Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  LÝ DUY NHẤT Đề tài: Giáo viên hướng dẫn: TS THÁI KHẮC ĐỊNH Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2009 Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân LỜI CẢM ƠN Trong q trình thực hồn thành khóa luận này, ngồi nỗ lực thân, em nhận quan tâm giúp đỡ động viên q thầy khoa Vật Lý trường ĐH Sư Phạm TP Hồ Chí Minh Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS Thái Khắc Định – thầy tận tình hướng dẫn, truyền thụ cho em kiến thức bổ ích, đóng góp kinh nghiệm q báu để em thực khóa luận Em khơng thể qn cơng lao thầy Hồng Đức Tâm thầy tổ mơn “Vật Lý Hạt Nhân”, thầy động viên giúp đỡ, bảo tận tình truyền cho em lòng nhiệt tình nghiên cứu khoa học Xin cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè hỗ trợ mặt tinh thần cho Nhất hồn thành khóa luận Một lần em xin chân thành cảm ơn Lý Duy Nhất GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Thí nghiệm vật lý phần khơng thể thiếu học tập nghiên cứu vật lý Thực hành vật lý rèn luyện cho sinh viên phương pháp học tập, nghiên cứu kỹ thực hành vật lý, củng cố kiến thức lý thuyết học Nó có tác dụng to lớn việc rèn luyện cho sinh viên đức tính người làm cơng tác khoa học nói chung, làm cơng tác vật lý nói riêng Ngồi ra, thực hành vật lý giúp cho sinh viên làm quen với việc nghiên cứu tượng vật lý phòng thí nghiệm, kiểm nghiệm lại định luật vật lý học Thơng qua thí nghiệm vật lý, sinh viên bước đầu làm quen với phương pháp nghiên cứu mơn So với mơn học vật lý khác, “VẬT LÝ NGUN TỬ VÀ HẠT NHÂN” mơn học khó, ngồi việc học kiến thức khơ khan sinh viên cần phải thực hành thiết bị ghi đo phòng thí nghiệm Sự kết hợp lý thuyết thực hành giúp cho sinh viên nắm cốt lỗi mơn học hơn, giúp cho sinh viên phát triển tư khả sáng tạo q trình học tập Đồng thời làm cho việc học vật lý trở nên lý thú hơn, có hiệu Nhờ quan tâm q thầy khoa vật lý lãnh đạo trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh, phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân xây dựng hồn thành vào năm 2008 Do phòng thí nghiệm thành lập đường hồn thiện nên việc tìm hiểu dụng cụ, thiết bị phòng thí nghiệm vấn đề cấp thiết Trước tình hình đó, em định thực khóa luận tốt nghiệp với đề tài “TÌM HIỂU VỀ CÁC HỆ GHI ĐO TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN” nhằm góp phần nhỏ vào cơng tác đào tạo cơng việc hồn thiện phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân q trường Bên cạnh khóa luận tốt nghiệp giúp em tự mở rộng thêm hiểu biết sang lĩnh vực vật lý hạt nhân MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI  Tìm hiểu chế hoạt động thiết bị ghi đo xạ ion hóa  Tìm hiểu cấu tạo, đặc tính kỹ thuật cách vận hành thiết bị phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân  Xây dựng số thí nghiệm dựa dụng cụ ghi đo xạ ion hóa phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN Từ mục tiêu đề ra, em xây dựng cấu trúc luận văn gồm có ba phần chính:  Phần mở đầu trình bày lý chọn đề tài, mục tiêu bố cục đề tài  Phần nội dung chia làm ba chương: CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC DỤNG CỤ CHÍNH TRONG HỆ GHI ĐO BỨC XẠ ION HĨA CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ GHI ĐO BỨC XẠ TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN CHƯƠNG III: XÂY DỰNG MỘT SỐ BÀI THÍ NGHIỆM DỰA TRÊN CÁC THÍ BỊ GHI ĐO TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM HẠT NHÂN  Phần kết luận đưa nhận xét tổng qt đề tài kiến nghị nhằm hồn thiện phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC DỤNG CỤ CHÍNH TRONG HỆ GHI ĐO BỨC XẠ ION HĨA TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ VỚI VẬT CHẤT Các xạ khảo sát bao gồm hạt tích điện alpha beta, tia gamma tia X Để hiểu sở vật lý việc chế tạo thiết bị ghi đo xạ ta cần hiểu chế tương tác xạ với vật chất Trong q trình tương tác xạ với vật chất, lượng tia xạ truyền cho electron quỹ đạo cho hạt nhân ngun tử tùy thuộc vào loại lượng xạ chất mơi trường hấp thụ Các hiệu ứng chung tương tác xạ với vật chất kích thích ion hóa ngun tử mơi trường hấp thụ 1.1 TƯƠNG TÁC CỦA HẠT BETA VỚI VẬT CHẤT 1.1.1 Sự ion hóa Do hạt beta mang điện tích nên chế tương tác với vật chất tương tác tĩnh điện với electron quỹ đạo làm kích thích ion hóa ngun tử mơi trường Trong trường hợp ngun tử mơi trường bị ion hóa, hạt beta phần lượng Et để đánh bật electron quỹ đạo ngồi Động Ek electron bị bắn liên hệ với lượng ion hóa ngun tử E độ lượng E t sau: Ek  Et  E (1.1) Trong lượng ion hóa E xác định theo cơng thức: 1  E  Rh      Rh   Trong nhiều trường hợp electron bắn có động đủ lớn để ion hóa ngun tử tiếp theo, electron thứ cấp (delta electron) Do hạt beta phần lượng Et để ion hóa ngun tử, nên dọc theo đường mình, gây thêm số lớn cặp ion GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Năng lượng trung bình để sinh cặp ion thường gấp đến lần lượng ion hóa Bởi vì, ngồi q trình ion hóa, hạt beta lượng kích thích ngun tử Do hạt beta có khối lượng khối lượng electron quỹ đạo nên va chạm chúng làm hạt beta chuyển động lệch khỏi hướng ban đầu Do đó, hạt beta chuyển động theo đường cong khúc khuỷu sau nhiều lần va chạm mơi trường hấp thụ cuối dừng lại hết lượng 1.1.2 Độ ion hóa riêng Độ ion hóa riêng số cặp ion tạo hạt beta chuyển động centimet mơi trường hấp thụ Độ ion hóa riêng cao hạt beta lượng thấp, giảm dần tăng lượng hạt beta đạt cực tiểu lượng khoảng MeV, sau tăng chậm (hình 1.1) Độ ion hóa riêng xác định qua tốc độ lượng tuyến tính hạt beta ion hóa kích thích, thơng số quan trọng dùng để thiết kế thiết bị đo liều xạ tính tốn hiệu ứng sinh học xạ Tốc độ lượng tuyến tính hạt beta tn theo cơng thức:  dE 2 q NZ (3.109 )4   E m E k   2 ln      MeV / cm   dx E m  (1,6.106 )2   I (1   )   Trong đó: (1.1) q = l,6.10-19C , điện tích electron N số ngun tử chất hấp thụ cm3 Z số ngun tử chất hấp thụ GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân NZ  3,88.1020 / cm , số electron khơng khí nhiệt độ 0oC áp suất 76 cm thủy ngân Em  0, 51 MeV , lượng tĩnh electron Ek động hạt beta   v / c , v vận tốc hạt beta c = 3.1010 cm/s I  8,6.10-5 MeV khơng khí I  1, 36.10-5 Z (MeV ) chất hấp thụ khác, lượng ion hóa kích thích ngun tử chất hấp thụ Nếu biết trước đại lượng w, độ lượng trung bình sinh cặp ion, độ ion hóa riêng s tính theo cơng thức sau: s dE / dx (eV / cm ) w (eV / c i ) (1.2) Trong c i cặp ion 1.1.3 Hệ số truyền lượng tuyến tính Độ ion hóa riêng dùng xem xét độ lượng ion hóa Khi quan tâm đến mơi trường hấp thụ, thường sử dụng tốc độ hấp thụ lượng tuyến tính mơi trường hạt beta qua Đại lượng xác định tốc độ hấp thụ lượng nói hệ số truyền lượng tuyến tính Hệ số truyền lượng tuyến tính LET (Linear Energy Transfer) định nghĩa theo cơng thức sau: LET  dE d (1.3) Trong dE lượng trung bình mà hạt beta truyền cho mơi trường hấp thụ qua qng đường dài d Đơn vị đo thường dùng LET keV /  m 1.1.4 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, gọi xạ hãm, hay Bremsstrahlung Năng lượng xạ hãm phân bố liên tục từ đến giá trị cực đại động hạt beta Khó tính tốn dạng phân bố lượng xạ hãm nên người ta thường sử dụng đường cong đo đạt thực nghiệm GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Để đánh giá mức độ nguy hiểm xạ hãm, người ta thường dùng cơng thức gần sau đây: f = 3,5.10-4 ZE  max (1.4) Trong f phần lượng tia beta chuyển thành photon, Z số ngun tử chất hấp thụ E  max (MeV) lượng cực đại hạt beta 1.1.5 Qng chạy hạt beta vật chất Do hạt beta lượng dọc theo đường nên qng đường hữu hạn Như vậy, cho chùm tia beta qua vật chất, chùm tia bị dừng lại sau khoảng đường Khoảng đường gọi qng chạy (range) hạt beta, qng chạy hạt beta phụ thuộc vào lượng tia beta mật độ vật chất mơi trường hấp thụ Biết qng chạy hạt beta với lượng cho trước tính độ dày vật che chắn làm từ vật liệu cho trước Một đại lượng thường dùng tính tốn thiết kế che chắn độ dày hấp thụ (absorber half - thickness), tức độ dày chất hấp thụ làm giảm số hạt beta ban đầu lại 1/2 sau qua hấp thụ Đo đạc thực nghiệm cho thấy độ dày hấp thụ nửa vào khoảng 1/8 quảng chạy Hình 1.2 trình bày phụ thuộc qng chạy cực đại hạt beta vào lượng chúng số chất hấp thụ thơng dụng Hình 1.2 cho thấy qng chạy hạt beta với lượng cho trước giảm tăng mật độ chất hấp thụ GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Ngồi bề dày tuyến tính d (linear thickness) tính theo centimet người ta dùng bề dày mật độ dm (density thickness) tính theo mật độ diện tích, đơn vị g/cm2, xác định sau: d m ( g / cm )   ( g / cm ).d (cm ) (1.5) Trong đó:  mật độ khối chất hấp thụ tính theo g/cm3 Việc sử dụng bề dày mật độ làm dễ dàng cho việc tính tốn bề dày khơng phụ thuộc vào vật liệu cụ thể Hình 1.3 trình bày đường cong miêu tả phụ thuộc qng chạy hạt beta tính theo đơn vị bề dày mật độ vào lượng Đường cong dùng thay cho đường cong hình 1.2 tính qng chạy theo đơn vị bề dày mật độ Đường cong qng chạy - lượng hình 1.3 biểu diễn cơng thức sau đây: Đối với miền lượng beta 0,01  E  2,5 MeV R = 412 E 1,265 0.0954 ln E (1.6) Đối với miền qng chạy R < 1200 ln E  6,63  3, 2376.(10, 2146  ln R ) (1.7) Đối với miền lượng beta E > 2,5 MeV miền qng chạy R > 1200 R  530 E  106 (1.8) Trong R qng chạy, tính theo mg/cm2 E lượng cực đại tia beta, tính theo đơn vị MeV GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân 1.2 TƯƠNG TÁC CỦA HẠT ALPHA VỚI VẬT CHẤT 1.2.1 Truyền lượng hạt alpha Cũng giống hạt beta, hạt alpha qua mơi trường vật chất bị lượng ion hóa kích thích ngun tử mơi trường hấp thụ Khi qua phần khơng khí tế bào xốp, hạt alpha lượng lượng trung bình 35 eV cho cặp ion Do hạt alpha có điện tích lớn hạt beta hai lần khối lượng lớn, dẫn tới vận tốc tương đối thấp nên độ ion hóa riêng cao, vào khoảng hàng nghìn cặp ion cm khơng khí (hình 1.4) Tốc độ lượng tuyến tính tất hạt tích điện nặng hạt electron, có hạt alpha, tn theo cơng thức:  dE 4 z 2q NZ (3.109 )4  Mv v  v  ln ln       Mev / cm    dx Mv 1,6.106 I c    c  Trong đó: (1.9) z số ngun tử hạt gây ion hóa, z = đối hạt alpha q  1,6.10-19 C , điện tích electron zq điện tích hạt gây ion hóa M khối lượng tĩnh hạt gây ion hóa M  6,6.10-24 g hạt alpha v vận tốc hạt gây ion hóa N số ngun tử chất hấp thụ cm3 Z số ngun tử chất hấp thụ NZ số electron chất hấp thụ cm3 GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân c  3.1010 cm / s , vận tốc ánh sáng I  8,6.10-5 MeV khơng khí I  1, 36.10-5 Z (MeV ) chất hấp thụ khác, lượng ion hóa kích thích ngun tử chất hấp thụ 1.2.2 Qng chạy hạt alpha vật chất Hạt alpha có khả đâm xun thấp số xạ ion hóa Trong khơng khí, hạt alpha có lượng cao nguồn phóng xạ phát vài centimet, mơ sinh học qng chạy có kích thước cỡ micromet Có hai định nghĩa qng chạy hạt alpha, qng chạy trung bình qng chạy ngoại suy, minh họa hình 1.5 Trên hình 1.5, đường cong hấp thụ hạt alpha có dạng phẳng hạt đơn lượng Ở cuối qng chạy, số đếm hạt alpha giảm nhanh tăng bề dày chất hấp thụ Qng chạy trung bình chiều cao đường hấp thụ qng chạy ngoại suy xác định ngoại suy đường hấp thụ đến giá trị 1.3 TƯƠNG TÁC CỦA TIA X VÀ TIA GAMMA VỚI VẬT CHẤT 1.3.1 Sự suy giảm xạ gamma qua mơi trường Tia X tia gamma có chất sóng điện từ, photon lượng cao Do tương tác tia với vật chất có tính chất chung nên để đơn giản ta gọi tương tác tia gamma với vật chất Sự suy giảm xạ gamma qua mơi trường khác với suy giảm xạ alpha beta Bức xạ alpha beta có tính chất hạt nên chúng có qng chạy hữu hạn vật chất, nghĩa chúng bị hấp thụ hồn tồn, xạ GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 10 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân gamma bị suy giảm cường độ chùm tia tăng bề dày vật chất mà khơng bị hấp thụ hồn tồn Ta xét chùm tia hẹp gamma đơn với cường độ ban đầu I o Sự thay đổi cường độ qua lớp mỏng vật liệu dx bằng: dI    Idx (1.10) Trong  hệ số suy giảm tuyến tính (linear attenuation coeficient) Đại lượng có thứ ngun (độ dày)-1 thường tính theo cm-1 Từ (1.10) viết phương trình: dI    dx I Giải phương trình ta được: I  I oe   x (1.11) Hệ số suy giảm tuyến tính  phụ thuộc vào lượng xạ gamma mật độ vật liệu mơi trường    ( E ,  ) 1.3.2 Các chế tương tác tia X tia gamma với vật chất Do tương tác tia X tia gamma với vật chất có tính chất chung nên để đơn giản ta gọi tương tác tia gamma với vật chất Tương tác gamma khơng gây tượng ion hóa trực tiếp hạt tích điện Tuy nhiên, gamma tương tác với ngun tử, làm bứt electron quỹ đạo khỏi ngun tử hay sinh cặp electron - positron (là hạt có khối lượng electron mang điện tính dương +e) Đến lượt mình, electron gây ion hóa chế mà tia gamma lượng cao ghi đo nhờ chúng gây nên hiệu ứng sinh học phóng xạ Có ba dạng tương tác gamma với ngun tử hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton hiệu ứng tạo cặp 1.3.2.1 Hiệu ứng quang điện Khi gamma va chạm với electron quỹ đạo ngun tử, gamma biến lượng gamma truyền cho electron quỹ đạo để bay khỏi ngun tử Electron gọi quang electron (photoelectron) Quang electron nhận động Ee hiệu số lượng gamma tới E lượng liên kết EB electron lớp vỏ trước bị bứt Hình 1.6a GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 11 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Ee  E  E B (1.12) Theo cơng thức (1.12) lượng gamma tới phải lượng liên kết electron hiệu ứng quang điện xảy Tương tác với xác suất lớn lượng gamma vừa vượt qua lượng liên kết, đặc biệt lớp Hình 1.6b Khi lượng tăng, xác suất tương tác giảm dần theo hàm Xác suất tổng E3 cộng hiệu ứng quang điện tất electron quỹ đạo E  Ek Ek lượng liên kết electron lớp K, tn theo quy luật E quy luật E >> Ek theo E Do lượng liên kết thay đổi theo số ngun tử Z nên tiết diện tương tác quang điện phụ thuộc vào Z, theo quy luật Z5 Như tiết diện hiệu ứng quang điện:  photo Z5 E  Ek  photo E7/2 Z5 E >> Ek E Các cơng thức cho thấy hiệu ứng quang điện xảy với tiết diện lớn ngun tử nặng (chẳng hạn chì) vùng lượng cao, ngun tử nhẹ (chẳng hạn thể sinh học) hiệu ứng quang điện xuất đáng kể vùng lượng thấp GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 12 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Khi electron bứt từ lớp vỏ ngun tử, chẳng hạn từ lớp vỏ K, lỗ trống sinh Sau lỗ trống electron từ lớp vỏ ngồi chuyển xuống chiếm đầy Q trình dẫn tới xạ tia X đặc trưng 1.3.2.2 Hiệu ứng Compton Trong q trình Compton, gamma lượng cao tán xạ đàn hồi lên electron quỹ đạo ngồi Gamma thay đổi phương bay bị phần lượng electron giải phóng khỏi ngun tử (Hình 1.7a) Q trình tán xạ Compton coi q trình gamma tán xạ đàn hồi lên electron tự (Hình1.7b) Trên sở tính tốn động học q trình tán xạ đàn hồi hạt gamma chuyển động với lượng E lên electron đứng n ta có cơng thức sau lượng gamma E’ electron Ee sau tán xạ phụ thuộc vào góc tán xạ  gamma sau tán xạ: Trong đó:   Ee  E  (1  cos  )   (1  cos  ) (1.13) E'  E 1   (1  cos  ) (1.14) E ; me  9,1.1031 kg khối lượng electron c = 3.108m/s me c vận tốc ánh sáng; me c  0,51 MeV Góc tán xạ  electron sau tán xạ liên hệ với góc  sau: GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 13 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân tg   E 1 ' E cotg  (1.15) Theo (1.15) góc tán xạ gamma sau tán xạ lớn E  bé Nghĩa gamma nhiều lượng Gamma chuyển phần lượng lớn cho electron sau tán xạ bay góc 180o, tức tán xạ giật lùi Góc tán xạ gamma tán xạ thay đổi từ 0o đến 180o lúc electron chủ yếu bay phía trước, nghĩa góc tán xạ  thay đổi từ 0o đến 90o Tiết diện q trình tán xạ Compton tỉ lệ thuận với điện tích Z ngun tử tỷ lệ nghịch với lượng gamma  Compt Z E 1.3.2.3 Hiệu ứng sinh cặp electron-positron Electron có khối lượng me  9,1.1019 kg hay lượng tĩnh nó, theo cơng thức Einstein, Em  mc  0, 51MeV Nếu gamma vào có lượng lớn hai lần lượng tĩnh electron m e c  1, 02 MeV qua điện trường hạt nhân sinh cặp electron - positron (positron có khối lượng khối lượng electron mang điện tích dương +le) Đó hiệu ứng sinh cặp electron positron (Hình 1.8) Sự biến đổi lượng thành khối lượng phải xảy gần hạt để hạt chuyển động giật lùi giúp tổng động lượng bảo tồn Q trình tạo cặp GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 14 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân xảy gần hạt nhân, động chuyển động giật lùi hạt nhân bé nên phần lượng dư biến thành động electron positron Q trình tạo cặp xảy gần electron xác suất bé so với q trình tạo cặp gần hạt nhân CÁC DỤNG CỤ GHI ĐO BỨC XẠ Con người khơng cảm nhận xạ, cần có thiết bị để ghi đo chúng Bộ phận quan trọng thiết bị xạ detector xạ Đó dụng cụ đo đạc dựa tương tác hạt xạ với vật chất Mỗi loại xạ tương tác với vật chất theo số chế đặc thù, detector thường thiết kế để sử dụng cho vài loại xạ xác định thiết bị đo đạc xạ có nhiều dạng khác tùy mục đích sử dụng 2.1 CÁC DETECTOR DỰA TRÊN SỰ ION HĨA Có hai loại detector thường sử dụng nhiều việc ghi đo xạ dựa ion hóa detector chứa khí detector dẫn điện trạng thái rắn 2.1.1 Các detector chứa khí 2.1.1.1 Cấu tạo Các detector chứa khí bao gồm buồng chứa khí (thường khơng khí) hai điện gọi điện cực Điện cực dương gọi anode thường nằm trung tâm buồng đo Nó cách điện với lớp vỏ bọc bên ngồi Lớp vỏ bọc bên ngồi buồng thường điện cực âm (cathode) Hình 2.1 sơ đồ đơn giản detector chứa khí GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 15 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân 2.1.1.2 Ngun tắc hoạt động Bức xạ tới tương tác với vách buồng hạt khí tạo thành cặp ion Khi điện áp điện cực ion dương bị hút phía cathode tích điện âm electron bị hút phía anode tích điện dương Một điện tích tích lũy anode gây biến đổi điện mạch Sự biến đổi điện xem xung có mặt xung sinh dòng điện chảy mạch ngồi Bằng cách ghi đo xung dòng điện ghi nhận có mặt xạ ion hố Kích thước xung phụ thuộc số electron thu nhận anode điểm phụ thuộc vào lượng xạ ion hố buồng loại xạ lượng Thêm vào đó, kích thước xung phụ thuộc vào điện anode cathode Hình 2.2 cách thay đổi kích thước xung (hoặc độ lớn) điện áp vào tăng lên Từ hình 2.2 thay đổi độ lớn xung theo điện biểu diễn số vùng xác định rõ rệt Những vùng gọi vùng: tái hợp (1), buồng ion (2), tỷ lệ (3), Geiger - Muller (4) phóng điện liên tục (5) 2.1.1.2.1 Vùng tái hợp Khi điện buồng thấp lực tác dụng lên ion (lực hút ion tới điện cực) thấp Trong trường hợp này, có hai q trình cạnh tranh ion Một hai q trình tập hợp ion hai tái hợp ion Điều GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 16 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân có nghĩa sau ion tạo thành tái hợp để trở lại trung hòa trước bị hút điện cực Vì xung mạch ngồi phụ thuộc vào kết hai q trình Khi điện qua điện cực tăng lên ion tới điện cực nhiều kích thước xung tăng lên (xem hình 2.2) Tuy nhiên, tái hợp ion đáng kể vùng gọi vùng tái hợp Các detector chứa khí thường khơng hoạt động vùng tái hợp ion làm cho khó đo lượng xạ tới 2.1.1.2.2 Vùng buồng ion Khi điện đủ lớn hầu hết ion phát tới điện cực ion bị tái hợp khơng đáng kể Trong vùng gần tất ion thu nhận kích thước xung khơng tăng theo điện áp vào Dòng điện mạch ngồi tiến tới giá trị cực đại gọi dòng bão hòa Dòng bão hòa tỷ lệ với lượng xạ buồng lượng xạ tăng lên dòng bão hòa tăng lên Buồng ion hóa làm việc vùng bão hòa cho phép bảo đảm độ nhạy cực đại việc ghi đo xạ đồng thời đảm bảo ổn định số đo có thăng giáng điện hai điện cực Độ dài miền bão hòa phụ thuộc vào loại chất khí, áp suất khí, kích thước bố trí hình học điện cực Detector làm việc vùng gọi buồng ion hóa 2.1.1.2.3 Vùng tỷ lệ Khi điện tăng nhanh vùng buồng ion kích thước xung bắt đầu lại tăng Bởi điện áp vào tăng lên ion khơng nhận thêm đủ lượng để tới điện cực mà nhận thêm đủ lượng để gia tốc nhanh Sự gia tốc sinh nhiều cặp ion hơn, chúng tạo qua ion hóa thứ cấp hạt chất khí Q trình gọi nhân khí dẫn đến ion thu nhận nhiều thu xung rộng Sự tăng số ion thu nhận phụ thuộc vào điện đặt anode cathode Tuy nhiên, kích thước xung tổng mà tạo tỷ lệ với số ion ban đầu tạo chất khí Vì lý nên vùng gọi vùng tỷ lệ Dectector làm việc vùng gọi ống đếm tỷ lệ GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 17 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân 2.1.1.2.4 Vùng Geiger - Muller Nếu điện tăng thêm nhân khí lớn đến mức mà hạt ion hóa đơn lẻ tạo nhiều thác ion dọc theo chiều dài anode, dẫn đến kích thước xung rộng Vùng gọi vùng Geiger - Muller (G - M) Detector làm việc vùng gọi ống đếm G - M Đặc trưng tốc độ đếm - điện ống đếm G - M có miền plateau, tốc độ đếm khơng thay đổi tăng điện nguồn ni Giống ống đếm tỉ lệ, ống đếm G - M dùng để đếm hạt xạ ion hóa riêng biệt Tuy nhiên tín hiệu có biên khơng đổi, khơng phụ thuộc vào lượng xạ vào, nên ống đếm G - M khơng thể phân biệt lượng xạ vào 2.1.1.2.5 Vùng phóng điện liên tục Nếu điện tăng lên vượt xa so với trạng thái ổn định vùng GeigerMuller điện đủ cao để ion hóa trực tiếp phân tử khí tín hiệu rộng phát trường xạ bị dịch chuyển Vùng gọi vùng phóng điện liên tục kết đọc khơng đúng, detector ghi xạ khơng hoạt động vùng 2.1.1.3 Phân giải thời gian, thời gian chết thời gian phục hồi Phân giải thời gian detector định nghĩa lượng thời gian nhỏ mà phải phân biệt hai kiện để chúng ghi lại hai q trình tách rời Nếu phân giải thời gian detector q dài, tốc độ đếm cao có nhiều thơng tin bị Điều có nghĩa tổng số đếm bị đánh giá sai Phân giải thời gian phụ thuộc vào tham số sau: Thời gian chết delector độ dài thời gian tín hiệu xung tích luỹ đủ lớn để ghi nhận Thời gian phục hồi độ dài thời gian mà detector khơi phục từ kiện ion hố trở lại trạng thái ban đầu Hình 2.3 biểu diễn cách tổ hợp thời gian chết thời gian phục hồi từ detector Geiger - Muller để đưa phân giải thời gian GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 18 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu hệ ghi đo phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Phân giải thời gian detector phụ thuộc vào tương tác xảy detector Tuy nhiên, tồn phân giải thời gian thiết bị hồn chỉnh phụ thuộc vào thời gian chết gắn liền với phận điện tử hệ đếm 2.1.1.4 Các loại detector chứa khí Có ba loại sau: Buồng ion hố; ống đếm tỷ lệ ống đếm Geiger - Muller 2.1.1.4.1 Các buồng ion hóa Các buồng ion hóa (thường gọi phổ biến buồng ion) thiết kế để hoạt động dòng bão hòa vùng buồng ion biểu diễn hình 2.2 Dòng điện trung bình lối đo tỷ lệ với lượng xạ tới mà buồng chiếu xạ Vì tín hiệu lối khơng phụ thuộc vào điện nên khơng cần có nguồn điện mang tính ổn định cao Tuy nhiên, điều quan trọng điện đủ ổn định để bảo đảm dòng bão hòa trì Để ngăn cản buồng ion hoạt động vùng tỷ lệ điện áp vào giới hạn thấp so với u cầu đặt để gây ion hố thứ cấp phân tử khí (điện vào cỡ 25V) Các dòng điện tạo buồng ion nhỏ, tiêu biểu vào cỡ 10-12 A phải khuếch đại kết đo Do thiết bị mà kết hợp với detector buồng ion u cầu mạch trạng thái rắn phức tạp để khuếch đại dòng chiều vơ nhỏ Thiết kế buồng ion chọn lựa khí đổ vào phụ thuộc vào ứng dụng riêng thiết bị Đối với thiết bị kiểm tra xạ xách tay buồng thường chứa đầy khơng khí cấu tạo từ chất có số ngun tử thấp Nếu thiết bị sử GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 19 SVTH: Lý Duy Nhất [...]... Nhất Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân xảy ra gần hạt nhân, do động năng chuyển động giật lùi của hạt nhân rất bé nên phần năng lượng còn dư biến thành động năng của electron và positron Quá trình tạo cặp cũng có thể xảy ra gần electron nhưng xác suất rất bé so với quá trình tạo cặp gần hạt nhân 2 CÁC DỤNG CỤ GHI ĐO BỨC XẠ Con người không cảm nhận được các bức xạ,...Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân c  3.1010 cm / s , là vận tốc ánh sáng I  8,6.10-5 MeV đối với không khí và I  1, 36.10-5 Z (MeV ) đối với các chất hấp thụ khác, là năng lượng ion hóa và kích thích của nguyên tử chất hấp thụ 1.2.2 Quãng chạy của hạt alpha trong vật chất Hạt alpha có khả năng đâm xuyên thấp nhất trong số các bức xạ ion hóa Trong không... của buồng đo Nó được cách điện với lớp vỏ bọc bên ngoài Lớp vỏ bọc bên ngoài của buồng này thường là điện cực âm (cathode) Hình 2.1 chỉ ra một sơ đồ đơn giản của một detector chứa khí GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 15 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân 2.1.1.2 Nguyên tắc hoạt động Bức xạ tới tương tác với các vách của buồng hoặc các hạt khí và... GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 18 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Phân giải thời gian của detector phụ thuộc vào các tương tác xảy ra trong detector đó Tuy nhiên, toàn bộ phân giải thời gian của một thiết bị hoàn chỉnh cũng sẽ phụ thuộc vào thời gian chết gắn liền với các bộ phận điện tử của một hệ đếm 2.1.1.4 Các loại detector chứa khí Có ba loại... GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 16 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân này có nghĩa là sau khi một ion được tạo thành thì nó có thể tái hợp để trở lại trung hòa trước khi nó bị hút về các điện cực Vì vậy xung ở mạch ngoài phụ thuộc vào kết quả giữa hai quá trình này Khi điện thế qua các điện cực được tăng lên thì các ion tới điện cực nhiều hơn và kích... Trang: 10 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân gamma chỉ bị suy giảm về cường độ chùm tia khi tăng bề dày vật chất mà không bị hấp thụ hoàn toàn Ta xét một chùm tia hẹp gamma đơn năng với cường độ ban đầu I o Sự thay đổi cường độ khi đi qua một lớp mỏng vật liệu dx bằng: dI    Idx (1.10) Trong đó  là hệ số suy giảm tuyến tính (linear attenuation... Dectector làm việc ở vùng này gọi là ống đếm tỷ lệ GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 17 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân 2.1.1.2.4 Vùng Geiger - Muller Nếu điện thế vẫn được tăng thêm nữa thì sự nhân khí là lớn đến mức mà một hạt ion hóa đơn lẻ tạo ra nhiều các thác ion dọc theo chiều dài của anode, dẫn đến kích thước xung là rất rộng Vùng này gọi... đối với các nguyên tử nặng (chẳng hạn chì) ngay cả ở vùng năng lượng cao, còn đối với các nguyên tử nhẹ (chẳng hạn cơ thể sinh học) hiệu ứng quang điện chỉ xuất hiện đáng kể ở vùng năng lượng thấp GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 12 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Khi electron được bứt ra từ một lớp vỏ nguyên tử, chẳng hạn từ lớp vỏ trong cùng... Định Trang: 11 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Ee  E  E B (1.12) Theo công thức (1.12) năng lượng của gamma tới ít nhất phải bằng năng lượng liên kết của electron thì hiệu ứng quang điện mới xảy ra Tương tác này ra với xác suất lớn nhất khi năng lượng gamma vừa vượt qua năng lượng liên kết, đặc biệt là đối với các lớp trong cùng Hình 1.6b... kg là khối lượng electron và c = 3.108m/s là 2 me c vận tốc ánh sáng; me c 2  0,51 MeV Góc tán xạ  của electron sau tán xạ liên hệ với góc  như sau: GVHD: TS Thái Khắc Định Trang: 13 SVTH: Lý Duy Nhất Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân tg   1 E 1 ' E cotg  2 (1.15) Theo (1.15) góc tán xạ của gamma sau tán xạ càng lớn thì E  càng bé Nghĩa là gamma càng mất