Thiết kế các bài thí nghiệm cho phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân trường đại học sư phạm Thành Phố Hồ Chí Minh
MS: LVVL-VLNT021
SỐ TRANG: 77
NGÀNH: VẬT LÝ
CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ NGUYÊN TỬ, HẠT NHÂN VÀ NĂNG LƯỢNG CAO
TRƯỜNG: ĐHSP TPHCM
NĂM: 2010
GIỚI THIỆU LUẬN VĂN
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay việc triển khai ứng dụng Vật lý hạt nhân trong các lĩnh vực đời sống đang được
quan tâm vì những hiệu quả và lợi ích mà nó đem lại. Bên cạnh đó hiện nay nước ta đang chuẩn bị
xây dựng nhà máy điện hạt nhân tại Ninh Thuận. Do vậy việc chuẩn bị nguồn nhân lực là hết sức
cần thiết. Hiện tại, các trường đại học trong cả nước đang đào tạo sinh viên chuyên ngành Vật lý hạt
nhân trong đó có trường Đại học Sư phạm Tp.Hồ Chí Minh.
Để tạo điều kiện tốt cho sinh viên thực hành chuyên đề Vật lý hạt nhân trường đã xây dựng
Phòng thí nghiệm Vật lý hạt nhân, nhằm phục vụ cho công tác này các thiết bị này trong Phòng thí
nghiệm hiện tại đang được đưa vào phục vụ cho công tác đào tào.
Chính vì lý do trên mà em đã chọn đề tài “THIẾT KẾ CÁC BÀI THÍ NGHIỆM CHO
PHÒNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HỒ CHÍ
MINH” nhằm hoàn chỉnh thêm việc giảng dạy thực hành cho sinh viên ngành Cử nhân Vật lý,
Trường Đại học Sư phạm Tp.Hồ Chí Minh.
2. Mục tiêu đề tài
- Tìm hiểu cơ chế hoạt động của các thiết bị ghi đo bức xạ máy đo alpha, beta phông thấp UMF
2000, máy đo đơn kênh Ludlum Model 2200, máy đo Gamma Ray 8K.
- Thiết kế 5 bài thí nghiệm dựa trên các thiết bị ghi đo trong phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân.
2. Bố cục luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận luận văn chia làm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về bức xạ và thiết bị ghi nhận bức xạ
Chương 2: Thiết kế các bài thí nghiệm
Chương 3: Kết quả báo cáo thực nghiệm
77 trang |
Chia sẻ: maiphuongtl | Lượt xem: 2213 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Thiết kế các bài thí nghiệm cho phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân trường đại học sư phạm Thành Phố Hồ Chí Minh, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
thời gian đo
S Bn n n (2.3)
Số đếm phông của alpha không lên nên Bn = 0
Do quãng chạy của alpha trong môi trường không khí ngắn chỉ đi được vài cm khi đó
detector không ghi nhận được số đếm của alpha trong môi trường.
Sai số tuyệt đối hiệu suất ghi
S(n)
A
A
(2.4)
Các bước tiến hành
Bước 1: Sấy máy trong vòng 30 phút.
Bước 2: Tiến hành đo phông 1000 giây cho 1 phép đo.
Bước 3: Đặt nguồn 238 234 234 234U, U, Th, Pa vào đúng vị trí và đo 300 giây.
Bước 4: Chọn chế độ đo Alpha-Beta, nhưng ta quan tâm đến số đếm alpha.
Bước 5: Thực hiện 5 phép đo và ghi số đếm hiển thị trên máy.
Bước 6: Tính hiệu suất ghi của detector. Sau khi đo cất nguồn vào đúng vị trí.
2.1.2.3. Xác định hoạt độ của nguồn phát alpha bằng phương pháp tuyệt đối.
Dựa vào hiệu suất ghi đã có từ nguồn chuẩn.
Hoạt độ của mẫu
S
n
A
(2.5)
Tốc độ đếm trung bình
k
i
i 1
k
i
i 1
N
1
n
k
t
(2.6)
Sai số tuyệt đối của hoạt độ là:
0
S(n)
S(A) A
(2.7)
Sai số tương đối của hoạt độ
S(A)
(A)
A
(2.8)
Các bước tiến hành
Bước 1: Đặt nguồn chuẩn 238 234 234 234U, U, Th, Pa tiến hành đo.
Bước 2: Đo khoảng 25 lần. Ghi số đếm trên máy và tính hoạt độ và sai số tương đối của hoạt
độ.
Khi tiến hành đo alpha cần lưu ý: hạt alpha có khả năng đâm xuyên khá thấp trong số các bức
xạ ion hóa. Do đó khi đo các nguồn alpha người ta thiết kế khay đặt nguồn sát đầu dò.
2.1.2.4. Khảo sát sự phân bố số đếm theo hàm phân bố Possion
Trong thí nghiệm hạt nhân thì mẫu nghiên cứu chứa rất nhiều hạt nhân phóng xạ nhưng hệ đo
chỉ ghi nhận được một phần nhỏ các hạt phóng xạ. Với điều kiện
p << 1 và n lớn. Trong đó p là xác suất xảy ra tức là xác suất để hạt nhân phóng xạ phát ra từ nguồn
và được ghi nhận bằng detector còn n là số hạt nhân phóng xạ phát ra từ nguồn.
Trong đo lường phóng xạ, sự phân rã hạt nhân tuân theo quy luật thống kê Poisson.
n nn .e
P(n)
n!
(2.9)
Số đếm trung bình trong k lần đo
k
i
i 1
n
n
k
(2.10)
Và xác suất xảy ra số đếm ni trong một lần đo với thời gian t tuân theo quy luật phân bố
Poisson, đường biểu diễn phân bố Poisson không đối xứng.
in n
i
i
n .e
P(n )
n !
(2.11)
Các bước tiến hành
Bước 1: Mở hệ đo lên và sấy máy khoảng 30 phút.
Bước 2: Đặt nguồn chuẩn 238 234 234 234U, U, Th, Pa vào khay để đo với thời gian mỗi lần đo là 2
giây.
Bước 3: Chọn chế độ chỉ đo số đếm beta và thời gian đo.
Bước 4: Sau đó xử lý số liệu và vẽ đồ thị phân bố Possion.
2.1.2.5. Khảo sát số đếm theo phân bố Gauss
Khi tốc độ đếm tăng, xác suất để có tốc độ đếm ni trong 1 lần đo tuân theo phân bố Gauss.
2in n
2n
i
1
P(n ) e
2 n
(2.12)
Các bước tiến hành
Bước 1: Tiến hành giống như khảo sát số đếm theo phân bố Possion.
Bước 2: Thời gian cho mỗi phép đo là 30 giây và đo 200 lần.
Bước 3: Sau đó xử lý số liệu và tiến hành vẽ đồ thị phân bố Gauss.
2.1.2.6. Tối ưu hóa thời gian đo
Là xác định tỷ lệ thời gian đếm nguồn và phông tối ưu nhằm cực tiểu hóa độ lệnh chuẩn.
Xác định thời gian đo tối ưu áp dụng theo nguyên lý truyền sai số.
Gọi S là tốc độ đếm thật từ một nguồn phóng xạ và B là tốc độ đếm phông.
Phép đo tốc độ đếm thật thường được thực hiện bằng cách đo số đếm tổng của nguồn kèm
phông trong khoảng thời gian TS+B, sau đó đo riêng phông trong khoảng thời gian TB. Tốc độ đếm
thật của riêng nguồn được xác định như sau:
1 2
S B B
N N
S
T T
(2.13)
Trong đó N1 là số đếm tổng nguồn và phông, N2 là số đếm phông
Theo định luật truyền sai số ta có:
1 2
2 2
N N
S
S B BT T
(2.14)
1 2
S 2 2
S B B
N N
T T
(2.15)
S
S B B
S B B
T T
(2.16)
Để xác định điều kiện cực tiểu của S , bình phương và lấy vi phân phương trình (2.16), ta
được:
S S S B B2 2
S B B
S B B
2 d dT dT
T T
(2.17)
Với một khoảng thời gian không đổi, T = TS+B+TB = const, thì dTS+B+dTB = 0.
Đặt Sd 0 , ta thu được điều kiện tối ưu cho tỉ lệ thời gian đo như sau:
S B
B
T S B
T B
(2.18)
Đặt S
S
là độ lệch chuẩn tỷ đối của tốc độ đếm thực từ nguồn. Chuyển TS+B và TB về thời
gian tổng T, ta được hệ thức giữa T và
2
2
2
1 S
T ( S B B)
(2.19)
Công thức (2.19) xác định thời gian cần thiết với một độ chính xác định trước ( )
Các bước tiến hành
Bước 1: Đặt chế độ làm việc: để nút chỉnh cao thế ở cực tiểu, bật cao thế, cho hệ đo ổn định
trong 30 phút.
Bước 2: Sau đó xác định cao thế làm việc của máy.
Xác định độ lệch chuẩn tương đối
Tiến hành 10 phép đo phông trong điều kiện như nhau trong khoảng thời gian TB=30 s cho 1
phép đo và được dãy số đếm phông. Tính số đếm phông trung bình.
Tiến hành 10 phép đo với nguồn phóng xạ cùng điều kiện hình học giống như đo phông trong
khoảng thời gian 30s cho 1 phép đo để có dãy số đếm Ni. Tính số đếm trung bình.
Tính tốc độ đếm thật trung bình S của nguồn và độ lệch chuẩn S suy ra độ lệch chuẩn tỷ đối
1 tương ứng.
Xác định tỷ lệ thời gian
Dùng công thức (2.19) xác định tỷ số S B
B
T
T
tối ưu, suy ra TS+B và TB sao cho TS+B+TB= 60
giây.
Thực hiện lại các phép đo với thời gian đã tối ưu
Tính tốc độ đếm trung bình S của nguồn và độ lệch chuẩn S suy ra độ lệch chuẩn tỷ đối 2
tương ứng.
So sánh 2 giảm mấy lần so với 1 .
2.2. Hệ đo gamma đơn kênh
2.2.1. Giới thiệu máy Ludlum Model 2200 Scaler Ratemeter
Máy đơn kênh Ludulum Model 2200 là thiết bị được dùng cho việc phân tích phổ năng lượng
gamma cùng với detector nhấp nháy, ống đếm Geiger-Muller và Ống đếm tỷ lệ. Số đếm được hiển
thị trên đèn LED và máy có thể kết nối với máy vi tính thông qua cổng RS-232 và có phần mềm xử
lý kết quả đo.
2.2.1.1. Mặt trước của máy
Hình 2.3: Mặt trước của máy
Bao gồm:
Đèn đếm (count Lamp): số đếm hiện thị bằng đèn LED (có màu đỏ) gồm có 6 số.
Công tắc đếm (count Switch): để xóa và khởi động đếm, quá trình đếm sẽ tự động tắc khi kết
thúc thời gian đã đặt trước.
Thời gian đếm (count Time): thời gian sử dụng để đo với đơn vị là phút từ 0-999 với công tắc
chỉnh X0.1 và X1.
Số phút (MINUTES): cài đặt thời gian có thể điều chỉnh bằng tay có núm 3 số thập phân dùng
để đặt trước thời gian đếm.
Công tắc chọn chức năng (Ratemeter Function Selector): có 3 vị trí được cài đặt sẵn RATE,
HV, BAT. Chức năng của công tắc này (RATE) là cho phép điều khiển tốc độ đếm của đồng hồ,
HV cài đặt điện thế và BAT kiểm tra tình trạng làm việc của pin trên đồng hồ.
Ngưỡng (THRESHOLD): Là một nút được chia ra làm 10 vạch nhỏ với 10 vòng dùng đề lựa
chọn xung phù hợp với thang đo. Thiết bị điều khiển này thì có giá trị tăng từ thế từ 1.00 đến 10.00.
Nếu dưới 1.00 thì sẽ bị ảnh hưởng của tiếng ồn hay nhiễu do đó sẽ không ghi nhận được xung một
cách chính xác.
Cửa sổ (WINDOW): là một nút gồm có 10 vạch giống như Threshold được sử dụng để điều
chỉnh độ rộng cửa sổ. Nó được điều chỉnh ngưỡng sao cho một vòng quay của việc điều chỉnh cửa
sổ tương đương với một vòng quay điều chỉnh ngưỡng.
Tắt mở (ON-OFF): là công tắc bằng nút, mở hoặc đóng cửa sổ.
Đầu nối vào detector (Detector input connection): đầu nối đồng trục nối tiếp “C”. Nó là đầu
điều chỉnh không có chỉ số chỉ thị, cho phép chọn điểm làm việc mà không vượt ra khỏi mạch tuyến
tính của mạch Threshold/ Window.
Công tắc nguồn ( Power Switch) :công tắc có 3 vị trí:
OFF: tắt nguồn.
LINE: cung cấp điện cho nguồn từ 85- 265 V và tần số từ 50-60 Hz.
BAT: cáp nguồn từ 4 pn loại “D”.
DISCR: có 1 với đồng hồ điện thế để thiết lập phạm vi ngưỡng cho điện thế.
Công tắc chọn khoảng (RANGE Selector Switch): có 4 vị trí công tắc sắp xếp theo hệ số nhân
của 10 là X1, X10, X100, X1K ứng với thang đo của số đếm từ 0-500 counts-per-minute(cpm), 0-
5000, 0-50000, 0-500,000 cpm.
Công tắc ZERO (ZERO Switch): khi ấn vào nút công tắc thì tụ điện tích hợp phóng điện để
đưa đồng hồ đo về mức 0.
Nút Fast- Slow (F-S Response): công tắc với 2 vị trí chỉ thị để điều chỉnh ở mức độ nhanh ở
vị trí “F” đồng hồ sẽ chỉ từ 0 đến 90% toàn bộ thang đo trong 4 giây, còn ở vị trí “S” đồng hồ thang
đo sẽ chỉ từ 0 đến 90% toàn bộ thang đo trong 22 giây.
HV (Cao thế): nút chỉnh gồm có 10 vòng được chia làm 10 vạch điều chỉnh cao thế từ 200 V
đến 2500 V.
Việc tiến hành đo của detector và thiết bị được quyết định bởi cao thế HV và ngưỡng cài đặt
THRESHOLD, ta phải điều chỉnh ngưỡng đo sao cho thích hợp để sự ảnh hưởng có phông tự nhiên
và tiếng ồn là nhỏ nhất.
2.2.1.2. Đặc trưng kỹ thuật
- Nguồn nuôi: 85-265V sử dụng dòng điện xoay chiều, tần số 50-60 Hz.
- Pin: 4 pin với thời gian làm việc là 120 giờ được đặt trong thiết bị.
- Độ nhạy của thiết bị: độ nhạy điện thế cho các detector .
- Cao thế: điều chỉnh bằng núm xoay 10 vòng từ 200V đến 2500 V.
- Bộ tốc độ đo: máy đếm với 4 tốc độ đếm là: 0-500 cpm, 0-5000 cpm, 0-50000 cpm, 0-500000
cpm (cpm: số đếm trên phút).
- Thời gian đếm là từ 0 đến 999 với các thang nhân X0.1 và X1.
- Độ chính xác thời gian: được quyết định bằng tinh thể với độ chính xác là 0.2 % số đếm
đọc trên núm điều chỉnh.
- Đồng hồ đo: 1mA, thang dài 2.5 inch với cơ chế DC tự động.
- Độ chính xác của tốc độ đếm: 10% giá trị tham chiếu.
- Điều kiện môi trường làm việc: chỉ được để trong phòng thí nghiệm, với nhiệt độ cho phép từ
20oC50oC, độ ẩm tương đối nhỏ hơn 95%.
Cách vận hành
- Nguồn nuôi: Có thể sử dụng nguồn nuôi bằng cách sử dụng lưới điện hoặc dùng pin bằng
công tắc nguồn.
- Vận hành bằng nguồn điện lưới (LINE OPERATION): nối thiết bị với nguồn lưới 85-265 V,
50-60Hz, bật công tắc về LINE
- Vận hành bằng nguồn pin: các ổ pin nằm ở mặt sau của thiết bị. Đặt 4 pin loại “D” vào với
cực dương hướng ra ngoài. Bật công tắc về BAT, kiểm tra tình trạng pin bằng cách chọn BAT
trên đồng hồ RATE-HV-BAT.
- Kiểm tra hoạt động của thiết bị bằng cách ấn vào nút COUNT lúc này đèn đếm sẽ phát sáng,
máy bắt đầu đếm.
Cách sử dụng phần mềm
- Bật về OFF cả máy tính và thiết bị Model 2200.
- Nối một đầu cáp RS232 vào Model 2200 và đầu kia của cổng chưa sử dụng để sau máy tính
(cổng chưa sử dụng này có thể ký hiệu là COM1, COM2, COM3, COM4).
Cài đặt phần mềm
- Đưa đĩa phần mềm LMFM2200 vào ổ đĩa nhấn double click lên file “setup.exe” trên đĩa để
tiến hành cài đặt.
- Trước khi bắt đầu khởi động máy thì đảm bảo rằng Model 2200 nằm trong mode “PC” và thời
gian đếm được đặt tại “000”
Chức năng của các nút chỉnh
Hình 2.4: Phần mềm Model 2200
- Start/Stop Count: nhấn vào nút này để bắt đầu đếm, nhấn vào nó một lần nữa sẽ dừng đếm
Model 2200 tự động hiển thị số đếm trên màn hình khi thời gian đếm mà ta cài đặt chấm dứt.
- Read Count: nhấn vào nút này để đọc số đếm hiện tại khi đó sẽ lập tức hiển thị trên màn hình
Model 2200.
- Set Count Time: nhấn vào nút này để đặt thời gian đếm. Thời gian đếm chắc chắn được đặt ở
“000”.
- Read Count Time Left: nhấn vào nút này để đọc thời gian còn lại trong quá trình đếm. Nếu số
đếm không hiện lên thì nó sẽ trả về “0”.
- Start Logging: nhấn vào nút này để bắt đầu lấy ra một dãy số đếm thời gian. Số lượng của các
số đếm được lấy có thể được điều chỉnh như 10 số đếm, 100 số đếm, 200 số đếm hoặc một giá
trị khác được mặc định.
- Sau khi logging đã dừng, dữ liệu được lưu trữ dưới dạng file Excel có đuôi là “csv”.
- Log 1 Count: chỉ cho phép xuất hiện một số đếm.
- Comment 1/ Comment 2: có thể được dùng để lưu trữ những chú thích.
Bảo quản thiết bị
- Để thiết bị hoạt động ổn định và có hiệu suất cao ta cần phải đảm bảo tất cả các phép đặt và
điều chỉnh đúng.
- Model 2200 có thể lau chùi bằng vải ẩm, không nhúng thiết bị vào bất cứ chất lỏng nào. Lưu ý
bật công tắc thiết bị về OFF và tháo dây nguồn ra.
- Sấy máy từ 1-2 phút trước khi bắt đầu đo.
2.2.2. Đầu dò nhấp nháy MODEL 44-10
2.2.2.1. Giới thiệu
Model 44-10 đầu dò NaI nhấp nháy sử dụng cho việc đo bức xạ gamma có năng lượng trong
khoảng 60 keV - 2 MeV. Đầu dò bao gồm: tinh thể NaI đường kính 2” (5,1cm) bề dày 2” (5,1cm)
được nối với ống nhân quang điện và được bao bọc bằng một lớp nhôm mỏng 0,062”
Hình 2.5: Đầu dò nhấp nháy Model 44-10
Đầu dò Model 44-10 dùng để xác định độ nhạy, phân tích phổ năng lượng được sử dụng cho
máy đếm đơn kênh.
2.2.2.2. Đặc trưng kỹ thuật
- Chất nhấp nháy: tinh thể NaI.
- Độ nhạy : 900 cpm ( đối với nguồn 137Cs ).
- Dụng cụ tương thích với mọi thiết bị.
- Dây điện trở Dynode: 60 M .
- Điện thế hoạt động : 500-1200 Volt.
- Kết nối cổng “C”.
- Nhiệt độ là từ 20oC-50oC.
- Kích thước: đường kính 2,6’’ (6,6 cm) chiều dài là 11’’ (27,94 cm).
- Thiết bị nặng: 1,04 kg.
Cách vận hành
- Kết nối đầu dò với máy đếm bằng cáp.
- Kiểm tra detector.
- Bảo đảm cao thế (HV) phù hợp với detector .
- Sau khi kiểm tra an toàn thì có thể tiến hành đo.
Cách bảo quản máy
Về mặt an toàn
- Đặt nơi khô ráo, không đặt nơi quá cao.
- Nhiệt độ trong khoảng 20oC đến 50oC.
- Độ ẩm tương đối không quá 95%.
Vệ sinh máy
- Dùng vải thấm ướt bằng nước để lau detector. Khi lau chùi cần chú ý:
- Tắt máy
- Cho máy nghỉ 2 phút.
- Tháo cáp và lau detector.
2.2.3. Nguồn chuẩn
Hình 2.6: Hộp đựng nguồn chuẩn RSS-8
Bộ nguồn chuẩn RSS-8 gồm có 8 nguồn đồng vị phát gamma với năng lượng 32 keV đến
1332 keV.
Bảng 2.1: Một số nguồn chuẩn trong phòng thí nghiệm
Nguồn Hoạt độ 1/2T Tia Năng lượng (MeV)
133Ba 1 Ci 10,8 năm
0,081; 0,276; 0,303; 0,365;
0,384
109Cd 1 Ci 463 ngày 0,022; 0,025; 0,088
57Co 1 Ci 272 ngày 0,122; 0,136
60Co 1 Ci 5,27 năm , 1,173; 1,332
137Cs 1 Ci 30,2 năm , 0,662
54Mn 1 Ci 313 ngày , 0,835
22Na 1 Ci 2,6 năm 0,511; 1,275
65Zn 1 Ci 244 ngày 1,115
Hình 2.7: Nguồn chuẩn RSS-8
2.2.4. Bố trí thí nghiệm
2.2.4.1. Khảo sát vùng plateau
Cao thế làm việc của detector là điện thế tại đó detector hoạt động hiệu quả nhất. Đường đặc
trưng biễu diễn sự phụ thuộc của tốc độ đếm vào điện thế cung cấp cho detector. Đoạn plateau càng
dài và độ dốc càng nhỏ thì detector làm việc ổn định nhất.
Các bước tiến hành
- Đặt cửa sổ ON-OFF tại OFF.
- Cài đặt thời gian tại nút công tắc “X0.1” và Thời gian đo (MINUTES) ở công tắc “001”.
- Đặt ngưỡng (Threshold) tại 1.0.
- Cửa sổ (Window) đóng.
- Lên cao thế ở 130V và ghi số đếm lấy khoảng 3 lần số đếm. Mỗi lần tăng cao thế khoảng
10V.
- Vẽ đồ thị sự phụ thuộc số đếm vào cao thế.
2.2.4.2. Khảo sát sự suy giảm số đếm theo quy luật tỷ lệ nghịch với bình phương
khoảng cách.
0
2
I
I
d
(2.20)
Hoạt độ phóng xạ và suất liều của một nguồn phóng xạ thì tỷ lệ theo khoảng cách. Trong thí
nghiệm này sẽ tìm ra quy luật suy giảm tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách.
Hình 2.8: Sự suy giảm chùm tia gamma theo bình phương khoảng cách
Lấy log 2 vế ta được: 20I I d
0log I log I 2 logd (2.21)
Đặt 0 0y log I, y log I , x logd
Phương trình có dạng : 0y y 2x (2.22)
d
I
Hình 2.9: Đồ thị dạng log của sự suy giảm chùm tia gamma theo bình phương khoảng cách
Dạng tổng quát của phương trình là :
y b ax (2.23)
Xác định hệ số a và b
b y ax (2.24)
y : tính trung bình của log I
x : tính trung bình của logd
Hệ số a tính theo công thức sau :
2
x x y y
a
x x
(2.25)
Các bước tiến hành
- Đặt cửa sổ ON-OFF tại OFF.
- Cài đặt thời gian tại nút công tắc “X0.1” và Thời gian đo (MINUTES) ở công tắc “001”.
- Lên cao thế ở 400V.
- Đặt ngưỡng (Threshold) tại 1.0.
- Cửa sổ (Window) đóng.
- Sử dụng nguồn 137Cs .
Hình 2.10: Nguồn chuẩn 137Cs
- Đặt nguồn trong 137Cs trong hộp chì đựng nguồn.
log d
log I
Hinh 2.11: Chì dùng đựng nguồn
- Đặt nguồn trước detector và di chuyển theo khoảng cách.
Hình 2-12 Bố trí thí nghiệm cho sự suy giảm số đếm tỷ lện nghịch bình phương khoảng cách
- Sau đó lập bảng như sau:
d
(cm)
Số đếm y = logI x = logd x x y y
x x y y
2
x x
y = x =
2.2.4.3. Xác định hệ số suy giảm tuyến tính và suy giảm khối, bề dày một nửa HVT
trong nhôm, chì, đồng, nhựa, giấy.
Quy luật suy giảm của tia gamma khi đi qua vật liệu
x
0I I e
(2.26)
Ta có thể sử dụng mật độ bề mặt d (g/cm2) với d x
Thay vào phương trình (2.27)
d/
0I I e
(2.27)
Trong đó tỷ số
được gọi là hệ số suy giảm khối và được ký hiệu: m (cm
2/g).
Ta có : x0I I e
Vì đại lượng I tỷ lệ với số đếm N nên:
x
0N N e
(2.28)
Lấy ln 2 vế :
0
N
ln x
N
(2.29)
Do đó 0
N
ln
N
phụ thuộc tuyến tính vào x
Phương trình có dạng y = ax+b
x là bề dày
a là hệ số giảm tuyến tính
2
(x x)(y y)
a
(x x)
(2.30)
Xác định bề dày một nửa 1/2x
Bề dày giảm một nửa 1/2x là bề dày vật chất mà chùm tia đi qua bị suy giảm cường độ 2 lần,
nghĩa là còn một nửa cường độ ban đầu. Bề dày 1/2x liên hệ với hệ số suy giảm tuyến tính như
sau :
1/2
0,693
x
(2.31)
Hình 2.13: Sự suy giảm cường độ chùm tia gamma theo bề dày 1/2x
Các bước tiến hành
- Đặt cửa sổ ON - OFF tại OFF.
- Cài đặt thời gian tại nút công tắc “X0.1” và khi đó thời gian đo (MINUTES) ở công tắc “001”.
- Lên cao thế ở 400V
- Đặt ngưỡng (Threshold) tại 1.0
- Cửa sổ (Window) đóng.
- Sử dụng nguồn 137Cs .
+ Đối với nhôm
Chuẩn bị 12 tấm, bề dày mỗi miếng : 1mm
Hình 2.14: Các miếng nhôm
Hình 2.15: Bố trí thí nghiệm với các miếng nhôm
Bề dày N
BI N N
y = ln(I/I0) x x y y (x x)(y y)
2(x x)
x y
N là số đếm nguồn
NB là số đếm phông
+ Đối với nhựa
Chuẩn bị 20 tấm, bề dày mỗi tấm 1 mm
Hình 2.16: Các miếng nhựa
Hình 2.17: Bố trí thí nghiệm với các miếng nhựa
+ Đối với chì
Chuẩn bị 15 miếng chì, bề dày mỗi miếng : 1mm
Hình 2.18: Các tấm chì
Hình 2.19: Bố trí thí nghiệm với các miếng chì
+ Đối với Giấy
Chuẩn bị 210 tờ giấy
Hình 2.20: Các tấm giấy
Hình 2.21: Bố trí thí nghiệm với giấy
+ Đối với Đồng
Chuẩn bị 14 tấm đồng, bề dày mỗi tấm 1,2 mm
Hình 2.22: Các miếng đồng
Hình 2.23: Bố trí thí nghiệm đối với đồng
2.3. Máy đo Gamm-Ray 8K
2.3.1. Giới thiệu
Phổ kế gamma 8K là máy dùng cho việc phân tích phổ gamma.
Bao gồm: chất nhấp nháy, ống nhân quang điện, bộ xử lý xung, phầm mềm để điều khiển, kết
nối thông tin với máy tính
Hình 2.24: Phổ kế MCA 8K
2.3.1.1. Đặc trưng kỹ thuật
- Detector nhấp nháy NaI hình trụ với kích thước là 76x76 mm nối liền với tiền khuếch đại.
- Bộ biến đổi xung thành số với khối khuếch đại và máy phân tích biên độ đa kênh.
- Thiết bị làm việc với mọi điện thế cung cấp
- Có phần mềm chuyên dụng cài đặt sẵn trong máy tính.
- Kết nối giữa máy Gamma – Ray với máy tính qua cổng USB. Có thể kết nối với Internet để
truy cập thông tin cần thiết cho máy.
Các tiêu chuẩn của máy
- Mức năng lượng máy đo được : 10 đến 3000 keV.
- Độ phân giải < 7 % FWHM với đỉnh năng lượng 662 keV < 5% FWHM với đỉnh năng lượng
1,33 MeV.
- Tốc độ đếm là 200,00 cps (số đếm trên giây).
- Công suất là 750 mW.
- Cao thế là 556 V có thể lên cao thế khoảng 1000V.
- 113 Sintillation Preamplifier: cài đặt điện dung đầu vào khoảng 200 pF thì xung đầu ra sẽ rõ
ràng.
- 575A Amplifier: thời gian hình thành xung là 0,5 s . Mạch khuếch đại sẽ được điều chỉnh
trong suốt quá trình thí nghiệm.
- MCA: máy phân tích biên độ đa kênh
2.3.1.2. Cách vận hành
- Khởi động máy tính cùng phần mềm ADMCA.
- Đặt nguồn cần đo trước đầu dò detector.
- Điều chỉnh thời gian đếm thích hợp.
- Nhấn Start cho máy bắt đầu đếm.
- Khi máy ngừng đếm tiến hành lưu phổ vào phần cứng của máy.
2.3.1.3. Bức xạ gamma
Bức xạ gamma là bức xạ điện từ, có khả năng xuyên sâu rất lớn. Bức xạ gamma phát ra năng
lượng xác định và năng lượng rất lớn có thể tới 8-10 MeV.
Khi đi qua vật chất bức xạ gamma bị mất năng lượng do các quá trình: quang điện, Compton
và sự tạo cặp. Bức xạ gamma là bức xạ mạnh và có khả năng xuyên sâu lớn nên có thể gây nguy
hiểm đáng kể ở những khoảng cách khá xa nguồn.
Các tia tán xạ gamma cũng gây nguy hiểm do đó phải che chắn theo mọi hướng, vì nó gây tổn
thương lên các mô lành của cơ thể dẫn đến tổn hại đến cơ thể.
2.3.1.4. Dạng phổ bức xạ gamma
Hình 2.25: Dạng phổ gamma đa kênh đo bằng phổ kế nhấp nháy
Đỉnh 1 có dạng phân bố Gauss gọi là đỉnh hấp thụ toàn phần, xuất hiện khi bức xạ gamma hấp
thụ toàn bộ năng lượng trong tinh thể.
Vùng 2 là nền Compton liên tục ứng với các xung điện lối vào khối phân tích có biên độ tỷ lệ
với năng lượng bị hấp thụ và nằm trong khoảng.
E
0 E
1 2E (1 cos )
(2.32)
E : năng lượng ban đầu của tia gamma
E : là năng lượng gamma sau khi tán xạ
Năng lượng hao phí là:
eE E E (2.33)
Trong đó là góc tán xạ
Đỉnh 3 là đỉnh tán xạ ngược bị hấp thụ hoàn toàn trong tinh thể. Biên độ xung lối vào khối
phân tích tỉ lệ với năng lượng gamma tán xạ ngược.
Vùng 4 là giới hạn của nền Compton liên tục. Do tán xạ nhiều lần trong tinh thể nên có những
bức xạ gamma tán xạ trong tinh thể lại tiếp tục tương tác với tinh thể. Kết quả là hao phí năng lượng
toàn bộ của bức xạ gamma lớn hơn eE . Vì vậy giới hạn của nền Compton không nhọn như Vùng 2.
Phần 5 là phần lõm xuống khá sâu so với nền Compton liên tục. Khi bức xạ gamma tán xạ
nhiều lần, gamma cuối cùng bay ra khỏi tinh thể. Vùng 5 tương ứng với các xung lối vào khối phân
tích tương ứng với năng lượng hao phí nằm trong khoảng 1E đến E . Xác suất bức xạ gamma có
năng lượng nhỏ bay ra khỏi tinh thể là rất nhỏ do đó mà vùng 5 lõm xuống so với vùng 2.
Trong trường hợp ghi nhận bức xạ gamma có năng lượng lớn hơn 1,02 MeV trên phổ còn có
xuất hiện đỉnh thoát đơn và đỉnh thoát đôi. Positron được tạo ra trong quá trình tạo cặp, sau đó kết
hợp với electron trong tinh thể tạo thành 2 bức xạ gamma có năng lượng là 0,511MeV.
2.3.2. Bố trí thí nghiệm
2.3.2.1. Đường chuẩn năng lượng
Đường cong mô tả sự phụ thuộc năng lượng bức xạ gamma đã biết vào số kênh của đỉnh hấp
thụ toàn phần tương ứng gọi là đường chuẩn năng lượng và thường có dạng đường thẳng.
Dựa vào đường chuẩn năng lượng có thể xác định được năng lượng của các tia gamma khác
mà vị trí đỉnh hấp thụ toàn phần đã xác định. Thông thường thì đường chuẩn năng lượng được xây
dựng trước.
Đường chuẩn năng lượng dạng đường thẳng
y = ax + b (2.34)
Trong đó y E và x = K
Với k ix K và k iy E
Xác định hệ số a và b bằng phương pháp làm khớp bình phương tối thiểu :
N N
k k k k
k 1 k 1
2N N
2
k k
k 1 k 1
N x y x y
a
N x x
(2.35)
N N N N
2
k k k k k
k 1 k 1 k 1 k 1
2N N
2
k k
k 1 k 1
x y x x y
b
N x x
(2.36)
Nguồn sử dụng 60 137Co, Cs
Hình 2.26: Nguồn phóng xạ 60Co
Hình 2.27: Nguồn phóng xạ 137Cs
Các bước tiến hành
- Đặt nguồn 60Co là nguồn kín với năng lượng gamma là : 2 đỉnh năng lượng là 1173 và 1332
keV cách 2 cm so với tinh thể NaI (Tl).
Hình 2.28: Đặt nguồn 60Co trước detector để chuẩn bị đo
- Mở phần mềm ADMCA nhấp vào nút Cancel để tiến hành cài đặt trước khi đo.
- Sau đó nhấp vào biểu tượng
Hình 2.29: Bảng sử dụng phần mềm
- Chọn thẻ MCA
Hình 2.30: Thẻ MCA
- Trong thẻ MCA: chọn số kênh, thời gian đo, kênh bắt đầu đếm.
- Thẻ Shaping: chọn ngưỡng, thời gian đếm xung.
- Thẻ Gain và Pole Zero: Khếch đại (Gain)
- Coarse: có tác dụng dời phổ để cho tiện việc quan sát phổ và xử lý
- Fine: độ sắt nét của phổ.
- Thẻ Mics: Tín hiệu đầu ra (Analog out) chọn dạng xung (Shape pulse)
- Điện thế đầu ra:101 mV.
Hình 2.31: Bố trí thí nghiệm
Hình 2.32: Phổ năng lượng của
60Co
- Tiến hành đo phổ năng lượng của nguồn 137Cs
Hình 2.33: Phổ năng lượng
137Cs
Đỉnh năng lượng Năng lượng (MeV) Số kênh
Đỉnh cao nhất 1,33
Đỉnh cao nhất 1,17
Đỉnh cao nhất 0,662
2.3.2.2. Độ phân giải năng lượng
Độ phân giải năng lượng là khả năng phân biệt được 2 đỉnh năng lượng khá gần nhau. Đối với
detector nhấp nháy thì độ phân giải năng lượng được tính như sau :
E
R 100%
E
(2.37)
Trong đó R là độ phân giải năng lượng theo %
E : bề rộng một nửa chiều cao của đỉnh năng lượng (FWHM) và đo theo số kênh.
E: là số kênh ứng với năng lượng đỉnh cao nhất.
Nguồn E E R
137Cs (662 keV)
60Co (1173 keV)
60Co (1332 keV)
2.3.2.3. Xác định năng lượng của nguồn gamma chưa biết
Sử dụng đường chuẩn năng lượng để xác định năng lượng của nguồn phóng xạ 22Na
Hình 2.34: Nguồn phóng xạ
22 Na
2.3.2.4. Xác định đường cong hiệu suất ghi theo khoảng cách.
N
(%)
TA
(2.38)
1/20,693t /T
0A A e
là hoạt độ nguồn chuẩn tại thời điểm đo
0A là hoạt độ nguồn chuẩn tại thời điểm sản xuất
t là thời gian từ lúc sản xuất nguồn đến thời điểm đo
T1/2 chu kỳ bán rã của nguồn chuẩn
là hiệu suất phát tia gamma ở năng lượng tương ứng
T là thời gian đo.
Các bước tiến hành
- Đặt nguồn 137Cs cách 1 cm so với tinh thể NaI.
- Sau đó ghi lại số đếm tổng và số đếm thực
- Di chuyển nguồn tăng thêm 2 cm đo số đếm.
- Sử dụng phần mềm Ecxel để xử lý.
CHƯƠNG 3. BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
3.1. Đo hoạt độ nguồn phát alpha
Ngày đo: 12/4/2010
Nguồn: 238 234U, U Hoạt độ: 30,7 Bq
Sai số của hoạt độ ( ): 7% Thời gian đo: 300 giây
3.1.1. Xác định hiệu suất ghi của detector
Lần Số đếm
1 2879
2 2954
3 3051
4 2927
5 3024
Tốc độ đếm trung bình
k
i
i 1
k
i
i 1
N
1
n
k
t
Thời gian mỗi lần đo: 300 giây
Thời gian đo phông là 1000 giây cho 1 lần đo, với k = 5.
n = 9,890.
Hiệu suất ghi của detector
n 9,890
0,322
A 30,7
Vậy hiệu suất 32%
Tốc độ đếm thực: S Bn n n
Do số đếm phông của alpha rất nhỏ nên Bn = 0
Sai số của tốc độ đếm:
1/ 2
S B
S B
n n
S(n) 1,96
t t
S(n) = 0,159
Sai số tuyệt đối hiệu suất ghi
S(n)
A
A
0,028
Sai số tương đối của hiệu suất ghi
0
0,028
0,322
0,086
Kết quả: 0,322 0,028
3.1.2. Hoạt độ của nguồn phóng xạ phát alpha
STT Số đếm
1 2983
2 2861
3 3008
4 2969
5 2996
6 2914
7 3070
8 2942
9 2970
10 3014
11 2935
12 2998
13 2994
14 3006
15 3043
16 2985
17 3114
18 2973
19 2988
20 2880
21 3003
22 2946
23 2986
24 2974
25 3092
Tốc độ đếm
k
i
i 1
k
i
i 1
N
1
n
k
t
Thời gian mỗi lần đo: 300 giây
k = 25
n = 9,953
Sai số của tốc độ đếm:
1/ 2
S B
S B
n n
S(n) 1,96
t t
S(n) = 0,0714
Hoạt độ của mẫu là:
S
n
A
A = 30,908 Bq
Với 0,322
Sai số tuyệt đối của hoạt độ là: 0
S(n)
S(A) A
S(A) = 2,880 Bq
Sai số tương đối của hoạt độ
S(A)
(A)
A
(A) 0,093
Vậy: A 30,908 2,880 Bq
3.2. Khảo sát số đếm theo phân bố Possion và Gauss
3.2.1. Khảo sát số đếm theo phân bố Possion
Nguồn: 234 234Th, Pa Hoạt độ: 44,1 Bq
Sai số của hoạt độ ( ): 7% Thời gian đo: 2 giây
STT Số đếm STT Số đếm STT Số đếm
1 12 18 11 35 16
2 22 19 14 36 11
3 20 20 12 37 19
4 16 21 15 38 14
5 18 22 20 39 11
6 13 23 16 40 14
7 16 24 22 41 18
8 7 25 9 42 14
9 23 26 18 43 14
10 19 27 20 44 19
11 26 28 11 45 15
12 12 29 18 46 9
13 12 30 18 47 23
14 15 31 12 48 19
15 18 32 20 49 17
16 11 33 16 50 12
17 19 34 19
Số đếm Tần số Phân bố xác suất thực nghiệm
7 1 0,0056
9 2 0,0201
11 5 0,0476
12 6 0,0639
13 1 0,0793
14 5 0,0914
15 3 0,0983
16 5 0,0992
17 1 0,0941
18 6 0,0843
19 6 0,0716
20 4 0,0578
22 2 0,0325
23 2 0,0228
26 1 0,0061
Số đếm trung bình: 16,13
Số đếm trung bình trong k lần đo
k
i
i 1
n
n
k
Và xác suất xảy ra số đếm ni trong một lần đo với thời gian t tuân theo quy luật phân bố
Poisson, đường biểu diễn phân bố Poisson không đối xứng.
in n
i
i
n .e
P(n )
n !
HÀM PHÂN BỐ POSSION
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0 5 10 15 20 25 30
Số đếm
P
h
â
n
b
ố
x
á
c
su
ấ
t
3.2.2. Khảo sát phân bố số đếm theo Gauss
Khi đo với thời gian tăng và số lần đo tăng thì ta sẽ có phân bố Gauss
Thời gian đo tăng lên 30 giây đo 200 lần
Hàm phân bố Gauss có dạng :
2in n
2n
i
1
P(n ) e
2 n
STT Số đếm STT Số đếm STT Số đếm STT Số đếm
1 219 27 243 53 202 79 228
2 228 28 238 54 238 80 233
3 254 29 229 55 195 81 220
4 252 30 212 56 240 82 228
5 247 31 234 57 225 83 222
6 240 32 246 58 231 84 235
7 227 33 222 59 231 85 224
8 229 34 227 60 223 86 231
9 242 35 223 61 225 87 215
10 250 36 245 62 243 88 227
11 226 37 250 63 202 89 211
12 206 38 228 64 234 90 220
13 255 39 226 65 228 91 250
14 219 40 246 66 234 92 246
15 250 41 234 67 268 93 238
16 243 42 220 68 206 94 200
17 231 43 220 69 198 95 233
18 234 44 245 70 243 96 233
19 235 45 219 71 243 97 248
20 229 46 211 72 227 98 254
21 230 47 220 73 245 99 241
22 219 48 228 74 229 100 255
23 245 49 221 75 210 101 230
24 238 50 255 76 249 102 226
25 253 51 199 77 254 103 210
26 254 52 207 78 241 104 222
STT Số đếm STT Số đếm STT Số đếm STT Số đếm
105 220 129 230 153 231 177 234
106 249 130 230 154 242 178 240
107 231 131 226 155 234 179 245
108 213 132 213 156 230 180 232
109 212 133 234 157 270 181 232
110 230 134 266 158 223 182 260
111 239 135 215 159 230 183 196
112 219 136 253 160 270 184 255
113 255 137 213 161 223 185 249
114 230 138 225 162 230 186 202
115 222 139 257 163 240 187 202
116 235 140 221 164 219 188 218
117 249 141 209 165 226 189 234
118 234 142 244 166 236 190 237
119 223 143 242 167 229 191 249
120 226 144 233 168 230 192 218
121 205 145 215 169 209 193 234
122 267 146 234 170 250 194 225
123 245 147 238 171 207 195 210
124 217 148 252 172 277 196 240
125 219 149 218 173 226 197 217
126 249 150 225 174 229 198 253
127 244 151 221 175 229 199 228
128 240 152 214 176 222 200 218
Số đếm Tần số Phân bố xác suất theo Gauss
195 1 0,00152
196 1 0,00177
198 1 0.00238
199 1 0,00275
200 1 0,00315
202 4 0,00410
205 1 0,00588
206 2 0,00657
207 2 0,00731
209 2 0,00895
210 3 0,00983
211 2 0,01076
212 2 0,01172
213 3 0,01271
214 1 0,01373
215 3 0,01476
217 2 0,01685
218 4 0,01789
219 7 0,01891
220 6 0,01990
221 3 0,02085
222 5 0,02175
223 5 0,02260
224 1 0,02337
225 5 0,02407
226 7 0,02469
227 4 0,02520
228 7 0,02562
229 7 0,02594
230 10 0,02614
231 6 0,02623
232 2 0,02621
233 4 0,02608
234 12 0,02583
235 3 0,02548
236 1 0,02502
237 1 0,02446
238 5 0,02382
239 1 0,02309
240 6 0,02229
241 2 0,02142
242 3 0,02050
243 5 0,01953
244 2 0,01853
245 6 0,01750
246 3 0,01646
247 1 0,01541
248 1 0,01437
249 6 0,01334
250 5 0,01233
252 2 0,01040
253 3 0,00949
254 4 0,00862
255 5 0,00780
257 1 0,00630
260 1 0,00443
266 1 0,00195
267 1 0,00167
268 1 0,00143
270 2 0,00103
277 1 0,00029
Số đếm trung bình: 231,31
Tối ưu hóa thời gian
Thời gian đo phông: 30 giây
HÀM PHÂN BỐ GAUSS
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0 50 100 150 200 250 300
Số đếm
P
h
â
n
b
ố
x
á
c
su
ấ
t
3.2.3. Tối ưu hóa thời gian
Thời gian đo mẫu: 30 giây
Lần Phông Số đếm
1 3 220
2 1 209
3 1 211
4 0 232
5 0 211
6 4 252
7 2 213
8 1 237
9 0 242
10 1 215
TB 1 224
Tốc độ đếm thật của riêng nguồn được xác định như sau:
1 2
S B B
N N
S
T T
S = 7,43
Trong đó N1 là số đếm tổng nguồn và phông, N2 là số đếm phông
Độ lệch chuẩn
S
S B B
S B B
T T
S 0,501
Độ lệch chuẩn tỉ đối S1
S
1 0,067
Điều kiện tối ưu cho tỉ lệ thời gian đo như sau:
S B
B
T S B
T B
S B
B
S B B
T
13,123
T
T T 60
S B
B
T 56s
T 4s
Tiến hành đo với thời gian tối ưu
STT Phông Số đếm
Tốc độ đếm thực:
1
S B
N
S 7,71
T
Độ lệch chuẩn S
S B B
S B B
T T
S 0,371
Độ lệch chuẩn tỉ đối
2 0,048
Độ giảm của độ lệch chuẩn tỷ đối: 1
2
1, 4
3.3. Khảo sát vùng Plateau và Sự suy giảm số đếm tỷ lệ nghịch bình phương khoảng
cách
3.3.1. Khảo sát vùng Plateau
Ngày đo : 6/4/2010
Thiết bị đo : LUDLUM MODEL 2200 SCALER RATEMETER
Đo phông
Thời gian đo: 264 giây
Cao thế Số đếm trung bình
130 3
140 3
1 0 427
2 409
3 448
4 437
5 431
6 449
7 424
8 424
9 417
10 449
TB 0 432
150 4
160 4
170 5
180 8
190 13
200 40
210 59
220 93
230 133
240 186
250 258
260 329
270 461
280 577
290 751
300 921
310 1078
320 1181
330 1262
340 1274
350 1275
360 1283
370 1285
380 1286
390 1287
400 1289
410 1298
420 1309
430 1308
440 1315
450 1314
460 1323
470 1329
480 1374
490 1394
500 1406
510 1461
520 1537
530 1601
540 1825
550 2055
560 2360
SỰ PHỤ THUỘC SỐ ĐẾM VÀO CAO THẾ
0
500
1000
1500
2000
2500
0 100 200 300 400 500 600
Cao thế
S
ố
đ
ếm
Nhận xét: Vùng plateau từ khoảng 330V đến 470V, trong vùng này thì khả ghi nhận của detector là
tốt nhất.
3.3.2. Khảo sát sự suy giảm số đếm tỷ lệ nghịch bình phương khoảng cách.
Ngày đo : 8/4/2010
Thiết bị đo : LUDLUM MODEL 2200 SCALER RATEMETER
Nguồn 137Cs Hoạt độ 1 Ci
Ngày sản xuất: 1/2008 Thời gian đo: 100 giây
Cao thế: 400V
Số đếm phông NB = 1274
d (cm) NS N
6 4169 2895
8 3301 2027
10 2688 1414
12 2330 1056
14 2062 788
16 1907 633
18 1806 532
20 1708 434
22 1653 379
28 1531 257
32 1404 130
36 1395 121
42 1365 91
50 1339 65
x = logd y = logN x - xtb y - ytb (x-xtb)(y -ytb) (x-xtb)^2
0,778 3,462 -0,496 0,821 -0,4075 0,2462
0,903 3,307 -0,371 0,667 -0,2474 0,1378
1,000 3,150 -0,274 0,510 -0,1399 0,0752
1,079 3,024 -0,195 0,383 -0,0748 0,0381
1,146 2,897 -0,128 0,256 -0,0328 0,0164
1,204 2,801 -0,070 0,161 -0,0113 0,0049
1,255 2,726 -0,019 0,086 -0,0016 0,0004
1,301 2,638 0,027 -0,003 -0,0001 0,0007
1,342 2,579 0,068 -0,062 -0,0042 0,0046
1,447 2,410 0,173 -0,230 -0,0397 0,0299
1,505 2,115 0,231 -0,525 -0,1213 0,0533
1,556 2,082 0,282 -0,559 -0,1576 0,0795
1,623 1,961 0,349 -0,680 -0,2372 0,1218
1,699 1,815 0,425 -0,825 -0,3505 0,1803
Tb =1,274 Tb =2,640 Tổng = -1,826 Tổng = 0,989
Hệ số a tính theo công thức sau :
2
x x y y
a
x x
a = -1,8459
b = 4,9926
SỰ PHỤ THUỘC SỐ ĐẾM THEO
KHOẢNG CÁCH
y = 98685x
-1.8474
R
2
= 0.9875
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 10 20 30 40 50 60
Khoảng cách (cm)
S
ố
đ
ếm
ĐỒ THỊ DẠNG y = ax+b
y = -121.72x + 3553.4
R2 = 0.9876
0
1,000
2,000
3,000
4,000
0 5 10 15
log(y)
lo
g(
d
)
3.3.3. Xác định hệ số suy giảm tuyến tính, khối và bề dày hấp thụ một nửa.
+ Đối với nhôm
Nguồn 60Co
Số đếm phông: 1082
Số đếm nguồn ở khoảng cách 7 cm: 4209
Bề dày (mm) NS N y
1 2145 1063 -1,0790
2 2109 1027 -1,1134
3 2082 1000 -1,1401
4 2062 980 -1,1603
5 1977 895 -1,2510
6 1948 866 -1,2839
7 1938 856 -1,2956
8 1925 843 -1,3109
9 1908 826 -1,3312
10 1857 775 -1,3950
11 1842 760 -1,4145
12 1826 744 -1,4358
13 1807 725 -1,4617
14 1767 685 -1,5184
15 1748 666 -1,5465
16 1734 652 -1,5678
17 1716 634 -1,5958
18 1700 618 -1,6213
Tb = 9,5 Tb = -15,4955
(x-xtb)(y-ytb) (x-xtb)^2
-15,4955 484,5
2
(x x)(y y)
a
(x x)
Hệ số suy giảm tuyến tính
-1
1
0,03198 mm
= 0,3198 cm
Khối lượng riêng của nhôm: 32,7 g/cm
Hệ số suy giảm khối:
2
m 0,1148 cm / g
Bề dày một nửa HVT 1/ 2
0,693
x 2,16 mm
0,3189
SỰ SUY GIẢM SỐ ĐẾM ĐỐI VỚI NHÔM
y = 1085e-0.032x
R2 = 0.9907
0
200
400
600
800
1000
1200
0 5 10 15 20
Bề dày (mm)
S
ố
đ
ếm
+ Đối với Chì
Nguồn 60Co
Số đếm phông: 1082
Số đếm nguồn ở khoảng cách 7 cm: 4209
Bề dày (mm) NS N y
1
2088 1006 -1,1341
2
2003 921 -1,2224
3
1887 805 -1,3570
4
1746 664 -1,5495
5
1746 664 -1,5495
6
1723 641 -1,5848
7
1605 523 -1,7882
8
1580 498 -1,8372
9
1523 441 -1,9588
10
1482 400 -2,0564
11
1429 347 -2,1985
12
1391 309 -2,3145
13
1361 279 -2,4166
14
1326 244 -2,5507
15
1291 209 -2,7055
Tb = 8 Tb = -1,8816
(x-xtb)(y-ytb) (x-xtb)^2
-30,3880 280
Hệ số suy giảm tuyến tính
-1
1
0,1085 mm
= 1,085 cm
Khối lượng riêng của chì: 311,35 g/cm
Hệ số suy giảm khối:
2
m 0,09546 cm / g
Bề dày một nửa: 1/ 2
0,693
x 6,39 mm
0,1085
SỰ SUY GIẢM SỐ ĐẾM ĐỐI VỚI CHÌ
y = 1135.1e
-0.1085x
R
2
= 0.9919
0
200
400
600
800
1000
1200
0 5 10 15 20
Bề dày (mm)
S
ố
đ
ếm
+ Đối với Đồng
Nguồn 60Co
Số đếm phông: 1082
Số đếm nguồn ở khoảng cách 7 cm: 4209
Tấm Bề dày NS N y
1 1,2 2136 1054 -1,0875
2 2,4 2045 963 -1,1778
3 3,6 1991 909 -1,2355
4 4,8 1945 863 -1,2874
5 6,0 1864 782 -1,3860
6 7,2 1812 730 -1,4548
7 8,4 1767 685 -1,5184
8 9,6 1717 635 -1,5942
9 10,8 1660 578 -1,6883
10 12,0 1628 546 -1,7452
11 13,2 1597 515 -1,8037
12 14,4 1566 484 -1,8657
13 15,6 1528 446 -1,9475
14 16,8 1476 394 -2,0715
Tb = 9 Tb = -1,5617
(x-xtb)(y-ytb) (x-xtb)^2
-19,8705 327,6000
Hệ số suy giảm tuyến tính
-1
1
0,0607 mm
= 0,607 cm
Khối lượng riêng của đồng: 38,96 g/cm
Hệ số suy giảm khối:
2
m 0,06769 cm / g
Bề dày một nửa HVT: 1/ 2
0,693
x 11, 4 mm
0,0607
SỰ SUY GIẢM SỐ ĐẾM ĐỐI VỚI ĐỒNG
y = 1132.4e
-0.0728x
R
2
= 0.9972
0
200
400
600
800
1000
1200
0 5 10 15
Bề dày (mm)
S
ố
đ
ếm
+ Đối với nhựa
Nguồn 60Co
Số đếm phông: 1082
Số đếm nguồn ở khoảng cách 10 cm: 4209
Bề dày NS N y
1
2151 1069 -1,0734
2
2133 1051 -1,0903
3
2079 997 -1,1431
4
2068 986 -1,1542
5
2056 974 -1,1664
6
2038 956 -1,1851
7
1997 915 -1,2289
8
1986 904 -1,2410
9
1977 895 -1,2510
10
1951 869 -1,2805
11
1933 851 -1,3014
12
1930 848 -1,3049
13
1922 840 -1,3144
14
1879 797 -1,3670
15
1868 786 -1,3809
16
1851 769 -1,4027
17
1843 761 -1,4132
18
1832 750 -1,4278
19
1791 709 -1,4840
20
1769 687 -1,5155
Tb = 10,5 Tb = -1,2863
(x-xtb)(y-ytb) (x-xtb)
-14,3041 665,0000
Hệ số suy giảm tuyến tính:
-1
1
0,0215 mm
= 0, 215 cm
Đối với nhựa không xác định chính xác thành phần cấu tạo do đó không tính được khối
lượng riêng của nhựa. Vì vậy chỉ tính hệ số suy giảm tuyến tính của nhựa.
Bề dày một nửa HVT: 1/ 2
0,693
x 32 mm
0,0215
SỰ SUY GIẢM SỐ ĐẾM ĐỐI VỚI NHỰA
y = 1082.9e-0.0215x
R2 = 0.9891
0
200
400
600
800
1000
1200
0 5 10 15 20 25
Bề dày (mm)
S
ố
đ
ếm
+ Đối với Giấy
Nguồn 60Co
Số đếm phông: 1082
Số đếm nguồn ở khoảng cách 10 cm: 4209
Tờ giấy Bề dày (mm) NS N y
5 0.5 2187 1105 -1,0402
10 1 2143 1061 -1,0809
30 3 2139 1057 -1,0846
50 5 2122 1040 -1,1009
70 7 2043 961 -1,1799
90 9 2000 918 -1,2256
110 11 1984 902 -1,2432
130 13 1959 877 -1,2713
150 15 1913 831 -1,3252
170 17 1890 808 -1,3533
190 19 1885 803 -1,3595
210 21 1854 772 -1,3988
Tb = 10,12 Tb = -1.2219
(x-xtb)(y-ytb) (x-xtb)^2
-9.4738 541.0625
Hệ số suy giảm tuyến tính
-1
1
0,0175 mm
= 0,175 cm
Đối với giấy không xác định chính xác thành phần cấu tạo do đó không tính được khối lượng riêng
của giấy. Vì vậy chỉ tính hệ số suy giảm tuyến tính của giấy.
Bề dày một nửa HVT 1/ 2
0,693
x 39,6 mm
0,0175
SỰ SUY GIẢM SỐ ĐẾM ĐỐI VỚI GIẤY
y = 1100.1e-0.0175x
R2 = 0.9802
0
200
400
600
800
1000
1200
0 5 10 15 20 25
Bề dày (mm)
S
ố
đ
ếm
Vật liệu Hệ số suy giảm tuyến tính (cm-1)
Nhôm 0,3198
Chì 1,085
Đồng 0,607
Nhựa 0,215
Giấy 0,175
SỰ SUY GIẢM TUYẾN TÍNH SỐ SỐ ĐẾM ĐỐI VỚI
CÁC VẬT LIỆU
0
200
400
600
800
1000
1200
0 5 10 15 20 25
Bề dày (mm)
S
ố
đ
ếm
Nhôm Đồng
Giấy Nhựa
Chì
Vật liệu Nist (cm2/g ) Thực nghiệm
(cm2/g)
Độ lệch giữa thực
nghiệm với Nist (%)
Nhôm 0,05496 0,11854 53,5%
Chì 0,05876 0,09546 38,4%
Đồng 0,05261 0,06769 22,2%
Nhựa _ _ _
Giấy _ _ _
Nhận xét:
Khi khảo sát sự suy giảm chùm tia gamma theo bề dày vật liệu: nhôm, đồng, chì, nhựa, giấy.
Ta thấy hệ số giảm của vật liệu chì là lớn nhất, do đó chì sử dụng làm vật liệu che chắn tia gamma
là tốt nhất.
Khi so sánh hệ số suy giảm khối của vật liệu nhôm, đồng, chì với số liệu ở Nist thì độ lệch
của vật liệu nhôm và chì là đáng kể. Do trong vật liệu chì, nhôm có lẫn nhiều tạp chất. Vì vậy trước
khi tiến hành đo vật liệu chì và nhôm cần phải xác định chính xác hàm lượng của chì và nhôm.
3.4. Xây dựng đường chuẩn năng lượng
3.4.1. Xây dựng đường chuẩn năng lượng
Nguồn phóng xạ: 60Co Hoạt độ: 1 Ci
Nguồn phóng xạ: 137Cs Ngày sản xuất: 1/2008
Phổ năng lượng nguồn 137Cs
Phổ năng lượng 60Co
Chương trình xuất ra đường chuẩn năng lượng
Nguồn phóng xạ Đỉnh năng lượng (MeV) Số kênh
137Cs 0,622 952
60Co 1173 1664
60Co 1332 1887
Đường chuẩn năng lượng đối với 2 nguồn 60 137Co, Cs
Phương trình đường chuẩn năng lượng
y = 0,71685x - 20,3249
3.4.2. Độ phân giải năng lượng
E
R 100%
E
Trong đó R: là độ phân giải năng lượng theo %
E : bề rộng một nửa chiều cao của đỉnh năng lượng (FWHM) và đo theo số kênh.
E: là số kênh ứng với năng lượng đỉnh cao nhất.
Nguồn E E R
137Cs (662 keV) 59 952 6,2%
60Co (1173 keV) 78 1664 4,7%
60Co (1332 keV) 84 1887 4,5%
3.4.3. Xác định năng lượng gamma của nguồn chưa biết
Dựa vào phương trình đường chuẩn năng lượng
y = 0,71685x-20,3249
Xác định năng lượng của nguồn 22Na có 2 đỉnh
Đỉnh 1: 511,58 keV (kênh 742)
Đỉnh 2:1275,74 keV (tại kênh 1808)
Phổ của nguồn 22Na
3.5. Xác định đường cong hiệu suất theo khoảng cách
N
(%)
TA
Nguồn 137Cs
Hoạt độ: 1 Ci
T1/2: 30,07 năm
Thời gian đo: 600 giây
Ngày sản xuất: tháng 1 năm 2008
Hiệu suất phát gamma : 84,6%
1/ 20,693t /T
0A A e
A 0,950 Ci
t : thời gian từ ngày sản xuất đến lúc đo là 2,293 năm
STT d (cm) Số đếm tổng Số đếm thực
Hiệu suất ghi của
detector
1 1 1068927 1020002 5,11
2 3 594565 566752 2,84
3 5 369616 340774 1,71
4 7 247187 226995 1,14
5 9 185367 166810 0,84
6 11 139526 121004 0,61
7 13 10840 93575 0,47
8 15 88986 74496 0,37
9 17 73893 61252 0,31
10 19 55603 41391 0,21
11 23 45416 33680 0,17
12 25 40814 31479 0,16
13 27 36046 25393 0,13
ĐƯỜNG CONG HIỆU SUẤT THEO KHOẢNGCÁCH
0
1
2
3
4
5
6
0 5 10 15 20 25 30
Bề dày (cm)
H
iệ
u
s
u
ấ
t
g
h
i (
%
)
KẾT LUẬN
Sau khi hoàn thành đề tài “ THIẾT KẾ CÁC BÀI THÍ NGHIỆM CHO PHÒNG THÍ
NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HỒ CHÍ MINH”em đã tích
lũy nhiều kinh nghiệm và kiến thức bổ ích bên cạnh đó em cũng đã đạt được những mục tiêu đặt ra.
Em hy vọng với các thiết kế về các bài thí nghiệm này sẽ được thực hiện cho các bạn sinh
viên nghành Cử nhân Vật lý hạt nhân thực hành tốt chuyên đề của mình.
Nhận xét: Trong bài thí nghiệm về hệ số suy giảm tuyến và hệ số suy giảm khối. Kết quả thực
nghiệm so với số liệu ở NIST của hệ số suy giảm khối đối với vật liệu chì, nhôm, đồng quá lớn. Do
đó cần phải xác định hàm lượng lại chì, nhôm và đồng trước khi tiến hành bài thí nghiệm này. Bên
cạnh đó các tấm chì, nhôm, đồng phải đòi hỏi có mật độ đồng đều và bề mặt bằng phẳng.
Qua việc tìm hiểu về các thiết bị trong phòng thí nghiệm Vật lý hạt nhân em xin một vài kiến
nghị như sau:
- Đối với thiết bị máy UMF 2000 cần có thiết bị hút chân không để cho kết quả đo được chính
xác hơn.
- Để bảo đảm an toàn cho sinh viên khi tiến hành thí nghiệm thì cần phải có chỉ dẫn an toàn khi
tiến hành đo, khi sử dụng nguồn.
- Đối với từng bài thí nghiệm nên có hướng dẫn cụ thể và tờ hướng dẫn đó sẽ để gần thiết bị đo
để dễ dàng khi tiến hành thí nghiệm.
Trong quá trình làm luận văn này, do hạn chế về mặt thời gian cũng như kiến thức và tầm
hiểu biết, nên dù em đã nổ lực hết cức mình nhưng sẽ có nhiều thiếu sót. Em rất mong sự chỉ dạy
tận tình của quý thầy ccô để em có thể sửa chữa kịp thời và bổ sung vào những thiếu sót giúp cho
kiến thức của em ngày càng hoàn thiện hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Ngô Quang Huy , Cơ sở vật lý hạt nhân, NXB Khoa học và kỹ thuật, (2006)
[2] Ngô Quang Huy , An toàn bức xạ ion hóa, NXB Khoa học và kỹ thuật, (2004)
[3] PGS,TS Hoàng Đắc Lực ,Giáo trình thực hành Phổ Kế Gamma, (2004).
[4] Giáo trình thực hành Vật lý hạt nhân Chuyên Đề 1, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên.
[5] Scientific and Producing Company and “DOZA” Alpha - Beta Radiometer for Low Activity
Measurement UMF, 2000.
[6] Ludlum Measurement2200Scaler Ratemeter (2005), Ludlum Measurements, Inc,
[7] Ludlum Measurement (2007), Instrument Manual Ludlum Model 44-10 Gamma Scintillator,
Ludlum Measurements,Inc.
[8] ORTEC, Gamma –Ray Spectroscopy Using NaI(Tl),
[9]
[10]
PHỤ LỤC
CÁC MẪU BÁO CÁO THỰC HÀNH
BÀI 1 ĐO TỔNG HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ ALPHA
Ngày đo : ..................................
Thiết bị đo : UMF 2000
1. Xác định hiệu suất ghi của detector
Nguồn phóng xạ : 238U , 234U Hoạt độ: ........................
Ngày sản xuất: 25/12/2007 Thời gian đo: .................
STT N
1
2
3
4
5
Tốc độ đếm trung bình
k
i
i 1
k
i
i 1
N
1
n
k
t
Hiệu suất ghi của detector
n
A
Sai số của tốc độ đếm
1/ 2
S B
S B
n n
S(n) 1,96
t t
Sai số tuyệt đối hiệu suất ghi
S(n)
A
A
Sai số tương đối của hiệu suất ghi
0
Kết quả: ..............................
2. Đo hoạt độ của nguồn phát alpha
Nguồn xác định hoạt độ:............. Thời gian đo: ..................
Ngày sản xuất: ........................ Hoạt độ:.........................
STT N
1
2
3
4
5
Tốc độ đếm
k
i
i 1
k
i
i 1
N
1
n
k
t
Sai số của tốc độ đếm:
1/2
S B
S B
n n
S(n) 1,96
t t
Hoạt độ của mẫu là: S
n
A
Sai số tuyệt đối của hoạt độ là: 0
S(n)
S(A) A
Sai số tương đối của hoạt độ
S(A)
(A)
A
Kết quả: A ...................... (Bq)
BÀI 2 KHẢO SÁT SỐ ĐẾM THEO PHÂN BỐ POSSION VÀ GAUSS
Ngày đo: ....................
Thiết bị đo: UMF 2000
Nguồn phóng xạ:
1. Khảo sát số đếm theo phân bố Poisson
Nguồn phóng xạ: .......................
Thời gian đo: ............................
STT
Tốc độ đếm Tần số thực nghiệm Tần số lý thuyết
1
2
3
...
49
50
Và xác suất xảy ra số đếm ni trong một lần đo với thời gian tuân theo quy luật phân bố
Poisson
in n
i
i
n .e
P(n )
n !
Tần số lý thuyết Plt=k P(ni) với k là số lần tiến hành thí nghiệm,
2. Khảo sát số đếm theo phân bố Gauss
Nguồn phóng xạ: .......................
Thời gian đo: ............................
STT Số đếm Tần số Phân bố xác suất theo Gauss
1
2
3
...
200
3.Tối ưu hóa thời gian
Nguồn phóng xạ: .......................
Thời gian đo phông: .................
Thời gian đo mẫu: ....................
STT Np N
1
2
3
...
10
1 2
S B B
N N
S
T T
Độ lệch chuẩn tính theo công thức sau
S
S B B
S B B
T T
Độ lệch chuẩn tỷ đối: S1
S
..........................
Điều kiện tối ưu:
S B
B opt
T S B
T B
Tiến hành lại phép đo với thời gian đã được tối ưu,
S BT ............. BT …………
Độ lệch chuẩn tỷ đối: S2
S
..........................
So sánh tỷ số: 1
2
..........
BÀI 3 KHẢO SÁT VÙNG PLATEAU VÀ SỰ SUY GIẢM SỐ ĐẾM TỶ LỆ
NGHỊCH BÌNH PHƯƠNG KHOẢNG CÁCH
Ngày đo: ...................................
Thiết bị đo : LUDLUM MODEL 2200 SCALER RATEMETER
Serial No,185785
1. Khảo sát vùng Plateau
Thời gian đo: .............................
Cao thế (V) Số đếm Cao thế (V) Số đếm
130
…
520
530
Dùng đồ thị Excel để vẽ đồ thị sự phụ thuộc tốc độ đếm vào cao thế, và xác định vùng
plateau,
Nhậm xét:
2. Khảo sát sự suy giảm số theo tỷ lệ nghịch bình phương khoảng cách,
Nguồn phóng xạ: ……… Hoạt độ:……………
Ngày sản xuất:………… Thời gian đo:……
Cao thế:………………
d Số đếm Y =logI x =logd x x y y x x y y
2
x x
y= x =
Xác định hệ số a và b
b y ax
Hệ số a tính theo công thức sau :
2
x x y y
a
x x
a = ...................
b = ..................
Nhận xét :
BÀI 4 XÁC ĐỊNH BỀ DÀY HẤP THỤ MỘT NỬA VÀ HỆ SỐ SUY GIẢM TUYẾN
TÍNH, SUY GIẢM KHỐI
Ngày đo:................ Hoạt độ:.................
Nguồn phóng xạ:.............. Thời gian đo:..........
Cao thế:......................
1. Đối với chì
Chuẩn bị 12 miếng chì, bề dày mỗi miếng : 1mm
Hệ số suy giảm tuyến tính :
2
x x y y
a
x x
Bề dày N I = N-NB 0y ln(I / I ) x x y y
x x y y
2
x x
a ......cm-1
Hệ số suy giảm khối :
m
.......... cm2/g
Bề dày một nửa ( HVT)
1/ 2
0.693
x
....... cm
2. Đối với nhôm
Chuẩn bị 20 tấm, bề dày mỗi miếng : 1mm
3. Đối với nhựa
Chuẩn bị 29 tấm, bề dày mỗi tấm 1 mm
4. Đối với Giấy
Chuẩn bị 400 tờ giấy, bề dày
5. Đối với Đồng
Chuẩn bị 20 tấm đồng, bề dày mỗi tấm 1,2 mm
BÀI 5 XÂY DỰNG ĐƯỜNG CHUẨN NĂNG LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG CONG HIỆU SUẤT
GHI THEO KHOẢNG CÁCH
Ngày đo: ...................................
Thiết bị đo : Gamma-Ray 8K
1. Đường chuẩn năng lượng
Nguồn phóng xạ:............. Hoạt độ:...........
Ngày sản xuất:................... Thời gian đo:.....
Đỉnh năng lượng Năng lượng (MeV) Số kênh
Đỉnh cao nhất ...
Đỉnh cao nhất ...
Đỉnh cao nhất ...
Nhận xét:
2. Độ phân giải năng lượng,
Độ phân giải năng lượng là khả năng detector phân tích 2 đỉnh khá gần nhau về năng lượng,
E
R 100%
E
Xác định độ phân giải của nguồn
4. Xác định năng lượng của nguồn gamma chưa biết
Sử dụng phương trình đường chuẩn năng lượng để xác định năng lượng của nguồn gamma,
5. Xác định đường cong hiệu suất ghi của detector theo khoảng cách,
Nguồn phóng xạ :............... Hoạt độ:...............
Ngày sản xuất: .................... Thời gian đo:........
Khoảng cách (cm) Số đếm tổng Số đếm thực
2
5
7
9
12
15
17
Tổng
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- LVVLVLNT021.pdf