đỉnh thốt đơn ứng với năng lượng 511E keV  , đỉnh thốt đơi khác ứng với năng lượng 1,022E MeV  . 2.2. Hiệu ứng Compton Trong quá trình Compton, gamma năng lượng cao tán xạ đàn hồi lên electron ở quỹ đạo ngồi. Gamma thay đổi phương bay và bị mất một phần năng lượng cịn electron được giải phĩng ra khỏi nguyên tử (Hình 3.2a). Quá trình tán xạ Compton cĩ thể coi như quá trình gamma tán xạ đàn hồi lên electron tự do (Hình 3.2b). Trên cơ sở tính tốn động học của quá trình tán xạ đàn hồi của hạt gamma chuyển động với năng lượng E lên electron đứng yên ta cĩ các cơng thức sau đây đối với năng lượng gamma E’ và electron Ee sau tán xạ phụ thuộc vào gĩc tán xạ  gamma sau tán xạ: Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 69 SVTH: Lý Duy Nhất (1 cos ) 1 (1 cos )e E E       (3.3) ' 1 1 (1 cos ) E E     (3.4) Trong đĩ: 2 e E m c   ; 319,1.10 em kg là khối lượng electron và c = 3.108m/s là vận tốc ánh sáng; 2 0,51em c MeV . Từ biểu thức (3.3); (3.4) ta được biểu thức (3.5); (3.6): 2 2 (1 cos ) 1 (1 cos ) e e e E m cE E E m c       (3.5) ' 2 1 1 (1 cos ) e E E E m c     (3.6) Trường hợp tán xạ ngược 180o  ta được biểu thức (3.7); (3.8): 2 2 2 1 2 e e e E m cE E E m c   (3.7) Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 70 SVTH: Lý Duy Nhất ' 2 1 1 2 e E E E m c   (3.8) Ta biết năng lượng electron nhận được trong quá trình tán xạ là: 'eE E E  (3.9) 2.3. Đường chuẩn năng lượng Đỉnh năng lượng tồn phần ứng với năng lượng bức xạ gamma E cĩ dạng phân bố Gauss: 22 max 2 2 ( )( ) 2 2 0 0 E EK K y y e y e       (3.10) Trong đĩ: y0 là chiều cao tương ứng với kênh Kmax, vị trí cực đại của đỉnh hấp thụ tồn phần; y là chiều cao tại kênh n trong đỉnh hấp thụ tồn phần;  là độ lệch chuẩn của phổ kế. Với mỗi đỉnh hấp thụ tồn phần ứng với năng lượng E cĩ được một kênh Kmax tương ứng với vị trí cực đại của đỉnh. Giá trị Kmax tỉ lệ thuận với năng lượng bức xạ gamma. Đường chuẩn năng lượng là đồ thị mơ tả sự phụ thuộc của số kênh tương ứng với vị trí cực đại của đỉnh Kmax vào năng lượng bức xạ gamma. Đồ thị cĩ dạng: max.E a K b  (3.11) Trong đĩ: a là hệ số tỉ lệ cĩ thứ nguyên là năng lượng/1kênh; b cĩ thứ nguyên là năng lượng. Với a được tính: 1 1 1 2 2 1 1 N N N i i i i i i i N N i i i i N K E E K a N K K                  (3.12) Thay vào phương trình đường chuẩn tìm được b. 3. CHUẨN BỊ DỤNG CỤ Hệ phổ kế gamma 8K Bộ nguồn chuẩn 137Cs ( 0.662E Mev  ), 60Co. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 71 SVTH: Lý Duy Nhất 4. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Bước 1: Tính năng lượng đỉnh giới hạn nền Compton và đỉnh tán xạ ngược đối với nguồn chuẩn 137Cs ( 0.662E Mev  ) bằng cơng thức (3.7). Bước 2: Dùng đường chuẩn năng lượng xác định số kênh tương ứng năng lượng đỉnh giới hạn nền Compton và tán xạ ngược trên phổ gamma của nguồn chuẩn 137Cs. Ghi vào bảng 3.1. Bước 3: Khởi động máy tính, mở phần mềm “ADMCA” sẵn sàng cho cơng việc ghi đo phổ. Bước 4: Đặt nguồn chuẩn 137Cs cách đầu dị khoảng 2 cm. Bước 5: Để một khoảng thời gian đủ để xác định rõ vị trí đỉnh trên phổ gamma. Lưu phổ này vào trong máy tính. Bước 6: Dịch chuyển con trỏ đến từng đỉnh giới hạn nền Compton và tán xạ ngược của phổ gamma do nguồn chuẩn 137Cs, đọc số kênh tương ứng với năng lượng đỉnh rồi so sánh với kết quả lý thuyết. Bảng 3.1 Kết quả lý thuyết Năng lượng đỉnh Số kênh tương ứng maxK Số kênh tương ứng tìm được trên phổ Đỉnh giới hạn nền Compton 137Cs Tán xạ ngược 137Cs Bước 7: Lặp lại các thao tác đối với nguồn 60Co và tìm đỉnh giới hạn nền Compton, tán xạ ngược rồi ghi vào bảng 3.2. Bảng 3.2 Kết quả lý thuyết Năng lượng đỉnh Số kênh tương ứng maxK Số kênh tương ứng tìm được trên phổ Đỉnh giới hạn nền Compton 60Co (1.33 Mev) Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 72 SVTH: Lý Duy Nhất Đỉnh giới hạn nền Compton 60Co (1.17 Mev) Tán xạ ngược 60Co (1.33 Mev) 5. MẪU BÁO CÁO BÀI 3: PHÂN TÍCH PHỔ NĂNG LƯỢNG GAMMA CỦA 60Co VÀ 137Cs 1. Mục tiêu của bài thí nghiệm ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 2. Tĩm tắt cơ sở lý thuyết ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 3. Các bước tiến hành ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 4. Báo cáo kết quả Tìm số kênh tương ứng với năng lượng đỉnh giới hạn nền Compton 137Cs, tán xạ ngược 137Cs. Bảng 3.1 Kết quả lý thuyết Năng lượng đỉnh Số kênh tương ứng maxK Số kênh tương ứng tìm được trên phổ Đỉnh giới hạn nền Compton 137Cs Tán xạ ngược 137Cs Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 73 SVTH: Lý Duy Nhất Tìm số kênh tương ứng với năng lượng đỉnh giới hạn nền Compton 60Co (1.33 Mev), đỉnh giới hạn nền Compton 60Co (1.17 Mev), tán xạ ngược 60Co (1.33 Mev), Tán xạ ngược 60Co (1.17 Mev). Bảng 3.2 Kết quả lý thuyết Năng lượng đỉnh Số kênh tương ứng maxK Số kênh tương ứng tìm được trên phổ Đỉnh giới hạn nền Compton 60Co (1.33 Mev) Đỉnh giới hạn nền Compton 60Co (1.17 Mev) Tán xạ ngược 60Co (1.33 Mev) Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 74 SVTH: Lý Duy Nhất BÀI 4: ĐO HOẠT ĐỘ CỦA MỘT NGUỒN PHÁT GAMMA 1. MỤC TIÊU CỦA BÀI THÍ NGHIỆM  Nắm vững các thao tác cần thiết trên phần mềm “ADMCA”.  Biết các xác định số đếm trên máy trong khoảng thời gian t.  Biết cách xác định hoạt độ của nguồn phát gamma bằng hai phương pháp tuyệt đối và tương đối. 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Bức xạ gamma Bức xạ gamma là bức xạ điện từ, cĩ khả năng xuyên sâu rất lớn. Bức xạ gamma phát ra (với những năng lượng xác định, năng lượng cao nhất cĩ thể tới 8 – 10 MeV) khi nhân phĩng xạ chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản trong các quá trình phân rã hạt nhân khác nhau. Khi đi qua vật chất, bức xạ gamma bị mất năng lượng do những quá trình chủ yếu sau: quang điện, Compton và tạo cặp. Bức xạ gamma là mối nguy hiểm bức xạ mạnh; vì cĩ độ xuyên sâu lớn nên cĩ thể gây nguy hiểm đáng kể ở những khoảng cách khá xa nguồn. Các tia tán xạ cũng gây nguy hiểm, do đĩ khi che chắn phải quan tâm đến mọi hướng. Tia gamma gây tổn hại cho các mơ, bao trùm cả cơ thể nên những mơ nhạy cảm với bức xạ sẽ bị tổn hại khi cơ thể con người cĩ mặt trong trường gamma ngồi. 2.2. Hoạt độ phĩng xạ tia gamma Hoạt độ phĩng xạ ra tia gamma là số tia gamma được phĩng ra từ chất phĩng xạ trong một đơn vị thời gian. dNA dt  (4.1) Trong đĩ: dN là số tia bức xạ gamma phát ra, dt khoảng thời gian vi cấp. Để xác định hoạt độ phĩng xạ ra tia gamma ta dùng máy đếm số tia gamma trong một khoảng thời gian ngắn, sao cho trong khoảng thời gian này hoạt độ của chất phĩng xạ khơng đổi. Tuy nhiên, hoạt độ của chất phĩng xạ luơn thay đổi theo hàm mũ: ln 2 0 t TA A e  (4.2) Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 75 SVTH: Lý Duy Nhất Như vậy ta chỉ cĩ thể đo hoạt độ phĩng xạ đối với các chất phĩng xạ cĩ chu kỳ bán rã lớn hơn rất nhiều so với thời gian tiến hành đo. Nếu 2 01     ln thì nên t TT t e A A Cĩ hai cách đo hoạt độ phĩng xạ. Phương pháp tuyệt đối Phương pháp đo cho phép xác định trực tiếp hoạt độ thực của nguồn được gọi là phương pháp tuyệt đối. Từ (4.1) ta cĩ thể viết lại thành (4.3): 24 . . .P d NA t S f   (4.3) Trong đĩ: N là số đếm hiện trên 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 năng lượng tia gamma và kích thước detector đã dùng). f tỷ số phân rã cho trước bởi bảng 4.1 Bảng 4.1: Tỷ số phân rã gamma ( f ) Đồng vị Năng 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 Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 76 SVTH: Lý Duy Nhất Phương pháp tương đối Phương pháp đo tương đối hoạt độ dựa trên cơ sở so sánh hoạt độ nguồn chưa biết AU với hoạt độ đã biết trước AS của một nguồn chuẩn Từ cơng thức (4.3) ta cĩ thể tìm cơng thức liên hệ giữa hoạt độ phĩng xạ của nguồn chưa biết và hoạt độ phĩng xạ của nguồn chuẩn là: U U S S U S A n t A t n  (4.4) Nếu thời gian đo hai nguồn là như nhau thì: UU S S nA A n  (4.5) Và SA được tính: 0 ln 2 t T S SA A e  Trong đĩ: SA là hoạt độ của nguồn chuẩn tại thời điểm đang đo. 0S A là hoạt độ của nguồn chuẩn tại thời điểm xuất xưởng. Un là số đếm thực của nguồn chưa biết. 3. CHUẨN BỊ DỤNG CỤ Hệ phổ kế gamma Bộ nguồn chuẩn 137Cs ( 0.662E Mev  ), 60Co và mẫu cần đo độ phĩng xạ. 4. 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 ở mặt trước và cách đầu dị khoảng 9.3 cm. Bước 3: Cài đặt thời gian đếm cho máy làm việc (khoảng 300 giây). Bước 4: Sau khi máy dừng đo, đọc số đếm ghi vào bảng 4.2 Bước 5: Lấy nguồn ra và đo phơng với cùng khoảng thời gian như trên. Bước 6: Lặp lại thao tác trên từ 3 hay 5 lần và tiếp tục ghi vào bảng 4.2. Bảng 4.2 Lần đo UN UN bN bN t Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 77 SVTH: Lý Duy Nhất Phương pháp tương đối Bước 1: Đặt nguồn chuẩn ở mặt trước cách detector 4 cm. Bước 2: Đợi một khoảng thời gian (300 s) cho phổ hiện rõ trên màn hình. Bước 3: Dịch chuyển con trỏ quét vùng đỉnh năng lương hấp thụ tồn phần, xác định tổng số đếm trên máy. Bước 4: Lấy nguồn chuẩn ra khỏi detector tiến hành đo phơng trong cùng khoảng thời gian như trên. Bước 5: Đặt nguồn cần đo vào trước cách detector 4 cm Bước 6: Tiến hành xác định tổng số đếm và tổng số đếm phơng của nguồn cần đo. Sau đĩ ghi vào bảng 4.3. Từ biểu thức (4.5) ta cĩ thể viết lại: U bU S S b N NA A N N   (4.6) Bước 7: Thay vào biểu thức (4.6) ta tìm được hoạt độ của mẫu đo. Bước 8: Lặp lại thao tác trên từ 3 hay 5 lần và tiếp tục ghi vào bảng 4.3. Bảng 4.3 Lần đo UN UN SN SN bN bN t 5. MẪU BÁO CÁO BÀI 4: ĐO HOẠT ĐỘ CỦA MỘT NGUỒN PHÁT GAMMA 1. Mục tiêu của bài thí nghiệm ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 2. Tĩm tắt cơ sở lý thuyết ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 78 SVTH: Lý Duy Nhất ....................................................................................................................................... 3. Các bước tiến hành ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 4. Báo cáo kết quả Xác định hoạt độ phĩng xạ bằng phương pháp tuyệt đối. Bảng 4.2 Lần đo UN UN bN bN t Từ (4.5): . U b U N NA t   Từ cơng thức truyền sai số: .U U b A N N t    UU U A A A   Xác định hoạt độ phĩng xạ bằng phương pháp tương đối. Bảng 4.3 Lần đo UN UN SN SN bN bN t Từ (4.6): U bU S S b N NA A N N   Từ cơng thức truyền sai số: 2 2 ( )( ) ( )U S S b U b A U b S b S b A N N N NN N N N N N       UU U A A A   Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 79 SVTH: Lý Duy Nhất BÀI 5: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ HẤP THỤ KHỐI CỦA VẬT LIỆU ĐỐI VỚI TIA GAMMA 1. MỤC TIÊU CỦA BÀI THÍ NGHIỆM  Xác định hệ số hấp thụ khối của chì, nhơm… đối với tia gamma cĩ năng lượng 0.662 MeV.  Xác định bề dày mật độ hấp thụ một nữa (HVL).  Vẽ được đường cong thể hiện sự phụ thuộc của cường độ tia gamma (I) vào bề dày mật độ (x). 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Sự suy giảm bức xạ gamma khi đi qua mơi trường Sự suy giảm bức xạ gamma khi đi qua mơi trường khác với sự suy giảm của các bức xạ alpha và beta. Bức xạ alpha và beta cĩ tính chất hạt nên chúng cĩ quãng chạy hữu hạn trong vật chất, nghĩa là chúng cĩ thể bị hấp thụ hồn tồn, trong lúc đĩ bức xạ gamma chỉ bị suy giảm về cường độ chùm tia khi tăng bề dày vật chất mà khơng bị hấp thụ hồn tồn. Ta xét một chùm tia hẹp gamma đơn năng với cường độ ban đầu oI . Sự thay đổi cường độ khi đi qua một lớp mỏng vật liệu dx bằng: dI Idx  (5.1) Trong đĩ  là hệ số suy giảm tuyến tính (linear attenuation coeficient). Đại lượng này cĩ thứ nguyên (độ dày)-1 và thường tính theo cm-1. Từ (5.1) cĩ thể viết phương trình: dI dx I   Giải phương trình ta được: xoI I e  (5.2) Hệ số suy giảm tuyến tính  phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma và mật độ vật liệu mơi trường ( , )E   . 2.2. Bề dày mật độ và hệ số hấp thụ khối Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 80 SVTH: Lý Duy Nhất Nếu ta đặt 2. ( / )mx x g cm gọi là bề dày mật độ. Lúc này (5.2) được viết lại thành (5.3) m mxoI I e  (5.3) Trong đĩ: m là hệ số hấp thụ khối ( 2 /cm g ) và (5.3) là biểu thức của định luật Lambert. Từ (5.3) ta được: 0 ln m m I x I   (5.4) Nếu 0 0.5I I  thì ln 2 0.693m m m x HVL     HVL là độ dày mật độ hấp thụ một nữa. I là cường độ tia tia gamma (số tia gamma trên một đơn vị thời gian đếm). 3. CHUẨN BỊ DỤNG CỤ Hệ phổ kế gamma. Bộ nguồn chuẩn 137Cs ( 0.662E Mev  ), các tấm kim loại như chì, nhơm, đồng… cĩ độ dày khác nhau. 4. 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 khi xác định số đếm phơng, ta đặt nguồn chuẩn 137Cs cách detector khoảng 5 cm và xác định số đếm hiển thị trên máy đo. Ghi kết quả đo vào bảng 5.1. Chú ý đợi khoảng thời gian đủ dài sao cho số đếm lớn hơn 6000. Bước 3: Đặt miếng chì mỏng giữa detector và nguồn chuẩn. Xác định số đếm phơng và số đếm lúc cĩ nguồn. Ghi vào bảng 5.1 Bước 4: Tiếp tục ghép thêm miếng chì khác vào giữa nguồn chuẩn và detector. Thực hiện các thao tác tương tự. Xác định số đếm phơng và số đếm lúc cĩ nguồn. Ghi vào bảng 5.1. Thực hiện tương tự và dừng lại sau khi thấy số đếm gần với 1000. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 81 SVTH: Lý Duy Nhất Bảng 5.1 Thời gian = ………. Lần đo x mx x CsN bN Cs bN N I 1 0 0 2 3 4 5 6 7 Bước 5: Vẽ đồ thị thể hiện sự phụ thuộc cường độ phĩng xạ tia gamma vào bề dày mật độ. Bước 6: Thay chì bằng nhơm thực hiện các thao tác trên. Sau đĩ vẽ đồ thị thể hiện sự phụ thuộc cường độ phĩng xạ tia gamma vào bề dày mật độ. So sánh dạng của hai đồ thị. Bước 7: Từ biểu thức (5.4) xác định hệ số hấp thụ khối của chì, nhơm đối với tia gamma. Bước 8: Xác định bề dày mật độ hấp thụ hấp thụ một nữa ( )HVL . 5. MẪU BÁO CÁO BÀI 5: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ HẤP THỤ KHỐI CỦA VẬT LIỆU ĐỐI VỚI TIA GAMMA 1. Mục tiêu của bài thí nghiệm ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 2. Tĩm tắt cơ sở lý thuyết ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 3. Các bước tiến hành ....................................................................................................................................... Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 82 SVTH: Lý Duy Nhất ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 4. Báo cáo kết quả Xác định hệ số hấp thụ của chì, nhơm. Bảng 5.1 Thời gian = ………. Lần đo x mx x CsN bN Cs bN N I 1 0 0 2 3 4 5 6 … Từ (5.4): 0 ln m m I x I   Suy ra: 0ln i mi mi I I x   và 1 n mi i m n     Nên: m m m     Vẽ đồ thị thể hiện sự phụ thuộc cường độ phĩng xạ tia gamma vào bề dày mật độ. xm 0 …. …. …. I Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 83 SVTH: Lý Duy Nhất BÀI 6: ĐO TỔNG HOẠT ĐỘ PHĨNG XẠ ALPHA 1. MỤC TIÊU CỦA BÀI THÍ NGHIỆM  Nắm vững các thao tác khi sử dụng máy đo tổng hoạt độ phĩng xạ alpha phơng thấp UMF – 2000.  Xác định tổng hoạt độ phĩng xạ alpha. 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Hạt alpha Hạt alpha là hạt nhân 2He4 cĩ điện tích là +2e và khối lượng gần bằng bốn lần khối lượng nucleon. Phân rã alpha xảy ra khi hạt nhân phĩng xạ cĩ tỷ số N/Z quá thấp. Khi phân rã alpha, hạt nhân ban đầu ZXA chuyển thành hạt nhân Z – 2YA – 4 và phát ra hạt alpha. ZXA  Z – 2YA – 4 + 2He4 Về quan hệ khối lượng, phân rã alpha thỏa mãn điều kiện: Mm = MC + m + 2me + Q Trong đĩ Mm, MC, m và me tương ứng là khối lượng các nguyên tử mẹ, nguyên tử con, hạt alpha và hạt electron. Q là khối lượng tương ứng với năng lượng tổng cộng giải phĩng khi phân rã, bằng tổng động năng của hạt nhân con và hạt alpha. Hai hạt electron quỹ đạo bị mất đi khi hạt nhân mẹ phân rã, hạt nhân con cĩ số nguyên tử thấp hơn. Hạt alpha cĩ khả năng đâm xuyên thấp nhất trong số các bức xạ ion hĩa. Trong khơng khí, ngay cả hạt alpha cĩ năng lượng cao nhất do các nguồn phĩng xạ phát ra cũng chỉ đi được vài centimet, cịn trong mơi trường sinh học quãng chạy của nĩ chỉ vài micromet. Do đĩ các khi đo nguồn alpha người ta thiết kế khay đặt nguồn ngay sát đầu dị. 2.2. Đo hoạt độ nguồn alpha Phương pháp đo tuyệt đối Phương pháp đo cho phép xác định trực tiếp hoạt độ thực của nguồn được gọi là phương pháp tuyệt đối. Thơng thường số hạt được thiết bị ghi nhận khác với hoạt độ của nguồn. Hệ số tỉ lệ () giữa các đại lượng này gọi là hiệu suất ghi của thiết bị đo, Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 84 SVTH: Lý Duy Nhất phụ thuộc vào các yếu tố như hình học đo, tính chất của detetor, chiều dày nguồn, … Khi đĩ hoạt độ nguồn AU được xác định: . UnA t U (6.1) Trong đĩ: Un là số đếm thực; t là thời gian đo. Phương pháp đo tương đối Phương pháp đo tương đối hoạt độ dựa trên cơ sở so sánh hoạt độ nguồn chưa biết AU với hoạt độ đã biết trước AS của một nguồn chuẩn. Số hạt do thiết bị ghi nhận trong đơn vị thời gian và hoạt độ A của nguồn liên hệ với nhau bằng biểu thức sau: .N A (6.2) Nếu hiệu suất của thiết bị ghi trong trường hợp nguồn chuẩn S và nguồn cần đo hoạt độ U cĩ giá trị như nhau, thì từ biểu thức trên ta cĩ thể tìm được AU: . . U U U S S S n A n A   (6.3) Từ (6.3) ta tìm được (6.4): UU S S nA A n  (6.4) Đại lượng U và S cĩ thể bằng nhau nếu các điều kiện sau được thỏa mãn:  Các phép đo trong cả hai trường hợp đều được tiến hành trong những điều kiện hình học như nhau.  Độ chính xác thống kê các phép đo trong cả hai trường hợp đều như nhau.  Giá đỡ mẫu và nguồn chuẩn phải được chế tạo từ cùng một loại vật liệu cĩ chiều dày như nhau.  Thành phần đồng vị của các tiêu bản cũng phải như nhau. Ngồi ra bản thân chất phĩng xạ cần được phân bố đồng đều theo thể tích của nguồn và chiều dày của nguồn cũng phải như nhau. 3. CHUẨN BỊ DỤNG CỤ Máy đo tổng hoạt độ phĩng xạ alpha phơng thấp UMF – 2200. Nguồn chuẩn phát xạ alpha và nguồn phát xạ alpha chưa biết. 4. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 85 SVTH: Lý Duy Nhất Phương pháp đo tuyệt đối Bước 1: Khởi động máy UMF – 2000 khoảng 30 phút. Bước 2: Đặt nguồn alpha cần đo vào trong đĩa đựng mẫu của máy đếm. Bước 3: Cài đặt thời gian đếm cho máy làm việc (khoảng 300 giây). Bước 4: Sau khi máy dừng đo đọc số đếm ghi vào bảng 6.1 Bước 5: Lấy nguồn ra và đo phơng với cùng khoảng thời gian như trên. Bước 6: Lặp lại thao tác trên từ 3 hay 5 lần và tiếp tục ghi vào bảng 6.1. Bảng 6.1 Lần đo UN UN bN bN t Hoạt độ nguồn được xác định theo cơng thức 6.5 như sau: . U b U N NA t   (6.5) Trong đĩ: UN là số đếm đo trong khoảng thời gian t ;  là hiệu suất ghi của đầu dị. Phương pháp tương đối Bước 1: Đặt nguồn chuẩn vào trong đĩa đựng mẫu của máy đếm. Bước 2: Cài đặt thời gian đếm cho máy làm việc (khoảng 300 giây). Bước 3: Sau khi máy dừng đo đọc số đếm ghi vào bảng 6.2 Bước 4: Lấy nguồn chuẩn ra khỏi detector tiến hành đo phơng trong cùng khoảng thời gian như trên. Bước 5: Tiến hành xác định tổng số đếm và tổng số đếm phơng của nguồn cần đo. Sau đĩ ghi vào bảng 6.2. Từ biểu thức (6.4) ta cĩ xác định hoạt độ phĩng xạ của nguồn chưa biết: U bU S S b N NA A N N   Bước 6: Lặp lại thao tác trên từ 3 hay 5 lần và tiếp tục ghi vào bảng 6.2. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 86 SVTH: Lý Duy Nhất Bảng 6.2 Lần đo UN UN SN SN bN bN t 5. MẪU BÁO CÁO BÀI 6: ĐO TỔNG HOẠT ĐỘ PHĨNG XẠ ALPHA 1. Mục tiêu của bài thí nghiệm ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 2. Tĩm tắt cơ sở lý thuyết ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 3. Các bước tiến hành ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 4. Báo cáo kết quả Đo hoạt độ phĩng xạ bằng phương pháp tuyệt đối. Bảng 6.1 Lần đo UN UN bN bN t Từ (6.5): . U b U N NA t   Từ cơng thức truyền sai số: .U U b A N N t    Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 87 SVTH: Lý Duy Nhất UU U A A A   Đo hoạt độ phĩng xạ bằng phương pháp tuyệt đối. Bảng 6.2 Lần đo UN UN SN SN bN bN t Từ (6.4): U bU S S b N NA A N N   Từ cơng thức truyền sai số: 2 2 ( )( ) ( )U S S b U b A U b S b S b A N N N NN N N N N N       UU U A A A   Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 88 SVTH: Lý Duy Nhất KẾT LUẬN Sau khi hồn tất khĩa luận tốt nghiệp, ngồi việc em đã được tích lũy nhiều kiến thức bổ ích về các dụng cụ ghi đo bức xạ ion hĩa em cũng đã thực hiện được mục tiêu chính đề ra ở phần mở đầu đĩ là:  Tìm hiểu cơ chế hoạt động của các thiết bị ghi đo bức xạ ion hĩa.  Tìm hiểu cấu tạo, đặc tính kỹ thuật và cách vận hành các thiết bị trong phịng thí nghiệm vật lý hạt nhân.  Xây dựng sáu bài thí nghiệm dựa trên các dụng cụ ghi đo bức xạ ion hĩa trong phịng thí nghiệm vật lý hạt nhân. Nếu được phép của khoa và nhà trường, đề tài này cĩ thể dùng làm tài liệu cho sinh viên khoa Vật Lý tham khảo, giúp cho các sinh viên cĩ cái nhìn tổng thể về các thiết bị ghi đo bức xạ ion hĩa trong phịng thí nghiệm “Vật Lý Hạt Nhân”, để các bạn bước đầu làm quen với các thiết bị này tránh được sự bỡ ngỡ trước khi tiến hành làm thí nghiệm dựa trên cơ sở của những bài thí nghiệm đã xây dựng ở chương ba của phần nội dung. Qua việc tìm hiểu về các thiết bị trong phịng thí nghiệm “Vật Lý Hạt Nhân” em xin cĩ một vài kiến nghị như sau:  Do tình hình khí hậu đặc thù ở vùng nhiệt đới là nĩng và độ ẩm cao. Để bảo quản detector của các hệ phổ kế, một số các mẫu phĩng xạ, nguồn phĩng xạ chuẩn và các thiết bị khác. Phịng thí nghiệm cần trang bị thêm Máy Hút Ẩm.  Nhằm tạo điều kiện cho việc khai thác triệt để các dụng cụ thí nghiệm và giúp cho sinh viên thực hiện tốt các bài thí nghiệm, phịng thí nghiệm cần trang bị thêm các dụng cụ “phụ” kèm theo các hệ ghi đo bức xạ như: nguồn chuẩn, vật che chắn, hộp đựng mẫu, sổ ghi chép… Do hạn chế về mặt thời gian cũng như trình độ kiến thức và tầm hiểu biết, nên dù đã nỗ lực hết sức mình nhưng chắc chắn sẽ cĩ nhiều thiếu xĩt trong khĩa luận này. Rất mong được sự chỉ dạy tận tình của quí thầy cơ để em cĩ thể sửa chữa và kịp thời bổ sung vào những điểm thiếu xĩt, giúp cho kiến thức của em ngày càng được hồn thiện hơn. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phịng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 89 SVTH: Lý Duy Nhất TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Thái Khắc Định, Tạ Hưng Quý (2006), Vật lý nguyên tử và hạt nhân, NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh. [2] Ngơ Quang Huy (2004), An tồn bức xạ ion hĩa, NXB Khoa học và kỹ thuật. [3] Ngơ Qung Huy (2006), Cơ sở vật lý hạt nhân, NXB Khoa học và kỹ thuật. [4] Lê Hồng Khiêm (2008), Phân tích số liệu trong ghi nhận bức 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. ._.

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfLA7474.pdf
Tài liệu liên quan