Giáo trình cơ sở vật lý hạt nhân

NGUYỄN AN SƠN CƠ SỞ VẬT LÝ HẠT NHÂN NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Lời mở đầu Kỹ thuật hạt nhân ngành học sử dụng chùm xạ đời sống theo hai hình thức: phi lượng lượng Gần đây, Việt Nam triển khai đào tạo ngành Kỹ thuật hạt nhân nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển nguồn nhân lực lĩnh vực lượng nguyên tử, đáp ứng an toàn lượng quốc gia ngành ứng dụng chùm xạ phi lượng phục vụ cho phát triển kinh tế, xã hội đất nước Về ứng dụng lượng hạt nhân, kỹ thuật hạt nhân cung cấp nguồn lượng vô lớn quan trọng tồn cầu, khơng gây vấn đề phát thải khí nhà kính, nhiễm khơng khí, ; phi lượng hạt nhân sử dụng nhiều lĩnh vực ứng dụng chùm xạ y học, nông nghiệp, công nghiệp, Vật lý hạt nhân môn học bắt buộc cho sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật hạt nhân trường đại học giới Cuốn sách Cơ sở Vật lý hạt nhân biên soạn theo chương trình cho sinh viên đại học hệ kỹ sư chuyên ngành Kỹ thuật hạt nhân, Trường Đại học Đà Lạt Sách sử dụng làm tài liệu cho sinh viên ngành học khác Vật lý tổng hợp, Sư phạm vật lý, Vật lý hạt nhân trường đại học cao đẳng Nội dung sách gồm chương, biên soạn để phục vụ giảng dạy từ 45 tiết  60 tiết lý thuyết Chương Trình bày tính chất hạt nhân nguyên tử Các vấn đề về: Cấu tạo hạt nhân nguyên tử, Khối lượng nguyên tử khối lượng phân tử, Bán kính nguyên tử, Trạng thái kích thích phát xạ nguyên tử, thành phần hạt nhân, Khối lượng lượng liên kết hạt nhân, Năng lượng liên kết, Độ chẵn lẻ, spin, spin hạt nhân đề cập chương i Chương Trình bày số mẫu cấu trúc hạt nhân thường dùng để tính tốn, dự đốn cấu trúc hạt nhân từ kết phản ứng hạt nhân thực nghiệm Các mẫu cấu trúc bao gồm: Mẫu giọt, Mẫu khí Fermi, Mẫu lớp hạt nhân, Mẫu suy rộng Chương Trình bày kiến thức Phản ứng hạt nhân Nội dung gồm: Phân loại phản ứng, Các định luật bảo toàn phản ứng hạt nhân, Năng lượng phản ứng, Phản ứng hạt nhân hợp phần Chương Trình bày dạng Phân rã phóng xạ Trong chương này, vấn đề: Độ bền hạt nhân trình phân rã phóng xạ, Các đặc trưng tượng phóng xạ, Các dạng phân rã phóng xạ như: Phân rã alpha, Phân rã beta, Dịch chuyển gamma trình bày chi tiết Chương Trình bày số nguồn xạ, phơng phóng xạ nguồn phóng xạ dùng phịng thí nghiệm như: Nguồn phát beta, Nguồn phát hạt nặng mang điện, Nguồn xạ gamma, Nguồn neutron Chương Trình bày tương tác xạ với vật chất Các vấn đề sau trình bày rõ gồm: Tương tác hạt nặng tích điện với vật chất, Tương tác electron với vật chất, Tương tác tia gamma với vật chất, Tương tác neutron với vật chất Chương Trình bày tương tác xạ gamma bên detector số hệ phổ kế gamma thường dùng đo đạc xạ nghiên cứu cấu trúc hạt nhân Các chương mục biên soạn từ lý thuyết đến số ứng dụng Nội dung sách tác giả tham khảo biên soạn từ tài liệu nước Đây lần xuất đầu tiên, sách cịn thiếu sót bố cục nội dung Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp đồng nghiệp, độc giả, nhà nghiên cứu em sinh viên ii MỤC LỤC Chương CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ 1.1 Các hạt 1.2 Cấu tạo hạt nhân nguyên tử 1.3 Khối lượng nguyên tử khối lượng phân tử 1.4 Bán kính nguyên tử 1.5 Khối lượng lượng 1.6 Bước sóng hạt 1.7 Trạng thái kích thích phát xạ nguyên tử 1.8 Tổng quan hạt nhân 11 1.8.1 Sự phát hạt nhân 11 1.8.2 Thành phần hạt nhân 12 1.9 Khối lượng lượng liên kết hạt nhân 13 1.9.1 Năng lượng liên kết 13 1.9.2 Kích thước hạt nhân 13 1.10 Độ chẵn lẻ, spin, spin đồng vị mô men điện từ 17 1.10.1 Độ chẵn lẻ spin hạt nhân 17 1.10.2 Spin đồng vị nucleon hạt nhân 18 1.10.3 Mô men điện từ hạt nhân 19 BÀI TẬP CHƯƠNG 22 Chương MỘT SỐ MẪU CẤU TRÚC HẠT NHÂN 24 2.1 Mẫu giọt 25 2.1.1 Công thức bán thực nghiệm Weizsacker 26 2.1.2 Phạm vi áp dụng mẫu giọt 31 2.1.3 Hạn chế mẫu giọt 36 2.2 Mẫu khí Fermi 37 iii 2.3 Mẫu lớp 40 2.3.1 Cơ sở thực nghiệm mẫu lớp hạt nhân 40 2.3.1.1 Sự biến đổi lượng liên kết 40 2.3.1.2 Sự phân bố nucleon 41 2.3.1.3 Quy luật phân rã alpha, beta 42 2.3.2 Nguyên tắc xây dựng mẫu lớp hạt nhân 43 2.3.2.1 Các nguyên tắc xây dựng mẫu lớp hạt nhân 43 2.3.2.2 Các sơ đồ cụ thể mẫu lớp hạt nhân 46 2.3.3 Các kết thực nghiệm mẫu lớp phạm vi ứng dụng 50 2.3.4 Nhược điểm mẫu lớp 53 2.4 Mẫu suy rộng 54 2.4.1 Trạng thái đơn hạt hố không đối xứng cầu 57 2.4.2 Trạng thái quay 60 2.4.3 Các mức dao động 63 2.4.4 Dao động tất nucleon hạt nhân Các cộng hưởng khổng lồ 63 2.4.5 Phạm vi ứng dụng mẫu suy rộng 68 2.5 Mẫu hạt nhân siêu chảy 69 BÀI TẬP CHƯƠNG 73 Chương PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 74 3.1 Nghiên cứu hạt nhân phản ứng hạt nhân 74 3.2 Phân loại phản ứng 75 3.2.1 Định nghĩa phản ứng hạt nhân 75 3.2.2 Ký hiệu phản ứng kênh phản ứng 75 3.3 Các định luật bảo toàn phản ứng hạt nhân 76 3.3.1 Định luật bảo toàn điện tích số nucleon 76 3.3.2 Định luật bảo toàn lượng xung lượng 78 3.3.2.1 Năng lượng phản ứng 78 iv 3.3.2.2 Sơ đồ lượng phản ứng lượng ngưỡng phản ứng Endo 80 3.3.3 Định luật bảo tồn mơ men động lượng 83 3.3.4 Định luật bảo toàn chẵn lẻ 86 3.3.5 Định luật bảo toàn spin đồng vị 86 3.4 Lý thuyết hạt nhân hợp phần 86 3.4.1 Hạt nhân trung gian 86 3.4.2 Các mức hạt nhân hợp phần 89 3.5 Tiết diện phản ứng hạt nhân Công thức Breigh - Wigner 93 BÀI TẬP CHƯƠNG 103 Chương PHÂN RÃ PHÓNG XẠ 104 4.1 Độ bền hạt nhân q trình phân rã phóng xạ 104 4.2 Các đặc trưng tượng phóng xạ 105 4.2.1 Phương trình tượng phóng xạ 106 4.2.2 Độ phóng xạ 108 4.2.3 Phương pháp xác định số phân rã  thực nghiệm 108 4.3 Các dạng phân rã phóng xạ 110 4.3.1 Phân rã alpha 110 4.3.2 Phân rã beta 121 4.3.3 Dịch chuyển gamma 135 BÀI TẬP CHƯƠNG 147 Chương NGUỒN BỨC XẠ 148 5.1 Bức xạ phông 149 5.1.1 Phóng xạ vật liệu thông thường 149 5.1.2 Phóng xạ khơng 151 5.2 Nguồn phát electron nhanh 152 5.2.1 Phân rã beta 152 5.2.2 Nguồn biến hoán 154 v 5.2.3 Electron Auger 156 5.3 Nguồn phát hạt nặng mang điện 157 5.3.1 Nguồn phát alpha 157 5.3.2 Phân hạch tự phát 158 5.4 Nguồn xạ gamma 161 5.4.1 Bức xạ Gamma phát sau phân rã beta 161 5.4.2 Bức xạ hủy cặp 163 5.4.3 Bức xạ gamma sinh từ phản ứng hạt nhân 164 5.4.4 Bức xạ hãm 165 5.4.5 Tia X đặc trưng 165 5.4.6 Kích thích phân rã phóng xạ 166 5.4.7 Kích thích xạ 168 5.5 Nguồn neutron 171 5.5.1 Phân hạch tự phát 171 5.5.2 Các nguồn (α, n) đồng vị phóng xạ 173 5.5.3 Các nguồn quang neutron 177 5.5.4 Phản ứng từ hạt mang điện gia tốc 180 BÀI TẬP CHƯƠNG 182 Chương TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ VỚI VẬT CHẤT 184 6.1 Tương tác hạt nặng tích điện với vật chất 184 6.1.1 Độ lượng riêng 184 6.1.2 Quãng chạy hạt tích điện vật chất 190 6.1.3 Tương tác electron với vật chất 193 6.1.3.1 Độ lượng riêng electron 193 6.1.3.2 Độ ion hóa riêng 194 6.1.3.3 Bức xạ hãm 195 6.1.3.4 Quãng chạy electron vật chất 198 6.2 Tương tác tia gamma với vật chất 201 vi 6.2.1 Sự suy giảm xạ gamma qua vật chất 201 6.2.2 Các chế tương tác xạ gamma với vật chất 206 6.2.2.1 Hiệu ứng quang điện 206 6.2.2.2 Hiệu ứng Compton 210 6.2.2.3 Tạo cặp electron - positron 213 6.2.2.4 Tổng hợp hiệu ứng gamma tương tác với vật chất 215 6.3 Tương tác neutron với vật chất 217 6.3.1 Các loại tương tác neutron với vật chất 217 6.3.2 Sự suy giảm chùm neutron qua vật chất 218 6.3.3 Làm chậm neutron tán xạ đàn hồi 219 6.3.3.1 Khả làm chậm vật liệu 219 6.3.3.2 Độ dài làm chậm độ dài khuếch tán neutron 221 6.3.4 Hấp thụ neutron 223 BÀI TẬP CHƯƠNG 224 Chương TƯƠNG TÁC BỨC XẠ GAMMA TRONG DETECTOR VÀ MỘT SỐ HỆ PHỔ KẾ GAMMA THƯỜNG DÙNG 225 7.1 Các tương tác tia gamma bên detector 225 7.1.1 Hấp thụ quang điện 225 7.1.2 Tán xạ Compton 227 7.1.3 Hiện tượng tạo cặp 228 7.2 Các hàm đặc tuyến bên detector 229 7.2.1 Các detector nhỏ 229 7.2.2 Các detector lớn 231 7.2.3 Các detector kích thước trung bình 232 7.3 Một số loại detector thông dụng 235 7.3.1 Detector chứa khí 235 7.3.2 Detector nhấp nháy 238 vii 7.3.3 Detector bán dẫn 240 7.4 Các loại phổ kế ghi đo xạ gamma thường dùng 243 7.4.1 Phổ kế gamma sử dụng detector 243 7.4.2 Phổ kế gamma phản trùng phùng 245 7.4.3 Phổ kế Compton 246 7.4.4 Phổ kế tạo cặp 248 7.4.5 Phổ kế trùng phùng gamma - gamma 249 7.4.6 Hệ đo trùng phùng Viện nghiên cứu hạt nhân 251 BÀI TẬP CHƯƠNG 254 TÀI LIỆU THAM KHẢO 256 viii 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 PM CR1 Ngu ồn 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 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 CR2 CF1b CF2a PM CF2b R1 RV1 R2 Amp Sum Amp.1 Amp.2 D.D Sum Gat e M CA M ONITOR 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 AM P1 ADC1 I HPGe1 N FFT1 T CFD1 E HV COIN R PC HPGe2 F FFT2 CFD2 DELAY A C AM P2 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 không 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 cịn 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 LI ỆU 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 ... nghiệp, công nghiệp, Vật lý hạt nhân môn học bắt buộc cho sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật hạt nhân trường đại học giới Cuốn sách Cơ sở Vật lý hạt nhân biên soạn theo chương trình cho sinh viên...  Độ chẵn lẻ spin hạt nhân hai số lượng tử quan trọng đặc trưng cho cấu trúc hạt nhân trạng thái vật lý Đây hai đại lượng vật lý ln bảo tồn trình biến đổi hạt nhân gây lực hạt nhân 1.10.2 Spin... học hệ kỹ sư chuyên ngành Kỹ thuật hạt nhân, Trường Đại học Đà Lạt Sách sử dụng làm tài liệu cho sinh viên ngành học khác Vật lý tổng hợp, Sư phạm vật lý, Vật lý hạt nhân trường đại học cao đẳng