Báo Cáo: Hệ Đo AlphaBeta Phông Thấp MPC 2000 DP

Báo cáo thí nghiệm học phần Kỹ thuật đo lường EE3059 gồm 4 bài: Bài 1 kiểm tra volmet xoay chiều, bài 2 thí nghiệm công tơ xoay chiều, bài 3 sử dụng dao động ký số oscillooscope trong đo lường, bài 4 thiết bị ảo trong đo lường. Tham khảo nội dung bài báo cáo để nắm bắt thông tin chi tiết.



BÁO CÁO

MÔN KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG

GVHD: TS.Nguyễn Hoàng Nam

Sinh viên thực hiện : Ngô Trí Dũng MSSV 20130659

Nguyễn Xuân Hoàng MSSV 20131631 Nguyễn Đình Công MSSV 21030452

Lê Văn Được MSSV 20130971

Hà Nội, tháng 11 năm 2015

Thế giới chúng ta đang sống chứa nhiều chất phóng xạ và điều này đã xảy

ra từ khi hình thành trái đất Con người đã phát hiện 60 hạt nhân phóng xạ vàcác hạt nhân này không ngừng phân rã và tương tác với nhau đồng thời phát racác bức xạ α,β,γ Một phần chất phóng xạ trên đã phát tán vào môi trường: đất,không khí, nước… gây ảnh hưởng đến cuộc sống nhân loại

Vì vậy ghi đo bức xạ là một trong những yếu tố quan trọng nhất của vật lýhạt nhân thực nghiệm Từ các lĩnh vực cơ bản như nghiên cứu số liệu và cấutrúc hạt nhân đến các nghiên cứu ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp,sinh học, địa chất, y tế, môi trường…đều rất cần thiết

Trong quá trình học môn Kỹ Thuật Đo Lường, chúng em có tìm hiểu về

đề tài “Máy ghi đo phóng xạ MPC 2000 -DP ” và nhận được sự hướng dẫnnhiệt tình của TS Nguyễn Hoàng Nam, đã giúp chúng em hoàn thành bản báocáo

Máy đo alpha-beta phông thấp MPC 2000 DP được sử dụng trong cácphép đo hoạt độ phóng xạ của các hạt nhân phát xạ alpha, beta, đặc biệt làhoạt độ thấp, phục vụ nghiên cứu vật lý hạt nhân, đo đạc, phân tích môitrường, kiểm soát an toàn phóng xạ,

Mục đích của bài báo cáo sử dụng nhằm cung cấp các thông tin cơ bản,cần thiết trong việc đặt các chế độ đo và vận hành thiết bị

Sau đây là nội dung chính của bản báo cáo :

• Tổng quan về phóng xạ

• Cảm biến nhấp nháy Dual Phosphur ZnS

• Máy đo Anpha-Beta phông thấp MPC 2000 DP

Dù đã cố gắng tìm hiểu, nhưng do kiến thức chuyên ngành còn thiếu sốt

và kinh nghiệm thực tế chưa có, nên trong quá trình thực hiện còn nhiều thiếusót Rất mong nhận được sự nhận xét của thầy, để bản báo cáo được hoàn thiệnhơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy!

MỤC LỤC

Nhóm 8 | CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHÓNG XẠ 3

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC HÌNH VẼ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHÓNG XẠ

1.1 Phóng xạ, tia phóng xạ

1.1.1 Khái niệm

Phóng xạ là hiện tượng một số hạt nhân nguyên tử không bền tự biến đổi

và phát ra các bức xạ hạt nhân (thường được gọi là các tia phóng xạ) Cácnguyên tử có tính phóng xạ gọi là các đồng vị phóng xạ, còn các nguyên tửkhông phóng xạ gọi là các đồng vị bền Các nguyên tố hóa học chỉ gồm cácđồng vị phóng xạ (không có đồng vị bền) gọi là nguyên tố phóng xạ.các tiaphóng xạ có từ tự nhiên có thể bị chặn bởi các tầng khí quyển của Trái Đất.Tia phóng xạ có thể là chùm các hạt :

• Mang điện dương như hạt anpha, hạt proton; mang điện âm như chùm electron

(phóng xạ beta)

• Không mang điện như hạt nơtron, tia gamma (có bản chất giống như ánh sáng

nhưng năng lượng lớn hơn nhiều)

Sự tự biến đổi như vậy của hạt nhân nguyên tử, thường được gọi là sựphân rã phóng xạ hay phân rã hạt nhân

1.1.2 Nguồn gốc và phân loại

Các nguồn bức xạ bao gồm các nguồn phóng xạ và các thiết bị bức xạ

• Các nguồn phóng xạ là các chất phát các hạt bức xạ như Alpha, Beta, Gamma

• Nguồn phóng xạ tự nhiên :

- Tia vũ trụ

- Các nhân phóng xạ trong vỏ Trái Đất

• Nguồn phóng xạ nhân tạo: được sản xuất trong các lò phản ứng hạt nhân haycác máy gia tốc hạt tích điện

1.1.3 Các loại tia phóng xạ

Các tia phóng xạ được phát ra trong những phản ứng hạt nhân, khi đồng vịkhông bền chuyển thành các đồng vị bền hơn, hoặc trong những phản ứng phânhạch và nhiệt hạch Sau đây là một số nguồn phóng xạ alpha, beta thường gặp

Bảng 1.1 Bảng phương trình phân rã của các đồng vị phóng xạ phát xạ ra

hạt alpha, beta

Hình 1.1 Sự phát xạ của chất phóng xạ trong môi trường có từ trường

Bức xạ Alpha

• Là các dòng hạt nhân của nguyển tử 2He4 mang điện tích dương

• Bức xạ Alpha được phát ra trong quá trình phân rã của các đồng vị nặng nhưUran, Radi, Radon và Plutoni … với vận tốc khoảng 2×107m/s

• Có khả năng ion hóa chất khí và mất dần năng lượng

• Trên Trái Đất, bức xạ Alpha không truyền đi được xa, khả năng đâm xuyên yếu

và bị cản lại toàn bộ bởi một tờ giấy Nhưng rất nguy hiểm khi để bức xạ Alphaxâm nhập vào bên trong cơ thể người

Bức xạ Beta

• Bức xạ Beta bao gồm hạt Beta + (positron) và Beta – (điện tử)

• Tia Beta được phát ra từ một số vật liệu phóng xạ , chẳng hạn như Triti,Cacbon-14, photpho-32 và Stronti-90

• Vận tốc của các hạt Beta gần bằng vận tốc ánh sáng

• Ion hóa chất khí yếu hơn tia Alpha

• Khả năng đâm xuyên mạnh hơn tia Alpha, có thể đi xa trong không khí, nhưng

có thể bị cản lại bởi tấm kim loại, kính hay quần áo bình thường

• Nó có thể làm tổn tương lớp da bảo vệ, nếu các bức xạ Beta phát ra trong cơthể, nó có thể chiếu xạ trong làm tổn thương các mô tế bào

• Không bị lệch trong điện, từ trường

• Khả năng đâm xuyên rất lớn, nên phải dùng tấm chắn được làm bằng các vậtliệu như chì, bê tông dày

• Nó cũng gây hại lớn đến da và các tế bào của cơ thể người nếu tiếp xúc với nó

Hình 1.2 Khả năng đâm xuyên của các bức xạ trong môi trường

Bức xạ Neutron

• Hạt Neutron được giải phóng sau phản ứng phân hạch hạt nhân Uranium hoặcPlutronium, bản thân nó không phải là bức xạ ion hóa, nhưng nếu va chạm vớicác hạt nhân khác, nó có thể kịch hoạt các hạt nhân hoặc gây ra tia gamma haycác hạt điện tích thứ cấp gián tiếp gây ra bức xạ ion hóa

• Neutron có sức xuyên mạnh hơn tia gamma Chỉ có thể bị ngăn cản bởi tường

bê tông dày, bởi nước hoặc tấm chắn Paraphin

• Bức xạ Neutron chỉ tồn tại trong trong lò phản ứng hạt nhân và các nhiên liệuhạt nhân

Tia X

• Tia X là dạng năng lượng sóng điện từ

• Tia X được con người tạo ra trong một ống Rơngen mà bản thân nó không cótính phóng xạ

• Tia X bao gồm một hỗn hợp của các bước sóng khác nhau

Do đã biết được đặc điểm, tính chất và sự nguy hại đến sức khỏe conngười của các loại bức xạ, nên việc tránh tiếp xúc với nó là vấn đề vô cùng quantrọng và thiết yếu Nên tiếp theo sẽ là tổng quan về ghi đo đạc bức xạ trong môitrường để ta có thể tránh tiếp xúc với chúng nhiều

1.2 Tổng quan ghi đo phóng xạ

Trong đo ghi bức xạ, thành phần cơ bản và quan trọng nhất của thiết bị đo

là các cảm biến Đây là thiết bị biến đổi tín hiệu cần đo thành các tín hiệu điện

để các thiết bị điện tử có thể ghi nhận và phân tích Mỗi loại bức xạ khác nhau

có các cơ chế tương tác với vật chất đặc trưng riêng biệt, do đó để ghi nhậnđược chúng cần có các loại detector khác nhau như: detector chứa khí, detectornhấp nháy, detector bán dẫn

Curie (Ci) là một đơn vị phi SI thể hiện mức độ phóng xạ bằng hoạt động

của 1 gram Ra226 Cách chuyển đổi cơ bản giữa Bq và Ci: 1 Ci = 3,7 × 1010 Bq

Gray (Gy) (Đơn vị này được đặt theo tên nhà vật lý người anh Louis

Harold Gray)

Theo hệ đo lường quốc tế SI, Gray là đơn vị đo lượng hấp thụ bức xạ ionhóa tuyệt đối Một Gray là lượng hấp thụ bức xạ ion hóa có năng lượng 1 juncủa vật hấp thụ có khối lượng 1 kilogram

Sievert (Sv) (Đơn vị này được đặt theo tên nhà vật lý y tế Thụy Điển

Maximilian Rolf Sievert)

Theo Hệ đo lường quốc tế, Sievert là đơn vị đo lượng hấp thụ bức xạ ionhóa có tác dụng gây tổn hại

Một Sievert là lượng hấp thụ bức xạ ion hóa tương đương 1 Gray có tácdụng gây tổn hại

1Sv = 1Gy = 1J-kg

CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN NHẤP NHÁY DUAL

PHOSPHOR ZnS

2.1.Detector(Cảm biến).

Bộ cảm biến làm nhiệm vụ biến đổi các bức xạ thành dạng tín hiệu điện.Khi bức xạ rơi vào vùng làm việc của đầu ghi thì ở lối ra của đầu ghi ta nhậnđược một xung điện Đánh giá các thông số của xung điện ta nhận được cácthông tin về bức xạ hạt nhân

Bộ cảm biến dùng trong ngành điện tử hạt nhân có các loại đầu ghi khácnhau và ta chia chúng ra làm 3 loại chính:

- Cảm biến khí

- Cảm biến bán dẫn

- Cảm biến nhấp nháy

Nguyên tắc ghi nhận bức xạ, hiện nay có hai phương pháp ghi nhận bức

xạ chính sử dụng các cảm biến, đó là dựa vào sự ion hóa chất khí (cảm biếnkhí), các tinh thể được kích thích do sự phát quang (cảm biến nhấp nháy) hoắc

sự ion hóa của vật rắn (cảm biến bán dẫn) Nguyên tắc trong sự ion hóa chất rắncũng giống như trong chất cảm biến, ngoại trừ, điện tích được di chuyển nhờcác electron va proton trong tinh thể khác với các electron và ion dương trongnguyên tử khí

Với thiết bị đo MPC 2000 DP, sử dụng cảm biến nhấp nháy Dual PhosphorZnS

2.2 Cảm biến nhấp nháy Dual Phosphor ZnS

Sử dụng để đếm đồng thời bức xạ Alpha và Beta Bao gồm có chấtnhấpnháy hữu cơ và vô cơ (organic and inorganic scintillator) được sử dụng rộngrãi trong các phép đo bức xạ Nó được chia làm hai phần: lớp nhấp nháy vô cơdùng để đo hạt Alpha và một lớp chất nhấp nháy hữu cơ dùng để đi hạt Beta Lớp chất nhấp nháy vô cơ được tạo thành bởi ZnS(Ag) hoặc bởi chất nhấpnháy và polysulfone Bạc hoạt Kẽm Sulphat là một trong những chất nhấp nháy

vô cơ cũ, nó có hiệu quả nhấp nháy cao, tương đương NaI(Ti), nhưng chỉ có sẵnnhư là một loại bột đa tinh thể Vì vậy, việc sử dụng nó giới hạn chủ yếu cho hạt

Alpha và các hạt nhận nặng Trong thiết bị này, ta sử dụng ZnS(Ag) để nhậnbiết các hạt Alpha

Lớp chất nhấp nháy hữu cơ thường được làm từ polymer Chất hữu cơgồm nhiều lớp, các lớp gồm 2,5-diphenyloxazole [PPO] và 1,4-bis [5-phenyl(oxazolyl) benzen] [POPOP] đóng vai trò là chất nhấp nháy và polysulfone dẫnxuất như polymer Nó có tác dụng dùng để đếm hạt Beta Để có loại polymertốt, cũng như khả năng phát hiện hạt Beta tốt, ta cần nhưng loại polymer có khảnăng chuyển giao năng lượng tốt Một vài ví dụ như PSF, Polystyrene [PS],Estyrene, và Poly (bisphenol A Carbonate) [PBAC]

Dual phosphor được tạo ra bằng cách phủ lớp một lớp mỏng chất nhấpnháy vô cơ ZnS(Ag) (khoảng 0.25mm) lên mặt của tấm chất nhấp nháy hữu cơ.Các lớp nhựa dưới cùng thu được bằng cách đúc giải pháp và kỹ thuật bốc hơisau đó, sử dụng các loại polymer khác nhau Mô hình Dual phosphor được thểhiện ở (Hình 2.1)

Tấm nhựa

nháy Dual Phosphor ZnS

2.3 Nguyên lý làm việc của Cảm biến Nhấp Nháy

ra khi xác định bức xạ ion hoá bằng cảm biến nhấp nháy :

Dung dịch keo

Dung dịch Polime

Dung dịch photphat niệu

Tấm nhựa chứa chất phát sang

nhấp nháy ZnS(Ag) + PSF

Ia(t) A

Hình 2.3 Cấu tạo bộ nhân quang điện

• Bức xạ hạt nhân bị hấp thụ trong chất nhấp nháy gây ra sự kích thích và ion hoáchất nhấp nháy

• Chất nhấp nháy chuyển đổi năng lượng hấp thụ thành ánh sáng thông qua quátrình phát quang

• Lượng tử ánh sáng đi đến catốt của ống nhân quang

• Lượng tử ánh sáng bị hấp thụ ở catốt của ống nhân quang, quang electron đượcphát ra và sau đó là quá trình nhân các electron trong ống nhân quang

• Khuếch đại xung được hình thành từ ống nhân quang sau đó phân tích các xungnày bằng các thiết bị điện tử như máy đếm hoặc máy phân tích biên độ nhiềukênh

Nhìn chung, các cảm biến sử dụng chất nhấp nháy có khả năng cung cấp

Cảm biến nhấy nháy có đóng góp quan trọng trong sự phát triển ngànhphân tích kích hoạt phóng xạ, là một trong nhưng loại cảm biến cũ nhất đượcdùng để đo lường phóng xạ Các cảm biến nhấp nháy (scintillator) dựa trên mộtvài chất thực tế (được gọi là các phosphor) chúng sẽ phát ra ánh sáng nhìn thấykhi các electron thay đổi mức năng lượng và phát ra các photon do sự ion hóacủa bức xạ đo Các photon ánh sáng sẽ đi qua một lớp dẫn sáng, đập vào cácphotocatode của ống nhân quang điện và ở lối ra của ống nhân quang điện xuấthiện một tín hiệu điện có biên độ khá lớn Tín hiệu điện này được đưa vào bộtiền khuếch đại và được khuếch đại lên trước khi đưa vào bộ phân tích và ghinhận Có nhiều loại phosphor khác nhau, mỗi loại được sử dụng để đo bức xạkhác nhau, với đo bức xa Alpha-Beta thì ta sử dụng phosphor ZnS.

2.3.2 Sơ đồ tiền khuếch đại ghép nối với cảm biến nhấp nháy

Trong detector nhấp nháy, biên độ xung của tín hiệu thường có giá trị lớnhơn mức tạp âm của tiền khuếch đại Bởi vậy các tiền khuếch đại thường mắctheo kiểu lặp lại emiter Trên hình vẽ là sơ đồ nguyên lý mạch ra của một tiềnkhuếch đại dùng với tín hiệu ở lối ra của ống nhân quang điện

Hình 2.4: Sơ đồ tiền khuếch đại ghép nối với cảm biến nhấp nháy

Nếu điện thế catod bằng thế đất, thì tất cả điện áp ra cỡ 1 kV là điện áp ratrên anod Vì vậy tiền khuếch đại cần nối qua tụ chia C1, còn Ca và Cb nối songsong trên lối ra của bộ nhân quang điện Một cách tương ứng trên lối vào củatiền khuếch đại: Cs = Ca + Cb là điện dung toàn phần mắc song song Ra là điệntrở anod, và Rb là điện trở vào của tiền khuếch đại, thường Ca-≈ Cb-≈10 pF.Khi , Ra→∞ ,Rb→∞ , ta có:

Zn

Hằng số thời gian của mạch:

Khi thoả mãn điều kiện τ >>τa , τa là thời gian loé sáng của bộ nhấp nháy:

Hàm Heaviside: H(t) = 1 với t > 0 và bằng 0 với t < 0

Thực tế độ lệch căn bậc hai trung bình của điện áp ra khỏi đường cơ bản(0V) được xác định:

τ0 là thời gian loé sáng của chất nhấp nháy, * H t( ) là hàm Heaviside Như vậy giữa va chạm của photon và sự giải phóng các electron không cótính trễ, thì tốc độ phát electron từ photo catod theo quy luật:

Sau bộ nhân quang điện sẽ hình thành một xung dòng:

Như vậy ta đo được hiệu điện thế ở đầu ra ống nhân quang, từ đó sẽ hình thành xung

CHƯƠNG 3 MÁY ĐO ANPHA BETA PHÔNG

THẤP MPC 2000-DP

3.1 Cấu hình thiết bị

3.1.1 Cấu hình chung của thiết bị

- Detector nhấp nháy Dual Phosphur ZnS, diện tích nhạy 2”

- Phông alpha: ≤ 0.05-0.1 cpm

- Phông beta: ≤50-55 cpm

- Hiệu suất ghi alpha với Pu-239:≥70%

- Hiệu suất ghi beta với Tc-99: ≥50%

- Modes: Alpha và beta; Alpha

- Crosstalk : <1 số đếm /10,000 với các chế độ detector

- Bộ đặt thời gian đếm: 0.01 – 9,999,999 phút; 1-9,999,999 giây

- Hiển thị: LCD + keypad, phím bấm cản ứng, màn hình Color

Graphic

- Đơn vị đếm: số đếm tổng, số đếm đã trừ phông, DPM, CPM, và cóthể tùy chọn

- Môi trường làm việc : nhiệt độ :10 đến 40 độ C; độ ẩm: 20 đến 90%

- Buồng đặt mẫu: đường kính 2 inch, sâu 1/3 inch với khóa bảo vệ

Hình 3.1 Hệ đo alpha beta phông thấp MPC-2000DP, Mỹ

3.2 Quy trình sử dụng

3.2.1 Đặt mẫu

Buồng đặt mẫu có kích thước đường kính 2 inch( 5.08 cm) và sâu1/3 inch(0.846cm), có thể tương thích với các mẫu dày 1/8 inch (0.317 cm);1/4 inch (0.635 cm) và 5/16 inch (0.793 cm) Mẫu cần được chế tạo phù hợpvới hốc đựng mẫu (Hình 3 2)

Hình 3.2 Ngăn chứa mẫu

- Cần đặc biệt chú ý đến bề dày và độ ịn của mẫu, cửa sổ đêtectơ rấtmỏng (ultrathin window) do đó rất dề bị hỏng do tiếp xúc với mẫu

3.2.2 Bảng điều khiển

MPC 2000 DP được điều khiển bởi hệ thống bàn phím và màn hình

tinh thế lỏng (LCD) Có 3 chức năng cơ bản trên 3 phím bên trái: COUNT, PRGM, CAL Các phím hỗ trợ: RESET, UTIL và DATA ở bên dưới, các phím ENTER và BREAK được sử dụng để xác nhận các hoạt động vào và

ra Bên phải là các bảng phím số và phím C (Clear –xóa).

Hình 3.3 Bảng điều khiển

3.2.3 Ghi đo bức xạ

Khi khởi động thiết bị đo alpha beta phông thấp MPC-2000 DP,

màn hình sẽ hiển thị như Hình 3.4

Hình 3.6 Tiện ích đặt tên mẫu đo

Tiện ích này cho phép người dùng đặt tên cho mẫu (Sample ID) Chọntên cần đặt cho mẫu đo bằng các ký tự và số trên màn hình hiển thị Có thể dichuyển con trỏ nhấp nháy bằng cách nhân phím ALT kết hợp với phím mũitên trái hoặc phải Phím C sẽ dùng để viết đè kỹ tự tại vị trí con trỏ bằng mộtkhoảng trống Kết hợp ALT+C dùng để xoá ký tự Khi đã vào xong ID của

mẫu, sử dụng phím mũi tên di chuyển đên nút OK và nhấn ENTER hoặc BREAK Chọn nút CANCEL để giữ nguyên IP cũ và bỏ qua mọi thay đổi.

Hình 3.7 là màn hình chỉ thi tên của Rountine và ID mẫu (vd:[GROSS ALPHA/BETA] )

Hình 3.7 Định nghĩa Rountine đang sử dụng

Mỗi rountine đều có một số tham số để xác lập điều kiện và kiểu đếm,bao gồm: Time (maximum), Minimum Count Time, Alpha Counts, BetaCounts và MDA (độ nhạy),

3.2.4 Quy trình cài đặt (chỉnh sửa) một routine

hiển thị danh sách như (Hình 3 8 )