TUYỂN TẬP 27 BÀI THỰC HÀNH VỀ VẬT LÝ VÀ KỸ THUẬT HẠT NHÂN

THAO TÁC AN TOÀN NGUỒN PHÓNG XẠMột vài loại nguồn phóng xạ được sử dụng trong chuỗi các bài thực hành AN34.Những nguyên tắc đơn giản trong hướng dẫn này nhằm mục đích sử dụng an toànnguồn phóng xạ.Không được ăn, uống, hoặc hút thuốc trong khu vực phòng thí nghiệm ghi đo bứcxạ. Rửa tay sau khi kết thúc mỗi thí nghiệm. Trong bài thực hành 22 (hiệu ứng sinh họccủa bức xạ), sử dụng các nguồn phóng xạ lỏng, do đó phải trang bị quần áo bảo hộ vàgăng tay.Đa số các nguồn phóng xạ gamma được sử dụng là các nguồn kín, có hoạt độ ≤ 1μCi,có nguy cơ xảy ra rủi ro rất thấp, các nguồn này có thể thao t|c bình thường bằng tay.Tuy nhiên, để tốt hơn cho qu| trình thực tập thì nên cầm nguồn ở c|c mép để tránhtiếp xúc trực tiếp.Nguồn beta sử dụng trong bài thực h{nh đo phổ beta, có cửa sổ mỏng ở khu vựccủa nguồn. Điều quan trọng là tránh chạm vào cửa sổ n{y để không làm dây bẩn lêncửa sổ. Sử dụng nguồn beta nhất thiết phải tránh chạm trực tiếp vào nguồn bằng việcbao bọc xung quanh nguồn một cách thích hợp.Đối với tất cả các nguồn alpha sử dụng trong chuỗi các bài thực h{nh AN34 đềukhông có cửa sổ bao bọc cho nguồn. Do đó thao t|c với nguồn phóng xạ hở cần rất cẩnthận để giảm tối thiếu phóng xạ dây bẩn lên tay, quần áo và thiết bị. Kẹp nguồn với cácvòng tròn bao bọc bên ngo{i để tránh chạm tay vào nguồn. Với bất cứ nguồn nào cóhoạt độ ≥ 10 μCi, nên sử dụng một kẹp gắp để tối đa khoảng cách từ nguồn đến các bộphận cơ thể.Một vài bài thực hành sử dụng nguồn nơtron có hoạt độ từ 1 ÷ 3 Ci. Các nguồnnơtron có hoạt độ cao như vậy sẽ rất nguy hiểm nếu thao t|c không đúng c|ch. Nên sửdụng kẹp gắp d{i (d{i hơn 1m) để thao tác, di chuyển nguồn. Khi không có khóa bảo vệtrong howitzer che chắn neutron, nguồn nơtron nên được khóa trong container che chắn khi vận chuyển. Yêu cầu kỹ thuật đặc biệt khi sử dụng nguồn nơtron l{ thường xuyên sử dụng kèm theo container vận chuyển nguồn. Các thiết bị đo liều bức xạ phải luôn được trang bị và sẵn sàng trong các phòng thí nghiệm ghi đo hạt nh}n để kiểm soát hoạt độ của các nguồn bức xạ ≥ 5 μCi.

TUYỂN TẬP 27 BÀI THỰC HÀNH

VỀ VẬT LÝ VÀ KỸ THUẬT HẠT NHÂN

VIỆN NGHIÊN CỨU HẠT NHÂN NGUYỄN NHỊ ĐIỀN, NGUYỄN XUÂN HẢI, PHẠM ĐÌNH KHANG

TUYỂN TẬP 27 BÀI THỰC HÀNH

VỀ VẬT LÝ VÀ KỸ THUẬT HẠT NHÂN

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

Giáo trình được biên soạn trên cơ sở tuyển tập 27 bài thực hành về vật lý hạt nhân của hãng Ortec Đây là những thực hành hỗ trợ cho sinh viên học tập trong các lĩnh vực Khoa học và kỹ thuật hạt nhân, Vật lý hạt nhân, Hóa học phóng xạ, Sinh học bức xạ và Y học phóng xạ

Về tổng thể, nội dung của các bài thực hành được lấy từ các bài thực hành của Ortec, được biên soạn lại cho phù hợp với điều kiện thí nghiệm và ngôn ngữ hiện thời của người Việt Mục tiêu của các bài thực hành nhằm giúp học viên nắm vững kiến thức và những kỹ năng cơ bản cần thiết trong sử dụng các hệ đo từ đơn giản đến chuyên sâu Bảy bài đầu tiên là cần thiết và bắt buộc cho tất cả các nhóm học viên liên quan đến lĩnh vực phóng xạ hạt nhân Các bài còn lại được biên soạn chuyên sâu, mang tính đặc thù cho từng nhóm đối tượng học khác nhau

Phần phụ lục của giáo trình cung cấp cho học viên các kiến thức bổ sung về thiết bị điện tử hạt nhân, về an toàn khi thao tác với các nguồn phóng xạ và các kiến thức bổ sung cần thiết khác

Quyển giáo trình được hoàn thành với sự trợ giúp của nghiên cứu sinh Nguyễn Ngọc Anh và các học viên cao học ngành Vật lý kỹ thuật, Đại học Đà Lạt Đây là lần xuất bản đầu tiên nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong các đọc giả đóng góp ý kiến để giáo trình được hoàn thiện hơn cho lần xuất bản sau Các tác giả cũng xin cám ơn Công ty Trách nhiệm Hữu hạn HaKaTa Việt

đã tài trợ cho giáo trình

Đà Lạt, 2015

Các tác giả

- Khối phát xung 480;

- Khối tiền khuếch đại 113;

- Khung NIM và nguồn nuôi thế thấp 4001A/4002D;

- Khối khuếch đại phổ 575A;

- Khối định thời gian v{ đếm 996;

- Khối ph}n tích đơn kênh 551;

- D}y c|p v{ đầu nối:

+ 03 sợi cáp C-24-12;

+ 02 sợi cáp C-24-1;

+ Đầu nối C-29 BNC;

Thiết bị cần thiết khác

- Dao động ký Tektronix 2213A hoặc tương đương

Phần đầu của bài thực h{nh n{y l{ hướng dẫn sử dụng dao động ký để quan sát xung vào và xung ra của các khối điện tử chức năng trong hệ thống đo đơn giản Tiếp theo là các cách sử dụng máy phát xung, tạo ra c|c xung tương ứng với các thiết bị đo hạt nhân Xung từ m|y ph|t xung được sử dụng để khởi phát, hiệu chuẩn, kiểm tra hoạt

đại, phân biệt ngưỡng, ph}n tích đơn kênh (SCA), khối đếm v{ dao động ký Mỗi khối

có một chức năng cần thiết trong hệ thống tổng thể

Các khối điện tử được chia thành 2 loại là logic và tuyến tính Các khối logic là những khối biên độ xung lối ra cố định theo các tiêu chuẩn logic Ví dụ đơn giản về khối logic là khối phân biệt ngưỡng, xung ra của khối này luôn cùng một biên độ mỗi lần nó nhận xung v{o có biên độ lớn hơn mức ngưỡng SCA là một ví dụ khác của khối logic Các khối tuyến tính là những khối mà tín hiệu lối ra mang thông tin năng lượng của hạt hoặc bức xạ được hấp thụ trong detector

Hình 1.1 l{ sơ đồ khối của một hệ đo năng lượng hạt alpha, trong sơ đồ có sử dụng

cả hai khối logic và tuyến tính Các hạt alpha từ nguồn tạo ra c|c xung có biên độ tỉ lệ thuận với năng lượng hạt alpha ở lối ra detector Khối tiền khuếch đại và khuếch đại sẽ khuếch đại và tạo dạng xung

Giả sử rằng các hạt alpha có năng lượng 5 MeV và lối ra của tiền khuếch đại là các xung có biên độ 0,5 V Hệ số khuếch đại của khối khuếch đại được thiết lập là 10 Khi

đó xung ở lối ra khối khuếch đại có biên độ 5 V Nếu hệ hoạt động tuyến tính, khi thay nguồn alpha có năng lượng 5 MeV bằng nguồn có năng lượng 6 MeV, biên độ ở lối ra của tiền khuếch đại sẽ là 0,6 V và ở lối ra khối khuếch đại là 6 V Trong ví dụ này, tín hiệu tuyến tính ở lối ra khối khuếch đại sẽ mang thông tin năng lượng của hạt alpha (tỉ

lệ tuyến tính với năng lượng của hạt alpha)

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ đếm alpha

Hình 1.2 là dạng xung ở lối ra của khối khuếch đại quan s|t trên dao động ký khi các hạt alpha có năng lượng 5 v{ 6 MeV đi v{o detector Xung 5 V tương ứng với hạt alpha có năng lượng 5 MeV đi v{o detector Vì vậy, ngoài thông tin về năng lượng, số lượng các tín hiệu tuyến tính cũng cho biết có bao nhiêu sự kiện có năng lượng tương ứng xảy ra trong một đơn vị thời gian Nếu đặt ngưỡng cho khối phân biệt ngưỡng là 5,1 V, bộ phân biệt xung logic chỉ cho tín hiệu ra tương ứng với các hạt alpha có năng lượng 6 MeV Nếu đưa c|c xung logic n{y v{o bộ đếm, số hạt alpha có năng lượng

6 MeV đi đến detector sẽ được đếm

Hình 1.2 Tín hiệu lối ra khối khuếch đại

C|c bước trong thực hành 1.1 sẽ giúp cho sinh viên làm quen cách sử dụng dao động ký và máy phát xung ORTEC 480 Xung lối ra của máy phát xung sẽ lấy ở chế độ trực tiếp và chế độ suy giảm Thực hành 1.2 gồm 3 phần:

(1) Sử dụng các tín hiệu ra của máy phát xung 480 cho các khối tuyến tính (tiền khuếch đại, khuếch đại) trong các hệ thống đo v{ quan s|t dạng xung của các khối tuyến tính trong hệ thống;

(2) X|c định tiêu chuẩn logic của xung ra của khối phân biệt ngưỡng tích phân trên dao động ký;

(3) Sử dụng khối ph}n tích đơn kênh để thay cho khối phân biệt ngưỡng tích phân

Hình 1.3 Mặt trước của dao động ký Tecktronix 2213A

Dao động ký là công cụ để quan sát sự biến đổi của tín hiệu điện Đ}y l{ một công

cụ rất quan trọng ngay cả với những người làm vật lý hạt nhân thực nghiệm (kiểm tra

sự hoạt động của hệ thống đo đạc) Hầu hết c|c dao động ký trong phòng thí nghiệm hạt nhân có khoảng 30 nút bấm và nút chỉnh để thực hiện các chức năng kh|c nhau đ~ được thiết kế Tuy nhiên, thông thường để quan s|t được xung vào, ra hoặc chỉnh thời gian đơn giản thì chỉ cần khoảng 10 tham số Do đó người sử dụng có thể thực hiện thí nghiệm khi đ~ th{nh thạo khoảng 10 nút bấm

Các phòng thí nghiệm về hạt nh}n thường có một dao động ký tương tự như Tektronix 2213A, do đó giới thiệu vắn tắt dưới đ}y hướng dẫn tìm hiểu một số chức năng hoạt động của dao động ký Tektronix Hình 1.3 là chi tiết bảng điều khiển của dao động ký Tektronix 2213A

Trong thực hành này chỉ có một trong hai kênh được sử dụng, các thiết lập trình bày trong bảng 1.1 là những điều chỉnh cơ bản để sử dụng dao động ký Trong thực hành 1.1, lối ra của khối ph|t xung 480 được nối trực tiếp đến lối v{o dao động ký bằng cáp và hệ số nh}n trên đầu đo l{ ×1

Với thực h{nh 1.2 v{ 1.3, đầu đo của dao động ký được sử dụng để kiểm tra các khối điện tử, do đó hệ số nhân sẽ được đặt là ×10

Khi sử dụng dao động ký khác, các tham số hướng dẫn trong bảng 1.1 cần được điều chỉnh cho phù hợp

1 Độ sáng (Intensity): Vị trí giữa, chỉnh Focus để có được độ tương phản v{ độ nét tốt

2 Chế độ hiển thị (Display Mode Selection): Chọn CH1

3 Vị trí trục hoành (Vertical Position) kênh 1: Đặt đường cơ sở (baseline) ở cm dưới đường trung tâm 2,5 cm

4 Vị trí trục hoành (Vertical position) kênh 2: Không thiết lập

5 Chỉnh thang (Sec/Div): 0,1 ms/cm trong chế độ quét (100 µs); hoặc tương ứng theo từng ứng dụng

6 Cực tính xung khởi ph|t (Triggering Slope): + (Out) cho xung dương

7 Chế độ khởi ph|t (Triggering Mode): NORM thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm hoặc chế độ khác tùy theo ứng dụng

8 Mức khởi ph|t (Triggering Level): Đặt ở giữa thang và chỉnh cho đến khi quan s|t được xung vào

9 Nguồn xung khởi phát (Triggering Source): Chọn INT khi quan sát các xung của kênh 1 hoặc chế độ khác tùy theo ứng dụng

10 Thang đo (Volts/Div) (kênh 2): Không thiết lập

11 Dải đo (Volts/Div) (kênh 2): Không thiết lập

12 Hệ số nh}n trên que đo (Probe Selection): Sử dụng ×1 nếu đo trực tiếp với tín hiệu nhỏ hoặc ×10 với tín hiệu biên độ lớn

13 Thang đo (Volts/Div) (Kênh 1): Đặt ở chế độ 1 V/cm

14 Chọn tín hiệu lối vào (Input Coupling) (cả hai kênh): Chọn AC cho thực hành này

15 Dải đo (Volts/Div) (Kênh 1): Vặn theo chiều kim đồng hồ là chiều giảm; ngược lại là chỉnh tăng thang đo

16 Chỉnh hội tụ (Focus): Đặt điểm giữa và chỉnh điểm sáng cho rõ nhất

17 X|c định chùm (Beam Finder): X|c định t}m (đẩy v{o) để x|c định hướng

chỉnh cho cả trục tung và trục hoành

4.1.1 Giới thiệu

Khối phát xung 480 có thể tạo ra các xung giống như xung hạt nhân từ các detector Thông thường, c|c xung n{y được đưa v{o tiền khuếch đại hoặc khuếch đại để làm các tín hiệu kiểm tra Máy phát xung này có hai lối ra đồng thời: một lối ra trực tiếp và một lối ra suy giảm Xung ở lối ra trực tiếp có biên độ bằng với giá trị được đặt bằng nút chỉnh trên mặt m|y v{ thường dùng để khởi phát với thời gian tham chiếu bằng 0

Xung ở lối ra suy giảm được chia từ tín hiệu trực tiếp, có biên độ bằng một phần của xung lối ra trực tiếp và chỉ lấy một phần nhỏ cần thiết cho việc chuẩn năng lượng Biên độ xung ở lối ra suy giảm có thể thay đổi liên tục trong khoảng từ 0 đến 5 V Phân cực của xung ra được lựa chọn trên bảng điều khiển phía trước Để tương thích với chuẩn NIM, khối ph|t xung 480 cũng được chế tạo theo chuẩn n{y Do đó việc sử dụng cũng cần tuân thủ theo các nguyên tắc chung: tắt công tắc điện trước khi tháo lắp bất

kỳ khối chức năng n{o đối với khung NIM

4.1.2 Các bước thực hiện

1 Lắp khối phát xung 480 vào khung NIM và bật công tắc nguồn

2 Lắp đầu BNC chữ T vào lối vào kênh 1 của dao động ký, nối lối ra trực tiếp của máy phát xung 480 với một đầu chữ T trên kênh 1 bằng cáp 93 Ω, đầu còn lại của chữ T

3 Thiết lập chế độ chuẩn cho khối ph|t xung 480 v{ đặt biên độ xung cực đại (full clockwise), cực tính xung dương C|c tham số dao động ký được đặt theo bảng 1.1

4 Chỉnh trigger (Triggering Level), nếu không quan s|t được tín hiệu, kiểm tra lại các tham số của dao động ký trong bảng 1.1 Nếu các tham số phù hợp, xung trên màn hình dao động ký có dạng như hình 1.4 Lưu ý rằng trong hình 1.4, biên độ xung cực đại vào khoảng 5V

Hình 1.4 Đặc trưng xung lối ra của máy phát xung

Bài tập

a Vẽ hình ảnh xung quan s|t được trên giấy kẻ li cỡ mm Chú ý hình ảnh xung, giá trị điện áp là một hàm của thời gian C|c thang thay đổi theo mục 13 trong bảng 1.1 Khi thay đổi cần phải chỉnh lại trigger Thang thời gian chỉnh theo mục 5 trong bảng 1.1

b Trong mục 13, đặt tham số 2 V/cm và mục 5 đặt tham số 2 μs/cm, vẽ hình ảnh xung quan s|t được trên giấy kẻ li cỡ cm

c Chuyển cáp nối tín hiệu sang lấy tín hiệu ở lối ra suy giảm, chọn chế độ suy giảm ×1 Nút chỉnh biên độ xung đặt ở chế độ cực đại theo chiều kim đồng hồ Biên

độ xung quan s|t trên dao động ký vào khoảng 5 V Nút vặn điều chỉnh biên độ xung

là nút kép 10 vòng

Có 100 điểm phân chia trên mặt nút vặn và tổng cộng có 1.000 điểm tích hợp Có thể chỉnh biên độ xung đến một tỉ số nhất định, ví dụ 90% (900/1.000,…)

Bài tập

a Ghi các giá trị biên độ cực đại của xung quan s|t được trên dao động ký theo các

vị trí của nút vặn thay đổi biên độ vào bảng 1.2

b Vẽ đồ thị trên giấy với thang tuyến tính sự phụ thuộc của biên độ xung vào giá trị đặt trên nút chỉnh biên độ Đồ thị có phải là một đường thẳng?

c Vặn nút chỉnh biên độ về vị trí cực đại 1.000/1.000 Đặt chế độ suy giảm trên khối ph|t xung 480 l{ ×2 Biên độ xung sẽ giảm 2 lần Lặp lại với các hệ số suy giảm khác và quan sát tín hiệu ra Có thể phải thay đổi tham số của dao động ký theo mục 13 trong bảng 1.1 để quan sát tín hiệu khi biên độ xung bị suy giảm nhiều Chọn lại chế độ suy giảm ×1, dùng tuốc nơ vít tinh chỉnh vặn nhẹ nút Calibrate ngược chiều kim đồng

hồ v{ quan s|t xung ra trên dao động ký Khi đó độ cao của xung sẽ giảm tuyến tính theo biên độ lối ra của xung vào

Độ cao xung theo nút chỉnh Biên độ xung trên dao động ký

1.000/1.000 800/1.000 600/1.000 400/1.000 200/1.000

4.2.1 Giới thiệu

Thiết lập các khối điện tử như trong hình 1.5 sau:

Hình 1.5 Hệ đếm với máy phát xung

1 Lắp các khối 480, 575A và 996 vào khung NIM và bật công tắc nguồn

2 Nối cáp nguồn cho tiền khuếch đại 113 (lấy từ phía sau khối 575A)

4 Sử dụng BNC chữ T nối vào lối ra tiền khuếch đại 113, một đầu của chữ T nối v{o dao động ký

5 Nối lối ra khối 575A với lối vào khối 551, sử dụng như khối phân biệt ngưỡng

6 Nối lối ra dương của khối 551 đến lối vào bộ đếm 996

 Thực hiện các điều khiển sau

1 Đặt điện dung lối vào của khối 113 là 100 pF

2 Đặt chế độ lối vào xung âm cho khối 575A và lối ra xung đơn cực

3 Đặt khối 551 ở chế độ tích ph}n (Integral), ngưỡng dưới (Low-Level) đặt ở 50/1000 Xác lập này cho phép khối 551 hoạt động như một bộ phân biệt ngưỡng

3 Khởi ph|t dao động ký như trong thực hành 1.1

4 Chuyển cáp nối tín hiệu v{o dao động ký đến lối ra của khối 575A, thay đổi hệ số khuếch đại của khối 575A để có biên độ xung ra khoảng 8,5 V Các tham số dao động ký giống trong bảng 1.1 ngoại trừ mục 13 đặt là 2 V/cm, mục 5 l{ 0,1 ms/cm Xung đúng

Hình 1.7 Xung ra lưỡng cực đúng

 Xác định tiêu chuẩn logic

1 Nối đầu đo dao động ký đến điểm kiểm tra (test point) lối ra dương của khối 551

2 Khởi ph|t dao động ký với các thông số như đ~ sử dụng để xem biên độ xung ra sau khối khuếch đại Sẽ quan s|t được xung logic 5 V trên dao động ký

3 Đặt thời gian khoảng 30 phút (hoặc hơn) cho khối đếm 996 để đếm các xung từ khối 551

4 Tăng ngưỡng của khối 551 đến khi bộ đếm ngưng đếm Ghi lại giá trị ngưỡng v{o dòng đầu tiên trong bảng 1.3

5 Trên khối 480, giảm biên độ xung đến giá trị 800/1.000

1 Thay đổi chế độ trên khối 551 từ Intergral về Nomal để khối 551 hoạt động như một khối ph}n tích đơn kênh Nối LL Out (Low Level Output) ở phía sau của khối 551 với một chữ T và nối với lối vào của khối 996

2 Sử dụng nút đặt ngưỡng dưới của khối 551 để chỉnh ngưỡng với các giá trị đặt biên

độ xung trên khối 480 Thực hiện giống như trong chế độ Integral của thực hành 4.2

Bài tập

Độ cao xung trên khối 480 Ngưỡng dưới của khối 551

1.000/1.000 800/1.000 600/1.000 400/1.000 200/1.000

a Điền các giá trị vào bảng 1.4

b Vẽ đồ thị giá trị ngưỡng theo biên độ xung Các giá trị sẽ cho thấy ngưỡng dưới trong chế độ SCA hoạt động giống như trong chế độ Integral

1 Chuyển kết nối từ LL Out của khối 511 sang lối ra SCA ở phía trước hoặc sau của khối 511

2 Chọn chế độ Nomal v{ đặt ngưỡng trên ở 1.000/1.000 Khối 511 sẽ hoạt động giống như khi sử dụng lối ra LL Out nhưng tín hiệu chậm hơn

3 Đặt SCA hoạt động trong chế độ vi ph}n (Differential) Đặt ngưỡng dưới ở 100/1.000 và cửa sổ (Upper-Level) ở 100/1.000

4 Giảm biên độ xung trên khối 480 cho đến khi khối đếm bắt đầu đếm Ghi lại giá trị vào bảng 1.5 theo ngưỡng trên ΔE

Lower Level Window hoặc Upper Level E Upper E Lower

Bài tập

a Tiếp tục giảm biên độ xung trên khối 480 cho đến khi bộ đếm ngưng Ghi lại giá trị n{y như ngưỡng dưới ΔE v{o bảng 1.5

b Vẽ đồ thị sự thay đổi của cửa sổ theo ΔE Upper - ΔE Lower trên thang tuyến tính

c Lặp lại c|c phép đo n{y với ngưỡng dưới đặt ở 200/1.000 như trong bảng 1.6

Lower Level Window hoặc

Bài tập

Lặp lại c|c phép đo theo bảng 1.7 với ngưỡng dưới đặt ở 200/1.000 như trong bảng 1.6

BÀI THỰC HÀNH SỐ 2

ỐNG ĐẾM GEIGER – MULLER

Mục đích thí nghiệm l{ để người học làm quen với ống đếm Geiger-Muller Ống đếm này là thiết bị khá nhạy, được sử dụng rộng rãi, hoạt động theo nguyên tắc khuếch đại khí, có cấu trúc đơn giản, chi phí tương đối rẻ cả trong chế tạo lẫn hoạt động Các thí nghiệm trong b{i n{y được thiết kế nhằm x|c định miền làm việc của ống đếm Geiger, chu kỳ bán rã, hiệu chỉnh thời gian phân giải và khảo sát một số đặc trưng cơ bản của hạt nhân

- Khối cao thế 556;

- Khung NIM 4001A/4002D;

- Ống đếm Geiger Muller 903;

- Khối định thời gian v{ đếm 996;

- D}y c|p v{ đầu nối:

+ 01 c|p đồng trục C-36-12 12-ft (3,7 m) 75-ΩRG-59A/U với đầu SHV cái; + 02 c|p đồng trục C-24-4 4-ft (1,2 m) 93-ΩRG-62A/U với đầu cắm BNC; + BNC chữ T C-29 BNC;

- Ống đếm Geiger-Mueller GP35 cửa sổ mỏng với gi| để mẫu sáu vị trí khoảng cách;

- Bộ đảo xung (đảo xung âm ở lối ra ống đếm G10-M th{nh xung dương cho lối vào của 996);

- Nguồn 60Co hoạt độ ~1 µCi;

- Bộ chia nguồn bêta (BF-090SPLIT): 204Tl gồm hai nửa hình trụ, mỗi nửa có hoạt

độ ~5 µCi (có thể thay thế bằng 90Sr/90Y, mỗi nửa có hoạt độ ~0,1 µCi); dùng cho đo thời gian chết;

- Dao động ký 2 kênh số, 300 MHz, TDS3032C;

- Hai bộ vật liệu hấp thụ RAS20, mỗi bộ chứa ít nhất 4 tấm chì hấp thụ có mật độ

Ống đếm Geiger không phân biệt được năng lượng hoặc các loại hạt khác nhau; nó chỉ nhận biết số hạt hoặc tia (bêta v{ gamma đối với thí nghiệm n{y) đi v{o bên trong ống đếm trong quá trình làm việc Biên độ xung tạo ra từ qu| trình th|c lũ thường lớn hơn 1 V Xung n{y đủ lớn để khối đếm 996 đếm trực tiếp mà không cần phải khuếch đại

Do khối đếm 996 nhận xung dương nên việc đảo cực tính xung là cần thiết (hình 2.1)

Hình 2.1 Sơ đồ điện tử hệ đếm Geiger Muller

4.1.1 Mục đích

Mục đích của thí nghiệm l{ x|c định đường phụ thuộc số đếm v{o cao |p đặt lên ống đếm (đường plateau) và chọn điểm làm việc cho ống đếm Hình 2.2 biểu diễn đường plateau của một ống Geiger điển hình có điểm làm việc ở vùng lân cận 950 V

Hình 2.2 Xác định plateau của một ống đếm Geiger

Vùng giữa R1 và R2 tương ứng với điện áp làm việc V1 và V2, được gọi là miền Geiger Vùng điện áp lớn hơn V2 trong hình 2.2 gây nên sự phóng điện liên tục và làm giảm tuổi thọ của ống đếm

4.1.2 Các bước thực hiện

1 Lắp ráp các thiết bị điện tử như trong hình 2.1;

2 Đặt các nút vặn trên trên khối 556 về giá trị cực tiểu Kiểm tra chắc chắn rằng cực tính cao thế ra l{ dương (POSitive POLARITY) v{ nút điều khiển đặt ở INTernal

3 Nối cáp với đầu nối MHV từ ống đếm Geiger đến lối v{o có nh~n “GM Tube” trên khối đảo xung Sử dụng c|p đồng trục với đầu nối SHV, nối lối ra cao áp (OUTPUT) ở mặt sau của khối 556 đến lối v{o có nh~n “HIGH VOLTAGE” trên bộ đảo xung từ ống đếm GM

4 Sử dụng c|p đồng trục RG-62A/U với đầu cắm BNC, nối lối ra (OUTPUT) trên khối đảo cực tính xung đến BNC chữ T trên lối vào kênh 1 của dao động ký Nối đầu còn lại của chữ T đến lối v{o dương (POSitive Input) trên khối đếm 996, sử dụng cáp RG-62A/U

5 Đặt chế độ 2 V/ô và 10 s/ô cho kênh 1 của dao động ký Đặt trigger ở chế độ tự động và chọn nguồn là kênh 1 Vị trí khởi phát ở gần cuối của m{n hình v{ đặt ở chế độ DC (input coupling to DC) Thiết lập này cho phép quan sát xung logic +4 V từ khối đảo xung

6 Bật nguồn khung NIM và bật nguồn khối cao áp 556

7 Trên khối 996, sử dụng Tuốc nơ vít tinh chỉnh, chỉnh ngưỡng (THRESHold ADJustment) cực tiểu theo ngược chiều kim đồng hồ Vặn theo chiều kim đồng hồ 4 vòng

Vị trí này sẽ đặt ngưỡng ở giá trị dương +1,6 V (chiết áp cho phép vặn 25 vòng để chỉnh ngưỡng từ +100 mV đến +9,5 V.)

8 Trên khối 996, đặt thời gian ở 0,01 phút (TIME BASE to 0,01 MINutes) Chọn thời gian đặt trước (PRESET) M = 3, N = 0 và P = 2 Giá trị n{y cho phép đo trong thời gian 30 giây

9 Đặt khối đếm 996 hiển thị ở chế độ số đếm (COUNTS)

10 Đặt nguồn bêta trong bộ nguồn cách cửa sổ của ống đếm ~2 cm Nguồn phóng xạ

có thể là 90Sr/90Y hoặc 204Tl Nếu nguồn được chế tạo bằng cách cho hấp thụ trên một mặt của đĩa nhựa, cần đảm bảo rằng mặt ph|t tia được hướng về cửa sổ của ống đếm

11 Tăng cao thế (dương) trên khối 556 với bước không lớn hơn 50 V đến khi bắt đầu ghi nhận được số đếm và xung logic +4 V xuất hiện trên dao động ký Điểm này được gọi l{ điểm bắt đầu trong hình 2.2 Điện áp bắt đầu hiếm khi lớn hơn 900 V v{ thấp nhất có thể khoảng 250 V Nếu số đếm bắt đầu tăng trên bộ đếm 996 nhưng không hiển thị trên dao động ký thì cần chỉnh lại trigger Nếu xung xuất hiện trên dao động ký nhưng bộ đếm không đếm, cần kiểm tra lại các tham số của khối 996 Nên dùng dao động ký để chỉnh lại khối 996 cho phù hợp, có thể chuyển chế độ Auto về chế

a Tiếp tục thực hiện phép đo ở c|c bước tăng 50 V cho đến khi có đủ số liệu để vẽ

đồ thị trên giấy như hình 2.2 (lưu ý: chỉ sử dụng các giá trị dưới V2) Miền giữa V1 và V2thường < 300 V Số đếm sẽ tăng nhanh với các giá trị cao áp lớn hơn V2 Khi xảy ra điều này, giá trị cao |p đ~ đạt đến ngưỡng trên của plateau, cần giảm điện áp về đến V2 ngay lập tức Chọn điểm làm việc cho thiết bị trong khoảng từ 40 ÷ 60% của vùng plateau

b Đ|nh gi| ống đếm Geiger đang sử dụng bằng c|ch đo độ dốc của plateau trên đồ thị, nó phải < 10% trên 100 V Độ dốc của đường plateau được định nghĩa như sau:

khi bắt đầu phát hiện sự kiện cho đến khi có thể nhận biết được sự kiện tiếp theo Tuy nhiên khi xử lý một tín hiệu xung từ detector, cần phải có các khối điện tử Khái niệm thời gian phân giải được định nghĩa tương tự như thời gian chết nhưng bổ sung thêm

là thời gian bắt đầu từ lúc tín hiệu vượt ngưỡng v{ được đếm Về mặt thực nghiệm, sự khác nhau giữa thời gian chết (dead time) và thời gian phân giải (resolving time) thường bị lẫn lộn và thời gian phân giải thường được xem là thời gian chết Điều này mang lại sự thuận tiện trong thực nghiệm vì trong c|c phép đo tốc độ đếm luôn được thực hiện với sự hỗ trợ của các khối điện tử v{ nó có đóng góp v{o thời gian chết Thời gian chết của ống đếm GM bị thay đổi mạnh khi đếm với tốc độ lớn hơn 5.000 số đếm/phút Do đó cần phải hiệu chỉnh thời gian chết để thu được tốc độ đếm thật Thực hành này sẽ đo thời gian chết với một nguồn bức xạ Giá trị thời gian chết đo được sẽ được sử dụng để hiệu chỉnh tốc độ đếm trong tất cả c|c phép đo về sau

4.2.2 Các công thức liên quan

Thời gian chết của một hệ thống đo bức xạ được quy về một trong hai kiểu thời gian chết sau: 1) Thời gian chết hệ thống có thể tự động bù được, trong khi đo (parazable dead time), hoặc 2) Thời gian chết hệ thống không thể tự động bù được trong khi đo (nonparazable dead time) Giải thích đầy đủ 2 tính chất nói trên được trình bày trong tài liệu tham khảo số 1 và 11 Một cách chính xác, thời gian chết của ống đếm GM có thể xem như nonparazable Tốc độ đếm đo được R liên quan với tốc độ đếm thật r ở lối vào của ống đếm theo phương trình (2):





r R

Về mặt thực nghiệm, người làm thực nghiệm chỉ thu được tốc độ đếm R sau khi đ~

mất một lượng xung n{o đó do thời gian chết Điều này rất quan trọng để tính toán tốc

độ đếm thật và thời gian chết của xung Td Nếu phương trình (2) được viết lại dưới dạng phương trình (3), có thể tính được tốc độ đếm thật nếu đo được tốc độ đếm và biết được thời gian chết của một xung:





R r

Để thuận tiện trong biểu diễn thông tin, phương trình (2) v{ (3) thường được biểu diễn việc mất xung do thời gian chết dưới dạng phần trăm:

Phương ph|p chia nguồn có ưu điểm trong x|c định thời gian chết của xung ở tốc độ đếm vừa phải Theo cách này, nguồn được đựng trong một đĩa ghép gồm hai phần Các phần có hoạt độ gần giống nhau Cả hai phần khi đặt ở dạng đĩa với mặt của ống đếm, khoảng cách giữa nguồn và ống đếm có thể điều chỉnh được tương ứng với khoảng thời gian chết từ 10% đến 20% Với thời gian chết 100 s, giá trị n{y tương ứng với tốc độ đếm trong khoảng 1.000 đến 2.000 số đếm/giây hoặc 60.000 đến 120.000 số đếm/phút

Tiếp theo, lấy ra phần thứ nhất của nguồn v{ x|c định tốc độ đếm R2 với phần thứ hai Đặt phần thứ nhất vào một cách cẩn thận để không ảnh hưởng đến phần thứ hai X|c định tốc độ đếm R12 với cả hai phần Cuối cùng, lấy phần thứ hai ra một cách cẩn thận để không ảnh hưởng đến phần thứ nhất X|c định tốc độ đếm R1 với phần thứ nhất Từ các tốc độ đếm R1, R2 và R12 x|c định được, thay v{o phương trình (3) tương ứng với r1, r2 và r12 Vì thời gian chết của R12 < (R1 + R2) và các tốc độ đếm thực:

 

Kết hợp phương trình (5) v{ phương trình (3) để xác lập các biểu thức cho r1, r2,

r12, x|c định Td từ các tốc độ đếm đo được Theo tài liệu tham khảo số 1, lời giải chính x|c trong trường hợp phông bằng không là:

3 Nếu số đếm trong bước 2 không nằm giữa 60.000 và 120.000, chỉnh khoảng cách giữa nguồn và ống đếm để tốc độ đếm nằm trong dải trên

4 Lấy phần nguồn bên trái của bộ chia nguồn v{ đo trong thời gian 1 phút với phần bên phải Gọi số đếm này là R1

5 Đặt phần nguồn bên trái cạnh phần bên phải, làm cẩn thận để không ảnh hưởng đến phần bên phải, đo trong thời gian 1 phút Gọi số đếm thu được là R12

6 Lấy ra phần nguồn bên phải, làm cẩn thận để không ảnh hưởng đến phần nguồn bên tr|i, đo trong thời gian 1 phút Gọi số đếm thu được là R2 Tính thời gian phân giải của ống đếm theo phương trình (6) Kết quả nên ở (tốc độ đếm)/phút vì số đếm thường được ghi dưới dạng không thứ nguyên, thời gian chết được viết đơn giản dưới dạng phút hoặc giây

Thời gian chết thu được trong bước 6 sẽ được sử dụng để hiệu chỉnh các tốc độ đếm thu được theo phương trình (3) khi thời gian chết vượt quá 1%

Bài tập

a Tính Td theo phương trình (7) v{ so s|nh với kết quả thu được từ phương trình (6) Sai số tương đối trong kết quả từ phương trình (7) so với lời giải chính xác theo phương trình (6) như thế nào?

b Dựa trên phương trình (4), tốc độ đếm bằng bao nhiêu nếu thời gian chết tương ứng 1%? Hiệu chỉnh tốc độ đếm bị mất do thời gian chết với c|c phép đo ở trên

c Chú ý đến góc mở của nguồn, phân tích các sai số quan trọng liên quan đến nguồn trong x|c định Td?

d Sử dụng dao động ký, x|c định thời gian từ lúc xung bắt đầu đến khi kết thúc Có thể phải sử dụng cả hai phần của nguồn để gần cửa sổ của ống đếm Kết quả khác nhau thế nào (phần trăm) so với giá trị Td x|c định theo phương trình (6)?

e Một số giá phân chia nguồn có thể tạo ra các khoảng trống và các tia tán xạ có thể đi v{o ống đếm làm ảnh hưởng đến thời gian chết X|c định xem có sự ảnh hưởng này hay không?

f Câu hỏi khuyến khích: Lấy ra cả hai phần nguồn và tiến h{nh đo phông trong một phút Dựa v{o c|c phương trình trong t{i liệu tham khảo số 1, hiệu chỉnh phông để

có các giá trị tính toán khác cho Td?

4.3.2 Các phương trình liên quan

C|c đồng vị phóng xạ phân rã ngẫu nhiên theo thời gian Không thể dự đo|n khi nào một hạt nhân sẽ phân rã Tuy nhiên, với một số rất lớn N các hạt nhân của một đồng vị phóng xạ, có thể x|c định xác suất phân rã của chúng theo thời gian Xác xuất phân rã trên một đơn vị thời gian dN/dt tỉ lệ với số các hạt nhân phóng xạ:

là khoảng thời gian để hoạt độ của nguồn giảm đi một nửa, mối liên hệ giữa hằng số phân rã và chu kỳ b|n r~ như sau:

Ống đếm GM sử dụng trong thực hành chỉ ghi được một phần các bức xạ phát ra

từ nguồn do góc nhìn nhỏ và hiệu suất ghi của ống đếm thấp Mặc dù vậy, tốc độ đếm thực r là tỉ lệ với hoạt độ:

 0 0 693 1 2/

Trong đó r0 là tốc độ đếm ở thời điểm t = 0

Lấy logarit hai vế phương trình (11) để chuyển về dạng tuyến tính ở phương trình (12):

3 Ghi lại ng{y đo, thời gian đo v{ số đếm

4 Sau một khoảng thời gian khuyến cáo bởi người hướng dẫn, lặp lại phép đo với khoảng cách giữa nguồn và cửa sổ ống đếm giống như trước

5 Thực hiện c|c phép đo với các thời điểm khác nhau theo yêu cầu của người hướng dẫn Nếu không x|c định được chu kỳ bán rã thì có thể thực hiện các phần khác của thực hành

Bài tập

a) Sau khi ho{n th{nh phép đo chu kỳ bán rã, hiệu chỉnh tốc độ đếm bị mất do thời gian chết (xem thực hành 4.3), vẽ tốc độ đếm đ~ hiệu chỉnh theo thời gian trên thang bán lôgarít Đồ thị có dạng một đường thẳng

b) X|c định chu kỳ bán rã từ đường cong và tìm hằng số phân rã của đồng vị

4.4.1 Mục đích

Khi truyền qua vật chất, cường độ chùm bức xạ gamma bị suy giảm đi do ba hiệu ứng: tán xạ Compton, hiệu ứng quang điện và hiệu ứng tạo cặp Cường độ bức xạ giảm theo bề dày của chất hấp thụ Mục đích của thí nghiệm l{ x|c định sự suy giảm cường

độ theo bề dày chất hấp thụ và suy ra chiều dày hấp thụ một nửa và hệ số hấp thụ

4.4.2 Các công thức liên quan

Trong đó:

I0 là cường độ ban đầu của chùm tia,

I là cường độ bức xạ sau khi truyền lớp hấp thụ có bề dày x,

µ là hệ số hấp thụ tuyến tính trung bình của chất hấp thụ

Viết lại và lấy logarit hai vế phương trình (13) ta được:

Bề dày hấp thụ một nửa x1/2 (HVL) l{ độ dày vật chất m{ chùm tia đi qua bị suy giảm cường độ một nửa Khi đó I/I0 = 0,5, thay giá trị n{y v{o phương trình (14):

ln(0,5) = -µx1/2 (15)

x1/2 = 0,693/µ hoặc µ = 0,693/x1/2 (16) Thực nghiệm thường x|c định x1/2 v{ tính to|n µ theo phương trình (16) Nếu chiều dày của lớp hấp thụ tính theo cm thì đơn vị µ là cm-1 v{ được xem là hệ số suy giảm tuyến tính Thông thường, độ dày của lớp hấp thụ thường được viết dưới dạng g/cm2 Khi đó, hệ số suy giảm tuyến tính có đơn vị cm2/g v{ được gọi là hệ số suy giảm khối

4.4.3 Các bước thực hiện

1 Thiết lập cao thế làm việc cho ống đếm GM (giá trị trong thực hành 4.1)

2 Đặt nguồn 60Co cách cửa sổ ống đếm 3 cm, đo trong 2 phút v{ ghi lại số đếm

đo được

3 Lưu ý độ dày khác nhau của các tấm chì trong bộ chất hấp thụ Chúng có thể

có cùng độ dày, hoặc có c|c độ dày 1.000 mg/cm2, 2.000 mg/cm2, 3.000 mg/cm2 và 7.000 mg/cm2 Thực h{nh n{y đòi hỏi tổng bề d{y dao động từ 1.000 mg/cm2 đến khoảng 23.000 mg/cm2 với bước thay đổi từ 1.000 đến 2.000 mg/cm2 Các lá chì khác nhau được kết hợp lại một cách hợp lý để tăng bề dày theo thiết kế mong muốn

4 Đặt tấm chì mỏng nhất vào giữa nguồn và cửa sổ ống GM, đo trong 2 phút v{ ghi lại giá trị

5 Thêm hai tấm chì lên tấm đầu tiên để tăng tổng độ dày nằm giữa khoảng 1.000

và 2.000 mg/cm2 và tiến h{nh đo lại

6 Tiếp tục thêm các tấm chì để tăng độ dày, mỗi tấm từ 1.000 đến 2.000 mg/cm2cho đến khi số đếm còn 25% số đếm khi không có lớp hấp thụ Sau mỗi lần tăng bề dày lớp hấp thụ, đo trong hai phút v{ ghi lại các số đếm

7 Nếu thời gian chết trong c|c phép đo > 1%, cần tiến hành hiệu chỉnh số đếm

đo được

8 Thực hiện đo phông trong 2 phút khi không có nguồn 60Co, trừ đi gi| trị này cho tất cả các giá trị đo sau khi đ~ hiệu chỉnh thời gian chết So sánh số đếm phông thu được với số đếm khi lớp hấp thụ dày tối đa v{ khi không có lớp hấp thụ nào Kiểm tra

số đếm phông khi có lớp hấp thụ dày tối đa v{ khi không có lớp hấp thụ Kết quả phải như nhau, hoặc gần nhau để giá trị trung bình của hai phông thu được có thể sử dụng

để hiệu chỉnh phông cho tất cả c|c phép đo có nguồn

a Hiệu chỉnh thời gian chết cho tất cả các số đếm đo được trong thí nghiệm 4.2 nếu sự hiệu chỉnh l{m thay đổi kết quả lớn hơn 1% Sự hiệu chỉnh này phải được thực hiện trước khi trừ phông

b Ghi lại tổng chiều dày theo mật độ của chì (g/cm2) và vẽ đồ thị trên thang logarit, biểu diễn sự phụ thuộc của số đếm theo chiều dày lớp hấp thụ g/cm2 Độ dày theo mật độ được định nghĩa l{ tích của mật độ g/cm3 với bề dày cm của vật liệu hấp thụ

c Vẽ đường thẳng đi qua c|c điểm thực nghiệm, x|c định x1/2 và µ từ độ dốc của đường thẳng

d So sánh giá trị này với giá trị trong tài liệu tham khảo 8 và 9? Xem thêm thực hành số 3 khi đo với detector NaI

4.5.1 Mục đích và các phương trình liên quan

Có nhiều điểm tương đồng giữa c|c tia s|ng bình thường và các tia gamma Chúng đều là bức xạ điện từ và vì vậy chúng tu}n theo phương trình kinh điển:

Để thuận tiện trong giải thích quy luật suy giảm theo bình phương khoảng cách, ta

sử dụng sự tương đồng giữa nguồn ánh sáng và nguồn tia gamma

Giả sử có một nguồn sáng phát ra photon với tốc độ n0 photon/giây và đẳng hướng Nếu đặt nguồn ánh sáng ở giữa quả cầu bằng nhựa, khi đó ta dễ d{ng tính được

số photon phát ra trong một giây trên mỗi cm2 của quả cầu Cường độ phát photon được tính theo phương trình sau:

Trong đó:

n0 là tổng số photon phát ra trong một giây từ nguồn,

rs là khoảng cách từ tâm nguồn |nh s|ng đến bề mặt quả cầu,

 2

4 r s là diện tích bề mặt của quả cầu theo đơn vị cm2

Do n0 và 4 là hằng số nên I0 sẽ thay đổi theo 1 r s2 Đ}y l{ quy luật suy giảm nghịch đảo bình phương khoảng cách

Đối với đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã rất dài so với thời gian thực hiện các phép đo trong thực nghiệm, thì n0 có thể xem là hoạt độ A0 của nguồn phóng xạ Do đó phương trình (18) có thể viết như sau:



0 04 2

d int s

a N

intlà hiệu suất nội của ống đếm GM khi đo c|c tia gamma,

ad là diện tích vùng hoạt của cửa sổ detector,

rs là khoảng cách từ nguồn điểm đến cửa sổ của detector

Từ phương trình (19), diện tích vùng hoạt cửa sổ detector tương ứng một phần nhỏ (a / d 4r ) s2 của diện tích quả cầu bán kính rs Do đó, diện tích này chỉ nhận một phần các bức xạ ph|t ra đẳng hướng từ nguồn Tuy nhiên do giới hạn của hiệu suất ghi

intnên chỉ có một phần c|c photon t|c động đến vùng nhạy của detector được biến đổi thành các ion-electron trong ống đếm GM Có thể tìm hiểu thêm vấn đề này trong phần x|c định hiệu suất ghi trong tài liệu tham khảo số 1

Mục đích của thí nghiệm này là kiểm chứng sự phụ thuộc 1 r s2 theo phương trình (19)

Khoảng cách N/T

(số đếm/phút)

N/T đã hiệu chỉnh (số đếm/ phút)

Có thể viết phương trình (19) dưới dạng:

e Nếu c|c phương trình từ (18) đến (20) l{ đúng thì gi| trị K phải là hằng số Có

sự thay đổi hệ thống trong giá trị K theo khoảng cách từ nguồn tới detector không? Tại sao? (Xem phần x|c định hiệu suất trong tài liệu tham khảo 1 để giải thích)

f Có thăng gi|ng ngẫu nhiên của K trên đồ thị không? Nguyên nhân gây ra sự thăng gi|ng ngẫu nhiên này là gì?

4.6.1 Mục đích

Như đ~ biết, c|c phép đo phóng xạ đối với một mẫu l{ độc lập với c|c phép đo trước đó vì qu| trình ph}n r~ phóng xạ là một quá trình ngẫu nhiên Khi lặp lại các phép đo, hoạt độ sẽ thay đổi một cách ngẫu nhiên Khi lặp lại một số lớn c|c phép đo riêng biệt thì sự chênh lệch số đếm của từng lần đo v{ số đếm trung bình của các lần đo l{ tương đối nhỏ Trong thí nghiệm này, ta sẽ khảo sát tần suất xuất hiện độ lệch cụ thể của các giá trị trung bình với mức tin cậy nhất định Thực hiện năm mươi phép đo độc lập, sử dụng một số phương ph|p thống kê đơn giản để xử lý số liệu Thí nghiệm sử dụng nguồn 60Co có chu kỳ bán rã rất dài so với thời gian đo Thời gian b|n r~ 5,26 năm đảm bảo hoạt độ có thể được coi là hằng số trong suốt thời gian thực hành

4.6.2.Các công thức liên quan

Số đếm trung bình đối với c|c phép đo độc lập được x|c định theo công thức:

Trong trường hợp này, thời gian chết cần phải nhỏ để số đếm bị mất do thời gian chết là nhỏ v{ độ lệch chuẩn σN có thể ước lượng theo công thức: N N av  N i Ước lượng độ lệch chuẩn từ Nav l{ chính x|c hơn so với từ giá trị Ni trong các lần

đo Có thể xem thêm trong các tài liệu tham khảo 10 v{ 11 Như vậy σN l{ độ lệch chuẩn của phân bố của giá trị đo được Ni quanh giá trị trung bình

Thông thường, giá trị hay được sử dụng là tốc độ đếm chứ không phải số đếm Tốc độ đếm thực của phép đo i được x|c định theo số đếm trong thời gian đo T theo công thức:

i

N r

lệch chuẩn tương đối được x|c định theo công thức:

Bài tập

a Tính σN, điền giá trị σN và (N N ) / i av N vào bảng 2.2, l{m tròn đến hai chữ số thập phân Làm tròn các giá trị (N N ) / i av N đến 0,5 và ghi lại các giá trị này vào bảng Lưu ý rằng bảng 2.2 trình bày một số giá trị (N N ) / i av N đặc trưng v{ l{m tròn mang tính hướng dẫn minh họa

b Vẽ đồ thị tần suất các sự kiện (N N ) / i av N được làm tròn Hình 2.3 vẽ đồ thị phân bố n{y trong trường hợp lý tưởng Trên đồ thị này có 8 sự kiện ở điểm không Điều n{y có nghĩa rằng chúng ta đ~ l{m tròn t|m số liệu trong bảng 2.2 về không v{ tương tự như vậy có bảy giá trị làm tròn về +0,5

c Đồ thị thu được có dạng phân bố chuẩn tương tự như hình 2.3 không?

Hình 2.3 Đồ thị biểu diễn tần suất các sự kiện đã được làm tròn

1 G F Knoll, Radiation Detection and Measurement, John Wiley and Sons, New York

(1979)

2 E W Emery, Geiger-Mueller and Proportional Counters in radiation Dosimetry, II,

F H Attix and W C Roesch, Eds., Academic Press, New York (1966)

3 Peeva and T Karatoteva, Nucl Instrum Methods 118, 49 (1974)

4 H L Andrews, Radiation Biophysics, Prentice-Hall, New Jersey (1974)

5 V Arena, Ionizing Radiation and Life, the C V Mosby Co, Missouri (1971)

7 C M Lederer and V S Shirley, Eds., Table of Isotopes, 7th Edition, john Wiley and Sons, Inc., New York (1978)

8 Radiological Health Handbook, US Dept of Health, Education, and Welfare, PHS Publication 2016 Availanle from National Technical Information Service, U.S Dept of Commerce, Springfield, Virginia

9 J H Hubbell and S M Seltzer, Tables of X-Ray Mass Attenuation Coefficients and Mass Energy-Absorption Coefficients from 1 keV to 20 MeV for Elements Z = 1 to

92 and 48 Additional Substances of Dosimetric Interest, NISTIR 5632, 1996,

BÀI THỰC HÀNH SỐ 3

PHỔ KẾ GAMMA SỬ DỤNG DETECTOR NHẤP NHÁY Nal(Tl)

Mục đích của thực hành nhằm giúp học viên làm quen với một số kĩ thuật cơ bản được dùng để đo tia gamma bằng detector nhấp nháy NaI (Tl)

- Thiết bị điện tử:

- Bộ SPA38 bao gồm detector nhấp nháy NaI(Tl) 38 mm 38 mm, ống nhân quang

và bộ chia thế cho ống nhân quang;

- Khung NIM 4001A/4002D và nguồn nuôi;

- Khối cao thế 556;

- Tiền khuếch đại 113 cho detector nhấp nháy;

- Khối khuếch đại phổ 575A;

- Easy-MCA-2k bao gồm cáp USB và phần mềm MAESTRO-32 (các MCA khác của ORTEC có thể được dùng thay thế);

- Máy tính cá nhân có cổng USB, sử dụng hệ điều hành Windows;

- Dao động ký với tần số 150 MHz, Tektronix Model TDS 3032C hoặc tương đương

- D}y c|p v{ đầu nối:

+ Cáp C–34-12 RG–59A/U75-, một đầu SHV và một đầu MHV, dài 3,7 m (12-ft);

+ 05 c|p đồng trục C-24-1 RG-62A/U93-, đầu cắm BNC, dài 30 cm (1-ft);

+ C|p đồng trục C-24-12 RG-62A/U93-, đầu cắm BNC, dài 3,7 m (12 ft);

+ 03 c|p đồng trục C-24-4 RG-62A/U93-, đầu cắm BNC, dài 1,2 m (4 ft);

+ Đầu nối chữ T C-29 BNC;

+ Bộ chia tín hiệu C-27 100 Ω (giắc cắm BNC)

+ Bộ nguồn gamma RSS8 gồm các nguồn 60Co, 137Cs, 22Na, 54Mn, 133Ba, 109Cd,

57Co hoạt độ mỗi nguồn khoảng 1 µCi và nguồn hỗn hợp Cs/Zn (~ 0,5 µCi 137Cs, ~1 µCi

65Zn) Thực hành này sẽ sử dụng ba nguồn đầu Thực hành 3.2 có thể dùng các nguồn khác

+ Nguồn gamma 137Cs, GF-137-M-5 hoạt độ 5 µCi ±5% (dùng cho thực hành 3.5) + Nguồn 57Co, GF-057-M-20 hoạt độ 20 µCi (dùng cho thực hành 3.9)

- Bộ lá dò:

+ Các bộ lá dò kim loại tinh khiết: FOIL-AL-30, FOlL-FE-5, FOlL-CU-10, FOlL-MO-3, FOlL-SN-4 và FOlL-TA-5 Mỗi bộ gồm mười lá giống hệt nhau về độ tinh khiết và bề dày

+ Bộ lá dò RAS20 gồm 5 loại chất hấp thụ có mật độ từ 1.100 đến 7.400 mg/cm2 Trong bộ mẫu n{y cũng có 10 tấm nhôm có mật độ từ 140 đến 840 mg/cm2 nhưng không sử dụng đến trong thực hành này

- Tuốc nơ vít tinh chỉnh

- Thiết bị khác cần cho thực hành 3.10:

+ Khối khuếch đại trễ 427A;

+ Khối phân tích thời gian đơn kênh 551;

+ Khối cổng tuyến tính 426;

+ Khối trễ và tạo xung mở cổng 416A

Hầu hết c|c đồng vị phát tia bêta cũng đồng thời phát ra tia gamma trong quá trình phân rã Hạt nh}n ph}n r~ bêta thường kèm theo ph|t ra gamma để trở về trạng th|i cơ bản Các hạt bêta thường bị hấp thụ bởi các vật liệu xung quanh v{ không đi v{o detector nhấp nháy (một lớp nhôm cũng đủ để che chắn hết tia bêta [10]) Đối với thực hành này, sự phát xạ bêta xảy ra không đ|ng kể, vì vậy không sử dụng vật liệu hấp thụ bêta Tia bêta sẽ bị hấp thụ bởi vỏ bọc tinh thể nhấp nháy của detector Các tia gamma

có khả năng đ}m xuyên mạnh và dễ d{ng đi qua lớp vỏ nhôm của tinh thể

Nói chung, để nghiên cứu về nguồn gamma cần quan tâm hai vấn đề:

- Năng lượng của tia gamma phát ra từ nguồn;

- Lượng bức xạ gamma phát ra trong một khoảng thời gian

Trong thực hành này học viên sẽ làm quen với một số phép đo cơ bản sử dụng detector NaI(Tl) để x|c định đồng vị phát gamma Tổng thời gian để thực hiện các thực hành 4 (4.1 đến 4.10) vào khoảng 6 giờ

Cấu trúc của detector NaI(Tl) được minh họa trong hình 3.1, bao gồm tinh thể nhấp nháy NaI được kích hoạt bởi thallium và ống nh}n quang điện Khi bức xạ gamma

đi v{o detector, nó tạo ra các electron tự do thông qua các hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton hoặc tạo cặp C|c electron được tạo ra sẽ kích thích tinh thể phát ra các chớp sáng Những chớp sáng này gọi là các nhấp nh|y, điều này giải thích tại sao detector này gọi là detector nhấp nháy Chất kích hoạt thallium của tinh thể là rất quan trọng,

nó làm cho phổ phát xạ của tinh thể không trùng với phổ hấp thụ

Lượng photon ánh sáng tạo ra tỉ lệ thuận với năng lượng gamma bị hấp thụ trong tinh thể Cường độ các nhấp nháy phát ra có quy luật h{m mũ với thời gian phân rã khoảng 250 ns

Bao quanh tinh thể nhấp nháy là vỏ nhôm mỏng với một cửa sổ kính có bề mặt chung với photocatôt để ngăn sự hút ẩm của tinh thể NaI Phía trong vỏ nhôm được phủ một lớp phản xạ |nh s|ng để tăng lượng |nh s|ng đi tới photocatôt

Các photon từ tinh thể nhấp nh|y đi đến photocatôt, do hiệu ứng quang điện sẽ làm bật ra các quang electron Số quang electron được tạo ra tỉ lệ thuận với số photon nhấp nháy và do vậy cũng tỉ lệ thuận với năng lượng gamma bị hấp thụ trong tinh thể Phần còn lại của ống nhân quang là một loạt c|c đi nốt bên trong ống thủy tinh ch}n không Điện thế từ đi nốt đầu đến đi nốt cuối tăng dần v{ được duy trì bởi một bộ chia thế trong đế ống nhân quang Các electron bắn ra từ photocatôt sau đó đi tới các

đi nốt với điện thế dương tăng dần, c|c electron được gia tốc bởi đi nốt đầu tiên nên có

đủ động năng để bật ra 2 đến 5 electron thứ cấp Các electron đó lại tiếp tục đập v{o đi nốt thứ hai và lại sinh ra một số electron thứ cấp khác, quá trình cứ tiếp tục như vậy cho tới đi nốt cuối cùng, ở anôt sẽ thu được một dòng electron lớn gấp 104 đến 106 lần dòng ban đầu ở photocatôt Lượng điện tích đến anôt tỉ lệ thuận với năng lượng gamma bị hấp thụ trong chất nhấp nháy

Hình 3.1 Minh họa một số tương tác có thể xảy ra với detector NaI(Tl)

và vật liệu che chắn xung quanh

Bộ tiền khuếch đại thu góp điện tích từ anôt trên một tụ điện nhằm biến điện tích th{nh xung điện Sau đó, xung điện đi tới bộ tiền khuếch đại Ở lối ra của khối tiền khuếch đại và khuếch đại tuyến tính, biên độ xung tỉ lệ thuận với năng lượng gamma bị hấp thụ trong chất nhấp nháy Khối ph}n tích đa kênh - Multichannel Analyzer (MCA)

đo chiều cao xung đi ra từ khối khuếch đại và sắp xếp chúng thành một biểu đồ ghi lại phân bố số xung theo biên độ (năng lượng - thu được từ detector NaI (Tl)) Hình 3.2 là

sơ đồ các khối điện tử được sử dụng trong hệ phổ kế cùng với detector NaI (Tl)

Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma dùng detector NaI(Tl)

Nếu detector và hệ xử lý xung l{ lý tưởng, phổ tia gamma 662 keV của nguồn 137Cs

sẽ được biểu diễn ở dạng một đỉnh phổ có bề rộng được x|c định chỉ bởi sự thăng giáng ngẫu nhiên của năng lượng của lượng tử gamma (thăng gi|ng n{y rất nhỏ)