Khoá luận tốt nghiệp: Chế tạo hệ thống đầu dò điều khiển từ xa cho các thí nghiệm về phóng xạ ở phổ thông

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:85

Thêm vào BST

Báo xấu

31
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của khoá luận là chế tạo máy đếm tia phóng xạ bằng đầu dò Geiger-Muller điều khiển tự động nhằm cho học sinh có thể thực hiện các thí nghiệm về phóng xạ. Để hiểu rõ hơn mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết của khoá luận này.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Khoá luận tốt nghiệp: Chế tạo hệ thống đầu dò điều khiển từ xa cho các thí nghiệm về phóng xạ ở phổ thông

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
DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Kết quả số liệu đo được bằng máy LUDLUM MODEL 2200 .......................67 Bảng 2: Kết quả số liệu đo bằng hệ thống của chúng tôi …………………………….69 Bảng 3: Bảng số liệu xung đâm xuyên qua chì ………………………………………70 Bảng 4: Bảng số liệu xung đâm xuyên qua nhôm……………………………………71 Bảng 5: Bảng số liệu xung đâm xuyên qua nhựa……………………………………..72
LỜI CẢM ƠN ừ những ngày đầu thực hiện luận văn đến khi hoàn thành được luận văn, đó T là cả một quá trình cố gắng học tập và làm việc nghiêm túc, sửa chữa những thiếu sót và trưởng thành lên từng ngày của bản thân em. Tuy nhiên, sẽ không thể có được một sản phẩm hoàn chỉnh như ngày hôm nay nếu thiếu đi sự giúp đỡ, hỗ trợ, động viên tận tình của quý thầy cô, bạn bè và gia đình. Vì vậy, xin cho phép em được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình đến: - Thầy Th.S Lê Anh Đức, giảng viên đã trực tiếp hướng dẫn, hỗ trợ, dìu dắt em thực hiện luận văn. Với kinh nghiệm, sự nhiệt huyết cùng lòng yêu nghề của mình thầy đã truyền đạt tận tình cho em các kiến thức chuyên môn. Thầy đã chỉ bảo cho em những lúc khó khăn. Những góp ý của thầy thực sự rất quý báu và giúp ích rất nhiều để em có thể hoàn thành được luận văn tốt nghiệp của mình. - Quý thầy, cô giảng viên khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh đã dạy dỗ, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm, sự nhiệt huyết với nghề cho em và các bạn sinh viên khác trong suốt quá trình học tập tại trường. Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn đến các bạn bè, anh chị, ba mẹ đã truyền cảm hứng cho em để có thể vượt qua những lúc khó khăn nhất. TP.Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2020 Sinh viên Nguyễn Quốc B
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong sách giáo khoa Vật lý 12 không có một bài thí nghiệm nào về đo lường cũng như phát hiện ra phóng xạ, để học sinh có cái nhìn trực quan hơn về phóng xạ. Bằng các thiết bị đơn giản, chúng ta thực sự có thể thiết kế ra một bộ thí nghiệm để phát hiện ra các tia phóng xạ, từ đó kiểm tra các đặt trưng của sự tia phóng xạ như: bức xạ nền, chu kì bán rã, sự phụ thuộc của cường độ phóng xạ vào khoảng cách,.... Việc làm như vậy nhằm khai thác có hiệu quả khả năng vận dụng kiến thức đã học vào thực tế và nâng cao hứng thú học tập của học sinh. 2. Mục đích của đề tài Chế tạo máy đếm tia phóng xạ bằng đầu dò Geiger-Muller điều khiển tự động nhằm cho học sinh có thể thực hiện các thí nghiệm về phóng xạ. 3. Cách tiếp cận Tìm hiểu về đầu giò Geiger-Muller. Tìm hiểu về bộ vi xử lý Arduino. Tìm hiểu và lập ra sơ đồ cấu tạo của hệ thống. Chế tạo sản phẩm và tiến hành thí nghiệm lấy kết quả. Tiến hành thí nghiệm với và so sánh kết quả, từ đó suy ra độ tin cậy, độ chính xác. 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: - Đọc các tài liệu có liên quan đến đầu giò Geiger-Muller và vi xử lí Arduino. Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: - Chế tạo ra sản phẩm. - Tiến hành đo lường, rút ra kết quả và đánh giá tính chính xác, khả năng ứng dụng thực tiễn của hệ thống. 5. Cấu trúc của khóa luận Chương I: Cơ sở lý thuyết. Chương II: Thiết kế hệ thống. Chương III: Tiến hành đo đạc, xử lý số liệu và kết luận. 1
Chương I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Lý thuyết về phóng xạ [1] Các phương pháp ghi nhận hạt nhân và tia vũ trụ được sử dụng ngày nay rất đa dạng nhưng không phải là vạn năng. Đối với mỗi bài toán cần phải chọn một phương pháp thích hợp nhất. Muốn vậy nhà thực nghiệm phải có sự hiểu biết về tính chất vật lý của các đối tượng cần ghi nhận, về nguồn gốc của bức xạ hạt nhân và các tính chất chung của chúng. Phần này sẽ trình bày các vấn đề nói trên. 1.1.1 Các hạt alpha (α) Các hạt α là hạt hạt nhân của nguyên tử Heli (4He) do các chất phóng xạ phát ra. Trong các hạt nhân nặng phóng xạ tự nhiên, có nhiều hạt nhân, như U, Th, Ra, v.v…, có tính chất phóng xạ α. Các hạt α cũng được phát ra từ một số chất phóng xạ nhân tạo. Những chất này nằm ở giữa hoặc cuối bảng tuần hoàn các nguyên tố (Gd, Tb, Pu, Am, v.v…). Năng lượng của các hạt α được phát ra bởi các hạt nhân phóng xạ khác nhau năm trong vùng từ 3 đến 9 MeV. Các đổng vị phóng xạ khác nhau có thể phát ra một hoặc một số nhóm hạt α đơn năng. Năng lượng của một nhóm hạt α đã cho thì phụ thuộc vào trạng thái năng lượng của hạt nhân phát bức xạ và hạt nhân là sản phẩm phân rã. Theo đó, các hạt α đôi khi còn được gọi là các hạt có quãng chạy ngắn hoặc quãng chạy dài so với các hạt được tạo thành khi chuyển từ trạng thái cơ bản của hạt nhân mẹ vể trạng thái cơ bản của hạt nhân con. Chẳng hạn, hạt α xuất hiện trong kết quả phân rã α từ trạng thái kích thích của hạt nhân mẹ về trạng thái cơ bản của hạt nhân con sẽ có năng lượng lớn hơn. Các hạt α như vậy được gọi là hạt α quãng chạy dài. Các hạt α quãng chạy ngắn được gọi là những hạt xuất hiện trong chuyển dời từ trạng thái cơ bản của hạt nhân mẹ về trạng thái kích thích của hạt nhân con. 1.1.2 Các hạt Beta (β), positron, neutrino Các electron phát ra trong phân rã của các hạt nhân phóng xạ được gọi là các hạt β-. Khác với phổ năng lượng gián đoạn của các hạt α, phổ năng lượng của các hạt β- là phổ liên tục. Năng lượng của chúng thay đổi từ 0 đến một giá trị giới hạn Egh nào đó đặc trưng cho từng đồng vị phóng xạ. Thí dụ, năng lượng cực đại phổ β- của 32P bằng 1,7 MeV, của 14C bằng 0,155 MeV. Năng lượng giới hạn nhỏ nhất được biết ngày nay là năng lượng của các hạt β- do triti phát ra (3H, Egh=18 keV). Các positron do các chất phóng xạ phát ra được gọi là các hạt beta cộng β+ ; phổ β+ cũng liên tục, thay đổi từ 0 đến một giá trị cực đại nào đó, đặc trưng cho mỗi đồng vị . Thông thường các hạt β+ được các đồng vị có không đủ neutron so với đổng vị 2
bền của nguyên tố này phát ra. Người ta biết nhiểu đồng vị có khả năng phát ra cả positron lẫn electron Một trong những đồng vị đó là 64Cu. Trong phân rã của đồng vị này, các electron và positron được phát ra với cường độ gần như nhau. Electron và positron có khối lượng như nhau và có cùng điện tích đơn vị (của electron là điện tích âm, của positron là điện tích dương). Khối lượng tĩnh của các hạt này, biểu diễn ra đơn vị năng lượng (moc2), có giá trị bằng 511keV. Dạng liên tục của phổ β- và β+ được giải thích là, trong phân rã beta của hạt nhân phóng xạ không phải chỉ có một mà là hai hạt được phát ra. Hạt thứ hai đó là neutrino trong phân rã β+và phản neutrino trong phân rã β-. Năng lượng phân rã, như vậy, được phân bố giữa ba hạt: hạt β, neutron (hoặc phản neutron và hạt nhân con là hạt thu một năng lượng giật lùi rất nhỏ nào đó. Neutrino là hạt không có điện tích. Giới hạn trên đo được bằng thực nghiệm đối 1 với giá trị khối lượng của nó bằng me, trong đó me là khối lượng electron 2000 Neutrino do Pauli đưa ra để giải thích phổ năng lượng liên tục của các hạt beta, đã được Fermi sử dụng để xây dựng lý thuyết phân rã beta. Theo lý thuyết này, khối lượng neutrino phải bằng không. Có thể thu được các electron nhanh bằng các máy gia tốc: betatrôn cho electron năng lượng hàng chục MeV; xincrôưôn cho các electron năng lượng hàng trăm - hàng nghìn MeV và các máy gia tốc thẳng. Các cặp electron và positron được tạo thành trong tương tác của các tia gamma năng lượng cao (hơn 1,022MeV) với vật chất. Electron và positron luôn luôn có mặt trong thành phần mềm của tia vũ trụ. 1.1.3 Tia gamma và tia Roentgen Mỗi động tác phân rã phóng xạ phát ra hạt tích điện đều dẫn tới sự hình thành một hạt nhân mới là sản phẩm phân rã. Thường hạt nhân mới này được hình thành ở trạng thái kích thích.Thời gian tồn tại của hạt nhân ở trạng thái kích thích có thể rất khác nhau. Nó có thể có giá trị đo bằng đơn vị ngày, giờ, phút và những phần rất nhỏ của giây. Trong nhiều trường hợp, hạt nhân sản phẩm phân rã bị kích thích chuyển về trạng thái cơ bản hầu như một cách tức thời ngay sau động tác phân rã (sau 10-13-10-8s) kèm theo sự giải phóng năng lượng dư. Chuyển dời từ trạng thái kích thích thường xảy ra theo kiểu nhảy bậc qua các trạng thái kích thích trung gian với năng lượng nhỏ hơn. Hình dưới mô tả sơ đồ các mức (tức là các trạng thái) của hạt nhân 60Ni bị kích thích và được tạo thành trong kết quả phân rã của hạt nhân 60 Co. 3
Hình 1: Các mức năng lượng kích thích của hạt nhân Ni Chuyển dời về trạng thái năng lượng thấp hơn có thể xảy ra hoặc bằng cách phát bức xạ điện từ (các tia γ) hoặc bằng cách phát ra các electron biến hoán trong. Năng lượng các electron biến hoán trong sẽ bằng hiệu năng lượng kích thích của hạt nhân và năng lượng liên kết electron trên vỏ điện tử tương ứng của nguyên tử. Như vậy sẽ xuất hiện các electron biến hoán trong K, L, M v.v... tương ứng với mỗi chuyển dời hạt nhân. Nếu các hạt nhân phóng xạ phân rã và phát ra các hạt bêta thì phổ electron thực nghiệm sẽ bao gồm cả phần liên tục ứng với các hạt β lẫn phần gián đoạn, ứng với những vạch hoàn toàn xác định của các electron biến hoán trong. Năng lượng kích thích của các hạt nhân thu đựơc trong phân rã phóng xạ của các đồng vị khác nhau, có thể có giá trị từ một vài keV đến một vài MeV. Khi năng lượng kích thích cao thì chuyển dời của hạt nhân về trạng thái cơ bản thường xảy ra qua một số tương đối lớn những trạng thái kích thích trung gian. Điều này dẫn tới xuất hiện trong phổ một số lớn các lượng tử γ năng lượng khác nhau cũng như một số tương ứng các vạch electron biến hoán trong. Xác suất biến hoán phụ thuộc vào nhiều nhân tố: Nó giảm theo sự tăng lên của nâng lượng chuyển dời, tăng theo số Z của nguyên tố và phụ thuộc vào độ đa cực của chuyển dời. Biến hoán điện tử dẫn tới kết quả là, ở một trong các vỏ của nguyên tử, trong một thời gian ngắn (cỡ 10-9-10-15s), sẽ không có electron. Ví dụ, biến hoán trên vỏ K tạo thành một vị trí trống ở vỏ này và sau thời gian ngắn nói trên, nó sẽ được lấp đầy bởi các electron từ những vỏ khác. Quá trình này toả ra một năng lượng bằng hiệu năng lượng liên kết electron ở vỏ có vị trí trống vừa xuất hiện và ở vỏ mà từ đó electron chuyển về vị trí trống nói trên. Năng lượng này được toả ra dưới dạng các tia Roentgen đặc trưng hoặc được truyền cho một hay một số electron trên các vỏ 4
cao hơn. Electron này thu được một động năng và dời bỏ nguyên tử. Hiện tượng phát ra các electron thay cho các lượng tử Roentgen được gọi là hiệu ứng Auger, còn bản thân các electron này thì được gọi là các electron Auger. Năng lượng cực đại của các tia Roentgen đặc trưng có giá trị khác nhau đối với các nguyên tố hoá học khác nhau và thay đổi từ vài eV đối với các nguyên tố nhẹ đến hàng trăm keV đối với các nguyên tố nặng. Có thể thu được bức xạ điện từ năng lượng cao không chỉ trong phân rã phóng xạ hoặc trong các phản ứng hạt nhân mà còn trong các máy gia tốc điện tử (bêtatrôn, xincrôtrôn).Trong trường hợp này, các electron nhanh bị một bia hãm lại sẽ làm xuất hiện các lượng tử của bức xạ điện từ. Ngày nay năng lượng của các luợng tử thu đuợc bằng cách nói trên có thổ đạt giá trị hàng tỷ electron vôn. Bức xạ điện từ năng lượng rất lớn cũng có mặt trong thành phần của các tia vũ trụ. 1.1.4 Proton và neutron (nuclon) Proton (p) và neutron (n) là những thành phần cấu trúc cơ bản của hạt nhân nguyên tử. Do đó chúng được gọi bằng một tên chung là nuclon. Proton là hạt nhân của nguyên tử hydro. Có thể thu được các proton trạng thái tự do bằng cách ion hoá các nguyên tử hydro. Có thể thu được các proton nhanh với năng lượng hàng triệu eV trong các xyclotron, và năng lượng hàng tỷ hoặc hàng chục tỷ eV trong các máy gia tốc xincrôfazotrôn. Cũng có thể thu được những chùm proton bằng các máy gia tốc thẳng. Proton tới Trái Đất trong thành phần của bức xạ vũ trụ sơ cấp. Chúng chiếm khối lượng chủ yếu (95%) của tắt cả các hạt vũ trụ sơ cấp. Neutron là hạt trung hoà về điện và có khối lượng lớn hơn khối lượng proton một chút. Neutron được Chadwich khám phá vào nảm 1932 khi dùng hạt α bắn vào bia berili. Các neutron được tạo thành trong phản ứng 9 Be + α —> l2C + n. Ngày nay phản ứng này thường được sử dụng để thu neutron (Các nguồn: Ra+Be; Po+Be). Cũng có thể thu được các chùm hạt neutron tự do bằng những phản ứng hạt nhân khác. Ví dụ, trong máy phát neutron thì neutron được tạo thành trong các phản ứng: D(d,n)5He hoặc T(d,n)4He. Năng lượng neutron thu được trong phản ứng T(d,n)4He bằng 14MeV. Những 5
nguồn neutron khác ngày nay là các lò phản ứng hạt nhân, trong đó neutron được tạo thành từ quá trình phân chia hạt nhân uranium hoặc plutonium. Neutron có mặt với một lượng không lớn trong thành phần của các hạt vũ trụ thứ cấp, được tạo thành trong quá trình tương tác của bức xạ vũ trụ sơ cấp với khí quyển. Như đã nhắc tới ở phần trên, khối lượng neutron lớn hơn khối lượng proton chút. Hiệu khối lượng của chúng, biểu diễn ra đơn vị năng lượng, có giá trị bằng l,299MeV. Do vậy có thể chờ đợi rằng neutron là một hạt không bền và phải phân rã để biến đổi thành proton ra hạt proton. Thực vậy, thực nghiệm đã chứng minh rằng neutron có tính phóng xạ protom và phân rã với chu kỳ bán rã T1/2=12,8 min và năng lượng giới hạn của phổ proton bằng Egh=782 keV. Từ lý thuyết của Dirac thì cần phải tồn tại với electron một phản hạt. Đó là positron. Những hạt như vậy hiện nay đã được biết. Việc sử dụng lý thuyết này cho các nuclon đã dẫn tới đề nghị về sự tồn tại của phản proton phản neutron 1955 phản proton được phát hiện bằng thực nghiệm. Chúng được tạo thành khi các proton được gia tốc tới năng lượng 6,3 GeV tương tác với vật chất. Ngưỡng phản ứng hạt nhân với sự tạo thành phản proton các nuclôn liên kết có giá trị cỡ gần 4,3 GeV. Chẳng bao lâu sau khi khám phá ra phản proton ta đã phát hiện được phản neutron và phản proton bởi dấu điện tích và momen từ ngược nhau của chúng. Neutron khác phản neutron bởi hướng spin so với hướng momen từ. Neutron có hướng spin ngược chiều so với hướng momen từ. Còn phản neutron thì có hướng spin và hướng momen từ trùng nhau. 1.1.5 Mezon Mezon là những hạt có khối lượng nằm giữa giá trị khối lượng của electron và proton, thực nghiệm đã phát hiện được cả mezon tích điện (dương và âm) lẫn mezon trung hoà về điện. Chúng có thể được chia ra làm ba nhóm: µ- mezon, π-mezon và k-mezon. Lúc đầu, tất cả các hạt này đểu đã được phát hiện trong thành phần của tia vũ trụ. Chúng xuất hiện trong quá trình tương tác của bức xạ năng lượng cao với vật chất. Lần đầu tiên µ-mezon đã được Anderson và Nedermayer khám phá vào năm 1936 trong thí nghiệm sử dụng buồng Wilson. Vết của các hạt có khả năng đâm xuyên lớn đã được ghi nhận trong những tấm hấp thụ đặt trong thể tích làm việc của buồng. Các vết này có mật độ giống các vết được tạo thành bởi những electron năng lượng cao. Độ cong nhỏ của các vết trong từ trường chứng tỏ rằng các hạt tạo ra chúng có xung lượng lớn. Trong khi đó, nếu các hạt này là electron thì chúng phải mất nhiều năng lượng để phát ra bức xạ hãm. Nhưng trên thực tế thì điều này đã 6
không xảy ra. Các số liệu thu được nhờ buồng Wilson đã cho phép đánh giá khối lượng của những hạt được phát hiện có giá trị cỡ gần 207me, trong đó me là khối lượng của điện tử electron. Hạt mới này sau đó được đặt tên là µ-mezon. 1.1.6 Tương tác của các bức xạ với vật chất 1.1.6.1 Tương tác của hạt α với vật chất Trên ví dụ về các hạt α ta hãy xét một số vấn để vể tương tác của các hạt nặng tích điện với vật chất. Các hạt α với điện tích gấp đôi điện tích cơ bản và khối lượng gần bằng 7300 lần khối lượng của electron (Mα = 7300me), khi đi qua vật chất, gây ra sự ion hoá rất mạnh các nguyên tử của vật chất này. Chúng mất năng lượng chủ yếu do quá trình ion hoá các nguyên tử môi trường. Độ hao năng lượng ion hoá riêng của các hạt α có thể được biểu diễn bằng công thức Bethe: 𝑑𝐸 4𝜋𝑒 4 𝑧 2 = 𝑁𝐵 𝑑𝑋 𝑚𝑣 2 2𝑚𝑣 2 trong đó B = z ln ; v là tốc độ và z là điện tích của hạt α; N là số nguyên tử trong 𝐼 lcm3 vật chất; z là nguyên tử số của vật chất; I là thế ion hoá trung bình của nguyên tử. 𝑑𝐸 Đai lượng đươc gọi là khả năng hãm của vât chất (stopping power). 𝑑𝑋 Hình 2: Quãng chạy của các hạt alpha trong không khí phụ thuộc vào năng lượng Hình trên giới thiệu đường cong Bragg, mô tả sự phụ thuộc độ ion hoá riêng vào quãng đường còn lại của hạt α. Từ hình vẽ ta thấy rõ, ở cuối quãng đường thì độ 7
ion hoá riêng tăng lên, sau đó giảm xuống không ở vài milimet cuối cùng (trong không khí). Năng lượng của các hạt alpha do các hạt nhân phóng xạ phát ra có giá trị vài MeV. Quãng chạy của chúng trong không khí ở áp suất khí quyển cỡ vài cm. Ví dụ hạt alpha do Po2l0 phát ra có năng lượng 5,3 MeV, quãng chạy của chúng trong không khí có giá trị gần bằng 3,8cm. Độ ion hoá riêng trung bình của hạt alpha trong không khí ở áp suất khí quyển bằng ~4.104 cặp ion/cm. Quỹ đạo của hạt alpha là một đường thẳng. Hiển nhiên là ở trong các chất đặc hơn thì độ ion hoá của hạt alpha sẽ lớn hơn. Nó cũng phụ thuộc vào nguyên tử số Z của môi trường mà các hạt alpha đi qua. Nếu trong không khí và ở áp suất khí quyển, quãng chạy của hạt alpha cỡ vài cm thì trong các vật rắn quãng chạy của chúng chỉ cỡ vài chục µm. Ví dụ, quãng chạy của hạt alpha, do 210Po phát ra, trong nhôm chỉ cỡ gần 20µm. Để so sánh quãng chạy của các hạt trong nhũng vật liệu khác nhau, người ta không sử dụng đơn vị độ dài mà sử dụng đơn vị g/cm2 hoặc đơn vị µg/cm2. Như vậy, quãng chạy của hạt alpha do các chất phóng xạ phát ra, có giá trị không lớn, nhưng mật độ ion hoá của chúng thì rất lớn. Các tính chất này sẽ quyết định khả năng cũng như hiệu suất ghi hạt alpha bằng loại detector này hoặc loại detector khác. Hình 3: Sự phụ thuộc của số cặp bị ion hóa với quãng chạy 1.1.6.2 Tương tác của các electron với vật chất Khi đi qua vật chất, các hạt proton mất năng lượng của mình thông qua hai quá trình cơ bản: 1/ Ion hoá và kích thích các nguyên tử vật chất. 2/ Phát bức xạ điện từ khi electron bị hãm trong điện trường của hạt nhân hay của electron nguyên tử (sự phát bức xạ hãm). 8
Các dấu vết với mật độ như nhau của các giọt, tạo ra bởi các electron và mezon thường được quan sát thấy trong buồng Wilson. Sự ion hoá gây ra bởi các hạt siêu nhanh có độ ion hoá nhỏ nhất và thường được gọi là sự ion hoá cực tiểu. Hình 4: Đặc trưng hấp thụ các tia Beta Khác với các hạt nặng tích điện là những hạt trong thực tế đi qua vật chất theo một quỹ đạo thẳng, các electron nhanh, trên đường chuyển động của mình chịu một số lớn lần tán xạ trên các hạt nhân và các electron nguyên tử và bị tán xạ nhiều lần. Quãng chạy của các electron trong vật chất, do đó, có một độ thăng giáng lớn. Quỹ đạo chuyển động của nó là một đường zikzắk phức tạp và được đo không phải bằng đoạn đường thực tế mà nó đi qua như trong trường hợp của hạt alpha mà bằng chiều dày lớp vật chất có khả năng hãm hoàn toàn electron lại nếu hướng chuyển động của chúng vuông góc với mặt phẳng của lớp vật chất này. Độ hao năng lượng do phát ra bức xạ tăng tỷ lệ tuyến tính với sự tăng năng lượng của các electron còn độ hao năng lượng do ion hoá đối với các electron năng lượng rất lớn thì tăng phụ thuộc vào năng lượng theo quy luật hàm log: 9
𝑑𝐸 2𝜋𝑒 4 𝑍 𝐸02 = (𝑙𝑛 − 1) 𝑑𝑋 𝑚0 𝑐 2 2𝑚𝑐 2 𝐸 ≫ 𝑚𝑜 𝑐 2 Do đó khi các electron có năng lượng lớn thì dạng hao phí năng lượng do phát bức xạ trở nên trội hơn so với dạng hao phí năng lượng do ion hoá. Với cùng năng lượng thì độ hao năng lượng do phát bức xạ hãm đối với các hạt nặng tích điện sẽ có giá trị nhỏ hơn nhiểu so với độ hao năng lượng loại này của các electron vì độ hao năng lượng do phát bức xạ hãm tỷ lệ nghịch với bình phương khối lượng của hạt: 𝑑𝐸 1 ~ 2 𝑑𝑋𝑟𝑎𝑑 𝑚 1.1.6.3 Tương tác của bức xạ gamma với vật chất Giống như các hạt trung hoà về điện, các tia gamma không gây ra sự ion hoá trực tiếp. Việc ghi nhận chúng chỉ khả dĩ nếu chúng tạo thành trong detector các hạt tích điện thứ cấp. Khi đi qua vật chất, các tia γ bị suy giảm theo định luật hàm số mũ: Hình 5: Quy luật giảm cường độ bức xạ γ theo hàm mũ trong đó No là số lượng tử γ trong chùm ban đầu, N là số lượng tử γ đi qua lớp vật chất chiều dày x; µ là hệ số suy giảm tuyến tính, đo bằng đơn vị cm-1. Đối với các photon năng lượng 1MeV, chiều dày lớp chì suy giảm một nửa hay chiều dày lớp chì cần thiết để hãm một nửa các photon bằng 0,95cm. Đối với không khí, chiều dày lớp suy giảm một nửa bằng khoảng 83 m, còn đối với nhôm 3,7 cm. Như vậy, hệ số suy giảm tuyến tính liên hệ với tiết điện tán xạ hoặc hấp thụ toàn phần σ trên một nguyên tử vật chất bằng biểu thức sau: 10
µ = nσ trong đó n là số nguyên tử chất hấp thụ trong lcm3, σ được đo bằng đơn vị cm2 hoậc đơn vị barn Sự suy giảm chùm các tia γ khi chúng đi qua vật chất được xác định bằng Hình 6: Quá trình tương tác tia γ với nguyên tử tất cả các loại tương tác của chúng với vật chất này. Đó là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton, tạo cặp và hiệu ứng tương tác với các hạt nhân. Hiệu ứng cuối cùng chỉ xảy ra với xác suất nhỏ, do đó với mục đích nghiên cứu quá trình ghi nhận bức xạ γ, chúng ta sẽ chỉ khảo sát ba hiệu ứng đầu. Đối với hệ số suy giảm toàn phần, có thể viết biểu thức sau: µ = τ + σk + π, trong đó τ là hệ số hấp thụ quang điện; σk là hệ số tán xạ Compton; π là hệ số hấp thụ do quá trình tạo cặp. 1.1.6.3.1 Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là hiệu ứng tương tác của lượng tử γ với electron nguyên tử, trong đó năng lượng hνo của lượng tử γ bị tiêu hao để thắng sự liên kết của electron trong nguyên tử và truyền cho nó một động năng, nghĩa là: hνo = Elk + Ek. Trong biểu thức trên Elk là năng luợng liên kết của electron trong nguyên tử; Ek là động năng của quang điện tử. Sơ đồ mô tả hiệu ứng quang điện được giới thiệu ở hình trên. Sự xuất hiện điện tử Auger và tia X trên hình này đã được giải thích ở phần 1.1. 11
Hiệu ứng quang điện không thể xảy ra trên electron tự do vì để thoả mãn định luật bảo toàn xung lưọng thì ngoài lượng tử γ và electron thì phải có mặt một hạt thứ ba. Hạt đó là hạt nhân nguyên tử. Electron liên kết với hạt nhân càng mạnh thì xác suất hiệu ứng quang điện trên nó càng lớn, nếu năng lượng của lượng tử γ lớn hơn năng lượng liên kết của electron. Đó là đặc điểm của hiệu ứng quang điện. Nó giải thích vì sao tiết điện hiệu ứng quang điện đối với các electron vỏ K luôn luôn lớn hơn so với tiết điện hiệu ứng này đối với các electron ở những vỏ cao hơn. Nó cũng giải thích vì sao tiết điện hấp thụ quang điện các tia γ tăng nhanh theo sự tăng nguyên tử số của chất hấp thụ. Nếu năng lượng của lượng tử gamma tới lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của electron vỏ K (hνo >> Elk) và nếu khi đó quang điện tử xuất hiện lại không phải là electron tương đối tính, nghĩa là Eo
a. Hiệu ứng Compton Hình 7: Quá trình xảy ra của hiệu ứng quang điện Theo sự tăng năng lượng của các tia gamma thì tiết điện của hiệu ứng quang điện giảm và quá trình chủ yếu làm suy giảm chùm lượng tử gamma trở thành quá trình tán xạ Compton. Hiệu ứng Compton là hiệu ứng tán xạ của lượng tử gamma trên electron tự do. Một phần năng lượng của lượng tử gamma được truyển cho electron giật lùi. Trong vùng năng lượng mà hệ số suy giảm µ được gây ra bởi quá trình này, đó là vùng giữa 0,5 và 5MeV đối với chì là giữa 0,05 và 15MeV đối với nhôm, năng lượng của bức xạ tới trở nên lớn hơn so với năng luợng liên kết của electron trong nguyên tử. Hệ số tán xạ Compton σk tỷ lệ với nguyên tử số Z. Như vậy có thể mô tả tán xạ của lượng tử γ trên electron năng lượng đủ lớn Hình 8: Phổ năng lượng của các electron giật lùi như một quá trình va chạm của hai hạt. Sơ đồ quá trình tán xạ Compton được biểu diễn trên hình. Lượng tử γ tới với năng lượng hv0 bị lán xạ trên electron tại điểm A. Lượng tử γ bị tán xạ với năng lượng hv bay ra dưới góc tán xạ θ so với phương chuyển động ban đầu của lượng tử tới, còn electron giật lùi thì bay ra dưới góc giật lùi φ và năng lượng T. Từ các định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng suy ra 13