Phương pháp ghi đo bức xạ gamma

Tr-ờng Đại học Vinh Khoa vật lý ====== Lê Trần Nam Ph-ơng pháp ghi đo xạ gamma Khoá luận tốt nghiệp đại học Chuyên ngành: Quang học Vinh 2008 Trờng đại học Vinh Khoa:vật lý ~~~~oOo~~~~ Tống thị Thu Hiền Sự lan truyền ánh sáng môi trờng dị hớng quang học Khoá luận tốt nghiệp đại học Chuyên ngành : Quang học quang phổ Vinh, 2008 Mục lục Mở đầu Ch-ơng 1:Tổng quan t-ơng tác xạ Gamma với vật chất 1.1 Tia gamma 1.1.1 Nguån gèc .4 1.1.2 TÝnh chÊt .4 1.2 T-ơng tác cđa bøc x¹ gamma víi vËt chÊt 1.2.1 HiƯu øng quang ®iƯn 1.2.2 Tán xạ Compton 1.2.3 Hiệu ứng tạo cặp 14 1.3 Sự suy giảm xạ gamma vËt chÊt 17 Ch-¬ng 2: Ph-¬ng pháp đo tán xạ Compton ứng dụng 20 2.1 Phép đo hàm tán xạ không kết hợp 20 2.2 Đo bề dày lớp vật liệu ph-ơng pháp tán xạ gamma Compton 21 2.3 Xác định vị trí kích th-ớc khut tËt vËt liƯu 22 Ch-¬ng 3: Ph-ơng pháp thực nghiệm đo l-ờng suy giảm bøc x¹ gamma vËt chÊt 24 3.1 Lý thuyÕt vµ cÊu tróc thÝ nghiƯm .24 3.2 Dơng thÝ nghiƯm 27 3.3 TiÕn hµnh thÝ nghiƯm .31 3.4 Kết thực nghiệm xác định độ suy giảm phóng xạ gamma ba môi tr-ờng Al, Fe, Pb 33 3.4.1 ThÝ nghiÖm .33 3.4.2 ThÝ nghiÖm .36 3.4.3 ThÝ nghiÖm .38 3.4.4 Mét sè kÕt luËn rót .41 KÕt luËn .43 Tài liệu tham khảo 44 Mở đầu Mọi vật sống Trái Đất chịu tác dụng cách liên tục xạ phát từ nguyên tố phóng xạ tự nhiên nguyên tè phãng x¹ cã ngn gèc tõ vị trơ Møc độ chiếu nguyên tố phóng xạ tự nhiên vị trí địa lý khác không đồng nh- Những vùng nồng độ nguyên tố phóng xạ cao mức chiếu xạ cao Sự phân bố xạ vũ trụ không đồng vĩ tuyến khác phụ thuộc vào độ cao so với mặt n-ớc biển Tại thời điểm hoạt độ chiếu sáng mặt trời tăng hoạt độ phóng xạ xạ vũ trụ kèm theo tăng theo Tia Gamma loại xạ có l-ợng cao, khả đâm xuyên lớn gây tác động mạnh, nguy hiểm đến sinh vật sống, đến ng-ời Với liều l-ợng đủ lớn, tia Gamma gây tác động xấu ng-ời ảnh h-ởng đến di truyền, ®ét biÕn vµ cã thĨ dÉn tíi tư vong víi ng-ời Tuy nhiên sợ làm việc với chất phóng xạ nguồn xạ rơi vào tr-ờng hợp cực đoan vô lý khác Chính nhiệm vụ ngành vật lý hạt nhân với nguyên tắc an toàn phóng xạ đà nêu rõ tầm quan trọng việc tiến hành thí nghiệm hạt nhân để tìm ứng dụng to lớn xạ nói chung phục vụ vào thực tiễn đời sống sản xuất ng-ời Với ý nghĩa thiết thực vấn đề h-ớng dẫn thầy giáo Th.S : Nguyễn Thành Công, đà lựa chọn đề tài: Ph-ơng pháp ghi đo xạ gamma Mục đích luận văn trình bày nguồn gốc tính chất xạ gamma, tổng quan t-ơng tác bøc xa gamma víi vËt chÊt Giíi thiƯu vỊ phÐp đo tán xạ Compton số ứng dụng Từ tiến hành ph-ơng pháp thực nghiệm nghiên cứu suy giảm xạ gamma qua vật chất Chúng ta sống kỉ nguyên vũ trụ, hạt nhân Tuy Việt Nam lĩnh vực ứng dụng xạ hạt nhân ch-a đ-ợc phát triển khai thác với tiềm to lín cđa nã §èi víi nhiỊu ng-êi cịng nh- với sinh viên ngành Vật Lý nói chung lĩnh vực mẻ xa lạ hiểu biết lĩnh vực hạn chế, chủ yếu qua lý thuyết, đ-ợc tiếp xúc thực tế Vì với vấn đề đ-ợc trình bày luận văn kết hợp với bi thí nghiệm ghi đo xạ suy gi°m cđa bøc x¹ gamma vËt chÊt ” ë phßng thÝ nghiƯm VËt Lý – Quang phỉ, tr-êng ĐH Vinh phần giúp bạn sinh viên gần gũi với ngành Vật lý hạt nhân, khắc phục đ-ợc số hạn chế tiếp xúc lµm viƯc víi bµi thÝ nghiƯm nµy Bè cơc luận văn gồm Phần mở đầu: giới thiệu luận văn, nêu ý nghĩa lý chọn đề tài Phần nội dung: Ch-ơng 1: Tổng quan t-ơng tác xạ gamma với vật chất Ch-ơng : Ph-ơng pháp đo tán xạ Compton ứng dụng Ch-ơng 3: Ph-ơng pháp thực nghiệm đo l-ờng suy giảm xạ gamma vật chất Kết luận: Tóm tắt nội dung đà trình bày luận văn Ch-ơng Tổng quan t-ơng tác xạ Gamma với vật chất 1.1 Tia gamma 1.1.1 Nguồn gốc Bức xạ gamma t-ợng hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích cao trạng thái kích thích thấp hay trạng thái cách phân rà xạ gamma Hạt nhân sau phân rà gamma không thay đổi số khối A điện tích Z Công thức trình là: ( Z X A )* Z X A (1.1) Nh- phân rà Gamma xảy hạt nhân kích thích Hạt nhân kích thích thu đ-ợc nhiều cách Trong phản ứng hạt nhân kết bắn phá hạt tích điện, hạt nơtron photon khác mà hạt nhân bia đ-ợc nâng lên trạng thái kích thích Sau phân rà anpha bêta hạt nhân tạo thành nằm trạng thái kích thích, sau phát tia gamma Đây cách đơn giản phổ biến để thu đ-ợc hạt nhân xạ gamma Ví dụ : 126C * sau phản øng Be( , n)126C * ph¸t tia gamma l-ợng 4,44 MeV Tuy nhiên trình phát tia gamma th-ờng xảy trạng thái chuyển động hạt nhân, nên l-ợng th-êng në réng theo hiÖu øng Doppler 1.1.2 TÝnh chÊt - Không nhìn thấy đ-ợc mắt th-ờng - Không cảm nhận đ-ợc giác quan ng-ời - Có khả làm cho số chất phát quang Mét sè cã tÝnh chÊt nh- vËy lµ Canxi, Bari, Diamon ( Kim c-¬ng )… - Chóng chun động với vận tốc ánh sáng - Có hại tế bào sống, nói chung nguy hiểm sức khoẻ ng-ời cần phải rÊt cÈn thËn lµm viƯc, tiÕp xóc víi nã - Có thể ion hoá vật chất ( Đặc biệt với chất khí, chất khí dễ bị Ion hoá để trở thành điện tử Ion d-ơng ) - Tuân theo định luật ánh sáng ( Phản xạ, khúc xạ, truyền theo đ-ờng thẳng ) - Tuân theo qui luật : C-ờng độ tỉ lệ nghịch với bình ph-ơng khoảng cách nguồn phát điểm xác định không gian - Có thể xuyên qua vật mà ánh sáng xuyên qua đ-ợc Độ đâm xuyên phụ thuộc vào l-ợng photon gamma, mật độ vµ chiỊu dµy líp vËt chÊt Qui lt hÊp thơ phôtôn gamma có dạng tổng quát nh- sau: I = Io e   x B Víi : I: c-ờng độ chùm tia vị trí x Io : c-ờng độ chùm tia ban đầu : lµ hƯ sè hÊp thơ x : chiỊu dµy lớp vật chất mà phôtôn đà xuyên qua (mà ®ã gamma cã c-êng ®é I ) B : hÖ sè chn trùc (hƯ sè Build up) - Chóng t¸c dụng lên lớp nhũ t-ơng phim ảnh 1.2 T-ơng tác xạ gamma với vật chất Tia Gamma thuộc loại xạ có tính thâm nhập cao vật chất Chúng t-ơng tác với hạt nhân, electron nguyên tử nói chung l-ợng chúng bị suy giảm Sự yếu dần chùm tia gamma theo luật hàm mũ phụ thuộc vào : mật độ vật chất, số Z l-ợng photon gamma E Ngoài phản ứng hạt nhân, tia gamma l-ợng cao, t-ơng tác tia gamma với vật chất chủ yếu trình : - Hiệu ứng quang điện - Tán xạ Compton - Hiệu ứng tạo cặp 1.2.1 Hiệu ứng quang điện A.E X K L M Quang electron Hình Sơ đồ hiệu ứng quangđiện Hiệu ứng quang điện trình t-ơng tác photon gamma với nguyên tử, kết trình photon truyền toàn l-ợng cho electron liên kết nguyên tử, phần l-ợng dùng để bứt electron khỏi liên kết nguyên tử, phần lại biến thành động electron Động giật lùi nguyên tử bé bỏ qua Từ định luật bảo toàn l-ợng : E = Te + Elk Te động electron Elk l-ợng liên kết electron nguyên tử Nếu E < Elk hiệu ứng không xảy Hiệu ứng xảy E > Elk electron bắn th-ờng có ph-ơng vuông góc với ph-ơng truyền gamma Chỗ trống vị trí electron bắn lớp vỏ hiệu ứng quang điện tạo đ-ợc lấp đầy electron từ quỹ đạo cao hơn, trình kèm theo phát tia X electron Auger ( Hình 1.1) Hiệu ứng quang điện không xảy víi electron tù do, thËt vËy : NÕu x¶y với electron tự theo định luật bảo toàn l-ợng ta có : 1 E  = m0 c   1 Từ địng luật bảo toàn xung l-ỵng :  P =  Pe  P = Pe (1.2.1) (1.2.2) Kết hợp (1.1) (1.2) ta cã cã : E  E m0  c      2 m0 c  1  1   c   1  2 E 1       1 2  m c 1    1  1  1  (1   ) =        1 (1.2.3) (1.2.4) NÕu  = th× E = 0, nÕu  = th× E =  VËy hiƯu øng quang điện hầu nhkhông xảy với electron liên kết yếu, đặc biệt l-ợng liên kết Elk