(Luận văn thạc sĩ) chế tạo hệ thống đầu dò điều khiển từ xa cho các thí nghiệm về phóng xạ ở phổ thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SỰ PHẠM TPHCM KHOA VẬT LÝ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Sư Phạm Vật Lý Đề tài: CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐẦU DỊ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA CHO CÁC THÍ NGHIỆM VỀ PHĨNG XẠ Ở PHỔ THƠNG Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Anh Đức Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quốc B Khóa: 42 TP.HCM, tháng 07 năm 2020 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích đề tài Cách tiếp cận Phương pháp nghiên cứu Cấu trúc khóa luận CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .2 1.1 Lý thuyết phóng xạ .2 1.1.1 Các hạt alpha (α)α)) 1.1.2 Các hạt Beta (α)β), positron, neutrino), positron, neutrino 1.1.3 Tia gamma tia Roentgen 1.1.4 Proton neutron (α)nuclon) 1.1.5 Mezon 1.1.6 Tương tác xạ với vật chất .7 1.1.7 Lý thuyết ống đếm phóng điện qua khí 16 1.2 Giới thiệu máy Ludlum Model 2200 đầu dò nhấp nháy Model 44-10 48 1.2.1 Máy Ludlum Model 2200 49 1.2.2 Đầu dò nhấp nháy model 44-10 51 1.3 Đầu dò Geiger-Muller SBT11A 52 1.3.1 Lịch sử phát triển 52 1.3.2 Cấu tạo đầu dò 53 1.3.3 Ưu điểm loại ống đếm 53 1.3.4 Nhược điểm 53 1.4 Nguồn phóng xạ sử dụng thí nghiệm 54 1.5 Lý thuyết mạch vi xử lý Arduino 55 1.5.1 Giới thiệu 55 1.5.2 Các phần mạch 56 1.5.3 Chức (α)vai trò) mạch Arduino hệ thống máy đếm 57 1.5.4 Ngơn ngữ lập trình 57 1.6 Kết luận chương 57 CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 58 2.1 Phần cứng 58 2.1.1 Đầu dò Geiger-Muller SBT 11A 58 2.1.2 Mạch tăng áp 12V-400V-DC 59 2.1.3 Mạch hiển thị LCD – LCD2004 60 2.1.4 Mạch chuyển tiếp cho LCD2004 sang I2C 62 2.1.5 Động bước 63 2.1.6 Mạch điều khiển động bước 64 2.1.7 Vi xử lý Arduino Uno 65 2.1.8 Sơ đồ mạch điện hệ thống 66 2.2 Phần mềm 67 2.3 Kết luận chương 67 CHƯƠNG III: TIẾN HÀNH ĐO ĐẠC VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU 68 3.1 Đo thay đổi cường độ phóng xạ vào khoảng cách 68 3.1.1 Đo máy LUDLUM MODEL 2200 68 3.1.2 Đo hệ thống 70 3.1 Đo khả đâm xuyên tia phóng xạ qua vật liệu 72 3.2.1 Các bước tiến hành 72 3.2.2 Kết quả: Đo với nguồn phóng xạ Cs137 72 3.3 Ưu điểm 75 3.4 Nhược điểm 75 3.5 Hướng phát triển sau 75 3.6 Kết luận chương 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 I Tiếng Việt 77 II Tiếng Anh 77 III Internet 77 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Các mức lượng kích thích hạt nhân Ni Hình 2: Qng chạy hạt alpha khơng khí phụ thuộc vào lượng .7 Hình 3: Sự phụ thuộc số cặp bị ion hóa với quãng chạy ……………………… Hình 4: Đặc trưng hấp thụ tia Beta ……………………………………………… Hình 5: Quy luật giảm cường độ xạ γ theo hàm mũ…………………………….10 Hình 6: Quá trình tương tác tia γ với nguyên tử .11 Hình 7: Quá trình xảy hiệu ứng quang điện………………………………… 13 Hình 8: Phổ lượng electron giật lùi……………………………… ….13 Hình 9: Sự phụ thuộc tiết điện tích phân hiệu ứng quang điện vào hν…………………… 14 Hình 10: Quá trình tạo cặp……………………………………………………………15 Hình 11: Tiết điện tương tác xạ Gamma Si Ge…………………….15 Hình 12: Ba hiệu ứng phụ thuộc vào điện tích Z chất hấp thụ………………………… 16 Hình 13: Sơ đồ mạch khuếch đại xung……………………………………………….19 Hình 14: Sự phụ thuộc biên độ xung vào thời gian t…………………………… 22 Hình 15: Sự phụ thuộc biên độ xung vào tăng thời gian………………………… 23 Hình 16: Sự phụ thuộc tốc độ đếm vào điện áp V……………………………………24 Hình 17: Thí nghiệm hạt cườm ………………………………………………………39 Hình 18: Trường hợp đếm khơng đếm ống đếm………………….33 Hình 19: Biên độ xung……………………………………………………………… 33 Hình 20: Hình ảnh đo xung dao động kí…………………………………………35 Hình 21: Sự phụ thuộc hiêu suất ghi xạ γ vào lượng chúng………… 44 Hình 22: Sự khác biệt loại trừ phơng nền……………………………………… 46 Hình 23: Đồ thị tương quan lnN khoảng cách d…………………………… 48 Hình 24: Sơ đồ mạch đo tuyệt đối……………………………………………………49 Hình 25: Cấu tạo mạch điện ống đếm Geiger-muller……………………………50 Hình 26: Bộ nguồn chuẩn RSS-8 ……………………………………………………51 Hình 27: Các tính chất Cs-137 ………………………………………………….51 Hình 28: Mạch arduino …………………………………………………………… 53 Hình 29: Các phần mạch……………………………………………… 53 Hình 30: SBT11A ………………………………………………………………… 56 Hình 31: Bản vẽ kĩ thuật SBT11A………………………………………………… 56 Hình 32: Sơ đồ mạch điện SBT11A …………………………………………………57 Hình 33: Mạch tăng áp ………………………………………………………………57 HÌnh 34: Sơ đồ mạch điện mạch tăng áp…………………………………………….58 Hình 35: Màn hình LCD …………………………………………………………….58 Hình 36: Bản vẽ kĩ thuật LCD……………………………………………………….59 Hình 37: Mạch chuyển tín hiệu………………………………………………………60 Hình 38: Sơ đồ mạch điện mạch chuyển tín hiệu……………………………………60 Hình 39: Động bước………………………………………………………………61 Hình 40: Bản vẽ kĩ thuật động bước…………………………………………… 61 Hình 41: Mạch điều khiển động bước TB6560 ………………………………….62 Hình 42: Sơ đồ mạch điện TB6560 …………………………………………………62 Hình 43: Arduino Uno ………………………………………………………………63 Hình 44: Sơ đồ mạch điện Arduino Uno ……………………………………………63 Hình 45: Mã code chạy hệ thống phần 1…………………………………………… 65 Hình 46: Mã code chạy hệ thống phần ……………………………………………65 60 Hình 47: Nguồn chuẩn Co hộp chì chứa nguồn ……………………………… 66 Hình 48: Đồ thị hàm số nội suy từ số liệu bảng ………………………………… 67 Hình 49: Đồ thị hàm số nội suy từ bảng ………………………………………….69 Hình 50: Đồ thị hàm số nội suy tính đâm xun qua chì ……………………… 71 Hình 51: Đồ thị hàm số nội suy tính đâm xun qua nhơm …………………… 71 Hình 52: Đồ thị hàm số nội suy tính đâm xuyên qua nhựa …………………… 72 DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Kết số liệu đo máy LUDLUM MODEL 2200 67 Bảng 2: Kết số liệu đo hệ thống …………………………….69 Bảng 3: Bảng số liệu xung đâm xuyên qua chì ………………………………………70 Bảng 4: Bảng số liệu xung đâm xuyên qua nhôm……………………………………71 Bảng 5: Bảng số liệu xung đâm xuyên qua nhựa…………………………………… 72 LỜI CẢM ƠN T ngày đầu thực luận văn đến hồn thành luận văn, trình cố gắng học tập làm việc nghiêm túc, sửa chữa thiếu sót trưởng thành lên ngày thân em Tuy nhiên, khơng thể có sản phẩm hồn chỉnh ngày hôm thiếu giúp đỡ, hỗ trợ, động viên tận tình q thầy cơ, bạn bè gia đình Vì vậy, xin cho phép em bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: - Thầy Th.S Lê Anh Đức, giảng viên trực tiếp hướng dẫn, hỗ trợ, dìu dắt em thực luận văn Với kinh nghiệm, nhiệt huyết lịng u nghề thầy truyền đạt tận tình cho em kiến thức chun mơn Thầy bảo cho em lúc khó khăn Những góp ý thầy thực quý báu giúp ích nhiều để em hồn thành luận văn tốt nghiệp - Quý thầy, cô giảng viên khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh dạy dỗ, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm, nhiệt huyết với nghề cho em bạn sinh viên khác suốt trình học tập trường Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn đến bạn bè, anh chị, ba mẹ truyền cảm hứng cho em để vượt qua lúc khó khăn TP.Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2020 Sinh viên Nguyễn Quốc B MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong sách giáo khoa Vật lý 12 khơng có thí nghiệm đo lường phát phóng xạ, để học sinh có nhìn trực quan phóng xạ Bằng thiết bị đơn giản, thực thiết kế thí nghiệm để phát tia phóng xạ, từ kiểm tra đặt trưng tia phóng xạ như: xạ nền, chu kì bán rã, phụ thuộc cường độ phóng xạ vào khoảng cách, Việc làm nhằm khai thác có hiệu khả vận dụng kiến thức học vào thực tế nâng cao hứng thú học tập học sinh Mục đích đề tài Chế tạo máy đếm tia phóng xạ đầu dị Geiger-Muller điều khiển tự động nhằm cho học sinh thực thí nghiệm phóng xạ Cách tiếp cận Tìm hiểu đầu giị Geiger-Muller Tìm hiểu vi xử lý Arduino Tìm hiểu lập sơ đồ cấu tạo hệ thống Chế tạo sản phẩm tiến hành thí nghiệm lấy kết Tiến hành thí nghiệm với so sánh kết quả, từ suy độ tin cậy, độ xác Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: - Đọc tài liệu có liên quan đến đầu giị Geiger-Muller vi xử lí Arduino Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: - Chế tạo sản phẩm - Tiến hành đo lường, rút kết đánh giá tính xác, khả ứng dụng thực tiễn hệ thống Cấu trúc khóa luận Chương I: Cơ sở lý thuyết Chương II: Thiết kế hệ thống Chương III: Tiến hành đo đạc, xử lý số liệu kết luận Chương I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Lý thuyết phóng xạ [1] Các phương pháp ghi nhận hạt nhân tia vũ trụ sử dụng ngày đa dạng vạn Đối với toán cần phải chọn phương pháp thích hợp Muốn nhà thực nghiệm phải có hiểu biết tính chất vật lý đối tượng cần ghi nhận, nguồn gốc xạ hạt nhân tính chất chung chúng Phần trình bày vấn đề nói 1.1.1 Các hạt alpha (α)α)) Các hạt α) hạt hạt nhân nguyên tử Heli (α) He) chất phóng xạ phát Trong hạt nhân nặng phóng xạ tự nhiên, có nhiều hạt nhân, U, Th, Ra, v.v…, có tính chất phóng xạ α) Các hạt α) phát từ số chất phóng xạ nhân tạo Những chất nằm cuối bảng tuần hoàn nguyên tố (α)Gd, Tb, Pu, Am, v.v…) Năng lượng hạt α) phát hạt nhân phóng xạ khác năm vùng từ đến MeV Các vị phóng xạ khác phát nhóm hạt α) đơn Năng lượng nhóm hạt α) cho phụ thuộc vào trạng thái lượng hạt nhân phát xạ hạt nhân sản phẩm phân rã Theo đó, hạt α) đơi cịn gọi hạt có qng chạy ngắn quãng chạy dài so với hạt tạo thành chuyển từ trạng thái hạt nhân mẹ vể trạng thái hạt nhân Chẳng hạn, hạt α) xuất kết phân rã α) từ trạng thái kích thích hạt nhân mẹ trạng thái hạt nhân có lượng lớn Các hạt α) gọi hạt α) quãng chạy dài Các hạt α) quãng chạy ngắn gọi hạt xuất chuyển dời từ trạng thái hạt nhân mẹ trạng thái kích thích hạt nhân 1.1.2 Các hạt Beta (α)β), positron, neutrino), positron, neutrino Các electron phát phân rã hạt nhân phóng xạ gọi hạt β), positron, neutrino Khác với phổ lượng gián đoạn hạt α), phổ lượng hạt β), positron, neutrino phổ liên tục Năng lượng chúng thay đổi từ đến giá trị giới hạn - Egh đặc trưng cho đồng vị phóng xạ Thí dụ, lượng cực đại phổ β), positron, neutrino 32 14 P 1,7 MeV, C 0,155 MeV Năng lượng giới hạn nhỏ - biết ngày lượng hạt β), positron, neutrino triti phát (α) H, Egh=18 keV) + + Các positron chất phóng xạ phát gọi hạt beta cộng β), positron, neutrino ; phổ β), positron, neutrino liên tục, thay đổi từ đến giá trị cực đại đó, đặc trưng cho đồng vị + Thông thường hạt β), positron, neutrino đồng vị có khơng đủ neutron so với vị bền nguyên tố phát Người ta biết nhiểu đồng vị có khả phát 64 positron lẫn electron Một đồng vị Cu Trong phân rã đồng vị này, electron positron phát với cường độ gần Electron positron có khối lượng có điện tích đơn vị (α)của electron điện tích âm, positron điện tích dương) Khối lượng tĩnh hạt này, biểu diễn đơn vị lượng (α)moc ), có giá trị 511keV - + Dạng liên tục phổ β), positron, neutrino β), positron, neutrino giải thích là, phân rã beta hạt nhân phóng xạ khơng phải có mà hai hạt phát Hạt thứ hai + - neutrino phân rã β), positron, neutrino phản neutrino phân rã β), positron, neutrino Năng lượng phân rã, vậy, phân bố ba hạt: hạt β), positron, neutrino, neutron (α)hoặc phản neutron hạt nhân hạt thu lượng giật lùi nhỏ Neutrino hạt khơng có điện tích Giới hạn đo thực nghiệm giá trị khối lượng 2000 me, me khối lượng electron Neutrino Pauli đưa để giải thích phổ lượng liên tục hạt beta, Fermi sử dụng để xây dựng lý thuyết phân rã beta Theo lý thuyết này, khối lượng neutrino phải không Có thể thu electron nhanh máy gia tốc: betatrôn cho electron lượng hàng chục MeV; xincrơươn cho electron lượng hàng trăm hàng nghìn MeV máy gia tốc thẳng Các cặp electron positron tạo thành tương tác tia gamma lượng cao (α)hơn 1,022MeV) với vật chất Electron positron ln ln có mặt thành phần mềm tia vũ trụ 1.1.3 Tia gamma tia Roentgen Mỗi động tác phân rã phóng xạ phát hạt tích điện dẫn tới hình thành hạt nhân sản phẩm phân rã Thường hạt nhân hình thành trạng thái kích thích.Thời gian tồn hạt nhân trạng thái kích thích khác Nó có giá trị đo đơn vị ngày, giờ, phút phần nhỏ giây Trong nhiều trường hợp, hạt nhân sản phẩm phân rã bị kích thích chuyển trạng thái cách tức thời sau động tác phân rã -13 -8 (α)sau 10 -10 s) kèm theo giải phóng lượng dư Chuyển dời từ trạng thái kích thích thường xảy theo kiểu nhảy bậc qua trạng thái kích thích trung gian với lượng nhỏ Hình mô tả sơ đồ mức (α)tức trạng thái) hạt nhân 60 Ni bị kích thích tạo thành kết phân rã hạt nhân 60 Co