Thiết kế các bài thí nghiệm cho phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân

Thiết kế các bài thí nghiệm cho phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  VÕ THỊ TUYẾT PHƯỢNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Vật lý Hạt Nhân Người hướng dẫn: ThS Hồng Đức Tâm TP Hồ Chí Minh, 5/2010 LỜI CẢM ƠN Trong trình thực hồn thành khóa luận này, ngồi nỗ lực cá nhân, em nhận giúp đỡ nhiệt tình lời động viên q thầy Khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành việc đo đạc thực nghiệm Xin cho em bày tỏ lòng biết ơn đến thầy Hồng Đức Tâm, thầy tận tình hướng dẫn em, truyền thụ cho em kiến thức để hoàn thành tốt khóa luận Em xin cảm ơn đến thầy Trần Thiện Thanh – giảng viên Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên giúp đỡ em truyền đạt kiến thức thực nghiệm hạt nhân để em hồn thành luận văn Xin cảm ơn gia đình sát cánh bên suốt thời gian học đại học, chỗ dựa tinh thần cho Cảm ơn tập thể lớp Cử nhân lý khóa 32 ln bên cạnh giúp đỡ lúc khó khăn động viên em suốt thời gian làm luận Võ Thị Tuyết Phượng MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày việc triển khai ứng dụng Vật lý hạt nhân lĩnh vực đời sống quan tâm hiệu lợi ích mà đem lại Bên cạnh nước ta chuẩn bị xây dựng nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận Do việc chuẩn bị nguồn nhân lực cần thiết Hiện tại, trường đại học nước đào tạo sinh viên chuyên ngành Vật lý hạt nhân có trường Đại học Sư phạm Tp.Hồ Chí Minh Để tạo điều kiện tốt cho sinh viên thực hành chuyên đề Vật lý hạt nhân trường xây dựng Phịng thí nghiệm Vật lý hạt nhân, nhằm phục vụ cho công tác thiết bị Phịng thí nghiệm đưa vào phục vụ cho cơng tác đào tào Chính lý mà em chọn đề tài “THIẾT KẾ CÁC BÀI THÍ NGHIỆM CHO PHỊNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HỒ CHÍ MINH” nhằm hồn chỉnh thêm việc giảng dạy thực hành cho sinh viên ngành Cử nhân Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Tp.Hồ Chí Minh Mục tiêu đề tài - Tìm hiểu chế hoạt động thiết bị ghi đo xạ máy đo alpha, beta phông thấp UMF 2000, máy đo đơn kênh Ludlum Model 2200, máy đo Gamma Ray 8K - Thiết kế thí nghiệm dựa thiết bị ghi đo phịng thí nghiệm vật lý hạt nhân Bố cục luận văn Ngoài phần mở đầu kết luận luận văn chia làm chương: Chương 1: Tổng quan xạ thiết bị ghi nhận xạ Chương 2: Thiết kế thí nghiệm Chương 3: Kết báo cáo thực nghiệm CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ BỨC XẠ VÀ THIẾT BỊ GHI NHẬN BỨC XẠ 1.1 Nguồn phóng xạ alpha , beta gamma Nguồn phóng xạ để chất đồng vị phóng xạ phát tia alpha, beta gamma Các nguồn phóng xạ sản xuất lị phản ứng hạt nhân hay máy gia tốc Có dạng nguồn phóng xạ: Nguồn phóng xạ kín: nguồn phóng xạ bọc kín vỏ thép khơng gỉ Nguồn kiểm tra tính bền học, tính chịu nhiệt, độ kín, chịu áp suất Nguồn kín cịn đặt buồng chì để vừa che chắn vừa bảo vệ Các nguồn phóng xạ kín thường dùng thiết bị đo mức vật liệu, đo mật độ, nghiên cứu khoa học, chiếu xạ khử trùng y tế Nguồn phóng xạ hở sản xuất dạng dung dịch lỏng, dạng rắn hay dạng bột chứa lọ thủy tinh hay plastic mà khơng có vỏ bọc kín nguồn kín Các nguồn sử dụng để nghiên cứu hay chẩn đoán, nghiên cứu vận chuyển vật liệu q trình sản xuất cơng nghiệp Các chất đồng vị phóng xạ phân rã phát hạt alpha beta sau phát tiếp gamma Chúng sử dụng dạng nguồn phóng xạ Do nguồn phóng xạ loại xem nguồn alpha, beta nguồn gamma tùy theo mục đích sử dụng Bảng 1.1: Một số nguồn phóng xạ alpha, beta, gamma Tên Đồng vị 241 Americium Am Loại xạ Năng lượng (MeV)  5,48  0,060  Thời gian Dạng bán rã nguồn 458 năm Kín 1,173; 1,332 5,27 năm Kín Cobalt 60 Caesium 137 Cs  0,662 30 năm Kín Strontium 90 Sr  2,27 28 năm Kín Krypton 85 Kr  0,67 10,6 năm Kín Iodine Co 131 I  0,080; 0,284; 0,364;0,637 Hở ngày Dung dịch Hở Technecium 99m Tc  140,5 Dung dịch Phosphorus 32 P 238 Họ 234 U   1,711 4,18 U  4,763 Th  0,193; 0,103 Pa  uranium 234 234 0,5 15 ngày 4,51.109 năm 2,48.105 năm 24,10 ngày 6,66 h Hở Kín Kín Kín Kín 1.2 Tương tác xạ với vật chất Khi xuyên qua vật chất hạt tương tác với nguyên tử môi trường, tức tương tác với electron hạt nhân Nếu bỏ qua tương tác hấp dẫn hạt tham gia tương tác mạnh, tương tác yếu, tương tác điện từ Các hạt alpha, deutron, proton, neutron tham gia vào tương tác mạnh Ngoài lượng tử gamma tham gia vào tương tác yếu Trong trình tương tác xạ với vật chất, lượng tia xạ truyền cho electron quỹ đạo cho hạt nhân nguyên tử, tùy thuộc vào loại hạt lượng xạ chất môi trường hấp thụ Các hiệu ứng chung tương tác xạ với vật chất kích thích ion hóa ngun tử mơi trường 1.2.1 Tương tác hạt alpha với vật chất 1.2.1.1 Sự truyền lượng hạt alpha Cơ chế lượng hạt alpha kích thích ion hóa ngun tử Sự kích thích đưa ngun tử môi trường trạng thái lên trạng thái mức lượng cao (mức kích thích) Sự ion hóa nguyên tử hạt alpha truyền lượng cho electron nguyên tử electron có lượng lớn lượng liên kết electron với hạt nhân nên bay ngồi Do hạt alpha có điện tích +2e lớn hạt beta khối lượng lớn, vận tốc thấp, nên độ ion hóa riêng hạt alpha cao, vào khoảng hàng nghìn cặp ion cm khơng khí 1.2.1.2 Quãng chạy hạt alpha vật chất Hạt alpha có khả đâm xuyên thấp số xạ ion hóa Trong khơng khí, hạt alpha có lượng cao nguồn phóng xạ phát vài cm, cịn mơi trường mơ sinh học qng chạy cỡ micromet Hình 1.1: Đường cong hấp thụ hạt alpha Có định nghĩa quãng chạy hạt alpha quãng chạy trung bình quãng chạy ngoại suy Đường cong hấp thụ hạt alpha có dạng phẳng hạt đơn Ở cuối qng chạy, số đếm hạt alpha giảm nhanh tăng bề dày chất hấp thụ Quãng chạy trung bình xác định nửa chiều cao đường hấp thụ quãng chạy ngoại suy xác định ngoại suy đường hấp thụ đến giá trị Quãng chạy hạt alpha khơng khí oC áp suất 760 mm thủy ngân biểu diễn cách gần đúng, với sai số tương đối 10% sau : R  0, 56E cm với E< 4MeV (1.1) R  1, 24E  2, 62 cm với 4MeV< E< 8MeV (1.2) Quãng chạy hạt alpha mơi trường khác Rm tính qua qng chạy mơi trường khơng khí R m  0,56A1/3 mg / cm (1.3) Trong A số khối môi trường 1.2.2 Tương tác hạt beta với vật chất 1.2.2.1 Sự ion hóa Do hạt beta mang điện tích nên chế tương tác hạt beta tương tác tĩnh điện với electron quỹ đạo làm kích thích ion hóa mơi trường Hạt beta phần lượng Et để đánh bật electron Gọi Ek động electron bị bắn liên hệ với ion hóa nguyên tử E độ lượng Et sau: (1.4) Ek  Et  E Trong nhiều trường hợp electron bị bắn có động đủ lớn để ion hóa nguyên tử gọi electron thứ cấp hay delta electron Do hạt beta phần lượng Et để ion hóa ngun tử nên dọc theo đường mình, gây số lớn cặp ion Mặt khác hạt beta có khối lượng khối lượng electron quỹ đạo nên va chạm chúng làm hạt beta chuyển động lệch khỏi hướng ban đầu Vì mà hạt beta chuyển động theo đường cong khúc khuỷu sau nhiều va chạm môi trường hấp thụ cuối dừng lại hết lượng ion hóa Dọc theo đường hạt beta có nhiều cặp ion tạo nên trình ion hóa sơ cấp hạt beta ban đầu lẫn trình ion hóa thứ cấp hạt delta electron 1.2.2.2 Độ ion hóa riêng Độ ion hóa riêng số cặp ion tạo quãng đường đơn vị hạt beta Độ ion hóa riêng cao hạt beta có lượng thấp, giảm dần tăng lượng hạt beta, đạt cực tiểu lượng MeV sau tăng chậm Hình 1.2: Độ ion hóa riêng khơng khí phụ thuộc vào lượng hạt electron Độ ion hóa riêng xác định qua tốc độ lượng tuyến tính hạt beta ion hóa kích thích 1.2.2.3 Hệ số truyền lượng tuyến tính Khi quan tâm đến môi trường hấp thụ, thường sử dụng tốc độ hấp thụ lượng tuyến tính mơi trường hạt beta qua gọi hệ số truyền lượng tuyến tính Hệ số truyền lượng tuyến tính LET định nghĩa theo cơng thức: LET  dE l dl (1.5) Trong dEl lượng trung bình mà hạt beta truyền cho môi trường hấp thụ qua quãng đường dài dl Đơn vị keV / m 1.2.2.4 Bức xạ hãm Khi hạt beta đến gần hạt nhân, lực hút Coulomb mạnh làm thay đổi đột ngột hướng bay ban đầu lượng dạng xạ điện từ hay gọi xạ hãm Năng lượng xạ hãm phân bố liên tục từ đến giá trị cực đại động hạt beta 1.2.2.5 Quãng chạy hạt beta vật chất Do hạt beta lượng dọc theo đường nên qng đường hữu hạn Và quãng đường gọi quãng chạy hạt beta phụ thuộc vào lượng hạt beta mật độ vật chất môi trường hấp thụ Hình 1.3: Sự phụ thuộc quãng chạy cực đại hạt beta vào lượng chúng số vật liệu hấp thụ 1.2.3 Tương tác tia gamma với vật chất 1.2.3.1 Sự suy giảm xạ gamma qua môi trường Bức xạ gamma bị suy giảm cường độ chùm tia tăng bề dày vật chất mà không bị hấp thụ hoàn toàn Thật ta xét chùm tia đơn với cường độ ban đầu I0 Sự thay đổi cường độ qua lớp mỏng vật liệu dx : dI  dx (1.6) Trong  hệ số suy giảm tuyến tính có thứ ngun (độ dài)-1 thường tính theo cm-1 Lấy tích phân phương trình (1.6) từ đế x ta : I  I e x (1.7) Công thức (1.7) suy giảm theo hàm số mũ cường độ chùm gamma hẹp đơn Hình 1.4: Sự suy giảm chùm tia gamma hẹp theo bề dày Các đường liền chùm tia gamma đơn 0,661 MeV, đường gạch nối chùm tia đa Hệ số suy giảm tuyến tính  phụ thuộc vào lượng xạ gamma mật độ vật liệu môi trường 1.2.3.2 Cơ chế tương tác xạ gamma với vật chất Tương tác gamma khơng gây tượng ion hóa trực tiếp hạt mang điện Tuy nhiên gamma tương tác với nguyên tử làm bứt electron quỹ đạo khỏi nguyên tử hay sinh cặp electron - positron (là hạt có khối lượng khối lượng electron có điện tích +1e) Các electron bứt gây ion hóa chế mà gamma ghi nhận Có dạng tương tác : hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton tạo cặp  Hiệu ứng quang điện Photon có lượng thấp (cỡ vài trăm eV) đập vào electron nguyên tử truyền toàn lượng electron Electron khỏi ngun tử photon bị hấp thụ hồn tồn, hiệu ứng quang điện Hình 1.5: Hiệu ứng quang điện - Hiệu ứng xảy Ephoton > E lk - Hiệu ứng xảy chủ yếu Ephoton lớn E lk đặc biệt electron liên kết chặt chẽ với nguyên tử (electron lớp vỏ K) - Hiệu ứng giảm Ephoton tăng - Hiệu ứng tăng số nguyên tử tăng (tỷ lệ với Z) Do lượng liên kết thay đổi theo số nguyên tử Z nên tiết diện tương tác quang điện phụ thuộc vào Z theo quy luật Z5 Tiết diện hiệu ứng quang điện  photon  Z5 E  Elk E 7/2 (1.8)  photon  Z5 E (1.9) E  E lk Trong E lượng xạ gamma, Elk lượng liên kết electron với hạt nhân nguyên tử  Hiệu ứng Compton Photon có lượng cao hơn, va chạm vào electron nguyên tử truyền phần lượng cho electron Khi electron gia tốc, photon bị lệch hướng chuyển động với lượng thấp Hiệu ứng xảy chủ yếu photon lượng trung bình giảm Ephoton tăng Hình 1.6: Hiệu ứng Compton ... nhằm phục vụ cho công tác thiết bị Phịng thí nghiệm đưa vào phục vụ cho cơng tác đào tào Chính lý mà em chọn đề tài “THIẾT KẾ CÁC BÀI THÍ NGHIỆM CHO PHỊNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN TRƯỜNG ĐẠI... chuyên ngành Vật lý hạt nhân có trường Đại học Sư phạm Tp.Hồ Chí Minh Để tạo điều kiện tốt cho sinh viên thực hành chuyên đề Vật lý hạt nhân trường xây dựng Phịng thí nghiệm Vật lý hạt nhân, nhằm... Gamma Ray 8K - Thiết kế thí nghiệm dựa thiết bị ghi đo phịng thí nghiệm vật lý hạt nhân Bố cục luận văn Ngoài phần mở đầu kết luận luận văn chia làm chương: Chương 1: Tổng quan xạ thiết bị ghi