Khóa luận tốt nghiệp Kỹ sư kỹ thuật hạt nhân: Khảo sát, đánh giá các tham số đặc trưng kỹ thuật của hệ phổ kế beta

Chia sẻ: Công Nữ | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:73

Thêm vào BST

Báo xấu

56
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hệ phổ kế Beta được sử dụng trong các nghiên cứu cơ bản cũng như ứng dụng của khoa học và công nghệ detector hạt nhân. Độ phân giải năng lượng và hiệu suất ghi là hai trong số những đặc trưng quan trọng nhất của phổ kế Beta. Cùng với sự tiến bộ của công nghệ, ngày nay hệ phổ kế Beta với detector có tinh thể ngày càng lớn, cho phép tăng hiệu suất ghi của detector và mở rộng dải năng lượng đo được. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm chi tiết nội dung khóa luận.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp Kỹ sư kỹ thuật hạt nhân: Khảo sát, đánh giá các tham số đặc trưng kỹ thuật của hệ phổ kế beta

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN NGUYỄN ĐĂNG HUY 1410702 KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ CÁC THAM SỐ ĐẶC TRƯNG KỸ THUẬT CỦA HỆ PHỔ KẾ BETA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS. ĐẶNG LÀNH KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ HẠT NHÂN
KHÓA 2014 2019
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 3
4
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 5
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn đến Thầy giáo hương d ́ ẫn Tiến Sĩ Đặng Lành đã tận tình hương d ́ ẫn, giúp đỡ và truyền đạt vốn kiến thức quý báu và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học tập và thực hiện khóa luận. Em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy, Cô Trường Đại học Đà Lạt, đặc biệt là quý Thầy, Cô Khoa Kỹ Thuật Hạt Nhân đã truyền đạt vốn kiến thức quý báu và tạo môi trường học tập thuận lợi cho em trong suốt 4.5 năm học tập tại trường Đại học Đà Lạt cũng như trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp này. Em xin cảm ơn bạn cùng lớp HNK38 đã đồng hành cùng em trong suốt thời gian học tập tại trường Đại học Đà Lạt. Và cuối cùng, con xin cảm ơn Ba Mẹ đã luôn yêu thương, tin tưởng tạo mọi điều kiện tốt nhất cho con có thể hoàn thành khóa luận. NGUYỄN ĐĂNG HUY 6
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Những kết quả và số liệu trong khóa luận này chưa được ai công bố dươi b ́ ất kì hình thức nào. Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trươc Nhà tr ́ ường về sự cam đoan này. Đà Lạt, ngày 10 tháng 12 năm 2018 Sinh viên 7
MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắc Từ gốc Nghĩa LET Liner Energy Tranfer Truy ền năng lượng tuyến tính ADC Analog Digtal Convertor Bộ đếm tương tự sang số MDA Multi Channel Analyser Máy phân tích đa kênh DC Direct Current Điện một chiều MCD Multi Channel Processing X ử lý dữ liệu đa kênh MCB Minature Circuit Breaker Bộ ngắt m ạch ROI Region of Interest Risetime Vùng diện tích quan tâm FWHM Full Width Half Maximum Độ rộng cực đại nửa chiều cao. 8
DANH MỤC HÌNH ẢNH, SƠ ĐỒ 9
DANH MỤC BẢNG BIỂU 10
MỞ ĐẦU Hiện nay, có nhiều phương pháp phân tích hiện đại phát triển ứng dụng phân tích hoạt độ phóng xạ. Các loại detector khác nhau sử dụng đo phóng xạ với số lượng khổng lồ, và thiết kế ở trạng thái khí, lỏng và rắn. Các loại này khác nhau không chỉ về trạng thái vật lý mà cả trạng thái hóa học. Thiết bị và vành chắn điện tử kết hợp với đetector ghi bức xạ cũng khác nhau. Kết quả là các detector ghi bức xạ, thiết bị được kết hợp với nhau phục vụ đo phóng xạ với hiệu suất ghi của detector khác nhau, phụ thuộc nhiều hệ số như: đặc trưng của thiết bị, loại năng lượng mà bức xạ sinh ra, cũng như tính chất mẫu phân tích. Sự lựa chọn phù hợp một loại detector ghi bức xạ hay phương pháp phân tích phóng xạ phù hợp, yêu cầu sự hiểu biết về tính chất của bức xạ hạt nhân, cơ chế tương tác của bức xạ với vật chất, chu kỳ bán hủy của nhân phóng xạ, sơ đồ phân rã, phần trăm phân rã, năng lượng phân rã là vấn đề cơ bản đối với các phương pháp xác định và đo phóng xạ. Sự lựa chọn detector và thiết bị phù hợp nhất phụ thuộc vào yêu cầu riêng đối với từng trường hợp cụ thể. Cuộc sống ngày càng phát triển và hiện đại, cùng với sự phát triển của xã hội, các thiết bị ứng dụng cho nghiêm cứu khoa học cũng ngày càng tiến bộ, kéo theo chất lượng và khả năng tăng theo không ngừng. Để đáp ứng một phần nhu đó Khoa Kỹ Thuật Hạt Nhân Trường Đại học Đà Lạt được trang bị một hệ phổ kế đa kênh Beta. Xác định các đặc trưng cơ bản của hệ phổ kế một cách có hệ thống là cần thiết để phục vụ việc vận hành và bảo dưỡng. Hệ phổ kế Beta được sử dụng trong các nghiên cứu cơ bản cũng như ứng dụng của khoa học và công nghệ detector hạt nhân. Độ phân giải năng lượng và hiệu suất ghi là hai trong số những đặc trưng quan trọng nhất của phổ kế Beta. Cùng với sự tiến bộ của công nghệ, ngày nay hệ phổ kế Beta với detector có tinh thể ngày càng lớn, cho phép tăng hiệu suất ghi của detector và mở rộng dải năng lượng đo được. Trong khuôn khổ của một khóa luận tốt nghiệp với đề tài “Khảo sát, đánh giá các tham số đặc trưng kĩ thuật của hệ phổ kế Beta” gồm những phần sau: Chương 1: Tương tác của tia Beta với vật chất
Chương 2: Khảo sát hệ phổ kế đa kênh Beta Chương 3: Thực nghiệm KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO.
Chương 1: TƯƠNG TÁC CỦA TIA BETA VỚI VẬT CHẤT 1.1. Lý thuyết về phân rã beta 1.1.1. Phân rã beta Trong vật lý hạt nhân, phân rã beta là một kiểu phân rã phóng xạ mà theo đó sinh ra một hạt beta (electron hoặc positron). Trong trường hợp sinh ra electron thì người ta gọi là phân rã beta âm hay beta trừ (β⁻), trường hợp còn lại thì gọi là beta cộng (β+). Khi phát ra hạt electron, một electron antineutrino cũng sinh kèm, trong khi phát ra positron thì đi kèm là electron neutrino. 1.1.2. Phân rã Khi phân rã β⁻, tương tác yếu chuyển một neutron (n) thành một proton (p) trong khi phát ra một electron ( e ⁻ ) và một electron antineutrino (): n → p + + (1) Ở mức cơ bản (như miêu tã trong biểu đồ Feynman bên dưới), là do sự biến đổi một quark xuống thành quark lên bằng cách phát ra một W boson ; W⁻ thường phân rã thành một electron và một electron ⁻ antineutrino. Hình 1. Phân rã β⁻ nhìn chung thường gặp ở những hạt nhân giàu neutron[3]
1.1.3. Phân rã Khi phân rã , năng lượng được sử dụng để biến đổi 1 proton thành 1 neutron, đồng thời phát ra 1 positron () và 1 electron neutrino (): energy + p → n + + (2) Vì vậy, khác với phân rã β⁻, phân rã không thể xuất hiện một cách độc lập do nó cần có năng lượng, khối lượng của neutron nặng hơn khối lượng của proton. Phân rã chỉ có thể xảy ra bên trong hạt nhân khi mà trị số năng lượng liên kết của các hạt nhân mẹ nhỏ hơn năng lượng liên kết của hạt nhân con. Điểm khác biệt giữa các mức năng lượng này tạo ra phản ứng biến đổi 1 proton thành 1 neutron, 1 positron và 1 neutrino, và thành động năng của các hạt này.[3] 1.1.4. Phân rã Beta kép Phân rã beta kép là loại phân rã phóng xạ trong đó hai proton được đồng thời biến thành hai neutron, hoặc ngược lại, bên trong hạt nhân nguyên tử. Như trong phân rã beta duy nhất, quá trình này cho phép các nguyên tử chuyển về gần hơn với tỷ lệ tối ưu của các proton và neutron. Kết quả của chuyển đổi này là các hạt nhân phát ra hai hạt beta có thể dò được, là electron hoặc positron. 1.2. Ion hoá (Ionization) Do hạt beta mang điện tích nên cơ chế tương tác của nó với vật chất là tương tác điện với các electron quỹ đạo. Điều đó dẫn tới sự kích thích và ion hoá các nguyên tử môi trường. Trong trường hợp môi trường bị ion hoá, tia beta mất một phần năng lượng để đánh bật một electron quỹ đạo ra ngoài. Động năng của electron bị bắn ra liên hệ với thế ion hoá của nguyên tử E và độ mất năng lượng như sau: = E (3) Trong đó thế năng ion hoá E là năng lượng cần thiết để một electron chuyển từ mức cơ bản K ( = 1) trở thành electron tự do ở mức với ∞: E = – = 0 – = Rh (4) Trong nhiều trường hợp, electron bắn ra có động năng đủ lớn để có thể ion hoá nguyên tử tiếp theo, đó là electron thứ cấp và được gọi là electron delta.
Electron delta ban đầu với động năng cỡ 1000 eV có thể tạo nên một chuỗi các electron delta thứ cấp và do đó tạo nên một chuỗi các cặp ion.
Bảng 1. Thế ion hoá E và độ mất năng lượng trung bình sinh cặp ion đối với một số chất khí[2] Độ mất năng lượng trung bình sinh cặp Khí Thế ion hóa E (eV) ion W (eV) 13,6 36.6 24,5 41,5 14,5 34,6 13,6 30,8 Ne 21,5 36,2 Ar 15,7 36,2 Kr 14,0 24,3 Xe 12,1 21,9 Không khí 33,7 14,4 32,9 14,5 27,3 11,6 25,7 12,2 26,3 12,8 24,6 Do hạt beta chỉ mất phần năng lượng để ion hoá nguyên tử, nên dọc theo đường đi của mình, nó có thể gây ra một số lớn cặp ion. Năng lượng trung bình để sinh một cặp ion thường gấp 2 đến 3 lần thế năng ion hoá. Đó là do ngoài quá trình ion hoá, hạt beta còn mất năng lượng do kích thích nguyên tử. Chẳng hạn, đối với oxygen và nitrogen, thế ion hoá tương ứng là 13,6 eV và 14,5 eV, trong lúc độ mất năng lượng trung bình để sinh một cặp ion là 30,8 eV và 34,6 eV. Bảng 1 trình bày thế ion hoá E và độ mất năng lượng trung bình khi sinh ra cặp ion w đối với một số chất khí. Do hạt beta có khối lượng bằng khối lượng electron quỹ đạo nên va chạm giữa chúng làm hạt beta chuyển động khỏi hướng ban đầu và như vậy hạt beta chuyển động theo hướng đường cong gấp khúc sau nhiều va chạm trong môi trường hấp thụ, cuối cùng sẽ dừng lại khi hết năng lượng để ion hoá. Dọc theo đường đi này có rất nhiều cặp ion tạo nên do quá trình ion hoá sơ cấp của hạt beta ban đầu lẫn quá trình ion hoá thứ cấp do các hạt electron delta. Quỹ đạo chuyển động đó có thể ghi nhận bằng phương pháp nhũ tương ảnh hay buồng bọt.
1.3. Độ ion hoá riêng (Specific ionization) Độ ion hoá riêng là số cặp ion tạo ra trên một đơn vị đường đi của hạt beta. Độ ion hoá riêng khá cao đối với các hạt beta năng lượng thấp, giảm dần khi tăng năng lượng hạt beta, đạt cực tiểu ở năng lượng khoảng 1 MeV, rồi sau đó tăng chậm. Độ ion hoá riêng được xác định qua tốc độ mất năng lượng tuyến tính của hạt beta do ion hoá 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 sau: = {ln[] } (5) Trong đó: N là số nguyên tử của chất hấp thụ trong 1 , Z là số nguyên tử của chất hấp thụ, NZ = 3,88. là số electron của 1 không khí ở nhiệt độ C và áp suất 760 mm thuỷ ngân, = 0,51 MeV là năng lượng tĩnh của electron, là động năng của hạt beta, = v/c, trong đó v là vận tốc của hạt beta còn c = 3. cm/giây, I (có giá trị 8,6. MeV đối với không khí và 1,35.Z MeV đối với các chất hấp thụ khác) là thế ion hoá 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 hoá riêng (Specific ionizaion) được tính theo công thức sau: s = (6) trong đó c.i là số cặp ion. 1.4. Hệ số truyền năng lượng tuyến tính (LET) Độ ion hoá riêng được dùng khi xem xét độ mất năng lượng do ion hoá. 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 được định nghĩa theo công thức sau:
LET = (7) Trong đó là năng lượng trung bình mà hạt beta truyền cho môi trường hấp thụ khi đi qua quãng đường dài dl. Đơn vị đo thường dùng đối với LET là keV/µm. 1.5. Bức xạ hãm (Bremsstrahlung) Khi hạt beta đi đến gần hạt nhân, lực hút Coulomb mạnh làm nó thay đổi đột ngột hướng bay ban đầu và phát năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ, gọi là bức xạ hãm. Năng lượng các bức xạ hãm phân bố liên tục từ 0 đến giá trị cực đại bằng động năng của hạt beta. Rất khó tính toán dạng phân bố năng lượng của các bức xạ hãm nên người ta thường sử dụng các đường cong đo đạc thực nghiệm. Để đánh giá mức độ nguy hiểm của bức xạ hãm, người ta thường dùng công thức gần đúng sau đây: f = 3,5.Z (8) Trong đó: f là phần năng lượng tia beta chuyển thành photon; Z là số nguyên tử của chất hấp thụ và (MeV) là năng lượng cực đại của hạt beta. Công thức (8) cho thấy khả năng sinh bức xạ hãm tỉ lệ thuận với số nguyên tử của chất hấp thụ. Do đó vật liệu dùng che chắn tia beta thường được làm từ các vật liệu nhẹ. Nhôm với Z = 13 là vật liệu che chắn tia beta nặng nhất và cũng ít khi được sử dụng. 1.6. 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, nó phụ thuộc vào năng lượng tia beta và mật độ vật chất của môi trường hấp thụ. Biết được quãng chạy của tia beta với năng lượng cho trước có thể tính được độ dày của vật che chắn làm từ vật liệu xác định. Một đại lượng thường dùng khi tính toán thiết kế che chắn là độ dày hấp thụ một nửa (absorber halfthickness), là độ dày của chất hấp thụ làm giảm số hạt beta ban đầu đi một nửa sau khi đi qua bản hấp thụ. Đo đạc thực nghiệm cho thấy độ dày hấp thụ một nửa vào khoảng 1/8 quãng chạy.
Ngoài quãng chạy tuyến tính du tính theo cm người ta còn dùng quãng chạy tính theo mật độ diện tích có đơn vị g/ và được xác định như sau: (g/) =ρ (g/) x (cm) (9) Trong đó ρ là mật độ khối của chất hấp thụ, tính theo g/. Trong tính toán thiết kế độ dày vật liệu che chắn, ngoài bề dày tuyến tính (linear thickness) tính theo cm người ta còn dùng bề bày mật độ (density thickness) tính theo đơn vị g/ hay mg/. Việc sử dụng đại lượng bề dày mật độ làm đơn giản phép tính vì khi đó bề dày không phụ thuộc vào vật liệu cụ thể.[2] 1.7. Biểu diễn mối quan hệ giữa thế và số cặp ion Nguyên tắc hoạt động của detector chứa khí như sau: Khi các hạt tích điện dịch chuyển trong chất khí, nó sẽ ion hoá các phân tử chất khí dọc theo đường đi tạo ra các ion mang điện dương và các electron tự do được gọi là cặp ion electron. Các ion có thể được tạo ra do tương tác giữa phân tử với hạt mang điện hoặc do va chạm với các hạt mang điện thứ cấp được tạo ra từ quá trình ion hoá sơ cấp. Ở đây ta không quan tâm đến năng lượng cơ học của electron hay ion nhận được do va chạm mà chủ yếu chỉ quan tâm đến số cặp ion được tạo ra dọc theo đường đi của hạt bức xạ. Các kiểu detector khí ngày nay đang được phát triển mạnh theo chiều hướng mảng các detector để phục vụ cho các nghiên cứu chụp ảnh, phân tích cấu trúc vật liệu. Nếu sử dụng chúng trong đo photon thì khả năng xác định của chúng đối với các bức xạ chỉ đến khoảng 200 keV. Một detector chứa khí đơn giản gồm một ống chứa khí và hai điện cực, thành của ống chứa khí được thiết kế để cho bức xạ cần ghi đi được vào phía bên trong ống chứa khí. Các kiểu detector chứa khí vẫn còn được sử dụng đến ngày nay là: Buồng ion hoá; Ống đếm tỉ lệ; Ống đếm Geiger Muller (GM). Hình 2 minh hoạ sơ đồ cấu tạo một detector chứa khí. Điện tích tạo ra do quá trình ion hoá được thu góp ở các điện cực của detector. Khi không có sự ion hoá, chất khí giống như một chất cách điện và không có dòng điện ở mạch ngoài. Số các cặp ion được tạo ra ở bên trong detector phụ thuộc vào điện trường trong detector, kiểu khí hoặc hỗn hợp khí, áp suất bên trong và hình học của detector,…