Các phương pháp đo đạc hạt nhân

Các tính chất chung của máy phát hiện bức xạ Chế độ dòng và xung  Photon/hạt trong các máy ghi đo => điện tích của E  Lượng điện tích tỉ lệ với năng lượng của photon/hạt  Bộ thu điện

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÁO CÁO

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC HẠT NHÂN

Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Anh Đức

Trang 2

DANH SÁCH SINH VIÊN NHÓM 2

Trang 3

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

Trang 4

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

Trang 5

Tương tác giữa bức xạ điện từ và vật chất

• Hiệu ứng quang điện

• Tán xạ Compton

• Sự tạo cặp

• Tán xạ Rayleigh

5

Trang 6

6 Hiệu ứng quang điện

Trang 7

Mặt cắt ngang của hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện trong thể rắn

Trang 8

8 Sự chuyển dời trong

vỏ nguyên tử

Huỳnh quang tia X

Hiệu ứng Auger

Trang 9

Sự hấp thụ bức xạ trong vật chất

Trang 11

Tán xạ Compton

Photon chuyển một phần năng lượng của nó sang cho electron

Trang 12

và photon trong Δ t <10-11 s

Trang 13

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

Trang 14

Sự tán xạ liên tục (Tán xạ Rayleigh) Không chuyển giao năng lượng

Photon gamma nằm rải rác trên electron bị giới hạn

Mặt cắt ngang

Năng lượng đặc trưng trong

nước

Trang 15

Sự hủy cặp electron-positron

Quá trình tạo cặp electron-positron

Phổ kế gamma PET

Trang 18

Thí nghiệm Rutherford: khám phá cấu trúc nguyên tử

Đường đi của các hạt alpha trong trường điện từ của

hạt nhân

Hạt

lá

Góc khối

Trang 19

Z = số điện tích dương của hạt nhân

Z = số electron trong vỏ electron

Nguyên tố Số nguyên tử Z ( bởithí nghiệm Rutherford)

Trang 20

20 Sơ đồ mức năng lượng hạt nhân phóng xạ

o phát xạ Beta

o Phát xạ Anpha

o Xác suất chuyển đổi

o Năng lượng của các vạch gamma và các hạt alpha

o Phân bố năng lượng của các hạt beta

o Năng lượng tối đa của các hạt beta

o Phương thức phân rã

o Chu kỳ bán rã của đồng vị

Trang 22

Thời gian (ngày)

•Thời gian sống trung bình của một nguyên tố:

•Tỷ lệ phân rã ( hoạt độ):

•Đơn vị:

Trang 23

II Các tính chất chung của máy phát hiện bức xạ

 Chế độ dòng và xung

 Photon/hạt trong các máy ghi đo => điện tích của E

 Lượng điện tích tỉ lệ với năng lượng của photon/hạt

 Bộ thu điện tích (buồng ion, chất bán dẫn)

 Xung trên đầu ra của máy dò => Bộ khuếch đại23

Trang 24

 Chế độ dòng

24

Trang 25

Trang 26

Các hệ thống điều khiển cần có khoảng thời gian tối thiểu để tách 2 xung độc lập trong máy

Nếu 2 xung xảy ra quá nhanh thì hệ thống không thể phân biệt được

26

Đầu dò đồng bộ

Đầu dò không đồng bộ Quá trình xảy ra trên detector

Trang 27

 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

Trang 28

 Độ phân giải năng lượng:

 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

Trang 29

 Hiệu ứng chồng chập

 Hiệu ứng chồng chập xảy ra khi có 2 xung liên tiếp đi vào trong khoảng thời gian nhỏ hơn khoảng thời gian đầu dò có thể ghi nhận 2 xung liên tiếp

 Tỷ lệ đếm cao => thời gian chết dài => thêm nhiều xung vào => một xung chông chập

29

Trang 30

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

 Sai số hệ thống: là những sai số thường có trị số và dấu không đổi, lặp đi lặp lại trong các lần đo

 Sai số ngẫu nhiên: Luôn xuất hiện trong các phép đo, là do biến động của các phép đo trong quá trình đo.30

Trang 31

III Detector chứa khí

• Khí hoặc ion hoá:

 buồng ion hóa

 bộ đếm tỉ lệ

 Ống Geiger-Müller (GM)

• Cảm biến điện tử đầu tiên đo bức xạ ion hóa

• Cấu trúc đơn giản, chi phí thấp

• Thích hợp để đo bất kỳ loại bức xạ ion hóa (α, β, γ)

• Phát triển: nửa đầu của năm 20 thế kỷ XX

31

Trang 32

Cấu tạo của Detector chứa khí

Cửa sổ lối vào

Tín hiệu đầu ra

Trang 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 + +

Trang 34

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

Trang 35

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

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

Trang 37

37 Buồng ion dùng nguồn một chiều

• Hằng số thời gian của sự tích hợp

• Cường độ cao  các hạt ion hóa độc lập không thể tách rời

• Đo liều, cường độ bức xạ thường xuyên

Trang 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

Trang 39

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%

Trang 40

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

Trang 41

41 Bộ đếm tỷ lệ

• Hệ số nhân ≈ 104

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

Trang 42

• 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

Trang 43

Vị trí Detector tương đối nhạy

Máy dò tỷ lệ thuận 2D

Trang 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

Trang 45

Ống đếm tỷ lệ dò dòng chảy khí

• Góc khối của máy dò lớn

• Thùng giữ polymer mỏng

Trang 46

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

• S = tổn thất năng lượng trên một đơn vị mật độ vật liệu so với khí

• P = số cặp ion trên đơn vị khối lượng hình thành trong khí

• D = liều hấp thụ D = WSP

Liều lượng khi đo Detector khí

Trang 47

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

Trang 48

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,

Trang 49

Nguyên tắc hoạt động của ống Geiger-Müller

• 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

Trang 50

• 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

Trang 51

Ống Geiger-Müller được thiết kế đặc biệt

Trang 52

IV Detector nhấp nháy

 Loại vật liệu nào sẽ phù hợp để làm chất phát sáng nhấp nháy? Điều kiện cần là:

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

Trang 53

Cấu trúc chung của máy

53

Trang 54

Cấu trúc e của trạng thái rắn (Na)

54

Trang 55

Trạng thái điện tử trong tinh thể vô cơ

55

Trang 56

Detector với chất phát quang nhấp nháy vô cơ

 Năng lượng được hấp thụ trong tinh thể: ánh sáng, nhiệt, bức xạ ion Phát ra ánh sáng trong dải quang phổ

 Chất nhấp nháy chứa các nguyên tử Na, Tl, Eu

 Quá trình phân rã sau khi phát sáng xảy ra chậm

 Nhiệt độ phụ thuộc vào vật liệu nhấp nháy

 Trạng thái không bị chiếu xạ – nguội nhanh56

Trang 57

Vật liệu nhấp nháy NaI(Tl)

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

Trang 58

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

58

Trang 59

 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

Trang 61

Chất phát quang nhấp nhảy hữu cơ

 Gồm các hợp chất hidrocacbon thơm ,vòng benzene 61

Trang 62

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

 Mẫu ở dạng hòa tan trong chất lỏng

 Toluene, xylene, benzene

62

Trang 63

Quang phổ kế nhấp nháy dạng lỏng

63

Trang 64

Ứng dụng công nghiệp và y tế của máy dò

64

Trang 65

 Tia Gamma => chất nhấp nháy => ánh sáng => Chiếu

 Chất nhấp nháy: (Y,Gd)2O3:Eu, Lu2O3(Eu),…

65

Trang 66

Positron Emission Tomography (PET)

66

Trang 67

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

Trang 68

2 Cấu trúc dải năng lượng chất rắn68

Trang 70

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

Trang 71

71

Trang 74

3.Cấu trúc chung của đầu dò bán dẫn

Trang 75

75

Trang 76

4 Cấu trúc của tinh thể đầu dò bán dẫn Si(li) 76

Trang 77

77

Trang 78

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

78

Trang 79

Hệ làm mát đầu do Ge(Li)

79

Trang 85

Cấu trúc đầu dò

 Đầu dò CZT(4x4)

85

Trang 87

87

Trang 94

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

 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



94

Trang 95

 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

d ≈ 1-10 nm mở rộng d ≈ 10-20 μm

 Neutron: 6Li (n, α) 3H, 6B (n, α) 7Li =>α =>vết

 Chất liệu: Cellulose nitrat, cellulose axetat SiO2, PE, Plexiglas, Kính, chất dẻo

95

Trang 96

 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)

96

Trang 97

- Hấp thụ gamma, hoặc tia X trong môi trường

97

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

vật thể

Trang 98

VI Đầu dò hạt nhân đặc biệt và kỹ thuật đo lường98

Trang 99

 - ứng dụng y tế

 - Công nghiệp

 chụp ảnh bằng tia phóng xạ99

Trang 100

Trang 101

 -Ứng dụng y khoa của máy chụp PET - CT

101

Trang 102

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)



102

Trang 103

- 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

103

Trang 104

*) 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

3He (n, p)3H tiết diện phản ứng từ 4-10 bar, 3-5 kV

104

Hình lấp lánh hình cầu 6LiI (Eu) Môi trường lớp Polyetylen

Trang 105

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt

Cung cấp điện áp thấp Máy phát xung

Cung cấp điện áp cao

Trang 106

 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

Gây ra sự méo hình dạng xung

Trang 107

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

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

107

Trang 108

- Dạng xung lý tưởng:

- Các dạng xung khác nhau:

- Dạng xung thực tế:

108

Hiệu ứng chuyển tiếp

Tiền khuếch đại

Tín hiệu đơn cực Tín hiệu lưỡng cực

Trang 109

Định dạng xung

- Hình dạng bán Gauss: Một mạch tích phân + vi phân là lý tưởng cho phổ kế gamma HPGe Điện áp xung ra có dạng:

 Dạng xung hình thang: giảm sự chồng chập xung, tỉ lệ tín hiệu xấu, tỉ lệ ồn điện tử

109

Trang 110

 Khử nhiều bằng cực “không” ( P/Z)

-Tín hiệu ở đầu ra bộ khuếch đại

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

Trang 111

111

Trang 112

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

112

Xung bất kỳ Sự thay đổi đường cơ sở cố đinh

Xung ngẫu nhiên Thay đổi đường cơ sở

Trang 113

 Tín hiệu cao hơn so với đường cơ sở

 Được chuyển đổi bởi đoạn đường nối của tín hiệu

113

Trở kháng ra rất thấp

Trở kháng vào rất cao

Đườn cơ sở hồi phục đầu ra

Phụ kiện hồi phục đường cơ sở

Trang 114

 Hiệu ứng chồng chập

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

114

Đuôi chồng chập

Peak chồng chập

Trang 115

 Ảnh hưởng của việc loại bỏ hiệu ứng chồng chập lên phổ gamma:

115

Không loại bỏ chồng chập

Loại bỏ chồng chập

Trang 116

VII Điện tử hạt nhân, phương pháp đặc biệt116

Bộ khuếch đại nhạy điện áp Bộ khuếch đại nhạy điện tích

Trang 117

 TIỀN KHUẾCH ĐẠI

117

Trang 118

 TIỀN KHUẾCH ĐẠI VỚI PHẢN HỒI QUANG HỌC:

118

Tín hiệu ra Đầu dò Tín hiệu được đặt lại

Trang 119

 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

119

Định dạng
Số trang	132
Dung lượng	16,93 MB