Bài tiểu luận: Hệ đo Alpha-Beta phông thấp MPC 2000 DP

Chia sẻ: Le Duoc | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:32

Thêm vào BST

Báo xấu

106
lượt xem 16
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài tiểu luận "Hệ đo Alpha-Beta phông thấp MPC 2000 DP" trình bày tổng quan về phóng xạ, cảm biến nhấp nháy Dual Phosphur ZnS, máy đo Anpha-Beta phông thấp MPC 2000 DP. Với các bạn chuyên ngành Vật lý thì đây là tài liệu tham khảo hữu ích.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài tiểu luận: Hệ đo Alpha-Beta phông thấp MPC 2000 DP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HẠT NHÂN & VẬT LÝ MÔI TRƯỜNG  BÁO CÁO MÔN KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Đề tài : Hệ đo AlphaBeta phông thấp MPC 2000 DP GVHD: TS.Nguyễn Hoàng Nam Sinh viên thực hiện : Ngô Trí Dũng MSSV 20130659 Nguyễn Xuân Hoàng MSSV 20131631 Nguyễn Đình Công MSSV 21030452 Lê Văn Được MSSV 20130971
Máy đo AlphaBeta phông thấp MPC 2000 DP Hà Nội, tháng 11 năm 2015 Lời nói đầu Thế giới chúng ta đang sống chứa nhiều chất phóng xạ và điều này đã xảy ra từ khi hình thành trái đất. Con người đã phát hiện 60 hạt nhân phóng xạ và các hạt nhân này không ngừng phân rã và tương tác với nhau đồng thời phát ra các bức xạ α,β,γ. Một phần chất phóng xạ trên đã phát tán vào môi trường: đất, không khí, nước… gây ảnh hưởng đến cuộc sống nhân loại. Vì vậy ghi đo bức xạ là một trong những yếu tố quan trọng nhất của vật lý hạt nhân thực nghiệm. Từ các lĩnh vực cơ bản như nghiên cứu số liệu và cấu trúc hạt nhân đến các nghiên cứu ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp, sinh học, địa chất, y tế, môi trường…đều rất cần thiết. Trong quá trình học môn Kỹ Thuật Đo Lường, chúng em có tìm hiểu về đề tài “Máy ghi đo phóng xạ MPC 2000 DP ” và nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình của TS. Nguyễn Hoàng Nam, đã giúp chúng em hoàn thành bản báo cáo. Máy đo alphabeta phông thấp MPC 2000 DP được sử dụng trong các phép đo hoạt độ phóng xạ của các hạt nhân phát xạ alpha, beta, đặc biệt là hoạt độ thấp, phục vụ nghiên cứu vật lý hạt nhân, đo đạc, phân tích môi trường, kiểm soát an toàn phóng xạ,... Mục đích của bài báo cáo sử dụng nhằm cung cấp các thông tin cơ bản, cần thiết trong việc đặt các chế độ đo và vận hành thiết bị. Sau đây là nội dung chính của bản báo cáo : Tổng quan về phóng xạ. Cảm biến nhấp nháy Dual Phosphur ZnS Máy đo AnphaBeta phông thấp MPC 2000 DP. Dù đã cố gắng tìm hiểu, nhưng do kiến thức chuyên ngành còn thiếu sốt và kinh nghiệm thực tế chưa có, nên trong quá trình thực hiện còn nhiều thiếu sót. Rất mong nhận được sự nhận xét của thầy, để bản báo cáo được hoàn thiện hơn. Nhóm 8 | CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHÓNG XẠ 2
Máy đo AlphaBeta phông thấp MPC 2000 DP Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy! MỤC LỤC Nhóm 8 3
Máy đo AlphaBeta phông thấp MPC 2000 DP DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ Nhóm 8 4
Máy đo AlphaBeta phông thấp MPC 2000 DP CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHÓNG XẠ 1.1. Phóng xạ, tia phóng xạ 1.1.1. Khái niệm Phóng xạ là hiện tượng một số hạt nhân nguyên tử không bền tự biến đổi và phát ra các bức xạ hạt nhân (thường được gọi là các tia phóng xạ). Các nguyên tử có tính phóng xạ gọi là các đồng vị phóng xạ, còn các nguyên tử không phóng xạ gọi là các đồng vị bền. Các nguyên tố hóa học chỉ gồm các đồng vị phóng xạ (không có đồng vị bền) gọi là nguyên tố phóng xạ.các tia phóng xạ có từ tự nhiên có thể bị chặn bởi các tầng khí quyển của Trái Đất. Tia phóng xạ có thể là chùm các hạt : Mang điện dương như hạt anpha, hạt proton; mang điện âm như chùm electron (phóng xạ beta). Không mang điện như hạt nơtron, tia gamma (có bản chất giống như ánh sáng nhưng năng lượng lớn hơn nhiều). Sự tự biến đổi như vậy của hạt nhân nguyên tử, thường được gọi là sự phân rã phóng xạ hay phân rã hạt nhân. 1.1.2. Nguồn gốc và phân loại Các nguồn bức xạ bao gồm các nguồn phóng xạ và các thiết bị bức xạ. Các nguồn phóng xạ là các chất phát các hạt bức xạ như Alpha, Beta, Gamma và neutron. Các thiết bị bức xạ gồm các lò phản ứng hạt nhân. Máy gia tốc hạt tích điện, máy phát neutron,… Nguồn phóng xạ được chia thành hai loại : Nguồn phóng xạ tự nhiên : Tia vũ trụ. Các nhân phóng xạ trong vỏ Trái Đất. Nhóm 8 5
Máy đo AlphaBeta phông thấp MPC 2000 DP Nguồn phóng xạ nhân tạo: được sản xuất trong các lò phản ứng hạt nhân hay các máy gia tốc hạt tích điện. Nhóm 8 6
Máy đo AlphaBeta phông thấp MPC 2000 DP 1.1.3. Các loại tia phóng xạ Các tia phóng xạ được phát ra trong những phản ứng hạt nhân, khi đồng vị không bền chuyển thành các đồng vị bền hơn, hoặc trong những phản ứng phân hạch và nhiệt hạch. Sau đây là một số nguồn phóng xạ alpha, beta thường gặp. B ả ng 1. . B ả ng ph ươ ng trình phân rã c ủ a các đ ồ ng v ị phóng x ạ phát x ạ ra h ạ t alpha, beta Hình 1.1 S ự phát x ạ c ủ a ch ấ t phóng x ạ trong môi tr ườ ng có t ừ tr ườ ng Nhóm 8 7
Máy đo AlphaBeta phông thấp MPC 2000 DP Nhóm 8 8
Máy đo AlphaBeta phông thấp MPC 2000 DP Bức xạ Alpha Là các dòng hạt nhân của nguyển tử 2He4 mang điện tích dương. Bức xạ Alpha được phát ra trong quá trình phân rã của các đồng vị nặng như Uran, Radi, Radon và Plutoni … với vận tốc khoảng 2×107m/s. Có khả năng ion hóa chất khí và mất dần năng lượng. Trên Trái Đất, bức xạ Alpha không truyền đi được xa, khả năng đâm xuyên yếu và bị cản lại toàn bộ bởi một tờ giấy. Nhưng rất nguy hiểm khi để bức xạ Alpha xâm nhập vào bên trong cơ thể người. Bức xạ Beta Bức xạ Beta bao gồm hạt Beta + (positron) và Beta – (điện tử). Tia Beta được phát ra từ một số vật liệu phóng xạ , chẳng hạn như Triti, Cacbon14, photpho32 và Stronti90. Vận tốc của các hạt Beta gần bằng vận tốc ánh sáng. Ion hóa chất khí yếu hơn tia Alpha. Khả năng đâm xuyên mạnh hơn tia Alpha, có thể đi xa trong không khí, nhưng có thể bị cản lại bởi tấm kim loại, kính hay quần áo bình thường. Nó có thể làm tổn tương lớp da bảo vệ, nếu các bức xạ Beta phát ra trong cơ thể, nó có thể chiếu xạ trong làm tổn thương các mô tế bào. Bức xa Gamma Bức xạ gamma là sóng điện từ, có bước sóng rất ngắn, cũng là hạt photon năng lượng cao, khi va chạm với vật chất thì cường độ của nó cũng giảm dần Tia gamma được tạo ra do sự tự phân rã của chất phóng xạ, chẳng hạn như Cobalt60 và Xedi137. Không bị lệch trong điện, từ trường. Khả năng đâm xuyên rất lớn, nên phải dùng tấm chắn được làm bằng các vật liệu như chì, bê tông dày. Nó cũng gây hại lớn đến da và các tế bào của cơ thể người nếu tiếp xúc với nó. Nhóm 8 9
Máy đo AlphaBeta phông thấp MPC 2000 DP Hình 1.2 Kh ả năng đâm xuyên c ủ a các b ứ c x ạ trong môi tr ườ ng Nhóm 8 10
Máy đo AlphaBeta phông thấp MPC 2000 DP Bức xạ Neutron Hạt Neutron được giải phóng sau phản ứng phân hạch hạt nhân Uranium hoặc Plutronium, bản thân nó không phải là bức xạ ion hóa, nhưng nếu va chạm với các hạt nhân khác, nó có thể kịch hoạt các hạt nhân hoặc gây ra tia gamma hay các hạt điện tích thứ cấp gián tiếp gây ra bức xạ ion hóa. Neutron có sức xuyên mạnh hơn tia gamma. Chỉ có thể bị ngăn cản bởi tường bê tông dày, bởi nước hoặc tấm chắn Paraphin. Bức xạ Neutron chỉ tồn tại trong trong lò phản ứng hạt nhân và các nhiên liệu hạt nhân. Tia X Tia X là dạng năng lượng sóng điện từ. Tia X được con người tạo ra trong một ống Rơngen mà bản thân nó không có tính phóng xạ. Tia X bao gồm một hỗn hợp của các bước sóng khác nhau. Do đã biết được đặc điểm, tính chất và sự nguy hại đến sức khỏe con người của các loại bức xạ, nên việc tránh tiếp xúc với nó là vấn đề vô cùng quan trọng và thiết yếu. Nên tiếp theo sẽ là tổng quan về ghi đo đạc bức xạ trong môi trường để ta có thể tránh tiếp xúc với chúng nhiều. 1.2. Tổng quan ghi đo phóng xạ Trong đo ghi bức xạ, thành phần cơ bản và quan trọng nhất của thiết bị đo là các cảm biến. Đây là thiết bị biến đổi tín hiệu cần đo thành các tín hiệu điện để các thiết bị điện tử có thể ghi nhận và phân tích. Mỗi loại bức xạ khác nhau có các cơ chế tương tác với vật chất đặc trưng riêng biệt, do đó để ghi nhận được chúng cần có các loại detector khác nhau như: detector chứa khí, detector nhấp nháy, detector bán dẫn. 1.3. Các đại lượng phóng xạ Becquerel (Bq) (Đơn vị này mang tên nhà khoa học được giải Nobel Henri Becquerel). Theo Hệ đo lường quốc tế SI, Becquerel là đơn vị đo cường độ phóng xạ. Một Becquerel là cường độ phóng xạ của vật khi vật đó có 1 lần phân rã trong 1 giây Nhóm 8 11
Máy đo AlphaBeta phông thấp MPC 2000 DP Curie (Ci) là một đơn vị phi SI thể hiện mức độ phóng xạ bằng hoạt động của 1 gram Ra226. Cách chuyển đổi cơ bản giữa Bq và Ci: 1 Ci = 3,7 × 1010 Bq. Gray (Gy) (Đơn vị này được đặt theo tên nhà vật lý người anh Louis Harold Gray). Theo hệ đo lường quốc tế SI, Gray là đơn vị đo lượng hấp thụ bức xạ ion hóa tuyệt đối. Một Gray là lượng hấp thụ bức xạ ion hóa có năng lượng 1 jun của vật hấp thụ có khối lượng 1 kilogram. Sievert (Sv) (Đơn vị này được đặt theo tên nhà vật lý y tế Thụy Điển Maximilian Rolf Sievert). Theo Hệ đo lường quốc tế, Sievert là đơn vị đo lượng hấp thụ bức xạ ion hóa có tác dụng gây tổn hại. Một Sievert là lượng hấp thụ bức xạ ion hóa tương đương 1 Gray có tác dụng gây tổn hại. 1Sv = 1Gy = 1Jkg Nhóm 8 12
Máy đo AlphaBeta phông thấp MPC 2000 DP CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN NHẤP NHÁY DUAL PHOSPHOR ZnS 2.1.Detector(Cảm biến). Bộ cảm biến làm nhiệm vụ biến đổi các bức xạ thành dạng tín hiệu điện. Khi bức xạ rơi vào vùng làm việc của đầu ghi thì ở lối ra của đầu ghi ta nhận được một xung điện. Đánh giá các thông số của xung điện ta nhận được các thông tin về bức xạ hạt nhân. Bộ cảm biến dùng trong ngành điện tử hạt nhân có các loại đầu ghi khác nhau và ta chia chúng ra làm 3 loại chính: Cảm biến khí. Cảm biến bán dẫn. Cảm biến nhấp nháy. Nguyên tắc ghi nhận bức xạ, hiện nay có hai phương pháp ghi nhận bức xạ chính sử dụng các cảm biến, đó là dựa vào sự ion hóa chất khí (cảm biến khí), các tinh thể được kích thích do sự phát quang (cảm biến nhấp nháy) hoắc sự ion hóa của vật rắn (cảm biến bán dẫn). Nguyên tắc trong sự ion hóa chất rắn cũng giống như trong chất cảm biến, ngoại trừ, điện tích được di chuyển nhờ các electron va proton trong tinh thể khác với các electron và ion dương trong nguyên tử khí. Với thiết bị đo MPC 2000 DP, sử dụng cảm biến nhấp nháy Dual Phosphor ZnS. 2.2 Cảm biến nhấp nháy Dual Phosphor ZnS Sử dụng để đếm đồng thời bức xạ Alpha và Beta. Bao gồm có chấtnhấp nháy hữu cơ và vô cơ (organic and inorganic scintillator) được sử dụng rộng rãi trong các phép đo bức xạ. Nó được chia làm hai phần: lớp nhấp nháy vô cơ dùng để đo hạt Alpha và một lớp chất nhấp nháy hữu cơ dùng để đi hạt Beta. Nhóm 8 13
Máy đo AlphaBeta phông thấp MPC 2000 DP Lớp chất nhấp nháy vô cơ được tạo thành bởi ZnS(Ag) hoặc bởi chất nhấp nháy và polysulfone. Bạc hoạt Kẽm Sulphat là một trong những chất nhấp nháy vô cơ cũ, nó có hiệu quả nhấp nháy cao, tương đương NaI(Ti), nhưng chỉ có sẵn như là một loại bột đa tinh thể. Vì vậy, việc sử dụng nó giới hạn chủ yếu cho hạt Alpha và các hạt nhận nặng. Trong thiết bị này, ta sử dụng ZnS(Ag) để nhận biết các hạt Alpha Lớp chất nhấp nháy hữu cơ thường được làm từ polymer. Chất hữu cơ gồm nhiều lớp, các lớp gồm 2,5diphenyloxazole [PPO] và 1,4bis [5phenyl (oxazolyl) benzen] [POPOP] đóng vai trò là chất nhấp nháy và polysulfone dẫn xuất như polymer. Nó có tác dụng dùng để đếm hạt Beta. Để có loại polymer tốt, cũng như khả năng phát hiện hạt Beta tốt, ta cần nhưng loại polymer có khả năng chuyển giao năng lượng tốt. Một vài ví dụ như PSF, Polystyrene [PS], Estyrene, và Poly (bisphenol A Carbonate) [PBAC]. Dual phosphor được tạo ra bằng cách phủ lớp một lớp mỏng chất nhấp nháy vô cơ ZnS(Ag) (khoảng 0.25mm) lên mặt của tấm chất nhấp nháy hữu cơ. Các lớp nhựa dưới cùng thu được bằng cách đúc giải pháp và kỹ thuật bốc hơi sau đó, sử dụng các loại polymer khác nhau. Mô hình Dual phosphor được thể hiện ở (Hình 2.1). Nhóm 8 14
Máy đo AlphaBeta phông thấp MPC 2000 DP CH2Cl2 Dimethylformamide 2,5diphenyloxazole(PPO) Polysulfone 1,4bis[5phenyl2oxazol]benzene o (POPOP) 70 C, 5hr Dd chất phát sáng nhấp nháy Dung dịch keo Polysulfone(PSF) Nhóm 8 15
Máy đo AlphaBeta phông thấp MPC 2000 DP Dung dịch Polime ZnS(Ag) Huỳnh quang o 25 C, 24hr, Khuấy động Khuấy động Đổ khuôn dung dịch Dung dịch photphat niệu Doctor Blade 300 m Evaporation, 24hr Applying on the sheet Tấm nhựa ZnS(Ag) + PSF Tấm nhựa chứa chất phát sang nhấp nháy Hình 2.1 Mô hình C ả m bi ế n nh ấ p nháy Dual Phosphor ZnS 2.3. Nguyên lý làm việc của Cảm biến Nhấp Nháy 2.3.1. Nguyên lý chung Khi vật liệu có tính nhấp nháy bị hạt hoặc bức xạ kích thích do va chạm, nó sẽ phát ánh sáng nhấp nháy. Các cảm biến sử dụng chất nhấp nháy có thể xác định bức xạ ion hoá và đo phổ bức xạ trong một dải rộng. Ngày nay, chất nhấp nháy được cung cấp dưới các dạng khác nhau (rắn, lỏng và khí), các ống nhân quang được chế tạo với chất lượng cao đã cho phép tạo ra các cảm biến nhấp nháy rắn đo photon cùng với sự phát triển của kỹ thuật vi điện tử đã làm cho các detector nhấp nháy trở nênđược sử dụng phổ biến trong nhiều ứng dụng. Nhóm 8 16
Máy đo AlphaBeta phông thấp MPC 2000 DP Dưới đây là các quá trình xảy ra khi xác định bức xạ ion hoá bằng cảm biến nhấp nháy : Hình 2.2. S ơ đ ồ kh ố i mô t ả thi ế t b ị ghi đo phóng x ạ s ử d ụ ng c ả m bi ế n nh ấ p nháy Do ánh sáng phát từ các chất nhấp nháy là rất yếu, nên phải dùng một dụng cụ đặc biệt gọi là bộ nhân quang điện (PMT). A Out R C C D D D Hình 2.3 C ấ u t ạ o b ộ nhân quang đi ệ n Bức xạ hạt nhân bị hấp thụ trong chất nhấp nháy gây ra sự kích thích và ion hoá chất nhấp nháy. Chất nhấp nháy chuyển đổi năng lượng hấp thụ thành ánh sáng thông qua quá trình phát quang. Lượng tử ánh sáng đi đến catốt của ống nhân quang. Lượng tử ánh sáng bị hấp thụ ở catốt của ống nhân quang, quang electron được phát ra và sau đó là quá trình nhân các electron trong ống nhân quang. Nhóm 8 17
Máy đo AlphaBeta phông thấp MPC 2000 DP Khuếch đại xung được hình thành từ ống nhân quang sau đó phân tích các xung này bằng các thiết bị điện tử như máy đếm hoặc máy phân tích biên độ nhiều kênh. Nhìn chung, các cảm biến sử dụng chất nhấp nháy có khả năng cung cấp nhiều thông tin khác nhau về bức xạ. Một trong những đặc điểm nổi bật của các detector này là nhạy về năng lượng, thời gian đáp ứng nhanh và dạng xung phân biệt rõ ràng. Cảm biến nhấy nháy có đóng góp quan trọng trong sự phát triển ngành phân tích kích hoạt phóng xạ, là một trong nhưng loại cảm biến cũ nhất được dùng để đo lường phóng xạ. Các cảm biến nhấp nháy (scintillator) dựa trên một vài chất thực tế (được gọi là các phosphor) chúng sẽ phát ra ánh sáng nhìn thấy khi các electron thay đổi mức năng lượng và phát ra các photon do sự ion hóa của bức xạ đo. Các photon ánh sáng sẽ đi qua một lớp dẫn sáng, đập vào các photocatode của ống nhân quang điện và ở lối ra của ống nhân quang điện xuất hiện một tín hiệu điện có biên độ khá lớn. Tín hiệu điện này được đưa vào bộ tiền khuếch đại và được khuếch đại lên trước khi đưa vào bộ phân tích và ghi nhận. Có nhiều loại phosphor khác nhau, mỗi loại được sử dụng để đo bức xạ khác nhau, với đo bức xa AlphaBeta thì ta sử dụng phosphor ZnS. 2.3.2 Sơ đồ tiền khuếch đại ghép nối với cảm biến nhấp nháy Trong detector nhấp nháy, biên độ xung của tín hiệu thường có giá trị lớn hơn mức tạp âm của tiền khuếch đại. Bởi vậy các tiền khuếch đại thường mắc theo kiểu lặp lại emiter. Trên hình vẽ là sơ đồ nguyên lý mạch ra của một tiền khuếch đại dùng với tín hiệu ở lối ra của ống nhân quang điện. Nhóm 8 18
Máy đo AlphaBeta phông thấp MPC 2000 DP Hình 2.4: S ơ đ ồ ti ề n khu ế ch đ ạ i ghép n ố i v ớ i c ả m bi ế n nh ấ p nháy . Nếu điện thế catod bằng thế đất, thì tất cả điện áp ra cỡ 1 kV là điện áp ra trên anod. Vì vậy tiền khuếch đại cần nối qua tụ chia C 1, còn Ca và Cb nối song song trên lối ra của bộ nhân quang điện. Một cách tương ứng trên lối vào của tiền khuếch đại: Cs = Ca + Cb là điện dung toàn phần mắc song song. Ra là điện trở anod, và Rb là điện trở vào của tiền khuếch đại, thường Ca Cb 10 pF. Khi , Ra ,Rb , ta có: Hằng số thời gian của mạch: Khi thoả mãn điều kiện a , a là thời gian loé sáng của bộ nhấp nháy: Hàm Heaviside: H(t) = 1 với t > 0 và bằng 0 với t
Máy đo AlphaBeta phông thấp MPC 2000 DP Các phân tử hoặc nguyên tử của chất nhấp nháy được kích thích ở thời điểm t = 0, chúng có một thời gian sống nhất định, bởi vậy cường độ của ánh sáng phát xạ L giảm theo quy luật hàm mũ: τ0 là thời gian loé sáng của chất nhấp nháy, * H t( ) là hàm Heaviside. Như vậy giữa va chạm của photon và sự giải phóng các electron không có tính trễ, thì tốc độ phát electron từ photo catod theo quy luật: Sau bộ nhân quang điện sẽ hình thành một xung dòng: Như vậy ta đo được hiệu điện thế ở đầu ra ống nhân quang, từ đó sẽ hình thành xung. Nhóm 8 20