Luận văn tốt nghiệp: Thiết kế các bài thí nghiệm cho phòng thí nghiệm Vật lý hạt nhân Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:77

Thêm vào BST

Báo xấu

139
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn tốt nghiệp: Thiết kế các bài thí nghiệm cho phòng thí nghiệm Vật lý hạt nhân Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh tìm hiểu cơ chế hoạt động của các thiết bị ghi đo bức xạ máy đo alpha, beta phông thấp UMF 2000, máy đo đơn kênh Ludlum Model 2200, máy đo Gamma Ray 8K.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn tốt nghiệp: Thiết kế các bài thí nghiệm cho phòng thí nghiệm Vật lý hạt nhân Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  VÕ THỊ TUYẾT PHƯỢNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Vật lý Hạt Nhân Người hướng dẫn: ThS. Hoàng Đức Tâm TP. Hồ Chí Minh, 5/2010
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện và hoàn thành khóa luận này, ngoài những nỗ lực của cá nhân, em còn nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình và lời động viên của quý thầy cô trong Khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để em hoàn thành việc đo đạc thực nghiệm Xin cho em được bày tỏ lòng biết ơn đến thầy Hoàng Đức Tâm, thầy đã tận tình hướng dẫn em, truyền thụ cho em những kiến thức để hoàn thành tốt khóa luận này. Em xin cảm ơn đến thầy Trần Thiện Thanh – giảng viên Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên đã giúp đỡ em và truyền đạt kiến thức thực nghiệm về hạt nhân để em hoàn thành luận văn này. Xin cảm ơn gia đình luôn sát cánh bên con trong suốt thời gian học đại học, luôn là chỗ dựa tinh thần cho con. Cảm ơn tập thể lớp Cử nhân lý khóa 32 đã luôn ở bên cạnh và giúp đỡ mình trong những lúc khó khăn và động viên em trong suốt thời gian làm bài luận này. Võ Thị Tuyết Phượng
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay việc triển khai ứng dụng Vật lý hạt nhân trong các lĩnh vực đời sống đang được quan tâm vì những hiệu quả và lợi ích mà nó đem lại. Bên cạnh đó hiện nay nước ta đang chuẩn bị xây dựng nhà máy điện hạt nhân tại Ninh Thuận. Do vậy việc chuẩn bị nguồn nhân lực là hết sức cần thiết. Hiện tại, các trường đại học trong cả nước đang đào tạo sinh viên chuyên ngành Vật lý hạt nhân trong đó có trường Đại học Sư phạm Tp.Hồ Chí Minh. Để tạo điều kiện tốt cho sinh viên thực hành chuyên đề Vật lý hạt nhân trường đã xây dựng Phòng thí nghiệm Vật lý hạt nhân, nhằm phục vụ cho công tác này các thiết bị này trong Phòng thí nghiệm hiện tại đang được đưa vào phục vụ cho công tác đào tào. Chính vì lý do trên mà em đã chọn đề tài “THIẾT KẾ CÁC BÀI THÍ NGHIỆM CHO PHÒNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HỒ CHÍ MINH” nhằm hoàn chỉnh thêm việc giảng dạy thực hành cho sinh viên ngành Cử nhân Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Tp.Hồ Chí Minh. 2. Mục tiêu đề tài - Tìm hiểu cơ chế hoạt động của các thiết bị ghi đo bức xạ máy đo alpha, beta phông thấp UMF 2000, máy đo đơn kênh Ludlum Model 2200, máy đo Gamma Ray 8K. - Thiết kế 5 bài thí nghiệm dựa trên các thiết bị ghi đo trong phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân. 2. Bố cục luận văn Ngoài phần mở đầu và kết luận luận văn chia làm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về bức xạ và thiết bị ghi nhận bức xạ Chương 2: Thiết kế các bài thí nghiệm Chương 3: Kết quả báo cáo thực nghiệm
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BỨC XẠ VÀ THIẾT BỊ GHI NHẬN BỨC XẠ 1.1. Nguồn phóng xạ alpha , beta và gamma Nguồn phóng xạ để chỉ các chất đồng vị phóng xạ phát ra các tia alpha, beta và gamma. Các nguồn phóng xạ này được sản xuất trong các lò phản ứng hạt nhân hay các máy gia tốc. Có 2 dạng nguồn phóng xạ: Nguồn phóng xạ kín: là nguồn phóng xạ được bọc kín trong vỏ thép không gỉ. Nguồn này đã được kiểm tra về tính bền cơ học, tính chịu nhiệt, độ kín, chịu áp suất...Nguồn kín còn được đặt trong buồng bằng chì để vừa che chắn vừa bảo vệ. Các nguồn phóng xạ kín thường được dùng trong các thiết bị đo mức vật liệu, đo mật độ, nghiên cứu khoa học, chiếu xạ khử trùng y tế... Nguồn phóng xạ hở được sản xuất dưới dạng dung dịch lỏng, dạng rắn hay dạng bột chứa trong lọ thủy tinh hay plastic mà không có vỏ bọc kín như trong nguồn kín. Các nguồn được sử dụng để nghiên cứu hay chẩn đoán, nghiên cứu sự vận chuyển vật liệu trong các quá trình sản xuất công nghiệp... Các chất đồng vị phóng xạ khi phân rã phát các hạt alpha hoặc beta và sau đó phát tiếp gamma. Chúng được sử dụng như một trong các dạng nguồn phóng xạ. Do đó nguồn phóng xạ loại này được xem như là nguồn alpha, beta hoặc nguồn gamma tùy theo mục đích sử dụng.
Bảng 1.1: Một số nguồn phóng xạ alpha, beta, gamma Đồng Thời gian Dạng Tên Loại bức xạ Năng lượng (MeV) vị bán rã nguồn 241 Am  5,48 458 năm Kín Americium  0,060 Cobalt 60 Co  1,173; 1,332 5,27 năm Kín Caesium 137 Cs  0,662 30 năm Kín Strontium 90 Sr  2,27 28 năm Kín Krypton 85 Kr  0,67 10,6 năm Kín Hở 0,080; 0,284; Iodine 131 I  8 ngày Dung 0,364;0,637 dịch Hở Technecium 99m Tc  140,5 6 giờ Dung dịch Phosphorus 32 P  1,711 15 ngày Hở 4,51.109 238 U  4,18 Kín năm 2,48.105 234 Họ U  4,763 Kín năm uranium 24,10 234 Th  0,193; 0,103 Kín ngày 234 Pa  0,5 6,66 h Kín 1.2. Tương tác của bức xạ với vật chất Khi đi xuyên qua vật chất các hạt tương tác với các nguyên tử môi trường, tức là tương tác với electron và hạt nhân. Nếu bỏ qua tương tác hấp dẫn thì các hạt sẽ tham gia các tương tác mạnh, tương tác yếu, tương tác điện từ. Các hạt alpha, deutron, proton, neutron có thể tham gia vào tương tác mạnh. Ngoài ra lượng tử gamma tham gia vào tương tác yếu. 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 hạt 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 môi trường.
1.2.1. Tương tác của hạt alpha với vật chất 1.2.1.1. Sự truyền năng lượng của hạt alpha Cơ chế mất năng lượng của hạt alpha là kích thích và ion hóa nguyên tử. Sự kích thích là đưa nguyên tử của môi trường ở trạng thái cơ bản lên trạng thái mức năng lượng cao hơn (mức kích thích). Sự ion hóa nguyên tử là hạt alpha truyền năng lượng cho electron nguyên tử và electron này có năng lượng lớn hơn năng lượng liên kết của electron với hạt nhân nên bay ra ngoài. Do hạt alpha có điện tích là +2e lớn hơn hạt beta và khối lượng rất lớn, do đó vận tốc của nó thấp, nên độ ion hóa riêng của hạt alpha rất cao, vào khoảng hàng nghìn cặp ion trên 1 cm trong không khí. 1.2.1.2. 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 do các nguồn phóng xạ phát ra cũng chỉ đi được vài cm, còn trong môi trường mô sinh học quãng chạy của nó cỡ micromet. Hình 1.1: Đường cong hấp thụ của hạt alpha Có 2 định nghĩa về quãng chạy hạt alpha là quãng chạy trung bình và quãng chạy ngoại suy. Đường cong hấp thụ của hạt alpha có dạng phẳng vì nó là hạt đơn năng. Ở cuối quãng chạy, số đếm các hạt alpha giảm nhanh khi tăng bề dày chất hấp thụ. Quãng chạy trung bình được xác định ở nửa chiều cao đường hấp thụ còn quãng chạy ngoại suy được xác định khi ngoại suy đường hấp thụ đến giá trị 0. Quãng chạy của hạt alpha trong không khí ở 0 oC và áp suất 760 mm thủy ngân được biểu diễn bằng cách gần đúng, với sai số tương đối 10% như sau : R  0, 56E cm với E< 4MeV (1.1) R  1, 24E  2, 62 cm với 4MeV< E< 8MeV (1.2) Quãng chạy của hạt alpha trong các môi trường khác Rm có thể tính qua quãng chạy đối với môi trường không khí. R m  0,56A1/3 mg / cm 2 (1.3)
Trong đó A là số khối của môi trường 1.2.2. Tương tác của hạt beta với vật chất 1.2.2.1. Sự ion hóa Do hạt beta mang điện tích nên cơ chế tương tác của hạt beta là tương tác tĩnh điện với các electron quỹ đạo làm kích thích và ion hóa môi trường. Hạt beta mất một phần năng lượng Et để đánh bật một electron ra ngoài. Gọi Ek là động năng của electron bị bắn ra liên hệ với thế ion hóa của nguyên tử E và độ mất năng lượng Et như sau: Ek  Et  E (1.4) Trong nhiều trường hợp electron bị bắn ra có động năng đủ lớn để có thể ion hóa nguyên tử tiếp theo gọi là electron thứ cấp hay 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 một số lớn cặp ion. Mặt khác 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. Vì thế mà hạt beta chuyển động theo đường cong khúc khuỷu sau nhiều va chạm trong môi trường hấp thụ và cuối cùng sẽ dừng lại khi hết năng lượng ion hóa. Dọc theo đường đi của hạt beta có rất nhiều cặp ion tạo nên do quá trình ion hóa sơ cấp của hạt beta ban đầu lẫn quá trình ion hóa thứ cấp do các hạt delta electron. 1.2.2.2. Độ ion hóa riêng Độ ion hóa riêng là số cặp ion tạo ra trên một quãng đường đi đơn vị của hạt beta. Độ ion hóa riêng khá cao đối với hạt beta có năng lượng thấp, giảm dần khi tăng năng lượng hạt beta, đạt cực tiểu ở năng lượng 1 MeV và sau đó tăng chậm. Hình 1.2: Độ ion hóa riêng đối với không khí phụ thuộc vào năng lượng hạt electron Độ ion hóa riêng được xác định qua tốc độ mất năng lượng tuyến tính của hạt beta do ion hóa và kích thích.
1.2.2.3. Hệ số truyền năng lượng tuyến tính 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 gọi là hệ số truyền năng lượng tuyến tính. Hệ số truyền năng lượng tuyến tính LET được định nghĩa theo công thức: dE l LET  (1.5) dl Trong đó dEl là năng lượng trung bình mà hạt beta truyền cho môi trường hấp thụ khi đi qua quãng đường dài dl . Đơn vị là keV / m 1.2.2.4. 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 hay gọi là bức xạ hãm. Năng lượng của bức xạ hãm phân bố liên tục từ 0 đến giá trị cực đại bằng động năng của hạt beta. 1.2.2.5. 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. Và quãng đường này gọi là quãng chạy của hạt beta phụ thuộc vào năng lượng hạt beta và mật độ vật chất của môi trường hấp thụ. Hình 1.3: Sự phụ thuộc quãng chạy cực đại của các hạt beta vào năng lượng của chúng đối với một số vật liệu hấp thụ. 1.2.3. Tương tác của tia gamma với vật chất 1.2.3.1. Sự suy giảm của bức xạ gamma khi đi qua môi trường Bức xạ gamma chỉ bị suy giảm về cường độ chùm tia khi tăng bề dày vật chất mà không bị hấp thụ hoàn toàn. Thật vậy khi ta xét một chùm tia đơn năng với cường độ ban đầu là I0. Sự thay đổi cường độ khi đi qua lớp mỏng vật liệu dx bằng : dI  dx (1.6)
Trong đó  là hệ số suy giảm tuyến tính và có thứ nguyên là (độ dài)-1 thường tính theo cm-1. Lấy tích phân phương trình (1.6) từ 0 đế x ta được : I  I 0 e x (1.7) Công thức (1.7) sự suy giảm theo hàm số mũ của cường độ chùm gamma hẹp và đơn năng. Hình 1.4: Sự suy giảm của chùm tia gamma hẹp theo bề dày Các đường liền là chùm tia gamma đơn năng 0,661 MeV, đường gạch nối là chùm tia đa năng. Hệ số suy giảm tuyến tính  phụ thuộc vào năng lượng bức xạ gamma và mật độ vật liệu môi trường. 1.2.3.2. Cơ chế tương tác của bức xạ gamma với vật chất Tương tác của gamma không gây hiện tượng ion hóa trực tiếp như hạt mang điện. Tuy nhiên khi gamma tương tác với nguyên tử nó làm bứt electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử hay sinh ra cặp electron - positron (là hạt có khối lượng bằng khối lượng electron nhưng có điện tích là +1e). Các electron bứt ra này gây ion hóa và đó là cơ chế cơ bản mà gamma có thể ghi nhận được. Có 3 dạng tương tác cơ bản : hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và sự tạo cặp.  Hiệu ứng quang điện Photon có năng lượng thấp (cỡ vài trăm eV) khi đập vào electron nguyên tử truyền toàn bộ năng lượng của nó electron. Electron được thoát ra khỏi nguyên tử và photon bị hấp thụ hoàn toàn, đó là hiệu ứng quang điện.
Hình 1.5: Hiệu ứng quang điện - Hiệu ứng xảy ra khi Ephoton > E lk. - Hiệu ứng xảy ra chủ yếu Ephoton lớn hơn một ít E lk đặc biệt là đối với electron liên kết chặt chẽ nhất với nguyên tử (electron ở lớp vỏ K). - Hiệu ứng giảm khi Ephoton tăng. - Hiệu ứng tăng khi số nguyên tử tăng (tỷ lệ với Z). 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. Tiết diện hiệu ứng quang điện Z5  photon  khi E  Elk (1.8) E 7/2 Z5  photon  khi E  E lk (1.9) E Trong đó E là năng lượng của bức xạ gamma, Elk là năng lượng liên kết của electron với hạt nhân nguyên tử.  Hiệu ứng Compton Photon có năng lượng cao hơn, va chạm vào electron của nguyên tử truyền một phần năng lượng của nó cho electron. Khi đó electron được gia tốc, photon bị lệch hướng và chuyển động với năng lượng thấp hơn. Hiệu ứng xảy ra chủ yếu đối với photon năng lượng trung bình và giảm khi Ephoton tăng. Hình 1.6: Hiệu ứng Compton
Quá trình tán xạ Compton có thể xem là quá trình tán xạ đàn hồi lên electron tự do. Trong quá trình tán xạ đàn hồi của gamma với năng lượng E lên electron đứng yên ta có công thức với năng lượng E và electron Ee sau tán xạ phụ thuộc vào góc bay  của gamma sau tán xạ : (1  cos ) Ee  E (1.10) 1  (1  cos ) 1 E  E (1.11) 1  (1  cos ) E Trong đó   và m e  9,11031 kg là khối lượng electron. me c 2 Góc bay  sau tán xạ liên hệ với góc  như sau : 1  tg()   ctg (1.12) E 2 1 E Góc bay của gamma sau tán xạ càng lớn thì E càng bé, nghĩa là gamma càng mất nhiều năng lượng. Tiết diện quá trình tán xạ Compton tỷ lệ thuận với điện tích Z của nguyên tử và tỷ lệ nghịch với năng lượng gamma Z  compt  (1.13) E  Sự tạo cặp Photon có năng lượng >1,02 MeV đập vào nguyên tử thì hoặc là nó tương tác với trường Coulomb của hạt nhân hoặc là của electron (ít gặp hơn) tạo thành cặp e-,e+ (được gọi là hiệu ứng tạo cặp). Năng lượng gamma vượt quá 1,02 MeV được dùng để cung cấp động năng cho e-, e+. Positron được tạo ra sẽ kết hợp với electron của nguyên tử và bị hủy với sự phát ra 2 photon năng lượng 0,511 MeV cho mỗi photon và chạy theo các hướng ngược chiều nhau ( hiện tượng này gọi là hiện tượng hủy cặp). Tiết diện tạo cặp phức tạp trong miền năng lượng 5 m ec2 < E < 50 mec2  pair  Z2 ln E (1.14) Trong công thức (1.14) thì tiết diện tạo cặp electron-positron gần tỷ lệ với Z2 nên có giá trị lớn đối với chất hấp thụ với số nguyên tử lớn.
Hình 1.7: Hiệu ứng sinh cặp electron-positron 1.3. Các detector trong phòng thí nghiệm Khi các hạt alpha, beta và gamma đi qua môi trường vật chất, thì các hạt sẽ mất năng lượng của mình trong quá trình tương tác khác nhau với các electron và hạt nhân của nguyên tử vật chất. Khi đó các hạt chỉ mất một phần hoặc toàn bộ năng lượng của chúng một cách từng phần hay cùng một lúc, phụ thuộc vào dạng tương tác. Các detector sẽ biến đổi những năng lượng này thành một dạng năng lượng nào đó, phù hợp với quá trình ghi nhận các hạt. Thông thường, năng lượng của các hạt bị mất đi trong quá trình tương tác với vật chất được biến thành điện năng. Sự hoạt động của hầu hết các detector dựa trên sự phát hiện các hiệu ứng ion hóa hoặc kích thích các nguyên tử hay phân tử vật chất gây nên do các hạt trong môi trường vật chất đi qua. Việc lựa chọn các detector để nghiên cứu các hạt alpha, beta và gamma phụ thuộc vào tính chất của chúng, tính chất tương tác với vật chất, những điều kiện đặc thù của từng bài thí nghiệm. Những detector này cho phép ta phát hiện và ghi nhận các hạt đo được năng lượng toàn phần, khả năng ion hóa của các hạt, hoạt độ của nguồn phóng xạ. 1.3.1. Detector nhấp nháy NaI(Tl). Bao gồm: - Tinh thể nhấp nháy bằng chất NaI có pha thêm hoạt hóa Thallium - Ống nhân quang điện Vai trò của tinh thể nhấp nháy: khi lượng tử gamma tương tác với vật chất nhấp nháy, nó sẽ tạo ra electron tự do có động năng lớn qua một trong ba cơ chế trên. Electron này sẽ kích thích các phân tử của chất nhấp nháy và khi các phân tử này trở về trạng thái cơ bản sẽ phát ra chớp sáng. Chất nhấp nháy vô cơ là Iodine sodium, được kích hoạt bởi thallium NaI (Tl), có cường độ sáng rất cao và phụ thuộc tuyến tính vào năng lượng hạt bức xạ, có mật độ 3,67 g/cm 3 và số nguyên tử hiệu dụng bằng 50, do đó hiệu suất ghi tương đối cao và được sử dụng tốt trong hệ phổ kế gamma. Độ phân giải năng lượng của detector NaI (Tl) phụ thuộc vào kích thước của nó, tinh thể NaI (Tl) hình
trụ kích thước 3”x3” có độ phân giải cỡ 7,5-8,5 % tại vạch năng lượng tia gamma là 0,661 MeV. Các tinh thể có kích thước lớn hơn hoặc bé hơn có độ phân giải kém hơn. Tín hiệu lối ra ở detector nhấp nháy có biên độ khá lớn, thời gian nhấp nháy cỡ 0,25 s nên không thuận tiện khi sử dụng trong việc đếm nhanh. Vì tinh thể NaI (Tl) dễ hút ẩm nên nó được đặt trong một vỏ nhôm kín về 3 phía, mặt còn lại được dán vào cửa sổ ống nhân quang điện. Vai trò của ống nhân quang điện: ống nhân quang điện bao gồm một photocatot, một anot và một hệ các điện cực trung gian gọi là đynot. Một điện áp cao được đặt giữa catot và anot, các đynot được cung cấp một phần điện áp cao bởi một bộ chia thế. Tia sáng phát ra từ tinh thể nhấp nháy đập vào photocatot sẽ tạo ra hiệu ứng quang điện và các photo-electron. Các photo-electron này được gia tốc bởi điện trường giữa các đynot và mỗi lần đập vào đynot lại tạo ra electron thứ cấp, số electron được nhân lên 2-5 lần sau mỗi lần đập vào đynot. Sau khi đập vào n đynot thì chùm electron tăng lên M lần M=(aV)n (1.15) M: hệ số nhân của ống nhân quang điện. Tại anot ta có một xung dòng điện. Xung dòng này tạo ra trên điện trở anot một xung điện áp có biên độ tỷ lệ với năng lượng gamma bị hấp thụ trong tinh thể nhấp nháy. 1.3.2. Detector bán dẫn Silicon. Chất bán dẫn thường sử dụng là Si và Ge. Khi lượng tử gamma bay vào chất bán dẫn, nó sẽ tạo nên electron tự do thông qua 3 hiệu ứng chủ yếu như với tinh thể nhấp nháy. Electron tự do di chuyển với động năng lớn sẽ làm kích thích các electron chuyển lên vùng dẫn và để lại lỗ trống. Như vậy thông qua các hiệu ứng tương tác, bức xạ gamma đã tạo nên một loạt electron và lỗ trống trong tinh thể bán dẫn. Dưới tác động của điện trường các electron sẽ chuyển động về cực dương, các lỗ trống chuyển động về phía cực âm, kết quả là ta có một xung dòng điện ở lối ra. Năng lượng cần thiết để tạo ra được một cặp electron - lỗ trống trong Si là 3,61 eV. Sử dụng Si để chế tạo detector, tinh thể bán dẫn này có độ rộng vùng cấm nhỏ và độ linh động của electron và lỗ trống lớn. Độ rộng vùng cấm nhỏ cho nên năng lượng cần thiết để tạo ra một cặp ion trong chất bán dẫn nhỏ hơn trong chất khí hàng chục lần. Độ linh động của electron và lỗ trống cao bảo đảm cho biên độ xung tín hiệu không phụ thuộc vào quỹ đạo của hạt ion hóa với khả năng phân giải theo thời gian cao.
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ CÁC BÀI THÍ NGHIỆM 2.1. Hệ đo Alpha-Beta UMF 2000 2.1.1. Thiết bị 2.1.1.1. Giới thiệu hệ đo Máy đo tổng hoạt độ alpha và beta được sử dụng với các mục đích sau : - Đo tổng hoạt độ beta của hạt nhân phóng xạ trong các mẫu như thực phẩm, mẫu đất, nước, phin lọc không khí... - Đo tổng hoạt độ alpha của hạt nhân phóng xạ đối với mẫu dày và mỏng. Hình 2.1: Máy UMF 2000 Máy UMF 2000 là thiết bị dùng trong phòng thí nghiệm là chủ yếu. Máy có 5 bộ phận chính: thiết bị đo, bộ phận điều khiển, bộ phận bảo vệ hoạt động, bộ phận điện tử, bộ phận đếm gộp hai kênh cùng với đồng hồ đếm.  Thiết bị đo - Detector bán dẫn được làm từ silic nhôm có điện trở cao với diện tích của detector là 20x20 mm, nó được đặt trên một giá bằng đồng có mạ Crom. Giá đỡ đựng mẫu được đặt sát detector. - Detector bán dẫn biến đổi năng lượng của hạt alpha và beta thành tín hiệu điện ở tiền khuếch đại. Detector có khả năng đo năng lượng beta từ mức 50 keV.  Bộ phận điều khiển - Gồm có nguồn cung cấp, cao thế và bộ phận bảo vệ mạch điện. - Điện thế cung cấp là 220 V.  Bộ phận bảo vệ hoạt động Dùng để làm giảm sự ảnh hưởng của những tia bức xạ vũ trụ ảnh hưởng đến kết quả đo.  Bộ phận điện tử Được cấu tạo từ các phần riêng biệt: tiền khuyếch đại, khuyếch đại, khối tạo dạng xung, khối biến đổi tương tự số (biến đổi xung thành số).  Bộ phận đếm gộp hai kênh cùng với đồng hồ đếm
Bộ phận này cho phép máy làm việc với hai chế độ đếm : alpha và beta ; beta và thời gian đếm. 2.1.1.2. Đặc trưng kỹ thuật - Đo năng lượng bức xạ beta trong khoảng từ 50 đến 3500 keV. - Đo năng lượng bức xạ alpha trong khoảng từ 3500 đến 8000 keV. - Đo hoạt độ nguồn phát beta từ 0,1 đến 3.103 Bq. - Đo hoạt độ nguồn phát alpha từ 0,01 đến 3.103 Bq. - Sai số tương đối thấp  15%. - Đối với hạt alpha thấp hơn 0,001/giây. - Đối với hạt beta thấp hơn 0,025/giây. - Thời gian đếm được ấn định từ 1-9999 giây. - Sai số đếm : 0,0001 giây. - Sự ảnh hưởng của kênh đo alpha lên kênh đo beta với nguồn alpha thấp không quá  8%. - Thời gian sấy máy không quá 30 phút, thời gian hoạt động lớn nhất là 24 giờ. - Tính ổn định của máy trong làm việc suốt 8h là hơn 95% - Nguồn cung cấp là nguồn điện xoay chiều 220 với tần số 50 Hz - Công suất tiêu hao : không quá 40W. - Nhiệt độ, độ ẩm không khí, áp suất là : 10 đến 30oC. - Kích thước : 350x300x190mm. - Cân nặng 30kg 2.1.1.3. Cách vận hành máy  Để vận hành máy an toàn ta thực hiện các bước như sau : Bước 1: Đặt nguồn điện vào nguồn cung cấp, để tránh hư hỏng. Nguồn điện thế là 220 V. Bước 2: Bật nút POWER ở phía sau máy. Bước 3: Bật ON đèn LED sáng để máy sẵn sàng hoạt động. Bước 4: Đặt nguồn cần đo vào khay, đẩy khay vào trong để tiến hành đo. Bước 5: Bật nút START trên máy, sau đó cài đặt thời gian đo.  Khi muốn đo Alpha, hay Alpha và Beta thì điều chỉnh bằng nút trên máy để chọn chế độ đo thích hợp.  Khi kết thúc thời gian đo thì nhấn nút STOP.  Lấy nguồn ra, và đem cất đúng ngay vị trí nơi giữ nguồn. 2.1.2. Bố trí thí nghiệm 2.1.2.1. Sử dụng nguồn chuẩn
238 Hình 2.2: Nguồn chuẩn U, 234 U, 234 Th, 234 Pa 238 Trong đó U, 234 U phát alpha với hoạt độ là 30,7 Bq. Ngày sản xuất: 25/12/2007 234 Th, 234 Pa phát beta với hoạt độ là 44,1 Bq. Ngày sản xuất: 25/12/2007 2.1.2.2. Hiệu suất ghi của detector Hiệu suất ghi của detector là số xung mà detector ghi nhận được so với số xung đến detector, tính theo công thức: n  (2.1) A Trong đó n : tốc độ đếm trung bình A là hoạt độ của nguồn phóng xạ Sai số của tốc độ đếm 1/ 2 n n  S(n)  1,96  S  B  (2.2)  tS tB  Trong đó nS là tốc độ đếm thực của mẫu 1,96 là độ tin cậy là 95%. n B là tốc độ đếm phông t S là tổng thời gian đo mẫu t B là tổng thời gian đo nS  n  nB (2.3) Số đếm phông của alpha không lên nên n B = 0 Do quãng chạy của alpha trong môi trường không khí ngắn chỉ đi được vài cm khi đó detector không ghi nhận được số đếm của alpha trong môi trường. Sai số tuyệt đối hiệu suất ghi
S(n)    A (2.4) A Các bước tiến hành Bước 1: Sấy máy trong vòng 30 phút. Bước 2: Tiến hành đo phông 1000 giây cho 1 phép đo. 238 Bước 3: Đặt nguồn U, 234 U, 234 Th, 234 Pa vào đúng vị trí và đo 300 giây. Bước 4: Chọn chế độ đo Alpha-Beta, nhưng ta quan tâm đến số đếm alpha. Bước 5: Thực hiện 5 phép đo và ghi số đếm hiển thị trên máy. Bước 6: Tính hiệu suất ghi của detector. Sau khi đo cất nguồn vào đúng vị trí. 2.1.2.3. Xác định hoạt độ của nguồn phát alpha bằng phương pháp tuyệt đối. Dựa vào hiệu suất ghi đã có từ nguồn chuẩn. Hoạt độ của mẫu nS A (2.5)  k 1 N i i 1 Tốc độ đếm trung bình n k (2.6) k t i 1 i Sai số tuyệt đối của hoạt độ là: S(n) S(A)   0 A (2.7)  Sai số tương đối của hoạt độ S(A) (A)  (2.8) A Các bước tiến hành 238 Bước 1: Đặt nguồn chuẩn U, 234 U, 234 Th, 234 Pa tiến hành đo. Bước 2: Đo khoảng 25 lần. Ghi số đếm trên máy và tính hoạt độ và sai số tương đối của hoạt độ. Khi tiến hành đo alpha cần lưu ý: hạt alpha có khả năng đâm xuyên khá thấp trong số các bức xạ ion hóa. Do đó khi đo các nguồn alpha người ta thiết kế khay đặt nguồn sát đầu dò. 2.1.2.4. Khảo sát sự phân bố số đếm theo hàm phân bố Possion Trong thí nghiệm hạt nhân thì mẫu nghiên cứu chứa rất nhiều hạt nhân phóng xạ nhưng hệ đo chỉ ghi nhận được một phần nhỏ các hạt phóng xạ. Với điều kiện p
Trong đo lường phóng xạ, sự phân rã hạt nhân tuân theo quy luật thống kê Poisson. n n .e n P(n)  (2.9) n! Số đếm trung bình trong k lần đo k n i 1 i n (2.10) k Và xác suất xảy ra số đếm ni trong một lần đo với thời gian t tuân theo quy luật phân bố Poisson, đường biểu diễn phân bố Poisson không đối xứng. n ni .e n P(n i )  (2.11) ni ! Các bước tiến hành Bước 1: Mở hệ đo lên và sấy máy khoảng 30 phút. 238 Bước 2: Đặt nguồn chuẩn U, 234 U, 234 Th, 234 Pa vào khay để đo với thời gian mỗi lần đo là 2 giây. Bước 3: Chọn chế độ chỉ đo số đếm beta và thời gian đo. Bước 4: Sau đó xử lý số liệu và vẽ đồ thị phân bố Possion. 2.1.2.5. Khảo sát số đếm theo phân bố Gauss Khi tốc độ đếm tăng, xác suất để có tốc độ đếm n i trong 1 lần đo tuân theo phân bố Gauss. 2  ni n  1  P(n i )  e 2n (2.12) 2n Các bước tiến hành Bước 1: Tiến hành giống như khảo sát số đếm theo phân bố Possion. Bước 2: Thời gian cho mỗi phép đo là 30 giây và đo 200 lần. Bước 3: Sau đó xử lý số liệu và tiến hành vẽ đồ thị phân bố Gauss. 2.1.2.6. Tối ưu hóa thời gian đo Là xác định tỷ lệ thời gian đếm nguồn và phông tối ưu nhằm cực tiểu hóa độ lệnh chuẩn. Xác định thời gian đo tối ưu áp dụng theo nguyên lý truyền sai số. Gọi S là tốc độ đếm thật từ một nguồn phóng xạ và B là tốc độ đếm phông. Phép đo tốc độ đếm thật thường được thực hiện bằng cách đo số đếm tổng của nguồn kèm phông trong khoảng thời gian TS+B, sau đó đo riêng phông trong khoảng thời gian TB. Tốc độ đếm thật của riêng nguồn được xác định như sau: N1 N 2 S  (2.13) TS B TB
Trong đó N1 là số đếm tổng nguồn và phông, N2 là số đếm phông Theo định luật truyền sai số ta có: 2 2  N   N  S   1    2  (2.14)  TS B   TB  N1 N 2 S   (2.15) TS2 B TB2 S B B S   (2.16) TSB TB Để xác định điều kiện cực tiểu của S , bình phương và lấy vi phân phương trình (2.16), ta được: S B B 2SdS   2 dTSB  2 dTB (2.17) TS B TB Với một khoảng thời gian không đổi, T = TS+B+TB = const, thì dTS+B+dTB = 0. Đặt dS  0 , ta thu được điều kiện tối ưu cho tỉ lệ thời gian đo như sau: TS B S B  (2.18) TB B S Đặt   là độ lệch chuẩn tỷ đối của tốc độ đếm thực từ nguồn. Chuyển TS+B và TB về thời S gian tổng T, ta được hệ thức giữa T và  1 S2  2 (2.19) T ( S  B  B)2 Công thức (2.19) xác định thời gian cần thiết với một độ chính xác định trước (  ) Các bước tiến hành Bước 1: Đặt chế độ làm việc: để nút chỉnh cao thế ở cực tiểu, bật cao thế, cho hệ đo ổn định trong 30 phút. Bước 2: Sau đó xác định cao thế làm việc của máy.  Xác định độ lệch chuẩn tương đối Tiến hành 10 phép đo phông trong điều kiện như nhau trong khoảng thời gian TB=30 s cho 1 phép đo và được dãy số đếm phông. Tính số đếm phông trung bình. Tiến hành 10 phép đo với nguồn phóng xạ cùng điều kiện hình học giống như đo phông trong khoảng thời gian 30s cho 1 phép đo để có dãy số đếm Ni. Tính số đếm trung bình. Tính tốc độ đếm thật trung bình S của nguồn và độ lệch chuẩn S suy ra độ lệch chuẩn tỷ đối 1 tương ứng.
 Xác định tỷ lệ thời gian TS B Dùng công thức (2.19) xác định tỷ số tối ưu, suy ra TS+B và TB sao cho TS+B+TB= 60 TB giây. Thực hiện lại các phép đo với thời gian đã tối ưu Tính tốc độ đếm trung bình S của nguồn và độ lệch chuẩn S suy ra độ lệch chuẩn tỷ đối 2 tương ứng. So sánh  2 giảm mấy lần so với 1 . 2.2. Hệ đo gamma đơn kênh 2.2.1. Giới thiệu máy Ludlum Model 2200 Scaler Ratemeter Máy đơn kênh Ludulum Model 2200 là thiết bị được dùng cho việc phân tích phổ năng lượng gamma cùng với detector nhấp nháy, ống đếm Geiger-Muller và Ống đếm tỷ lệ. Số đếm được hiển thị trên đèn LED và máy có thể kết nối với máy vi tính thông qua cổng RS-232 và có phần mềm xử lý kết quả đo. 2.2.1.1. Mặt trước của máy Hình 2.3: Mặt trước của máy Bao gồm: Đèn đếm (count Lamp): số đếm hiện thị bằng đèn LED (có màu đỏ) gồm có 6 số. Công tắc đếm (count Switch): để xóa và khởi động đếm, quá trình đếm sẽ tự động tắc khi kết thúc thời gian đã đặt trước. Thời gian đếm (count Time): thời gian sử dụng để đo với đơn vị là phút từ 0-999 với công tắc chỉnh X0.1 và X1. Số phút (MINUTES): cài đặt thời gian có thể điều chỉnh bằng tay có núm 3 số thập phân dùng để đặt trước thời gian đếm.