Bài tiểu luận Hệ đo Alpha-Beta phông thấp MPC 2000 DP

Máy đo alpha-beta phông thấp MPC 2000 DP được sử dụng trong các phép đo hoạt độ phóng xạ của các hạt nhân phát xạ alpha, beta, đặc biệt là hoạt độ thấp, phục vụ nghiên cứu vật lý hạt nhâ



BÁO CÁO MÔN KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG

Đề tài: Hệ đo Alpha-Beta phông thấp MPC 2000 DP

Hà Nội, tháng 11 năm 2015

Lời nói đầu

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 và các hạt nhân này không ngừng phân rã và tương tác với nhau đồng thời phát ra các 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 lý hạt nhân thực nghiệm Từ các lĩnh vực cơ bản như nghiên cứu số liệu và cấu trúc 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 dẫn nhiệt tình của TS Nguyễn Hoàng Nam, đã giúp chúng em hoàn thành bản báo cáo

Máy đo alpha-beta phông thấp MPC 2000 DP được sử dụng trong các phép đo hoạt độ phóng xạ của các hạt nhân phát xạ alpha, beta, đặc biệt là hoạt độ thấp, phục vụ nghiên cứu vật lý hạt nhân, đo đạc, phân tích môi trường, 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 :

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 thiếu sót Rất mong nhận được sự nhận xét của thầy, để bản báo cáo được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy!

MỤC LỤC

Lời nói đầu 2

MỤC LỤC 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHÓNG XẠ 6

1.1 Phóng xạ, tia phóng xạ 6

1.1.1 Khái niệm 6

1.1.2 Nguồn gốc và phân loại 6

1.1.3 Các loại tia phóng xạ 7

1.2 Tổng quan ghi đo phóng xạ 9

1.3 Các đại lượng phóng xạ 9

CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN NHẤP NHÁY DUAL PHOSPHOR ZnS 11

2.1.Detector(Cảm biến) 11

2.2 Cảm biến nhấp nháy Dual Phosphor ZnS 11

2.3 Nguyên lý làm việc của Cảm biến Nhấp Nháy 13

2.3.1 Nguyên lý chung 13

2.3.2 Sơ đồ tiền khuếch đại ghép nối với cảm biến nhấp nháy 15

2.3.3 Hình thành xung 16

CHƯƠNG 3 MÁY ĐO ANPHA BETA PHÔNG THẤP MPC 2000-DP 18

3.1 Cấu hình thiết bị 18

3.1.1 Cấu hình chung của thiết bị 18

3.2 Quy trình sử dụng 20

3.2.1 Đặt mẫu 20

3.2.2 Bảng điều khiển 21

3.2.3 Ghi đo bức xạ 21

3.2.4 Quy trình cài đặt (chỉnh sửa) một routine 23

3.2.5 Quy trình đo 25

KẾT LUẬN 27

TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Bảng phương trình phân rã của các đồng vị phóng xạ phát xạ ra hạt alpha, beta 7

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sự phát xạ của chất phóng xạ trong môi trường có từ trường 7

Hình 1.2 Khả năng đâm xuyên của các bức xạ trong môi trường 8

Hình 2.1 Mô hình Cảm biến nhấp nháy Dual Phosphor ZnS 13

Hình 2.2 Sơ đồ khối mô tả thiết bị ghi đo phóng xạ sử dụng cảm biến nhấp nháy 14

Hình 2.3 Cấu tạo bộ nhân quang điện 14

Hình 2.4: Sơ đồ tiền khuếch đại ghép nối với cảm biến nhấp nháy 15

Hình 3.1 Hệ đo alpha beta phông thấp MPC-2000DP, Mỹ 20

Hình 3.2 Ngăn chứa mẫu 20

Hình 3.3 Bảng điều khiển 21

Hình 3.5 Menu chương trình 22

Hình 3.6 Tiện ích đặt tên mẫu đo 22

Hình 3.7 Định nghĩa Rountine đang sử dụng 23

Hình 3.8 Màn hình sau khi nhấn [PRGM] 23

Hình 3.9 Màn hình hiển thị sau khi bấm công tắc nguồn 25

Hình 3.10 Màn hình hiển thị số đếm đã ghi 26

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) Các nguyên tử có tính phóng xạ gọi là các đồng vị phóng xạ, còn các nguyên tử không phóng xạ gọi là các đồng vị bền Các nguyên tố hóa học chỉ gồm các đồng vị phóng xạ (không có đồng vị bền) gọi là nguyên tố phóng xạ.các tia phóng 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 :

electron (phóng xạ beta)

sáng nhưng năng lượng lớn hơn nhiều)

Sự tự biến đổi như vậy của hạt nhân nguyên tử, thường được gọi là sự phân 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 và neutron

điện, máy phát neutron,…

Nguồn phóng xạ được chia thành hai loại :

- Tia vũ trụ

- Các nhân phóng xạ trong vỏ Trái Đất

1.1.3 Các loại tia phóng xạ

Các tia phóng xạ được phát ra trong những phản ứng hạt nhân, khi đồng vị không bền chuyển thành các đồng vị bền hơn, hoặc trong những phản ứng phân hạch 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

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

Bức xạ Beta

Cacbon-14, photpho-32 và Stronti-90

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

cơ thể, nó có thể chiếu xạ trong làm tổn thương các mô tế bào

Bức xa Gamma

năng lượng cao, khi va chạm với vật chất thì cường độ của nó cũng giảm dần

như Cobalt-60 và Xedi-137

vật liệu như chì, bê tông dày

với nó

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

Bức xạ Neutron

hoặc Plutronium, bản thân nó không phải là bức xạ ion hóa, nhưng nếu va chạm với các hạt nhân khác, nó có thể kịch hoạt các hạt nhân hoặc gây ra tia gamma hay các hạt điện tích thứ cấp gián tiếp gây ra bức xạ ion hóa

tường bê tông dày, bởi nước hoặc tấm chắn Paraphin

liệu hạt nhân

Tia X

không có tính phóng xạ

Do đã biết được đặc điểm, tính chất và sự nguy hại đến sức khỏe con người của các loại bức xạ, nên việc tránh tiếp xúc với nó là vấn đề vô cùng quan trọng và thiết yếu Nên tiếp theo sẽ là tổng quan về ghi đo đạc bức xạ trong môi trường 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 nhận được chúng cần có các loại detector khác nhau như: detector chứa khí, detector nhấp nháy, detector bán dẫn

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

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 ion hóa tuyệt đối Một Gray là lượng hấp thụ bức xạ ion hóa có năng lượng 1 jun của 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 ion hóa có tác dụng gây tổn hại

Một Sievert là lượng hấp thụ bức xạ ion hóa tương đương 1 Gray có tác dụng 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 nhận được một xung điện Đánh giá các thông số của xung điện ta nhận được các thông tin về bức xạ hạt nhân

Bộ cảm biến dùng trong ngành điện tử hạt nhân có các loại đầu ghi khác nhau 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 biến khí), 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 rắn cũng giống như trong chất cảm biến, ngoại trừ, điện tích được di chuyển nhờ các electron va proton trong tinh thể khác với các electron và ion dương trong nguyên tử khí

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

2.2 Cảm biến nhấp nháy Dual Phosphor ZnS

Sử dụng để đếm đồng thời bức xạ Alpha và Beta Bao gồm có chấtnhấp nháy hữu cơ và vô cơ (organic and inorganic scintillator) được sử dụng rộng rãi trong các phép đo bức xạ Nó được chia làm hai phần: lớp nhấp nháy vô cơ dùng 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 nhấp nháy và polysulfone Bạc hoạt Kẽm Sulphat là một trong những chất nhấp nháy

như 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 nhận biết các hạt Alpha

Lớp chất nhấp nháy hữu cơ thường được làm từ polymer Chất hữu cơ gồm 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 dẫn xuất như polymer Nó có tác dụng dùng để đếm hạt Beta Để có loại polymer tốt, cũng như khả năng phát hiện hạt Beta tốt, ta cần nhưng loại polymer có khả năng 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 nhấp nháy 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 hơi sau đó, sử dụng các loại polymer khác nhau Mô hình Dual phosphor được thể hiện ở (Hình 2.1)

2,5-diphenyloxazole(PPO) Polysulfone 1,4-bis[5-phenyl-2-oxazol]benzene

Hình 2.1 Mô hình Cảm biến nhấp nháy Dual Phosphor ZnS

2.3.1 Nguyên lý chung

Khi vật liệu có tính nhấp nháy bị hạt hoặc bức xạ kích thích do va chạm,

nó sẽ phát ánh sáng nhấp nháy

Các cảm biến sử dụng chất nhấp nháy có thể xác định bức xạ ion hoá và đo

phổ bức xạ trong một dải rộng Ngày nay, chất nhấp nháy được cung cấp dưới

các dạng khác nhau (rắn, lỏng và khí), các ống nhân quang được chế tạo với

chất lượng cao đã cho phép tạo ra các cảm biến nhấp nháy rắn đo photon cùng

CH2Cl2 Dimethylformamide

Dung dịch keo

Dung dịch Polime

Dung dịch photphat niệu

ZnS(Ag) + PSF

Tấm nhựa chứa chất phát sang

nhấp nháy

I a(t)

nênđược sử dụng phổ biến trong nhiều ứng dụng Dưới đây là các quá trình xảy

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

Hình 2.2 Sơ đồ khối mô tả thiết bị ghi đo phóng xạ sử dụng cảm biến nhấp

Hình 2.3 Cấu tạo bộ nhân quang điện

ion hoá chất nhấp nháy

quá trình phát quang

được phát 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 xung này bằng các thiết bị điện tử như máy đếm hoặc máy phân tích biên độ

Nhìn chung, các cảm biến sử dụng chất nhấp nháy có khả năng cung cấp nhiều thông tin khác nhau về bức xạ Một trong những đặc điểm nổi bật của các detector này là nhạy về năng lượng, thời gian đáp ứng nhanh và dạng xung phân biệt rõ ràng

Cảm biến nhấy nháy có đóng góp quan trọng trong sự phát triển ngành phân tích kích hoạt phóng xạ, là một trong nhưng loại cảm biến cũ nhất được dùng để đo lường phóng xạ Các cảm biến nhấp nháy (scintillator) dựa trên một vài chất thực tế (được gọi là các phosphor) chúng sẽ phát ra ánh sáng nhìn thấy khi các electron thay đổi mức năng lượng và phát ra các photon do sự ion hóa của bức xạ đo Các photon ánh sáng sẽ đi qua một lớp dẫn sáng, đập vào các photocatode của ống nhân quang điện và ở lối ra của ống nhân quang điện xuất hiện một tín hiệu điện có biên độ khá lớn Tín hiệu điện này được đưa vào bộ tiền khuếch đại và được khuếch đại lên trước khi đưa vào bộ phân tích và ghi nhận Có nhiều loại phosphor khác nhau, mỗi loại được sử dụng để đo bức xạ khác 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 lớn hơn mức tạp âm của tiền khuếch đại Bởi vậy các tiền khuếch đại thường mắc theo kiểu lặp lại emiter Trên hình vẽ là sơ đồ nguyên lý mạch ra của một tiền khuếch 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 ra

song trên lối ra của bộ nhân quang điện Một cách tương ứng trên lối vào của

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

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 có tính 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 có thể 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

- Chuẩn định kỳ: Các phép chuẩn: plateau, phông, hiệu suất, ngưỡng được thực hiện trên bàn phím

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 sâu 1/3 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 hợp với hốc đựng mẫu (Hình 3 2)

- Cần đặc biệt chú ý đến bề dày và độ ịn của mẫu, cửa sổ đêtectơ rất mỏng (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)