Luận văn Thiết kế các bài thí nghiệm cho phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân trường đại học sư phạm thành phố 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 Tên Đồng vị Loại bức xạ Năng lượng (MeV) Thời gian bán rã Dạng nguồn Americium 241Am  5,48 458 năm Kín  0,060 Cobalt 60Co  1,173; 1,332 5,27 năm Kín Caesium 137Cs  0,662 30 năm Kín Strontium 90Sr  2,27 28 năm Kín Krypton 85Kr  0,67 10,6 năm Kín Iodine 131I  0,080; 0,284; 0,364;0,637 8 ngày Hở Dung dịch Technecium 99mTc  140,5 6 giờ Hở Dung dịch Phosphorus 32P  1,711 15 ngày Hở Họ uranium 238U  4,18 4,51.109 năm Kín 234U  4,763 2,48.105 năm Kín 234Th  0,193; 0,103 24,10 ngày Kín 234Pa  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 0oC 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. 1/3 2 mR 0,56A mg / cm (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: k tE E 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: ldELET dl  (1.5) Trong đó ldE 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 : x 0I I e  (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 5 photon 7/2 Z E   khi lkE E (1.8) 5 photon Z E   khi lkE E (1.9) 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 : e (1 cos ) E E 1 (1 cos )        (1.10) 1 E E 1 (1 cos )      (1.11) Trong đó 2 e E m c   và 31em 9,110  kg là khối lượng electron. Góc bay  sau tán xạ liên hệ với góc  như sau : 1 tg( ) ctg E 21 E       (1.12) 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 compt Z E   (1.13)  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 mec 2 < E < 50 mec 2 2 pair Z 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/cm3 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 Hình 2.2: Nguồn chuẩn 238 234 234 234U, U, Th, Pa Trong đó 238 234U, U phát alpha với hoạt độ là 30,7 Bq. Ngày sản xuất: 25/12/2007 234 234Th, 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 A   (2.1) Trong đó n : tốc độ đếm trung bình A là hoạt độ của nguồn phóng xạ Sai số của tốc độ đếm 1/2 S B S B n n S(n) 1,96 t t        (2.2) Trong đó Sn là tốc độ đếm thực của mẫu 1,96 là độ tin cậy là 95%. Bn là tốc độ đếm phông St là tổng thời gian đo mẫu Bt là tổng thời gian đo S Bn n n  (2.3) Số đếm phông của alpha không lên nên Bn = 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 A      (2.4) Các bước tiến hành Bước 1: Sấy máy trong vòng 30 phút. Bước 2: Tiến hành đo phông 1000 giây cho 1 phép đo. Bước 3: Đặt nguồn 238 234 234 234U, U, Th, 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 S n A   (2.5) Tốc độ đếm trung bình k i i 1 k i i 1 N 1 n k t      (2.6) Sai số tuyệt đối của hoạt độ là: 0 S(n) S(A) A    (2.7) Sai số tương đối của hoạt độ S(A) (A) A   (2.8) Các bước tiến hành Bước 1: Đặt nguồn chuẩn 238 234 234 234U, U, Th, 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 << 1 và n lớn. Trong đó p là xác suất xảy ra tức là xác suất để hạt nhân phóng xạ phát ra từ nguồn và được ghi nhận bằng detector còn n là số hạt nhân phóng xạ phát ra từ nguồn. Trong đo lường phóng xạ, sự phân rã hạt nhân tuân theo quy luật thống kê Poisson. n nn .e P(n) n!   (2.9) Số đếm trung bình trong k lần đo k i i 1 n n k   (2.10) 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. in n i i n .e P(n ) n !   (2.11) Các bước tiến hành Bước 1: Mở hệ đo lên và sấy máy khoảng 30 phút. Bước 2: Đặt nguồn chuẩn 238 234 234 234U, U, Th, 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 ni trong 1 lần đo tuân theo phân bố Gauss.  2in n 2n i 1 P(n ) e 2 n     (2.12) 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: 1 2 S B B N N S T T   (2.13) Trong đó N1 là số đếm tổng nguồn và phông, N2 là số đếm phông Theo định luật truyền sai số ta có: 1 2 2 2 N N S S B BT T                (2.14) 1 2 S 2 2 S B B N N T T    (2.15) S S B B S B B T T     (2.16) Để xác định điều kiện cực tiểu của S , bình phương và lấy vi phân phương trình (2.16), ta được: S S S B B2 2 S B B S B B 2 d dT dT T T         (2.17) Với một khoảng thời gian không đổi, T = TS+B+TB = const, thì dTS+B+dTB = 0. Đặt Sd 0  , ta thu được điều kiện tối ưu cho tỉ lệ thời gian đo như sau: S B B T S B T B   (2.18) Đặt S S    là độ lệch chuẩn tỷ đối của tốc độ đếm thực từ nguồn. Chuyển TS+B và TB về thời gian tổng T, ta được hệ thức giữa T và  2 2 2 1 S T ( S B B)     (2.19) 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 Dùng công thức (2.19) xác định tỷ số S B B T T  tối ưu, suy ra TS+B và TB sao cho TS+B+TB= 60 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. Công tắc chọn chức năng (Ratemeter Function Selector): có 3 vị trí được cài đặt sẵn RATE, HV, BAT. Chức năng của công tắc này (RATE) là cho phép điều khiển tốc độ đếm của đồng hồ, HV cài đặt điện thế và BAT kiểm tra tình trạng làm việc của pin trên đồng hồ. Ngưỡng (THRESHOLD): Là một nút được chia ra làm 10 vạch nhỏ với 10 vòng dùng đề lựa chọn xung phù hợp với thang đo. Thiết bị điều khiển này thì có giá trị tăng từ thế từ 1.00 đến 10.00. Nếu dưới 1.00 thì sẽ bị ảnh hưởng của tiếng ồn hay nhiễu do đó sẽ không ghi nhận được xung một cách chính xác. Cửa sổ (WINDOW): là một nút gồm có 10 vạch giống như Threshold được sử dụng để điều chỉnh độ rộng cửa sổ. Nó được điều chỉnh ngưỡng sao cho một vòng quay của việc điều chỉnh cửa sổ tương đương với một vòng quay điều chỉnh ngưỡng. Tắt mở (ON-OFF): là công tắc bằng nút, mở hoặc đóng cửa sổ. Đầu nối vào detector (Detector input connection): đầu nối đồng trục nối tiếp “C”. Nó là đầu điều chỉnh không có chỉ số chỉ thị, cho phép chọn điểm làm việc mà không vượt ra khỏi mạch tuyến tính của mạch Threshold/ Window. Công tắc nguồn ( Power Switch) :công tắc có 3 vị trí: OFF: tắt nguồn. LINE: cung cấp điện cho nguồn từ 85- 265 V và tần số từ 50-60 Hz. BAT: cáp nguồn từ 4 pn loại “D”. DISCR: có 1 với đồng hồ điện thế để thiết lập phạm vi ngưỡng cho điện thế. Công tắc chọn khoảng (RANGE Selector Switch): có 4 vị trí công tắc sắp xếp theo hệ số nhân của 10 là X1, X10, X100, X1K ứng với thang đo của số đếm từ 0-500 counts-per-minute(cpm), 0- 5000, 0-50000, 0-500,000 cpm. Công tắc ZERO (ZERO Switch): khi ấn vào nút công tắc thì tụ điện tích hợp phóng điện để đưa đồng hồ đo về mức 0. Nút Fast- Slow (F-S Response): công tắc với 2 vị trí chỉ thị để điều chỉnh ở mức độ nhanh ở vị trí “F” đồng hồ sẽ chỉ từ 0 đến 90% toàn bộ thang đo trong 4 giây, còn ở vị trí “S” đồng hồ thang đo sẽ chỉ từ 0 đến 90% toàn bộ thang đo trong 22 giây. HV (Cao thế): nút chỉnh gồm có 10 vòng được chia làm 10 vạch điều chỉnh cao thế từ 200 V đến 2500 V. Việc tiến hành đo của detector và thiết bị được quyết định bởi cao thế HV và ngưỡng cài đặt THRESHOLD, ta phải điều chỉnh ngưỡng đo sao cho thích hợp để sự ảnh hưởng có phông tự nhiên và tiếng ồn là nhỏ nhất. 2.2.1.2. Đặc trưng kỹ thuật - Nguồn nuôi: 85-265V sử dụng dòng điện xoay chiều, tần số 50-60 Hz. - Pin: 4 pin với thời gian làm việc là 120 giờ được đặt trong thiết bị. - Độ nhạy của thiết bị: độ nhạy điện thế cho các detector . - Cao thế: điều chỉnh bằng núm xoay 10 vòng từ 200V đến 2500 V. - Bộ tốc độ đo: máy đếm với 4 tốc độ đếm là: 0-500 cpm, 0-5000 cpm, 0-50000 cpm, 0-500000 cpm (cpm: số đếm trên phút). - Thời gian đếm là từ 0 đến 999 với các thang nhân X0.1 và X1. - Độ chính xác thời gian: được quyết định bằng tinh thể với độ chính xác là  0.2 % số đếm đọc trên núm điều chỉnh. - Đồng hồ đo: 1mA, thang dài 2.5 inch với cơ chế DC tự động. - Độ chính xác của tốc độ đếm:  10% giá trị tham chiếu. - Điều kiện môi trường làm việc: chỉ được để trong phòng thí nghiệm, với nhiệt độ cho phép từ 20oC50oC, độ ẩm tương đối nhỏ hơn 95%. Cách vận hành - Nguồn nuôi: Có thể sử dụng nguồn nuôi bằng cách sử dụng lưới điện hoặc dùng pin bằng công tắc nguồn. - Vận hành bằng nguồn điện lưới (LINE OPERATION): nối thiết bị với nguồn lưới 85-265 V, 50-60Hz, bật công tắc về LINE - Vận hành bằng nguồn pin: các ổ pin nằm ở mặt sau của thiết bị. Đặt 4 pin loại “D” vào với cực dương hướng ra ngoài. Bật công tắc về BAT, kiểm tra tình trạng pin bằng cách chọn BAT trên đồng hồ RATE-HV-BAT. - Kiểm tra hoạt động của thiết bị bằng cách ấn vào nút COUNT lúc này đèn đếm sẽ phát sáng, máy bắt đầu đếm. Cách sử dụng phần mềm - Bật về OFF cả máy tính và thiết bị Model 2200. - Nối một đầu cáp RS232 vào Model 2200 và đầu kia của cổng chưa sử dụng để sau máy tính (cổng chưa sử dụng này có thể ký hiệu là COM1, COM2, COM3, COM4). Cài đặt phần mềm - Đưa đĩa phần mềm LMFM2200 vào ổ đĩa nhấn double click lên file “setup.exe” trên đĩa để tiến hành cài đặt. - Trước khi bắt đầu khởi động máy thì đảm bảo rằng Model 2200 nằm trong mode “PC” và thời gian đếm được đặt tại “000” Chức năng của các nút chỉnh Hình 2.4: Phần mềm Model 2200 - Start/Stop Count: nhấn vào nút này để bắt đầu đếm, nhấn vào nó một lần nữa sẽ dừng đếm Model 2200 tự động hiển thị số đếm trên màn hình khi thời gian đếm mà ta cài đặt chấm dứt. - Read Count: nhấn vào nút này để đọc số đếm hiện tại khi đó sẽ lập tức hiển thị trên màn hình Model 2200. - Set Count Time: nhấn vào nút này để đặt thời gian đếm. Thời gian đếm chắc chắn được đặt ở “000”. - Read Count Time Left: nhấn vào nút này để đọc thời gian còn lại trong quá trình đếm. Nếu số đếm không hiện lên thì nó sẽ trả về “0”. - Start Logging: nhấn vào nút này để bắt đầu lấy ra một dãy số đếm thời gian. Số lượng của các số đếm được lấy có thể được điều chỉnh như 10 số đếm, 100 số đếm, 200 số đếm hoặc một giá trị khác được mặc định. - Sau khi logging đã dừng, dữ liệu được lưu trữ dưới dạng file Excel có đuôi là “csv”. - Log 1 Count: chỉ cho phép xuất hiện một số đếm. - Comment 1/ Comment 2: có thể được dùng để lưu trữ những chú thích. Bảo quản thiết bị - Để thiết bị hoạt động ổn định và có hiệu suất cao ta cần phải đảm bảo tất cả các phép đặt và điều chỉnh đúng. - Model 2200 có thể lau chùi bằng vải ẩm, không nhúng thiết bị vào bất cứ chất lỏng nào. Lưu ý bật công tắc thiết bị về OFF và tháo dây nguồn ra. - Sấy máy từ 1-2 phút trước khi bắt đầu đo. 2.2.2. Đầu dò nhấp nháy MODEL 44-10 2.2.2.1. Giới thiệu Model 44-10 đầu dò NaI nhấp nháy sử dụng cho việc đo bức xạ gamma có năng lượng trong khoảng 60 keV - 2 MeV. Đầu dò bao gồm: tinh thể NaI đường kính 2” (5,1cm) bề dày 2” (5,1cm) được nối với ống nhân quang điện và được bao bọc bằng một lớp nhôm mỏng 0,062” Hình 2.5: Đầu dò nhấp nháy Model 44-10 Đầu dò Model 44-10 dùng để xác định độ nhạy, phân tích phổ năng lượng được sử dụng cho máy đếm đơn kênh. 2.2.2.2. Đặc trưng kỹ thuật - Chất nhấp nháy: tinh thể NaI. - Độ nhạy : 900 cpm ( đối với nguồn 137Cs ). - Dụng cụ tương thích với mọi thiết bị. - Dây điện trở Dynode: 60  M . - Điện thế hoạt động : 500-1200 Volt. - Kết nối cổng “C”. - Nhiệt độ là từ 20oC-50oC. - Kích thước: đường kính 2,6’’ (6,6 cm) chiều dài là 11’’ (27,94 cm). - Thiết bị nặng: 1,04 kg. Cách vận hành - Kết nối đầu dò với máy đếm bằng cáp. - Kiểm tra detector. - Bảo đảm cao thế (HV) phù hợp với detector . - Sau khi kiểm tra an toàn thì có thể tiến hành đo. Cách bảo quản máy  Về mặt an toàn - Đặt nơi khô ráo, không đặt nơi quá cao. - Nhiệt độ trong khoảng 20oC đến 50oC. - Độ ẩm tương đối không quá 95%.  Vệ sinh máy - Dùng vải thấm ướt bằng nước để lau detector. Khi lau chùi cần chú ý: - Tắt máy - Cho máy nghỉ 2 phút. - Tháo cáp và lau detector. 2.2.3. Nguồn chuẩn Hình 2.6: Hộp đựng nguồn chuẩn RSS-8 Bộ nguồn chuẩn RSS-8 gồm có 8 nguồn đồng vị phát gamma với năng lượng 32 keV đến 1332 keV. Bảng 2.1: Một số nguồn chuẩn trong phòng thí nghiệm Nguồn Hoạt độ 1/2T Tia Năng lượng (MeV) 133Ba 1 Ci 10,8 năm  0,081; 0,276; 0,303; 0,365; 0,384 109Cd 1 Ci 463 ngày  0,022; 0,025; 0,088 57Co 1 Ci 272 ngày  0,122; 0,136 60Co 1 Ci 5,27 năm  , 1,173; 1,332 137Cs 1 Ci 30,2 năm  , 0,662 54Mn 1 Ci 313 ngày  , 0,835 22Na 1 Ci 2,6 năm  0,511; 1,275 65Zn 1 Ci  244 ngày  1,115 Hình 2.7: Nguồn chuẩn RSS-8 2.2.4. Bố trí thí nghiệm 2.2.4.1. Khảo sát vùng plateau Cao thế làm việc của detector là điện thế tại đó detector hoạt động hiệu quả nhất. Đường đặc trưng biễu diễn sự phụ thuộc của tốc độ đếm vào điện thế cung cấp cho detector. Đoạn plateau càng dài và độ dốc càng nhỏ thì detector làm việc ổn định nhất. Các bước tiến hành - Đặt cửa sổ ON-OFF tại OFF. - Cài đặt thời gian tại nút công tắc “X0.1” và Thời gian đo (MINUTES) ở công tắc “001”. - Đặt ngưỡng (Threshold) tại 1.0. - Cửa sổ (Window) đóng. - Lên cao thế ở 130V và ghi số đếm lấy khoảng 3 lần số đếm. Mỗi lần tăng cao thế khoảng 10V. - Vẽ đồ thị sự phụ thuộc số đếm vào cao thế. 2.2.4.2. Khảo sát sự suy giảm số đếm theo quy luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. 0 2 I I d  (2.20) Hoạt độ phóng xạ và suất liều của một nguồn phóng xạ thì tỷ lệ theo khoảng cách. Trong thí nghiệm này sẽ tìm ra quy luật suy giảm tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Hình 2.8: Sự suy giảm chùm tia gamma theo bình phương khoảng cách Lấy log 2 vế ta được: 20I I d  0log I log I 2 logd  (2.21) Đặt 0 0y log I, y log I , x logd   Phương trình có dạng : 0y y 2x  (2.22) d I Hình 2.9: Đồ thị dạng log của sự suy giảm chùm tia gamma theo bình phương khoảng cách Dạng tổng quát của phương trình là : y b ax  (2.23) Xác định hệ số a và b b y ax  (2.24) y : tính trung bình của log I x : tính trung bình của logd Hệ số a tính theo công thức sau :      2 x x y y a x x       (2.25) Các bước tiến hành - Đặt cửa sổ ON-OFF tại OFF. - Cài đặt thời gian tại nút công tắc “X0.1” và Thời gian đo (MINUTES) ở công tắc “001”. - Lên cao thế ở 400V. - Đặt ngưỡng (Threshold) tại 1.0. - Cửa sổ (Window) đóng. - Sử dụng nguồn 137Cs . Hình 2.10: Nguồn chuẩn 137Cs - Đặt nguồn trong 137Cs trong hộp chì đựng nguồn. log d log I Hinh 2.11: Chì dùng đựng nguồn - Đặt nguồn trước detector và di chuyển theo khoảng cách. Hình 2-12 Bố trí thí nghiệm cho sự suy giảm số đếm tỷ lện nghịch bình phương khoảng cách - Sau đó lập bảng như sau: d (cm) Số đếm y = logI x = logd x x y y   x x y y    2 x x y = x =   2.2.4.3. Xác định hệ số suy giảm tuyến tính và suy giảm khối, bề dày một nửa HVT trong nhôm, chì, đồng, nhựa, giấy. Quy luật suy giảm của tia gamma khi đi qua vật liệu x 0I I e  (2.26) Ta có thể sử dụng mật độ bề mặt d (g/cm2) với d x  Thay vào phương trình (2.27) d/ 0I I e   (2.27) Trong đó tỷ số   được gọi là hệ số suy giảm khối và được ký hiệu: m (cm 2/g). Ta có : x0I I e  Vì đại lượng I tỷ lệ với số đếm N nên: x 0N N e  (2.28) Lấy ln 2 vế : 0 N ln x N   (2.29) Do đó 0 N ln N phụ thuộc tuyến tính vào x Phương trình có dạng y = ax+b x là bề dày a là hệ số giảm tuyến tính 2 (x x)(y y) a (x x)       (2.30) Xác định bề dày một nửa 1/2x Bề dày giảm một nửa 1/2x là bề dày vật chất mà chùm tia đi qua bị suy giảm cường độ 2 lần, nghĩa là còn một nửa cường độ ban đầu. Bề dày 1/2x liên hệ với hệ số suy giảm tuyến tính  như sau : 1/2 0,693 x   (2.31) Hình 2.13: Sự suy giảm cường độ chùm tia gamma theo bề dày 1/2x Các bước tiến hành - Đặt cửa sổ ON - OFF tại OFF. - Cài đặt thời gian tại nút công tắc “X0.1” và khi đó thời gian đo (MINUTES) ở công tắc “001”. - Lên cao thế ở 400V - Đặt ngưỡng (Threshold) tại 1.0 - Cửa sổ (Window) đóng. - Sử dụng nguồn 137Cs . + Đối với nhôm Chuẩn bị 12 tấm, bề dày mỗi miếng : 1mm Hình 2.14: Các miếng nhôm Hình 2.15: Bố trí thí nghiệm với các miếng nhôm Bề dày N BI N N  y = ln(I/I0) x x y y (x x)(y y)  2(x x) x y N là số đếm nguồn NB là số đếm phông + Đối với nhựa Chuẩn bị 20 tấm, bề dày mỗi tấm 1 mm Hình 2.16: Các miếng nhựa Hình 2.17: Bố trí thí nghiệm với các miếng nhựa + Đối với chì Chuẩn bị 15 miếng chì, bề dày mỗi miếng : 1mm Hình 2.18: Các tấm chì Hình 2.19: Bố trí thí nghiệm với các miếng chì + Đối với Giấy Chuẩn bị 210 tờ giấy Hình 2.20: Các tấm giấy Hình 2.21: Bố trí thí nghiệm với giấy + Đối với Đồng Chuẩn bị 14 tấm đồng, bề dày mỗi tấm 1,2 mm Hình 2.22: Các miếng đồng Hình 2.23: Bố trí thí nghiệm đối với đồng 2.3. Máy đo Gamm-Ray 8K 2.3.1. Giới thiệu Phổ kế gamma 8K là máy dùng cho việc phân tích phổ gamma. Bao gồm: chất nhấp nháy, ống nhân quang điện, bộ xử lý xung, phầm mềm để điều khiển, kết nối thông tin với máy tính Hình 2.24: Phổ kế MCA 8K 2.3.1.1. Đặc trưng kỹ thuật - Detector nhấp nháy NaI hình trụ với kích thước là 76x76 mm nối liền với tiền khuếch đại. - Bộ biến đổi xung thành số với khối khuếch đại và máy phân tích biên độ đa kênh. - Thiết bị làm việc với mọi điện thế cung cấp - Có phần mềm chuyên dụng cài đặt sẵn trong máy tính. - Kết nối giữa máy Gamma – Ray với máy tính qua cổng USB. Có thể kết nối với Internet để truy cập thông tin cần thiết cho máy. Các tiêu chuẩn của máy - Mức năng lượng máy đo được : 10 đến 3000 keV. - Độ phân giải < 7 % FWHM với đỉnh năng lượng 662 keV < 5% FWHM với đỉnh năng lượng 1,33 MeV. - Tốc độ đếm là 200,00 cps (số đếm trên giây). - Công suất là 750 mW. - Cao thế là 556 V có thể lên cao thế khoảng 1000V. - 113 Sintillation Preamplifier: cài đặt điện dung đầu vào khoảng 200 pF thì xung đầu ra sẽ rõ ràng. - 575A Amplifier: thời gian hình thành xung là 0,5 s . Mạch khuếch đại sẽ được điều chỉnh trong suốt quá trình thí nghiệm. - MCA: máy phân tích biên độ đa kênh 2.3.1.2. Cách vận hành - Khởi động máy tính cùng phần mềm ADMCA. - Đặt nguồn cần đo trước đầu dò detector. - Điều chỉnh thời gian đếm thích hợp. - Nhấn Start cho máy bắt đầu đếm. - Khi máy ngừng đếm tiến hành lưu phổ vào phần cứng của máy. 2.3.1.3. Bức xạ gamma Bức xạ gamma là bức xạ điện từ, có khả năng xuyên sâu rất lớn. Bức xạ gamma phát ra năng lượng xác định và năng lượng rất lớn có thể tới 8-10 MeV. Khi đi qua vật chất bức xạ gamma bị mất năng lượng do các quá trình: quang điện, Compton và sự tạo cặp. Bức xạ gamma là bức xạ mạnh và có khả năng xuyên sâu lớn nên có thể gây nguy hiểm đáng kể ở những khoảng cách khá xa nguồn. Các tia tán xạ gamma cũng gây nguy hiểm do đó phải che chắn theo mọi hướng, vì nó gây tổn thương lên các mô lành của cơ thể dẫn đến tổn hại đến cơ thể. 2.3.1.4. Dạng phổ bức xạ gamma Hình 2.25: Dạng phổ gamma đa kênh đo bằng phổ kế nhấp nháy Đỉnh 1 có dạng phân bố Gauss gọi là đỉnh hấp thụ toàn phần, xuất hiện khi bức xạ gamma hấp thụ toàn bộ năng lượng trong tinh thể. Vùng 2 là nền Compton liên tục ứng với các xung điện lối vào khối phân tích có biên độ tỷ lệ với năng lượng bị hấp thụ và nằm trong khoảng. E 0 E 1 2E (1 cos )         (2.32) E  : năng lượng ban đầu của tia gamma E  : là năng lượng gamma sau khi tán xạ Năng lượng hao phí là: eE E E   (2.33) Trong đó  là góc tán xạ Đỉnh 3 là đỉnh tán xạ ngược bị hấp thụ hoàn toàn trong tinh thể. Biên độ xung lối vào khối phân tích tỉ lệ với năng lượng gamma tán xạ ngược. Vùng 4 là giới hạn của nền Compton liên tục. Do tán xạ nhiều lần trong tinh thể nên có những bức xạ gamma tán xạ trong tinh thể lại tiếp tục tương tác với tinh thể. Kết quả là hao phí năng lượng toàn bộ của bức xạ gamma lớn hơn eE . Vì vậy giới hạn của nền Compton không nhọn như Vùng 2. Phần 5 là phần lõm xuống khá sâu so với nền Compton liên tục. Khi bức xạ gamma tán xạ nhiều lần, gamma cuối cùng bay ra khỏi tinh thể. Vùng 5 tương ứng với các xung lối vào khối phân tích tương ứng với năng lượng hao phí nằm trong khoảng 1E đến E  . Xác suất bức xạ gamma có năng lượng nhỏ bay ra khỏi tinh thể là rất nhỏ do đó mà vùng 5 lõm xuống so với vùng 2. Trong trường hợp ghi nhận bức xạ gamma có năng lượng lớn hơn 1,02 MeV trên phổ còn có xuất hiện đỉnh thoát đơn và đỉnh thoát đôi. Positron được tạo ra trong quá trình tạo cặp, sau đó kết hợp với electron trong tinh thể tạo thành 2 bức xạ gamma có năng lượng là 0,511MeV. 2.3.2. Bố trí thí nghiệm 2.3.2.1. Đường chuẩn năng lượng Đường cong mô tả sự phụ thuộc năng lượng bức xạ gamma đã biết vào số kênh của đỉnh hấp thụ toàn phần tương ứng gọi là đường chuẩn năng lượng và thường có dạng đường thẳng. Dựa vào đường chuẩn năng lượng có thể xác định được năng lượng của các tia gamma khác mà vị trí đỉnh hấp thụ toàn phần đã xác định. Thông thường thì đường chuẩn năng lượng được xây dựng trước. Đường chuẩn năng lượng dạng đường thẳng y = ax + b (2.34) Trong đó y E và x = K Với k ix K và k iy E Xác định hệ số a và b bằng phương pháp làm khớp bình phương tối thiểu : N N k k k k k 1 k 1 2N N 2 k k k 1 k 1 N x y x y a N x x                  (2.35) N N N N 2 k k k k k k 1 k 1 k 1 k 1 2N N 2 k k k 1 k 1 x y x x y b N x x                      (2.36) Nguồn sử dụng 60 137Co, Cs Hình 2.26: Nguồn phóng xạ 60Co Hình 2.27: Nguồn phóng xạ 137Cs Các bước tiến hành - Đặt nguồn 60Co là nguồn kín với năng lượng gamma là : 2 đỉnh năng lượng là 1173 và 1332 keV cách 2 cm so với tinh thể NaI (Tl). Hình 2.28: Đặt nguồn 60Co trước detector để chuẩn bị đo - Mở phần mềm ADMCA nhấp vào nút Cancel để tiến hành cài đặt trước khi đo. - Sau đó nhấp vào biểu tượng Hình 2.29: Bảng sử dụng phần mềm - Chọn thẻ MCA Hình 2.30: Thẻ MCA - Trong thẻ MCA: chọn số kênh, thời gian đo, kênh bắt đầu đếm. - Thẻ Shaping: chọn ngưỡng, thời gian đếm xung. - Thẻ Gain và Pole Zero: Khếch đại (Gain) - Coarse: có tác dụng dời phổ để cho tiện việc quan sát phổ và xử lý - Fine: độ sắt nét của phổ. - Thẻ Mics: Tín hiệu đầu ra (Analog out) chọn dạng xung (Shape pulse) - Điện thế đầu ra:101 mV. Hình 2.31: Bố trí thí nghiệm Hình 2.32: Phổ năng lượng của 60Co - Tiến hành đo phổ năng lượng của nguồn 137Cs Hình 2.33: Phổ năng lượng 137Cs Đỉnh năng lượng Năng lượng (MeV) Số kênh Đỉnh cao nhất 1,33 Đỉnh cao nhất 1,17 Đỉnh cao nhất 0,662 2.3.2.2. Độ phân giải năng lượng Độ phân giải năng lượng là khả năng phân biệt được 2 đỉnh năng lượng khá gần nhau. Đối với detector nhấp nháy thì độ phân giải năng lượng được tính như sau : E R 100% E   (2.37) Trong đó R là độ phân giải năng lượng theo % E : bề rộng một nửa chiều cao của đỉnh năng lượng (FWHM) và đo theo số kênh. E: là số kênh ứng với năng lượng đỉnh cao nhất. Nguồn E E R 137Cs (662 keV) 60Co (1173 keV) 60Co (1332 keV) 2.3.2.3. Xác định năng lượng của nguồn gamma chưa biết Sử dụng đường chuẩn năng lượng để xác định năng lượng của nguồn phóng xạ 22Na Hình 2.34: Nguồn phóng xạ 22 Na 2.3.2.4. Xác định đường cong hiệu suất ghi theo khoảng cách. N (%) TA    (2.38) 1/20,693t /T 0A A e  là hoạt độ nguồn chuẩn tại thời điểm đo 0A là hoạt độ nguồn chuẩn tại thời điểm sản xuất t là thời gian từ lúc sản xuất nguồn đến thời điểm đo T1/2 chu kỳ bán rã của nguồn chuẩn  là hiệu suất phát tia gamma ở năng lượng tương ứng T là thời gian đo. Các bước tiến hành - Đặt nguồn 137Cs cách 1 cm so với tinh thể NaI. - Sau đó ghi lại số đếm tổng và số đếm thực - Di chuyển nguồn tăng thêm 2 cm đo số đếm. - Sử dụng phần mềm Ecxel để xử lý. CHƯƠNG 3. BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 3.1. Đo hoạt độ nguồn phát alpha Ngày đo: 12/4/2010 Nguồn: 238 234U, U Hoạt độ: 30,7 Bq Sai số của hoạt độ ( ): 7% Thời gian đo: 300 giây 3.1.1. Xác định hiệu suất ghi của detector Lần Số đếm 1 2879 2 2954 3 3051 4 2927 5 3024 Tốc độ đếm trung bình k i i 1 k i i 1 N 1 n k t      Thời gian mỗi lần đo: 300 giây Thời gian đo phông là 1000 giây cho 1 lần đo, với k = 5. n = 9,890. Hiệu suất ghi của detector n 9,890 0,322 A 30,7     Vậy hiệu suất 32%  Tốc độ đếm thực: S Bn n n  Do số đếm phông của alpha rất nhỏ nên Bn = 0 Sai số của tốc độ đếm: 1/ 2 S B S B n n S(n) 1,96 t t        S(n) = 0,159 Sai số tuyệt đối hiệu suất ghi S(n) A A      0,028  Sai số tương đối của hiệu suất ghi 0 0,028 0,322      0,086 Kết quả: 0,322 0,028   3.1.2. Hoạt độ của nguồn phóng xạ phát alpha STT Số đếm 1 2983 2 2861 3 3008 4 2969 5 2996 6 2914 7 3070 8 2942 9 2970 10 3014 11 2935 12 2998 13 2994 14 3006 15 3043 16 2985 17 3114 18 2973 19 2988 20 2880 21 3003 22 2946 23 2986 24 2974 25 3092 Tốc độ đếm k i i 1 k i i 1 N 1 n k t      Thời gian mỗi lần đo: 300 giây k = 25 n = 9,953 Sai số của tốc độ đếm: 1/ 2 S B S B n n S(n) 1,96 t t        S(n) = 0,0714 Hoạt độ của mẫu là: S n A   A = 30,908 Bq Với 0,322  Sai số tuyệt đối của hoạt độ là: 0 S(n) S(A) A    S(A) = 2,880 Bq Sai số tương đối của hoạt độ S(A) (A) A   (A)  0,093 Vậy: A 30,908 2,880 Bq  3.2. Khảo sát số đếm theo phân bố Possion và Gauss 3.2.1. Khảo sát số đếm theo phân bố Possion Nguồn: 234 234Th, Pa Hoạt độ: 44,1 Bq Sai số của hoạt độ ( ): 7% Thời gian đo: 2 giây STT Số đếm STT Số đếm STT Số đếm 1 12 18 11 35 16 2 22 19 14 36 11 3 20 20 12 37 19 4 16 21 15 38 14 5 18 22 20 39 11 6 13 23 16 40 14 7 16 24 22 41 18 8 7 25 9 42 14 9 23 26 18 43 14 10 19 27 20 44 19 11 26 28 11 45 15 12 12 29 18 46 9 13 12 30 18 47 23 14 15 31 12 48 19 15 18 32 20 49 17 16 11 33 16 50 12 17 19 34 19 Số đếm Tần số Phân bố xác suất thực nghiệm 7 1 0,0056 9 2 0,0201 11 5 0,0476 12 6 0,0639 13 1 0,0793 14 5 0,0914 15 3 0,0983 16 5 0,0992 17 1 0,0941 18 6 0,0843 19 6 0,0716 20 4 0,0578 22 2 0,0325 23 2 0,0228 26 1 0,0061 Số đếm trung bình: 16,13 Số đếm trung bình trong k lần đo k i i 1 n n 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. in n i i n .e P(n ) n !   HÀM PHÂN BỐ POSSION 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0 5 10 15 20 25 30 Số đếm P h â n b ố x á c su ấ t 3.2.2. Khảo sát phân bố số đếm theo Gauss Khi đo với thời gian tăng và số lần đo tăng thì ta sẽ có phân bố Gauss Thời gian đo tăng lên 30 giây đo 200 lần Hàm phân bố Gauss có dạng :  2in n 2n i 1 P(n ) e 2 n     STT Số đếm STT Số đếm STT Số đếm STT Số đếm 1 219 27 243 53 202 79 228 2 228 28 238 54 238 80 233 3 254 29 229 55 195 81 220 4 252 30 212 56 240 82 228 5 247 31 234 57 225 83 222 6 240 32 246 58 231 84 235 7 227 33 222 59 231 85 224 8 229 34 227 60 223 86 231 9 242 35 223 61 225 87 215 10 250 36 245 62 243 88 227 11 226 37 250 63 202 89 211 12 206 38 228 64 234 90 220 13 255 39 226 65 228 91 250 14 219 40 246 66 234 92 246 15 250 41 234 67 268 93 238 16 243 42 220 68 206 94 200 17 231 43 220 69 198 95 233 18 234 44 245 70 243 96 233 19 235 45 219 71 243 97 248 20 229 46 211 72 227 98 254 21 230 47 220 73 245 99 241 22 219 48 228 74 229 100 255 23 245 49 221 75 210 101 230 24 238 50 255 76 249 102 226 25 253 51 199 77 254 103 210 26 254 52 207 78 241 104 222 STT Số đếm STT Số đếm STT Số đếm STT Số đếm 105 220 129 230 153 231 177 234 106 249 130 230 154 242 178 240 107 231 131 226 155 234 179 245 108 213 132 213 156 230 180 232 109 212 133 234 157 270 181 232 110 230 134 266 158 223 182 260 111 239 135 215 159 230 183 196 112 219 136 253 160 270 184 255 113 255 137 213 161 223 185 249 114 230 138 225 162 230 186 202 115 222 139 257 163 240 187 202 116 235 140 221 164 219 188 218 117 249 141 209 165 226 189 234 118 234 142 244 166 236 190 237 119 223 143 242 167 229 191 249 120 226 144 233 168 230 192 218 121 205 145 215 169 209 193 234 122 267 146 234 170 250 194 225 123 245 147 238 171 207 195 210 124 217 148 252 172 277 196 240 125 219 149 218 173 226 197 217 126 249 150 225 174 229 198 253 127 244 151 221 175 229 199 228 128 240 152 214 176 222 200 218 Số đếm Tần số Phân bố xác suất theo Gauss 195 1 0,00152 196 1 0,00177 198 1 0.00238 199 1 0,00275 200 1 0,00315 202 4 0,00410 205 1 0,00588 206 2 0,00657 207 2 0,00731 209 2 0,00895 210 3 0,00983 211 2 0,01076 212 2 0,01172 213 3 0,01271 214 1 0,01373 215 3 0,01476 217 2 0,01685 218 4 0,01789 219 7 0,01891 220 6 0,01990 221 3 0,02085 222 5 0,02175 223 5 0,02260 224 1 0,02337 225 5 0,02407 226 7 0,02469 227 4 0,02520 228 7 0,02562 229 7 0,02594 230 10 0,02614 231 6 0,02623 232 2 0,02621 233 4 0,02608 234 12 0,02583 235 3 0,02548 236 1 0,02502 237 1 0,02446 238 5 0,02382 239 1 0,02309 240 6 0,02229 241 2 0,02142 242 3 0,02050 243 5 0,01953 244 2 0,01853 245 6 0,01750 246 3 0,01646 247 1 0,01541 248 1 0,01437 249 6 0,01334 250 5 0,01233 252 2 0,01040 253 3 0,00949 254 4 0,00862 255 5 0,00780 257 1 0,00630 260 1 0,00443 266 1 0,00195 267 1 0,00167 268 1 0,00143 270 2 0,00103 277 1 0,00029 Số đếm trung bình: 231,31 Tối ưu hóa thời gian Thời gian đo phông: 30 giây HÀM PHÂN BỐ GAUSS 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0 50 100 150 200 250 300 Số đếm P h â n b ố x á c su ấ t 3.2.3. Tối ưu hóa thời gian Thời gian đo mẫu: 30 giây Lần Phông Số đếm 1 3 220 2 1 209 3 1 211 4 0 232 5 0 211 6 4 252 7 2 213 8 1 237 9 0 242 10 1 215 TB 1 224 Tốc độ đếm thật của riêng nguồn được xác định như sau: 1 2 S B B N N S T T   S = 7,43 Trong đó N1 là số đếm tổng nguồn và phông, N2 là số đếm phông Độ lệch chuẩn S S B B S B B T T     S 0,501  Độ lệch chuẩn tỉ đối S1 S    1 0,067  Điều kiện tối ưu cho tỉ lệ thời gian đo như sau: S B B T S B T B   S B B S B B T 13,123 T T T 60         S B B T 56s T 4s    Tiến hành đo với thời gian tối ưu STT Phông Số đếm Tốc độ đếm thực: 1 S B N S 7,71 T     Độ lệch chuẩn S S B B S B B T T     S 0,371  Độ lệch chuẩn tỉ đối 2 0,048  Độ giảm của độ lệch chuẩn tỷ đối: 1 2 1, 4    3.3. Khảo sát vùng Plateau và Sự suy giảm số đếm tỷ lệ nghịch bình phương khoảng cách 3.3.1. Khảo sát vùng Plateau Ngày đo : 6/4/2010 Thiết bị đo : LUDLUM MODEL 2200 SCALER RATEMETER Đo phông Thời gian đo: 264 giây Cao thế Số đếm trung bình 130 3 140 3 1 0 427 2 409 3 448 4 437 5 431 6 449 7 424 8 424 9 417 10 449 TB 0 432 150 4 160 4 170 5 180 8 190 13 200 40 210 59 220 93 230 133 240 186 250 258 260 329 270 461 280 577 290 751 300 921 310 1078 320 1181 330 1262 340 1274 350 1275 360 1283 370 1285 380 1286 390 1287 400 1289 410 1298 420 1309 430 1308 440 1315 450 1314 460 1323 470 1329 480 1374 490 1394 500 1406 510 1461 520 1537 530 1601 540 1825 550 2055 560 2360 SỰ PHỤ THUỘC SỐ ĐẾM VÀO CAO THẾ 0 500 1000 1500 2000 2500 0 100 200 300 400 500 600 Cao thế S ố đ ếm Nhận xét: Vùng plateau từ khoảng 330V đến 470V, trong vùng này thì khả ghi nhận của detector là tốt nhất. 3.3.2. Khảo sát sự suy giảm số đếm tỷ lệ nghịch bình phương khoảng cách. Ngày đo : 8/4/2010 Thiết bị đo : LUDLUM MODEL 2200 SCALER RATEMETER Nguồn 137Cs Hoạt độ 1 Ci Ngày sản xuất: 1/2008 Thời gian đo: 100 giây Cao thế: 400V Số đếm phông NB = 1274 d (cm) NS N 6 4169 2895 8 3301 2027 10 2688 1414 12 2330 1056 14 2062 788 16 1907 633 18 1806 532 20 1708 434 22 1653 379 28 1531 257 32 1404 130 36 1395 121 42 1365 91 50 1339 65 x = logd y = logN x - xtb y - ytb (x-xtb)(y -ytb) (x-xtb)^2 0,778 3,462 -0,496 0,821 -0,4075 0,2462 0,903 3,307 -0,371 0,667 -0,2474 0,1378 1,000 3,150 -0,274 0,510 -0,1399 0,0752 1,079 3,024 -0,195 0,383 -0,0748 0,0381 1,146 2,897 -0,128 0,256 -0,0328 0,0164 1,204 2,801 -0,070 0,161 -0,0113 0,0049 1,255 2,726 -0,019 0,086 -0,0016 0,0004 1,301 2,638 0,027 -0,003 -0,0001 0,0007 1,342 2,579 0,068 -0,062 -0,0042 0,0046 1,447 2,410 0,173 -0,230 -0,0397 0,0299 1,505 2,115 0,231 -0,525 -0,1213 0,0533 1,556 2,082 0,282 -0,559 -0,1576 0,0795 1,623 1,961 0,349 -0,680 -0,2372 0,1218 1,699 1,815 0,425 -0,825 -0,3505 0,1803 Tb =1,274 Tb =2,640 Tổng = -1,826 Tổng = 0,989 Hệ số a tính theo công thức sau :      2 x x y y a x x       a = -1,8459 b = 4,9926 SỰ PHỤ THUỘC SỐ ĐẾM THEO KHOẢNG CÁCH y = 98685x -1.8474 R 2 = 0.9875 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 10 20 30 40 50 60 Khoảng cách (cm) S ố đ ếm ĐỒ THỊ DẠNG y = ax+b y = -121.72x + 3553.4 R2 = 0.9876 0 1,000 2,000 3,000 4,000 0 5 10 15 log(y) lo g( d ) 3.3.3. Xác định hệ số suy giảm tuyến tính, khối và bề dày hấp thụ một nửa. + Đối với nhôm Nguồn 60Co Số đếm phông: 1082 Số đếm nguồn ở khoảng cách 7 cm: 4209 Bề dày (mm) NS N y 1 2145 1063 -1,0790 2 2109 1027 -1,1134 3 2082 1000 -1,1401 4 2062 980 -1,1603 5 1977 895 -1,2510 6 1948 866 -1,2839 7 1938 856 -1,2956 8 1925 843 -1,3109 9 1908 826 -1,3312 10 1857 775 -1,3950 11 1842 760 -1,4145 12 1826 744 -1,4358 13 1807 725 -1,4617 14 1767 685 -1,5184 15 1748 666 -1,5465 16 1734 652 -1,5678 17 1716 634 -1,5958 18 1700 618 -1,6213 Tb = 9,5 Tb = -15,4955 (x-xtb)(y-ytb) (x-xtb)^2 -15,4955 484,5 2 (x x)(y y) a (x x)       Hệ số suy giảm tuyến tính -1 1 0,03198 mm = 0,3198 cm   Khối lượng riêng của nhôm: 32,7 g/cm  Hệ số suy giảm khối: 2 m 0,1148 cm / g      Bề dày một nửa HVT 1/ 2 0,693 x 2,16 mm 0,3189   SỰ SUY GIẢM SỐ ĐẾM ĐỐI VỚI NHÔM y = 1085e-0.032x R2 = 0.9907 0 200 400 600 800 1000 1200 0 5 10 15 20 Bề dày (mm) S ố đ ếm + Đối với Chì Nguồn 60Co Số đếm phông: 1082 Số đếm nguồn ở khoảng cách 7 cm: 4209 Bề dày (mm) NS N y 1 2088 1006 -1,1341 2 2003 921 -1,2224 3 1887 805 -1,3570 4 1746 664 -1,5495 5 1746 664 -1,5495 6 1723 641 -1,5848 7 1605 523 -1,7882 8 1580 498 -1,8372 9 1523 441 -1,9588 10 1482 400 -2,0564 11 1429 347 -2,1985 12 1391 309 -2,3145 13 1361 279 -2,4166 14 1326 244 -2,5507 15 1291 209 -2,7055 Tb = 8 Tb = -1,8816 (x-xtb)(y-ytb) (x-xtb)^2 -30,3880 280 Hệ số suy giảm tuyến tính -1 1 0,1085 mm = 1,085 cm   Khối lượng riêng của chì: 311,35 g/cm  Hệ số suy giảm khối: 2 m 0,09546 cm / g      Bề dày một nửa: 1/ 2 0,693 x 6,39 mm 0,1085   SỰ SUY GIẢM SỐ ĐẾM ĐỐI VỚI CHÌ y = 1135.1e -0.1085x R 2 = 0.9919 0 200 400 600 800 1000 1200 0 5 10 15 20 Bề dày (mm) S ố đ ếm + Đối với Đồng Nguồn 60Co Số đếm phông: 1082 Số đếm nguồn ở khoảng cách 7 cm: 4209 Tấm Bề dày NS N y 1 1,2 2136 1054 -1,0875 2 2,4 2045 963 -1,1778 3 3,6 1991 909 -1,2355 4 4,8 1945 863 -1,2874 5 6,0 1864 782 -1,3860 6 7,2 1812 730 -1,4548 7 8,4 1767 685 -1,5184 8 9,6 1717 635 -1,5942 9 10,8 1660 578 -1,6883 10 12,0 1628 546 -1,7452 11 13,2 1597 515 -1,8037 12 14,4 1566 484 -1,8657 13 15,6 1528 446 -1,9475 14 16,8 1476 394 -2,0715 Tb = 9 Tb = -1,5617 (x-xtb)(y-ytb) (x-xtb)^2 -19,8705 327,6000 Hệ số suy giảm tuyến tính -1 1 0,0607 mm = 0,607 cm   Khối lượng riêng của đồng: 38,96 g/cm  Hệ số suy giảm khối: 2 m 0,06769 cm / g      Bề dày một nửa HVT: 1/ 2 0,693 x 11, 4 mm 0,0607   SỰ SUY GIẢM SỐ ĐẾM ĐỐI VỚI ĐỒNG y = 1132.4e -0.0728x R 2 = 0.9972 0 200 400 600 800 1000 1200 0 5 10 15 Bề dày (mm) S ố đ ếm + Đối với nhựa Nguồn 60Co Số đếm phông: 1082 Số đếm nguồn ở khoảng cách 10 cm: 4209 Bề dày NS N y 1 2151 1069 -1,0734 2 2133 1051 -1,0903 3 2079 997 -1,1431 4 2068 986 -1,1542 5 2056 974 -1,1664 6 2038 956 -1,1851 7 1997 915 -1,2289 8 1986 904 -1,2410 9 1977 895 -1,2510 10 1951 869 -1,2805 11 1933 851 -1,3014 12 1930 848 -1,3049 13 1922 840 -1,3144 14 1879 797 -1,3670 15 1868 786 -1,3809 16 1851 769 -1,4027 17 1843 761 -1,4132 18 1832 750 -1,4278 19 1791 709 -1,4840 20 1769 687 -1,5155 Tb = 10,5 Tb = -1,2863 (x-xtb)(y-ytb) (x-xtb) -14,3041 665,0000 Hệ số suy giảm tuyến tính: -1 1 0,0215 mm = 0, 215 cm   Đối với nhựa không xác định chính xác thành phần cấu tạo do đó không tính được khối lượng riêng của nhựa. Vì vậy chỉ tính hệ số suy giảm tuyến tính của nhựa. Bề dày một nửa HVT: 1/ 2 0,693 x 32 mm 0,0215   SỰ SUY GIẢM SỐ ĐẾM ĐỐI VỚI NHỰA y = 1082.9e-0.0215x R2 = 0.9891 0 200 400 600 800 1000 1200 0 5 10 15 20 25 Bề dày (mm) S ố đ ếm + Đối với Giấy Nguồn 60Co Số đếm phông: 1082 Số đếm nguồn ở khoảng cách 10 cm: 4209 Tờ giấy Bề dày (mm) NS N y 5 0.5 2187 1105 -1,0402 10 1 2143 1061 -1,0809 30 3 2139 1057 -1,0846 50 5 2122 1040 -1,1009 70 7 2043 961 -1,1799 90 9 2000 918 -1,2256 110 11 1984 902 -1,2432 130 13 1959 877 -1,2713 150 15 1913 831 -1,3252 170 17 1890 808 -1,3533 190 19 1885 803 -1,3595 210 21 1854 772 -1,3988 Tb = 10,12 Tb = -1.2219 (x-xtb)(y-ytb) (x-xtb)^2 -9.4738 541.0625 Hệ số suy giảm tuyến tính -1 1 0,0175 mm = 0,175 cm   Đối với giấy không xác định chính xác thành phần cấu tạo do đó không tính được khối lượng riêng của giấy. Vì vậy chỉ tính hệ số suy giảm tuyến tính của giấy. Bề dày một nửa HVT 1/ 2 0,693 x 39,6 mm 0,0175   SỰ SUY GIẢM SỐ ĐẾM ĐỐI VỚI GIẤY y = 1100.1e-0.0175x R2 = 0.9802 0 200 400 600 800 1000 1200 0 5 10 15 20 25 Bề dày (mm) S ố đ ếm Vật liệu Hệ số suy giảm tuyến tính (cm-1) Nhôm 0,3198 Chì 1,085 Đồng 0,607 Nhựa 0,215 Giấy 0,175 SỰ SUY GIẢM TUYẾN TÍNH SỐ SỐ ĐẾM ĐỐI VỚI CÁC VẬT LIỆU 0 200 400 600 800 1000 1200 0 5 10 15 20 25 Bề dày (mm) S ố đ ếm Nhôm Đồng Giấy Nhựa Chì Vật liệu Nist (cm2/g ) Thực nghiệm (cm2/g) Độ lệch giữa thực nghiệm với Nist (%) Nhôm 0,05496 0,11854 53,5% Chì 0,05876 0,09546 38,4% Đồng 0,05261 0,06769 22,2% Nhựa _ _ _ Giấy _ _ _ Nhận xét: Khi khảo sát sự suy giảm chùm tia gamma theo bề dày vật liệu: nhôm, đồng, chì, nhựa, giấy. Ta thấy hệ số giảm của vật liệu chì là lớn nhất, do đó chì sử dụng làm vật liệu che chắn tia gamma là tốt nhất. Khi so sánh hệ số suy giảm khối của vật liệu nhôm, đồng, chì với số liệu ở Nist thì độ lệch của vật liệu nhôm và chì là đáng kể. Do trong vật liệu chì, nhôm có lẫn nhiều tạp chất. Vì vậy trước khi tiến hành đo vật liệu chì và nhôm cần phải xác định chính xác hàm lượng của chì và nhôm. 3.4. Xây dựng đường chuẩn năng lượng 3.4.1. Xây dựng đường chuẩn năng lượng Nguồn phóng xạ: 60Co Hoạt độ: 1 Ci Nguồn phóng xạ: 137Cs Ngày sản xuất: 1/2008 Phổ năng lượng nguồn 137Cs Phổ năng lượng 60Co Chương trình xuất ra đường chuẩn năng lượng Nguồn phóng xạ Đỉnh năng lượng (MeV) Số kênh 137Cs 0,622 952 60Co 1173 1664 60Co 1332 1887 Đường chuẩn năng lượng đối với 2 nguồn 60 137Co, Cs Phương trình đường chuẩn năng lượng y = 0,71685x - 20,3249 3.4.2. Độ phân giải năng lượng E R 100% E   Trong đó R: là độ phân giải năng lượng theo % E : bề rộng một nửa chiều cao của đỉnh năng lượng (FWHM) và đo theo số kênh. E: là số kênh ứng với năng lượng đỉnh cao nhất. Nguồn E E R 137Cs (662 keV) 59 952 6,2% 60Co (1173 keV) 78 1664 4,7% 60Co (1332 keV) 84 1887 4,5% 3.4.3. Xác định năng lượng gamma của nguồn chưa biết Dựa vào phương trình đường chuẩn năng lượng y = 0,71685x-20,3249 Xác định năng lượng của nguồn 22Na có 2 đỉnh Đỉnh 1: 511,58 keV (kênh 742) Đỉnh 2:1275,74 keV (tại kênh 1808) Phổ của nguồn 22Na 3.5. Xác định đường cong hiệu suất theo khoảng cách N (%) TA    Nguồn 137Cs Hoạt độ: 1 Ci T1/2: 30,07 năm Thời gian đo: 600 giây Ngày sản xuất: tháng 1 năm 2008 Hiệu suất phát gamma  : 84,6%  1/ 20,693t /T 0A A e   A 0,950 Ci  t : thời gian từ ngày sản xuất đến lúc đo là 2,293 năm STT d (cm) Số đếm tổng Số đếm thực Hiệu suất ghi của detector 1 1 1068927 1020002 5,11 2 3 594565 566752 2,84 3 5 369616 340774 1,71 4 7 247187 226995 1,14 5 9 185367 166810 0,84 6 11 139526 121004 0,61 7 13 10840 93575 0,47 8 15 88986 74496 0,37 9 17 73893 61252 0,31 10 19 55603 41391 0,21 11 23 45416 33680 0,17 12 25 40814 31479 0,16 13 27 36046 25393 0,13 ĐƯỜNG CONG HIỆU SUẤT THEO KHOẢNGCÁCH 0 1 2 3 4 5 6 0 5 10 15 20 25 30 Bề dày (cm) H iệ u s u ấ t g h i ( % ) KẾT LUẬN Sau khi hoàn thành 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”em đã tích lũy nhiều kinh nghiệm và kiến thức bổ ích bên cạnh đó em cũng đã đạt được những mục tiêu đặt ra. Em hy vọng với các thiết kế về các bài thí nghiệm này sẽ được thực hiện cho các bạn sinh viên nghành Cử nhân Vật lý hạt nhân thực hành tốt chuyên đề của mình. Nhận xét: Trong bài thí nghiệm về hệ số suy giảm tuyến và hệ số suy giảm khối. Kết quả thực nghiệm so với số liệu ở NIST của hệ số suy giảm khối đối với vật liệu chì, nhôm, đồng quá lớn. Do đó cần phải xác định hàm lượng lại chì, nhôm và đồng trước khi tiến hành bài thí nghiệm này. Bên cạnh đó các tấm chì, nhôm, đồng phải đòi hỏi có mật độ đồng đều và bề mặt bằng phẳng. Qua việc tìm hiểu về các thiết bị trong phòng thí nghiệm Vật lý hạt nhân em xin một vài kiến nghị như sau: - Đối với thiết bị máy UMF 2000 cần có thiết bị hút chân không để cho kết quả đo được chính xác hơn. - Để bảo đảm an toàn cho sinh viên khi tiến hành thí nghiệm thì cần phải có chỉ dẫn an toàn khi tiến hành đo, khi sử dụng nguồn. - Đối với từng bài thí nghiệm nên có hướng dẫn cụ thể và tờ hướng dẫn đó sẽ để gần thiết bị đo để dễ dàng khi tiến hành thí nghiệm. Trong quá trình làm luận văn này, do hạn chế về mặt thời gian cũng như kiến thức và tầm hiểu biết, nên dù em đã nổ lực hết cức mình nhưng sẽ có nhiều thiếu sót. Em rất mong sự chỉ dạy tận tình của quý thầy ccô để em có thể sửa chữa kịp thời và bổ sung vào những thiếu sót giúp cho kiến thức của em ngày càng hoàn thiện hơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ngô Quang Huy , Cơ sở vật lý hạt nhân, NXB Khoa học và kỹ thuật, (2006) [2] Ngô Quang Huy , An toàn bức xạ ion hóa, NXB Khoa học và kỹ thuật, (2004) [3] PGS,TS Hoàng Đắc Lực ,Giáo trình thực hành Phổ Kế Gamma, (2004). [4] Giáo trình thực hành Vật lý hạt nhân Chuyên Đề 1, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên. [5] Scientific and Producing Company and “DOZA” Alpha - Beta Radiometer for Low Activity Measurement UMF, 2000. [6] Ludlum Measurement2200Scaler Ratemeter (2005), Ludlum Measurements, Inc, [7] Ludlum Measurement (2007), Instrument Manual Ludlum Model 44-10 Gamma Scintillator, Ludlum Measurements,Inc. [8] ORTEC, Gamma –Ray Spectroscopy Using NaI(Tl), [9] [10] PHỤ LỤC CÁC MẪU BÁO CÁO THỰC HÀNH BÀI 1 ĐO TỔNG HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ ALPHA Ngày đo : .................................. Thiết bị đo : UMF 2000 1. Xác định hiệu suất ghi của detector Nguồn phóng xạ : 238U , 234U Hoạt độ: ........................ Ngày sản xuất: 25/12/2007 Thời gian đo: ................. STT N 1 2 3 4 5 Tốc độ đếm trung bình k i i 1 k i i 1 N 1 n k t      Hiệu suất ghi của detector n A   Sai số của tốc độ đếm 1/ 2 S B S B n n S(n) 1,96 t t        Sai số tuyệt đối hiệu suất ghi S(n) A A      Sai số tương đối của hiệu suất ghi 0     Kết quả:   .............................. 2. Đo hoạt độ của nguồn phát alpha Nguồn xác định hoạt độ:............. Thời gian đo: .................. Ngày sản xuất: ........................ Hoạt độ:......................... STT N 1 2 3 4 5 Tốc độ đếm k i i 1 k i i 1 N 1 n k t      Sai số của tốc độ đếm: 1/2 S B S B n n S(n) 1,96 t t        Hoạt độ của mẫu là: S n A   Sai số tuyệt đối của hoạt độ là: 0 S(n) S(A) A    Sai số tương đối của hoạt độ S(A) (A) A   Kết quả: A  ...................... (Bq) BÀI 2 KHẢO SÁT SỐ ĐẾM THEO PHÂN BỐ POSSION VÀ GAUSS Ngày đo: .................... Thiết bị đo: UMF 2000 Nguồn phóng xạ: 1. Khảo sát số đếm theo phân bố Poisson Nguồn phóng xạ: ....................... Thời gian đo: ............................ STT Tốc độ đếm Tần số thực nghiệm Tần số lý thuyết 1 2 3 ... 49 50 Và xác suất xảy ra số đếm ni trong một lần đo với thời gian tuân theo quy luật phân bố Poisson in n i i n .e P(n ) n !   Tần số lý thuyết Plt=k P(ni) với k là số lần tiến hành thí nghiệm, 2. Khảo sát số đếm theo phân bố Gauss Nguồn phóng xạ: ....................... Thời gian đo: ............................ STT Số đếm Tần số Phân bố xác suất theo Gauss 1 2 3 ... 200 3.Tối ưu hóa thời gian Nguồn phóng xạ: ....................... Thời gian đo phông: ................. Thời gian đo mẫu: .................... STT Np N 1 2 3 ... 10 1 2 S B B N N S T T   Độ lệch chuẩn tính theo công thức sau S S B B S B B T T     Độ lệch chuẩn tỷ đối: S1 S     .......................... Điều kiện tối ưu: S B B opt T S B T B   Tiến hành lại phép đo với thời gian đã được tối ưu, S BT   ............. BT ………… Độ lệch chuẩn tỷ đối: S2 S      .......................... So sánh tỷ số: 1 2    .......... BÀI 3 KHẢO SÁT VÙNG PLATEAU VÀ SỰ SUY GIẢM SỐ ĐẾM TỶ LỆ NGHỊCH BÌNH PHƯƠNG KHOẢNG CÁCH Ngày đo: ................................... Thiết bị đo : LUDLUM MODEL 2200 SCALER RATEMETER Serial No,185785 1. Khảo sát vùng Plateau Thời gian đo: ............................. Cao thế (V) Số đếm Cao thế (V) Số đếm 130 … 520 530 Dùng đồ thị Excel để vẽ đồ thị sự phụ thuộc tốc độ đếm vào cao thế, và xác định vùng plateau, Nhậm xét: 2. Khảo sát sự suy giảm số theo tỷ lệ nghịch bình phương khoảng cách, Nguồn phóng xạ: ……… Hoạt độ:…………… Ngày sản xuất:………… Thời gian đo:…… Cao thế:……………… d Số đếm Y =logI x =logd x x y y   x x y y    2 x x y= x =   Xác định hệ số a và b b y ax  Hệ số a tính theo công thức sau :      2 x x y y a x x       a = ................... b = .................. Nhận xét : BÀI 4 XÁC ĐỊNH BỀ DÀY HẤP THỤ MỘT NỬA VÀ HỆ SỐ SUY GIẢM TUYẾN TÍNH, SUY GIẢM KHỐI Ngày đo:................ Hoạt độ:................. Nguồn phóng xạ:.............. Thời gian đo:.......... Cao thế:...................... 1. Đối với chì Chuẩn bị 12 miếng chì, bề dày mỗi miếng : 1mm Hệ số suy giảm tuyến tính :      2 x x y y a x x       Bề dày N I = N-NB 0y ln(I / I ) x x y y   x x y y    2 x x a   ......cm-1 Hệ số suy giảm khối : m      .......... cm2/g Bề dày một nửa ( HVT) 1/ 2 0.693 x    ....... cm 2. Đối với nhôm Chuẩn bị 20 tấm, bề dày mỗi miếng : 1mm 3. Đối với nhựa Chuẩn bị 29 tấm, bề dày mỗi tấm 1 mm 4. Đối với Giấy Chuẩn bị 400 tờ giấy, bề dày 5. Đối với Đồng Chuẩn bị 20 tấm đồng, bề dày mỗi tấm 1,2 mm BÀI 5 XÂY DỰNG ĐƯỜNG CHUẨN NĂNG LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG CONG HIỆU SUẤT GHI THEO KHOẢNG CÁCH Ngày đo: ................................... Thiết bị đo : Gamma-Ray 8K 1. Đường chuẩn năng lượng Nguồn phóng xạ:............. Hoạt độ:........... Ngày sản xuất:................... Thời gian đo:..... Đỉnh năng lượng Năng lượng (MeV) Số kênh Đỉnh cao nhất ... Đỉnh cao nhất ... Đỉnh cao nhất ... Nhận xét: 2. Độ phân giải năng lượng, Độ phân giải năng lượng là khả năng detector phân tích 2 đỉnh khá gần nhau về năng lượng, E R 100% E   Xác định độ phân giải của nguồn 4. Xác định năng lượng của nguồn gamma chưa biết Sử dụng phương trình đường chuẩn năng lượng để xác định năng lượng của nguồn gamma, 5. Xác định đường cong hiệu suất ghi của detector theo khoảng cách, Nguồn phóng xạ :............... Hoạt độ:............... Ngày sản xuất: .................... Thời gian đo:........ Khoảng cách (cm) Số đếm tổng Số đếm thực 2 5 7 9 12 15 17 Tổng