xác định các thông số của đỉnh phổ gamma dạng gauss ghi được bằng phổ kế dùng detector nhấp nháy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ    ĐỖ 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 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 được các phóng xạ đó chúng ta sử dụng một dụng cụ đó là detector. Trong bài luận văn này chúng tôi sử dụng detector nhấp nháy NaI (Tl) của trường Đại học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh để đo nguồn chuẩn Cs – 137. Detector nhấp nháy 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 được số liệu phổ Cs – 137 phục vụ cho việc tính toán các thông số của 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 xác định các thông số của 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 nhấp 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 của các detector 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 xác định các thông số: vị trí đỉnh 0 x , độ lệch chuẩn  , biên độ đỉnh 0 y , diện tích đỉnh A S của đỉnh phổ gamma dạng Gauss. Nội dung chương 3 là xử lý số liệu và tính toán các thông số của đỉnh phổ gamma dạng Gauss. Và làm khớp các số 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 phổ ghi 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 thông số của đỉnh phổ gamma dạng Gauss 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 thông số của đỉnh phổ gamma dạng Gauss. Đỗ Quyên CHƯƠNG 1 - PHỔ BỨC XẠ GAMMA CỦA DETECTOR NHẤP NHÁY 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 các định 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 đáng kể 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 đỉnh phổ 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 phổ gamma là tìm xem trong phổ này có bao nhiêu đỉnh và trọng tâm của những đỉnh này nằm tại kênh nào Khi phân tích phổ gamma dành cho mục đích nghiên cứu thì công việc này được thực hiện bằng cách quan sát thật kĩ phổ gamma đo được và cố gắng phát hiện tối đa số đỉnh 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 của đỉnh phổ với phông hằng số nhận giá trị 0 tại đỉnh của nó Hình 2.1 Biểu diễn đỉnh có dạng Gauss và biến thiên của đạo hàm bậc nhất khi đi qua vùng đỉnh Do tính chất rời rạc của phổ ghi nhận được bằng phổ kế, phổ vùng đỉnh ghi 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 của đỉnh B là hằng số mô tả... qua tâm của mỗi đỉnh Để có thể ghi nhận được các đỉnh 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 của đỉnh phổ, có nghĩa là phụ thuộc vào khả năng phân giải năng lượng của hệ phổ kế sử dụng Vấn đề là các đỉnh phổ nhận được có đúng là đỉnh thực của phổ ghi nhận được hay không Để giải quyết vấn đề này, đỉnh phổ tìm thấy lại được kiểm... để nhận được một phổ mới có khả năng phân tách các đỉnh cao hơn mà không làm thay đổi vị trí ban đầu các đỉnh phổ Việc xác định chính xác các đỉnh 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 xác định chính xác số đỉnh 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 phổ gamma được thể hiện qua sơ đồ sau: Hình 3.3 Quá trình xử lý phổ gamma  Các bước thực nghiệm  Bước 1: Thu nhận phổ Cs-137 và số liệu phổ từ phần mềm ADMCA Vẽ phổ gamma nhấp nháy Cs-137 từ phần mềm Excel  Bước 2: Ta chọn các kênh quanh vùng chân trái của đỉnh 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 của phổ thay dấu ở chóp tột cùng của đỉnh 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, đỉnh phổ là hàm Gauss, hàm đỉnh phổ 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 phổ của phổ kế gamma có hình dạng hết sức phức tạp và việc xác định vị trí tương ứng với các đỉnh phổ 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 phổ kế 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 xác định số kênh tối thiểu của bộ nhớ của máy phân tích biên độ cần dùng Công thức dưới đây được dùng để xác định số kênh này: Số kênh = h x độ rộng của vùng năng lượng cần đo (keV) / FWHM (keV) trong đó FWHM là độ rộng của đỉnh 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 của đỉnh đã được xác 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 phổ gamma của một mẫu nào đó chứa đựng khá nhiều thông tin về đối tượng đang nghiên cứu Độ chính xác của những thông tin này phụ thuộc vào độ chính xác của diện tích đỉnh Vì vậy, người ta đã xây... chiều cao hoặc trên độ cao này của đỉnh 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 phổ kế gamma đa kênh dùng detector nhấp nháy NaI (Tl) hình trụ 3” x 3” của trường Đại học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh (hình 3.2) Hình 3.2 Detector nhấp nháy 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