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

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 20oC50oC, 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