Tài liệu XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ Tên đề tài: XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN Mã số: CS.2010.19.107 Chủ nhiệm đề tài: CN. Trương Trường Sơn Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ Tên đề tài: XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN Mã số: CS.2010.19.107 Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài (ký, họ tên, đóng dấu) Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2011 Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Họ và tên Đơn vị công tác và lĩnh vực chuyên môn Trương Trường Sơn Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Tp. HCM Nội dung nghiên cứu được phân công - Xây dựng kế hoạch nghiên cứu. - Thiết kế, lắp đặt và tiến hành thực nghiệm 6 bài thí nghiệm. - Viết tài liệu hướng dẫn thí nghiệm. Phạm Nguyễn Thành Vinh Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Tp.HCM - Thiết kế, lắp đặt và tiến hành thực nghiệm 6 bài thí nghiệm. - Viết tài liệu hướng dẫn thí nghiệm. 1 MỤC LỤC DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH ......................................................................... 1 MỤC LỤC ........................................................................................................ 2 TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ......................................................... 3 SUMMARY...................................................................................................... 5 MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 6 1. Tính cấp thiết của đề tài...............................................................................6 2. Mục tiêu nghiên cứu .....................................................................................6 3. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu ................6 4. Nội dung chính ..............................................................................................7 KẾT QUẢ CỦA ĐỀ TÀI ................................................................................ 8 KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................... 31 KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .......................... 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 33 PHỤ LỤC ....................................................................................................... 36 2 TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG Tên đề tài: XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN Mã số: CS.2010.19.107 Chủ nhiệm đề tài: CN. Trương Trường Sơn Tel: 0908889083 E-mail:[email protected]. Cơ quan chủ trì đề tài : Trường Đại học Sư phạmTp.HCM. Thời gian thực hiện: Từ tháng 4/2010 – 4/2011 1. Mục tiêu: Nghiên cứu, thiết kế, xây dựng và biên soạn tài liệu các bài thí nghiệm Vật lý hạt nhân đáp ứng nhu cầu đào tạo cho hệ Cử nhân chuyên ngành Vật lý hạt nhân, Thạc sĩ vật lý hạt nhân: - Bài 1: Đo hoạt độ nguồn phóng xạ Anpha. - Bài 2: Khảo sát vùng Plateau và sự suy giảm số đếm theo khoảng cách của hệ đo đơn kênh sử dụng Detector NaI - Bài 3: Xác định bề dày hấp thụ một nửa và hệ số suy giảm tuyến tính, suy giảm khối. - Bài 4: Xây dựng đường chuẩn năng lượng và xác định nguồn phóng xạ chưa biết. - Bài 5: Xác định các thông số kỹ thuật của hệ đo gamma phông thấp – đặc trưng phổ gamma. - Bài 6: Khảo sát sự suy giảm suất liều theo khoảng cách và phông phóng xạ môi trường. 2. Nội dung chính: Xây dựng đề cương nghiên cứu, khảo sát thiết bị, lập kế hoạch xây dựng 6 bài thí nghiệm. Xây dựng thực nghiệm 6 bài thí nghiệm vật lý hạt nhân. Hoàn thiện kết quả nghiên cứu để biên soạn thành giáo trình chính thức. 3 3. Kết quả chính đạt được (khoa học, ứng dụng, đào tạo, kinh tế-xã hội): Bộ số liệu 6 bài thí nghiệm hạt nhân. Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm cho sinh viên năm thứ 3 hệ cử nhân. 4 SUMMARY Project Title: Design practical lessons nuclear physics Code number:CS.2010.19.107. Coordinator: Truong Truong Son. Implementing Institution : Ho Chi Minh City University of Pedagogy Duration: from April 2010 to April 2011 1. Objectives: - Research, design and compile textbook practical nuclear physics for the teaching in Physics departerment. About 6 lesson: + Lessson 1: Measure alpha source radioactivity. + Lessson 2: Investigate Plateau curve and the decline of counts dependence on distance of NaI detector system. + Lessson 3: Determine absorbtion half - thickness and linear attenuation and volume attenuation coefficient + Lesson 4: Form the energy calibration curve and determine the unknown source + Lesson 5: Determine technical parameters of low background – gamma spectrometer system and gamma spectrum characteristics. + Lesson 6: Investigate the decline of dose rate dependence on distance and environmental radiation background. 2. Main contents: - Design research plan, survey equipment, design 6 lesson about practical nuclear physics. - To conduct experiment 6 lesson about practical nuclear physics. - Complete results and compile textbook practical nuclear physics. 3. Results obtained: - Data of 6 lesson about practical nuclear physics. - Textbook practical nuclear physics for the the third years students. 5 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, Khoa Vật lý đã có phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân với trang thiết bị đồng bộ và hiện đại. Để sớm khai thác hiệu quả phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân trong việc giảng dạy thực hành cho sinh viên. Nhằm chủ động trong kế hoạch đào tạo, việc xây dựng hệ thống các bài thí nghiệm vật lý hạt nhân và biên soạn tài liệu hướng dẫn các bài thí nghiệm vật lý hạt nhân là hết sức cần thiết và cấp bách. Từ những lý do trên tôi đã thực hiện đề tài: “Xây dựng hệ thống các bài thí nghiệm vật lý hạt nhân”. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, thiết kế, xây dựng và biên soạn tài liệu các bài thí nghiệm Vật lý hạt nhân đáp ứng nhu cầu đào tạo cho hệ Cử nhân chuyên ngành Vật lý hạt nhân, Thạc sĩ vật lý hạt nhân: - Bài 1: Đo hoạt độ nguồn phóng xạ Anpha. - Bài 2: Khảo sát vùng Plateau và sự suy giảm số đếm theo khoảng cách của hệ đo đơn kênh sử dụng Detector NaI - Bài 3: Xác định bề dày hấp thụ một nửa và hệ số suy giảm tuyến tính, suy giảm khối. - Bài 4: Xây dựng đường chuẩn năng lượng và xác định nguồn phóng xạ chưa biết. - Bài 5: Xác định các thông số kỹ thuật của hệ đo gamma phông thấp – đặc trưng phổ gamma. - Bài 6: Khảo sát sự suy giảm suất liều theo khoảng cách và phông phóng xạ môi trường. 3. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu - - Tiếp cận vấn đề nghiên cứu thông qua trao đổi chuyên môn với các đồng nghiệp, các chuyên gia trong cùng lĩnh vực, thông qua việc nghiên cứu tài liệu, các tạp chí khoa học trong và ngoài nước đã được đăng tải hoặc từ mạng Internet. Đề tài được nghiên cứu thông qua việc tổng hợp tài liệu, tính toán xử lí số liệu nhằm đưa ra các kết quả bảo đảm tính chính xác về mặt khoa học. Đồng 6 - thời có sự phản biện của cố vấn khoa học, của đồng nghiệp hoặc chuyên gia qua trao đổi chuyên môn, qua các buổi báo cáo khoa học. Các nghiên cứu của đề tài chỉ tập trung nghiên cứu tìm ra các phướng án trình bày hướng dẫn thí nghiệm hiệu quả, giúp sinh viên có thể hiểu và tự làm được các bài thực hành trên các thiết bị đã có của phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân – khoa Vật lý.. 4. Nội dung chính Để đạt được các mục tiêu đề ra, đề tài tập trung thực hiện những nội dung chính dưới đây: (1) Xây dựng đề cương nghiên cứu, Khảo sát thiết bị, lập kế hoạch xây dựng 6 bài thí nghiệm. (2) Xây dựng thực nghiệm 6 bài thí nghiệm vật lý hạt nhân. (3) Viết báo cáo kết quả thực hiện đề tài. (4) Hoàn thiện kết quả nghiên cứu để biên soạn thành giáo trình chính thức. 7 KẾT QUẢ CỦA ĐỀ TÀI BÀI 1. ĐO HOẠT ĐỘ NGUỒN PHÓNG XẠ ALPHA * Mục đích - Nắm vững các thao tác khi sử dụng máy đo Alpha-Beta UMF-2000 - Xác định hiệu suất ghi của detector - Xác định hoạt độ phóng xạ alpha bằng phương pháp tuyệt đối. * Giới thiệu máy đo tổng hoạt độ alpha Máy đo tổng hoạt độ alpha và beta được sản xuất những yêu cầu của TY 4362-003-3186731-2002 và đo theo các mục đích sau : Đo tổng hoạt độ beta của hạt nhân phóng xạ trong các mẫu như thực phẩm, mẫu đất, nước, phin lọc không khí... Đo tổng hoạt độ alpha của hạt nhân phóng xạ đối với mẫu dày và mỏng. Máy UMF 2000 Máy UMF 2000 là thiết bị dùng trong phòng thí nghiệm là chủ yếu. Máy có 5 bộ phận chính : thiết bị đo, bộ phận điều khiển, bộ phận bảo vệ hoạt động, bộ phận điện tử, bộ phận đếm gộp hai kênh cùng với đồng hồ đếm.  Thiết bị đo - Detector bán dẫn được làm từ silic nhôm có điện trở cao với chiều dài của detector là 20x20 mm, nó được đặt trên một giá bằng đồng có mạ Crom. Giá đỡ đựng mẫu được đặt sát detector. 8 - Detector bán dẫn biến đổi năng lượng của hạt alpha và beta thành tín hiệu điện ở tiền khuếch đại. Detector có khả năng đo năng lượng beta từ mức 50 keV.  Bộ phận điều khiển - Gồm có nguồn cung cấp, cao thế và bộ phận bảo vệ mạch điện - Điện thế cung cấp là 220 V - Bộ phận bảo vệ hoạt động - Dùng để làm giảm sự ảnh hưởng của những tia bức xạ vũ trụ ảnh hưởng đến kết quả đo.  Bộ phận điện tử Được cấu tạo từ các phần riêng biệt : tiền khuyếch đại, khuyếch đại, khối tạo dạng xung, khối biến đổi tương tự số (biến đổi xung thành số).  Bộ phận đếm gộp hai kênh cùng với đồng hồ đếm Bộ phận này cho phép máy làm việc với hai chế độ đếm : alpha và beta ; beta và thời gian đếm. * Đặc trưng kỹ thuật và Cách Vận hành + Đặc trưng kỹ thuật - Đo năng lượng bức xạ beta trong khoảng từ 50 đến 3500 keV. - Đo năng lượng bức xạ alpha trong khoảng từ 3500 đến 8000 keV. - Đo hoạt độ nguồn phát beta từ 0.1 đến 3.103 Bq - Đo hoạt độ nguồn phát alpha từ 0.01 đến 3.103 Bq - Sai số tương đối thấp ± 15% - Đối với hạt alpha thấp hơn 0.001/giây - Đối với hạt beta thấp hơn 0.025/giây - Thời gian đếm được ấn định từ 1-9999 giây - Sai số đếm :0.0001 giây - Sự ảnh hưởng của kênh đo alpha lên kênh đo beta với nguồn alpha thấp không quá ± 8%. - Thời gian sấy máy không quá 30 phút, thời gian hoạt động lớn nhất là 24 giờ. - Tính ổn định của máy trong làm việc suốt 8h là hơn 95% - Nguồn cung cấp là nguồn điện xoay chiều 220 với tần số 50 Hz - Công suất tiêu hao : không quá 40W 9 - Nhiệt độ, độ ẩm không khí, áp suất là :10 đến 30oC - Kích thước : 350x300x190mm. - Cân nặng 30kg + Cách vận hành máy Đặt nguồn điện vào nguồn cung cấp, để tránh hư hỏng. Nguồn điện thế là 220 V. Sau đó bật nút POWER ở phía sau máy Sau đó bật ON đèn LED sáng để máy sẵn sàng hoạt động Đặt nguồn cần đo vào khay, đẩy khay vào trong để tiến hành đo Bật nút START trên máy, sau đó cài đặt thời gian đo Khi muốn đo Alpha, hay Alpha và Beta thì điều chỉnh bằng nút trên máy để chọn chế độ đo thích hợp. Khi kết thúc thời gian đo thì nhấn nút STOP. Lấy nguồn ra, và đem cất đúng ngay vị trí nơi cất nguồn. Chú ý : Trước khi đo phải sấy máy trong 30 phút Đo phông ít nhất là 1000 giây * Xác định hiệu suất ghi của detector Nguồn chuẩn 238 U, 234 U, 234 Th, 234 Pa (Sai số hoạt độ là 7%) Hiệu suất ghi của detector là khả năng ghi nhận tốt nhất của detector. Tính theo công thức ε= n A Trong đó n : tốc độ đếm trung bình nS = n − n B 10 Do số đếm phông của alpha không lên nên n B =0  Các bước tiến hành - Sấy máy trong vòng 30 phút - Tiến hành đo phông 1000 giây cho 1 phép đo. - Đặt nguồn 238 U, 234 U vào đúng vị trí, và đo 300 giây - Thực hiện 5 phép đo, và ghi số đếm hiển thị trên máy. - Tính hiệu suất ghi của detector. Sau khi đo cất nguồn vào đúng vị trí. * Sử dụng phương pháp tuyệt đối xác định hoạt độ của nguồn phát alpha 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 A= nS ε k Tốc độ đếm trung bình 1 n= k ∑N i =1 k ∑t i =1 i i  Các bước tiến hành - Đặt nguồn cần xác định hoạt độ vào tiến hành đo - Đo khoảng 25 lần. Ghi số đếm trên máy và tính hoạt độ và sai số tương đối của hoạt độ. 11 BÀI 2. KHẢO SÁT VÙNG PLATEAU VÀ SỰ SUY GIẢM SỐ ĐẾM THEO KHOẢNG CÁCH CỦA HỆ ĐO ĐƠN KÊNH SỬ DỤNG DETECTOR NaI * Mục đích - Nắm vững các thao tác khi sử dụng Hệ đo đơn kênh. - Xác định được vùng plateau. - Kiểm tra quy luật số đếm giảm theo bình phương khoảng cách * Khảo sát vùng plateau_ Cao thế làm việc của detector Cao thế làm việc của detector là tại cao thế 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. Điện thế làm việc của detector được chọn theo quy ước là điểm nằm ở 1/3 đầu của đoạn plateau. 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 và chọn cao thế hoạt động thích hợp của detector. * Khảo sát sự suy giảm số đếm theo quy luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. I= I0 d2 12 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.  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. - Thiết kế giá đỡ để di chuyển nguồn theo khoảng cách, trên giá đỡ có thước đo. Sau đó ghi lại số đếm hiện trên đèn đếm, tiếp tục di chuyển nguồn với khoảng cách tăng lên 2 cm. I d Sự suy giảm chùm tia theo khoảng cách Lấy log 2 vế ta được: I = I0 d −2 = log I log I0 − 2 log d Đặt y = log I y 0 = log I0 x = log d Phương trình có dạng : = y y 0 − 2x Dạng tổng quát của phương trình là : y= b + ax Sau đó lập bảng như sau: 13 d (cm) Số đếm (N) y = logN x = logd * Vẽ đồ thị và xác định hàm thể hiện sự phụ thuộc của số đếm theo khoảng cách trong thang đo tuyến tính và thang đo logarit. 14 BÀI 3. XÁC ĐỊNH BỀ DÀY HẤP THỤ MỘT NỬA VÀ HỆ SỐ SUY GIẢM TUYẾN TÍNH, SUY GIẢM KHỐI * Mục đích - Nắm vững các thao tác khi sử dụng hệ đo đơn kênh. - Xác định bề dày hấp thụ một nửa, hệ số suy giảm tuyến tính, suy giảm khối. * Lý thuyết Quy luật suy giảm của tia gamma khi đi qua vật liệu I = I0 e −µx Ta có thể sử dụng mật độ bề mặt d (g/cm2) với d = xρ Thay vào phương trình I = I0 e −µd/ ρ Trong đó tỉ số µ được gọi là hệ số suy giảm khối và được ký hiệu : µ m ρ I = I0 e −µx Ta có : Vì đại lượng I tỉ lệ với số đếm N nên: N = N 0 e −µx Lấy ln 2 vế : ln Do đó ln N0 = µx N N0 phụ thuộc tuyến tính vào x N Phương trình có dạng y= ax+b x là bề dày a là hệ số giảm tuyến tính a= ∑ (x − x)(y − y) ∑ (x − x) 2 * Xác định bề dày một nửa x1/2 Bề dày giảm một nửa x1/2 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 x1/2 liên hệ với hệ số suy giảm tuyến tính µ như sau : x 1/2 = 0, 693 µ 15 Sự suy giảm cường độ chùm tia gamma theo bề dày x1/2 Xác định bề dày hấp thụ một nửa (HVT) trong vật liệu giấy, nhôm, chì, plastic. Tính hệ số suy giảm tuyến tính µ và hệ số suy giảm khối µ m * Các bước tiến hành - Đặt cửa sổ ON – OFF tại OFF - Lên cao thế ở 400V - Đặt ngưỡng tại 1.0 - Đóng window. Chuẩn bị 12 miếng chì, bề dày mỗi miếng : 1mm Các miếng chì 16 Bố trí thí nghiệm đối với các miếng chì Bề dày (mm) x N I=N-Np y = ln(I/I0) x−x y−y (x − x)(y − y) y * Tiến hành quy trình thí nghiệm tương tự cho nhôm, đồng, giấy… 17 (x − x) 2 BÀI 4. XÂY DỰNG ĐƯỜNG CHUẨN NĂNG LƯỢNG VÀ XÁC ĐỊNH NGUỒN PHÓNG XẠ CHƯA BIẾT * Mục đích - Nắm vững các thao tác khi sử dụng hệ đo 8K kênh - Xây dựng được đường chuẩn năng lượng. * Xây dựng đường chuẩn năng lượng Sử dụng hai nguồn 60 Co, 137 Cs Sơ đồ thí nghiệm : * Các bước tiến hành - Đặt nguồn 137 Cs là nguồn kín với năng lượng gamma là : 0,662 keV cách 2 cm so với tinh thể NaI (Tl). - Để một khoảng thời gian cho phổ năng lượng của - Sau đó phổ 137 137 Cs nguồn ổn đỉnh. Cs được qua hệ thống MCA để xử lý, trong đó dải năng lượng quan tâm được chia làm nhiều kênh năng lượng. Mỗi kênh là một cửa sổ năng lượng. Tiếp theo ta xóa các dữ liệu của nguồn 137 Cs và thay bằng nguồn 60 Co và đo được 2 đỉnh năng lượng 1,17 và 1,33 MeV. - Đợi một thời gian để cho phổ năng lượng ổn định. Sau đó qua hệ thống MCA để đưa ra kết quả. Đỉnh năng lượng Đỉnh cao nhất Đỉnh cao nhất Đỉnh cao nhất Năng lượng (MeV) 1,33 1,17 0,662 Số kênh - Sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu để tìm ra đường chuẩn năng lượng có dạng : y = a.x + b 18