Bài tiểu luận Hệ đo Alpha-Beta phông thấp MPC 2000 DP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HẠT NHÂN & VẬT LÝ MÔI TRƯỜNG  BÁO CÁO MÔN KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Đề tài: Hệ đo Alpha-Beta phông thấp MPC 2000 DP GVHD: TS.Nguyễn Hoàng Nam Sinh viên thực : Ngô Trí Dũng Nguyễn Xuân Hoàng Nguyễn Đình Công Lê Văn Được MSSV 20130659 MSSV 20131631 MSSV 21030452 MSSV 20130971 Máy đo Alpha-Beta phông thấp MPC 2000 DP Hà Nội, tháng 11 năm 2015 Lời nói đầu Thế giới sống chứa nhiều chất phóng xạ điều xảy từ hình thành trái đất Con người phát 60 hạt nhân phóng xạ hạt nhân không ngừng phân rã tương tác với đồng thời phát xạ α,β,γ Một phần chất phóng xạ phát tán vào môi trường: đất, không khí, nước… gây ảnh hưởng đến sống nhân loại Vì ghi đo xạ yếu tố quan trọng vật lý hạt nhân thực nghiệm Từ lĩnh vực nghiên cứu số liệu cấu trúc hạt nhân đến nghiên cứu ứng dụng công nghiệp, nông nghiệp, sinh học, địa chất, y tế, môi trường…đều cần thiết Trong trình học môn Kỹ Thuật Đo Lường, chúng em có tìm hiểu đề tài “Máy ghi đo phóng xạ MPC 2000 -DP ” nhận hướng dẫn nhiệt tình TS Nguyễn Hoàng Nam, giúp chúng em hoàn thành báo cáo Máy đo alpha-beta phông thấp MPC 2000 DP sử dụng phép đo hoạt độ phóng xạ hạt nhân phát xạ alpha, beta, đặc biệt hoạt độ thấp, phục vụ nghiên cứu vật lý hạt nhân, đo đạc, phân tích môi trường, kiểm soát an toàn phóng xạ, Mục đích báo cáo sử dụng nhằm cung cấp thông tin bản, cần thiết việc đặt chế độ đo vận hành thiết bị Sau nội dung báo cáo :  Tổng quan phóng xạ  Cảm biến nhấp nháy Dual Phosphur ZnS  Máy đo Anpha-Beta phông thấp MPC 2000 DP Dù cố gắng tìm hiểu, kiến thức chuyên ngành thiếu sốt kinh nghiệm thực tế chưa có, nên trình thực nhiều thiếu sót Rất mong nhận nhận xét thầy, để báo cáo hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy! Nhóm Máy đo Alpha-Beta phông thấp MPC 2000 DP MỤC LỤC Lời nói đầu MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PHÓNG XẠ 1.1 Phóng xạ, tia phóng xạ 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Nguồn gốc phân loại 1.1.3 Các loại tia phóng xạ 1.2 Tổng quan ghi đo phóng xạ 1.3 Các đại lượng phóng xạ CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN NHẤP NHÁY DUAL PHOSPHOR ZnS 11 2.1.Detector(Cảm biến) 11 2.2 Cảm biến nhấp nháy Dual Phosphor ZnS 11 2.3 Nguyên lý làm việc Cảm biến Nhấp Nháy 13 2.3.1 Nguyên lý chung 13 2.3.2 Sơ đồ tiền khuếch đại ghép nối với cảm biến nhấp nháy 15 2.3.3 Hình thành xung 16 CHƯƠNG MÁY ĐO ANPHA BETA PHÔNG THẤP MPC 2000-DP 18 3.1 Cấu hình thiết bị 18 3.1.1 Cấu hình chung thiết bị 18 3.2 Quy trình sử dụng 20 3.2.1 Đặt mẫu 20 3.2.2 Bảng điều khiển 21 3.2.3 Ghi đo xạ 21 3.2.4 Quy trình cài đặt (chỉnh sửa) routine 23 3.2.5 Quy trình đo 25 KẾT LUẬN 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO 28 Nhóm Máy đo Alpha-Beta phông thấp MPC 2000 DP Nhóm Máy đo Alpha-Beta phông thấp MPC 2000 DP DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Bảng phương trình phân rã đồng vị phóng xạ phát xạ hạt alpha, beta DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sự phát xạ chất phóng xạ môi trường có từ trường Hình 1.2 Khả đâm xuyên xạ môi trường Hình 2.1 Mô hình Cảm biến nhấp nháy Dual Phosphor ZnS 13 Hình 2.2 Sơ đồ khối mô tả thiết bị ghi đo phóng xạ sử dụng cảm biến nhấp nháy 14 Hình 2.3 Cấu tạo nhân quang điện 14 Hình 2.4: Sơ đồ tiền khuếch đại ghép nối với cảm biến nhấp nháy 15 Hình 3.1 Hệ đo alpha beta phông thấp MPC-2000DP, Mỹ 20 Hình 3.2 Ngăn chứa mẫu 20 Hình 3.3 Bảng điều khiển 21 Hình 3.5 Menu chương trình 22 Hình 3.6 Tiện ích đặt tên mẫu đo 22 Hình 3.7 Định nghĩa Rountine sử dụng 23 Hình 3.8 Màn hình sau nhấn [PRGM] 23 Hình 3.9 Màn hình hiển thị sau bấm công tắc nguồn 25 Hình 3.10 Màn hình hiển thị số đếm ghi 26 Nhóm Máy đo Alpha-Beta phông thấp MPC 2000 DP CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PHÓNG XẠ 1.1 Phóng xạ, tia phóng xạ 1.1.1 Khái niệm Phóng xạ tượng số hạt nhân nguyên tử không bền tự biến đổi phát xạ hạt nhân (thường gọi tia phóng xạ) Các nguyên tử có tính phóng xạ gọi đồng vị phóng xạ, nguyên tử không phóng xạ gọi đồng vị bền Các nguyên tố hóa học gồm đồng vị phóng xạ (không có đồng vị bền) gọi nguyên tố phóng xạ.các tia phóng xạ có từ tự nhiên bị chặn tầng khí Trái Đất Tia phóng xạ chùm hạt :  Mang điện dương hạt anpha, hạt proton; mang điện âm chùm electron (phóng xạ beta)  Không mang điện hạt nơtron, tia gamma (có chất giống ánh sáng lượng lớn nhiều) Sự tự biến đổi hạt nhân nguyên tử, thường gọi phân rã phóng xạ hay phân rã hạt nhân 1.1.2 Nguồn gốc phân loại Các nguồn xạ bao gồm nguồn phóng xạ thiết bị xạ  Các nguồn phóng xạ chất phát hạt xạ Alpha, Beta, Gamma neutron  Các thiết bị xạ gồm lò phản ứng hạt nhân Máy gia tốc hạt tích điện, máy phát neutron,… Nguồn phóng xạ chia thành hai loại :  Nguồn phóng xạ tự nhiên : - Tia vũ trụ - Các nhân phóng xạ vỏ Trái Đất  Nguồn phóng xạ nhân tạo: sản xuất lò phản ứng hạt nhân hay máy gia tốc hạt tích điện Nhóm Máy đo Alpha-Beta phông thấp MPC 2000 DP 1.1.3 Các loại tia phóng xạ Các tia phóng xạ phát phản ứng hạt nhân, đồng vị không bền chuyển thành đồng vị bền hơn, phản ứng phân hạch nhiệt hạch Sau số nguồn phóng xạ alpha, beta thường gặp Bảng 1.1 Bảng phương trình phân rã đồng vị phóng xạ phát xạ hạt alpha, beta Hình 1.1 Sự phát xạ chất phóng xạ môi trường có từ trường Nhóm Máy đo Alpha-Beta phông thấp MPC 2000 DP Bức xạ Alpha  Là dòng hạt nhân nguyển tử 2He4 mang điện tích dương  Bức xạ Alpha phát trình phân rã đồng vị nặng Uran, Radi, Radon Plutoni … với vận tốc khoảng 2×107m/s  Có khả ion hóa chất khí dần lượng  Trên Trái Đất, xạ Alpha không truyền xa, khả đâm xuyên yếu bị cản lại toàn tờ giấy Nhưng nguy hiểm để xạ Alpha xâm nhập vào bên thể người Bức xạ Beta  Bức xạ Beta bao gồm hạt Beta + (positron) Beta – (điện tử)  Tia Beta phát từ số vật liệu phóng xạ , chẳng hạn Triti, Cacbon-14, photpho-32 Stronti-90  Vận tốc hạt Beta gần vận tốc ánh sáng  Ion hóa chất khí yếu tia Alpha  Khả đâm xuyên mạnh tia Alpha, xa không khí, bị cản lại kim loại, kính hay quần áo bình thường  Nó làm tổn tương lớp da bảo vệ, xạ Beta phát thể, chiếu xạ làm tổn thương mô tế bào Bức xa Gamma  Bức xạ gamma sóng điện từ, có bước sóng ngắn, hạt photon lượng cao, va chạm với vật chất cường độ giảm dần  Tia gamma tạo tự phân rã chất phóng xạ, chẳng hạn Cobalt-60 Xedi-137  Không bị lệch điện, từ trường  Khả đâm xuyên lớn, nên phải dùng chắn làm vật liệu chì, bê tông dày  Nó gây hại lớn đến da tế bào thể người tiếp xúc với Hình 1.2 Khả đâm xuyên xạ môi trường Nhóm 8 Máy đo Alpha-Beta phông thấp MPC 2000 DP Bức xạ Neutron  Hạt Neutron giải phóng sau phản ứng phân hạch hạt nhân Uranium Plutronium, thân xạ ion hóa, va chạm với hạt nhân khác, kịch hoạt hạt nhân gây tia gamma hay hạt điện tích thứ cấp gián tiếp gây xạ ion hóa  Neutron có sức xuyên mạnh tia gamma Chỉ bị ngăn cản tường bê tông dày, nước chắn Paraphin  Bức xạ Neutron tồn trong lò phản ứng hạt nhân nhiên liệu hạt nhân Tia X  Tia X dạng lượng sóng điện từ  Tia X người tạo ống Rơngen mà thân tính phóng xạ  Tia X bao gồm hỗn hợp bước sóng khác Do biết đặc điểm, tính chất nguy hại đến sức khỏe người loại xạ, nên việc tránh tiếp xúc với vấn đề vô quan trọng thiết yếu Nên tổng quan ghi đo đạc xạ môi trường để ta tránh tiếp xúc với chúng nhiều 1.2 Tổng quan ghi đo phóng xạ Trong đo ghi xạ, thành phần quan trọng thiết bị đo cảm biến Đây thiết bị biến đổi tín hiệu cần đo thành tín hiệu điện để thiết bị điện tử ghi nhận phân tích Mỗi loại xạ khác có chế tương tác với vật chất đặc trưng riêng biệt, để ghi nhận chúng cần có loại detector khác như: detector chứa khí, detector nhấp nháy, detector bán dẫn 1.3 Các đại lượng phóng xạ Becquerel (Bq) (Đơn vị mang tên nhà khoa học giải Nobel Henri Becquerel) Theo Hệ đo lường quốc tế SI, Becquerel đơn vị đo cường độ phóng xạ Một Becquerel cường độ phóng xạ vật vật có lần phân rã giây Curie (Ci) đơn vị phi SI thể mức độ phóng xạ hoạt động gram Ra226 Cách chuyển đổi Bq Ci: Ci = 3,7 × 1010 Bq Nhóm Máy đo Alpha-Beta phông thấp MPC 2000 DP Gray (Gy) (Đơn vị đặt theo tên nhà vật lý người anh Louis Harold Gray) Theo hệ đo lường quốc tế SI, Gray đơn vị đo lượng hấp thụ xạ ion hóa tuyệt đối Một Gray lượng hấp thụ xạ ion hóa có lượng jun vật hấp thụ có khối lượng kilogram Sievert (Sv) (Đơn vị đặt theo tên nhà vật lý y tế Thụy Điển Maximilian Rolf Sievert) Theo Hệ đo lường quốc tế, Sievert đơn vị đo lượng hấp thụ xạ ion hóa có tác dụng gây tổn hại Một Sievert lượng hấp thụ xạ ion hóa tương đương Gray có tác dụng gây tổn hại 1Sv = 1Gy = 1J-kg Nhóm 10 Máy đo Alpha-Beta phông thấp MPC 2000 DP nênđược sử dụng phổ biến nhiều ứng dụng Dưới trình xảy xác định xạ ion hoá cảm biến nhấp nháy : Hình 2.2 Sơ đồ khối mô tả thiết bị ghi đo phóng xạ sử dụng cảm biến nhấp nháy Do ánh sáng phát từ chất nhấp nháy yếu, nên phải dùng dụng cụ đặc biệt gọi nhân quang điện (PMT) I A A a(t) Out - R C D D C C R C D D D D Hình 2.3 Cấu tạo nhân quang điện  Bức xạ hạt nhân bị hấp thụ chất nhấp nháy gây kích thích ion hoá chất nhấp nháy  Chất nhấp nháy chuyển đổi lượng hấp thụ thành ánh sáng thông qua trình phát quang  Lượng tử ánh sáng đến catốt ống nhân quang  Lượng tử ánh sáng bị hấp thụ catốt ống nhân quang, quang electron phát sau trình nhân electron ống nhân quang  Khuếch đại xung hình thành từ ống nhân quang sau phân tích xung thiết bị điện tử máy đếm máy phân tích biên độ nhiều kênh Nhóm 14 Máy đo Alpha-Beta phông thấp MPC 2000 DP Nhìn chung, cảm biến sử dụng chất nhấp nháy có khả cung cấp nhiều thông tin khác xạ Một đặc điểm bật detector nhạy lượng, thời gian đáp ứng nhanh dạng xung phân biệt rõ ràng Cảm biến nhấy nháy có đóng góp quan trọng phát triển ngành phân tích kích hoạt phóng xạ, loại cảm biến cũ dùng để đo lường phóng xạ Các cảm biến nhấp nháy (scintillator) dựa vài chất thực tế (được gọi phosphor) chúng phát ánh sáng nhìn thấy electron thay đổi mức lượng phát photon ion hóa xạ đo Các photon ánh sáng qua lớp dẫn sáng, đập vào photocatode ống nhân quang điện lối ống nhân quang điện xuất tín hiệu điện có biên độ lớn Tín hiệu điện đưa vào tiền khuếch đại khuếch đại lên trước đưa vào phân tích ghi nhận Có nhiều loại phosphor khác nhau, loại sử dụng để đo xạ khác nhau, với đo xa Alpha-Beta ta sử dụng phosphor ZnS 2.3.2 Sơ đồ tiền khuếch đại ghép nối với cảm biến nhấp nháy Trong detector nhấp nháy, biên độ xung tín hiệu thường có giá trị lớn mức tạp âm tiền khuếch đại Bởi tiền khuếch đại thường mắc theo kiểu lặp lại emiter Trên hình vẽ sơ đồ nguyên lý mạch tiền khuếch đại dùng với tín hiệu lối ống nhân quang điện Hình 2.4: Sơ đồ tiền khuếch đại ghép nối với cảm biến nhấp nháy Nếu điện catod đất, tất điện áp cỡ kV điện áp anod Vì tiền khuếch đại cần nối qua tụ chia C 1, Ca Cb nối song song lối nhân quang điện Một cách tương ứng lối vào tiền khuếch đại: Cs = Ca + Cb điện dung toàn phần mắc song song Ra điện trở anod, Rb điện trở vào tiền khuếch đại, thường Ca- Cb-10 pF Khi , Ra  ,Rb  , ta có: Nhóm 15 Máy đo Alpha-Beta phông thấp MPC 2000 DP Hằng số thời gian mạch: Khi thoả mãn điều kiện   a , a thời gian loé sáng nhấp nháy: Hàm Heaviside: H(t) = với t > với t < Thực tế độ lệch bậc hai trung bình điện áp khỏi đường (0V) xác định: R giá trị trung bình xung, R = 20H(t), 2.3.3 Hình thành xung Các phân tử nguyên tử chất nhấp nháy kích thích thời điểm t = 0, chúng có thời gian sống định, cường độ ánh sáng phát xạ L giảm theo quy luật hàm mũ: τ0 thời gian loé sáng chất nhấp nháy, * H t( ) hàm Heaviside Như va chạm photon giải phóng electron tính trễ, tốc độ phát electron từ photo catod theo quy luật: Sau nhân quang điện hình thành xung dòng: Nhóm 16 Máy đo Alpha-Beta phông thấp MPC 2000 DP Như ta đo hiệu điện đầu ống nhân quang, từ hình thành xung Nhóm 17 Máy đo Alpha-Beta phông thấp MPC 2000 DP CHƯƠNG MÁY ĐO ANPHA BETA PHÔNG THẤP MPC 2000-DP 3.1 Cấu hình thiết bị 3.1.1 Cấu hình chung thiết bị - Detector nhấp nháy Dual Phosphur ZnS, diện tích nhạy 2” - Phông alpha: ≤ 0.05-0.1 cpm - Phông beta: ≤50-55 cpm - Hiệu suất ghi alpha với Pu-239:≥70% - Hiệu suất ghi beta với Tc-99: ≥50% - Modes: Alpha beta; Alpha - Crosstalk :