Đang tải... (xem toàn văn)
Hệ phổ kế Beta được sử dụng trong các nghiên cứu cơ bản cũng như ứng dụng của khoa học và công nghệ detector hạt nhân. Độ phân giải năng lượng và hiệu suất ghi là hai trong số những đặc trưng quan trọng nhất của phổ kế Beta. Cùng với sự tiến bộ của công nghệ, ngày nay hệ phổ kế Beta với detector có tinh thể ngày càng lớn, cho phép tăng hiệu suất ghi của detector và mở rộng dải năng lượng đo được. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm chi tiết nội dung khóa luận.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN NGUYỄN ĐĂNG HUY - 1410702 KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ CÁC THAM SỐ ĐẶC TRƯNG KỸ THUẬT CỦA HỆ PHỔ KẾ BETA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS ĐẶNG LÀNH KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ HẠT NHÂN KHÓA 2014 - 2019 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn đến Thầy giáo hướng dẫn Tiến Sĩ Đặng Lành tận tình hướng dẫn, giúp đỡ truyền đạt vốn kiến thức quý báu tạo điều kiện thuận lợi cho em trình học tập thực khóa luận Em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy, Cô Trường Đại học Đà Lạt, đặc biệt quý Thầy, Cô Khoa Kỹ Thuật Hạt Nhân truyền đạt vốn kiến thức quý báu tạo môi trường học tập thuận lợi cho em suốt 4.5 năm học tập trường Đại học Đà Lạt trình thực khóa luận tốt nghiệp Em xin cảm ơn bạn lớp HNK38 đồng hành em suốt thời gian học tập trường Đại học Đà Lạt Và cuối cùng, xin cảm ơn Ba Mẹ yêu thương, tin tưởng tạo điều kiện tốt cho hồn thành khóa luận NGUYỄN ĐĂNG HUY LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Những kết số liệu khóa luận chưa được cơng bố dưới hình thức Tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước Nhà trường cam đoan Đà Lạt, ngày 10 tháng 12 năm 2018 Sinh viên MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TƯƠNG TÁC CỦA TIA BETA VỚI VẬT CHẤT 1.1 Lý thuyết phân rã beta 1.1.1 Phân rã beta .3 1.1.2 Phân rã .3 1.1.3 Phân rã .3 1.1.4 Phân rã Beta kép .4 1.2 Ion hoá (Ionization) .4 1.3 Độ ion hoá riêng (Specific ionization) 1.4 Hệ số truyền lượng tuyến tính (LET) 1.5 Bức xạ hãm (Bremsstrahlung) .7 1.6 Quãng chạy hạt beta vật chất 1.7 Biểu diễn mối quan hệ số cặp ion .8 1.8 Đầu dò hấp vào mặt .11 1.8.1 Lý thuyết .11 1.8.2 Nguyên tắc làm việc detector bán dẫn 14 1.8.3 Detector hàng rào mặt 17 1.9 Lý thuyết tia Beta 18 CHƯƠNG II: KHẢO SÁT HỆ PHỔ KẾ ĐA KÊNH ΒETA 21 2.1 Khung giỏ NIM 21 2.1.1 Thông số kĩ thuật 22 2.1.2 Hoạt động 22 2.2 Máy phát xung chuẩn Pulser 480 23 2.2.1 Đặt điểm kỹ thuật 23 2.2.2 Hoạt động 25 2.3 Bộ khuếch đại phổ 575A .26 2.3.1 Thông số kĩ thuật 26 2.3.2 Hoạt động 28 2.4 Khối cao Quad Bias Supply 29 2.4.1 Thông số kĩ thuật 30 2.4.2 Hoạt động 32 2.5 Khối giao diện EASY_MCA + phần mềm điều khiển, thu nhận xử lý số liệu .33 2.5.1 Khối giao diện EASY_MCA 33 2.5.2 Hoạt động 35 2.5.3 Phần mềm Maestro _DEL_PC MCB 129 36 2.6 Hệ máy bơm chân không .37 2.7 Thông tin bảo hành 38 CHƯƠNG III THỰC NGHIỆM 41 3.1 Quang phổ beta 41 3.1.1 Các thiết bị cần thiết ORTEC 41 3.1.2 Các thiết bị cần thiết khác .41 3.1.3 Mục đích .41 3.1.4 Lý thuyết .17 3.1.5 Thực nghiệm Hiệu chuẩn với thu/phát 41 3.1.6 Thực nghiệm Xác định điểm cuối beta 204 Tl 43 3.1.7 Thực nghiệm Tỷ lệ chuyển đổi điện tử 45 3.2 Thực ngiệm hệ phổ kế Beta 46 3.2.1 Hệ thống thiết bị phổ kế Beta 46 3.3 Kết thực nghiệm 48 KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắc Từ gốc Nghĩa LET Liner Energy Tranfer Truyền lượng tuyến tính ADC Analog Digtal Convertor Bộ đếm tương tự sang số MDA Multi Channel Analyser Máy phân tích đa kênh DC Direct Current Điện chiều MCD Multi Channel Processing Xử lý liệu đa kênh MCB Minature Circuit Breaker Bộ ngắt mạch ROI Region of Interest Risetime Vùng diện tích quan tâm FWHM cao Full Width Half Maximum Độ rộng cực đại nửa chiều DANH MỤC HÌNH ẢNH, SƠ ĐỒ Hình Phân rã β⁻ nhìn chung thường gặp hạt nhân giàu neutron [3] .3 Hình Sơ đồ cấu tạo detector chứa khí[1] Hình Đường đặc trưng buồng ion hoá ống đếm tỉ lệ[4] Hình Phân bố điện tích, điện U(x), điện trường E(x) detector bán dẫn pn[5] 12 Hình Phân bố điện tích, điện U(x), điện trường E(x) detector bán dẫn pi-n[5] 13 Hình Hình thành cặp electron – lỗ trống chất bán dẫn[6] 14 Hình Chất bán dẫn loại n (hình a) chất bán dẫn loại p (hình b)[6] .16 Hình Sơ đồ nguyên tắc detector bán dẫn loại tiếp xúc[6] 16 Hình Hệ phổ kế đa kênh Beta 21 Hình 10 Hình ảnh khung giỏ NIM 21 Hình 11 Hình ảnh mặt trước sau máy phát xung chuẩn Pulser 480 23 Hình 12 Hình ảnh mặt trước sau khuếch đại phổ 575A 26 Hình 13 Hình ảnh mặt trước sau khối cao Quad Bias Supply 29 Hình 14 Hình ảnh mặt trước sau khối gia diện EASY_MCA 33 Hình 15 Hình ảnh máy bơm chân khơng 37 Hình 16 Phổ Beta [8] 18 Hình 17 Phổ electron chuyển đổi [8] 19 Hình 18 Phổ electron chuyển đổi [8] .19 Hình 19 Phổ electron [8] .19 Hình 20 Năng lượng Beta với độ dày Silicon[8] 20 Hình 21 Sơ đồ cấu trức hiệu chỉnh xung chuẩn[8] 42 Hình 22 Dịng chuyển đổi từ [8] 43 Hình 23 Hình hệ phổ kế đa kênh Beta 46 Hình 23 Sơ đồ cấu trúc khối 47 Hình 23 Phổ phông hệ phổ kế Beta .48 Hình 24 Phổ Pb-214 hệ phổ kế Beta 49 Hình 26 Phổ Ba-140 hệ phổ kế Beta 51 Hình 27 Phổ Tl-204 hệ phổ kế Beta .52 Hình 28 Phổ Sr-90_hskd40-10_909sec hệ phổ kế Beta 52 Hình 29 Phổ Sr-90_hskd20-6_3330sec hệ phổ kế Beta 53 Hình 30 Phổ Sr-90_hskd10-4_10966sec hệ phổ kế Beta .54 Hình 31 Phổ Sr-90_hskd10-4_28058sec hệ phổ kế Beta .54 Hình 22 Dịng chuyển đổi từ [8] Trong đó: N(W) = số lượng kênh được xem xét, F(Z,W) = số Fermi, P = động lượng hạt beta, W = tổng lượng hạt beta, = lượng điểm cuối tối đa phổ beta, K = số độc lập so với lượng Nếu bên trái phương trình (15) được áp dụng với W Phổ tạo đường đường thẳng ngoại suy Quang phổ lượng thấp hiển thị đường uốn cong.Một phép tính dễ dàng được thực cách sử dụng hàm Fermi sửa đổi G (Z, W) được tính tốn từ giá trị Fermi xác Bảng chức có sẵn phương trình (14) Khi thay hàm phương trình (15) có: [ ] = K( – W) (16) Trong biểu thức động đo được, E được cho (W-1) đơn vị tổng lượng Động E được biểu thị đơn vị ( = 0.511 MeV) 44 Thay W phương trình (4) E ta có: [ ] = K(- E) (17) Trong đó: N(E) = số lượng thực tế đếm lượng cụ thể quang phổ; ví dụ điểm cho (Hình 9) kênh 200, N(E) ≅ 190; W = E + 1, E động (0,511 MeV); G(Z,W) = hàm Fermi; chúng được liệt kê hệ sau động lượng P phiên beta, P = Hàm Fermi với G(Z,W) áp dụng cho phân rã - Thủ tục Sử dụng hệ thống thí nghiệm, bao gồm hiệu chuẩn Đặt nguồn 204Tl buồng chân không, bơm xuống chân không, điều chỉnh bia phù hợp với máy dò, được quang phổ tương tự Hình Đọc MCA vẽ phổ tuyến tính biểu đồ 3.1.7 Thí nghiệm Tỷ lệ chuyển đổi điện tử - Lý thuyết Trong q trình chuyển đổi nội bộ, lượng kích thích được trao cho electron quay xung quanh trình bày phần đầu thí nghiệm Các electron thường tham gia K, L vỏ M gần với hạt nhân Năng lượng việc chuyển đổi được cho = – Trong đó: (16) = lượng đo được electron chuyển đổi = lượng kích thích có sẵn phân rã = lượng liên kết electron nguyên tử Phổ electron chuyển đổi cho được hiển thị Hình 10 Nó cho thấy dịng 1,048 0,975 MeV Đây dòng đến từ trình K L chuyển đổi tương ứng Các sơ đồ phân rã , thể Hình 10, cho thấy chuyển tiếp gamma từ mức 1,634-MeV đến mức 0,570 MeV Chênh lệch lượng 45 1,064 MeV Trong phương trình lượng kích thích, Ex có sẵn cho q trình chuyển đổi Năng lượng liên kết K, , cho 88 keV Đối với chuyển đổi này, Ee = 1,064 – 0,88 = 0,976 MeV 976 keV Năng lượng liên kết L cho 15,86 keV cho chuyển đổi này, = 1,064 - 0,01586 = 1,048 Một cách tương tự, nguồn lượng electron chuyển đổi cho kích thích 570-keV được tính tốn Đây 482 554 keV Trong thí nghiệm tỷ lệ K/L được đo - Thủ tục Sử dụng hệ thống thí nghiệm 1, kể hiệu chuẩn Hãy chắn để sử dụng máy dị có độ phân giải 18 keV tốt Tích lũy phổ cho khoảng thời gian dài đủ để có được ~ 1000 đếm đỉnh cao 1,048 MeV In liệu từ MCA [8] 3.2 Thực ngiệm hệ phổ kế Beta 3.2.1 Hệ thống thiết bị phổ kế Beta 46 Hình 23 Hình hệ phổ kế đa kênh Beta - Thiết bị: Khung giỏ NIM; Máy phát xung chuẩn Pulser; Bộ khuếch đại phổ 575A; Khối cao Quad Bias Supply;Khối gao diện EASY_MCA + phần mềm điều khiển, thu nhận xử lý số liệu Maestro _DEL_PC MCB 129; Hệ máy bơm chân khơng ni cho đầu dị hoạt động Detector hàng rào mặt Nguồn: Pb-214 , Sr-90 , Tl-204 , Ba- 140 47 Buồng chân không Máy phát xung chuẩn Ortec 480 Detector hàng rào mặt Tiền khuếch đại Ortec 142 Bộ khuếch đại Ortec 575A Khối cao 710 Hệ thống TRUMPPCI-2k MCA Máy sóng Bơm chân khơng Hình 24 Sơ đồ cấu trúc khối Live Time (thời gian sống): Là thời gian mà số xuất xạ đến đầu dò đầu dò phân giải được Dead Time (thời gian chết): Là thời gian mà kiện xạ đến đầu đị khơng phân giải được Read Time (thời gian thực): Là tổng thời gian mà xuất xạ đến đầu dò Thời gian thực tổng thời gian chết thời gian sống (real = live + dead) Start: Thông tin thời gian thực nghiệm Maker: Con trỏ kênh cần tìm tương ứng với mức lượng toàn phần số đếm Gross Are: Tổng số đếm tồn phần Net Are: Diện tích đỉnh Peak: Đỉnh phổ Roi: Vùng quan tâm Library: Thông tin nguồn Gross/Net Count Rate: Tổng số đếm/tỉ lệ đếm ròng FWHM : Độ rộng cực đại nửa chiều cao 48 FW(1/5)M: Độ rộng 1/5 chiều cao đỉnh phổ Calbration source: Hiệu chỉnh nguồn Preset limits: Giới hạn Thời gian chết phụ thuộc vào bố trí hình học( kích thước đầu dị, nguồn, ), hoạt độ nguồn Hoạt độ cao số đếm lớn Số xạ ngẫu nhiên có giá trị ln ln khác Vì thời gian chết ln khác 3.3 Kết thực ngiệm Hình 25 Phổ phơng hệ phổ kế Beta Thời gian thực nghiệm: 4:17:08 chiều ngày 28/9/2018 Live = 2174,8 s; Real = 2174,8 s; Deal = Giới hạn Real = 100.000 s Maker: trỏ kênh 24 tương ứng với mức lượng toàn phần 235,70 keV với số đếm 187 Cnts Đỉnh: kênh 24,37 với lượng 239,30 keV 49 Hình 26 Phổ Pb-214 hệ phổ kế Beta Thời gian thực nghiệm: 4:21:17 chiều ngày 20/8/2018 Live Time = 209,02 s; Real Time =226,94 s; Deal Time = 7,90% x 226,94=17,92 s Maker: trỏ kênh 33 tương ứng với mức lượng toàn phần 341,59 keV với số đếm 64182 Cnts Đỉnh: kênh 33,91 với lượng 351,02 keV Gross Are = 641668 số đếm Net Are = -298536 ± 2021 Gross/ Net Count Rate = 3068,93 / -1428,27 FWHM = 35,62; FW(1/5)M = 46 50 Hình 27 Phổ Sr-91 hệ phổ kế Beta Thời gian thực nghiệm: 11:23:22 sáng ngày 28/8/2018 Live Time = 10134,22 s; Real Time =14716,68 s; Deal Time = 31,13% x 14716,68 = 4581,30 s Maker: Con trỏ kênh 67 tương ứng với mức lượng toàn phần 479,64 keV với số đếm 1568493 Cnts Đỉnh: Tại kênh 36,4 với lượng 260,55 keV Gross Are = 264960172 số đếm Net Are = 600072866 ± 57542 Gross/Net Count Rate = 26145,10 / 59212,54 cps FWHM = 43,53; FW(1/5)M = 60,4 51 Hình 28 Phổ Ba-140 hệ phổ kế Beta Thời gian thực nghiệm: 1:37:9 chiều ngày 13/9/2018 Live Time = 893,86 s; Real Time =896,86; Deal Time = 0,33% x 896,86 = 2,95s Maker: trỏ kênh 35 tương ứng với mức lượng toàn phần 418,91 keV với số đếm 13739 Cnts Đỉnh: kênh 35,48 với lượng 424,64 keV Gross Are = 135066 số đếm Net Are = 65964 ± 632 Gross/ Net Count Rate = 151,10 / 73,80 cps FWHM = 93,04; FW(1/5)M = 129,06 52 Hình 29 Phổ Tl-204 hệ phổ kế Beta Thời gian thực nghiệm: 10:58:33 sáng ngày 11/9/2018 Live Time = 618820 s; Real Time =1021828 s Channel = 8192 kênh Đỉnh: kênh 35,48 với lượng 424,64 keV Calbration source (hiệu chỉnh nguồn) = 1714 Hình 30 Phổ Sr-90_hskd40-10_909sec hệ phổ kế Beta 53 Nguồn Sr-90 hiệu chỉnh hệ số khuếch đại Coarse Gain = 40; Fine Gain = 10 Môi trường chân không Thời gian thực nghiệm: 8:01:28 sáng ngày 28/9/2018 Live Time = 777,78 s; Real Time = 908,64 s Channel = 8192 kênh Hình 31 Phổ Sr-90_hskd20-6_3330sec hệ phổ kế Beta Nguồn Sr-90 hiệu chỉnh hệ số khuếch đại Coarse Gain = 20; Fine Gain = Môi trường chân không Thời gian thực nghiệm: 7:55:59 sáng ngày 2/10/2018 Live Time = 3329,38 s; Real Time = 3330,36 s Channel = 8192 kênh 54 Hình 32 Phổ Sr-90_hskd10-4_10966sec hệ phổ kế Beta Nguồn Sr-90 hiệu chỉnh hệ số khuếch đại Coarse Gain = 10; Fine Gain = Môi trường chân không Thời gian thực nghiệm: 8:09:49 sáng ngày 1/10/2018 Live Time = 10966,34 s; Real Time = 10966,48 s Channel = 8192 kênh Hình 33 Phổ Sr-90_hskd10-4_28058sec hệ phổ kế Beta Nguồn Sr-90 hiệu chỉnh hệ số khuếch đại Coarse Gain = 10; Fine Gain = Môi trường chân không Thời gian thực nghiệm: 11:15:46 sáng ngày 1/10/2018 55 Live Time = 28067,90 s; Real Time = 28058,04 s Channel = 8192 kênh Tóm tắt Chương 1: Trong chương luận án trình bày đề tương tác beta với vật chất Chương 2: Trong chương trình bày thông số kĩ thuật, nguyên tắc hoạt động, bảo hành hệ phổ kế Beta Chương 3: Trong chương trình bày cách thực nghiệm quang phổ Beta, kết thực nghiệm phổ Pb-214 , Sr-90 , Tl-204 , Ba-140 56 KẾT LUẬN Khóa luận tốt nghiệp thực vấn đề sau: Tổng quan mặt lý thuyết: Tương tác tia Beta với vật chất Bao gồm ý sau: Lý thuyết phân rã Beta, độ ion hóa riêng, hệ số truyền lượng tuyến tính, xạ hãm, quảng chạy hạt beta vật chất, biểu diễn mối quan hệ số cặp ion, đầu dò hấp vào mặt Hệ phổ kế đa kênh Beta gồm ý sau: Khung giỏ NIM, Máy phát xung chuẩn Pulser 480, Bộ khuếch đại phổ 575A, Khối cao Quad Bias Supply, Khối giao diện EASY_MCA + phần mềm điều khiển thu nhận xử lý số liệu, Hệ máy bơm chân không, Thông tin bảo hành Trên sở thực nghiệm: thực nghiệm với nguồn Pb-214 , Sr-90 , Tl-204 , Ba- 140 Đánh giá kết So sánh với giá trị thực nghiệm sau: Phổ thời gian gần trùng lý thuyết Cụ thể, giá trị thời gian thực, thời gian sống, thời gian chết,là giá trị biểu kết hoạt động thực ghi nhận được qua thực nghiệm Các kết thực nghiệm thể rõ tương đối phù hợp với lý thuyết trình bày phần Hệ thiết bị ổn định Cao vùng bình ổn tốt đếm cao Qua lý thuyết thực nghiệm nguồn tối ưu cho đầu dò hoạt động khoảng từ 140 V đến 155 V Ổn định cao 150 V Về mặt lý thuyết tổng quan hệ phổ kế Beta Tìm hiểu sơ đồ nguyên lý hệ phổ kế Beta Thông qua việc ghi nhận phổ việc ghi nhận phổ nguồn chuẩn hệ đo hiểu rõ trình tương tác xạ Beta với vật liệu detector nguyên tắc làm việc hệ phổ kế Beta Về mặt thực nghiệm tiến hành đánh giá số thông số đặc hệ phổ kế Beta Khóa luận tốt nghiệp đáp ứng được yêu cầu ban đầu đề tài: “Khảo sát, đánh giá tham số đặt trưng kỹ thuật hệ phổ kế Beta” Hy vọng giá trị giá trị thực nghiệm giúp cho sinh viên nghành Kỹ thuật hạt nhân tham khảo mặt thực nghiệm đối với loại đồng vị phát Beta 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thị Linh Ghi đo xạ Beta ứng dụng mẫu phân tích mơi trường Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt [2] Nguyễn Đức Hoà (2012) Điện tử hạt nhân Nhà xuất giáo dục Việt Nam 2012 [3] vi.wikipedia.org/wiki/Phân_rã_beta [4] https://vi.wikipedia.org/wiki/Bộ_đếm_tỷ_lệ [5] Nguyễn An Sơn Cơ sở vật lý hạt nhân Nhà xuất giáo dục quốc gia Hồ Chí Minh [6] Ngơ Quang Huy Cơ sở vật lý hạt nhân Nhà xuất khoa học kĩ thuật [7] Phương pháp thực nghiệm Vật Lý Hạt Nhân Trần Thanh Minh Tủ sách địa học Đà Lạt 1979 [8]https://www3.nd.edu/~wzech/Application-Note-AN34-ExperimentsNuclear-Science-Experiment-6.pdf [9] https://www.ortec-online.com [10] https://www.ortec-online.com/products/electronics/power-supplies-andnuclear-instrument-module-nim-bins/4001a-and-4001c [11] https://www.ortec-online.com/products/electronics/pulse-generator/480 [12] https://www.ortec-online.com/products/electronics/amplifiers/575a [13] https://www.ortec-online.com/products/electronics/power-supplies-andnuclear-instrument-module-nim-bins/710 [14] https://www.ortec-online.com/products/electronics/multichannelanalyzers-mca/basic-analog/easy-mca-2k-or-8k [15] https://www.ortec-online.com/products/application-software/maestromca [16] https://www.ortec-online.com/products/radiation-detectors/siliconcharged-particle-radiation-detectors/si-charged-particle-radiation-detectoraccessories/portable-pump-station 58 ... khóa luận tốt nghiệp với đề tài ? ?Khảo sát, đánh giá tham số đặc trưng kĩ thuật hệ phổ kế Beta? ?? gồm phần sau: Chương 1: Tương tác tia Beta với vật chất Chương 2: Khảo sát hệ phổ kế đa kênh Beta. .. Hình hệ phổ kế đa kênh Beta 46 Hình 23 Sơ đồ cấu trúc khối 47 Hình 23 Phổ phông hệ phổ kế Beta .48 Hình 24 Phổ Pb-214 hệ phổ kế Beta 49 Hình 26 Phổ Ba-140 hệ phổ kế. .. phổ kế Beta 51 Hình 27 Phổ Tl-204 hệ phổ kế Beta .52 Hình 28 Phổ Sr-90_hskd40-10_909sec hệ phổ kế Beta 52 Hình 29 Phổ Sr-90_hskd20-6_3330sec hệ phổ kế Beta 53 Hình 30 Phổ Sr-90_hskd10-4_10966sec