THIẾT LẬP HỆ ĐO THÔNG LƯỢNG BỨC XẠ VŨ TRỤ SỬ DỤNG DETECTOR NHẤP NHÁY PLASTIC KÍCH THƯỚC LỚN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ NGÔ VŨ THIÊN QUANG THIẾT LẬP HỆ ĐO THÔNG LƯỢNG BỨC XẠ VŨ TRỤ SỬ DỤNG DETECTOR NHẤP NHÁY PLASTIC KÍCH THƯỚC LỚN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Tp Hồ Chí Minh – 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ NGÔ VŨ THIÊN QUANG THIẾT LẬP HỆ ĐO THÔNG LƯỢNG BỨC XẠ VŨ TRỤ SỬ DỤNG DETECTOR NHẤP NHÁY PLASTIC KÍCH THƯỚC LỚN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS VÕ HỒNG HẢI Tp Hồ Chí Minh – 2017 Lời cảm ơn Trong trình học tập hoàn thành khóa luận tốt nghiệp, xin gửi lời cám ơn chân thành đến: TS Võ Hồng Hải tận tình bảo kiến thức cần thiết hoàn thành khoá luận mà phương pháp làm việc khoa học Thầy giúp đỡ nhiều gặp vấn đề phát sinh, giải khó khăn trình thực đề tài TS Phạm Nguyễn Thành Vinh tạo môi trường gặp gỡ nhóm nghiên cứu thầy, nhờ học tập rèn luyện nhiều kĩ Không vậy, thầy tận tình hướng dẫn chia sẻ nhiều kinh nghiệm sống Quý thầy tổ Vật lý hạt nhân, Khoa Vật lý, Trường Đại Học Sư Phạm TP.HCM quý thầy cô Bộ môn Vật lý hạt nhân, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên tận tình giảng dạy nhiều kiến thức bổ ích tạo điều kiện cho suốt trình học tập thực khoá luận Trần Dương Anh Tài hướng dẫn mẫu luận văn viết LaTeX Cuối cùng, xin bày tỏ lòng cám ơn đến gia đình bạn bè ủng hộ nhiều mặt thời gian qua Khóa luận tốt nghiệp hoàn thành nhờ vào giúp đỡ tất Chân thành cảm ơn Tp Hồ Chí Minh, tháng 04, năm 2017 Sinh viên NGÔ VŨ THIÊN QUANG Mục lục Danh mục chữ viết tắt iii Danh mục bảng biểu iv Danh mục hình vẽ, đồ thị v Mở đầu 1 Tổng quan 1.1 Thành phần lượng xạ vũ trụ 1.2 Tương tác hạt mang điện với vật chất 1.3 Đặc trưng detector nhấp nháy Xây dựng hệ đo xạ vũ trụ detector nhấp nháy plastic kích thước lớn 10 2.1 Thiết lập hệ đo 10 2.1.1 Hệ đo detector 10 2.1.2 Hệ đo hai detector 11 2.2 Detector nhấp nháy plastic kích thước lớn 13 2.3 Các thiết bị điện tử 14 2.3.1 Bộ cao 14 2.3.2 Bộ khuếch đại nhanh 15 2.3.3 Bộ số hóa đa kênh DRS4 16 2.3.4 Xử lý số liệu 18 Kết thảo luận 20 3.1 Phân tích xác định xạ vũ trụ hệ đo trùng phùng hai detector nhấp nháy kích thước lớn 20 3.1.1 Đáp ứng phổ lượng hai detector 21 3.1.2 Đáp ứng phổ độ rộng xung hai detector 23 i 3.1.3 Mối tương quan lượng độ rộng xung hai detector 24 3.1.4 Xác định thông lượng xạ vũ trụ 25 3.2 Phân tích xác định xạ vũ trụ hệ đo detector nhấp nháy kích thước lớn 27 3.2.1 Đáp ứng phổ lượng phổ độ rộng xung thí nghiệm detector 27 3.2.2 Phân tích ảnh hưởng phông lên phổ xạ vũ trụ 28 Kết luận kiến nghị 30 Tài liệu tham khảo 32 Phụ lục 34 ii Danh mục chữ viết tắt Chữ viết tắt Tiếng Anh GSPS Giga Samples Per Second PMT Photo Multiplier Tube Ống nhân quang điện DCI Digital Charge Integration Điện tích số hoá iii Tiếng Việt Tốc độ lấy mẫu theo hàng tỉ mẫu giây Danh mục bảng biểu Bảng 1.1: Năng lượng nhỏ (− dE dx ) mà muon để lại số vật liệu khác iv Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1.1: Sự tương tác xạ vũ trụ vào khí Trái Đất Hình 1.2: Độ lượng riêng số hạt mang điện vật chất Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ đo detector khảo sát thông lượng xạ vũ trụ Hình 2.2: 10 Sơ đồ khối hệ đo hai detector khảo sát thông lượng xạ vũ trụ 11 Hình 2.3: Bố trí detector plastic kích thước lớn hệ đo 12 Hình 2.4: Hệ đo với thiết bị kết nối đặt phòng thí nghiệm 12 Hình 2.5: Sơ đồ khối detector nhấp nháy plastic kích thước lớn 13 Hình 2.6: Sơ đồ bên PMT 14 Hình 2.7: Bộ cao âm Opton NC 15 Hình 2.8: Khối khuếch đại nhanh Model 2111 16 Hình 2.9: Bảng mạch DRS4 chứa chip DRS4 thành phần khác 17 Hình 2.10: Giao diện điều khiển DRS Oscilloscope 17 Hình 2.11: Xung tín hiệu detector ghi nhận DRS4 18 Hình 2.12: Định nghĩa pedestal xác định vùng tính diện tích 18 Hình 3.1: Đáp ứng phổ lượng detector detector hệ đo trùng phùng Hình 3.2: 21 Đáp ứng phổ độ rộng xung detector detector hệ đo trùng phùng 23 Hình 3.3: Mối tương quan lượng độ rộng xung 24 Hình 3.4: Phổ lượng detector detector hệ đo trùng phùng với điều kiện độ rộng xung detector detector lớn 17 ns v 25 Hình 3.5: Phân biệt vùng xạ vũ trụ từ phổ tổng 26 Hình 3.6: Đáp ứng phổ thí nghiệm đo detector 28 Hình 3.7: Sự ảnh hưởng phông lên phổ xạ vũ trụ 29 vi Mở đầu Ngày nay, Vật lý phân chia thành nhiều nhóm ngành khác nhau, vật lý nguyên tử hạt nhân quan tâm đào sâu Không vậy, tầm ảnh hưởng ngành vật lý nguyên tử hạt nhân ngày mở rộng ứng dụng hỗ trợ cho lĩnh vực khác công nghiệp (đo bề dày, kiểm tra khuyết tật, ), nông nghiệp (bảo quản, diệt khuẩn, ), y học (chiếu xạ, chụp ảnh, ) Các vấn đề an toàn xạ, điện hạt nhân, phóng xạ môi trường, xạ vũ trụ đối tượng mà nhiều nhóm nghiên cứu tiếp cận Phóng xạ tự nhiên có mặt khắp nơi (đất, đá, vật liệu xây dựng, không khí, ) đóng góp nhiều thành phần Trong đó, xạ vũ trụ chiếm vai trò quan trọng đóng góp chủ yếu vào phông hệ đo mặt đất có lượng lớn khả xuyên sâu cao [11] Do việc nhận biết, khảo sát đánh giá ảnh hưởng chúng điều cần thiết Từ xạ vũ trụ phát vào năm 1912 nhà Vật lý người Úc Victor Hess, thí nghiệm nhằm khảo sát xạ vũ trụ thực nhiều nhóm nhà khoa học giới với nhiều mục đích khác Chúng ta tiếp cận vấn đề liên quan đến xạ vũ trụ qua hội thảo quốc tế xạ vũ trụ (International Cosmic Ray Conference) – diễn đàn lớn để nhà khoa học trao đổi vấn đề liên quan Tại Hà Nội, có phòng thí nghiệm mang tên VATLY (Vietnam Auger Training Laboratory) nghiên cứu xạ vũ trụ lượng cao Viện Khoa học Kỹ thuật hạt nhân Hà Nội, thành lập vào năm 2001 giáo sư Pierre Darriulat dẫn đầu, tiến tới thành công xây dựng detector Cherenkov [3] Tại phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân, thuộc môn Vật Lý Hạt Nhân, đại học Khoa Học Tự Nhiên Hồ Chí Minh, thực số thí nghiệm nghiên cứu [11] Laurec J et al (1996), “A new low background gamma spectrometer equipped with an anti-cosmic device”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 369 (2-3), pp 566–571 [12] Leo W R (2012), Techniques for nuclear and particle physics experiments: a how-to approach, Springer Science & Business Media [13] Ritt S (2014), “DRS4 evaluation board”, User’s manual 33 Phụ lục Phụ lục 1: Đoạn mã C++ dùng để tính thông số xung tín hiệu độ rộng xung diện tích xung /* Purpose: Example file to read binary data saved by DRSOsc Compile and run it with: gcc -o read_binary read_binary.cpp /read_binary */ #include #include #include #include #include typedef struct { char tag[3]; char version; } FHEADER; typedef struct { char time_header[4]; } THEADER; typedef struct { char bn[2]; unsigned short board_serial_number; } BHEADER; 34 typedef struct { char event_header[4]; unsigned int event_serial_number; unsigned short year; unsigned short month; unsigned short day; unsigned short hour; unsigned short minute; unsigned short second; unsigned short millisecond; unsigned short range; } EHEADER; typedef struct { char tc[2]; unsigned short trigger_cell; } TCHEADER; typedef struct { char c[1]; char cn[3]; } CHEADER; /*———————————————————————————*/ int main(int argc, const char * argv[]) { FHEADER fh; THEADER th; BHEADER bh; EHEADER eh; TCHEADER tch; CHEADER ch; unsigned int scaler; unsigned short voltage[1024]; 35 double waveform[16][4][1024], time[16][4][1024]; float bin_width[16][4][1024]; int i, j, b, chn, n, chn_index, n_boards; double t1,t2,dt; double t1_ch1, t2_ch1, dt_ch1,t1_ch2, t2_ch2, dt_ch2; double pedestal_ch1,pedestal_ch2; char filename[256]; int ndt; double threshold,threshold_ch1,threshold_ch2, sumdt, sumdt2; int pos_peak[4]; double peak[4]; if (argc > 1) strcpy(filename, argv[1]); else { printf("Usage: read_binary \n"); return 0; } // open file to save for waveform FILE *fp_wf; fp_wf=fopen("waveform.txt", "w"); // open file to save for sum and time FILE *fp_sum; fp_sum=fopen("sum_time.txt", "w"); // open the binary waveform file FILE *f = fopen(filename, "r"); if (f == NULL) { printf("Cannot find file \’%s\’\n", filename); 36 return 0; } // read file header fread(&fh, sizeof(fh), 1, f); if (fh.tag[0] != ’D’ || fh.tag[1] != ’R’ || fh.tag[2] != ’S’) { printf("Found invalid file header in file \’%s\’, aborting.\n", filename); return 0; } if (fh.version != ’2’) { printf("Found invalid file version \’%c\’ in file \’%s\’, should be \’2\’, aborting.\n", fh.version, filename); return 0; } // read time header fread(&th, sizeof(th), 1, f); if (memcmp(th.time_header, "TIME", 4) != 0) { printf("Invalid time header in file \’%s\’, aborting.\n", filename); return 0; } for (b = ; ; b++) { // read board header fread(&bh, sizeof(bh), 1, f); if (memcmp(bh.bn, "B#", 2) != 0) { // probably event header found fseek(f, -4, SEEK_CUR); break; } printf("Found data for board #%d\n", bh.board_serial_number); // read time bin widths memset(bin_width[b], sizeof(bin_width[0]), 0); 37 for (chn=0 ; chn 10 || bin_width[b][i][1023] < 0.01) for (j=0 ; j threshold_ch2) && ((waveform[b][2][i-1] - pedestal_ch2) 100) & (pos_ch1 17) & ((t2_ch2 - t1_ch2) > 17)) { if ((sum_ch2 > - sum_ch1 + 12) & (sum_ch2 < * sum_ch1) & (sum_ch2 > 0.08 * sum_ch1)) { h1->Fill(max_ch1); h2->Fill(pos_ch1); h3->Fill(sum_ch1); h4->Fill(t2_ch1 - t1_ch1); h411->Fill(t_ch1_max - t1_ch1); h412->Fill(t2_ch1 - t_ch1_max); h5->Fill(max_ch2); h6->Fill(pos_ch2); h7->Fill(sum_ch2); h8->Fill(t2_ch2 - t1_ch2); h811->Fill(t_ch2_max - t1_ch2); h812->Fill(t2_ch2 - t_ch2_max); 45 h221->Fill(t2_ch1 - t1_ch1,t2_ch2 - t1_ch2); h222->Fill(t2_ch1 - t1_ch1,sum_ch1); h223->Fill(t2_ch2 - t1_ch2,sum_ch2); h224->Fill(sum_ch1,sum_ch2); } else { // phong nen cua CH1 va CH2 h331->Fill(sum_ch1); h771->Fill(sum_ch2); } } // tong cua CH1 va CH2 if ((pos_ch1>100) & (pos_ch1 17) & ((t2_ch2 - t1_ch2) > 17)) { h332->Fill(sum_ch1); h772->Fill(sum_ch2); } } // copy du lieu cua CH1 vao histogram while (1) { in2»max_ch11»pos_ch11»sum_ch11»t1_ch11»t2_ch11»t_ch11_max; if (!in2.good()) break; if ((pos_ch11>100) & (pos_ch11 44) { h11->Fill(max_ch11); h21->Fill(pos_ch11); h31->Fill(sum_ch11); h41->Fill(t2_ch11 - t1_ch11); h51->Fill(t_ch11_max - t1_ch11); h61->Fill(t2_ch11 - t_ch11_max); h121->Fill(t2_ch11 - t1_ch11,sum_ch11); } else { h311->Fill(sum_ch11); 46 } // tong if ((pos_ch11>100) & (pos_ch11Fill(sum_ch11); } } // copy du lieu cua CH2 vao histogram while (1) { in3»max_ch12»pos_ch12»sum_ch12»t1_ch12»t2_ch12»t_ch12_max; if (!in3.good()) break; if ((pos_ch12>100) & (pos_ch12Fill(max_ch12); h22->Fill(pos_ch12); h32->Fill(sum_ch12); h42->Fill(t2_ch12 - t1_ch12); h52->Fill(t_ch12_max - t1_ch12); h62->Fill(t2_ch12 - t_ch12_max); h122->Fill(t2_ch12 - t1_ch12,sum_ch12); } } // ve histogram TCanvas* c1 = new TCanvas("c1","histogram",700,700); c1->cd(1); h332->Draw(); in1.close(); in2.close(); in3.close(); } 47 ... liệu 2.1 Thiết lập hệ đo 2.1.1 Hệ đo detector Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ đo detector khảo sát thông lượng xạ vũ trụ Hệ đo detector khảo sát xạ vũ trụ bao gồm detector nhấp nháy với kích thước 40... tính detector nhấp nháy sử dụng thực nghiệm • Chương 2: Xây dựng hệ đo xạ vũ trụ detector nhấp nháy plastic kích thước lớn Trong chương này, trình bày chi tiết thiết lập hệ đo xạ vũ trụ detector, ... dựng hệ đo xạ vũ trụ detector nhấp nháy plastic kích thước lớn Trong chương trình bày việc thiết lập thí nghiệm đo xạ vũ trụ detector nhấp nháy plastic kích thước lớn, đồng thời giới thiệu thiết