Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống
1
/ 69 trang
THÔNG TIN TÀI LIỆU
Thông tin cơ bản
Định dạng
Số trang
69
Dung lượng
2,45 MB
Nội dung
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ
ĐỖ QUYÊN
ĐỀ TÀI:
XÁC ĐỊNHCÁCTHÔNGSỐCỦAĐỈNHPHỔGAMMA
DẠNG GAUSSGHIĐƯỢC
BẰNG PHỔKẾDÙNGDETECTOR
NHẤP NHÁY
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Giảng viên hướng dẫn : THS NGUYỄN ĐÌNH GẪM
Chuyên ngành : Vật Lý Hạt Nhân
Khóa : 32
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – THÁNG 5 NĂM 2010
THƯ
VIỆN
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành chương trình đại học và viết bài luận văn này, em đã nhận được sự giảng dạy,
giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của quý thầy cô khoa Vật lý và bộ môn Vật Lý Hạt Nhân trường Đại học
Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh.
Trước hết em xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô trong bộ môn Vật Lý Hạt Nhân đã từng
bước dạy dỗ, đào tạo và cung cấp cho em những kiến thức chuyên ngành cần thiết giúp em hoàn
thành bài khóa luận này và các kiến thức này giúp em vững tin bước vào đời.
Đặc biệt em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến thầy THS NGUYỄN ĐÌNH GẪM đã tận tình chỉ
bảo và tạo mọi điều kiện tối ưu nhất cho em trong suốt quá trình làm luận văn. Thầy đã cung cấp
cho em nhiều tài liệu vô cùng quý giá và hết lòng hướng dẫn, truyền đạt những kinh nghiệm cũng
như những kỹ năng thực nghiệm để em có thể nắm bắt lý thuyết và làm thực nghiệm tốt hơn.
Tôi xin gửi lời cám ơn đến các bạn trong lớp Lý Cử Nhân K32 đã nhiệt tình giúp đỡ mình
trong quá trình làm luận văn.
Con xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến ba mẹ và gia đình đã luôn tạo mọi điều kiện và động viên
con trong suốt quá trìn
h
hoàn thành khóa luận.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2010.
ĐỖ QUYÊN
MỞ ĐẦU
Trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật hiện nay, Vật Lý Hạt Nhân ngày càng có một vị trí hết sức
quan trọng vì nó có liên thông với nhiều ngành khoa học khác như: sinh học, địa chất, hóa học,…
Lĩnh vực hạt nhân từng bước khẳng định vai trò và vị trí của mình trong đời sống xã hội ngày nay.
Nó được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều ngành như: công nghiệp, nông nghiệp, y học,… nhằm
giúp ích cho đời sống con người.
Trong tự nhiên chúng ta không thể nào biết có sự hiện diện của phóng xạ và không thấy được
những tác hại của chúng. Để phát hiện đượccác phóng xạ đó chúng ta sử dụng một dụng cụ đó là
detector. Trong bài luận văn này chúng tôi sử dụngdetectornhấpnháy NaI (Tl) của trường Đại học
Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh để đo nguồn chuẩn Cs – 137. Detectornhấpnháy NaI (Tl) này
được nối với máy tính có chương trình xử lý phổ ADMCA. Dựa vào chương trình xử lý phổ
ADMCA ta thu đượcsố liệu phổ Cs – 137 phục vụ cho việc tính toán các thôngsốcủa đỉnh phổ
dạng Gauss bao gồm: vị trí đỉnh
0
x
, độ lệch chuẩn
, biên độ đỉnh
0
y
, diện tích đỉnh
A
S
.
Trong khuôn khổ của bài luận văn này, chúng tôi xácđịnhcácthôngsốcủađỉnhphổgamma
dạng Gaussghiđượcbằngphổkếdùngdetectornhấpnháy NaI (Tl).
Nội dung luận văn gồm ba chương:
Chương 1 : Phổ bức xạ gammacủadetectornhấp nháy.
Chương 2 : Xử lý đỉnh phổ.
Chương 3 : Thực nghiệm và tính toán.
Nội dung chương 1 là trình bày một cách tóm tắt các kiến thức về tương tác của bức xạ gamma
với vật chất; hàm đáp ứng củacácdetector có kích thước khác nhau khi ghi nhận bức xạ; và các
hiệu ứng khác (ngoài các tương tác của bức xạ gamma với vật chất) xảy ra khi bức xạ gamma tương
tác với detector và các vật chất xung quanh detector.
Nội dung chương 2 là trình bày lý thuyết về cách xácđịnhcácthông số: vị trí đỉnh
0
x
, độ lệch
chuẩn
, biên độ đỉnh
0
y
, diện tích đỉnh
A
S
củađỉnhphổgammadạng Gauss.
Nội dung chương 3 là xử lý số liệu và tính toán các thôngsốcủa đỉnh phổgammadạng Gauss.
Và làm khớp cácsố liệu giữa hai phân bố: thực nghiệm và lý thuyết.
Số liệu phổ nói chung, dữ liệu hạt nhân, phổ bức xạ hạt nhân nói riêng thường có dạng khá
phức tạp, chẳng hạn bức xạ hạt nhân tới detector (thiết bị ghi nhận bức xạ hạt nhân), tương tác với
vật chất detector và cho phổ năng lượng ở lối ra. Đây là một quá trình phức tạp. Do vậy, mặc dù bức
xạ tới detector chỉ có một năng lượng duy nhất cũng cho ở lối ra cả một phổ năng lượng phức tạp.
Do phổghi nhận được có dạng rất phức tạp, việc xử lý khó khăn, và nhiều khi không thể thực hiện
được nếu không có sự giúp đỡ của công nghệ thông tin.
Trong khuôn khổ của bài luận văn, em đã xây dựng một chương trình tính toán các thôngsố
của đỉnh phổgammadạngGauss nhưng chưa hoàn chỉnh lắm nhằm phục vụ cho bài luận văn này.
Hoàn thành bài luận văn và chương trình này, em xin chân thành cảm ơn đến thầy ThS. Nguyễn
Đình Gẫm, người đã cố vấn cho em rất nhiều trong việc hoàn chỉnh bài luận văn và chương trình
tính toán các thôngsốcủa đỉnh phổgammadạng Gauss.
Đỗ Quyên
CHƯƠNG 1 - PHỔ BỨC XẠ GAMMACỦADETECTORNHẤPNHÁY
1.1. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất
Bức xạ gamma (viết tắt là
) là các lượng tử của sóng điện từ (các photon) có bước sóng nhỏ
hơn khoảng cách a giữa các nguyên tử (
a
, với a có giá trị khoảng
8
10
cm), bức xạ này ngoài
tính chất sóng còn được hình dung như dòng hạt nên được gọi là lượng tử. Giới hạn năng lượng thấp
nhất của lượng tử
là 10 keV. Công thức liên hệ giữa năng lượng E và bước sóng
của lượng tử
có dạng:
2
c
E h
1.1
Bức xạ gamma tương tác với vật chất thông qua ba quá trình cơ bản :
Hiệu ứng quang điện
Tán xạ Compton
Sự tạo cặp
Tia
thuộc loại bức xạ có tính thâm nhập cao đối với vật chất. Chúng có thể tương tác với hạt
nhân, electron và nguyên tử nói chung và do đó năng lượng của chúng bị suy giảm.
Sự yếu dần của chùm tia
theo quy luật hàm mũ và phụ thuộc vào: mật độ vật chất, số Z và
năng lượng của photon gamma
E
.
Ngoài các phản ứng hạt nhân, đối với tia
năng lượng cao, sự yếu đi của tia
chủ yếu do
các quá trình như hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và sự tạo cặp gây ra.
Hình 1.1. Đồ thị miêu tả các vùng năng lượng khác nhau của tia mà các kiểu tương tác khác
nhau sẽ chiếm ưu thế.
[7]
Như đã thấy ở hình 1.1, hiệu ứng quang điện chiếm ưu thế khi năng lượng tia
thấp (vài trăm
keV) và vật liệu có Z cao. Sự tạo cặp chiếm ưu thế khi năng lượng tia
cao (5 → 10 MeV) và vật
liệu có Z thấp. Tán xạ Compton chiếm ưu thế ở năng lượng tia
trung bình.
1.1.1. Hiệu ứng quang điện
Lượng tử
có năng lượng thấp (vài trăm keV) khi đập vào electron của nguyên tử, truyền
toàn bộ năng lượng của mình cho electron. Electron này sẽ bị bắn ra khỏi nguyên tử (được gọi là
quang electron) và lượng tử
bị hấp thụ hoàn toàn còn nguyên tử thì bị ion hóa, đó là hiệu ứng
quang điện như trong hình 1.2.
Hình 1.2. Hiệu ứng quang điện.
Toàn bộ năng lượng của lượng tử
bị mất đi do hấp thụ, quang electron nhận được động
năng
e
E
bằng hiệu số giữa năng lượng tia
tới và năng lượng liên kết
b
E
của electron trên lớp vỏ
trước khi bị bứt ra.
e b
E h E
1.2
Hiệu ứng quang điện xảy ra mạnh nhất với các lượng tử
có năng lượng vào khoảng năng
lượng liên kết của electron trong nguyên tử. Do năng lượng liên kết của nguyên tử càng lớn đối với
các electron nằm sâu ở lớp trong cùng nên hiệu ứng quang điện chủ yếu xảy ra ở lớp trong cùng vỏ
nguyên tử (khoảng 30%) nghĩa là các electron lớp K. Xác suất hấp thụ quang điện giảm nhanh theo
năng lượng và tăng mạnh đối với môi trường vật chất có bậc số nguyên tử Z lớn. Có thể coi một
cách gần đúng là tiết diện hấp thụ quang điện biến thiên theo quy luật
4 3
/
Z E
. [3]
Các electron tự do (tức các electron không liên kết với nguyên tử,
0
i
W
) không thể hấp thụ
hoàn toàn một photon vì không thể đồng thời thỏa mãn cácđịnh luật bảo toàn năng lượng (
h E
)
và xung lượng (
/
e
h c mv
). Như vậy hiệu ứng quang điện chỉ có thể xảy ra với các electron liên
kết với nguyên tử, sự giật lùi của nguyên tử góp phần hấp thụ xung lượng của photon tới. Nếu điều
kiện năng lượng được thỏa mãn, với electron liên kết càng chặt thì khả năng xảy ra hiệu ứng quang
điện càng lớn hay nói cách khác electron liên kết càng yếu, xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện
càng nhỏ.
Trong hiệu ứng quang điện, tiết diện hấp thụ
f
E
phụ thuộc vào năng lượng của lượng tử
và bậc số nguyên tử Z của vật chất. Tiết diện hấp thụ tỷ lệ với
5
Z
, nghĩa là nó tăng rất nhanh đối với
các nguyên tố nặng. Nếu năng lượng của bức xạ
tới chỉ lớn hơn năng lượng liên kết của electron
thì tiết diện hấp thụ
f
E
tỷ lệ với
3.5
1/
E
, nghĩa là nó giảm rất nhanh khi giảm năng lượng. Khi
năng lượng của bức xạ gamma tới lớn hơn rất nhiều so với năng lượng liên kết của electron thì
f
E
giảm chậm hơn theo quy luật
1
E
. [1]
Ví dụ: Đối với Al
18 2
6.10
f
cm
ở E = 1 keV
25 2
6.10
f
cm
ở E = 0.1 MeV
Hiệu ứng quang điện là cơ cấu hấp thụ chủ yếu ở vùng năng lượng thấp, vai trò của nó trở nên
không đángkể ở vùng năng lượng cao.
Trường hợp hấp thụ quang điện là 1 tương tác lý tưởng của tia gamma. Quang electron mang
phần lớn năng lượng của tia gamma tới và sau đó tia X đặc trưng và electron Auger sẽ mang phần
động năng còn lại. Nếu các electron này được hấp thụ hoàn toàn, thì tổng động năng của chúng bằng
với năng lượng tia gamma ban đầu và trong phổ động năng electron xuất hiện một đỉnhphổ duy
nhất có dạng hàm delta như hình 1.3.
Hình 1.3. Phổ năng lượng electron của hiệu ứng quang điện.
[1]
1.1.2. Tán xạ Compton
Khi năng lượng của lượng tử
tăng thì hiệu ứng quang điện sẽ giảm nhường chỗ cho tán xạ
Compton. Tán xạ Compton trở nên nổi bật như một cơ chế tương tác chủ yếu trong khoảng năng
lượng lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử.
Tán xạ Compton là tán xạ của tia
lên các electron ở lớp phía ngoài của nguyên tử, tạo ra
photon tia gamma bị tán xạ và làm bật electron ra. Trong quá trình này photon tới nhường một phần
năng lượng của mình cho một electron của nguyên tử. Electron này sẽ bật ra khỏi nguyên tử còn
photon sẽ bị tán xạ. Photon tán xạ có năng lượng nhỏ hơn năng lượng của photon tới
'
h h
:
'
b e
h h E E
1.3
Trong đó
e
E
là động năng của electron bắn ra.
b
E
là năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử (Hình 1.4).
Hình 1.4. Giản đồ biểu diễn tán xạ Compton.
Năng lượng
'
h
của tia
tán xạ ở góc
được cho bởi (1.3):
2
0
'
1 1 cos
h
h
h
m c
1.4
trong đó
2
0
m c
là năng lượng nghỉ của electron.
Động năng
e
E
của electron giật lùi cho bởi:
2
0
2
0
1 cos
'
1 1 cos
e
h
m c
E h h h
h
m c
1.5
Hai trường hợp đặc biệt là:
1.
0
:
2 2
0 0
2 2
0 0
1 cos 1 1
' 0
1 1 cos 1 1 1
e
h h
m c m c
E h h h h
h h
m c m c
E 0
e
. Electron tán xạ nhận rất ít năng lượng từ tia gamma.
2.
(va chạm trực diện). Trong trường hợp này năng lượng electron nhận được là cực đại.
2 2
0 0
'
2
1 1 cos 1
h h
h
h h
m c m c
1.6
2
0
2
0
1 cos
'
1 1 cos
e
h
m c
E h h h
h
m c
2 2
0 0
2 2
0 0
2
1 1
2
1 1 1 1
e
h h
m c m c
E h h
h h
m c m c
1.7
Thông thường, gamma tán xạ ở tất cả các góc trong detector. Vì vậy, năng lượng của electron
nhận được trải dài từ không tới giá trị cực đại cho bởi công thức (1.6). Trong phổ năng lượng của
electron xuất hiện một vùng liên tục trong khoảng năng lượng như được trình bày ở hình 1.5.
[...]... phân tích phổgamma là tìm xem trong phổ này có bao nhiêu đỉnh và trọng tâm của những đỉnh này nằm tại kênh nào Khi phân tích phổgamma dành cho mục đích nghiên cứu thì công việc này được thực hiện bằng cách quan sát thật kĩ phổgamma đo được và cố gắng phát hiện tối đa sốđỉnh hiện diện trong phổ Kết quả của công đoạn này phụ thuộc vào độ phức tạp của phổ, tỉ số đỉnh/ phông tại các vùng đỉnh, nhạy... bậc nhất củađỉnhphổ với phông hằng số nhận giá trị 0 tại đỉnhcủa nó Hình 2.1 Biểu diễn đỉnh có dạngGauss và biến thiên của đạo hàm bậc nhất khi đi qua vùng đỉnh Do tính chất rời rạc củaphổghi nhận đượcbằngphổ kế, phổ vùng đỉnhghi nhận được có thể viết dưới dạng: y i Ag k i B 2.6 trong đó: 2 gk i e i k 2 2 k là trọng tâm A là độ cao củađỉnh B là hằng số mô tả... qua tâm của mỗi đỉnh Để có thể ghi nhận đượccácđỉnh mà không để ý dến thăng giáng thống kê, các kênh biên l và r phải được chọn tùy thuộc vào độ rộng nửa chiều cao củađỉnh phổ, có nghĩa là phụ thuộc vào khả năng phân giải năng lượng của hệ phổkế sử dụng Vấn đề là cácđỉnhphổ nhận được có đúng là đỉnh thực củaphổghi nhận được hay không Để giải quyết vấn đề này, đỉnhphổ tìm thấy lại được kiểm... để nhận được một phổ mới có khả năng phân tách cácđỉnh cao hơn mà không làm thay đổi vị trí ban đầu cácđỉnhphổ Việc xácđịnh chính xáccácđỉnh có trong phổ bức xạ hạt nhân là bước đầu tiên nhưng rất quan trọng trong quá trình xử lý phổ bức xạ hạt nhân Vì việc xácđịnh chính xácsốđỉnh có trong phổ cũng như vị trí của chúng làm cho quá trình xử lý tiếp theo không bỏ sót các thông tin về phổ cũng... trình xử lý phổgammađược thể hiện qua sơ đồ sau: Hình 3.3 Quá trình xử lý phổgamma Các bước thực nghiệm Bước 1: Thu nhận phổ Cs-137 và số liệu phổ từ phần mềm ADMCA Vẽ phổgammanhấpnháy Cs-137 từ phần mềm Excel Bước 2: Ta chọn các kênh quanh vùng chân trái củađỉnh cho đến các kênh quanh vùng chân phải của đỉnh, cụ thể là từ kênh 460 đến kênh 560 Phổ thực nghiệm ta vừa chọn ở trên có dạng gần... đạo hàm bậc nhất củaphổ thay dấu ở chóp tột cùng củađỉnh Trong vùng đỉnh, với số kênh không lớn lắm, ta lại có thể giả sử phông có dạng bậc nhất hoặc bằng hằng số Trong trường hợp phông có dạng hằng số, đỉnhphổ là hàm Gauss, hàm đỉnhphổ có dạng như sau [5] : f x G x B 2.3 Bây giờ ta lấy đạo hàm của hàm phổ (2.3), do đạo hàm bậc nhất của phông hằng số bị triêt tiêu, ta được: f ' x ... nghiệm của chính bản thân người phân tích Thông thường phổcủaphổkếgamma có hình dạng hết sức phức tạp và việc xácđịnh vị trí tương ứng với cácđỉnhphổ do đó cũng trở nên rất khó khăn Sự phức tạp đó xảy ra trong trường hợp các mức năng lượng rất gần nhau tới mức bé hơn khả năng phân giải năng lượng mà phổkế có được Sự phức tạp đó cũng xảy ra trong trường hợp cường độ của hai mức năng lượng gamma. .. ghi lại thời gian đo thực của phép đo tính theo đơn vị giây Với mỗi phép đo cụ thể, người đo cần phải xácđịnhsố kênh tối thiểu của bộ nhớ của máy phân tích biên độ cần dùng Công thức dưới đây đượcdùng để xácđịnhsố kênh này: Số kênh = h x độ rộng của vùng năng lượng cần đo (keV) / FWHM (keV) trong đó FWHM là độ rộng củađỉnh tại một nửa chiều cao còn thừa số h được chọn là số kênh tại một nửa chiều... a a Như vậy độ lệch chuẩn củađỉnh đã đượcxác định: 2 a 2.16 Bề rộng ở một nửa giá trị cực đại (FWHM): FWHM 2 2 ln 2 2,355 2.17 2.3 Diện tích đỉnh Diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần trong phổgammacủa một mẫu nào đó chứa đựng khá nhiều thông tin về đối tượng đang nghiên cứu Độ chính xáccủa những thông tin này phụ thuộc vào độ chính xáccủa diện tích đỉnh Vì vậy, người ta đã xây... chiều cao hoặc trên độ cao này củađỉnh Giá trị của nó thường được chọn trong khoảng 3 đến 5 [3] 3.1.2 Các bước thực nghiệm Thiết bị dụng cụ thực hành - Phần mềm xử lý phổ ADMCA - Nguồn chuẩn Cs – 137 - Phần mềm Excel - Hệ phổkếgamma đa kênh dùngdetectornhấpnháy NaI (Tl) hình trụ 3” x 3” của trường Đại học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh (hình 3.2) Hình 3.2 Detectornhấpnháy NaI (Tl) hình trụ 3” . QUYÊN
ĐỀ TÀI:
XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CỦA ĐỈNH PHỔ GAMMA
DẠNG GAUSS GHI ĐƯỢC
BẰNG PHỔ KẾ DÙNG DETECTOR
NHẤP NHÁY
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
. đỉnh phổ gamma
dạng Gauss ghi được bằng phổ kế dùng detector nhấp nháy NaI (Tl).
Nội dung luận văn gồm ba chương:
Chương 1 : Phổ bức xạ gamma của detector
Hình 1.5.
Phổ năng lượng electron của tán xạ Compton. [1] (Trang 11)
Hình 1.6.
Sự tạo cặp (Trang 12)
Hình 1.8.
Mô hình tương tác và mô hình phổ năng lượng electron của detector nhấp nháy có kích thước nhỏ (Trang 14)
Hình 1.9.
Mô hình tương tác và mô hình phổ năng lượng electron của detector nhấp nháy có kích thước lớn (Trang 15)
Hình 1.10.
Mô hình tương tác và mô hình phổ năng lượng electron của detector kích thước trung bình (Trang 17)
Hình 1.12.
Sự phụ thuộc của năng lượng tia tán xạ vào góc tán xạ. [8] (Trang 21)
Hình 2.1.
Biểu diễn đỉnh có dạng Gauss và biến thiên của đạo hàm bậc nhất khi đi qua vùng đỉnh (Trang 24)
Hình 2.2.
Biến thiên đạo hàm bậc nhất khi đi qua vùng phổ có các đỉnh chập, cụ thể là 2 đỉnh (Trang 25)
Hình 2.3.
Biểu diễn đỉnh có dạng Gauss và biến thiên của đạo hàm bậc hai khi đi qua vùng đỉnh (Trang 26)
Hình 2.5.
Đồ thị biểu diễn phông dưới chân đỉnh có dạng hình thang (Trang 30)
Hình 2.6.
Xác định diện tích đỉnh theo phương pháp Covel. [4] (Trang 31)
Hình 3.2.
Detector nhấp nháy NaI (Tl) hình trụ 3” x 3”. [Trường Đại học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh] (Trang 36)
Hình 3.3.
Phổ gamma nhấp nháy của đồng vị Cs – 137 từ kênh 460 đến kênh 560 (Trang 39)
Bảng 3.2.
Số liệu thực nghiệm từ kênh 460 đến kênh 560 (Trang 39)
Hình 3.5.
Đồ thị biểu diễn số đếm phông theo số kênh dạng tuyến tính (Trang 42)