BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SỰ PHẠM TPHCM
KHOA VẬT LÝ
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành: Sư Phạm Vật Lý
Đề tài:
CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐẦU DÒ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA
CHO CÁC THÍ NGHIỆM VỀ PHÓNG XẠ Ở PHỔ THÔNG
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Lê Anh Đức
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quốc B
Khóa: 42
TP.HCM, tháng 07 năm 2020
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ..............................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài .........................................................................................................1
2. Mục đích của đề tài .....................................................................................................1
3. Cách tiếp cận ...............................................................................................................1
4. Phương pháp nghiên cứu ...........................................................................................1
5. Cấu trúc của khóa luận ..............................................................................................1
CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................2
1.1 Lý thuyết về phóng xạ ..................................................................................................2
1.1.1 Các hạt alpha (α) ...................................................................................................2
1.1.2 Các hạt Beta (β), positron, neutrino ......................................................................2
1.1.3 Tia gamma và tia Roentgen ...................................................................................3
1.1.4 Proton và neutron (nuclon) ....................................................................................5
1.1.5 Mezon ....................................................................................................................6
1.1.6 Tương tác của các bức xạ với vật chất ..................................................................7
1.1.7 Lý thuyết về các ống đếm phóng điện qua khí .................................................. 16
1.2 Giới thiệu máy Ludlum Model 2200 và đầu dò nhấp nháy Model 44-10 ........... 48
1.2.1 Máy Ludlum Model 2200 ................................................................................... 49
1.2.2 Đầu dò nhấp nháy model 44-10 ......................................................................... 51
1.3 Đầu dò Geiger-Muller SBT11A .............................................................................. 52
1.3.1 Lịch sử phát triển ................................................................................................ 52
1.3.2 Cấu tạo của đầu dò ............................................................................................. 53
1.3.3 Ưu điểm của loại ống đếm này .......................................................................... 53
1.3.4 Nhược điểm ........................................................................................................ 53
1.4 Nguồn phóng xạ sử dụng trong thí nghiệm ........................................................... 54
1.5 Lý thuyết về mạch vi xử lý Arduino ....................................................................... 55
1.5.1 Giới thiệu ............................................................................................................ 55
1.5.2 Các phần chính của mạch ................................................................................... 56
1.5.3 Chức năng (vai trò) của mạch Arduino trong hệ thống máy đếm ..................... 57
1.5.4 Ngôn ngữ lập trình ............................................................................................. 57
1.6 Kết luận chương 1 .................................................................................................... 57
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ........................................................................ 58
2.1 Phần cứng ................................................................................................................... 58
2.1.1 Đầu dò Geiger-Muller SBT 11A ........................................................................ 58
2.1.2 Mạch tăng áp 12V-400V-DC ............................................................................. 59
2.1.3 Mạch hiển thị LCD – LCD2004......................................................................... 60
2.1.4 Mạch chuyển tiếp cho LCD2004 sang I2C ........................................................ 62
2.1.5 Động cơ bước ..................................................................................................... 63
2.1.6 Mạch điều khiển động cơ bước .......................................................................... 64
2.1.7 Vi xử lý Arduino Uno ........................................................................................ 65
2.1.8 Sơ đồ mạch điện của hệ thống ........................................................................... 66
2.2 Phần mềm ................................................................................................................. 67
2.3 Kết luận chương 2 .................................................................................................... 67
CHƯƠNG III: TIẾN HÀNH ĐO ĐẠC VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU .................................... 68
3.1 Đo sự thay đổi cường độ phóng xạ vào khoảng cách ............................................ 68
3.1.1 Đo bằng máy LUDLUM MODEL 2200 ............................................................ 68
3.1.2 Đo bằng hệ thống của chúng tôi ......................................................................... 70
3.1 Đo khả năng đâm xuyên của tia phóng xạ qua từng vật liệu ............................... 72
3.2.1 Các bước tiến hành ............................................................................................. 72
3.2.2 Kết quả: Đo với nguồn phóng xạ Cs137 ............................................................ 72
3.3 Ưu điểm ..................................................................................................................... 75
3.4 Nhược điểm ............................................................................................................... 75
3.5 Hướng phát triển về sau .......................................................................................... 75
3.6 Kết luận chương 3 .................................................................................................... 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 77
I. Tiếng Việt ...................................................................................................................... 77
II. Tiếng Anh .................................................................................................................... 77
III. Internet ....................................................................................................................... 77
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1: Các mức năng lượng kích thích của hạt nhân Ni ............................................ 4
Hình 2: Quãng chạy của các hạt alpha trong không khí phụ thuộc vào năng lượng................... 7
Hình 3: Sự phụ thuộc của số cặp bị ion hóa với quãng chạy ……………………….. 8
Hình 4: Đặc trưng hấp thụ các tia Beta ……………………………………………… 9
Hình 5: Quy luật giảm cường độ bức xạ γ theo hàm mũ…………………………….10
Hình 6: Quá trình tương tác tia γ với nguyên tử.......................................................... 11
Hình 7: Quá trình xảy ra của hiệu ứng quang điện………………………………….. 13
Hình 8: Phổ năng lượng của các electron giật lùi………………………………... ….13
Hình 9: Sự phụ thuộc tiết điện tích phân hiệu ứng quang điện vào hν……………………. ...14
Hình 10: Quá trình tạo cặp……………………………………………………………15
Hình 11: Tiết điện tương tác của bức xạ Gamma trong Si và Ge…………………….15
Hình 12: Ba hiệu ứng phụ thuộc vào điện tích Z của chất hấp thụ…………………………..16
Hình 13: Sơ đồ mạch khuếch đại xung……………………………………………….19
Hình 14: Sự phụ thuộc của biên độ xung vào thời gian t……………………………..22
Hình 15: Sự phụ thuộc biên độ xung vào sự tăng thời gian…………………………..23
Hình 16: Sự phụ thuộc tốc độ đếm vào điện áp V……………………………………24
Hình 17: Thí nghiệm hạt cườm ………………………………………………………39
Hình 18: Trường hợp đếm được và không đếm được của ống đếm………………….33
Hình 19: Biên độ xung………………………………………………………………..33
Hình 20: Hình ảnh đo xung trên dao động kí…………………………………………35
Hình 21: Sự phụ thuộc hiêu suất ghi bức xạ γ vào năng lượng của chúng…………...44
Hình 22: Sự khác biệt khi loại trừ phông nền………………………………………...46
Hình 23: Đồ thị tương quan giữa lnN và khoảng cách d……………………………..48
Hình 24: Sơ đồ mạch đo tuyệt đối……………………………………………………49
Hình 25: Cấu tạo của mạch điện ống đếm Geiger-muller……………………………50
Hình 26: Bộ nguồn chuẩn RSS-8 ……………………………………………………51
Hình 27: Các tính chất của Cs-137 ………………………………………………….51
Hình 28: Mạch arduino ……………………………………………………………...53
Hình 29: Các phần chính trên mạch……………………………………………….... 53
Hình 30: SBT11A …………………………………………………………………...56
Hình 31: Bản vẽ kĩ thuật SBT11A…………………………………………………...56
Hình 32: Sơ đồ mạch điện SBT11A …………………………………………………57
Hình 33: Mạch tăng áp ………………………………………………………………57
HÌnh 34: Sơ đồ mạch điện mạch tăng áp…………………………………………….58
Hình 35: Màn hình LCD …………………………………………………………….58
Hình 36: Bản vẽ kĩ thuật LCD……………………………………………………….59
Hình 37: Mạch chuyển tín hiệu………………………………………………………60
Hình 38: Sơ đồ mạch điện mạch chuyển tín hiệu……………………………………60
Hình 39: Động cơ bước………………………………………………………………61
Hình 40: Bản vẽ kĩ thuật động cơ bước……………………………………………...61
Hình 41: Mạch điều khiển động cơ bước TB6560 ………………………………….62
Hình 42: Sơ đồ mạch điện TB6560 …………………………………………………62
Hình 43: Arduino Uno ………………………………………………………………63
Hình 44: Sơ đồ mạch điện Arduino Uno ……………………………………………63
Hình 45: Mã code chạy hệ thống phần 1…………………………………………… 65
Hình 46: Mã code chạy hệ thống phần 2 ……………………………………………65
Hình 47: Nguồn chuẩn 60Co và hộp chì chứa nguồn ………………………………..66
Hình 48: Đồ thị hàm số nội suy từ số liệu bảng 1 …………………………………..67
Hình 49: Đồ thị hàm số nội suy từ bảng 2 ………………………………………….69
Hình 50: Đồ thị và hàm số nội suy tính đâm xuyên qua chì ………………………..71
Hình 51: Đồ thị và hàm số nội suy tính đâm xuyên qua nhôm ……………………..71
Hình 52: Đồ thị và hàm số nội suy tính đâm xuyên qua nhựa ……………………...72