intTypePromotion=1
ADSENSE

Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:90

94
lượt xem
14
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân tìm hiểu cơ chế hoạt động của các thiết bị ghi đo bức xạ ion hóa; tìm hiểu cấu tạo, đặc tính kỹ thuật và cách vận hành các thiết bị trong phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân; xây dựng một số bài thí nghiệm dựa trên các dụng cụ ghi đo bức xạ ion hóa trong phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VAÄT LYÙ  LÝ DUY NHẤT Ñeà taøi: Giaùo vieân höôùng daãn: TS. THÁI KHẮC ĐỊNH Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2009
  2. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện và hoàn thành khóa luận này, ngoài những nỗ lực của bản thân, em còn nhận được sự quan tâm giúp đỡ và động viên của quí thầy cô trong khoa Vật Lý trường ĐH Sư Phạm TP. Hồ Chí Minh. Em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS. Thái Khắc Định – thầy đã tận tình hướng dẫn, truyền thụ cho em những kiến thức bổ ích, đóng góp những kinh nghiệm quí báu để em thực hiện khóa luận này. Em không thể nào quên công lao của thầy Hoàng Đức Tâm cũng như các thầy cô trong tổ bộ môn “Vật Lý Hạt Nhân”, các thầy cô đã động viên giúp đỡ, chỉ bảo tận tình và truyền cho em lòng 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 hoàn thành khóa luận này. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn. Lý Duy Nhất GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 1 SVTH: Lý Duy Nhất
  3. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Thí nghiệm vật lý là một phần không 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. Nó có tác dụng to lớn trong việc rèn luyện cho sinh viên những đức tính của người làm công tác khoa học nói chung, làm công tác vật lý nói riêng. Ngoài ra, thực hành vật lý còn giúp cho sinh viên làm quen với việc nghiên cứu các hiện tượng vật lý trong phòng thí nghiệm, kiểm nghiệm lại các định luật vật lý đã được học. Thông qua các bài thí nghiệm vật lý, sinh viên bước đầu làm quen với phương pháp nghiên cứu của bộ môn. So với các môn học vật lý khác, “VẬT LÝ NGUYÊN TỬ VÀ HẠT NHÂN” là môn học khó, ngoài việc học những kiến thức khô khan sinh viên cần phải được thực hành trên những thiết bị ghi đo trong phòng thí nghiệm. Sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành giúp cho sinh viên nắm được cốt lỗi trong môn 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, có hiệu quả hơn. Nhờ sự quan tâm của quí thầy cô trong khoa vật lý và lãnh đạo trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh, phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân được xây dựng và hoàn thành vào giữa năm 2008. Do đây là phòng thí nghiệm mới được thành lập và trên con đường hoàn thiện nên việc tìm hiểu các dụng cụ, thiết bị trong phòng thí nghiệm là vấn đề cấp thiết. Trước tình hình đó, em quyết định thực hiện khóa luận tốt nghiệp với đề tài “TÌM HIỂU VỀ CÁC HỆ GHI ĐO TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN” nhằm góp một phần nhỏ vào công tác đào tạo cũng như công việc hoàn thiện phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân của quí trường. Bên cạnh đó khóa luận tốt nghiệp còn 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 hóa.  Tìm hiểu cấu tạo, đặc tính kỹ thuật và cách vận hành các thiết bị trong phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân. GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 2 SVTH: Lý Duy Nhất
  4. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân  Xây dựng một số bài thí nghiệm dựa trên các dụng cụ ghi đo bức xạ ion hóa trong phòng 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 có 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 HÓA CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ GHI ĐO BỨC XẠ TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN CHƯƠNG III: XÂY DỰNG MỘT SỐ BÀI THÍ NGHIỆM DỰA TRÊN CÁC THÍ BỊ GHI ĐO TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM HẠT NHÂN  Phần kết luận đưa ra những nhận xét tổng quát về đề tài và những kiến nghị nhằm hoàn thiện phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân. GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 3 SVTH: Lý Duy Nhất
  5. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC DỤNG CỤ CHÍNH TRONG HỆ GHI ĐO BỨC XẠ ION HÓA 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 môi trường hấp thụ. Các hiệu ứng chung khi tương tác của bức xạ với vật chất là kích thích và ion hóa nguyên tử của môi trường hấp thụ. 1.1. TƯƠNG TÁC CỦA HẠT BETA VỚI VẬT CHẤT 1.1.1. Sự ion hóa Do hạt beta mang điện tích nên cơ chế tương tác của nó với vật chất là tương tác tĩnh điện với các electron quỹ đạo làm kích thích và ion hóa các nguyên tử môi trường. Trong trường hợp nguyên tử môi trường bị ion hóa, hạt beta mất một phần năng lượng Et để đánh bật một electron quỹ đạo ra ngoài. Động năng Ek của electron bị bắn ra liên hệ với năng lượng ion hóa của nguyên tử E và độ mất năng lượng E t như sau: Ek  Et  E (1.1) Trong đó năng lượng ion hóa E được xác định theo công thức: 1  E  Rh   1    Rh .   Trong nhiều trường hợp electron bắn ra có động năng đủ lớn để có thể ion hóa nguyên tử tiếp theo, đó là electron thứ cấp (delta electron). Do hạt beta chỉ mất một phần năng lượng Et để ion hóa nguyên tử, nên dọc theo đường đi của mình, nó có thể gây ra thêm một số lớn cặp ion. GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 4 SVTH: Lý Duy Nhất
  6. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Năng lượng trung bình để sinh một cặp ion thường gấp 2 đến 3 lần năng lượng ion hóa. Bởi vì, ngoài quá trình ion hóa, hạt beta còn mất năng lượng do kích thích nguyên tử. Do hạt beta có khối lượng bằng khối lượng electron quỹ đạo nên va chạm giữa chúng làm hạt beta chuyển động lệch khỏi hướng ban đầu. Do đó, hạt beta chuyển động theo đường cong khúc khuỷu sau nhiều lần va chạm trong môi trường hấp thụ và cuối cùng sẽ dừng lại khi mất hết năng lượng. 1.1.2. Độ ion hóa riêng Độ ion hóa riêng là số cặp ion được tạo ra khi hạt beta chuyển động được một centimet trong môi trường hấp thụ. Độ ion hóa 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 đó tăng chậm (hình 1.1). Độ ion hóa riêng được xác định qua tốc độ mất năng lượng tuyến tính của hạt beta do ion hóa và kích thích, một thông số quan trọng dùng để thiết kế thiết bị đo liều bức xạ và tính toán hiệu ứng sinh học của bức xạ. Tốc độ mất năng lượng tuyến tính của hạt beta tuân theo công thức: dE 2 q 4 NZ (3.109 )4   E m E k  2  2    ln      MeV / cm (1.1) dx E m  2 (1,6.106 )2   I 2 (1   2 )   Trong đó: q = l,6.10-19C , điện tích của electron. N là số nguyên tử chất hấp thụ trong 1 cm3. Z là số nguyên tử của chất hấp thụ. GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 5 SVTH: Lý Duy Nhất
  7. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân NZ  3,88.1020 / cm 3 , số electron của không khí ở nhiệt độ 0oC và áp suất 76 cm thủy ngân. Em  0, 51 MeV , năng lượng tĩnh của electron. Ek là động năng của hạt beta.   v / c , trong đó v là vận tốc của hạt beta còn c = 3.1010 cm/s. I  8,6.10-5 MeV đối với không khí và I  1, 36.10-5 Z (MeV ) đối với các chất hấp thụ khác, là năng lượng ion hóa và kích thích của nguyên tử chất hấp thụ. Nếu biết trước đại lượng w, là độ mất năng lượng trung bình sinh cặp ion, thì độ ion hóa riêng s được tính theo công thức sau: dE / dx (eV / cm ) s (1.2) w (eV / c .i ) Trong đó c .i là cặp ion. 1.1.3. Hệ số truyền năng lượng tuyến tính Độ ion hóa riêng được dùng xem xét độ mất năng lượng do ion hóa. Khi quan tâm đến môi trường hấp thụ, thường sử dụng tốc độ hấp thụ năng lượng tuyến tính của môi trường khi hạt beta đi qua nó. Đại lượng xác định tốc độ hấp thụ năng lượng nói trên là hệ số truyền năng lượng tuyến tính. Hệ số truyền năng lượng tuyến tính LET (Linear Energy Transfer) được định nghĩa theo công thức sau: dE LET  (1.3) d Trong đó dE là năng lượng trung bình mà hạt beta truyền cho môi 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 nó 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. Khó tính toán dạng của phân bố năng lượng các bức xạ hãm nên người ta thường sử dụng các đường cong đo đạt thực nghiệm. GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 6 SVTH: Lý Duy Nhất
  8. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Để đánh giá mức độ nguy hiểm của bức xạ hãm, người ta thường dùng công thức gần đúng sau đây: f = 3,5.10-4 ZE  max (1.4) Trong đó f là phần năng lượng tia beta chuyển thành photon, Z là số nguyên tử của chất hấp thụ và E  max (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 nó 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 đó. 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 môi trường hấp thụ. Biết được quãng chạy của hạt beta với năng lượng cho trước có thể tính được độ dày của vật che chắn làm từ vật liệu cho trước. Một đại lượng thường dùng khi tính toán 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 còn 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 thông 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. GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 7 SVTH: Lý Duy Nhất
  9. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Ngoài bề dày tuyến tính d (linear thickness) tính theo centimet người ta còn dùng bề dày mật độ dm (density thickness) tính theo mật độ diện tích, đơn vị g/cm2, được xác định như sau: d m ( g / cm 2 )   ( g / cm 3 ).d (cm ) (1.5) Trong đó:  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 toán vì khi đó bề dày không 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 nó. 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 công thức sau đây: Đối với miền năng lượng beta 0,01  E  2,5 MeV R = 412. E 1,265 0.0954 ln E (1.6) Đối với miền quãng chạy R < 1200. 1 ln E  6,63  3, 2376.(10, 2146  ln R ) 2 (1.7) Đối với miền năng lượng beta E > 2,5 MeV và miền quãng chạy R > 1200. R  530 E  106 (1.8) Trong đó R là quãng chạy, tính theo mg/cm2 và E là năng lượng cực đại của tia beta, tính theo đơn vị MeV. GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 8 SVTH: Lý Duy Nhất
  10. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân 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 môi trường vật chất cũng bị mất năng lượng do ion hóa và kích thích nguyên tử của môi trường hấp thụ. Khi đi qua phần không khí của tế bào xốp, hạt alpha mất một lượng năng lượng trung bình 35 eV cho một cặp ion. Do hạt alpha có điện tích lớn hơn hạt beta hai lần và khối lượng rất lớn, dẫn tới vận tốc của nó tương đối thấp nên độ ion hóa riêng của nó rất cao, vào khoảng hàng nghìn cặp ion trên 1 cm trong không khí (hình 1.4). Tốc độ mất năng lượng tuyến tính của tất cả các hạt tích điện nặng hơn hạt electron, trong đó có hạt alpha, tuân theo công thức: dE 4 z 2q 4 NZ (3.109 )4  2 Mv 2  v 2  v 2     ln  ln  1  2   2  Mev / cm (1.9) dx Mv 2 .1,6.106  I  c  c  Trong đó: z là số nguyên tử của hạt gây ion hóa, z = 2 đối hạt alpha. q  1,6.10-19 C , điện tích của electron. zq là điện tích của hạt gây ion hóa. M là khối lượng tĩnh của hạt gây ion hóa. M  6,6.10-24 g đối với hạt alpha. v là vận tốc của hạt gây ion hóa. 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. GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 9 SVTH: Lý Duy Nhất
  11. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân c  3.1010 cm / s , là vận tốc ánh sáng. I  8,6.10-5 MeV đối với không khí và I  1, 36.10-5 Z (MeV ) đối với các chất hấp thụ khác, là năng lượng ion hóa và kích thích của nguyên tử chất hấp thụ. 1.2.2. Quãng chạy của hạt alpha trong vật chất Hạt alpha có khả năng đâm xuyên thấp nhất trong số các bức xạ ion hóa. Trong không khí, ngay cả hạt alpha có năng lượng cao nhất do các nguồn phóng xạ phát ra cũng chỉ đi được một vài centimet, còn trong mô sinh học quãng chạy của nó có kích thước cỡ micromet. Có 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 có dạng phẳng vì nó 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 còn 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 môi trường Tia X và tia gamma có cùng bản chất sóng điện từ, đó là các photon năng lượng cao. Do sự tương tác của các tia này với vật chất có 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 môi trường khác với sự suy giảm của các bức xạ alpha và beta. Bức xạ alpha và beta có tính chất hạt nên chúng có quãng chạy hữu hạn trong vật chất, nghĩa là chúng có thể bị hấp thụ hoàn toàn, trong khi đó bức xạ GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 10 SVTH: Lý Duy Nhất
  12. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân gamma chỉ bị suy giảm về cường độ chùm tia khi tăng bề dày vật chất mà không bị hấp thụ hoàn toàn. Ta xét một chùm tia hẹp gamma đơn năng với cường độ ban đầu I o . Sự thay đổi cường độ khi đi qua một lớp mỏng vật liệu dx bằng: dI    Idx (1.10) Trong đó  là hệ số suy giảm tuyến tính (linear attenuation coeficient). Đại lượng này có thứ nguyên (độ dày)-1 và thường tính theo cm-1. Từ (1.10) có thể viết phương trình: dI    dx I Giải phương trình ta được: I  I oe   x (1.11) Hệ số suy giảm tuyến tính  phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma và mật độ vật liệu môi 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 có tính chất chung nên để đơn giản ta gọi là tương tác của tia gamma với vật chất. Tương tác của gamma không gây hiện tượng ion hóa trực tiếp như hạt tích điện. Tuy nhiên, khi gamma tương tác với nguyên tử, nó làm bứt electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử hay sinh ra các cặp electron - positron (là hạt có khối lượng bằng electron nhưng mang điện tính dương +e). Đến lượt mình, các electron này gây ion hóa và đó là cơ chế cơ bản mà tia gamma năng lượng cao có thể ghi đo và cũng nhờ đó chúng có thể gây nên hiệu ứng sinh học phóng xạ. Có 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 nó 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 GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 11 SVTH: Lý Duy Nhất
  13. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Ee  E  E B (1.12) Theo công 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 1 Khi năng lượng tăng, xác suất tương tác giảm dần theo hàm . Xác suất tổng E3 cộng của hiệu ứng quang điện đối với tất cả các electron quỹ đạo E  Ek trong đó Ek 1 là năng lượng liên kết của electron lớp K, tuân theo quy luật 7 còn khi E >> Ek theo E 2 1 quy luật . 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: Z5 Z5  photo khi E  Ek và  photo khi E >> Ek. E7/2 E Các công 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, còn 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. GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 12 SVTH: Lý Duy Nhất
  14. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Khi electron được bứt ra từ một lớp vỏ nguyên tử, chẳng hạn từ lớp vỏ trong cùng K, thì tại đó một lỗ trống được sinh ra. Sau đó lỗ trống này được một electron từ lớp vỏ ngoài 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 ngoài. Gamma thay đổi phương bay và bị mất một phần năng lượng còn electron được giải phóng ra khỏi nguyên tử (Hình 1.7a). Quá trình tán xạ Compton có thể coi như quá trình gamma tán xạ đàn hồi lên electron tự do (Hình1.7b). Trên cơ sở tính toán động học của quá trình tán xạ đàn hồi của hạt gamma chuyển động với năng lượng E lên electron đứng yên ta có các công thức sau đây đối với năng lượng gamma E’ và electron Ee sau tán xạ phụ thuộc vào góc tán xạ  gamma sau tán xạ:  (1  cos  ) Ee  E (1.13) 1   (1  cos  ) 1 E'  E (1.14) 1   (1  cos  ) E Trong đó:   2 ; me  9,1.1031 kg là khối lượng electron và c = 3.108m/s là me c vận tốc ánh sáng; me c 2  0,51 MeV . Góc tán xạ  của electron sau tán xạ liên hệ với góc  như sau: GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 13 SVTH: Lý Duy Nhất
  15. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân 1  tg   cotg (1.15) E 2 1 ' E Theo (1.15) góc 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 góc 180o, tức là khi tán xạ giật lùi. Góc tán xạ của gamma tán xạ có thể thay đổi từ 0o đến 180o trong lúc electron chủ yếu bay về phía trước, nghĩa là góc tán xạ  của nó 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. Z  Compt E 1.3.2.3. Hiệu ứng sinh cặp electron-positron Electron có khối lượng bằng me  9,1.1019 kg hay năng lượng tĩnh của nó, theo công thức Einstein, bằng Em  mc 2  0, 51MeV . Nếu gamma vào có năng lượng lớn hơn hai lần năng lượng tĩnh electron 2 m e c 2  1, 02 MeV thì khi đi qua điện trường của hạt nhân nó sinh ra một cặp electron - positron (positron có khối lượng bằng khối lượng electron nhưng mang điện tích dương +le). Đó 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 đó để hạt này chuyển động giật lùi giúp tổng động lượng được bảo toàn. Quá trình tạo cặp GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 14 SVTH: Lý Duy Nhất
  16. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân xảy ra gần hạt nhân, do động năng chuyển động giật lùi của hạt nhân rất bé nên phần năng lượng còn dư biến thành động năng của electron và positron. Quá trình tạo cặp cũng có thể xảy ra gần electron nhưng xác suất rất bé so với quá trình tạo cặp gần hạt nhân. 2. CÁC DỤNG CỤ GHI ĐO BỨC XẠ Con người không cảm nhận được các bức xạ, do đó cần có thiết bị để ghi và đo chúng. Bộ phận quan trọng nhất trong các thiết bị bức xạ là các detector bức xạ. Đó 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 đó 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 có nhiều dạng khác nhau tùy mục đích sử dụng. 2.1. CÁC DETECTOR DỰA TRÊN SỰ ION HÓA Có hai loại detector thường được sử dụng nhiều nhất trong việc ghi đo bức xạ dựa trên sự ion hóa đó 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 không 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. Nó được cách điện với lớp vỏ bọc bên ngoài. Lớp vỏ bọc bên ngoài của buồng này thường là điện cực âm (cathode). Hình 2.1 chỉ ra một sơ đồ đơn giản của một detector chứa khí. GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 15 SVTH: Lý Duy Nhất
  17. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân 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 có mặt của xung này sinh ra một dòng điện chảy trong mạch ngoài. Bằng cách ghi đo hoặc là xung hoặc là dòng điện này thì chúng ta có thể ghi nhận sự có mặt của bức xạ ion hoá. Kích thước của xung phụ thuộc số electron được thu nhận bởi anode và điểm này có thể phụ thuộc vào lượng bức xạ ion hoá trong buồng cũng như loại bức xạ và năng lượng của nó. Thêm vào đó, 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 phóng 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, có 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 GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 16 SVTH: Lý Duy Nhất
  18. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân này có nghĩa là sau khi một ion được tạo thành thì nó có thể tái hợp để trở lại trung hòa trước khi nó bị hút về các điện cực. Vì vậy xung ở mạch ngoài 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 không được hoạt động trong vùng này vì sự tái hợp của các ion làm cho nó rất khó 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 không đáng kể. Trong vùng này gần như tất cả các ion sẽ được thu nhận và kích thước của xung không tăng nữa theo điện thế được áp vào. Dòng điện trong mạch ngoài cũng tiến tới một giá trị cực đại được gọi là dòng bão hòa. Dòng bão hòa này tỷ lệ với lượng bức xạ trong buồng và nếu lượng bức xạ được tăng lên thì dòng bão hòa cũng được tăng lên. Buồng ion hóa làm việc ở vùng bão hòa 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 có sự thăng giáng điện thế giữa hai điện cực. Độ dài miền bão hòa 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 hóa. 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 không chỉ nhận thêm đủ năng lượng để đi tới các điện cực mà còn 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 hóa 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 đó 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 đó nên vùng này được gọi là vùng tỷ lệ. Dectector làm việc ở vùng này gọi là ống đếm tỷ lệ. GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 17 SVTH: Lý Duy Nhất
  19. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân 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 hóa 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 có miền plateau, tại đó tốc độ đếm không thay đổi khi tăng điện thế nguồn nuôi. Giống như ống đếm tỉ lệ, ống đếm G - M dùng để đếm các hạt xạ ion hóa riêng biệt. Tuy nhiên do tín hiệu ra có biên bộ không đổi, không phụ thuộc vào năng lượng bức xạ vào, nên ống đếm G - M không thể phân biệt được năng lượng của các bức xạ vào. 2.1.1.2.5. Vùng phóng 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 hóa 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 phóng điện liên tục và khi đó kết quả đọc có thể sẽ không đúng, các detector ghi bức xạ sẽ không 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 có nhiều thông tin bị mất. Điều này có nghĩa là tổng các số đếm khi đó có 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 nó. Thời gian phục hồi là độ dài thời gian mà detector khôi phục từ một sự kiện ion hoá và trở lại trạng thái ban đầu của nó. 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. GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 18 SVTH: Lý Duy Nhất
  20. Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Phân giải thời gian của detector phụ thuộc vào các tương tác xảy ra trong detector đó. Tuy nhiên, toàn bộ phân giải thời gian của một thiết bị hoàn 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 Có ba loại như sau: Buồng ion hoá; ống đếm tỷ lệ và ống đếm Geiger - Muller. 2.1.1.4.1. Các buồng ion hóa Các buồng ion hóa (thường được gọi phổ biến hơn là các buồng ion) được thiết kế để hoạt động ở dòng bão hòa trong vùng buồng ion được biểu diễn trong hình 2.2. Dòng 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 không phụ thuộc vào điện thế nên không cần có một nguồn điện thế mang tính ổn định cao. Tuy nhiên, điều quan trọng là điện thế đủ ổn định để bảo đảm rằng dòng bão hòa 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 hoá thứ cấp của các phân tử khí (điện thế vào cỡ 25V). Các dòng 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 đó 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 dòng một chiều vô 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 không khí và được cấu tạo từ các chất có số nguyên tử thấp. Nếu thiết bị được sử GVHD: TS. Thái Khắc Định Trang: 19 SVTH: Lý Duy Nhất
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2