CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC HẠT NHÂN

Các phương pháp đo đạc hạt nhân Các phương pháp đo đạc hạt nhân Các phương pháp đo đạc hạt nhân Các phương pháp đo đạc hạt nhân Các phương pháp đo đạc hạt nhân Các phương pháp đo đạc hạt nhân Các phương pháp đo đạc hạt nhân Các phương pháp đo đạc hạt nhân Các phương pháp đo đạc hạt nhân Các phương pháp đo đạc hạt nhân Các phương pháp đo đạc hạt nhân Các phương pháp đo đạc hạt nhân Các phương pháp đo đạc hạt nhân Các phương pháp đo đạc hạt nhân Các phương pháp đo đạc hạt nhân Các phương pháp đo đạc hạt nhân Các phương pháp đo đạc hạt nhân Các phương pháp đo đạc hạt nhân Các phương pháp đo đạc hạt nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÁO CÁO

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC HẠT NHÂN

Giảng viện hướng dẫn: ThS Lê Anh Đức

DANH SÁCH SINH VIÊN NHÓM 2

Nội Dung Chính:

 1.Tương tác cơ bản giữa bức xạ và vật chất

 2 Các tính chất chung của máy phát hiện bức xạ

 3 Detector chứa khí

 4 Detector nhấp nháy

 5 Detector bán dẫn

 6 Đầu dò hạt nhân đặc biệt và kỹ thuật đo lường

 7 Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

3

I.Tương tác cơ bản giữa bức xạ và vật chất

Tương tác giữa bức xạ điện từ và vật chất

• Hiệu ứng quang điện

• Tán xạ Compton

• Sự tạo cặp

•Tán xạ Rayleigh

5

6 Hiệu ứng quang điện

Mặt cắt ngang của hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện trong thể rắn

8 Sự chuyển dời trong

vỏ nguyên tử

Huỳnh quang tia X

Hiệu ứng Auger

Sự hấp thụ bức xạ trong vật chất

Tán xạ Compton

Photon chuyển một phần năng lượng của nó sang cho electron

Sự hấp thụ quang điện

Sự tạo cặp trong trường hạt nhân

Sự tạo cặp trong trường điện tử tổng độ suy giảm của sự tán xạ liên tục

trưng trong nước

MeV

3 MeV <

Sự hủy cặp electron-positron

Quá trình tạo cặp electron-positron

Phổ kế gamma PET

Thí nghiệm Rutherford: khám phá cấu trúc nguyên tử

Đường đi của các hạt alpha trong trường điện từ của

hạt nhân

Hạ t

lá

Góc khối

Z = số điện tích dương của hạt nhân

Z = số electron trong vỏ electron

Nguyên tố Số nguyên tử Z ( bởithí nghiệm

Rutherford)

20 Sơ đồ mức năng lượng hạt nhân phóng xạ

o Vạch Gamma

o phát xạ Beta

o Phát xạ Anpha

o Xác suất chuyển đổi

o Năng lượng của các vạch gamma

Thời gian (ngày)

•Thời gian sống trung bình của một nguyên tố:

•Tỷ lệ phân rã ( hoạt độ):

•Đơn vị:

II Các tính chất chung của máy phát hiện bức xạ

 Chế độ dòng và xung

23

II Các tính chất chung của máy phát hiện bức xạ

24

II Các tính chất chung của máy phát hiện bức xạ

 Có thể nghiên cứu thống kê về bức xạ

25

II Các tính chất chung của máy phát hiện bức xạ

detector

II Các tính chất chung của máy phát hiện bức xạ

 Xác định thời gian chết của đầu dò không đồng bộ

 Xác định thờI gian chết của đầu dò đồng bộ

- Thời gian chết không có khoảng cố định => Phân bố poisson

27

II Các tính chất chung của máy phát hiện bức xạ

 Tỷ số giữa độ rộng nửa chiều cao đỉnh và năng lượng của peak

 FWHM ( Full With at Hafl Maximum) : Độ rộng nửa chiều cao của đỉnh

28

II Các tính chất chung của máy phát hiện bức xạ

II Các tính chất chung của máy phát hiện bức xạ

 Sai số của phép đo: Sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên

lại trong các lần đo

các phép đo trong quá trình đo.

30

III Detector chứa khí

31

Cấu tạo của Detector chứa khí

Cửa sổ lối vào

Tín hiệu đầu ra

• Tín hiệu điện tử

• Đặc điểm: Uanode- dòng vào / xung

33 Quá trình hoạt động của ống đếm khí

• Ion hóa, quá trình kích thích nguyên tử / phân tử

• Trung bình số cặp có tính thống kê ~ 20-40 eV / ion

• Ion phân tử: He+ + He  He2+ + e

-34 Quá trình tái tổ hợp

• Bắt điện tử:

• Sự tương tác giữa các ion dương và các

ion âm  sự chuyển dời các electron

• Bắt điện tử: O2 , H2O, ; He, Ne, Ar

• Thời gian thu thập các ion là 10 ms, cho electron là 1-2μs

• E ≠ 0  khuếch tán, trôi dạt

• Hiện tượng thác lũ  gây ra ion hóa thứ cấp

• Hiện tượng ion hóa chất khí gia tăng

• Vận tốc khuếch tán của ion ≈ 1m/s (1bar, 104 V/M)

• Vận tốc khuếch tán của các electron ≈ 104 m/s

37 Buồng ion dùng nguồn một chiều

• Hằng số thời gian của sự tích hợp

• Cường độ cao  các sự kiện ion hóa đơn độc không thể tách rời

• Đo liều, cường độ bức xạ thường xuyên

38 Buồng Ion hoạt động trong chế độ xung

• Đo từng hạt riêng lẻ hoặc các photon

• Hằng số thời gian ở đầu ra của mạch RC

• Electron, v=106 cm/s  Buồng electron là nhanh

• Ion, v=103 cm/s  Buồng ion là chậm

39 Hệ thống buồng ion

• Biên độ xung phụ thuộc vào

vị trí tương tác

• Khoang ion rải rác

Buồng ion hoá hình trụ và hình cầu

• Cách bố trí điện trường: Hình trụ có trục đối xứng  xung lực không phụ thuộc vào cách bố trí

• Gần cực dương hệ số nhân của khí rất quan trọng  hạn chế vùng bán kính quanh anot  làm giảm quá trình nhân lên của electron

• Hệ số nhân ≈ 104 - 105 , tín hiệu bị nhiễu cao

• Độ phân giải năng lượng ≈ 1%

Các tính chất chung của buồng ion

• Cửa sổ vào  hấp thụ thấp

Be, polyethylene, Al,

• Vách buồng như nguồn tiếng ồn

Các đồng vị U, Th, 40K

• Buồng phân tách: Trên tường buồng

có lớp phủ U, Th

• Mức năng lượng đầu ra trong buồng 

khối lượng khí, mật độ, số nguyên tử,

• Nạp khí: có Z cao  Kr, Xe

• Công cụ lý tưởng để đo lường các đồng vị khí

41 Bộ đếm tỷ lệ

• Hệ số nhân ≈ 104

• Ảnh-ion hóa  nhân tố mang tính quy định 10% CH4 + 90% Ar

ảnh hấp thụ cao là cần thiết

•Hiệu ứng ảnh ở gần trục cathode  sinh ra các electron thứ cấp

•Hệ số nhân tăng cao ở gần anode  tín hiệu đầu ra là độc lập với vị trí của sự ion hóa

• danode ≈ 10 – 100 μm

• U = 2000 V, ra = 80 μm, rk = 10 mm  E ≈ 106 V/m

• Làm nguội: khí CH4 nén

• Sự chênh lệch của tín hiệu ra  xung ngắn hơn

• Độ phân giải năng lượng ≈ 10 -15% (E = 5,9 keV)

• Mức dao động của điện áp thấp được cho phép (10-4), đạt được độ phân giải năng lượng tốt

• Phát hiện neutron bằng khí 3H, BF3

• Phát hiện electron với ống cửa sổ cuối (Be hoặc PE)

80-100 μg / cm2

43 Vị trí Detector tương đối nhạy

Máy dò tỷ lệ thuận 2D

44 • Phát hiện vị trí hình học của các ion hóa

• Vị trí ion hóa + thời gian thu ion  quỹ đạo hạt

• Độ phân giải không gian <100 μm

• Một buồng Khuếch tán hình trụ là lý tưởng để xác định quỹ đạo của các hạt

Buồng khuếch tán

45 Ống đếm tỷ lệ dò dòng chảy khí

• Góc khối của máy dò lớn

• Thùng giữ polymer mỏng

46 • W = tổn thất năng lượng trung bình trên mỗi cặp ion tạo thành

Ống đếm Geiger-Müller

• Điện áp tăng  hệ số nhân tăng rất lớn ≈ 106 - 107

• Việc làm nguội là cần thiết do số lượng ion lớn

• Nhận thấy năng lượng độc lập

• Ống G-M không phải là một phổ kế

• Tín hiệu đầu ra cao (≈ 1-2 V)  điện tử đơn giản

Ống đếm Geiger-Müller 1905

• Thời gian chết: 50-100  Imax≈ 500 cps M ≈ 106 - 107

• 1-2 μs  xả dọc theo chiều dài của dây anode

• Cơ cấu UV  electron, ion

• vion / velectron ≈ 103  ion tạo ra điện tích dọc theo cực anode

Làm nguội bên ngoài

•khí 10% Cl2, Br2,

• Độ dốc của đường plato phụ thuộc vào hình học, thành phần của khí nguội

• Cần điều chỉnh thời gian chết

• Điện áp ngưỡng UK

• Điện áp hoạt động UM

• Bộ đếm Beta để đo các hoạt động thấp trong hình học hình cầu

• Tốc độ đếm tối đa ≈ 500 cps

• Hiệu quả phụ thuộc vào tính chất của cửa sổ

• phông phóng xạ phụ thuộc vào vật liệu của ống

• Nhiệt độ ảnh hưởng đến hoạt động GM -40 - +60 0C

• Ưu điểm của máy dò: nhanh, rẻ, dễ sử dụng, vv

Ống Geiger-Müller được thiết kế đặc biệt

IV Detector nhấp nháy

nháy? Điều kiện cần là:

 Có thể sản xuất với kích thước lớn (10-50cm)

Cấu trúc chung của máy

53

Cấu trúc e của trạng thái rắn (Na)

54

Trạng thái điện tử trong tinh thể vô cơ

55

Detector với chất phát quang nhấp nháy vô cơ

Phát ra ánh sáng trong dải quang phổ

56

Vật liệu nhấp nháy NaI(Tl)

 Phương pháp Bridgemantrong sản xuất tinh thể đơn (d < 20-40 cm!)

Quang phổ của nguồn 137Cs, 76x76 mm NaI(Tl)

58

 λmax = 550 nm, η = 4%,không thấm nước

 cường độ quang phát quang=0.1-3.5µs, phụ thuộc vào hạt –sự khác biệt về dạng xung -xác định hạt

59

Chất phát quang nhấp nhảy hữu cơ

61

 η = 4%, thời gian phát quang cỡ nano giây

 Mẫu ở dạng hòa tan trong chất lỏng

 Toluene, xylene, benzene

62

Quang phổ kế nhấp nháy dạng lỏng

63

Ứng dụng công nghiệp và y tế của máy dò

64

65

Positron Emission Tomography (PET)

66

V Detector bán dẫn

1 Các tính chất chung của đầu dò bán dẫn  

 Vật liệu rắn: Si, Ge, CdTe, HgI2,…, kích thước nhỏ

 Thời gian hồi đáp ngắn cỡ ns

 Hoạt động được trong điều kiện không khí và chân không

 Không nhạy với từ trường

 So sánh năng lượng cần để tạo ra 1 điện tử tự do

• Đầu dò nhấp nháy 40-100eV

• Đầu dò ion hóa-khí 20-40eV

• Đầu dò bán dẫn 1-2eV

67

2 Cấu trúc dải năng lượng chất rắn

68

3 Sự dịch chuyển e trong chất bán dẫn tinh khiết và pha tạp.

70

71

3.Cấu trúc chung của đầu dò bán dẫn

75

4 Cấu trúc của tinh thể đầu dò bán dẫn Si(li)

76

77

5.Cấu tạo của đầu dò HpGe làm mát bằng Nito

78

Hệ làm mát đầu do Ge(Li)

79

Cấu trúc đầu dò

85

86

89

VI Đầu dò hạt nhân đặc biệt và kỹ thuật đo lường

 1 Detector Cherenkov

 Hiện tượng: các hạt tích điện chuyển động rất nhanh ở môi trường v~ c

 Hạt trong môi trường điện môi chuyển sang trạng thái kích thích lưỡng cực

 Phân phối nhị phân bức xạ RM: = c* : tốc độ ánh sáng trung bình

 Dùng đo tốc độ, năng lượng

 Trong lò phản ứng hạt nhân: đo các electron từ sự phân rã beta, các photon gamma

  

96

VI Đầu dò hạt nhân đặc biệt và kỹ thuật đo lường

 Đầu dò hạt nhân trạng thái rắn

- Dùng để do hạt có khả năng ion hóa đặc hiệu cao

- hạt đi vào sẽ phân huỷ các phân tử trong tinh thể khoáng (mica) dọc theo con đường đi của hạt

VI Đầu dò hạt nhân đặc biệt và kỹ thuật đo lường

 Thí nghiệm đo neutrino từ mặt trời đầu tiên năm 1967 của R Davis ( Giải Nobel năm 2002)

 Thí nghiệm tại Homestake

(Hoa Kỳ)

 Được đổ đầy 615 tấn

perchloroethylene (C2Cl4)

98

VI Đầu dò hạt nhân đặc biệt và kỹ thuật đo lường

 2 Chụp X quang bằng tia gamma và tia X

- Hấp thụ gamma, hoặc tia X trong môi trường

99

Phép chiếu 2D cung cấp thông tin được tích hợp trên các lớp được chiếu sáng trong vật thể

VI Đầu dò hạt nhân đặc biệt và kỹ thuật đo lường

100

VI Đầu dò hạt nhân đặc biệt và kỹ thuật đo lường

101

VI Đầu dò hạt nhân đặc biệt và kỹ thuật đo lường

VI Đầu dò hạt nhân đặc biệt và kỹ thuật đo lường

103

VI Đầu dò hạt nhân đặc biệt và kỹ thuật đo lường

3.Phát hiện neutron trong lò phản ứng hạt nhân

- SPND =đầu dò neutron tự cung cấp+Mặt cắt ngang cao đối với bức xạ neutron β, γ+103Rh (100%), = 139 barn 104Rh, T1/2 = 42 s, Eβmax = 2.44 MeV+Độ nhạy khi phát hiện neutron ≈ 10-21 A (n / cm2)

  

104

VI Đầu dò hạt nhân đặc biệt và kỹ thuật đo lường

*) Các phản ứng được sử dụng để phát hiện neutron nhiệt

- Bộ đếm BF3, chế độ tỷ lệ thuận, 10B được chứa trong ống, tuổi thọ ống đếm được giới hạn bởi số nguyên tử B

p = 1-2 bar, U = 1000-3000 V, hiệu quả (E = 0.025 eV) ≈ 96%

- Nhược điểm: sự phân biệt tín hiệu độ nhạy gamma

- Bộ đếm tỷ lệ vách ngăn 10B (n, α) 7L

105

VI Đầu dò hạt nhân đặc biệt và kỹ thuật đo lường

 Phát hiện neutron nhanh

*) Bộ đếm 6Li để phát hiện nơtron nhanh (E> 1eV)

6Li (n, α) 3H + 4,8 MeV

- Đặt tấm LiF giữa hai detector Si-PIPS.

*) Sự đo lường ngẫu nhiên của biên độ cặp (α, 3H) của tín hiệu kết hợp tỷ lệ với năng lượng neutron

106

Hình lấp lánh hình cầu 6 LiI

(Eu) Môi trường lớp Polyetylen

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

 Xử lý tín hiệu điện tử

 Tối ưu hóa tín hiệu / tiếng ồn

 Mạch điều chỉnh tín hiệu: RC, CR

 Cáp trở kháng

 Chu kỳ không đổi

 Thời gian thu gom điện tích: ~50μs

 Nối tiếp đất

 Sự phản xạ

108

Tín hiệu ra trên tiền khuếch đại

Dạng tín hiệu

ra lý tưởng

Gây ra sự méo hình dạng xung

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

 Các yếu tố cơ bản của xử lý tín hiệu điện tử:

- Mạch vi phân - Mạch tích phân - Mạch kết hợp CR-RC

Bộ lọc thông cao Bộ lọc thông thấp Bộ lọc băng thông

109

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

 Các yếu tố cơ bản xử lý tín hiệu điện tử:

Tín hiệu đơn cực

Tín hiệu lưỡng cực

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

 Các yếu tố cơ bản xử lý tín hiệu điện tử:

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

-Tín hiệu ở đầu ra bộ khuếch đại

- Sự suy giảm của tiền khuếch đại: ~50μs

112

Phân rã hữu hạn Tín hiệu lưỡng cực

Cấu tạo cực “ không”

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

 Ảnh hưởng của sự hủy bỏ cực-zero đối với độ phân giải năng lượng

113

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

 Sự thay đổi đường cơ sở:

 Hệ số đếm cao xác định bởi thời gian liên tục của mạch điều chế tín hiệu

114

Xung bất kỳ Sự thay đổi đường cơ sở cố đinh

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

 Tín hiệu cao hơn so với đường cơ sở

 Được chuyển đổi bởi đoạn đường nối của tín hiệu

115

Trở kháng ra rất thấp

Trở kháng vào rất cao

Đườn cơ

sở hồi phục đầu ra

Phụ kiện hồi phục đường

cơ sở

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

Chồng chập: ảnh hưởng nhiễu giữa các xung riêng lẻ

 Thiết lập PZ phục hồi đường cơ sở

 Cần phải loại bỏ chồng chập xung

116

Đuôi chồng chập

Peak chồng chập

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

117

Không loại bỏ chồng chập

Loại bỏ chồng chập

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

118

Bộ khuếch đại nhạy điện

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

 Khối tiền khuếch đại được đặt gần với đầu dò

 Phản hồi quang học loại bỏ nguồn gốc tiếng ồn nhiệt

 Bộ tiền khuếch đại được làm mát bằng cryogenically

119

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

 TIỀN KHUẾCH ĐẠI VỚI PHẢN HỒI QUANG HỌC:

120

Tín hiệu ra Đầu dò

Tín hiệu được đặt lại

Tiền khuếch đại với phổ kế gamma Tiền khuếch đại với phổ kế tia X

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

 BỘ KHUẾCH ĐẠI TUYẾN TÍNH

- Tw: độ dài xung

- Tp: thời gian đỉnh

- Tr : thời gian tăng lên

- Tf: thời gian phân rã

 Thời gian ghi nhận:

Det Nhấp nháy 0.5-1 µs Si(Li) 10 µs

Ge3-6 µs

121

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

122

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

 Nguồn cấp cho Detector

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

 Tách các tín hiệu điện tử:

 Chuyển mạch cho xung tuyến tính:

chặn hoặc cho qua các tín hiệu

 Phân tách xung

124

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

 Chuyển đổi các xung tuyến tính

thành xung logic

 Cắt ồn từ tín hiệu đầu vào

 Loại bỏ phông

 Ura > 0 nếu tín hiệu trên đường cơ

sở ( Ud: Ngưỡng phân biệt)

125

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

 Phân tích kênh đơn

 Hai mức phân biệt độc lập: trên,

dưới

 Đo phổ chứa ít năng lượng

 Đo lường ngẫu nhiên

126

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

 BỘ CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ SANG SỐ: WILKINSON LOẠI ADC

 Thời gian chết dài

 Thời gian chết phụ thuộc biên độ 1-30 µs

 Độ phân giải, độ chuyển đổi tăng

127

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

TỰ SANG SỐ: XẤP XỈ KẾ TIẾP

 Thời gian chết ngắn: 1-5 µs

 Tần số không tuyến tính nhỏ hơn 1%

128

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

 PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẶC BIỆT: HOẠT ĐỘ THẤP

 Tăng thời gian đo

 Tăng hiệu suất : detector to hơn, hình học đo tốt hơn, dùng cốc Marinelli

130

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

 NGUỒN GỐC CỦA PHÔNG VÀ SỰ SUY GIẢM THỤ ĐỘNG CỦA NÓ:

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

 Phương châm: Viết tất cả những gì bạn đang làm và làm những gì bạn viết

 Nguồn dữ liệu: IAEA, http://ie.lbl.gov/education/isotopes.htm

 Các nguồn chuẩn: 152Eu, 60Co, 241Am, 137Cs, 22Na

 Kiểm soát các phép đo: Đồng vị đo chuẩn, hình học đo chuẩn, đo lặp đi lặp lại

 Thử nghiệm phổ gamma và phương pháp đánh giá: tìm kiếm đỉnh, xác định diện tích đỉnh

 Công nhận: + Phòng thí nghiệm đo lường

+ Phòng thí nghiệm lấy mẫu + Phòng thí nghiệm hiệu chuẩn

132

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

 Các phép đo kiểm soát chất lượng được thực hiện bởi máy dò HPGe

133

 CẢM ƠN THẦY VÀ CÁC

BẠN ĐÃ LẮNG NGHE BÀI THUYẾT TRÌNH

134