Thiết kế chế tạo đầu dò sử dụng ống đếm geiger muller và so sánh với đầu dò nai ti

Các loại tia phóng xạ Năm 1892 Becquerel đã quan sát thấy muối uranium và những hợp chất của nó phát ra những tia gồm 3 thành phần là tia α alpha, tức là hạt nhân ; tia β beta, tức là h

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH

KHOA VẬT LÝ

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ĐẦU DÒ SỬ DỤNG ỐNG ĐẾM GEIGER-MÜLLER VÀ SO SÁNH VỚI ĐẦU DÒ NaI (Tl)

Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Anh Đức Sinh viên thực hiện: Võ Thành Đông Khoá: 44

TP HỒ CHÍ MINH – 4/2022

I

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Anh Đức, người đã trực tiếp dìu dắt

và hướng dẫn em Cảm ơn thầy vì đã động viên, hỗ trợ và định hướng cho em từ lúc bắt đầu đến khi khoá luận hoàn thành

Em xin cảm ơn anh Nguyễn Quốc B vì đã hướng dẫn, chỉ bảo khi em gặp khó khăn trong quá trình hoàn thiện sản phẩm Em cảm ơn anh rất nhiều

Em cũng xin cảm ơn quý thầy cô giảng viên khoa Vật Lý đã truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm quí báu, làm nền tảng cho em hoàn thành khoá luận, cũng như làm hành trang cho công việc sau này

Cuối cùng, em chân thành cảm ơn bạn bè, gia đình vì đã luôn bên cạnh và động viên

em mỗi lúc khó khăn

Tp HCM, ngày 15 tháng 04 năm 2022

Tác giả

Võ Thành Đông

II

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH V

DANH MỤC BẢNG VII

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I LÝ THUYẾT VỀ PHÓNG XẠ - BỨC XẠ 2

1 Khái niệm phóng xạ Các loại tia phóng xạ 2

1.1 Khái niệm phóng xạ 2

1.2 Các loại tia phóng xạ 2

1.2.1 Phân rã alpha 3

1.2.2 Phân rã beta 6

1.2.3 Dịch chuyển gamma 10

2 Bức xạ vũ trụ 11

2.1 Tia vũ trụ sơ cấp 11

2.2 Tia vũ trụ thứ cấp 13

CHƯƠNG II TƯƠNG TÁC CỦA PHÓNG XẠ - BỨC XẠ VỚI VẬT CHẤT 16 1 Tương tác của các hạt (alpha) với vật chất 16

2 Tương tác của các electron với vật chất 17

3 Tương tác của bức xạ gamma với vật chất 19

3.1 Hiệu ứng quang điện 20

3.2 Hiệu ứng Compton 21

3.3 Hiệu ứng tạo cặp 22

CHƯƠNG III CÁC ĐẦU DÒ/ THIẾT BỊ/ DỤNG CỤ GHI ĐO/ GHI NHẬN VÀ QUAN SÁT PHÓNG XẠ - BỨC XẠ 25

1 Buồng sương Wilson 25

1.1 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của buồng sương Wilson 25

III

1.2 Các bức xạ ghi nhận được 27

1.3 Ưu và nhược điểm 27

2 Buồng ion hoá 27

2.1 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo 27

2.2 Phân loại 30

2.3 Các bức xạ ghi nhận được 32

2.4 Ưu và nhược điểm 34

3 Ống đếm Geiger-Müller 34

3.1 Giới thiệu ống đếm Geiger-Müller 34

3.2 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo 35

3.3 Phân loại 36

3.4 Các bức xạ ghi nhận được 36

3.5 Ưu và nhược điểm 37

4 Ống đếm nhấp nháy 38

4.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 38

4.2 Phân loại 39

4.3 Các bức xạ ghi nhận được 41

CHƯƠNG IV THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ĐẦU DÒ SỬ DỤNG ỐNG ĐẾM GEIGER-MÜLLER 42

1 Các bộ phận của đầu dò 42

2 Kết nối các bộ phận và vận hành hệ thống 44

2.1 Kết nối các bộ phận 44

2.2 Code chạy hệ thống 48

2.3 Cách hệ thống vận hành 48

CHƯƠNG V MỘT SỐ THÍ NGHIỆM THỰC HIỆN ĐƯỢC VỚI ỐNG ĐẾM GEIGER-MÜLLER VÀ SO SÁNH VỚI ỐNG ĐẾM NHẤP NHÁY NaI (Tl) 49

IV

1 Khảo sát sự thay đổi cường độ tia phóng xạ theo khoảng cách 49

1.1 Lý thuyết sự suy giảm chùm gamma theo bình phương khoảng cách 49

1.2 Thực nghiệm 49

1.3 So sánh với ống đếm nhấp nháy NaI (Tl) 52

2 Kiểm chứng khả năng đâm xuyên của tia phóng xạ qua vật liệu 53

2.1 Lý thuyết sự suy giảm của chùm gamma khi truyền qua vật liệu 53

2.2 Thực nghiệm 54

2.3 So sánh với ống đếm nhấp nháy NaI (Tl) 57

CHƯƠNG VI KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

Sự phụ thuộc hằng số phân rã λ của hạt nhân phân rã alpha

vào quãng chạy R của hạt alpha đối với ba dãy

6

4 1.4 Minh hoạ sơ đồ phân rã beta của thành 7

6 2.1 Quãng chạy của các hạt alpha trong không khí phụ thuộc

15 3.3a Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của buồng ion hoá 28

16 3.3b Các ion xuất hiện trong tụ chuyển động về phía hai điện

VI

21 3.8 Đặc trƣng volt-ampere của buồng ion hoá với các áp suất

23 3.10 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của detector nhấp nháy 39

32 5.7 Bố trí thí nghiệm kiểm chứng khả năng đâm xuyên của tia

VII

DANH MỤC BẢNG

3 3 Bảng kết quả với vật liệu chì bằng ống đếm SBM-20 56

1

MỞ ĐẦU

Hiện nay, việc sử dụng đầu dò phóng xạ để kiểm tra các tia phóng xạ trở nên rất phổ biến do các tia phóng xạ xuất hiện ở khắp mọi nơi xung quanh chúng ta và gây nguy hại đến sức khoẻ con người Ngoài ra, trong chương trình Vật lý phổ thông, chưa có một bài thí nghiệm nào về phát hiện phóng xạ Điều này khiến cho học sinh chưa nhận thức được sự có mặt của tia phóng xạ xung quanh chúng ta, làm tăng tính hàm lâm trong môn học và không kích thích được hứng thú học tập của học sinh Sự thiếu hụt này là do hạn chế về điều kiện

cơ sở vật chất của nhà trường, vì các thiết bị dò phóng xạ thường rất đắt tiền, khó mua sắm

và dễ hư hỏng nếu không được bảo quản cẩn thận

Do vậy, để đáp ứng nhu cầu sử dụng đầu dò phóng xạ một cách rộng rãi, đại trà và tăng sự trực quan trong dạy học Vật lý, ta cần chế tạo một đầu dò sử dụng các thiết bị đơn giản, rẻ tiền nhưng vẫn có thể phát hiện được các tia phóng xạ, hơn nữa còn có thể kiểm tra được các đặc trưng của tia phóng xạ như: bức xạ nền, sự phụ thuộc của cường độ phóng xạ vào khoảng cách, sự suy giảm của tia phóng xạ khi xuyên qua vật liệu Để đáp ứng các yêu cầu trên, chúng tôi quyết định chế tạo “Đầu dò phóng xạ sử dụng ống đếm Geiger-Müller SBM-20”

Sau cùng, chúng tôi sẽ so sánh đầu dò chúng tôi chế tạo với đầu dò NaI (Tl) ở phòng thí nghiệm Hạt nhân trường Đh Sư phạm TP HCM, thông qua một số thí nghiệm đo phóng

xạ Từ đó, chúng tôi sẽ tiến hành so sánh độ chính xác, các ưu nhược điểm,… của hai đầu

dò với nhau Qua đó có thể đánh giá được hiệu quả đầu dò của chúng tôi, và nhận xét xem đầu dò chúng tôi chế tạo có thể sử dụng để nghiên cứu trong một số trường hợp không có đầu dò NaI (Tl) hay không Từ cơ sở đó, có thể xem xét để đầu dò của chúng tôi được sản xuất rộng rãi và sử dụng phổ biến

Hình 1.1 Giản đồ Z-N phân biệt các hạt nhân bền và hạt nhân không bền Đường cong

được tô đậm trên giản đồ biểu thị các hạt nhân bền [1]

1.2 Các loại tia phóng xạ

Năm 1892 Becquerel đã quan sát thấy muối uranium và những hợp chất của nó phát

ra những tia gồm 3 thành phần là tia α (alpha), tức là hạt nhân ; tia β (beta), tức là hạt electron ; và tia γ (gamma), tức là bức xạ điện từ như tia X nhưng bước sóng rất ngắn Hiện tượng đó gọi là hiện tượng phân rã phóng xạ Các tia α, β, γ gọi các tia phóng xạ, chúng đều

3

có những tính chất như có thể kích thích một số phản ứng hóa học, phá hủy tế bào, ion hóa chất khí, xuyên thấu qua vật chất,… Ta sẽ lần lượt tìm hiểu về đặc điểm của từng loại tia phóng xạ [1]

1.2.1 Phân rã alpha

1.2.1.1 Khái niệm về phân rã alpha

Hạt alpha là hạt nhân , có điện tích bằng +2e và khối lượng xấp xỉ 4 lần khối lượng của một nucleon Phân rã alpha xảy ra khi hạt nhân phóng xạ có tỉ số quá thấp Khi phân rã alpha, hạt nhân ban đầu chuyển thành hạt nhân và phát ra hạt alpha theo sơ

đồ

hạt nhân còn được gọi là hạt nhân mẹ, và hạt nhân được gọi là hạt nhân con

Khi hạt nhân mẹ phân rã, hạt alpha và hạt nhân con bay ra xa nhau hay nói cách khác

là chúng được truyền động năng Trong một số phân rã, hạt nhân con lại được tạo thành ở trạng thái kích thích, khi đó năng lượng phân rã là tổng động năng và năng lượng kích thích của các hạt sau phân rã Năng lượng phân rã có thể được xác định từ định luật bảo toàn năng lượng trong hệ qui chiếu hạt nhân mẹ đứng yên Trong hệ qui chiếu đó năng lượng ban đầu của hệ chỉ là năng lượng nghỉ của hạt nhân mẹ Như vậy nếu gọi và

là khối lượng tương ứng của hạt nhân mẹ, hạt nhân con và hạt alpha thì ta có mối liên hệ

4

lượng 4,777 MeV, suất ra 94,3 % Hạt nhân sau phân rã theo nhánh thứ nhất nằm ở trạng thái kích thích và tiếp tục dịch chuyển gamma để chuyển về trạng thái cơ bản Hạt nhân sau phân rã theo nhánh thứ hai nằm ở trạng thái cơ bản

Hình 1.2 Sơ đồ phân rã → [1]

Hiện nay người ta đã biết được hơn 200 hạt nhân phân rã alpha Phân rã alpha chủ yếu xảy ra với các hạt nhân nặng ở cuối bảng tuần hoàn Mendeleev với , tức là các hạt nhân có điện tích Z lớn hơn từ hai đơn vị trở lên so với số magic Chẳng hạn thallium không có đồng vị phát alpha nào, chì có hai đồng vị phát alpha, bismuth có 9 đồng vị còn polonium có không ít hơn 21 đồng vị phát alpha Ngoài ra có một nhóm nhỏ các hạt nhân trong vùng đất hiếm cũng phân rã alpha với số khối đến , hạt nhân nhẹ nhất trong số đó là chứa 84 neutron Một trường hợp đặc biệt là hạt nhân nhẹ cũng phát alpha với chu kì bán rã [1]

1.2.1.2 Các tính chất của phân rã alpha

a Các đặc trưng của phân rã alpha

Các đặc trưng chính của phân rã alpha là chu kỳ bán rã T1/2 của hạt nhân trước phân

rã, động năng E và quãng chạy R của hạt alpha

Chu kỳ bán rã T1/2 được xác định trực tiếp nhờ phép đo độ suy giảm hoạt độ theo thời gian hoặc được xác định theo số phân rã trong một đơn vị thời gian hay từ quy luật cân bằng thế kỷ

Năng lượng hạt alpha có thể xác định bằng phổ kế từ hay buồng ion hóa Bộ phận chính của phổ kế từ là nam châm điện tập trung các hạt alpha năng lượng khác nhau ở các vị trí khác nhau Một bản rất mỏng vật liệu hoạt tính alpha là nguồn phát alpha còn detector ghi hạt alpha là các tấm phim ảnh hoặc các ống đếm alpha Độ phân giải năng lượng của

5

phổ kế từ rất cao, có thể đạt đến 5 keV Buồng ion hóa làm việc theo nguyên tắc hạt alpha ion hóa môi trường khí và sinh ra tín hiệu điện Tín hiệu này được ghi nhận nhờ một máy phân tích biên độ nhiều kênh Khả năng phân giải năng lượng của buồng ion hóa vào khoảng 25 keV, kém hơn phổ kế từ

Quãng chạy của hạt alpha được xác định bằng buồng bọt Wilson hay nhũ tương ảnh Nhờ phép đo năng lượng và quãng chạy, người ta xác định được hệ thức liên hệ giữa năng lượng và quãng chạy Trong phép gần đúng đầu tiên có thể sử dụng công thức liên hệ giữa quãng chạy của hạt alpha trong không khí (tính theo cm) và năng lượng của nó (tính theo MeV) trong miền năng lượng 4-9 MeV hay quãng chạy trong không khí 3 - 7 cm như sau:

Tính chất quan trọng nhất của các hạt nhân phân rã alpha là sự phụ thuộc rất mạnh của chu kỳ bán rã vào năng lượng của hạt alpha bay ra Chẳng hạn nếu giảm 1% năng lượng thì có thể làm tăng thời gian bán rã lên một bậc Nếu giảm 10% năng lượng thì

thay đổi từ 2 đến 3 bậc Sự phụ thuộc của vào tuân theo định luật Geiger-Nuttall như sau:

 Với ta có và

 Với ta có và

Định luật Geiger-Nuttall còn được biểu diễn dưới dạng mối liên hệ giữa quãng chạy

R của hạt alpha và hằng số phân rã λ của hạt nhân phát alpha:

Hình 1.3 Sự phụ thuộc hằng số phân rã λ của hạt nhân phân rã alpha vào quãng chạy R

của hạt alpha đối với ba dãy [1]

Định luật Geiger-Nuttall áp dụng rất tốt cho các hạt nhân chẵn-chẵn [1]

1.2.2 Phân rã beta

1.2.2.1 Khái niệm về phân rã beta

Phân rã beta là hiện tượng biến đổi tự nhiên một hạt nhân này thành một hạt nhân khác với cùng khối lượng nhưng điện tích thay đổi một đơn vị kèm theo việc phát ra một electron, một positron hay chiếm một electron của lớp vỏ nguyên tử Như vậy có ba loại phân rã beta là phân rã , phân rã và chiếm electron quỹ đạo [1]

Phân rã beta xảy ra khi hạt nhân phóng xạ thừa neutron, tức là tỉ số cao hơn so với đường cong bền vững của hạt nhân trên Hình 1.1 Khi phân rã beta, hạt nhân ban đầu chuyển thành hạt nhân và phát ra hạt electron cùng phản hạt neutrino

trong đó neutrino là hạt trung hoà về điện tích và khối lượng rất bé, có thể được coi là bằng không Hạt neutrino có spin bằng Quá trình (1.10) là kết quả của quá trình phân rã neutron thừa trong hạt nhân để biến thành proton theo quá trình sau: [1]

1.1.1 1.1.1.1 → (1.11)

Hình 1.4 Minh hoạ sơ đồ phân rã beta của thành .[1]

b Phân rã

8

Hạt positron là hạt có khối lượng bằng khối lượng hạt electron nhưng có điện tích dương Phân rã positron xảy ra khi tỉ số thấp hơn so với đường cong bền vững của hạt nhân trên Hình 1.1 Khi phân rã positron, hạt nhân ban đầu chuyển thành hạt nhân

c Chiếm electron quỹ đạo

Một nguyên tử thiếu neutron muốn chuyển về trạng thái bền bằng cách phát hạt positron thì khối lượng của nó phải lớn hơn khối lượng hạt nhân con ít nhất là 2 lần khối lượng electron Nếu điều kiện này không thoả mãn thì sự thiếu hụt neutron phải khắc phục

bằng quá trình chiếm electron quỹ đạo, hay còn gọi là chiếm K:

1 đồng vị so với hạt nhân mẹ, trong khi khối lượng của hai hạt đó giống nhau

9

Một ví dụ điển hình về quá trình chiếm electron là quá trình chiếm electron của hạt nhân Quá trình này diễn ra theo sơ đồ

→ (1.16) Năng lượng liên kết của electron lớp K trong nguyên tử là V Năng lượng của phản ứng là Do sau quá trình chiếm electron hạt nhân phát tia với năng lượng nên phần năng lượng còn lại

là động năng của hạt neutrino Hình 1.5 minh hoạ sự biến đổi từ hạt nhân

thành hạt nhân bằng hai quá trình phân rã positron và chiếm electron lớp K, với quá trình phân rã gamma tiếp theo của [1]

Hình 1.5 Sơ đồ biến đổi thành [1]

1.2.2.3 Các tính chất của phân rã beta

Lực tương tác

Đặc điểm chính của các quá trình phân rã beta là chúng không được gây ra bởi lực hạt nhân và lực điện từ mà bởi lực tương tác yếu với cường độ nhỏ hơn lực hạt nhân 14 bậc [1]

Bản chất của quá trình phân rã

Phân rã beta không phải là một quá trình biến đổi bên trong hạt nhân như quá trình phân rã alpha mà là quả trình phân rã bên trong hạt nucleon Đó chính là các quá trình phân

rã neutron thành proton hay quá trình phân rã proton thành neutron Như vậy nếu quá trình

10

phân rã alpha là một quá trình thuần túy hạt nhân thì quá trình phân rã beta là một quá trình phức tạp hơn rất nhiều, liên quan cả với lý thuyết tương tác yếu lẫn lý thuyết cấu trúc hạt nhân [1]

Nguồn gốc của các hạt bay ra từ phân rã beta

Các sản phẩm của phân rã beta như electron, neutrino và các hạt khác không tồn tại trong hạt nhân trước khi phân rã beta mà nó được sinh ra do tương tác yếu của các hạt cơ bản [1]

Dải các nguyên tố phân rã beta

Đối với phân rã alpha thì dải các nguyên tố phân rã là các nguyên tố nặng nhất và một số nguyên tố đất hiếm Còn đối với phân rã beta thì dải các nguyên tố phân rã rất rộng,

từ hạt neutron tự do đến nguyên tố nặng nhất [1]

Năng lượng giải phóng khi phân rã beta [1]

Năng lượng giải phóng khi phân rã beta biến thiên từ 0,02 MeV trong phân rã

→ ̅ (1.17) đến 13,4 MeV trong phân rã

→ ̅ (1.18) 1.2.3 Dịch chuyển gamma

Cả hai phân rã alpha và beta thường kèm theo dịch chuyển gamma vì sau khi phân rã alpha và beta hạt nhân phóng xạ mẹ biến thành hạt nhân con thường nằm ở trạng thái kích thích Khi hạt nhân con chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái có bản nó có thể phát ra một số tia gamma Tia gamma là một dạng của sóng điện từ có tần số hay năng lượng rất lớn Khi dịch chuyển gamma hạt nhân không thay đổi các giá trị Z và A Ngoài các loại phân rã này, còn có thể bắn phá hạt nhân bia bởi các hạt tích điện, neutron hay proton để chuyển hạt nhân lên trạng thái kích thích và hạt nhân kích thích đó chuyển về trạng thái cơ bản bằng cách phát ra một số bức xạ gamma

Về bản chất thì bức xạ gamma của hạt nhân là do tương tác của các nucleon riêng rẽ trong hạt nhân với trường điện từ Tuy nhiên, khác với bức xạ beta, bức xạ gamma không

11

phải là hiện tượng bên trong nucleon mà là bên trong hạt nhân Một nucleon tự do cô lập không thể bức xạ hay hấp thụ lượng tử gamma do yêu cầu của các định luật bảo toàn năng lượng và động lượng Còn bên trong hạt nhân, nucleon có thể bức xạ hay hấp thụ gamma do

nó truyền động lượng cho các nucleon khác

Khi hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích cao về trạng thái kích thích thấp hay về trạng thái cơ bản, ngoài dịch chuyển gamma còn có quá trình biến hoán nội, trong đó một electron bị đánh bật ra từ các lớp trong cùng của nguyên tử [1]

Các tia vũ trụ sơ cấp gồm hai thành phần, thành phần thứ nhất thành phần thiên hà được sinh ra từ các vật thể vũ trụ rất xa Trái Đất, thành phần thứ hai thành phần Mặt Trời được sinh ra từ các vụ nổ Mặt Trời Thành phần thiên hà gồm 79% các proton năng lượng cao, 20% các hạt alpha và các hạt ion nặng hơn, 1% còn lại là các electron, photon, neutron,… Thành phần Mặt Trời gồm các proton và hạt alpha với năng lượng tương đối thấp, vào khoảng và có cường độ rất lớn hạt/cm2.s Cũng có những trường hợp đặc biệt, chúng có năng lượng một vài GeV [1]

2.1.1 Các thành phần của tia vũ trụ sơ cấp

Các tia vũ trụ sơ cấp đẳng hướng và không đổi theo thời gian với cường độ khoảng hạt/cm2.s Các tia vũ trụ sơ cấp được chia thành các nhóm như sau: nhóm p gồm proton, deutron và triton; nhóm gồm alpha và ; nhóm các hạt nhân nhẹ gồm lithium, beryllium và boron ; nhóm các hạt nhân trung bình gồm carbon, oxygen, nitrogen và flourine ; nhóm các hạt nhân nặng gồm các hạt nhân với ; nhóm các hạt nhân rất nặng gồm các hạt nhân với và nhóm các hạt nhân siêu nặng gồm các hạt nhân với [1]

12

2.1.2 Ảnh hưởng của từ trường Trái Đất lên tia vũ trụ sơ cấp

Từ trường Trái Đất và từ trường trong không gian giữa các hành tinh có ảnh hưởng đến tia vũ trụ sơ cấp Ta sẽ xem xét ảnh hưởng của từ trường Trái Đất

Thứ nhất, từ trường Trái Đất cản trở các hạt năng lượng thấp đi vào Trái Đất Chẳng hạn, một hạt proton chuyển động trong lưỡng cực từ của Trái Đất thì động lượng tối thiểu của nó bằng để có thể bay vào khí quyển dưới góc so với vĩ tuyến địa từ được xác định bởi công thức:

Do động lượng của hạt tích điện bị hạn chế theo công thức (19) nên cường độ tia vũ trụ sơ cấp phụ thuộc vào vĩ độ, gọi là hiệu ứng vĩ độ Chẳng hạn, cường độ của tia vũ trụ sơ cấp ở

độ cao 10 km tại cực I (900) và tại xích đạo I (00) có độ sai khác

Thứ hai, từ trường Trái Đất ngăn cản tia vũ trụ sơ cấp bay vào bầu khí quyển dưới phương bay xác định Chẳng hạn hạt mang điện tích dương không thể bay vào bầu khí quyển dưới một góc xác định so với đường chân trời về phía đông Ví dụ, với proton có năng lượng 2 GeV thì góc cấm này bằng 580 Do đó ta có hiệu ứng bất đối xứng đông-tây, được xác định bởi đại lượng

Trong đó và là cường độ các tia vũ trụ sơ cấp đến từ hướng tây và hướng đông Ở

độ cao lớn thì tỉ số này bằng 0,25 Việc phát hiện ra độ mất đối xứng đông-tây cho thấy tia

vũ trụ sơ cấp gồm các hạt tích điện dương

Từ trường giữa các hành tinh ảnh hưởng không đáng kể đến các tia vũ trụ sơ cấp

13

Đóng vai trò quan trọng nhất trong loại từ trường này từ trường của các khối plasma phát ra

từ bề mặt Mặt Trời trong các vụ nổ Mặt Trời Các từ trường này chuyển động trong không gian và làm thay đổi một cách tuần hoàn các điều kiện xuyên qua của tia vũ trụ Đó là nguyên nhân chính của hiện tượng biến thiên theo thời gian của tia vũ trụ sơ cấp theo chu kỳ

11 năm, 27 năm…

Một hiện tượng khác khi các hạt tích điện chuyển động trong từ trường Trái Đất là các bẫy từ Đó là các miền không gian mà các hạt tích điện với năng lượng một vài GeV trở xuống không thể bay vào cũng như bay ra khỏi chúng Các bẫy từ có dạng hình xuyến bao quanh Trái Đất và là các đới tích tụ có các hạt tích điện Các đới này chủ yếu chứa các hạt proton và electron, được gọi là các vành đai bức xạ của Trái Đất Khoảng cách từ các vành đai này đến mặt đất phụ thuộc vào năng lượng tia sơ cấp, năng lượng càng cao thì chúng càng gần mặt đất [1]

2.2 Tia vũ trụ thứ cấp

Tia vũ trụ thứ cấp sinh ra do tia vũ trụ sơ cấp tương tác với vật chất trong bầu khí quyển Quá trình tương tác thường gồm 2 giai đoạn: các hạt sơ cấp bị hấp thụ và sinh ra các hạt thứ cấp, sau đó các hạt thứ cấp ion hoá môi trường khí quyển Tia vũ trụ thứ cấp gồm các hạt hadron (pion, proton, neutron,…), các hạt muon, electron và photon Người ta thường chia chúng thành ba thành phần là thành phần kích hoạt hạt nhân (các hạt hadron), thành phần cứng (muon) và thành phần mềm (electron, photon)

Cơ chế sản sinh các thành phần của tia vũ trụ thứ cấp: Các hạt sơ cấp với năng lượng lớn (>>GeV) thường tương tác với các hạt nhân khi đi xuyên qua bầu khí quyển với các tính

chất sau:

 Proton mất khoảng một nửa năng lượng của mình

 Phần chính của năng lượng mất đi này tạo nên một số lớn các hạt tương đối tính mà người ta gọi là đám mưa rào, trong đó chủ yếu là các hạt pion và khoảng 15-20% là các hạt kaon Ví dụ, proton sơ cấp với năng lượng GeV sinh ra đám mưa rào gồm khoảng 10 hạt

 Phần còn lại của năng lượng nói trên tạo nên các hạt delta-nucleon và kích thích các hạt nhân cuối Delta-nucleon là các nucleon sinh ra với năng lượng

cỡ 160 MeV Các hạt nhân kích thích khi chuyển về trạng thái cơ bản sẽ phát

ra các hạt proton, neutron, alpha,…

14

Quãng chạy tự do của các hạt sơ cấp trong bầu khí quyển vào khoảng 80 g/cm2.Do

đó proton năng lượng cao khi đi xuyên qua bầu khí quyển có thể tham gia hàng chục lần va chạm với các hạt nhân của khí quyển, trong mỗi va chạm đó proton sơ cấp mất khoảng một nửa năng lượng của mình để sinh ra các hạt thứ cấp như đã nói trên Các hạt thứ cấp này hoặc bị hấp thụ, hoặc bay xuống mặt đất Các hạt pion trung hoà do thời gian sống cỡ 10-16 s nên bị phân rã ngay thành cặp hai hạt gamma Sự tồn tại của các hạt pion tích điện phụ thuộc vào năng lượng của chúng, với năng lượng lớn các hạt pion có thể bay một quãng đường bằng nửa quãng đường tự do của proton sơ cấp trong khí quyển (80 g/cm2) Các hạt pion năng lượng cỡ 200 GeV có thể tham gia vào quá trình sinh các hạt hadron

Thành phần mềm của tia vũ trụ thứ cấp bao gồm các hạt electron, positron và gamma Tia gamma năng lượng cao được sinh ra đồng thời với các hạt hadron do quá trình phân rã hạt pion trung hoà:

Các gamma năng lượng cao này khi đi xuyên qua môi trường sinh ra các cặp electron-positron rồi các electron-positron phát ra các tia gamma hãm Quá trình sinh ra các hạt electron, positron, gamma như vậy xảy ra cho đến khi năng lượng các electron và positron giảm đến năng lượng cỡ 72 MeV, là năng lượng mà các hạt electron và positron mất năng lượng trong không khí chuyển từ cơ chế ion hoá sang cơ chế bức xạ hãm

Thành phần cứng của tia vũ trụ thứ cấp gồm các hạt muon sinh ra do sự phân rã của các hạt pion tích điện

Các hạt muon năng lượng cao có khả năng đâm xuyên rất lớn do mất năng lượng rất

ít đối với các quá trình ion hoá và bức xạ hãm

Cường độ các thành phần tia vũ trụ thứ cấp phụ thuộc vào độ cao của bầu khí quyển Thành phần hadron giảm rất nhanh theo chiều cao từ trên xuống và hầu như bằng không tại mặt biển Thành phần electron-proton có cường độ lớn ở độ cao lớn và bị hấp thụ rất nhanh khi đến mặt đất, tại mặt đất nó có cường độ không đáng kể so với thành phần muon Tại mặt biển, cường độ các thành phần cứng và mềm lần lượt bằng hạt/cm2.s và

hạt/cm2.s Như vậy cường độ tia vũ trụ thứ cấp ở mặt nước biển bé hơn

15

khoảng 100 lần cường độ giới hạn ở mặt nước biển, mà trong đó chủ yếu là các hạt muon

Ngoài các hạt sơ cấp và các hạt thứ cấp nêu trên, tại lớp trên của khí quyển xảy ra các phản ứng hạt nhân giữa các hạt hadron với các hạt nhân khí quyển, sinh ra các hạt nhân phóng xạ và hạt nhân bền Các hạt nhân phóng xạ gồm Nói riêng, do bức xạ vũ trụ, nồng độ của trong nước của Trái Đất chiếm khoảng Trong số các đồng vị bền, đáng chú ý nhất là , thành phần vũ trụ làm tăng độ phổ biến của nó trong tự nhiên [1]

16

CHƯƠNG II TƯƠNG TÁC CỦA PHÓNG XẠ - BỨC XẠ VỚI VẬT CHẤT

1 Tương tác của các hạt (alpha) với vật chất

Các hạt α với điện tích gấp đôi điện tích nguyên tố và khối lượng gần bằng 7300 lần

khối lượng của electron ( ) Khi đi qua vật chất, các hạt α ion hoá rất mạnh

các nguyên tử của vật chất này Chúng mất năng lượng chủ yếu do quá trình ion hoá các

nguyên tử môi trường Độ tiêu hao năng lượng ion hoá riêng của các hạt α có thể được biểu

diễn bằng công thức Bethe:

được gọi là khả năng hãm của vật chất (stopping power)

Hình 2.1 Quãng chạy của các hạt alpha trong không khí phụ thuộc vào năng lượng [2]

Hình 2.1 giới thiệu đường cong Bragg, mô tả sự phụ thuộc độ ion hoá riêng vào

quãng đường còn lại của hạt α Từ hình vẽ ta thấy rõ, ở cuối quãng đường thì độ ion hoá

riêng tăng lên, sau đó giảm xuống không ở vài milimet cuối cùng (trong không khí)

Năng lượng của các hạt alpha do các hạt nhân phóng xạ phát ra có giá trị vài MeV Quãng chạy của chúng trong không khí ở áp suất khí quyển cỡ vài cm Ví dụ hạt alpha do

17

Po2l0 phát ra có năng lượng 5,3 MeV, quãng chạy của chúng trong không khí có giá trị gần bằng 3,8cm Độ ion hoá riêng trung bình của hạt alpha trong không khí ở áp suất khí quyển bằng ~4.104 cặp ion/cm Quỹ đạo của hạt alpha là một đường thẳng

Hiển nhiên là ở trong các chất đặc hơn thì độ ion hoá của hạt alpha sẽ lớn hơn Nó

cũng phụ thuộc vào nguyên tử số Z của môi trường mà các hạt alpha đi qua

Nếu trong không khí và ở áp suất khí quyển, quãng chạy của hạt alpha cỡ vài cm thì trong các vật rắn quãng chạy của chúng chỉ cỡ vài chục µm Ví dụ, quãng chạy của hạt alpha, do Po2l0 phát ra, trong nhôm chỉ cỡ gần 20µm Để so sánh quãng chạy của các hạt trong nhũng vật liệu khác nhau, người ta không sử dụng đơn vị độ dài mà sử dụng đơn vị g/cm2 hoặc đơn vị µg/cm2 Như vậy, quãng chạy của hạt alpha do các chất phóng xạ phát ra,

có giá trị không lớn, nhưng mật độ ion hoá của chúng thì rất lớn Các tính chất này sẽ quyết định khả năng cũng như hiệu suất ghi hạt alpha bằng loại detector này hoặc loại detector khác [2]

Hình 2.2 Độ ion hoá riêng của hạt alpha trong không khí [2]

2 Tương tác của các electron với vật chất

Khi đi qua vật chất, các hạt proton mất năng lượng của mình thông qua hai quá trình

cơ bản:

1/ Ion hoá và kích thích các nguyên tử vật chất

2/ Phát bức xạ điện từ khi electron bị hãm trong điện trường của hạt nhân hay của electron nguyên tử (sự phát bức xạ hãm)

18

Các dấu vết với mật độ như nhau của các giọt, tạo ra bởi các electron và mezon thường được quan sát thấy trong buồng Wilson Sự ion hoá gây ra bởi các hạt siêu nhanh có

độ ion hoá nhỏ nhất và thường được gọi là sự ion hoá cực tiểu

Khác với các hạt nặng tích điện là những hạt trong thực tế đi qua vật chất theo một quỹ đạo thẳng, các electron nhanh, trên đường chuyển động của mình chịu một số lớn lần tán xạ trên các hạt nhân và các electron nguyên tử và bị tán xạ nhiều lần Quãng chạy của các electron tong vật chất, do đó, có một độ thăng giáng lớn Quỹ đạo chuyển động của nó

là một đường zikzắk phức tạp và được đo không phải bằng đoạn đường thực tế mà nó đi qua như trong trường hợp của hạt alpha mà bằng chiều dày lớp vật chất có khả năng hãm hoàn toàn electron lại nếu hướng chuyển động của chúng vuông góc với mặt phẳng của lớp vật chất này

Độ hao năng lượng do phát ra bức xạ tăng tỷ lệ tuyến tính với sự tăng năng lượng của các electron còn độ hao năng lượng do ion hoá đối với các electron năng lượng rất lớn thì tăng phụ thuộc vào năng lượng theo quy luật hàm log:

3 Tương tác của bức xạ gamma với vật chất

Giống như các hạt trung hoà về điện, các tia gamma không gây ra sự ion hoá trực tiếp Việc ghi nhận chúng chỉ khả dĩ nếu chúng tạo thành trong detector các hạt tích điện thứ cấp

Khi đi qua vật chất, các tia γ bị suy giảm theo định luật hàm số mũ:

trong đó là số lượng tử γ trong chùm ban đầu, N là số lượng tử γ đi qua lớp vật chất chiều

dày x; µ là hệ số suy giảm tuyến tính, đo bằng đơn vị cm-1 Đối với các photon năng lượng 1MeV, chiều dày lớp chì suy giảm một nửa hay chiều dày lớp chì cần thiết để hãm một nửa các photon bằng 0,95cm Đối với không khí, chiều dày lớp suy giảm một nửa bằng khoảng 83 m, còn đối với nhôm thì vào khoảng 3,7 cm

Như vậy, hệ số suy giảm tuyến tính liên hệ với tiết diện tán xạ hoặc hấp thụ toàn phần σ trên một nguyên tử vật chất bằng biểu thức sau:

trong đó n là số nguyên tử chất hấp thụ trong lcm3, σ được đo bằng đơn vị cm2 hoặc đơn vị barn

Sự suy giảm chùm các tia γ khi chúng đi qua vật chất được xác định bằng tất cả các loại

tương tác của chúng với vật chất này Đó là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton, hiệu ứng tạo cặp và hiệu ứng tương tác với các hạt nhân Hiệu ứng cuối cùng chỉ xảy ra với xác suất nhỏ,

3.1 Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện là hiệu ứng tương tác của lượng tử γ với electron nguyên tử, trong

đó năng lượng hνo của lượng tử γ bị tiêu hao để thắng sự liên kết của electron trong nguyên tử

và truyền cho nó một động năng, nghĩa là:

Trong biểu thức trên Elk là năng luợng liên kết của electron trong nguyên tử; Ek là động năng của quang điện tử Sơ đồ mô tả hiệu ứng quang điện được giới thiệu ở Hình 2.4

Hình 2.4 Quá trình tương tác tia γ với electron trong nguyên tử [2]

Nếu năng lượng của lượng tử gamma tới lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của electron vỏ K (hνo >> Elk) và nếu khi đó quang điện tử xuất hiện lại không phải là electron tương đối tính, nghĩa là Eo < moc2 , thì tiết diện toàn phần của hiệu ứng quang điện trên vỏ K được biểu diễn bằng công thức sau :

Công thức trên chỉ ra sự tăng rất mạnh (Z5) của tiết diện hiệu ứng quang điện theo sự

tăng của Z cũng như sự giảm rất nhanh của hiệu ứng này theo sự tăng năng lượng của lượng tử

gamma

Phân bố góc của các quang điện tử so với hướng của các lượng tử gamma tới phụ thuộc vào năng lượng của các lượng tử này Nếu năng lượng của các lượng tử gamma tương đối nhỏ thì phần lớn các quang điện tử bay ra dưới góc gần bằng 90° Năng lượng của các lượng tử gamma tăng lên thì góc bay ra của các quang điện tử sẽ giảm [2]

3.2 Hiệu ứng Compton

Theo sự tăng năng lượng của các tia gamma thì tiết diện của hiệu ứng quang điện giảm

và quá trình chủ yếu làm suy giảm chùm lượng tử gamma trở thành quá trình tán xạ Compton Hiệu ứng Compton là hiệu ứng tán xạ của lượng tử gamma trên electron tự do Một phần năng lượng của lượng tử gamma được truyền cho electron giật lùi Trong vùng năng lượng, nơi phần chủ yếu của hệ số suy giảm µ được gây ra bởi quá trình này, đó là vùng giữa 0,5MeV và 5MeV đối với chì và giữa 0,05MeV và 15MeV đối với nhôm, năng lượng của bức xạ tới trở nên lớn hơn so với năng luợng liên kết của electron trong nguyên tử Hệ số tán xạ Compton σk tỷ lệ với nguyên tử số Z [2]

Như vậy có thể mô tả tán xạ của lượng tử γ trên electron năng lượng đủ lớn như một quá trình va chạm của hai hạt Sơ đồ quá trình tán xạ Compton được biểu diễn trên Hình 2.5 Lượng tử γ tới với năng lượng bị tán xạ trên electron tại điểm A Lượng tử γ bị tán xạ với năng lượng bay ra dưới góc tán xạ θ so với phương chuyển động ban đầu của lượng tử tới,

còn electron giật lùi thì bay ra dưới góc giật lùi υ và năng lượng T Từ các định luật bảo toàn

năng lượng và xung lượng suy ra rằng, với hνo cho trước thì giữa các góc θ và υ có mối liên

hệ đơn trị, còn năng lượng của lượng tử bị tán xạ và năng lượng của electron giật lùi

T thì hoàn toàn được xác định bằng các đại lượng θ,υ, đã cho [2] Ta có những biểu thức

Hình 2.5 Quá trình tán xạ Compton [2]

3.3 Hiệu ứng tạo cặp

Quá trình tạo cặp là quá trình, trong đó lượng tử γ năng lượng đủ lớn tương tác với vật chất làm xuất hiện một cặp electron - positron với năng lượng T và T+ tương ứng (Hình 2.6)

Để thoả mãn các định luật bào toàn năng lượng và xung lượng thì quá trình tạo cặp phải

diễn ra trong sự có mặt của một hạt thứ ba là hạt nhân hay điện tử Trong trường hợp này, xung

lượng của lượng tử γ được phân bố giữa các hạt của cặp và hạt thứ ba Tiết diện tạo cặp trong

trường Coulomb tỷ lệ với bình phương nguyên tử số (Z2) của vật chất và tăng lên theo sự tăng năng lượng của các tia γ Đường cong số 3 trên Hình 2.7 biểu diễn sự phụ thuộc của năng lượng vào xác suất tạo cặp

Hình 2.7 Sự phụ thuộc tiết diện tích phân hiệu ứng quang điện vào hν [2]

25

CHƯƠNG III CÁC ĐẦU DÒ/ THIẾT BỊ/ DỤNG CỤ GHI ĐO/ GHI NHẬN VÀ

QUAN SÁT PHÓNG XẠ - BỨC XẠ

1 Buồng sương Wilson

1.1 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của buồng sương Wilson

Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo buồng Wilson đầu tiên [2]

Sơ đồ mặt cắt ngang của buồng Wilson được biểu diễn như Hình 3.1 Thể tích làm việc của buồng được giới hạn bằng một bình thủy tinh hình trụ (1) có nắp là một tấm thủy tinh dày Giữa nắp và bình có một tấm nêm để giữ không cho không khí vào trong buồng Đáy buồng là một piston (2) chuyển động trong bình hình trụ (3) Khi dãn nở, piston được hạ thấp xuống tới tấm nêm cao su (4) và dừng lại Hình trụ (1) và đĩa bằng đồng thau (5) tạo điều kiện để thể tích làm việc của buồng dãn nở Phần dưới của buồng được bịt kín bằng dầu mỡ Qua ống thủy tinh

và van (6), buồng được nối với bình (7) đã được hút hết không khí Khi mở van (6), không khí

từ buồng này chuyển sang bình (7) làm piston (2) bị hạ xuống đột ngột Thể tích làm việc của buồng bị dãn nở một cách đột ngột Nếu ở thời điểm này có các hạt tích điện đi qua thì các hơi bão hòa được tạo thành sẽ bị ngưng tụ trên các ion do hạt tích điện tạo ra Dấu vết của hạt xuất hiện dưới dạng một dãy nhiều giọt chất lỏng nhìn thấy được

Sau khi chụp ảnh, buồng phải trở về trạng tháu ban đầu, nghĩa là các ion và những giọt chất lỏng vừa được tạo thành phải bị loại bỏ ra khỏi thể tích làm việc của buồng bằng cách sử

26

dụng một bộ pin tạo ra điện trường Piston của buồng trở về trạng thái ban đầu bằng cách truyền không khí vào buồng qua van số (8) Độ dãn nở cần thiết của thể tích làm việc được đảm bảo bằng cách điều chỉnh áp suất không khí trong buồng

Hình 3.2 Sơ đồ cấu tạo buồng Wilson loại 2 [2]

Buồng loại 2 cũng do Wilson chế tạo lần đầu tiên vào năm 1933 Thể tích làm việc của buồng được giới hạn bằng một hình trụ thủy tinh, đậy kín phía trên bằng một nắp thủy tinh đầy Đáy buồng là một lưới kim loại (1), có chức năng chủ yếu là bảo đảm sự chuyển động không rối loạn của chất khí trong thể tích làm việc của buồng Dưới lưới là màng ngăn (2) bằng cao su chuyển động được để tạo ra sự dãn nở cần thiết Sự dãn nở này được thực hiện khi toàn bộ hoặc một phần không khí dưới màng ngăn cao su được hút ra ngoài hoặc đưa vào một buồng lớn nằm dưới một áp suất cần thiết nhất định, khi đó màng ngăn cao su được hạ xuống và gây ra sự dãn nở thể tích làm việc của buồng

Thông số quan trọng xác định hoạt động của buồng Wilson là thời gian nhạy của nó

Đó là khoảng thời gian tính từ thời điểm dãn nở, trong đó sự quá bão hòa của hơi vẫn còn đủ để

có thể xảy ra sự ngưng tụ trên các ion Thời gian nhạy phụ thuộc vào cấu trúc và kích thước của buồng, nó thường có giá trị trong khoảng từ vài phần trăm giây đến 1 2 giây

Thời gian phục hồi và chế độ làm việc của buồng phụ thuộc vào kích thước của buồng

và áp suất khí Nó thay đổi trong vùng vài chục giây đến vài phút

27

Các buồng Wilson có thể làm việc ở áp suất khí quyển bình thường hoặc ở áp suất thấp hay cao, tùy vào bài toán vật lý mà nó thực hiện [2]

1.2 Các bức xạ ghi nhận được

Buồng Wilson có một ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của Vật lý hạt nhân và Vật lý tia

vũ trụ Nhờ sử dụng buồng Wilson, lần đầu tiên người ta phát hiện được positron, muon, meson

và những hạt tích điện khác trong thành phần của tia vũ trụ [2]

1.3 Ưu và nhược điểm

Ưu điểm [2]

 Nguyên tắc hoạt động đơn giản

 Buồng Wilson có thể xác định được một số tính chất của hạt đi vào buồng như:

 Dấu điện tích của hạt

 Quãng chạy của hạt

 Dựa vào tính chất của vết, có thể xác định được loại hạt đi vào buồng (Ví dụ hạt alpha để lại vết đậm, hạt beta với tốc độ cao cho vết mảnh, với tốc độ thấp cho một vết uốn lượn ngoằn ngoèo,….)

Nhược điểm [2]

 Có thời gian không nhạy lớn sau dãn nở đoạn nhiệt (vài chục giây đến vài phút)

 Không phân biệt được các hạt chuyển động với tốc độ gần tốc độ ánh sáng

2 Buồng ion hoá

Buồng ion hoá là thiết bị đo độ ion hoá gây ra bởi các hạt tích điện hoặc bức xạ trung hoà