Đề tài Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VAÄT LYÙ
LÝ DUY NHẤT
Ñeà taøi:
Giaùo vieân höôùng daãn:
TS. THÁI KHẮC ĐỊNH
Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2009
Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện và hoàn thành khóa luận này, ngoài những nỗ lực của
bản thân, em còn nhận được sự quan tâm giúp đỡ và động viên của quí thầy cô trong
khoa Vật Lý trường ĐH Sư Phạm TP. Hồ Chí Minh.
Em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS. Thái Khắc Định – thầy đã tận
tình hướng dẫn, truyền thụ cho em những kiến thức bổ ích, đóng góp những kinh
nghiệm quí báu để em thực hiện khóa luận này.
Em không thể nào quên công lao của thầy Hoàng Đức Tâm cũng như các thầy cô
trong tổ bộ môn “Vật Lý Hạt Nhân”, các thầy cô đã động viên giúp đỡ, chỉ bảo tận
tình và truyền cho em lòng nhiệt tình trong nghiên cứu khoa học.
Xin cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè đã hỗ trợ về mặt tinh thần cho Nhất hoàn
thành khóa luận này.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn.
Lý Duy Nhất
GVHD: TS. Thái Khắc Định
Trang: 1
SVTH: Lý Duy Nhất
Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân
MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Thí nghiệm vật lý là một phần không thể thiếu trong học tập và nghiên cứu vật lý.
Thực hành vật lý rèn luyện cho sinh viên phương pháp học tập, nghiên cứu và kỹ năng
thực hành vật lý, củng cố các kiến thức lý thuyết đã được học. Nó có tác dụng to lớn
trong việc rèn luyện cho sinh viên những đức tính của người làm công tác khoa học
nói chung, làm công tác vật lý nói riêng. Ngoài ra, thực hành vật lý còn giúp cho sinh
viên làm quen với việc nghiên cứu các hiện tượng vật lý trong phòng thí nghiệm, kiểm
nghiệm lại các định luật vật lý đã được học. Thông qua các bài thí nghiệm vật lý, sinh
viên bước đầu làm quen với phương pháp nghiên cứu của bộ môn.
So với các môn học vật lý khác, “VẬT LÝ NGUYÊN TỬ VÀ HẠT NHÂN” là
môn học khó, ngoài việc học những kiến thức khô khan sinh viên cần phải được thực
hành trên những thiết bị ghi đo trong phòng thí nghiệm. Sự kết hợp giữa lý thuyết và
thực hành giúp cho sinh viên nắm được cốt lỗi trong môn học hơn, giúp cho sinh viên
phát triển tư duy và khả năng sáng tạo trong quá trình học tập. Đồng thời làm cho việc
học vật lý trở nên lý thú hơn, có hiệu quả hơn.
Nhờ sự quan tâm của quí thầy cô trong khoa vật lý và lãnh đạo trường Đại Học Sư
Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh, phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân được xây dựng và
hoàn thành vào giữa năm 2008. Do đây là phòng thí nghiệm mới được thành lập và
trên con đường hoàn thiện nên việc tìm hiểu các dụng cụ, thiết bị trong phòng thí
nghiệm là vấn đề cấp thiết.
Trước tình hình đó, em quyết định thực hiện khóa luận tốt nghiệp với đề tài “TÌM
HIỂU VỀ CÁC HỆ GHI ĐO TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT
NHÂN” nhằm góp một phần nhỏ vào công tác đào tạo cũng như công việc hoàn thiện
phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân của quí trường. Bên cạnh đó khóa luận tốt nghiệp
còn giúp em tự mở rộng thêm sự hiểu biết của mình sang lĩnh vực vật lý hạt nhân.
2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Tìm hiểu cơ chế hoạt động của các thiết bị ghi đo bức xạ ion hóa.
Tìm hiểu cấu tạo, đặc tính kỹ thuật và cách vận hành các thiết bị trong phòng
thí nghiệm vật lý hạt nhân.
GVHD: TS. Thái Khắc Định
Trang: 2
SVTH: Lý Duy Nhất
Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân
Xây dựng một số bài thí nghiệm dựa trên các dụng cụ ghi đo bức xạ ion hóa
trong phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân.
3. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN
Từ mục tiêu đã đề ra, em xây dựng cấu trúc của luận văn gồm có ba phần chính:
Phần mở đầu trình bày về lý do chọn đề tài, mục tiêu và bố cục của đề tài.
Phần nội dung chia làm ba chương:
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC DỤNG CỤ CHÍNH TRONG HỆ
GHI ĐO BỨC XẠ ION HÓA
CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ GHI ĐO BỨC XẠ TRONG
PHÒNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN
CHƯƠNG III: XÂY DỰNG MỘT SỐ BÀI THÍ NGHIỆM DỰA TRÊN
CÁC THÍ BỊ GHI ĐO TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM HẠT NHÂN
Phần kết luận đưa ra những nhận xét tổng quát về đề tài và những kiến nghị
nhằm hoàn thiện phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân.
GVHD: TS. Thái Khắc Định
Trang: 3
SVTH: Lý Duy Nhất
Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân
NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC DỤNG CỤ CHÍNH
TRONG HỆ GHI ĐO BỨC XẠ ION HÓA
1. TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ VỚI VẬT CHẤT
Các bức xạ được khảo sát bao gồm các hạt tích điện như alpha và beta, các tia
gamma và tia X. Để hiểu được cơ sở vật lý của việc chế tạo ra các thiết bị ghi đo bức
xạ ta cần hiểu các cơ chế tương tác của bức xạ với vật chất.
Trong quá trình tương tác của bức xạ với vật chất, năng lượng của tia bức xạ được
truyền cho các electron quỹ đạo hoặc cho hạt nhân nguyên tử tùy thuộc vào loại và
năng lượng của bức xạ cũng như bản chất của môi trường hấp thụ. Các hiệu ứng chung
khi tương tác của bức xạ với vật chất là kích thích và ion hóa nguyên tử của môi
trường hấp thụ.
1.1. TƯƠNG TÁC CỦA HẠT BETA VỚI VẬT CHẤT
1.1.1. Sự ion hóa
Do hạt beta mang điện tích nên cơ chế tương tác của nó với vật chất là tương tác
tĩnh điện với các electron quỹ đạo làm kích thích và ion hóa các nguyên tử môi trường.
Trong trường hợp nguyên tử môi trường bị ion hóa, hạt beta mất một phần năng lượng
Et để đánh bật một electron quỹ đạo ra ngoài. Động năng Ek của electron bị bắn ra
liên hệ với năng lượng ion hóa của nguyên tử E và độ mất năng lượng Et như sau:
Ek Et E
(1.1)
Trong đó năng lượng ion hóa E được xác định theo công thức:
1
E Rh
1 Rh .
Trong nhiều trường hợp electron bắn ra có động năng đủ lớn để có thể ion hóa
nguyên tử tiếp theo, đó là electron thứ cấp (delta electron).
Do hạt beta chỉ mất một phần năng lượng Et để ion hóa nguyên tử, nên dọc theo
đường đi của mình, nó có thể gây ra thêm một số lớn cặp ion.
GVHD: TS. Thái Khắc Định
Trang: 4
SVTH: Lý Duy Nhất
Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân
Năng lượng trung bình để sinh một cặp ion thường gấp 2 đến 3 lần năng lượng ion
hóa. Bởi vì, ngoài quá trình ion hóa, hạt beta còn mất năng lượng do kích thích nguyên
tử.
Do hạt beta có khối lượng bằng khối lượng electron quỹ đạo nên va chạm giữa
chúng làm hạt beta chuyển động lệch khỏi hướng ban đầu. Do đó, hạt beta chuyển
động theo đường cong khúc khuỷu sau nhiều lần va chạm trong môi trường hấp thụ và
cuối cùng sẽ dừng lại khi mất hết năng lượng.
1.1.2. Độ ion hóa riêng
Độ ion hóa riêng là số cặp ion được tạo ra khi hạt beta chuyển động được một
centimet trong môi trường hấp thụ. Độ ion hóa riêng khá cao đối với các hạt beta năng
lượng thấp, giảm dần khi tăng năng lượng hạt beta và đạt cực tiểu ở năng lượng
khoảng 1 MeV, rồi sau đó tăng chậm (hình 1.1).
Độ ion hóa riêng được xác định qua tốc độ mất năng lượng tuyến tính của hạt beta
do ion hóa và kích thích, một thông số quan trọng dùng để thiết kế thiết bị đo liều bức
xạ và tính toán hiệu ứng sinh học của bức xạ. Tốc độ mất năng lượng tuyến tính của
hạt beta tuân theo công thức:
Em Ek 2
dE 2q4 NZ(3.109 )4
ln
2 MeV / cm
(1.1)
dx Em 2 (1,6.106 )2
I2 (1 2 )
Trong đó: q = l,6.10-19C , điện tích của electron.
N là số nguyên tử chất hấp thụ trong 1 cm3.
Z là số nguyên tử của chất hấp thụ.
GVHD: TS. Thái Khắc Định
Trang: 5
SVTH: Lý Duy Nhất
Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân
NZ 3,88.1020 / cm3 , số electron của không khí ở nhiệt độ 0oC và
áp suất 76 cm thủy ngân.
Em 0,51 MeV , năng lượng tĩnh của electron.
Ek là động năng của hạt beta.
v / c , trong đó v là vận tốc của hạt beta còn c = 3.1010 cm/s.
I 8,6.10-5 MeV đối với không khí và I 1, 36.10-5 Z (MeV ) đối
với các chất hấp thụ khác, là năng lượng ion hóa và kích thích của nguyên tử chất hấp
thụ.
Nếu biết trước đại lượng w, là độ mất năng lượng trung bình sinh cặp ion, thì độ
ion hóa riêng s được tính theo công thức sau:
dE / dx(eV / cm)
s
(1.2)
w(eV / c.i)
Trong đó c.i là cặp ion.
1.1.3. Hệ số truyền năng lượng tuyến tính
Độ ion hóa riêng được dùng xem xét độ mất năng lượng do ion hóa. Khi quan tâm
đến môi trường hấp thụ, thường sử dụng tốc độ hấp thụ năng lượng tuyến tính của môi
trường khi hạt beta đi qua nó. Đại lượng xác định tốc độ hấp thụ năng lượng nói trên là
hệ số truyền năng lượng tuyến tính.
Hệ số truyền năng lượng tuyến tính LET (Linear Energy Transfer) được định nghĩa
theo công thức sau:
dE
LET
(1.3)
d
Trong đó dE là năng lượng trung bình mà hạt beta truyền cho môi trường hấp thụ
khi đi qua quãng đường dài d . Đơn vị đo thường dùng đối với LET là keV / m .
1.1.4. Bức xạ hãm
Khi hạt beta đến gần hạt nhân, lực hút Coulomb mạnh làm nó thay đổi đột ngột
hướng bay ban đầu và mất năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ, gọi là bức xạ hãm,
hay Bremsstrahlung. Năng lượng bức xạ hãm phân bố liên tục từ 0 đến giá trị cực đại
bằng động năng của hạt beta. Khó tính toán dạng của phân bố năng lượng các bức xạ
hãm nên người ta thường sử dụng các đường cong đo đạt thực nghiệm.
GVHD: TS. Thái Khắc Định
Trang: 6
SVTH: Lý Duy Nhất
Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân
Để đánh giá mức độ nguy hiểm của bức xạ hãm, người ta thường dùng công thức
gần đúng sau đây:
f = 3,5.10-4ZEmax
(1.4)
Trong đó f là phần năng lượng tia beta chuyển thành photon, Z là số nguyên tử của
chất hấp thụ và Emax (MeV) là năng lượng cực đại của hạt beta.
1.1.5. Quãng chạy của hạt beta trong vật chất
Do hạt beta mất năng lượng dọc theo đường đi của mình nên nó chỉ đi được một
quãng đường hữu hạn. Như vậy, nếu cho một chùm tia beta đi qua bản vật chất, chùm
tia này bị dừng lại sau một khoảng đường đi nào đó. Khoảng đường đi này gọi là
quãng chạy (range) của hạt beta, quãng chạy của hạt beta phụ thuộc vào năng lượng tia
beta và mật độ vật chất của môi trường hấp thụ. Biết được quãng chạy của hạt beta với
năng lượng cho trước có thể tính được độ dày của vật che chắn làm từ vật liệu cho
trước. Một đại lượng thường dùng khi tính toán thiết kế che chắn là độ dày hấp thụ
một nữa (absorber half - thickness), tức là độ dày của chất hấp thụ làm giảm số hạt
beta ban đầu còn lại 1/2 sau khi đi qua bản hấp thụ. Đo đạc thực nghiệm cho thấy độ
dày hấp thụ một nửa vào khoảng 1/8 quảng chạy. Hình 1.2 trình bày sự phụ thuộc
quãng chạy cực đại của các hạt beta vào năng lượng của chúng đối với một số chất hấp
thụ thông dụng. Hình 1.2 cho thấy rằng quãng chạy của hạt beta với năng lượng cho
trước giảm khi tăng mật độ chất hấp thụ.
GVHD: TS. Thái Khắc Định
Trang: 7
SVTH: Lý Duy Nhất
Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân
Ngoài bề dày tuyến tính d (linear thickness) tính theo centimet người ta còn dùng
bề dày mật độ dm (density thickness) tính theo mật độ diện tích, đơn vị g/cm2, được
xác định như sau:
dm (g / cm2 ) (g / cm3 ).d (cm)
(1.5)
Trong đó: là mật độ khối của chất hấp thụ tính theo g/cm3.
Việc sử dụng bề dày mật độ làm dễ dàng cho việc tính toán vì khi đó bề dày không
phụ thuộc vào vật liệu cụ thể.
Hình 1.3 trình bày đường cong miêu tả sự phụ thuộc quãng chạy của hạt beta tính
theo đơn vị bề dày mật độ vào năng lượng của nó. Đường cong này dùng thay cho các
đường cong trên hình 1.2 khi tính quãng chạy theo đơn vị bề dày mật độ.
Đường cong quãng chạy - năng lượng trên hình 1.3 được biểu diễn bằng công thức
sau đây:
Đối với miền năng lượng beta 0,01 E 2,5 MeV
R = 412.E1,2650.0954ln E
Đối với miền quãng chạy R < 1200.
(1.6)
(1.7)
1
ln E 6,63 3,2376.(10,2146 ln R)2
Đối với miền năng lượng beta E > 2,5 MeV và miền quãng chạy R > 1200.
R 530E 106
Trong đó R là quãng chạy, tính theo mg/cm2 và E là năng lượng cực đại của tia
beta, tính theo đơn vị MeV.
(1.8)
GVHD: TS. Thái Khắc Định
Trang: 8
SVTH: Lý Duy Nhất
Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân
1.2. TƯƠNG TÁC CỦA HẠT ALPHA VỚI VẬT CHẤT
1.2.1. Truyền năng lượng của hạt alpha
Cũng giống như hạt beta, hạt alpha khi đi qua môi trường vật chất cũng bị mất năng
lượng do ion hóa và kích thích nguyên tử của môi trường hấp thụ. Khi đi qua phần
không khí của tế bào xốp, hạt alpha mất một lượng năng lượng trung bình 35 eV cho
một cặp ion. Do hạt alpha có điện tích lớn hơn hạt beta hai lần và khối lượng rất lớn,
dẫn tới vận tốc của nó tương đối thấp nên độ ion hóa riêng của nó rất cao, vào khoảng
hàng nghìn cặp ion trên 1 cm trong không khí (hình 1.4).
Tốc độ mất năng lượng tuyến tính của tất cả các hạt tích điện nặng hơn hạt
electron, trong đó có hạt alpha, tuân theo công thức:
dE 4 z2q4 NZ(3.109 )4
dx
2Mv2
v2
c2
v2
c2
ln
ln 1
Mev / cm (1.9)
Mv2 .1,6.106
I
Trong đó: z là số nguyên tử của hạt gây ion hóa, z = 2 đối hạt alpha.
q 1,6.10-19 C , điện tích của electron.
zq là điện tích của hạt gây ion hóa.
M là khối lượng tĩnh của hạt gây ion hóa.
M 6,6.10-24 g đối với hạt alpha.
v là vận tốc của hạt gây ion hóa.
N là số nguyên tử chất hấp thụ trong 1 cm3.
Z là số nguyên tử của chất hấp thụ.
NZ là số electron của chất hấp thụ trong 1 cm3.
GVHD: TS. Thái Khắc Định
Trang: 9
SVTH: Lý Duy Nhất
Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân
c 3.1010 cm / s , là vận tốc ánh sáng.
I 8,6.10-5 MeV đối với không khí và I 1, 36.10-5 Z (MeV ) đối
với các chất hấp thụ khác, là năng lượng ion hóa và kích thích của nguyên tử chất hấp
thụ.
1.2.2. Quãng chạy của hạt alpha trong vật chất
Hạt alpha có khả năng đâm xuyên thấp nhất trong số các bức xạ ion hóa. Trong
không khí, ngay cả hạt alpha có năng lượng cao nhất do các nguồn phóng xạ phát ra
cũng chỉ đi được một vài centimet, còn trong mô sinh học quãng chạy của nó có kích
thước cỡ micromet. Có hai định nghĩa về quãng chạy của hạt alpha, là quãng chạy
trung bình và quãng chạy ngoại suy, được minh họa trên hình 1.5.
Trên hình 1.5, đường cong hấp thụ của hạt alpha có dạng phẳng vì nó là hạt đơn
năng lượng. Ở cuối quãng chạy, số đếm các hạt alpha giảm nhanh khi tăng bề dày chất
hấp thụ. Quãng chạy trung bình được một nữa chiều cao đường hấp thụ còn quãng
chạy ngoại suy được xác định khi ngoại suy đường hấp thụ đến giá trị 0.
1.3. TƯƠNG TÁC CỦA TIA X VÀ TIA GAMMA VỚI VẬT CHẤT
1.3.1. Sự suy giảm bức xạ gamma khi đi qua môi trường
Tia X và tia gamma có cùng bản chất sóng điện từ, đó là các photon năng lượng
cao. Do sự tương tác của các tia này với vật chất có tính chất chung nên để đơn giản ta
gọi là tương tác của tia gamma với vật chất.
Sự suy giảm bức xạ gamma khi đi qua môi trường khác với sự suy giảm của các
bức xạ alpha và beta. Bức xạ alpha và beta có tính chất hạt nên chúng có quãng chạy
hữu hạn trong vật chất, nghĩa là chúng có thể bị hấp thụ hoàn toàn, trong khi đó bức xạ
GVHD: TS. Thái Khắc Định
Trang: 10
SVTH: Lý Duy Nhất
Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân
gamma chỉ bị suy giảm về cường độ chùm tia khi tăng bề dày vật chất mà không bị
hấp thụ hoàn toàn.
Ta xét một chùm tia hẹp gamma đơn năng với cường độ ban đầu Io . Sự thay đổi
cường độ khi đi qua một lớp mỏng vật liệu dx bằng:
dI Idx
(1.10)
Trong đó là hệ số suy giảm tuyến tính (linear attenuation coeficient). Đại lượng
này có thứ nguyên (độ dày)-1 và thường tính theo cm-1. Từ (1.10) có thể viết phương
trình:
dI
dx
I
Giải phương trình ta được:
I Ioex
(1.11)
Hệ số suy giảm tuyến tính phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma và mật
độ vật liệu môi trường (E,).
1.3.2. Các cơ chế tương tác của tia X và tia gamma với vật chất
Do sự tương tác của các tia X và tia gamma với vật chất có tính chất chung nên để
đơn giản ta gọi là tương tác của tia gamma với vật chất. Tương tác của gamma không
gây hiện tượng ion hóa trực tiếp như hạt tích điện. Tuy nhiên, khi gamma tương tác
với nguyên tử, nó làm bứt electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử hay sinh ra các cặp
electron - positron (là hạt có khối lượng bằng electron nhưng mang điện tính dương
+e). Đến lượt mình, các electron này gây ion hóa và đó là cơ chế cơ bản mà tia gamma
năng lượng cao có thể ghi đo và cũng nhờ đó chúng có thể gây nên hiệu ứng sinh học
phóng xạ. Có ba dạng tương tác cơ bản của gamma với nguyên tử là hiệu ứng quang
điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp.
1.3.2.1. Hiệu ứng quang điện
Khi gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma biến mất và năng
lượng gamma được truyền cho electron quỹ đạo để nó bay ra khỏi nguyên tử. Electron
này được gọi là quang electron (photoelectron). Quang electron nhận được động năng
Ee bằng hiệu số giữa năng lượng gamma tới E và năng lượng liên kết EB của electron
trên lớp vỏ trước khi bị bứt ra. Hình 1.6a
GVHD: TS. Thái Khắc Định
Trang: 11
SVTH: Lý Duy Nhất
Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân
Ee E EB
(1.12)
Theo công thức (1.12) năng lượng của gamma tới ít nhất phải bằng năng lượng liên
kết của electron thì hiệu ứng quang điện mới xảy ra. Tương tác này ra với xác suất lớn
nhất khi năng lượng gamma vừa vượt qua năng lượng liên kết, đặc biệt là đối với các
lớp trong cùng. Hình 1.6b
1
E3
Khi năng lượng tăng, xác suất tương tác giảm dần theo hàm
. Xác suất tổng
cộng của hiệu ứng quang điện đối với tất cả các electron quỹ đạo E Ek trong đó Ek
1
7
là năng lượng liên kết của electron lớp K, tuân theo quy luật
còn khi E >> Ek theo
E2
1
quy luật
.
E
Do năng lượng liên kết thay đổi theo số nguyên tử Z nên tiết diện tương tác quang
điện phụ thuộc vào Z, theo quy luật Z5. Như vậy tiết diện hiệu ứng quang điện:
Z5
E7 / 2
Z5
E
photo
khi E Ek và photo
khi E >> Ek.
Các công thức trên cho thấy hiệu ứng quang điện xảy ra với tiết diện rất lớn đối với
các nguyên tử nặng (chẳng hạn chì) ngay cả ở vùng năng lượng cao, còn đối với các
nguyên tử nhẹ (chẳng hạn cơ thể sinh học) hiệu ứng quang điện chỉ xuất hiện đáng kể
ở vùng năng lượng thấp.
GVHD: TS. Thái Khắc Định
Trang: 12
SVTH: Lý Duy Nhất
Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân
Khi electron được bứt ra từ một lớp vỏ nguyên tử, chẳng hạn từ lớp vỏ trong cùng
K, thì tại đó một lỗ trống được sinh ra. Sau đó lỗ trống này được một electron từ lớp
vỏ ngoài chuyển xuống chiếm đầy. Quá trình này dẫn tới bức xạ ra các tia X đặc trưng.
1.3.2.2. Hiệu ứng Compton
Trong quá trình Compton, gamma năng lượng cao tán xạ đàn hồi lên electron ở quỹ
đạo ngoài. Gamma thay đổi phương bay và bị mất một phần năng lượng còn electron
được giải phóng ra khỏi nguyên tử (Hình 1.7a). Quá trình tán xạ Compton có thể coi
như quá trình gamma tán xạ đàn hồi lên electron tự do (Hình1.7b).
Trên cơ sở tính toán động học của quá trình tán xạ đàn hồi của hạt gamma chuyển
động với năng lượng E lên electron đứng yên ta có các công thức sau đây đối với năng
lượng gamma E’ và electron Ee sau tán xạ phụ thuộc vào góc tán xạ gamma sau tán
xạ:
(1 cos)
1 (1 cos)
Ee E
E' E
(1.13)
(1.14)
1
1 (1 cos)
E
mec2
Trong đó:
; me 9,1.1031 kg là khối lượng electron và c = 3.108m/s là
vận tốc ánh sáng; mec2 0,51MeV .
Góc tán xạ của electron sau tán xạ liên hệ với góc như sau:
GVHD: TS. Thái Khắc Định
Trang: 13
SVTH: Lý Duy Nhất
Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân
1
2
tg
cotg
(1.15)
E
1
E'
Theo (1.15) góc tán xạ của gamma sau tán xạ càng lớn thì E càng bé. Nghĩa là
gamma càng mất nhiều năng lượng. Gamma chuyển phần năng lượng lớn nhất cho
electron sau tán xạ bay ra một góc 180o, tức là khi tán xạ giật lùi. Góc tán xạ của
gamma tán xạ có thể thay đổi từ 0o đến 180o trong lúc electron chủ yếu bay về phía
trước, nghĩa là góc tán xạ của nó thay đổi từ 0o đến 90o.
Tiết diện quá trình tán xạ Compton tỉ lệ thuận với điện tích Z của nguyên tử và tỷ lệ
nghịch với năng lượng gamma.
Z
Compt
E
1.3.2.3. Hiệu ứng sinh cặp electron-positron
me 9,1.1019 kg
Electron có khối lượng bằng
hay năng lượng tĩnh của nó, theo
công thức Einstein, bằng Em mc2 0,51MeV . Nếu gamma vào có năng lượng lớn
hơn hai lần năng lượng tĩnh electron thì khi đi qua điện trường của
2mec2 1,02MeV
hạt nhân nó sinh ra một cặp electron - positron (positron có khối lượng bằng khối
lượng electron nhưng mang điện tích dương +le). Đó là hiệu ứng sinh cặp electron -
positron (Hình 1.8).
Sự biến đổi năng lượng thành khối lượng như trên phải xảy ra gần một hạt nào đó
để hạt này chuyển động giật lùi giúp tổng động lượng được bảo toàn. Quá trình tạo cặp
GVHD: TS. Thái Khắc Định
Trang: 14
SVTH: Lý Duy Nhất
Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân
xảy ra gần hạt nhân, do động năng chuyển động giật lùi của hạt nhân rất bé nên phần
năng lượng còn dư biến thành động năng của electron và positron. Quá trình tạo cặp
cũng có thể xảy ra gần electron nhưng xác suất rất bé so với quá trình tạo cặp gần hạt
nhân.
2. CÁC DỤNG CỤ GHI ĐO BỨC XẠ
Con người không cảm nhận được các bức xạ, do đó cần có thiết bị để ghi và đo
chúng. Bộ phận quan trọng nhất trong các thiết bị bức xạ là các detector bức xạ. Đó là
các dụng cụ đo đạc dựa trên sự tương tác của các hạt bức xạ với vật chất. Mỗi loại bức
xạ đều tương tác với vật chất theo một số cơ chế đặc thù, do đó detector thường được
thiết kế để sử dụng cho một hoặc vài loại bức xạ xác định và các thiết bị đo đạc bức xạ
có nhiều dạng khác nhau tùy mục đích sử dụng.
2.1. CÁC DETECTOR DỰA TRÊN SỰ ION HÓA
Có hai loại detector thường được sử dụng nhiều nhất trong việc ghi đo bức xạ dựa
trên sự ion hóa đó là các detector chứa khí và các detector dẫn điện trạng thái rắn.
2.1.1. Các detector chứa khí
2.1.1.1. Cấu tạo
Các detector chứa khí bao gồm một buồng chứa khí (thường là không khí) và hai
tấm điện thế được gọi là các điện cực. Điện cực dương được gọi là anode và thường
nằm ở trung tâm của buồng đo. Nó được cách điện với lớp vỏ bọc bên ngoài. Lớp vỏ
bọc bên ngoài của buồng này thường là điện cực âm (cathode). Hình 2.1 chỉ ra một sơ
đồ đơn giản của một detector chứa khí.
GVHD: TS. Thái Khắc Định
Trang: 15
SVTH: Lý Duy Nhất
Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân
2.1.1.2. Nguyên tắc hoạt động
Bức xạ tới tương tác với các vách của buồng hoặc các hạt khí và tạo thành các cặp
ion. Khi một điện thế được áp giữa các điện cực thì các ion dương bị hút về phía
cathode tích điện âm và các electron bị hút về phía anode tích điện dương. Một điện
tích được tích lũy trên anode sẽ gây ra một biến đổi điện thế trong mạch. Sự biến đổi
điện thế này được xem như là một xung và sự có mặt của xung này sinh ra một dòng
điện chảy trong mạch ngoài. Bằng cách ghi đo hoặc là xung hoặc là dòng điện này thì
chúng ta có thể ghi nhận sự có mặt của bức xạ ion hoá.
Kích thước của xung phụ thuộc số electron được thu nhận bởi anode và điểm này
có thể phụ thuộc vào lượng bức xạ ion hoá trong buồng cũng như loại bức xạ và năng
lượng của nó.
Thêm vào đó, kích thước của xung cũng phụ thuộc vào điện thế giữa anode và
cathode. Hình 2.2 chỉ ra cách thay đổi kích thước xung (hoặc độ lớn) khi điện thế áp
vào được tăng lên.
Từ hình 2.2 thì sự thay đổi độ lớn của xung theo điện thế biểu diễn một số vùng
được xác định rõ rệt. Những vùng này được gọi là các vùng: tái hợp (1), buồng ion (2),
tỷ lệ (3), Geiger - Muller (4) và phóng điện liên tục (5).
2.1.1.2.1. Vùng tái hợp
Khi điện thế trong buồng là khá thấp thì lực tác dụng lên các ion (lực hút các ion tới
các điện cực) cũng là khá thấp. Trong trường hợp này, có hai quá trình cạnh tranh đối
với các ion. Một trong hai quá trình này là sự tập hợp ion và hai là sự tái hợp ion. Điều
GVHD: TS. Thái Khắc Định
Trang: 16
SVTH: Lý Duy Nhất
Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân
này có nghĩa là sau khi một ion được tạo thành thì nó có thể tái hợp để trở lại trung hòa
trước khi nó bị hút về các điện cực. Vì vậy xung ở mạch ngoài phụ thuộc vào kết quả
giữa hai quá trình này.
Khi điện thế qua các điện cực được tăng lên thì các ion tới điện cực nhiều hơn và
kích thước của xung tăng lên (xem hình 2.2). Tuy nhiên, sự tái hợp của các ion vẫn là
đáng kể vì vậy vùng này được gọi là vùng tái hợp. Các detector chứa khí thường
không được hoạt động trong vùng này vì sự tái hợp của các ion làm cho nó rất khó đo
được lượng bức xạ tới.
2.1.1.2.2. Vùng buồng ion
Khi điện thế là đủ lớn thì hầu hết các ion được phát ra đều đi tới điện cực và các ion
bị mất do sự tái hợp là không đáng kể. Trong vùng này gần như tất cả các ion sẽ được
thu nhận và kích thước của xung không tăng nữa theo điện thế được áp vào.
Dòng điện trong mạch ngoài cũng tiến tới một giá trị cực đại được gọi là dòng bão
hòa. Dòng bão hòa này tỷ lệ với lượng bức xạ trong buồng và nếu lượng bức xạ được
tăng lên thì dòng bão hòa cũng được tăng lên.
Buồng ion hóa làm việc ở vùng bão hòa này cho phép bảo đảm độ nhạy cực đại đối
với việc ghi đo bức xạ và đồng thời đảm bảo sự ổn định của số đo khi có sự thăng
giáng điện thế giữa hai điện cực. Độ dài miền bão hòa phụ thuộc vào loại chất khí, áp
suất khí, kích thước và bố trí hình học của các điện cực.
Detector làm việc ở vùng này gọi là buồng ion hóa.
2.1.1.2.3. Vùng tỷ lệ
Khi điện thế được tăng nhanh trong vùng buồng ion thì kích thước xung bắt đầu lại
tăng. Bởi vì khi điện thế áp vào được tăng lên thì các ion không chỉ nhận thêm đủ năng
lượng để đi tới các điện cực mà còn nhận thêm đủ năng lượng để được gia tốc nhanh
hơn. Sự gia tốc này sinh ra nhiều cặp ion hơn, chúng được tạo ra qua sự ion hóa thứ
cấp của các hạt trong chất khí. Quá trình này được gọi là sự nhân khí và dẫn đến các
ion được thu nhận nhiều hơn và do đó thu được một xung rộng hơn.
Sự tăng số các ion được thu nhận phụ thuộc vào điện thế đặt giữa anode và
cathode. Tuy nhiên, kích thước xung tổng mà được tạo ra cũng tỷ lệ với số các ion ban
đầu được tạo ra trong chất khí. Vì lý do đó nên vùng này được gọi là vùng tỷ lệ.
Dectector làm việc ở vùng này gọi là ống đếm tỷ lệ.
GVHD: TS. Thái Khắc Định
Trang: 17
SVTH: Lý Duy Nhất
Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân
2.1.1.2.4. Vùng Geiger - Muller
Nếu điện thế vẫn được tăng thêm nữa thì sự nhân khí là lớn đến mức mà một hạt
ion hóa đơn lẻ tạo ra nhiều các thác ion dọc theo chiều dài của anode, dẫn đến kích
thước xung là rất rộng. Vùng này gọi là vùng Geiger - Muller (G - M).
Detector làm việc ở vùng này gọi là ống đếm G - M. Đặc trưng tốc độ đếm - điện
thế đối với ống đếm G - M là có miền plateau, tại đó tốc độ đếm không thay đổi khi
tăng điện thế nguồn nuôi. Giống như ống đếm tỉ lệ, ống đếm G - M dùng để đếm các
hạt xạ ion hóa riêng biệt. Tuy nhiên do tín hiệu ra có biên bộ không đổi, không phụ
thuộc vào năng lượng bức xạ vào, nên ống đếm G - M không thể phân biệt được năng
lượng của các bức xạ vào.
2.1.1.2.5. Vùng phóng điện liên tục
Nếu điện thế được tăng lên vượt xa hơn so với trạng thái ổn định của vùng Geiger-
Muller thì điện thế là đủ cao để ion hóa trực tiếp các phân tử khí và một tín hiệu rộng
được phát ra ngay cả khi trường bức xạ bị dịch chuyển. Vùng này được gọi là vùng
phóng điện liên tục và khi đó kết quả đọc có thể sẽ không đúng, các detector ghi bức
xạ sẽ không được hoạt động trong vùng này.
2.1.1.3. Phân giải thời gian, thời gian chết và thời gian phục hồi
Phân giải thời gian của một detector được định nghĩa là lượng thời gian nhỏ nhất
mà phải phân biệt được hai sự kiện để chúng được ghi lại như hai quá trình tách rời
nhau. Nếu phân giải thời gian của một detector là quá dài, thì ở các tốc độ đếm cao sẽ
có nhiều thông tin bị mất. Điều này có nghĩa là tổng các số đếm khi đó có thể bị đánh
giá sai. Phân giải thời gian phụ thuộc vào các tham số sau:
Thời gian chết của delector là độ dài thời gian đối với tín hiệu hoặc xung được tích
luỹ đủ lớn để ghi nhận được nó.
Thời gian phục hồi là độ dài thời gian mà detector khôi phục từ một sự kiện ion hoá
và trở lại trạng thái ban đầu của nó.
Hình 2.3 biểu diễn cách tổ hợp thời gian chết và thời gian phục hồi từ detector
Geiger - Muller để đưa ra phân giải thời gian.
GVHD: TS. Thái Khắc Định
Trang: 18
SVTH: Lý Duy Nhất
Đề tài: Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân
Phân giải thời gian của detector phụ thuộc vào các tương tác xảy ra trong detector
đó. Tuy nhiên, toàn bộ phân giải thời gian của một thiết bị hoàn chỉnh cũng sẽ phụ
thuộc vào thời gian chết gắn liền với các bộ phận điện tử của một hệ đếm.
2.1.1.4. Các loại detector chứa khí
Có ba loại như sau: Buồng ion hoá; ống đếm tỷ lệ và ống đếm Geiger - Muller.
2.1.1.4.1. Các buồng ion hóa
Các buồng ion hóa (thường được gọi phổ biến hơn là các buồng ion) được thiết kế
để hoạt động ở dòng bão hòa trong vùng buồng ion được biểu diễn trong hình 2.2.
Dòng điện trung bình lối ra được đo và tỷ lệ với lượng bức xạ tới mà buồng này đã
được chiếu xạ. Vì tín hiệu lối ra thì không phụ thuộc vào điện thế nên không cần có
một nguồn điện thế mang tính ổn định cao. Tuy nhiên, điều quan trọng là điện thế đủ
ổn định để bảo đảm rằng dòng bão hòa được duy trì.
Để ngăn cản buồng ion hoạt động trong vùng tỷ lệ thì điện thế áp vào được giới hạn
thấp hơn so với yêu cầu đặt ra để gây ra sự ion hoá thứ cấp của các phân tử khí (điện
thế vào cỡ 25V).
Các dòng điện được tạo trong các buồng ion là rất nhỏ, tiêu biểu vào cỡ 10-12 A và
vì vậy phải được khuếch đại đối với các kết quả đo. Do đó các thiết bị mà kết hợp với
các detector buồng ion thì yêu cầu mạch trạng thái rắn khá phức tạp để khuếch đại các
dòng một chiều vô cùng nhỏ này.
Thiết kế các buồng ion và chọn lựa khí đổ vào phụ thuộc vào ứng dụng riêng của
từng thiết bị. Đối với các thiết bị kiểm tra bức xạ xách tay thì buồng này thường chứa
đầy không khí và được cấu tạo từ các chất có số nguyên tử thấp. Nếu thiết bị được sử
GVHD: TS. Thái Khắc Định
Trang: 19
SVTH: Lý Duy Nhất
Tải về để xem bản đầy đủ
90 trang
30/03/2022
4460
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đề tài Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- de_tai_tim_hieu_ve_cac_he_ghi_do_trong_phong_thi_nghiem_vat.pdf
