DSpace at VNU: Đánh giá bằng thực nghiệm ưu điểm của phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi và một số ứng dụng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  BÙI THỊ HƢƠNG ĐÁNH GIÁ BẰNG THỰC NGHIỆM ƢU ĐIỂM CỦA PHƢƠNG PHÁP CHUẨN NỘI HIỆU SUẤT GHI VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC 1q – 50 - xb Hà Nội – 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  BÙI THỊ HƢƠNG ĐÁNH GIÁ BẰNG THỰC NGHIỆM ƢU ĐIỂM CỦA PHƢƠNG PHÁP CHUẨN NỘI HIỆU SUẤT GHI VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG Chuyên ngành: Vật lý hạt nhân nguyên tử lƣợng cao Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Văn Loát Hà Nội – 2015 MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG PHÂN RÃ PHÓNG XẠ 1.1 Hiện tƣợng phân rã phóng xạ 1.1.1 Định nghĩa đặc điểm tượng phân rã phóng xạ 1.1.2 Quy luật phân rã phóng xạ 1.2 Chuỗi phóng xạ liên tiếp Hiện tƣợng cân phóng xạ .7 1.2.1 Chuỗi phóng xạ liên tiếp 1.2.2 Hiện tượng cân phóng xạ Error! Bookmark not defined 1.3 Các nguyên tố phóng xạ tự nhiên Error! Bookmark not defined 1.3.1 Dãy phóng xạ Urani Error! Bookmark not defined 1.3.2 Dãy phóng xạ Thori Error! Bookmark not defined CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM Error! Bookmark not defined 2.1 Phƣơng pháp chuẩn nội hiệu suất ghi Error! Bookmark not defined 2.2.1 Phương pháp phổ gamma Error! Bookmark not defined 2.1.2 Phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi Error! Bookmark not defined 2.2 Hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe – Canberra Error! Bookmark not defined 2.2.1 Đầu dò bán dẫn BEGe, Model BE530 Error! Bookmark not defined 2.2.2 Buồng chì: Error! Bookmark not defined 2.2.3 Khối tiền khuếch đại, model Canberra 2002C: Error! Bookmark not defined 2.2.4 Khối khuếch đại phổ, model Canberra 2026: Error! Bookmark not defined 2.2.5 Khối cao thế, model Canberra 3106D: Error! Bookmark not defined 2.2.6 Khối phân tích đa kênh: Error! Bookmark not defined 2.3 Phân tích phổ gamma Error! Bookmark not defined 2.3.1 Mục đích phân tích phổ gamma Error! Bookmark not defined 2.3.2 Phần mềm phân tích phổ gamma Error! Bookmark not defined 2.3.3 Đường cong hiệu suất ghi detecto Error! Bookmark not defined 2.4 Một số hiệu chỉnh nâng cao độ xác kết đo Error! Bookmark not defined 2.4.1 Hiệu ứng thời gian chết Error! Bookmark not defined 2.4.2 Hiệu chỉnh chồng chập xung Error! Bookmark not defined 2.4.3 Hiệu ứng cộng đỉnh Error! Bookmark not defined CHƢƠNG THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ Error! Bookmark not defined 3.1 Xác định tỉ số hoạt độ 208Tl / 228Ac nguồn TS5 Error! Bookmark not defined 3.1.1 Nguồn khơng bọc chì đặt song song với bề mặt detecto Error! Bookmark not defined 3.1.2 Nguồn bọc chì 1,5mm Error! Bookmark not defined 3.2 Xác định tỷ số hoạt độ số đồng vị dãy 238 U Error! Bookmark not defined 3.2.1 Đánh giá tính cân phóng xạ dãy 238U Error! Bookmark not defined 3.2.2 Xác định tỉ số hoạt độ 235U 238U Error! Bookmark not defined 3.3 Đánh giá sai số Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO MỞ ĐẦU Trong nhiều toán Vật lý hạt nhân liên quan tới tỉ số hoạt độ hai đồng vị mẫu đo Trong [6] đưa công thức xác định độ giàu tuổi nhiên liệu hạt nhân Tuổi nhiên liệu hạt nhân xác định thông qua tỷ số hoạt độ Độ giàu đồng vị xác định thông qua việc đo tỉ số hoạt độ Hiện độ giàu nhiên liệu hạt nhân xác định phổ biến theo phương pháp phổ gamma, phương pháp xác định độ chảy theo tỉ lệ hoạt độ ứng dụng Trong nghiên cứu tỉ số suất lượng đồng phân phương pháp đo phổ gamma tỷ số suất lượng xác định thông qua đo tỷ số hoạt độ Về nguyên tắc để xác định tỷ số hoạt độ cần xác định hoạt độ đồng vị Như biết, hoạt độ đồng vị xác định thông qua tốc độ đếm đỉnh hấp thụ toàn phần xạ gamma đặc trưng Biết hiệu suất ghi đỉnh hệ số hình học xác định hoạt độ đồng vị Để nâng cao độ xác [4] cần nâng cao hệ số tự hấp thụ mẫu, hiệu chỉnh hấp thụ cửa sổ detecto, hiệu chỉnh thời gian chết Hiệu suất ghi xác định dựa vào đường cong hiệu suất ghi xây dựng đo mẫu chuẩn có hình học giống mẫu phân tích Nhưng với nhiều tốn hình học mẫu đo khác nhau, việc tính tốn hình học đo gặp nhiều khó khăn Để khắc phục khó khăn [6] đưa phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi Theo phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi tỷ số hoạt độ hai đồng vị xác định dựa vào tỷ số tốc độ đếm chia cho hệ số phân nhánh hai xạ đặc trưng cho hai đồng vị quan tâm Hai xạ chọn có lượng lượng xấp xỉ Tỷ số tốc độ đếm chia cho hệ số phân nhánh đồng vị xác định trực tiếp thông qua việc đo phổ gamma mẫu, Còn tỷ số tốc độ đếm chia cho hệ số phân nhánh đồng vị thứ hai thu từ đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi xây dựng dựa vào tỷ số lượng Eγ đồng vị thứ hai gây Ưu điểm phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi không cần mẫu chuẩn áp dụng cho hình học đo Mục tiêu luận văn kiểm tra thực nghiệm việc xác định tỷ số hoạt độ hai đồng vị có mẫu khơng cần mẫu chuẩn, khơng phụ thuộc vào hình học đo Mục tiêu thứ hai áp dụng phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi để đánh giá trạng thái cân đồng vị phóng xạ dãy 238 U nguồn, tỷ số hoạt độ 235 U 238 U Ngoài phần mở đầu, kết luận Luận văn chia thành chương Chương Tìm hiểu khái qt phân rã phóng xạ, tượng cân phóng xạ số đặc điểm dãy phóng xạ tự nhiên Chương Trình bày phương pháp thực nghiệm, phương pháp phổ gamma, phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi, hệ đo hần mềm xử lý Một số phương pháp hiệu chỉnh nâng cao độ xác kết đo Chương Trình bày kết thực nghiệm xác định tỷ số hoạt độ mẫu TS5 Xác định tỷ số hoạt độ thực nghiệm tính tốn lý thuyết CHƢƠNG PHÂN RÃ PHĨNG XẠ 1.1 Hiện tƣợng phân rã phóng xạ 1.1.1 Định nghĩa đặc điểm tượng phân rã phóng xạ Phóng xạ tượng hạt nhân khơng bền tự biến đổi thành hạt nhân nguyên tử khác kèm theo phóng tia khơng nhìn thấy bắt electron biến hoán nội Khi hạt nhân trạng thái kích thích cao giải phóng lượng cách phát xạ gamma để trở trạng thái kích thích thấp trạng thái gọi dịch chuyển gamma Bình thường hạt nhân tồn trạng thái có lượng thấp gọi trạng thái Trạng thái kích thích hạt nhân hình thành phản ứng hạt nhân, hạt phân rã phóng xạ tạo thành hạt nhân trạng thái kích thích Vì khơng có nguồn gamma túy nào, mà xạ gamma thường kèm với phân rã phóng xạ, q trình phản ứng hạt nhân xảy Hiện tượng phân rã phóng xạ tượng ngẫu nhiên, ta biết hạt phân rã phóng xạ để tạo thành hạt nhân mà biết xác suất phân rã Khi nghiên cứu tượng phân rã phóng xạ ta phải nghiên cứu tập hợp lớn hạt nhân phóng xạ loại, tìm quy luật phân rã hạt nhân phóng xạ xét Cũng giống tượng ngẫu nhiên khác, để đặc trưng cho khả phân rã phóng xạ ta đưa vào khái niệm số phân rã phóng xạ Hằng số phân rã phóng xạ xác suất để hạt nhân phân rã phóng xạ đơn vị thời gian Đối với hạt nhân phóng xạ số phóng xạ đại lượng vật lý đặc trưng cho khả phóng xạ hạt nhân Với đồng vị phóng xạ cho trước số phân rã khơng thay đổi điều kiện vật lý, hóa học thay đổi 1.1.2 Quy luật phân rã phóng xạ Xét lượng đồng vị phóng xạ xác định, giả sử thời điểm ban đầu số hạt nhân phóng xạ , tượng phóng xạ nên số hạt nhân phóng xạ giảm dần theo thời gian Giả sử thời điểm t số hạt nhân chưa phóng xạ N, sau khoảng thời gian dt hay thời điểm , số hạt nhân chưa phóng xạ (số hạt nhân lại) Lượng hạt nhân phân rã phóng xạ phải tỉ lệ với khoảng thời gian , tỉ lệ với số hạt nhân mẹ có thời điểm số phân rã phóng xạ Ta có hay Hằng số phân rã phóng xạ (1.1) khơng đổi đặc trưng cho đồng vị phóng xạ cho trước Từ phương trình (1.1) ta có (1.2) Lấy tích phân hai vế phương trình (1.2) với điều kiện, thời điểm ban đầu ta thu phương trình (1.3) Trong số hạt nhân mẹ chưa phân rã phóng xạ thời điểm Biểu thức (1.3) quy luật phân rã phóng xạ mô tả sựu suy giảm số hạt nhân theo thời gian Phương trình (1.3) thực chất phương trình có tính chất thống kê, cho biết số hạt nhân mẹ hi vọng tồn thời điểm Tuy nhiên thực tế số hạt lớn nên quy luật coi xác định Tức số hạt nhân mẹ hi vọng tồn số hạt nhân mẹ tồn thực tế sai khác không đáng kể [1,2,3] Sử dụng định luật Avogadro ta biểu diễn định luật phóng xạ cho khối lượng mẫu phóng xạ sau (1.4) Phương trình (1.4) coi phương trình định luật phóng xạ Từ cơng thức (1.3) lấy logarit tự nhiên hai vế ta có (1.5) Chu kỳ bán rã T1/2 khoảng thời gian để số hạt nhân giảm nửa so với số hạt nhân ban đầu Từ cơng thức (1.3) ta có Hoạt độ phóng xạ H số phân rã phóng xạ đơn vị thời gian Hoạt độ phóng xạ xác định theo công thức Trong hệ đơn vị SI đơn vị đo hoạt độ phóng xạ Becquerel (kí hiệu Bq) 1Bq=1 phân rã/giây 1.2 Chuỗi phóng xạ liên tiếp Hiện tƣợng cân phóng xạ 1.2.1 Chuỗi phóng xạ liên tiếp 1.2.1.1 Chuỗi hai hạt nhân phóng xạ liên tiếp Giả sử đồng vị phóng xạ A (kí hiệu hạt nhân 1) phân rãphóng xạ với số phóng xạ tạo thành hạt nhân B (kí hiệu hạt nhân 2) Đồng vị B lại phân rã phóng xạ với số phân rã tạo thành hạt nhân C Áp dụng định luật phóng xạ (1.3) cho hạt nhân hạt nhân ta phương trình sau (1.5a) (1.5b) Trong số hạt nhân số hạt nhân thời điểm Chia hai vế phương trình với ta Nghiệm phương trình (1.6) có dạng (1.8) Còn nghiệm phương trình có dạng (1.7) Trong N10 N20 số hạt nhân số hạt nhân thời điểm t=0 Nếu ban đầu mẫu khơng có hạt nhân N20 = Phương trình (1.9) có dạng sau a Trường hợp ban đầu có hạt nhân mẹ chu kỳ bán rã hạt nhân mẹ nhỏ so với chu kỳ bán rã hạt nhân Với thời gian đủ lớn so với chu kỳ bán rã hạt nhân mẹ thỏa mãn hàm nên phương trình (1.8) Do (1.10) có dạng sau (1.11) Sau thời gian đủ lớn so với chu kỳ bán rã hạt nhân mẹ đủ nhỏ so với chu kỳ bán rã hạt nhân con, hạt nhân mẹ phân rã hết trở thành hạt nhân Trong hạt nhân phân rã ít, gần coi số hạt nhân chưa phân rã xấp xỉ N10 b Trường hợp chu kỳ bán rã hạt nhân mẹ lớn so với chu kỳ bán rã hạt nhân Xét trường hợp đơn giản ban đầu có hạt nhân mẹ khơng có hạt nhân con, N20=0 Do Với biến đổi phương trình (1.9) ta có cho , biểu thức (1.13) có dạng Chia hai vế cho N1(t) ta có cơng thức Nhân hai vế phương trình (1.14) với độ sau ta viết dạng hoạt TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1]: Nguyễn Văn Đỗ, 2005 “Phương pháp phân tích hạt nhân”, Nhà xuất ĐHQG Hà Nội [2]: Ngô Quang Huy, 2006“Cở sở Vật lý hạt nhân”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội [3]: Bùi Văn Loát, 2009“Địa vật lý hạt nhân”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội [4]: Đặng Huy Uyên, 2006 “Vật lý hạt nhân đại cương”, Nhà xuất Đại học Quốc Gia Hà Nội Tài liệu tiếng Anh [1]: Cong Tam Nguyen,(2005)103“Age-dating of highly enriched uranium by gamma-spectrometry”, Nucl.Instr And Meth B229 [2]: Huda Abduirahman Al-Sulaiti, 2011 Determination of Natural Radioactivity Levels in the State of Using High- Resolution Gamma- Ray Spectrometry A thesis of Dortor of Phylosophy- University of Surey, UK [3]: K.N Mukhin,1987 “Experimental Nuclear Physis”, Vol I Mir Publisher Mosscow ... bày phương pháp thực nghiệm, phương pháp phổ gamma, phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi, hệ đo hần mềm xử lý Một số phương pháp hiệu chỉnh nâng cao độ xác kết đo Chương Trình bày kết thực nghiệm. ..ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  BÙI THỊ HƢƠNG ĐÁNH GIÁ BẰNG THỰC NGHIỆM ƢU ĐIỂM CỦA PHƢƠNG PHÁP CHUẨN NỘI HIỆU SUẤT GHI VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG Chuyên ngành: Vật... nội hiệu suất ghi xây dựng dựa vào tỷ số lượng Eγ đồng vị thứ hai gây Ưu điểm phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi khơng cần mẫu chuẩn áp dụng cho hình học đo Mục tiêu luận văn kiểm tra thực nghiệm