TUYỂN TẬP CÁC BÀI THỰC HÀNH VỀ VẬT LÝ VÀ KỸ THUẬT HẠT NHÂN VIỆN NGHIÊN CỨU HẠT NHÂN ĐÀ LẠT

TUYỂN tập các bài THỰC HÀNH về vật lý và kỹ THUẬT hạt NHÂN VIỆN NGHIÊN cứu hạt NHÂN đà lạt TUYỂN tập các bài THỰC HÀNH về vật lý và kỹ THUẬT hạt NHÂN VIỆN NGHIÊN cứu hạt NHÂN đà lạt TUYỂN tập các bài THỰC HÀNH về vật lý và kỹ THUẬT hạt NHÂN VIỆN NGHIÊN cứu hạt NHÂN đà lạt TUYỂN tập các bài THỰC HÀNH về vật lý và kỹ THUẬT hạt NHÂN VIỆN NGHIÊN cứu hạt NHÂN đà lạt TUYỂN tập các bài THỰC HÀNH về vật lý và kỹ THUẬT hạt NHÂN VIỆN NGHIÊN cứu hạt NHÂN đà lạt TUYỂN tập các bài THỰC HÀNH về vật lý và kỹ THUẬT hạt NHÂN VIỆN NGHIÊN cứu hạt NHÂN đà lạt TUYỂN tập các bài THỰC HÀNH về vật lý và kỹ THUẬT hạt NHÂN VIỆN NGHIÊN cứu hạt NHÂN đà lạt TUYỂN tập các bài THỰC HÀNH về vật lý và kỹ THUẬT hạt NHÂN VIỆN NGHIÊN cứu hạt NHÂN đà lạt TUYỂN tập các bài THỰC HÀNH về vật lý và kỹ THUẬT hạt NHÂN VIỆN NGHIÊN cứu hạt NHÂN đà lạt TUYỂN tập các bài THỰC HÀNH về vật lý và kỹ THUẬT hạt NHÂN VIỆN NGHIÊN cứu hạt NHÂN đà lạt TUYỂN tập các bài THỰC HÀNH về vật lý và kỹ THUẬT hạt NHÂN VIỆN NGHIÊN cứu hạt NHÂN đà lạt

VIỆN NGHIÊN CỨU HẠT NHÂN

NGUYỄN NHỊ ĐIỀN, NGUYỄN XUÂN HẢI, PHẠM ĐÌNH KHANG

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

Lâm Đồng, 2015

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 phóng xạ và Y học phóng xạ

Về tổng thể, nội dung của các bài thực hành được tham khảo 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 các nghiên cứu sinh làm việc tại Trung tâm Vật lý Điện tử Hạt nhân, 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, Công ty NEAD đã tài trợ cho giáo trình

Đà Lạt, 2015 Các tác giả

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

MỤC LỤC 3

BÀI THỰC HÀNH SỐ1 12

CÁC KHỐI ĐIỆN TỬ CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG GHI ĐO BỨC XẠ HẠT NHÂN 12

I MỤC ĐÍCH 12

II THIẾT BỊ CẦN THIẾT 12

III LÝ THUYẾT 12

III.1 Các khối điện tử 12

III.2 Dao động ký 14

IV THỰC HÀNH 16

IV.1 Quan sát tín hiệu ra của máy phát xung khi có và không có suy giảm 16

IV.2 Sử dụng khối phát xung thay detector của hệ thống đếm 17

IV.3 Sử dụng khối phân tích đơn kênh 20

BÀI THỰC HÀNH SỐ 2 22

I MỤC ĐÍCH 22

II THIẾT BỊ CẦN THIẾT 22

III LÝ THUYẾT 23

IV THỰC HÀNH 23

IV.1 Vùng làm việc của ống đếm Geiger Muller 23

IV.2 Hiệu chỉnh thời gian phân giải cho ống đếm Geiger 26

IV.3 Xác định chu kỳ bán rã 29

IV.4 Xác định hệ số hấp thụ tuyến tính 30

IV.5 Quy luật suy giảm theo bình phương khoảng cách 32

IV.6 Thống kê số đếm 35

V TÀI LIỆU THAM KHẢO 37

BÀI THỰC HÀNH SỐ 3 38

PHỔ KẾ GAMMA SỬ DỤNG ĐẦU DÕ NHẤP NHÁY Nal(Tl) 38

I MỤC ĐÍCH 38

II THIẾT BỊ CẦN THIẾT 38

III LÝ THUYẾT 39

III.1 Sự phát tia Gamma 39

III.2 Đầu dò NaI(Tl) 39

III.3 Khối phân tích biên độ đa kênh 42

IV THỰC HÀNH 43

IV.1 Chuẩn năng lượng 43

IV.2 Xác định năng lượng của nguồn gamma chưa biết 49

IV.3 Phân tích phổ của 60 Co và 137 Cs 50

IV.4 Xác định độ phân giải năng lượng 52

IV.5 Đo hoạt độ của nguồn phát gamma (phương pháp tương đối) 52

IV.6 Đo hoạt độ của nguồn phát gamma (phương pháp tuyệt đối) 53

IV.7 Xác định hệ số hấp thụ khối 55

IV.8 Phân tích đỉnh tổng 57

IV.9 Sự hấp thụ quang điện 59

IV.10 Cổng tuyến tính trong hệ phổ kế gamma 61

V TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

BÀI THỰC HÀNH SỐ 4 68

PHỔ KẾ ALPHA VÀ ĐẦU DÕ HẠT MANG ĐIỆN Si 68

I MỤC ĐÍCH 68

II THIẾT BỊ CẦN THIẾT 68

III.1 Đầu dò hạt mang điện Si 68

III.2 Nguồn alpha 73

IV THỰC HÀNH 74

IV.1 Phổ alpha đơn giản và chuẩn năng lượng với máy phát xung 74

IV.2 Chuẩn năng lượng sử dụng hai nguồn alpha 80

IV.3 Đo hoạt độ tuyệt đối của nguồn alpha 81

IV.5 Xác định các tỷ số phân rã của 241 Am 82

IV.6 Nhận diện đồng vị trong chuỗi phân rã 228Th 83

V TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

BÀI THỰC HÀNH SỐ 5 86

SỰ MẤT NĂNG LƯỢNG CỦA HẠT MANG ĐIỆN (Alpha) 86

I MỤC ĐÍCH 86

II THIẾT BỊ CẦN THIẾT 86

III LÝ THUYẾT 87

III.1 Các thông tin cần thiết 87

III.2 Nguồn alpha 92

IV THỰCHÀNH 92

IV.1  E/  x của hạt apha trong phim mylar 92

IV.2 E/x của hạt alpha trong chất khí (không bắt buộc) 95

V TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

BÀI THỰC HÀNH SỐ 6 98

PHỔ KẾ BÊTA 98

I MỤC ĐÍCH 98

II THIẾT BỊ CẦN THIẾT 98

III LÝ THUYẾT 98

III.1 Phân rã bêta 98

III.2 Electron biến hoán nội 99

III.3 Ứng dụng của đầu dò hàng rào mặt 102

III.4 Dòng rò và bù sụt áp cao thế cấp cho đầu dò 103

III.5 Sử dụng nguồn phóng xạ bêta 103

IV THỰC HÀNH 104

IV.1 Chuẩn năng lượng hệ đo với máy phát xung 104

IV.2 Xác định năng lượng cực đại của bêta trong phân rã của 204 Tl 107

IV.3 Xác định tỉ số biến hóa nội 110

V TÀI LIỆU THAM KHẢO 111

BÀI THỰC HÀNH SỐ 7 112

PHỔ KẾ GAMMA PHÂN GIẢI CAO 112

I MỤC ĐÍCH 112

II THIẾT BỊ CẦN THIẾT 112

III LÝ THUYẾT 113

III.1 Giới thiệu 113

III.2 Tương tác của tia gamma trong đầu dò HPGe 115

III.3 Cấu trúc đầu dò 119

III.4 Độ phân giải năng lượng 119

III.5 Tốc độ đếm cực đại và thời gian chết tương đối 120

IV THỰC HÀNH 121

IV.1 Độ phân giải năng lượng với đầu dò HPGe 121

IV.2 Hiệu suất đỉnh và tỷ số đỉnh so với nền Compton 124

IV.3 Đỉnh thoát và hiệu suất của đầu dò HPGe 127

IV.4 Sự giãn nở Dopple với các đỉnh hủy cặp 130

V TÀI LIỆU THAM KHẢO 133

BÀI THỰC HÀNH SỐ 8 135

PHỔ KẾ TIA X ĐỘ PHÂN GIẢI CAO 135

I MỤC ĐÍCH 135

II THIẾT BỊ CẦN THIẾT 135

III LÝ THUYẾT 135

III.1 Giới thiệu về phổ kế tia X độ phân giải cao 136

IV THỰC HÀNH 137

IV.1 Chuẩn năng lượng với máy phát xung 137

IV.2 Chuẩn hiệu suất ghi và năng lƣợng với nguồn chuẩn 138

IV.3 Xác định hệ số hấp thụ khối cho tia X 141

V TÀI LIỆU THAM KHẢO 142

BÀI THỰC HÀNH SỐ 9 144

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TRÙNG PHÙNG ĐỂ ĐO HOẠT ĐỘ TUYỆT ĐỐI 144

I MỤC ĐÍCH 144

II CÁC THIẾT BỊ CẦN THIẾT 144

III LÝ THUYẾT 145

III.1 Giới thiệu 145

III.2 Trùng phùng (,) 145

III.3 Trùng phùng (,) 146

III.4 Trùng phùng (,) 147

IV THỰC HÀNH 148

IV.1 Nghiên cứu một hệ trùng phùng chậm đơn giản với một máy phát xung 148

IV.2 Sử dụng khối biến đổi thời gian thành biên độ cho các phép đo trùng phùng yêu cầu thời gian phân giải bé 153

IV.3 Đo hoạt độ tuyệt đối bằng kỹ thuật trùng phùng 157

V TÀI LIỆU THAM KHẢO 162

BÀI THỰC HÀNH SỐ 10 163

TÁN XẠ COMPTON 163

I MỤC ĐÍCH 163

II THIẾT BỊ CẦN THIẾT 163

III LÝ THUYẾT 164

III.1 Thông tin liên quan 164

III.2 Độ tin cậy trong xác định vị trí đỉnh 165

III.3 Góc mở và hình học đo 166

IV THỰC HÀNH 167

IV.1 Xác định năng lƣợng tán xạ Compton 167

V.2 Xác định tiết diện tán xạ compton 171

IV.3 Đo năng lƣợng tán xạ compton bằng kỹ thuật trùng phùng 174

IV.4 Đo năng lƣợng của electron giật lùi trong tán xạ Compton 177

V TÀI LIỆU THAM KHẢO 180

BÀI THỰC HÀNH SỐ 11 182

ỐNG ĐẾM TỶ LỆ VÀ ĐO TIA X NĂNG LƢỢNG THẤP 182

I MỤC ĐÍCH 182

II THIẾT BỊ CẦN THIẾT 182

III LÝ THUYẾT 183

IV THỰC HÀNH 186

IV.1 Chuẩn năng lượng 186

V TÀI LIỆU THAM KHẢO 192

BÀI THỰC HÀNH SỐ 12 194

HUỲNH QUANG TIA X 194

I MỤC ĐÍCH 194

II THIẾT BỊ CẦN THIẾT 194

III.1 Giới thiệu về huỳnh quang tia X 194

III.2 Nguồn kích thích 195

III.3 Tia X đặc trưng 196

IV THỰC HÀNH 196

IV.1 Đo phổ huỳnh quang tia X bằng ống đếm tỉ lệ 196

IV.2 Đo phổ huỳnh quang tia X với đầu dò Si(Li) 198

V TÀI LIỆU THAM KHẢO 201

BÀI THỰC HÀNH SỐ 13 202

ĐO TƯƠNG QUAN GÓC BẰNG HỆ TRÙNG PHÙNG GAMMA-GAMMA 202

I MỤC ĐÍCH 202

II CÁC THIẾT BỊ CẦN THIẾT 202

III LÝ THUYẾT 203

III.1 Giới thiệu 203

IV THỰC HÀNH 205

IV.1 Phương pháp chồng chập để xác định những gamma-gamma trùng phùng của nguồn 22 Na 205

IV.2 Phương pháp sử dụng cổng tuyến tính để đo tương quan góc giữa các photon hủy cặp 511 keV 209

IV.3 Sử dụng TAC đo trùng phùng gamma-gamma với nguồn 22Na 211

V TÀI LIỆU THAM KHẢO 213

BÀI THỰC HÀNH SỐ 14 215

ĐO THỜI GIAN SỐNG CỦA HẠT NHÂN Ở TRẠNG THÁI KÍCH THÍCH BẰNG KỸ THUẬT TRÙNG PHÙNG 215

I MỤC ĐÍCH 215

II CÁC THIẾT BỊ CẦN THIẾT 215

III LÝ THUYẾT 216

III.1 Giới thiệu 216

IV THỰC HÀNH 218

IV.1 đo thời gian sống trạng thái 14 keV của 57 Fe sử dụng TAC 218

IV.2 Đo thời gian sốngtrạng thái 14 keV của Fe sử dụng phương pháp trùng phùng trễ 222

IV.3 Thực hiện thực hành IV.1 và IV.2 với các đầu dò khác 226

V TÀI LIỆU THAM KHẢO 227

BÀI THỰC HÀNH SỐ 15 228

TÁN XẠ CỦA HẠT ALPHA TRÊN VÀNG VÀ KIM LOẠI 228

I MỤC ĐÍCH 228

II THIẾT BỊ CẦN THIẾT 228

III LÝ THUYẾT 229

IV THỰC HÀNH 230

IV.1 Sự phụ thuộc góc của tiết diện Rutherford 230

IV.2 Sự phụ thuộc của Z22 vào tiết diện Rutherford 235

V TÀI LIỆU THAM KHẢO 236

BÀI THỰC HÀNH SỐ 16 238

TIẾT DIỆN NƠTRON TOÀN PHẦN VÀ ĐO BÁN KÍNH HẠT NHÂN 238

I MỤC ĐÍCH 238

II LÝ THUYẾT 238

III THỰC HÀNH 240

III.1 Các bước thực hiện 240

III.2 Yêu cầu và tính kết quả 241

BÀI THỰC HÀNH SỐ 17 244

PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NƠTRON CHẬM 244

I MỤC ĐÍCH 244

II THIẾT BỊ CẦN THIẾT 244

III LÝ THUYẾT 245

III.1 Giới thiệu 245

III.2 Nguồn nơtron 245

III.3 Phương trình kích hoạt nơtron 245

IV THỰC HÀNH 247

IV.1 Xác định thông lượng nơtron 247

IV.2 Đo tiết diện phản ứng 51 V(n,  )52V với nơtron chậm 249

IV.3 Xác định chu kì bán hủy của Al trong phản ứng 27 Al(n,  )28Al 250

IV.4 Hệ số bão hòa trong phân tích kích hoạt nơtron 252

IV.5 Nghiên cứu một mẫu phức tạp có hai thành phần phân rã 253

IV.6 Che chắn nơtron nhiệt 254

IV.7 Đo tiết diện nơtron nhiệt khi kích hoạt nguyên tố của bộ mẫu RE-17 256

Phụ lục: Mô tả thiết bị 258

BÀI THỰC HÀNH SỐ 18 262

PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NƠTRON NHANH 262

I MỤC ĐÍCH 262

II CÁC THIẾT BỊ CẦN THIẾT 262

III LÝ THUYẾT 262

IV THỰC HÀNH 263

IV.1 Gamma và thời gian bán rã từ các phản ứng (n,p) 263

IV.2 Nghiên cứu bằng phản ứng (n,p) 264

V TÀI LIỆU THAM KHẢO 265

BÀI THỰC HÀNH SỐ 19 267

SƠ ĐỒ PHÂN RÃ GAMMA VÀ ĐO TƯƠNG QUAN GÓC CỦA 60 Co 267

I MỤC ĐÍCH 267

II THIẾT BỊ CẦN THIẾT 267

III LÝ THUYẾT 268

IV THỰC HÀNH 269

IV.1 Kiểm chứng sự trùng phùng gamma-gamma của 60Co 269

IV.2 Đo tương quan góc giữa và của 60 Co 275

V TÀI LIỆU THAM KHẢO 280

PHỤ LỤC 19-A Các nguyên tắc về khoảng cách nguồn–đầu dò, tốc độ và thời gian đếm 281

BÀI THỰC HÀNH SỐ 20 285

NGHIÊN CỨU PHÂN RÃ CỦA Cm-244 BẰNG TRÙNG PHÙNG ALPHA VÀ TIA-X 285

I MỤC ĐÍCH 285

II THIẾT BỊ CẦN THIẾT 285

III LÝ THUYẾT 286

IV THỰC HÀNH 286

V TÀI LIỆU THAM KHẢO 291

Phụ lục 292

BÀI THỰC HÀNH SỐ 21 294

KHẢO SÁT SỰ ION HÓA LỚP BÊN TRONG NGUYÊN TỬ BẰNG HẠT ALPHA TỪ NGUỒN 241 Am 294

I MỤC ĐÍCH 294

II THIẾT BỊ CẦN THIẾT 294

III LÝ THUYẾT 295

IV THỰC HÀNH 296

IV.1 Sự ion hóa các lớp trong nguyên tử bởi hạt alpha 296

V.2 Hiệu suất ghi của đầu dò bán dẫn Si(Li) 298

IV.3 Đo ion hóa lớp bên trong 299

V TÀI LIỆU THAM KHẢO 301

Lời cảm ơn 302

BÀI THỰC HÀNH SỐ 22 303

CÁC PHÉP ĐO SINH HỌC PHÓNG XẠ VÀ Y HỌC HẠT NHÂN 303

I MỤC ĐÍCH 303

II THIẾT BỊ CẦN THIẾT 303

III LÝ THUYẾT 303

IV THỰC HÀNH 304

IV.1 Thực hành cấu hình đo trong sinh học và y học phóng xạ 304

IV.2 Nghiên cứu sự hấp thụ 131 I trong chuột 306

IV.3 Sự di chuyển của photpho phóng xạ trong thực vật 308

V TÀI LIỆU THAM KHẢO 309

BÀI THỰC HÀNH SỐ 23 311

KỸ THUẬT HẠT NHÂN TRONG NGHIÊN CỨU MÔI TRƯỜNG 311

I MỤC ĐÍCH 311

II CÁC THIẾT BỊ CẦN THIẾT 311

III LÝ THUYẾT 311

IV THỰC HÀNH 312

IV.1 Nghiên cứu mẫu môi trường bằng ống phát huỳnh quang (Tube-Excited Fluorescence) 312 IV.2 Nghiên cứu mẫu môi trường bằng nguồn kích thích 315

IV.3 Nghiên cứu mẫu môi trường bằng phân tích kích hoạt nơtron và hệ phổ kế gamma phân giải cao 317

V TÀI LIỆU THAM KHẢO 320

BÀI THỰC HÀNH SỐ 24 322

CÁC THÍ NGHIỆM VỀ AN TOÀN BỨC XẠ 322

I MỤC ĐÍCH 322

II THIẾT BỊ CẦN THIẾT 322

III LÝ THUYẾT 323

III.1 Giới thiệu 323

III.2 Mục đích 323

IV THỰC HÀNH 325

IV.1 Xác định cường độ bức xạ gamma theo khoảng cách 325

IV.2 Đo cường độ gamma với ống đếm Geiger 327

IV.3 Hiệu quả che chắn gamma với các vật liệu khác nhau 327

IV.4 Đo sự suy giảm của bêta trong nhôm với ống đếm Geiger Muller 329

IV.5 Đo suy giảm của bêta trong nhôm với đầu dò hàng rào mặt 330

IV.6 Nghiên cứu che chắn nơtron bằng parafin 331

IV.7 Nghiên cứu khả năng che chắn nơtron của chì 333

BÀI THỰC HÀNH SỐ 25 334

PHỔ KẾ THỜI GIAN BAY 334

I MỤC ĐÍCH 334

II THIẾT BỊ CẦN THIẾT 334

III THỰC HÀNH 335

III.1 Đo sự mất năng lượng và thời gian bay của hạt alpha 335

III.2 Phổ TOF của gamma và vận tốc ánh sáng 339

IV TÀI LIỆU THAM KHẢO 342

BÀI THỰC HÀNH SỐ 26 344

I LÝ THUYẾT 344

II THỰC HÀNH 346

II.1 Xác định năng lượng của các mảnh phân hạch 346

III TÀI LIỆU THAM KHẢO 348

BÀI THỰC HÀNH SỐ 27 350

ĐO PHỔ THỜI GIAN SỐNG CỦA POSITRON 350

I MỤC ĐÍCH 350

II THIẾT BỊ CẦN THIẾT 350

III LÝ THUYẾT 351

III.1 Sự phát và hủy positron 351

III.2 Ảnh hưởng của khoảng trống, chân không và khuyết tật 353

III.3 Các mô hình toán 353

III.4 Bố trí kiểu sandwich nguồn và mẫu (Mẫu/ Nguồn/ Mẫu) 357

III.5 Phổ kế đo thời gian sống của positron Error! Bookmark not defined III.6 Phổ biên độ xung từ đầu dò của nguồn 22Na 360

IV THỰC HÀNH 360

IV.1 Lắp đặt và thiết lập 360

IV.2 Đo phổ 367

V TÀI LIỆU THAM KHẢO 370

PHỤ LỤC 1 CÁC CHUẨN ĐIỆN TỬ VÀ ĐỊNH NGHĨA 374

PHỤ LỤC 2 CÁC CHUẨN TÍN HIỆU LOGIC VÀ TUYẾN TÍNH TRONG CÁC THIẾT BỊ EG & ORTEC 380

PHỤ LỤC 3 THAO TÁC AN TOÀN NGUỒN PHÓNG XẠ 398

II THIẾT BỊ CẦN THIẾT

- 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 và đếm 996;

- Khối phân tích đơn kênh 551;

III.1 Các khối điện tử

Phần đầu của thực hành này là 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 các xung tương ứng với các thiết bị đo hạt nhân Xung từ máy phát xung được sử dụng để khởi phát, hiệu chuẩn, kiểm tra hoạt động của một số khối điện tử Các khối điện tử được sử dụng trong phần này là những thiết bị được sử dụng trong hầu hết các thực hành như khối tiền khuếch đại, khuếch đại, phân biệt ngưỡng, phân tích đơn kênh (SCA), khối đếm và 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 vào 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 đầu dò

Hình 1.1 là 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 các xung có biên độ

tỉ lệ thuận với năng lượng hạt alpha ở lối ra đầu dò 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 anpha 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 sát trên dao động ký khi các hạt alpha có năng lượng 5 và 6 MeV đi vào đầu dò Xung 5 V tương ứng với hạt alpha có năng lượng 5 MeV đi vào đầu dò 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 các xung logic này vào bộ đếm, số hạt alpha có năng lượng 6 MeV đi đến đầu dò sẽ được đếm

Hình 1.2.Tín hiệu lối ra khối khuếch đại

Các 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 và quan sát dạng xung của các khối tuyến tính trong hệ thống;

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

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

Hình 1.3 Mặt trước của dao động ký Tecktronix 2213A

III.2 Dao động ký

Dao động ký là công cụ để quan sát sự biến đổi của tín hiệu điện Đây là 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 các dao động ký trong phòng thí nghiệm hạt nhân có khoảng 30 nút bấm và nút chỉnh để thực hiện các chức năng khác nhau đã được thiết kế Tuy nhiên, thông thường để quan sát 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 đã thành thạo khoảng 10 nút bấm

Các phòng thí nghiệm về hạt nhân thường có một dao động ký tương tự như Tektronix 2213A, do đó giới thiệu vắn tắt dưới đây 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 phát xung 480 được nối trực tiếp đến lối vào dao động ký bằng cáp và hệ số nhân trên đầu đo là ×1

Với thực hành 1.2 và 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

Bảng 1.1 Các tham số của dao động ký (theo hình 1.3)

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

và 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 0% điểm đánh dấu, 2,5 cm dưới đường trung tâm

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 phát (Triggering Slope): + (Out) cho xung dương

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

8 Mức khởi phát (Triggering Level): Đặt ở giữa thang và chỉnh cho đến khi quan sát 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 nhân 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 Xác định chùm (Beam Finder): Xác định tâm (đẩy vào) để xác định

hướng chỉnh cho cả trục tung và trục hoành

IV THỰC HÀNH

IV.1 Quan sát tín hiệu ra của máy phát xung khi có và không có suy giảm

IV.1.1 Giới thiệu

Khối phát xung 480 có thể tạo ra các xung giống như xung hạt nhân từ các đầu

dò Thông thường, các xung này được đưa vào 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 máy và 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 phát xung 480 cũng được chế tạo theo chuẩn này Do đó việc sử dụng cũng cần tuân thủ theo các nguyên tắc chung: tắt công tắt điện trước khi tháo lắp bất kỳ khối chức năng nào đối với khung NIM

IV.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 93Ω, đầu còn lại của chữ T nối với chụp 100Ω Điều này đảm bảo việc phù hợp trở kháng để mô phỏng tín hiệu giống như trở kháng lối ra của tiền khuếch đại

3 Thiết lập chế độ chuẩn cho khối phát xung 480 và đặt biên độ xung cực đại (full clockwise), cực tính xung dương Các tham số dao động ký được đặt theo bảng 1.1

4 Chỉnh trigger (Triggering Level), nếu không quan sát 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 sát đƣợc trên giấy mm Chú ý hình ảnh xung, giá trị điện áp là một hàm của thời gian Các 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 2V/cm và mục 5 đặt tham số 2μs/cm, vẽ hình ảnh xung quan sát đƣợc trên giấy cm

5 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 sát trên dao động ký vào khoảng 5V 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 1000 điểm tích hợp Có thể chỉnh biên độ xung đến một tỉ số nhất định, ví dụ 90% (900/1000,…)

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 ngƣợc chiều kim đồng hồ và quan sát xung ra trên dao động ký Độ tuyến tính của xung sẽ bị giảm

Bảng 1.2 Sự phụ thuộc của biên độ xung theo nút chỉnh

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

1000/1000 800/1000 600/1000 400/1000 200/1000

IV.2 Sử dụng khối phát xung thay detector của hệ thống đếm

IV.2.1 Giới thiệu

Thiết lập các khối điện tử nhƣ 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)

3 Nối lối ra suy giảm của khối 480 đến lối vào Test của khối 113 (sử dụng cáp

93 Ω) và không cần sử dụng phối hợp trở kháng 100 Ω để phối hợp trở kháng

4 Sử dụng BNC chữ T nối vào lối ra tiền khuếch đại 113, một đầu của chữ T nối vào 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 phân (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 phát dao động ký như trong thực hành 1.1

4 Chuyển cáp nối tín hiệu vào 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 là 0,1 ms/cm Xung đúng có dạng giống như hình 1.6

5 Giữ nguyên các thiết lập, chuyển lối ra của khối 575A sang chế độ lưỡng cực Xung ra có dạng như hình 1.7 (chỉnh lại dao động ký nếu cần)

6 Trả lại chế độ ra xung đơn cực của khối 575A

Hình 1.6.Xung ra đơn cực tốt

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 phát dao động ký với các thông số như đã sử dụng để xem biên độ xung

ra sau khối khuếch đại Sẽ quan sát được xung logic 5V trên dao động ký

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

Bảng 1.3 Sự phụ thuộc của ngưỡng vào biên độ xung

Độ cao xung trên khối 480 Ngưỡng dưới của khối 551

1000/1000 800/1000 600/1000 400/1000 200/1000

IV.3 Sử dụng khối phân tích đơn kênh

1 Thay đổi chế độ trên khối 551 từ Intergral về Nomal để khối 551 hoạt động như một khối phân 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 IV.2

Bài tập

Bảng 1.4.Sự phụ thuộc của ngưỡng dưới vào biên độ

Độ cao xung trên khối 480 Ngưỡng dưới của khối 551

1000/1000 800/1000 600/1000 400/1000 200/1000

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

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

4 Chọn chế độ Nomal và đặt ngưỡng trên ở 1000/1000 Khối 511 sẽ hoạt động giống như khi sử dụng lối ra LL Out nhưng tín hiệu chậm hơn

5 Đặt SCA hoạt động trong chế độ vi phân (Differential) Đặt ngưỡng dưới ở 100/1000 và cửa sổ (Upper-Level) ở 100/1000

6 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

II THIẾT BỊ CẦN THIẾT

- Khối cao thế 556;

-Khung NIM 4001A/4002D;

- Ống đếm Geiger Muller 903;

- Khối định thời gian và đếm 996;

- 01 cáp đồng trục C-36-12 12-ft (3,7 m) 75-ΩRG-59A/U với đầu SHV cái;

- 02 cáp 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 giá để mẫu sáu vị trí;

- Bộ đảo xung (đảo xung âm ở lối ra ống đếm G10-M thành 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;

III LÝ THUYẾT

Mô tả

Về nguyên tắc, ống đếm Geiger gồm hai điện cực và một chất khí áp suất thấp giữa hai điện cực Điện cực bên ngoài thường có dạng hình trụ, điện cực bên trong (cực dương) là một dây mảnh nằm ở tâm hình trụ Điện thế giữa hai điện cực được duy trì ở giá trị sao cho bất kỳ hạt ion hóa nào đi vào bên trong ống đếm sẽ gây ra hiện tượng thác lũ Ống đếm Geiger trong thực hành này được gọi là ống đếm cửa sổ (end–window tube) vì nó có cửa sổ ở một đầu để bức xạ ion hóa đi vào

Ống đếm Geiger không phân biệt được năng lượng hoặc các loại hạt khác nhau;

nó chỉ nhận biết số hạt hoặc tia (bêta và gamma đối với thí nghiệm này) đi vào bên trong ống đếm trong quá trình làm việc Biên độ xung tạo ra từ quá trình thác lũ thường lớn hơn 1 V Xung này 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

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 > V2 trong hình 2.2 gây nên sự phóng điện liên tục và làm giảm tuổi thọ của ống đếm

IV.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 là dương (POSitive POLARITY) và nút điều khiển đặt ở INTernal

3 Nối cáp với đầu nối MHV từ ống đếm Geiger đến lối vào có nhãn “GM Tube” trên khối đảo xung Sử dụng cáp đồng trục với đầu nối SHV, nối lối ra cao áp (OUTPUT) ở mặt sau của khối 556 đến lối vào có nhãn “HIGH VOLTAGE” trên bộ đảo xung từ ống đếm GM

4 Sử dụng cáp 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 vào 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 màn hình và đặt ở chế độ DC (input coupling to DC) Thiết lập này cho phép quan sát xung logic +4V 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 này 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 90

Sr/90Y hoặc 204Tl Nếu nguồn được chế tạo bằng cách cho hấp thụ trên một mặt của đĩa nhựa, cần đảm bảo rằng mặt phát 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 là điểm bắt đầu trong hình 2.2 Điện áp bắt đầu hiếm khi lớn hơn 900 V và 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 độ Nomal để chỉnh

12 Reset lại khối đếm 996 Đặt khoảng thời gian giữa các lần đo là 1 phút và thời gian mỗi lần đo là 1 phút Ghi lại số đếm

13 Tăng cao thế 50 V và lặp lại phép đếm trong 1 phút Ghi lại số đếm

Bài tập

a Tiếp tục thực hiện phép đo ở các 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 V2 thường <300 V Số đếm sẽ tăng nhanh với các giá trị cao áp lớn hơn V2 Khi xảy

ra điều này, giá trị cao áp đã 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 Đánh giá ống đếm Geiger đang sử dụng bằng cách đo độ dốc của plateau trên

đồ thị, nó phải <10% trên 100 V Độ dốc của đường plateau được định nghĩa như sau:

Độ dốc (% trên 100V) = ( ) 100 100 %

1 2 1 1

c Ghi lại giá trị cao thế đã chọn để dùng cho các thí nghiệm khác đối với ống đếm này

IV.2 Hiệu chỉnh thời gian phân giải cho ống đếm Geiger

IV.2.1 Mục đích

Các thí nghiệm sau sẽ được thực hiện với các khối điện tử có khả năng phân giải nhanh các sự kiện ở mức vài phần mười nanô giây Tuy nhiên ống đếm GM có đáp ứng khá chậm, nó cần thời gian cỡ micro giây để đáp ứng với các tia gamma hoặc hạt mang điện và cần vài trăm micro giây để hồi phục mới có thể xác định sự kiện tiếp theo Thời gian chết đối với ống đếm GM được định nghĩa là khoảng thời gian ngắn nhất từ 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 đầu dò, 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 và 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 các phép đo tốc độ đếm luôn được thực hiện với sự hỗ trợ của các khối điện tử và nó có đóng góp vào thời gian chết

Thời gian chết của ống đếm GM bị thay đổi mạnh khi đếm với tốc độ lớn hơn

5000 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 các phép đo về sau

IV.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):

d rT

r R

Chú ý rằng thời gian chết làm giảm tốc độ đếm ghi được so với tốc độ đếm thật

và hạn chế khả năng làm việc của ống đếm ở tốc độ đếm cao

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

đã mất một lượng xung nào 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:

d

RT

R r

% 100

% 100 RT - 1

R - time Dead

độ đếm phải cao để dễ tìm khoảng cách cực tiểu giữa các xung Có một nguy cơ rủi ro

là thời gian chết ở tốc độ đếm cao thay đổi so với ở tốc độ vừa phải Do đó thời gian chết thường được xác định ở tốc độ đếm thông thường với nguồn phóng xạ

Phương pháp chia nguồn có ưu điểm trong xác 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 Cácphần 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 này tương ứng với tốc độ đếm trong khoảng 1000 đến 2000 số đếm/giây hoặc 60000 đến 120000

số đếm/phút

Tiếp theo, lấy ra phần thứ nhất của nguồn và xác 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 Xác 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 Xác định tốc độ đếm R1 với phần thứ nhất Từ các tốc độ đếm R1, R2 và R12 xác định được, thay vào phương trình (3) tương ứng với r1, r2 và r12 Vì thời gian chết của R12< (R1 + R2) và các tốc độ đếm thực:

r12 = r1 + r2 (5)

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

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

  

12 2 1

2 / 1 2 12 1 12 2 1 2 1

R R R

R R R R R R R R

(6)Lời giải gần đúng trong một số trường hợp có dạng:

2 1

12 2 1

2R R

R R R

T d  

IV.2.3 Các bước thực hiện

1 Đặt cả hai phần của nguồn với đĩa phân chia lên giá để mẫu Đặt thời gian đo 1 phút cho khối đếm 996

2 Đo trong khoảng thời gian 1 phút

3 Nếu số đếm trong bước 2 không nằm giữa 60000 và 120000, 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 và 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 trái, 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) và so sánh 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 các phép đo ở trên

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

d Sử dụng dao động ký, xác 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 xác 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 vào ống đếm làm ảnh hưởng đến thời gian chết Xác định xem có sự ảnh hưởng này hay không?

f Câu hỏi khuyến khích: Lấy ra cả hai phần nguồn và tiến hành đo phông trong một phút Dựa vào các phương trình trong tài liệu tham khảo số 1, hiệu chỉnh phông để

có các giá trị tính toán khác cho Td?

IV.3 Xác định chu kỳ bán rã

IV.3.1 Mục đích

Mục đích của thực hành là xác định đường cong phân rã và chu kỳ bán rã của một đồng vị chưa biết Người hướng dẫn sẽ cung cấp một nguồn phóng xạ có chu kỳ phân rã ngắn để thực hành Người làm thực hành sẽ được hướng dẫn về các chu kỳ đo

và thời gian đo Ví dụ, người hướng dẫn có thể đo 10 phút mỗi giờ và thực hiện trong

6 giờ hoặc đo 2 phút trong chu kỳ 15 phút và thực hiện trong 3 giờ

IV.3.2 Các phương trình liên quan

Các đồng vị phóng xạ phân rã ngẫu nhiên theo thời gian Không thể dự đoán 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 xác 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:

N dt

Trong đó  là hằng số phân rã và đặc trưng cho mỗi đồng vị phóng xạ Số phân

rã trên giây dN/dt có thể xem như hoạt độ A

Giải phương trình vi phân (8), thu được hoạt độ thay đổi theo hàm e mũ theo thời gian:

t

e A

Trong đó A0 là hoạt độ ở thời điểm t = 0 Hoạt độ có thể xác định theo đơn vị số phân rã trên giây (dps), Becơren (Bq) hoặc Curi (Ci) Một Bq được định nghĩa là một phân rã trên giây và 1 Ci tương đương với 3,7×1010

phân rã/giây Chu kỳ bán rã T1/2 là khoảng thời gian để hoạt độ của nguồn giảm đi một nửa, mối liên hệ giữa hằng số phân rã và chu kỳ bán rã như sau:

2 / 1

693 , 0

T



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:

) T / t , exp(

r

r  0  0 693 1/ 2 (11) 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):

T r r

2 / 1 0693,0ln

Vẽ đồ thị tốc độ đếm thực theo thời gian trên thang bán lôgarít sẽ có dạng một đường thẳng Hằng số phân rã và thời gian sống có thể suy ra từ độ dốc của đồ thị

IV.3.3 Các bước thực hiện

1 Thiết lập cao thế làm việc cho ống đếm Geiger theo giá trị xác định được trong thực hành IV.1

2 Đặt nguồn cần xác định chu kỳ bán rã cách cửa sổ ống đếm GM 2 cm và đo như phần 2.1

3 Ghi lại ngày đo, thời gian đo và 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 các phép đo với các thời điểm khác nhau theo yêu cầu của người hướng dẫn Nếu không xác định được chu kỳ bán rã thì có thể thực hiện các phần khác của thực hành

Bài tập

a) Sau khi hoàn thành phép đo chu kỳ bán rã, hiệu chỉnh tốc độ đếm bị mất do thời gian chết (xem thực hành IV.3), vẽ tốc độ đếm đã hiệu chỉnh theo thời gian trên thang bán lôgarít Kết quả có dạng một đường thẳng

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

IV.4 Xác định hệ số hấp thụ tuyến tính

IV.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 là xác 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

IV.4.2 Các công thức liên quan

I = I0e-µx (13) Trong đó:

I0 cường độ ban đầu của chùm tia,

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

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

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

IV.4.3 Các bước thực hiện

1 Thiết lập cao thế làm việc cho ống đếm GM (giá trị trong thực hành 2.1)

2 Đặt nguồn 60Co cách cửa sổ ống đếm 3 cm, đo trong 2 phút và 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 các độ dày 1000 mg/cm2

, 2000mg/cm2, 3000mg/cm2 và 7000mg/cm2 Thực hành này đòi hỏi tổng bề dày dao động từ 1000 mg/cm2

đến khoảng 23000 mg/cm2 với bước thay đổi từ 1000 đến 2000 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 và ghi lại giá trị

5 Thêm hai tấm chì lên tấm đầu tiên để tăng tổng độ dày nằm giữa khoảng 1000

và 2000 mg/cm2 và tiến hành đo lại

6 Tiếp tục thêm các tấm chì để tăng độ dày, mỗi tấm từ 1000 đến 2000 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 và ghi lại các số đếm

7 Nếu thời gian chết trong các 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 giá trị này cho tất cả các giá trị đo sau khi đã hiệu chỉnh thời gian chết So sánh số đếm phông thu

được với số đếm khi lớp hấp thụ dày tối đa và khi không có lớp hấp thụ nào Kiểm tra

số đếm phông khi có lớp hấp thụ dày tối đa và 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 các phép đo có nguồn

Bài tập

a Hiệu chỉnh thời gian chết cho tất cả các số đếm đo được trong thí nghiệm III.2 nếu sự hiệu chỉnh làm 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 là tích của mật độ g/cm3 với bề dày cm của vật liệu hấp thụ

c Vẽ đường thẳng đi qua các điểm thực nghiệm, xác 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 đầu dò NaI

IV.5 Quy luật suy giảm theo bình phương khoảng cách

IV.5.1 Mục đích và các phương trình liên quan

Có nhiều điểm tương đồng giữa các tia sáng bình thường và các tia gamma Chúng đều là bức xạ điện từ và vì vậy chúng tuân 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 dàng 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:

2 0 0

4 r s

n I

rs là bán kính từ tâm nguồn ánh sáng đến bề mặt quả cầu,

int 2 s

d 0 0

r 4

a A T

 là hiệu suất nội của ống đếm GM khi đo các tia gamma,

ad là diện tích vùng hoạt của cửa sổ đầu dò,

rs là khoảng cách từ nguồn điểm đến cửa sổ của đầu dò

Từ phương trình (19), diện tích vùng hoạt cửa sổ đầu dò tương ứng một phần nhỏ ( 2

Mục đích của thí nghiệm này là kiểm chứng sự phụ thuộc 2

/

1 r s theo phương trình (19)

IV.5.2 Các bước thực hiện

1 Thiết lập điện áp làm việc cho ống đếm GM và đặt nguồn 60Co hoạt độ 1 µCi cách cửa sổ ống đếm 1cm

2 Đo trong một khoảng thời gian đủ dài để thu được số liệu có thống kê hợp lý (

4000 số đếm)

3 Đặt nguồn ở khoảng cách 2 cm và lặp lại phép đo trong cùng một khoảng thời gian Tiếp tục lặp lại với các khoảng cách trong bảng 2.1 (lưu ý rằng khoảng cách xa hơn thì thời gian đo sẽ phải tăng lên để số đếm thu được có đủ thống kê cần thiết)

Bảng 2.1.Tốc độ đếm theo khoảng cách

(số đếm/phút)

N/T đã hiệu chỉnh (số đếm/ phút)

ý tưởng này Tại sao giá trị đo được lại rất gần với cơ số 2

Có thể viết phương trình (19) dưới dạng:

4

int 0 2





Do đó, tích của tốc độ đếm thực và bình phương khoảng cách từ nguồn đến đầu

dò phải là hằng số đối với tất cả các vị trí trên mặt cầu

d Nhân tốc độ đếm đã được hiệu chỉnh trong bảng 2.1 với khoảng cách từ nguồn tới cửa sổ đầu dò tương tứng để tính K cho từng vị trí Vẽ đồ thị giá trị biểu diễn K (trục y) theo rs (trục x) trên đồ thị tuyến tính Chọn tỉ lệ trục y sao cho có thể quan sát được sự phân tán của các giá trị K

e Nếu các phương trình từ (18) đến (20) là đúng thì giá 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 xác định hiệu suất trong tài liệu tham khảo 1 để giải thích)

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

IV.6 Thống kê số đếm

IV.6.1 Mục đích

Như đã biết, các phép đo phóng xạ đối với một mẫu là độc lập với các phép đo trước đó vì quá trình phân rã 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 các phép đo riêng biệt thì sự chênh lệch số đếm của từng lần đo và số đếm trung bình của các lần

đo là 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 pháp 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 bán rã 5,26 năm đảm bảo hoạt độ có thể được coi là hằng số trong suốt thời gian thực hành

IV.6.2 Các công thức liên quan

Số đếm trung bình đối với các phép đo độc lập được xác định theo công thức:

av

n

N n

N N N N N

1

3 2

(21) Trong đó:

N1, N2, N3, … Nn và Ni là số đếm trong n phép đo độc lập

Độ lệch của số đếm trong từng lần đo so với giá trị trung bình là (Ni – Nav) Theo định nghĩa của Nav ta có:

0 ) (

đo Có thể xem thêm trong các tài liệu tham khảo 10 và 11 Như vậy ζN là 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 xác định theo số đếm trong thời gian đo T theo công thức:

N T

N T

i i av

T

Một cách có ý nghĩa để diễn tả chính xác tính thống kê của phép đo là sử dụng độ lệch chuẩn tương đối được xác định theo công thức:

i i

N i

r

N N

r

%100

%100

%100

Chú ý rằng để đạt được độ lệch chuẩn 1% đòi hỏi cần có 10000 số đếm

IV.6.3 Các bước thực hiện

1 Thiết lập điện áp làm việc cho ống đếm Geiger theo giá trị xác định được trong thực hành 2.1

2 Đặt nguồn 60Co đủ xa cửa sổ của ống đếm GM sao cho có thể thu được ~1000

số đếm trong thời gian 0,5 phút

3 Không di chuyển nguồn, đo 50 lần độc lập, mỗi lần kéo dài 0,5 phút và ghi kết quả số đếm Ni vào bảng 2.2

4 Tính giá trị Navtheo phương trình 21 Điền các giá trị Ni - Nav vào bảng 2.2 Lưu ý rằng các giá trị này có thể là dương hoặc âm và phải ghi dấu vào bảng

Bảng 2.2 Thăng giáng của số đếm trong các lần đo

được Đặc trưng Đo được

b.Vẽ đồ thị tần suất các sự kiện (N iN av)/N được làm tròn Hình 2.3 vẽ đồ thị phân bố này trong trường hợp lý tưởng.Trên đồ thị này có 8 sự kiện ở điểm không Điều này có nghĩa rằng chúng ta đã làm tròn tám số liệu trong bảng 2.2 về không và 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

V TÀI LIỆU THAM KHẢO

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 A 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)

6 G D Chase and J L Rabinowitz, Principles of Radioisotope Methodolody,

3rd Edition, Burgess Publishing Co., Minnesota (1976)

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

+ Tiền khuếch đại 113 cho đầu dò 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

- Dây cáp và đầu nối:

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

(12-ft);

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

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

+ 03 cáp 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)

- Nguồn phóng xạ:

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

57Cohoạt 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 1100 đến 7400 mg/cm2 Trong bộ mẫu này 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

III LÝ THUYẾT

III.1 Sự phát tia Gamma

Hầu hết các đồng vị phát tia bêta cũng đồng thời phát ra tia gamma trong quá trình phân rã Hạt nhân phân rã bêta thường kèm theo phát ra gamma để trở về trạng thái cơ bản Các hạt bêta thường bị hấp thụ bởi các vật liệu xung quanh và không đi vào đầu dò nhấp nháy (một lớp nhôm cũng đủ để che chắn hết tia bêta (tài liệu tham khảo 10)) Đối với thực hành này, sự phát xạ bêta xảy ra không đáng 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 đầu dò Các tia gamma có khả năng đâm xuyên mạnh và dễ dàng 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 còn lại trong nguồn sau một thời gian

Trong thực hành này học viên sẽ làm quen với một số phép đo cơ bản sử dụng đầu dò NaI(Tl) để xác định đồng vị phát gamma Tổng thời gian để thực hiện các thực hành III (III.1 đến III.10) vào khoảng 6 giờ

III.2 Đầu dò NaI(Tl)

Cấu trúc của đầu dò NaI(Tl) được minh họa trong hình 3.1, bao gồm tinh thể nhấp nháy NaI được kích hoạt bởi thallium và ống nhân quang điện Khi bức xạ gamma đi vào đầu dò, nó tạo ra các electron tự do thông qua các hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton hoặc tạo cặp Các electron được tạo ra sẽ kích thích tinh thể phát ra

các chớp sáng Những chớp sáng này gọi là các nhấp nháy, điều này giải thích tại sao đầu dò này gọi là đầu dò 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 hàm 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 tránh sự hút ẩm của tinh thể NaI Phía trong vỏ nhôm được phủ một lớp phản xạ ánh sáng để tăng lượng ánh sáng đi tới photocatôt

Các photon từ tinh thể nhấp nháy 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 các đi nốt bên trong ống thủy tinh chân không Điện thế từ đi nốt đầu đến đi nốt cuối tăng dần và 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, các 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 vào 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 gấp104 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 Hình 3.1 minh họa một số tương tác có thể xảy ra với đầu dò NaI(Tl)

và vật liệu che chắn xung quanh