Giáo trình Cơ sở Vật lý hạt nhân: Phần 2 - Nguyễn An Sơn

Nối tiếp nội dung phần 1, phần 2 cuốn giáo trình Cơ sở Vật lý hạt nhân tiếp tục trình bày nội dung của 3 chương còn lại. Chương 5: Nguồn bức xạ; Chương 6: Tương tác bức xạ với vật chất; Chương 7: Tương tác bức xạ gamma trong detector và một số hệ phổ kế gamma thường dùng. Mời thầy cô và các em cùng tham khảo giáo trình tại đây.

Chương NGUỒN BỨC XẠ Nguồn xạ chia làm loại là: - Nguồn xạ hạt mang điện: gồm nguồn xạ electron nhanh nguồn xạ hạt mang điện nặng; - Nguồn xạ không mang điện: gồm nguồn xạ điện từ nguồn xạ neutron Nguồn xạ electron nhanh bao gồm hạt beta phát từ phân rã hạt nhân electron lượng cao sinh trình khác Các hạt nặng mang điện loại xạ bao gồm tất ion có lượng cao với khối lượng đơn vị khối lượng nguyên tử lớn hơn, hạt alpha, proton, sản phẩm phân hạch, sản phẩm phản ứng hạt nhân, Bức xạ điện từ cần quan tâm bao gồm tia X phát trình xếp lại electron lớp vỏ nguyên tử, tia gamma sinh trình dịch chuyển điện từ trình xếp lại nucleon hạt nhân Neutron sinh nhiều trình hạt nhân thường phân chia thành ba phân loại theo lượng, neutron chậm, neutron trung bình neutron nhanh Dải lượng cần quan tâm trải rộng bậc độ lớn từ khoảng ~ eV đến 20 MeV Giới hạn lượng mức lượng nhỏ cần thiết để tạo q trình ion hóa vật chất, đặc trưng xạ sản phẩm thứ cấp tương tác với neutron Bức xạ có lượng lớn mức lượng nhỏ phân loại xạ ion hóa Vấn đề quan tâm chương xạ phông nguồn xạ phạm vi phịng thí nghiệm Các nguồn xạ 148 dùng việc hiệu chuẩn kiểm tra detector, dùng đối tượng phép đo Các xạ khác có khả xuyên sâu vào vật chất khác Tính chất tiêu chí quan trọng việc xác định đặc tính vật lý nguồn xạ Bức xạ mềm, hạt alpha hay tia X có lượng thấp đâm xuyên qua lớp vật chất mỏng Do đó, nguồn xạ đồng vị phải chế tạo thành lớp mỏng muốn có lượng xạ lớn khỏi thân nguồn Nguồn có độ dày lớn bị ảnh hưởng hiệu ứng tự hấp thụ, hiệu ứng ảnh hưởng đến số đếm phổ lượng xạ khỏi bề mặt nguồn Do vậy, độ dày đặc trưng cho nguồn thường cỡ m Hạt beta thường đâm xuyên tốt hơn, chiều dày nguồn lên đến vài chục mm Bức xạ cứng hơn, tia gamma hay neutron, bị ảnh hưởng hiệu ứng tự hấp thụ, nên nguồn có chiều dày cỡ mm đến cm mà khơng ảnh hưởng tới tính chất xạ từ nguồn phát 5.1 Bức xạ phông Do xạ vũ trụ liên tục phát từ bầu khí trái đất tồn chất phóng xạ tự nhiên mơi trường nên ln tồn phông xạ tự nhiên Tốc độ đếm phơng cao đến nhiều ngàn số đếm giây Vì độ lớn phơng xác định mức xạ ghi nhận tối thiểu hệ phổ kế, nên quan trọng ứng dụng đo đạc liên quan đến nguồn xạ có hoạt độ thấp 5.1.1 Phóng xạ vật liệu thông thường Trong vật liệu xây dựng ban đầu, có lượng thấp nguyên tố phóng xạ tự nhiên Các thành phần ảnh hưởng mạnh potassium, thorium, uranium, radium Potassium tự nhiên chứa 149 0,012% 40K, phân rã với T1/2 = 1,26.109 năm thông qua sơ đồ phân rã Hình 5.1 Các xạ phát hạt beta với lượng cuối 1,314 MeV (cường độ phát 89%), tia gamma lượng 1460 keV (cường độ phát 11%), tia X đặc trưng Các tia gamma lượng cao thường ghi nhận xuất phổ phông, thông thường đỉnh lượng 1460 keV 40K xuất phổ gamma che chắn không tốt 40 K EC (11%) - (89%) 1460 keV  40 Ar 40 Ca Hình 5.1 Sơ đồ phân rã 40K Thorium, uranium, radium thành phần chuỗi phân rã dài, liên quan đến sản phẩm phát tia alpha, beta gamma Trong phổ tia gamma mặt đất, tính phóng xạ hạt mẹ nhận dạng chuỗi thorium: 228Ac, 224Ra, 212Bi, 212 Pb, 208Tl; chuỗi uranium: 228Ra, 214Bi, 214Pb Bên cạnh phóng xạ tự nhiên với vật liệu thơng thường, phơng cịn chứa phóng xạ từ sản phẩm phân hạch có nguồn gốc với bụi phóng xạ khí việc thử vũ khí hạt nhân Đóng góp mạnh 137Cs thành phần khác 95 Zr, 95Nb, 106Ru, 125Sb, 144Ce 150 Bảng 5.1 Hoạt độ phóng xạ từ nguồn tự nhiên vật liệu cấu trúc thông thường Phân hủy/phút/gam vật liệu Vật liệu 232 Nhôm (6061 từ Harshaw) 0,42 0,04 < 0,05 Nhôm (1100 từ Harshaw) 0,34 < 0,017 < 0,06 Nhôm (1100 từ ALCOA) 0,08 < 0,026 < 0,11 Nhôm (3003 từ ALCOA) 0,10 < 0,026 0,56 Thép không gỉ (304) < 0,006 < 0,007 < 0,06 Thép không gỉ (304-L) < 0,005 < 0,02 0,06 0,1 < 0,01 < 0,02 Magnesium (thanh) Magnesium (thỏi) Th 238 U 40 K 5.1.2 Phóng xạ không Radon (222Rn) thoron (220Th) khí phóng xạ sống ngắn có nguồn gốc từ sản phẩm mẹ chuỗi phân rã uranium thorium Độ tập trung chúng khí phụ thuộc đáng kể vào thời gian ngày điều kiện khí tượng học Bụi phóng xạ bao gồm phóng xạ tự nhiên, bụi phóng xạ khí Một thành phần phơng đóng góp đáng kể xạ thứ cấp sản sinh tương tác tia vũ trụ khí trái đất Bức xạ vũ trụ sơ cấp, mà nguồn gốc từ mặt trời từ thiên hà, hạt tích điện hay ion nặng mang lượng cao tạo nên Trong tương tác chúng với khí quyển, hạt thứ cấp sản sinh, bao gồm meson , muon, electron, proton, neutron photon có lượng đạt tới hàng trăm 151 MeV Nhiều hạt số xạ đến bề mặt trái đất tạo nên phông đo đạc thực nghiệm Do có động cao, hạt vũ trụ sơ thứ cấp có lượng riêng (dE/dx) tương đối so với lượng electron Các thành phần thứ cấp riêng biệt khác độ cứng chúng, khả đâm xuyên vật chất Các thành phần phơng vũ trụ khác tồn đâm xuyên qua nhiều mét vật liệu che chắn Thành phần quan trọng phông xạ sinh xạ thứ cấp tương tác tia vũ trụ bầu khí Bức xạ vũ trụ sơ cấp, có nguồn gốc từ ngân hà từ mặt trời, chủ yếu hạt proton, số hạt nhân heli ion nặng có động lớn Trong q trình tương tác chúng với khí quyển, nhiều loại hạt thứ cấp tạo ra, bao gồm hạt mezon , electron, proton, neutron photon với lượng lên đến hàng trăm MeV Một số xạ xạ đến bề mặt trái đất tạo phơng xạ môi trường Ở mức mặt nước biển, muon chiếm khoảng 80% hạt thứ cấp mang điện, với độ lớn khoảng muon/cm2/phút 5.2 Nguồn phát electron nhanh 5.2.1 Phân rã beta Nguồn phát beta phổ biến phép đo xạ nguồn đồng vị phóng xạ, phân rã cách phát electron Quá trình viết dạng sơ đồ sau: A Z X  Z A1Y     v (5.1) Vì neutrino phản neutrino có khả tương tác với vật chất yếu, với detector thơng thường khơng thể ghi nhận hạt Hạt nhân giật lùi Y có lượng 152 nhỏ, thường thấp ngưỡng ion hóa, nên khó ghi nhận hệ phổ kế đơn giản Do vậy, trình phân rã beta electron nhanh hạt beta sinh xạ có khả ion hóa Hầu hết hạt nhân bền bị bắn phá neutron phát phóng xạ beta, nên sản xuất nhiều chất phát beta với thời gian sống khác lò phản ứng hạt nhân Ở nhiều nguồn beta phổ biến, hầu hết phân rã beta tạo hạt nhân sản phẩm trạng thái kích thích, phát tia gamma gần đồng thời với q trình phát beta Một vài ví dụ hạt nhân mà phân rã trực tiếp xuống trạng thái hạt nhân sản phẩm, tức nguồn phát beta khiết Bảng 5.2 Bảng 5.2 Một số nguồn phát beta khiết Hạt nhân H 14 C Thời gian bán rã Năng lượng cực đại (MeV) 12,26 năm 0,0186 5730 ngày 0,156 32 P 14,28 ngày 1,710 33 P 24,4 ngày 0,248 35 S 87,9 ngày 0,167 36 Cl 3,08 × 105 năm 0,714 45 Ca 165 ngày 0,252 92 ngày 0,067 27,7 năm 0,546 Y 64 2,27 Tc 2,12 × 105 năm 0,292 2,62 năm 0,224 3,81 năm 0,766 63 Ni 90 Sr 90 99 147 Pm 204 Tl 153 Mỗi dịch chuyển phân rã beta đặc trưng lượng định, hay giá trị Q Vì lượng hạt nhân giật lùi gần nên lượng bị phân chia hạt beta hạt neutrino Năng lượng hạt beta thay đổi theo phân rã, có giá trị từ đến lượng cực đại, mà độ lớn giá trị Q Khi tính giá trị Q, thông thường xem dịch chuyển xảy trạng thái hạt nhân mẹ hạt nhân Nếu dịch chuyển diễn trạng thái kích thích hạt nhân mẹ hạt nhân con, lượng cực đại phổ beta tương ứng thay đổi lượng chênh lệch mức lượng kích thích Vì có vài trạng thái kích thích xảy trình phân rã, nên phổ hạt beta đo bao gồm vài thành phần có lượng cực đại khác 36 Cl (3,08×105) Cường độ Emax= 0,714 MeV 36 Ar 0,2 0,4 0,6 Năng lượng hạt beta MeV Hình 5.2 Sơ đồ phân rã 36Cl phân bố hạt beta 5.2.2 Nguồn biến hốn Vì đặc điểm nguồn phân rã beta phát lượng liên tục, không đơn năng, nên khơng thích hợp cho số ứng dụng Chẳng hạn, để chuẩn lượng cho detector ghi nhận xạ beta, sử dụng nguồn electron đơn thuận tiện nhiều 154 Trong trình hạt nhân biến hoán trong, electron biến hoán phát gần đơn Q trình biến hốn trạng thái kích thích hạt nhân, sinh sau q trình, thường phân rã beta hạt nhân mẹ Đối với số trạng thái kích thích, tia gamma phát bị cấm, thay vào trình biến hốn xảy Khi đó, lượng kích thích hạt nhân Eex truyền trực tiếp cho electron quỹ đạo nguyên tử Electron bứt khỏi nguyên tử với lượng (5.2) E e  E ex  E b Eb lượng liên kết electron lớp vỏ mà bứt 113m In(393 keV, 100 phút) Cường độ Biến hoán lớp L IC Biến hoán lớp K 131 In 289 365 Năng lượng electron keV Hình 5.3 Phổ electron biến hốn trạng thái đồng phân hạt nhân 113mIn 393 keV Một ví dụ phổ electron biến hốn đưa Hình 5.3 Vì electron biến hốn phát từ lớp vỏ nguyên tử, nên mức kích thích hạt nhân dẫn đến vài nhóm electron với lượng khác Phổ có 155 thể phức tạp số trường hợp hạt nhân kích thích có nhiều trạng thái kích thích xảy tượng biến hoán Hơn nữa, phổ lượng electron biến hốn bị chồng chập lên vùng liên tục phổ beta phát từ hạt nhân mẹ Với đặc điểm trên, electron biến hốn nguồn sử dụng phịng thí nghiệm có nhóm lượng đơn từ cỡ keV đến MeV Một vài nguồn đồng vị phát electron biến hoán liệt kê Bảng 5.3 Bảng 5.3 Các nguồn electron biến hoán Năng lượng dịch Năng lượng Hạt T1/2 Hạt nhân Dạng chuyển hạt electron biến nhân hạt nhân sản phân rã nhân sản phẩm hoán mẹ mẹ phẩm (keV) (keV) 62 109 109m Cd 453 ngày EC Ag 88 64 365 113 113m Sn 115 ngày EC In 393 389 624 137 137m Cs 30,2 năm βBa 662 656 126 139 139m Ce 137 ngày EC La 166 159 482 570 554 207 207m Bi 38 năm EC Pb 1064 976 1048 5.2.3 Electron Auger Electron Auger tương tự electron biến hoán trong, khác lượng kích thích bắt nguồn từ nguyên tử thay từ hạt nhân Q trình trước (như bắt electron) tạo lỗ trống lớp vỏ electron Lỗ trống lấp đầy 156 electron lớp phía ngồi ngun tử dịch chuyển vào phát tia X đặc trưng Tiếp đó, lượng kích thích ngun tử chuyển trực tiếp cho electron lớp phía ngồi, làm electron bứt khỏi lớp vỏ nguyên tử Electron bứt gọi electron Auger, lượng độ chênh lệch lượng kích thích ban đầu lượng liên kết lớp electron bị bứt Do đó, electron Auger tạo phổ lượng gián đoạn với nhóm lượng khác tương ứng với trạng thái kích thích ban đầu trạng thái cuối Trong tất trường hợp, lượng thường nhỏ so với lượng phân rã beta hay electron biến hoán Điều đặc biệt, electron Auger ưu tiên phát nguyên tố có số Z nhỏ, tức có lượng liên kết nhỏ Electron Auger có lượng khởi đầu khoảng vài keV, thường bị hấp thụ nguồn bị dừng lại lớp bao phủ mỏng nguồn hay cửa sổ detector 5.3 Nguồn phát hạt nặng mang điện 5.3.1 Nguồn phát alpha Những hạt nhân nặng thường không bền với trình phát hạt alpha Khả phân rã alpha liên quan đến hiệu ứng đường hầm hạt xuyên qua hàng rào với thời gian bán rã nguồn alpha từ vài ngày đến hàng ngàn năm Các hạt alpha xuất nhóm lượng hay nhiều hơn, thực tế chúng đơn Với dịch chuyển định hạt nhân mẹ hạt nhân (chẳng hạn trạng thái bản), độ chênh lệch lượng Q định tính chất phân rã Năng lượng chia sẻ hạt alpha hạt nhân giật lùi Do vậy, hạt alpha có lượng 157 làm xuất điện tích vùng khơng gian (x), điện trường E(x) vùng biến đổi theo quy luật tuyến tính, cịn điện theo quy luật parabol Điện áp ngược bên với khuếch tán (tiếp xúc trong) (Uk = 0,3 V với Ge Uk = 0,6 V với Si) tạo nên hiệu điện Uk lớp p-n Các hạt tải điện tạo xạ ion hóa vùng cấm tạo nên tín hiệu tương tự buồng ion hóa điện trường n - + i - p + - + - + + x=l x=0 + - E(x) U(x) Hình 7.13 Phân bố điện tích, điện U(x), điện trường E(x) detector bán dẫn p-i-n 242 7.4 Các loại phổ kế ghi đo xạ gamma thường dùng 7.4.1 Phổ kế gamma sử dụng detector Phổ kế gamma sử dụng detector hệ phổ kế thường dùng phịng thí nghiệm Trong nghiên cứu thực nghiệm, detector bán dẫn siêu tinh khiết (HPGe) hay sử dụng, có ưu điểm khơng phải bảo quản liên tục môi trường nitơ lỏng, đồng thời độ phân giải lượng, hiệu suất ghi cao hẳn detector khác Sơ đồ hệ đo trình bày Hình 7.14 Nguồn Detector Amp ADC MCD Máy tính Hình 7.14 Sơ đồ khối phổ kế gamma bán dẫn đơn tinh thể Detector ghép nối với khuếch đại phổ Amp (Amplifier) Tín hiệu lối detector khuếch đại phổ khuếch đại biên độ tạo dạng xung thích hợp cho ADC (Analog to Digital Converter) phân tích biên độ đỉnh xung Hệ thống ghép nối MCD (Multi Channel Data processing) thu nhận liệu sau ADC biến đổi xong xếp vào ô nhớ Số lượng xung có giá trị biên độ tương ứng với số lượng giá trị lượng xạ gamma mà detector hấp thụ Khi xạ gamma tương tác với detector, phần lượng mà detector hấp thụ lại tùy thuộc vào trình tương tác xảy ra, thường trình tương tác ba hiệu ứng tương tác đây: - Detector hấp thụ hoàn toàn lượng xạ gamma theo hiệu ứng quang điện; - Detector hấp thụ phần lượng gamma theo hiệu ứng Compton - góc tán xạ Compton thay đổi dải rộng 243 từ tới 180 nên phần lượng hấp thụ nằm dải rộng khơng tạo thành đỉnh (ở có tán xạ Compton nhiều lần dẫn đến tồn lượng xạ gamma hấp thụ hết q trình đóng góp vào đỉnh xuất hiệu ứng quang điện); - Hiệu ứng tạo cặp xuất lượng xạ gamma lớn 1,022 MeV vào detector Quá trình tương tác theo hiệu ứng sinh, hủy electron - positron Bên detector, quãng chạy electron ngắn lượng electron nhanh chóng bị hấp thụ Cịn positron sau chậm lại nhanh chóng bị hủy tạo nên hai xạ gamma 0,511 MeV Nếu hai xạ gamma bị hấp thụ trình tương đương hấp thụ quang điện Nếu hai xạ gamma bay ngoài, phần lượng bị hấp thụ tạo nên đỉnh thoát đơn, hai xạ gamma bay ngoài, phần lượng bị hấp thụ tạo nên đỉnh đơi Như q trình tạo cặp chuyển dời đóng góp thêm hai đỉnh ngồi đỉnh hấp thụ tồn phần thêm phần phơng liên tục tán xạ Compton có hủy cặp Hình 7.15 Phổ xạ gamma tức thời 49Ti đo với phổ kế sử dụng detector HPGe 244 Trên Hình 7.15 phổ xạ gamma 48Ti(n, γ)49Ti Để đánh giá chất lượng đỉnh, người ta thường dùng tỷ số diện tích đỉnh phơng Phổ xạ gamma Hình 7.15 cho thấy: phơng Compton lớn phức tạp khơng đơn giảm tuyến tính theo chiều tăng lượng Số lượng đỉnh lớn, có đỉnh đơn đơi mạnh, nhiều mạnh hẳn đỉnh hấp thụ tồn phần có lượng gần kề Như vậy, việc xác định chuyển dời có cường độ nhỏ chịu hai nguồn sai số lớn: sai số phơng sai số có chuyển dời mạnh ảnh hưởng tới 7.4.2 Phổ kế gamma phản trùng phùng Phổ kế gamma phản trùng phùng có cấu tạo đơn giản Hình 7.16 Hệ gồm detector chính, detector phụ bao quanh khối điện tử để điều khiển trình ghi xạ gamma theo tín hiệu từ detector Chì che chắn Nguồn Chì che chắn Detector phụ Detector AntiCoincidence Detector phụ Hình 7.16 Phổ kế phản trùng phùng giảm phơng Compton Hệ gồm detector nhiều detector phụ bao xung quanh Nguyên tắc hoạt động hệ sau: xạ gamma tán xạ Compton khỏi detector detector phụ bao quanh ghi nhận Tín hiệu từ detector bao quanh đến mạch điện tử tạo sung logic, khố khơng cho ghi nhận xung từ detector khoảng thời gian tuỳ thuộc vào độ phân giải thời gian hệ Như vậy, việc ghi nhận thực có tín hiệu từ detector mà khơng có tín hiệu từ 245 detector phụ Nếu từ detector xung quanh khơng có xung ra, xung từ detector ghi (được coi tương ứng với hấp thụ hoàn toàn) Như vậy, khối anticoincidence cho phép khối ADC biến đổi tín hiệu tín hiệu detector xuất Để nâng cao khả giảm phông cần ý đến hai vấn đề quan trọng sau: - Hệ detector bao quanh có hiệu suất ghi cao tốt Các detector phụ ghi phần trăm số xạ gamma sau tán xạ Compton tức hệ giảm phông nhiêu phần trăm - Hệ cần che chắn kỹ phơng gamma đâu vào detector phụ dẫn tới giảm khả ghi đo kiện có ích xuất trùng phùng ngẫu nhiên 7.4.3 Phổ kế Compton Tán xạ Compton sử dụng theo cách khác để đo lượng xạ tia gamma Khi xạ gamma tới có lượng h0 tương tác với vật liệu làm tinh thể detector theo hiệu ứng tán xạ Compton, lượng electron giật lùi (detector hấp thụ phần lượng này) tương ứng với xạ gamma tán xạ bay với góc θ cố định xác định sau:   Ee  h 1   (MeV)    (1  cos  )  với   (7.4) h ; m0 c  0, 511MeV m0 c Cịn xạ gamma tán xạ Compton bay có lượng sau: E '  h (MeV)   (1  cos  ) (7.5) 246 Như vậy, lượng electron giật lùi phụ thuộc vào lượng h0 xạ gamma tới góc tán xạ θ khơng đổi Việc xây dựng hệ đo theo định hướng cho phép giảm phơng tán xạ Compton Trên Hình 7.17 cách bố trí detector hệ phổ kế Compton Chì che chắn Detector I Nguồn Chì che chắn Detector II Hình 7.17 Cách bố trí detector phổ kế Compton Hai detector I II đặt cho đường thẳng nối hai tâm hai tinh thể tạo thành góc θ với phương chùm tia gamma ban đầu Detector I gọi detector phân tích, ghi nhận electron giật lùi hiệu ứng tán xạ Compton Detector II gọi detector điều khiển, ghi nhận xạ gamma tán xạ từ detector I với góc tán xạ θ Quá trình tạo xung detector I II gần đồng thời Do vậy, ứng dụng tính chất trùng phùng để phân tích, lựa chọn xung electron giật lùi có xạ gamma tán xạ bay với góc θ gây nên Năng lượng electron giật lùi phụ thuộc đơn trị vào lượng xạ gamma ban đầu, góc tán xạ cố định nên xác định lượng xạ gamma ban đầu theo lượng electron giật lùi Trên Hình 7.18 phổ minh họa khả giảm phông phổ kế Compton với detector nhấp nháy NaI(Tl) 247 Mn54 Cs137 6 50 100 150 Số kênh a) 200 Cs137 50 100 150 Số kênh b) 200 Mn54 50 50 100 100 150 200150 Số kênh 5050100 100 150 Số kênh 150 200 Hình 7.18 Phổ đo với phổ kế đơn tinh thể (a, b) phổ đo với phổ kế Compton (c, d) 137Cs 54Mn 7.4.4 Phổ kế tạo cặp Trong số trường hợp ghi nhận xạ gamma lượng lớn, sử dụng phổ kế tạo cặp để nâng cao hiệu suất ghi giảm bớt phơng Q trình vật lý xảy detector ghi nhận sau: Hiện tượng tạo cặp electron - positron xảy detector, mật độ chất tạo nên detector cao nên sau lượng, positron nhanh chóng bị hủy cặp tạo nên hai xạ gamma 0,511 MeV bay ngược chiều Nếu đặt cặp detector 248 ngược 180 bao quanh detector tượng tạo cặp xảy ra, detector ghi nhận cho xung điện có biên độ tỷ lệ với E - 1,022 MeV (nếu hai xạ gamma hủy cặp 0,511 MeV bay khỏi detector) E - 0,511 MeV (nếu xạ gamma 0,511 MeV bay khỏi detector) E (nếu khơng có γ xạ gamma 0,511 MeV bay khỏi detector chính) Như vậy, lựa chọn cách ghi nhận xung điện từ cặp detector đối diện (tương ứng xạ gamma 0,511 MeV) mở khoá trùng phùng cho phép phân tích biên độ xung từ detector Chỉ xung có biên độ tương ứng với lượng E - 1,022 MeV (tương ứng với tượng cặp xảy ra) ghi nhận Điều cho phép giảm hồn tồn phơng Compton, đỉnh đơn đỉnh hấp thụ tồn phần phổ gamma thu Như vậy, phổ gamma đơn giản nhiều xử lý phổ cần cộng thêm 1,022 MeV vào vị trí đỉnh Một số nhược điểm loại phổ kế sau: - Chỉ ghi nhận xạ gamma có lượng cao 2,5 MeV cho dù mặt lý thuyết, tượng tạo cặp xảy xạ gamma có lượng lớn 1,022 MeV; - Hiệu suất ghi thấp ghi đo trình trùng phùng detector; - Trùng phùng ngẫu nhiên cao hệ detector bố trí gần kênh neutron, cửa sổ thời gian trùng phùng phải đặt cỡ µs để đáp ứng detector nhấp nháy (thời gian phát sáng detector nhấp nháy NaI(Tl) vào khoảng 0,25 µs) đặt quanh detector ghi nhận 7.4.5 Phổ kế trùng phùng gamma - gamma Hệ phổ kế trùng phùng khắc phục nhược điểm phông Compton, cho phép đo đạc mang lại nhiều thông tin mức lượng trung gian Phương pháp trùng phùng γ-γ 249 Hoogenboom đề xuất thử nghiệm từ năm 1958 Trong nghiên cứu này, tác giả xây dựng hệ đo dựa detector nhấp nháy thử nghiệm nguồn 60Co, 22Na phản ứng 24Mg(p, 2)25Al 29Si(p, 2)30P Kết cho thấy hiệu phương pháp nghiên cứu xây dựng sơ đồ phân rã hạt nhân Hình 7.19 sơ đồ nguyên lý hệ trùng phùng Hoogenboom thiết kế CR1 CR2 tinh thể nhấp nháy; PM1 PM2 ống nhân quang; CF lối catốt ống nhân quang CF1a PM1 CR1 Nguồn Nguyên tắc hoạt động hệ sau: tín hiệu từ lối catốt CF1a CF2a khuếch đại Amp.1, Tín hiệu từ lối Amp.1 đưa vào khối phân tích đa kênh để phân tích biên độ, tín hiệu từ lối Amp.2 đưa vào dao động ký để quan sát Để điều khiển q trình phân tích, tín hiệu từ lối CF1b CF2b cộng mạng điện trở R1, R2 RV1 Tín hiệu sau cộng khuếch đại khuếch đại tổng (Amp Sum), sau đưa vào khối phân biệt ngưỡng tổng (D.D Sum) hình thành xung đóng mở cổng để điều khiển q trình phân tích biên độ CF2a CR2 PM2 CF1b CF2b R1 RV1 R2 Amp Sum Amp.1 Amp.2 D.D Sum Gate MCA MONITOR Hình 7.19 Sơ đồ hệ trùng phùng Hoogenboom thiết kế 250 Do cách thiết kế nên việc lựa chọn tín hiệu trùng phùng phụ thuộc vào mạng điện trở điều chỉnh chiết áp RV1, hệ hoạt động hệ trùng phùng chậm có thời gian phân giải cỡ s 7.4.6 Hệ đo trùng phùng Viện nghiên cứu hạt nhân Hệ trùng phùng Viện nghiên cứu hạt nhân (NCHN) xây dựng từ năm 2003, sở thực đề tài, luận án, nhằm phục vụ nhu cầu nghiên cứu số liệu hạt nhân Qua nhiều thời kỳ thay đổi để phù hợp, tăng hiệu suất ghi nhận độ tin kết phép đo, đến cuối năm 2012, hệ trùng phùng Viện NCHN có sơ đồ Hình 7.20 AMP1 ADC1 I HPGe1 N FFT1 T CFD1 E HV COIN R PC HPGe2 F FFT2 CFD2 DELAY A C AMP2 ADC2 E Hình 7.20 Hệ trùng phùng gamma – gamma Viện NCHN Trong đó: ADC1 ADC2: Khối biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (Analog Digital Converter) AMP1, AMP2: Các khối khuyếch đại phổ (Amplifier) 251 FFT1, FFT2: Các khối khuyếch đại lọc lựa thời gian nhanh (Fast Filter Amplifier) CFD1, CFD2: Các khối phân biệt ngưỡng (Constant Fraction Discriminator) DELAY: Khối làm trễ COIN: Khối trùng phùng nhanh Interface: Khối thu nhận liệu từ hai ADC ghép với máy tính Nguyên tắc hoạt động hệ sau: Các tín hiệu xuất lối E (Energy) từ hai detector detector đưa tới lối vào hai khuếch đại phổ AMP1 AMP2 Đồng thời tín hiệu từ hai lối T (Timing) đưa vào hai khối FFT1 FFT2 Tín hiệu lối hai khối khuyếch đại nhanh tiếp tục đưa vào hai phân biệt ngưỡng CFD1 CFD2 Tín hiệu lối hai khối phân biệt ngưỡng nhanh đưa đến hai lối vào khối trùng phùng, có đường tín hiệu làm trễ nhằm tạo nên đồng hai đường truyền (do khối điện tử làm lệch trước tới khối trùng phùng nhanh) Trong trường hợp hai tín hiệu xuất đồng thời lối khối trùng phùng có xung Xung tác động vào Gate ADC phép hai ADC biến đổi, hai ADC biến đổi xung sau khuếch đại phổ thành giá trị mã biên độ Máy tính ghi hai giá trị nhờ card giao diện làm trung gian kết nối ADC máy tính Sau máy tính ghi xong số liệu, hai ADC trở trạng thái chờ xung trùng phùng Hai ADC khơng làm việc chưa có xung trùng phùng tác động vào cửa Gate cho dù có xung tác động lối vào phân tích Số liệu ghi viết thành hai cột A1(n) A2(n) tương ứng với biên độ cặp xung trùng phùng Trong giá trị A1(n) A2(n) mã biên 252 độ hai xung tới từ detector detector tương ứng, n số thứ tự cặp kiện trùng phùng tính từ thời điểm bắt đầu đo Từ số liệu (mã biên độ) thu được, sau sử dụng chương trình xử lý số liệu ta thu thông tin cần thiết lượng, cường độ chuyển dời Một cách thiết lập khác hệ trùng phùng Viện NCHN khối trùng phùng thay khối TAC bổ sung thêm ADC để phân tích biên độ ứng với độ chênh thời gian kiện lối TAC Do vậy, tập tin số liệu hai cột ghi code biên độ cặp kiện trùng phùng có thêm cột thứ ba ghi độ chênh thời gian xuất kiện Như phép đo, ta thu đồng thời lượng thời gian sống Sử dụng TAC thay cho khối trùng phùng có thêm sở để chọn lựa thông tin mặt thời gian, cho phép người xử lý chọn kiện theo tương quan thời gian khác từ tập số liệu đo 253 BÀI TẬP CHƯƠNG 7.1 Detector nhấp nháy hoạt động điện áp cố định thu nhận phổ biên độ vi phân hình: dN/dH H a) Vẽ phổ biên độ tích phân tương ứng b) Phác họa đường cong số đếm thu thay đổi điện áp đặt vào đầu đo ngưỡng đo đếm 7.2 Giả sử thực nghiệm hệ phổ kế gamma đơn detector thu kết sau: Năng lượng (keV) 121 661 835 1173 1332 Vị trí kênh 123 672 849 1190 1354 Phân giải lượng (keV) 1,6 1,6 1,7 1,9 2,2 Xây dựng hàm chuẩn lượng hàm chuẩn độ rộng hệ phổ kế 7.3 Hãy vẽ phổ biên độ vi phân tích phân (sử dụng thước đo tỷ lệ trục hoành) trường hợp sau: a) Các xung có biên độ đơn 1V b) Các xung phân bố biên độ từ đến V 254 c) Các xung phân bố xung quanh biên độ trung bình 1,5 V có độ phân giải biên độ xung 8% 7.4 Hệ phổ kế gamma cần ghi nhận hai đỉnh lượng gamma 435 keV 490 keV Để đáp ứng khả phân giải lượng, độ phân giải lượng hệ phổ kế tối thiểu phải (dưới dạng %)? 7.5 Tìm góc khối bao bề mặt detector hình trụ đường kính 10 cm, nguồn điểm đặt cách bề mặt detector 20 cm dọc theo trục hình trụ 255 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt (Theo thứ tự A, B, C) [1] Đào Tiến Khoa (2010), Vật lý hạt nhân đại, Phần I, NXB Khoa học Kỹ thuật [2] Hoàng Hữu Thư (1972), Các giảng cấu trúc hạt nhân, NXB Đại học trung học chuyên nghiệp [3] Ngô Quang Huy (2006), Cơ sở vật lý hạt nhân, NXB Khoa học Kỹ thuật [4] Nguyễn Đức Hoà (2012), Điện tử hạt nhân, NXB Giáo Dục Tiếng nước [5] Aage Bohn, Ben R Mottelson (1975), Nuclear structure, Volume I, W A Benjamin, INC [6] Glenn F Knoll (1989), Radiation detection and measurement, John Wiley & Sons, 2nd edition [7] J M Blatt and V F Weisskopf (1952), Theoretical Nuclear Physics, John Wiley and Sons, Newyork [8] John R Lamarsh and Anthony J Baratta (1982), Introduction to nuclear engineering, 3rd edition, Addison Wesley Publishing company [9] Mulkhin K N (1987), Experimental Nuclear Physics, Vol I, Mir Publishers, Moscow, Russia 256 ... 13 12 238 Pu/Be 87,4 năm 5,48 79 - - - 5,48 82 70 14 15 -2 3 24 1 Am/Be 433 năm 24 4 Cm/Be 18 năm 5,79 100 - 18 29 24 2 Cm/Be 1 62 ngày 6,10 118 106 22 26 Ra/Be 16 02 năm Đa 5 02 - 26 3 3-3 8 Ac/Be 21 ,6... 32 P 14 ,28 ngày 1,710 33 P 24 ,4 ngày 0 ,24 8 35 S 87,9 ngày 0,167 36 Cl 3,08 × 105 năm 0,714 45 Ca 165 ngày 0 ,25 2 92 ngày 0,067 27 ,7 năm 0,546 Y 64 2, 27 Tc 2, 12 × 105 năm 0 ,29 2 2, 62 năm 0 ,22 4 3,81... gamma mặt đất, tính phóng xạ hạt mẹ nhận dạng chuỗi thorium: 22 8Ac, 22 4Ra, 21 2Bi, 21 2 Pb, 20 8Tl; chuỗi uranium: 22 8Ra, 21 4Bi, 21 4Pb Bên cạnh phóng xạ tự nhiên với vật liệu thơng thường, phơng