Tiểu luận Sự hủy positron và ứng dụng SƯ PHẠM 2015

Bộ Giáo dục và đào tạo Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh Khoa Vật lý Tiểu luận Sự hủy positron và ứng dụng Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 4-2015 1 Bộ Giáo dục và đào tạo Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh Khoa Vật lý Tiểu luận Sự hủy positron và ứng dụng NHÓM 8: 1. Nguyễn Thụy Ái Vy K38.105.024 2. Trần Ngọc Liên Hương K38.105.073 3. Nguyễn Thanh Ngân K38.105.095 4. Lê Thị Ngọc Linh K38.105.014 5. Lê Vũ Thanh Thư K38.105.019 2 Mục lục Lời nói đầu Ngày nay, cùng với sự phát triển của kĩ thuật hạt nhân, các phương pháp phân tích mẫu vật liệu cũng phát triển đa dạng theo. Trong đó không thể kể đến phương pháp đo thời gian sống của positron dựa trên sự hủy positron. Phương pháp này là một công cụ hữu hiệu trong việc nghiên cứu cấu trúc vật liệu. Với đặc điểm là không phá hủy mẫu, phương pháp này giúp chúng ta tìm hiểu hệ thống lỗ rỗng vi mô, các tính chất sâu bên trong bề mặt vật liệu xốp hay kiểm tra các sai hỏng trong vật liệu… 3 4 I. Giới thiệu − Positron là phản hạt của electron với khối lượng, spin và moment từ giống như electron, chỉ có điện tích là trái ngược nhau: electron có điện tích âm còn positron có điện tích bằng với điện tích của electron nhưng là điện tích dương. − Positron là phản hạt đầu tiên được phát hiện đầu tiên trong thế giới vi mô. − Trong chân không, positron tồn tại rất lâu với thời gian sống vào cỡ 4,3.10 23 năm. − Các positron phát ra từ các nguồn đồng vị có phổ năng lượng liên tục. II. Sự hủy positron − Quá trình hủy cặp e + - e - tuân theo bảo toàn năng lượng, điện tích, spin và moment động lượng. Quá trình hủy cặp luôn luôn kèm theo sự phát bức xạ điện từ, dưới dạng các lượng tử phôtôn. Số phôtôn phát ra phụ thuộc vào trạng thái spin của cặp e + - e - và sự hiện diện của các hạt khác ở nơi xảy ra quá trình. − Quá trình hủy cặp e + - e - kèm theo sự phát 2 lượng tử gamma có xác suất lớn hơn nhiều so với so với các quá trình hủy phát 3,4 lượng tử gamma. σ(3γ)/σ(2γ)=1/137 σ(4γ)/σ(2γ)=1/(137) 2 − Quá trình hủy cặp kèm theo phát xạ 1 lượng tử gamma có thể xảy ra đối với các positron năng lượng lớn, đó là phản ứng hạt nhân giữa positron và hạt nhân của môi trường. Quá trình này cho ít thông tin về cấu trúc electron của môi trường hủy. − Có 2 quá trình hủy ứng với 2 trạng thái của cặp e + - e - : hủy tự do và hủy liên kết. • Hủy tự do:Positron tương tác với electron dẫn của vật rắn mà không có liên kết gì với electron. 5 positron Hình ảnh minh họa sự tương quan về năng lượng, hướng bay của các lượng tử gamma của bức xạ hủy • Hủy liên kết: Positron cùng với electron tạo thành tạo thành một nguyên tử kiểu hiđrô.  Trong quá trình này thì positronium (có cấu trúc tương tự hiđrô) được hình thành do positron có thể liên kết với một electron.  Tùy theo sự định hướng spin của các hạt thành phần mà positonium tồn tại ở các trạng thái 6  Para-positronium: spin của positron và electron định hướng ngược chiều nhau, thời gian sống trong chân không của nó rất ngắn, chỉ cỡ 125ps.  Ortho-positronium: spin của positron và electron định hướng cùng chiều nhau, thời gian sống dài hơn rất nhiều, khoảng 142ns. III. Phương pháp đo thời gian sống của positron 1. Lý thuyết − Đối với các electron không tương đối (bỏ qua tương tác với hạt nhân), tiết diện hủy kèm theo phát xạ 2γ xảy ra giữa một positron tự do và một electron tự do được tính: Trong đó: là bán kính cổ điển của electron v là vận tốc tương đối giữa elctron và positron c là vận tốc ánh sáng − Xét môi trường tương tác với vận tốc electron đồng nhất v e- , vận tốc hủy có giá trị bằng λ 2γ =σ 2γ .φ Trong đó φ là thông lượng electron ở nơi positron, φ có giá trị bằng nv e- , với n là mật độ electron ở nơi positron hủy. − Nếu cho rằng các positron hủy khi chúng bị nhiệt hóa thì vận tốc tương đối v trong biểu thức σ 2γ có thể xem như là vận tốc v e- của các electron. Khi đó có thể viết lại biểu thức của λ 2σ như sau: λ 2σ = λ 2σ có thứ nguyên nghịch đảo của thời gian. Đại lượng nghịch đảo của nó có thứ nguyên thời gian, có ý nghĩa là thời gian sống trung bình của positron,kí hiệu là τ. − Từ đó ta có thể thấy rằng thời gian sống của positron trong vật chất tỉ lệ nghịch với mật độ electron mà positron gặp trong vật chất. 7 Hình ảnh minh họa thời gian sống của positron trong vật chất 2. Thực nghiệm a) Yêu cầu nguồn: • Có chu kì bán rã đủ lớn • Sơ đò phân rã đơn giản • Trạng thái kích thích có thời gian sống ngắn để lượng tử gamma sinh ra từ nguồn có thể dùng làm tính hiệu “start”so với thời điểm ghi bức xạ hủy trong vật chất, lượng tử gamma này có năng lượng khác biệt so với bức xạ hủy. b) Cơ sở của phương pháp đo thời gian sống của positron trong vật chất có thể minh họa bằng trường hợp của positron từ đồng vị 22 Na. 8 Sơ đồ phân rã của đồng vị 22 Na − Theo sơ đồ phân rã trên, thời gian sống của trạng thái kích thích 1274 keV của 22 Ne rất ngắn, chỉ chừng 5ps, do đó bức xạ gamma 1274keV có thể xem như được sinh ra đồng thời với positron. Bức xạ gamma này sẽ được dùng làm tín hiệu đánh dấu thòi điểm sinh của positron. − Sau một thời gian sống trong vật chất thì positron hủy, do đó bức xạ hủy với năng lượng 511keV sẽ được dùng làm tín hiệu đánh dấu thời điểm hủy, kết thúc thời gian sống của positron. c) Sơ đồ máy đo thời gian sống của positron thực nghiệm 9 HV : nguồn nuôi cao thế PMT XP2020Q: detector ghi gama 1,274 MeV ( tín hiệu Start) và 0,511MeV ( tín hiệu Stop). ống nhân quang điện. CFDD: bộ phân biệt xung Delay: bộ làm trễ Time to amplitude convertor: bộ phận biến đổi thời gian chênh lệch giữa 2 tín hiệu Start và Stop thành xong có biên độ phụ thuộc thời gian chênh lệch d) Nguyên tắc đo thời gian sống của positron Thời gian sống của positron trong vật chất tỉ lệ nghịch với mật độ electron mà positron gặp. Thời gian sống của positron càng lâu thì mật độ electron càng ít. IV. Ứng dụng 1) Xác định khuyết tật 10 [...]... pháp hủy positron 11 Thời gian sống của positron trong một số loại vật liệu điển hình Ứng dụng cụ thể: Xác định khuyết tật trong kim loại Đồng Phổ thời gian sống của sự hủy positron là sự tổ hợp của n thành phần được mô tả qua biểu thức: N (tk ) = N 0 ∑ M j (t k ) + B, j = 1, n No : tổng số đếm trên phổ B: số đếm phông Mj : thành phần phổ phụ thuộc vào thành phần gián đoạn Dạng phổ thời gian sống của sự. .. Dạng phổ thời gian sống của sự hủy positron 12 Phổ thời gian sống thể hiện số lượng phân rã positron như là một hàm của thời gian sau khi nó đi vào vật liệu , xuất hiên hai hằng số phân rã riêng biệt tương ứng với hai thời gian sống: thời gian sống ngắn hơn của positron hủy trong khối vật liệu, và thời gian sống dài hơn là của positron bị bẫy tại các sai hỏng Sự tương ứng về độ lớn của hai tín hiệu... nguy cơ phóng xạ Các phản ứng dị ứng có thể xảy ra ( nhưng rất hiếm và thường là nhẹ) 26 Tài liệu tham khảo 1 Phạm Quốc Hùng, Vật lý hạt nhân và ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội, 2007 2 R.Kause-Reberg and H S Leipner, Positron annihilation in semiconductors, Springer Verlag, Berlin, 1998 3 Luận văn – chuyển pha cấu trúc dưới tác dụng nhiệt của Đồng bằng phương pháp đo thời gian sống của positron- Nguyễn Thị Thu... phát Positron được sử dụng chủ yếu trong PET là 18 FDG, 13 N, 11 C, 15 O, … Ứng dụng máy PET/CT • • • • • • Đánh giá mức độ di căn của ung thư trong cơ thể Phát hiện tái phát Xác định xem một khối u lành tính hay ác tính, ví dụ những hạch phổi Đánh giá theo dõi đáp ứng cơ thể đối với việc điều trị Xác định chính xác vị trí và mô phỏng khối u theo hình ảnh 3 chiều Cung cấp các thông tin về chuyển hóa và. ..Từ công thức xác định thời gia sống của positron Như vậy ta thấy rằng thời gian sống của positron trong vật chất tỷ lệ nghịch với mật độ electron mà positron gặp trong vật chất Kết luận: khi thời gian sống của positron trong vật chất càng lâu thì mật độ electron càng ít dẫn đến bên trong sản phẩm xuất hiện các lỗ trống (khuyết tật) và đây cũng là một trong các phương pháp xác định khuyết... xuất hiện nhiều và tập trung thành nhiều vùng đen, khi nhiệt độ mẫu lớn, các sai hỏng phân bố đều hơn Vì vậy, lúc này bề mặt mẫu dường như mịn hơn Kính hiển vi điện tử quét có thể xem xét ở bề mặt mẫu và đo một số sai hỏng nhất định Phương pháp đo thời gian sống positron để đo định lượng và sâu bên trong mẫu và những ảnh hưởng lên tính chất của vật liệu 2) Máy PET a) Giới thiệu - PET ( Positron Emission... thì máy chụp PET sẽ ghi lại tín hiệu phát ra từ chất phóng xạ trong các hợp chất đánh dấu đó 24     Nơi nào có khối u sẽ xảy ra hiện tượng hủy positron Khi hủy positron sẽ phát ra 2 tia gamma với góc lệch gần 1800 Ta đặt các đầu dò ở vị trí đối nhau Sử dụng kỹ thuật trùng phùng (giữ lại 2 tín hiệu phát ra đồng thời), ta sẽ xác định được vị trí khối u • Các tín hiệu sẽ được chuyển thành hình ảnh... liệu Trong vùng nhiệt độ 7000 C − 10500 C ,thời gian sống của positron giảm 8000 C − 9000 C chút ít và sau đó lại tăng vọt trong vùng nhiệt độ chứng tỏ mẫu chuyển sang pha cấu trúc mới – pha thứ ba , điều này Với thời gian sống t2: 18 Các số liệu phân tích được từ hệ phổ kế thời gian sống của positron của hai nhóm mẫu sẽ được vẽ đồ thị và so sánh 19 Nhận xét Nhóm 1: ( tôi trong nước lạnh ) 5000 C −... Trong vùng nhiệt độ , thành phần thời gian sống của positron hay đổi rất ít, điều này chứng tỏ trạng thái vô định hình gần như bão hòa khi vật chất bị chuyển đổi sang trạng thái pha cấu trúc khác Nhóm 2: ( để nguội tự nhiên ) 17 4000 C − 6000 C Trong vùng nhiệt độ , thời gian sống của positron cũng tăng dần chứng tỏ trong vùng nhiệt độ này cả mẫu tôi và mẫu nguội tự nhiên đều xuất hiện trạng thái vô... của positron lại giảm dần tương ứng với nhiệt độ nung ngày càng tăng, các sai hỏng kích thước lớn dường như lại tách ra thành các sai hỏng kích thước nhỏ Nhóm 2: (Để nguội tự nhiên ) 5000 C − 7000 C Trong vùng nhiệt độ từ , ở trạng thái pha thứ nhất và giai đoạn chuyển pha, thời gian sống tương tự như mẫu tôi 20 Khi sang pha thứ hai, thời gian sống positron giảm dần chứng tỏ sai hỏng kích thước lớn