Bài tập kỹ thuật đo đạc

Lặp lại với hạt alpha tương tự trong khí Hydro 2.2 Xem hình 2.7, ước lượng năng lượng còn lại trong một chùm proton sau khi đi được 100um trong silicon 2.3 Sử dụng hình 2.10, tìm năng l

VIỆN KỸ THUẬT HẠT NHÂN VÀ VẬT LÝ MÔI TRƯỜNG

BÀI TẬP

KỸ THUẬT ĐO ĐẠC BỨC XẠ I

Hà Nội, 5-2018

CHƯƠNG 2: TƯƠNG TÁC BỨC XẠ 2.1 Ước tính thời gian cần làm chậm thiết để hạt alpha có năng lượng 5Mev dừng lại trong

silicon Lặp lại với hạt alpha tương tự trong khí Hydro

2.2 Xem hình 2.7, ước lượng năng lượng còn lại trong một chùm proton sau khi đi được

100um trong silicon

2.3 Sử dụng hình 2.10, tìm năng lượng bị mất gần đúng của hạt alpha 1Mev trong lá vàng

dày 5um

2.4 Ước tính quãng chạy của electron 1Mev trong nhôm với sự trợ giúp của hình 2.14 2.5 Tính năng lượng photon tia gamma 1Mev sau khi tán xạ Compton góc 90 độ

2.6 Cho ước tính sơ bộ về tỷ lệ xác suất trên mội nguyên tử để hấp thụ quang điện trong

silicon và gemani

2.7 Chỉ ra trong 3 qua trình tương tác chính( hấp thụ quang điện, tán xạ Compton, tạo cặp)

chiếm ưu thế trong trường hợp sau:

a) tia gamma 1MeV trong nhôm

b) tia gamma 100keV trong hydro

c) tia gamma 100keV trong sắt

d) tia gamma 1MeV trong chì

2.8 (a) Từ hình 2.18, tính quãng chạy tự do trung bình của tia gamma 1MeV trong NaI(

khối lượng riêng 3.67)

(b) Xác suất để một tia gamma 600Kev hấp thụ quang điện trong tinh thể NaI dày 1cm

2.9 Xác định các ý sau:

(a) Khối lượng hấp thụ

(b) Hệ số tích lũy

(c) Tán xạ notron không đàn hồi

(d) Tiết diện vĩ mô

(e) Dòng notron

2.10 Đối với tia gamma năng lượng 140 keV, hệ số suy giảm khố đối với hydro và oxy

tương ứng là 0.26 và 0.14 cm2/g Quãng chạy tự do trung bình trong nước với năng lượng này là gì?

2.11 Cần bao nhiêu hạt alpha 5MeV để có tổng năng lượng 1J?

2.12 Một chum electron 1MeV đi vào q bia Đối với một chum 100uA, tìm năng lượng mất

đi trong bia

2.13 Dùng dữ liệu trong bảng 2.1, ước tính tỷ lệ phơi nhiễm cách 5m từ một nguồn 60-Co

1Ci

2.14 Tính tỷ lệ tăng nhiệt độ trong một mẫu nước tiếp xúc với bức xạ dẫn đến liều hấp thụ

10mrad/h

2.15 Sử dụng dữ liệu trong hình 2.22b, ước tính liều hiệu dụng tương đương với một cá

nhân bị chiếu 8h mỗi ngày tại khoảng cách trung bình 5m so với nguồn notron nhanh

Cf-252 3ug( xem phần thảo luận về các nguồn phân hạch tự phát trong chương 1)

CHƯƠNG 5: BUỒNG ION HÓA KHÍ 5.1 Tính lượng điện tích ion dương( hoặc electron tự do) tạo ra khi một hạt alpha năng

lượng 5.5 MeV mất toàn bộ năng lượng trong vùng hoạt đầu ghi chứa khí He Tìm giá trị dòng bão hòa tương ứng nếu mỗi giây có 300 hạt alpha đi vào buồng ipn hóa chứa khí He

5.2 Bảng số liệu dưới đây thu được từ một buồng ion hóa dưới điều kiện liều chiếu bức xạ

không đổi:

Áp dụng phương pháp ngoại suy tóm tắt trang 136, tìm dòng điện bão hòa Giá trị điện áp tối thiểu bằng bao nhiêu để đạt được dòng điện với 0.5% bão hòa

5.3 Một buồng ion hóa nhỏ có điện dung 75 pF ban đầu được tích điện tới giá trị điện áp

25 V Nếu thể tích vùng hoạt chứa 50 cm3 khí ở điều kiện tiêu chuẩn, liều chiếu tia gamma phải bằng bao nhiêu để điện áp trên buồng giảm xuống 20V

5.4 Một buồng ion hóa cấu tạo bỏi hai bản điện cực phẳng, đặt song song cách nhau 5 cm

Buồng nạp đầy khí metan ở áp suất 1 atm và hoạt động dưới điện áp nuôi bằng 1000 V

Từ dữ liệu hình 5.2, tính toán giá trị thời gian tối đa thu nhận electron

5.5 Một buồng ion hóa có cấu tạo như hình 5.8 có điện dung tương ứng của buồng là 250

pF Ban đầu buồng được nạp điện tới điện áp 1000 V, và đặt trong trường bức xạ tia gamma Sau 30 phút, giá trị điện áp trên buồng là 850 V Tính giá trị dòng điện trung bình

đo được trên buồng

5.6 Với sự trợ giúp của hình 2.14, ước tính giá trị khoảng cách thâm nhập tối đa của một

electron trong không khí có năng lượng ban đầu 0.5 MeV

5.7 Một buồng ion hóa khí tự do có cấu tạo như hình 5.10, có kích thước thể tích vùng hoạt

rất nhỏ Ước lượng khoảng cách tối thiểu giữa các điện cực sao cho sự bù điện tích được duy trì tới giá trị cực đaiạ năng lượng chùm tia gamma bằng 5 MeV

5.8 Năng lượng hạt beta phát xạ bởi nguồn đồng vị 14C là 49 keV Tính giá trị dòng điện bão hòa nếu nguồn đồng vị trên ở dạng CO2 được đưa vào buồng ion hóa có thể tích lớn,

đã chứa khí nén argon

5.9 Tính giá trị dòng điện tối thiểu đo được nếu buồng ion hóa có thể tích 1 lít được sử

dụng như một máy đo liều bức xạ gamma chỉ mức liều 0.5 mR/h (35.8 pC/kg.s)

5.10 Một buồng ion hóa điện cực phằng song song hoạt động ở chế độ nhạy điện tử Tính

giá trị biên độ xung thu được từ 1000 cặp ion sinh ra ở vị trí cách another 2 cm Khoảng cách giữa hai bản điện cực bằng 5 cm

5.11 Một buồng ion hóa nhỏ chứa khí đặt cách xa 10 m so với nguồn bức xạ gamma có

năng lượng 1 MeV Tưởng tượng rằng vỏ buồng cấu tạo từ nhôm và có bề dày thay đổi được Bỏ qua bức xạ phông, hãy vẽ đường mô tả sự phụ thuộc giữa dòng ion hóa trong buồng với bề dày vỏ buồng dưới hai điều kiện sau:

a Thực nghiệm được tiến hành trong phòng thí nghiệm chứa đầy không khí

b Thực nghiệm được tiến hành trong một vệ tinh, không gian xung quanh hoàn toàn là chân không

5.12 Một buồng ion hóa khí tương đương có lớp vỏ bằng nhôm Bề dày tối thiểu của lớp

vỏ bằng bao nhiêu để quá trình bù điện tích được duy trì tới năng lượng cực đại của chùm tia gamma là 10 MeV

5.13 Một buồng ion hóa chứa khí hoạt động ở áp suất 3 atm và nhiệt độ 1000C Thể tích vùng hoạt là 2500 cm3 Tìm giá trị dòng bão hòa tương ứng với liều chiếu xạ tia gamma bằng 100 pC/kg.s

5.14 Một buồng ion hóa xách tay có thể tích bên trong là 10 cm3 và điện dung bằng 20 pF Giá trị điện áp thay đổi có thể phát hiện được nhỏ nhất là 50 mV Tìm giá trị liều chiếu gamma nhỏ nhất mà buồng có thể phát hiện được

5.15 Dựa vào giá trị độ linh động của ion và elecctron trong không khí, tính toán tỉ lệ độ

dốc của hai đoạn thẳng ở sườn tăng của xung trên hình 5.16

CHƯƠNG 6: ỐNG ĐẾM TỶ LỆ 6.1 Giả thiết rằng W= 26.2 eV/ cặp ion và hệ số Fano F=0.17 đối với khí argon, tìm giá trị

trung bình và độ lệch chuẩn kỳ vọng của số cặp ion tạo ra bởi quá trình hấp thụ bức xạ có năng lượng 1 MeV

6.2 Giải thích tại sao không khí được sử dụng rộng rãi trong buồng ion hóa nhưng hiếm

khi được sử dụng trong ống đếm tỷ lệ

Không khí không được dùng trong ống đếm tỷ lệ bởi vì nó có hệ số bắt electron lớn, vậy nên sự khuếch đại khí không thể xảy ra dưới điều kiện bình thường Không khí có thể dùng trong buồng ion hóa khí bởi vì electron tự do hay ion dương có thể được thu nhận

6.3 a Một ống đếm tỷ lệ với dây anothe có bán kính 0.003 cm và cathode có bán kính 1.0

cm, chứa khí P-10 ở áp suất 1 atm Dùng các thông số trong bảng 6.1, tìm điện áp nuôi yêu cầu để đạt được hệ số khuếch đại 1000

b Với cùng điện áp nuôi, hệ số khuếch đại khí thay đổi như thế nào nếu bán kính dây anothe tăng gấp đôi

c Giữ nguyên bán kính dây anothe, hệ số khuếch đại thay đổi thế nào nếu bán kính cathode tăng gấp đôi

6.4 Một ống đếm tỷ lệ dòng không cửa sỏ được sử dụng để ghi nhận hạt alpha 5 MeV dừng

hoàn toàn trong thể tích chứa khí của ống đếm Ống đếm có bán kính dây another bằng 0.005 cm, bán kính cathode bằng 5.00 cm và chứa khí P-10 ở 1 atm Dùng dữ liệu từ bảng 6.1, ước tính biên độ xung điện áp ra từ ống đếm khi điện áp nuôi bằng 2000 V và điện dung thu nhận bằng 500 pF

6.5 Mô tả quá trình đo đạc xác định vùng hoạt động tỷ lệ thực của ống đếm tỷ lệ Nêu một

cách chi tiết về những đại lượng nào được đo và dữ liệu đo đạc được sử dụng như thế nào

để đưa ra những thông số cần biết Giả thiết rằng bạn có tất cả những nguồn đồng vị phóng

xạ cần thiết

6.6 Giải thích phát biểu sau: Trong ống đếm tỷ lệ không cửa sổ, biên độ xung lối ra gây

bởi nguồn hạt alpha sẽ tăng với năng lượng hạt alpha, trong khi thu được kết quả ngược lại đối với hạt beta

6.7 Một tiền khuếch đại nhạy điện áp yêu cầu biên độ xung lối vào tối thiểu phải bằng 10

mV để duy trì tỷ số tín hiệu/ nhiễu hợp lý Hệ số khuếch đại có giá trị bằng bao nhiêu trong ống đếm tỷ lệ chứa khí argon có điện dung 200 pF nếu ghi nhận tia X có năng lượng 50 keV

6.8 Một ống tỷ lệ dạng trụ có bán kín dây another bằng 0.003 cm và bán kính cathode bằng

2.0 cm Ống đếm hoạt động dưới điện áp nuôi bằng 2000 V Nếu điện trường tối thiểu 1.0 MV/m được yêu cầu để khới phát quá trình khuếc đại khí thì tỷ lệ thể tích của miền khuếch đại khí so với thể tích của ống bằng bao nhiêu

6.9 Giải thích chức năng của ống dẫn trường trong một số thiết kế của ống đếm tỷ lệ 6.10 Giải thích những đoạn không liên tục đột ngột trên đường cong thể hiện tính chất hấp

thụ của nhiều loại khí trong hình 6.16

6.11 Tại sao đầu ghi tỷ lệ khí nhấp nháy thường hoạt động với điện áp dưới mức yêu cầu

cho quá trình khuếch đại điện tích

CHƯƠNG 7: ỐNG ĐẾM GEIGER-MUELLER 7.1 Tại sao khí dập tắt trong ống G-M lại có thế ion hóa thấp hơn khí chính?

7.2 Dự đoán hiệu ứng hiệu ứng xảy ra đối với giá trị điện áp khởi phát của ống đếm GM

khi thực hiện thay đổi dưới đây trong khi các thông số khác không đổi

a Tăng gấp đôi đường kính của dây anothe

b Tăng gấp đôi áp suất khí

c Tăng gấp đôi mật độ khí dập tắt

7.3 Tại sao biên độ xung thu được từ ống GM tiếp tục tăng khi điện áp nuôi, ngay cả khi

đã đạt tới trạng thái phóng điện Geiger toàn phần( đạt tới điểm kết thúc quá trình phóng

điện)?

7.4 Tính giá trị điện áp tại đó ống đếm mô tả trong bài 6.3 bắt đầu chế độ hoạt động tại

miền Geiger Giả thiết rằng mỗi cặp ion sinh ra trong hiệu ứng thác lũ làm ba nguyên tử

bị kích thích và sau đó photon hình thành do các nguyên tử này về trạng thái ban đầu có xác suất gây ra sự kiện thác lũ thứ cấp là 10-5

7.5 Ống đếm tỷ lệ và GM đều hoạt động dựa trên hiệu ứng khuếch đại khí bên trong ống

Hãy đưa ra nhận xét và so sánh đáp ứng của từng loại ống đếm về các đặc tính sau:

a) Thay đổi biên độ xung khi thay đổi điện áp nuôi

b) Mức độ cần thiết cũng như chức năng của khí dập tắt

c) Khả năng phân biệt hạt mang điện tích nặng và bức xạ electron

d) Khả năng đạt được tốc độ ghi nhận cao

e) Hiệu suất đếm đối với bức xạ Gamma có năng lượng 1MeV

7.6 Hiệu suất nội của một ống đếm khí( ống đếm tỷ lệ hoặc ống đếm GM) khi sử dụng

ghi nhận bức xạ gamma năng lượng trung bình (~1MeV) sẽ phụ thuộc vào bề dầy của thành ống đếm theo hình dưới đây

a) Giải thích đặc tính chung đường cong mô tả trong hình vẽ

b) Đưa ra đánh giá về giá trị tối ưu của tm và liên hệ tm với các tính chất vật lý cơ bản

7.7 Ống đếm GM hoạt động với một hệ đếm có yêu cầu phải phóng điện Geiger hoàn toàn

trước khi thực hiện đếm Thời gian chết của nó được mô tả tốt hơn bởi mô hình paralyzable hay nnonparalyzable

7.8 Ống đếm GM được vận hành với khí trong ống có áp suất 0.5atm, độ linh động của

điện tử tự do là 1.5x10-4(m/s).(m/V).atm Để quá trình thác lũ xảy ra thì điện trường trong ống phải đạt tới giá trị 2x106 V/m Ống có anode với đường kính dây là 0.005 cm và đường kính cathode là 2cm Tính thời gian trôi của 1 electron từ cathode tới vị trí xảy ra thác lũ nếu điện áp giữa anode và cathode là 1500V

CHƯƠNG 8: ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY 8.1 Tính hiệu suất phát quang của Anthracene trong trường hợp năng lượng tiêu hao của

hạt 1MeV tạo ra 20,300 photon có bước sóng trung bình 447 nm

8.2 Giả thiết hằng số phân rã là 230 ns, thời gian yêu cầu sự kiện phát quang trong tinh thể

vô cơ NaI( Tl) đạt 99% suất phát quang toàn phần là bao nhiêu?

8.3 Giả thiết xung phát quang trong mỗi trường hợp có dạng phụ thuộc hàm mũ (eX), tìm

tỷ số giữa độ sáng cực đại( tốc độ phát photon) của xung gây ra bởi quá trình tiêu hao năng lượng như nhau trong NaI( Tl) và anthracene

8.4 Để dễ dàng lựa chon chất nhấp nháy cho các ứng dụng thực tế, hãy đưa ra các so sánh

giữa một chất nhấp nháy vô cơ tiêu biểu [ ví dụ NaI(Tl)] với một chất nhấp nháy hữu cơ tiêu biểu [ ví dụ Anthracene] theo các tính chất sau

a Tốc độ đáp ứng

b Suất phát quang

c Độ tuyến tính của suất phát quang theo năng lượng tiêu hao

d Hiệu suất ghi nhận đối với tia gamma năng lượng cao

e Giá thành

8.5 Giải thích vai trò của một lượng nhỏ chất kích hoạt thêm vào rất nhiều chất nhấp nháy

vô cơ Tại sao không cần thiết phải thêm chất kích hoạt vào chất nhấp nháy hữu cơ?

8.6 Chất nhấp nháy nào có hiệu suất chuyển đổi năng lượng chùm electron 2MeV thành

năng lượng ánh sáng cao nhất?

8.7 Giải thích phát biểu sau đây: Các chất nhấp nháy dạng tinh thể vô cơ vẫn duy trì tốt đặc

tính chuyển đổi năng lượng tiêu hao thành năng lượng ánh sáng khi bị hòa tan trong mộ

dung môi, trong khi các chất nhấp nháy hữu cơ không còn đặc tính này nữa khi bị hòa tan

8.8 Ánh sáng nhấp nháy được phát ra một cách đẳng hướng trong một tấm chất nhấp nháy

dạng Plastic( xem bảng 8.1) Giả thiết tấm chất nhấp nháy dạng plastic rộng vô hạn, tính

tỷ lệ ánh sáng phát ra từ mỗi bề mặt của tấm

8.9 Mắt người có khả năng ghi nhận lượng ánh sáng tối thiểu 10 photon trong dải ánh sáng

nhìn thấy Một quan sát viên có đường kính conn ngươi 3 mm có phát hiệ được các sự kiện phát quang gây ra bởi quá trình tương tác của hạt beta năng lượng 1MeV trong tinh

thể NaI(Tl) hay không khi nhìn vào bề mặt của tinh thể nhấp nháy này ở khoảng cách cm

8.10 a Notron nhanh năng lượng 1MeV đi qua đường kính 0.3 mm chất nhấp nháy dạng

sợi nhựa Từ dữ kiện cho bởi chương 2, ước tính năng lượng gửi qua

b Giả sử hiệu suất chất nhấp nháy là hợp lý, tính số lượng photon nhấp nháy tương ứng tạo thành dọc theo đường đi

c Chỉ số khúc xạ của lõi và lớp vỏ là 1.58 và 1.49, và sợi có độ dài suy giảm là 2m Ước tính số lượng photon nhấp nháy đến được đầu cuối của sợi cách 1m từ điểm tương tác

CHƯƠNG 9: ỐNG PHOTOMULTIPLIER VÀ PHOTODIODES

9.1 Tính giới hạn bước sóng tương ứng với độ nhạy của lớp quang cathode có công thoát

electron là 1.5 eV

9.2 Tìm thời gian dịch chuyển giữa hay dynoodes trong ống PM nếu khoảng cách giữa hai

dynodes liên tiếp là 12 mm và độ chênh lệch điện thế giữa chúng là 150 V Giả thiết điện trường phân bố đều

9.3 Sử dụng dữ liệu vẽ trên hình 9.3, tìm mức điện thế cần thiết cấp cho ống nhân quang

điện có 6 tầng nhân electron dùng dynodes GaP( Cs) để đạt được hệ số nhân 106

9.4 Dòng tới từ ống nhân quang điện có hệ số nhân electron là 106 đo được là 2 nA Giá trị này tương ứng với tốc độ phát xạ electron bằng bao nhiêu ở quang cathode

9.5 Hệ số nhân trên một dynode của ống nhân quang điện 10 tầng biến thiên theo quy

luật V0.6, trong đó V là điện áp giữa hai dynode liên tiếp Nếu ống hoạt động ở mức điện

áp 1000 V, điện áp thăng giáng cho phép bằng bao nhiêu nếu hệ số nhân thay đổi không quá 1%

9.6 Thời gian phân rã( nghịch đảo của hằng số phân rã) cho ánh sáng nhaaso nháy trong

NaI( Tl) là 230 ns Bỏ qua tất cả các yếu tố kéo dài thời gian trong ống nhân quang điện, tìm giá trị tối đa của biên độ xung điện áp cho trường hợp hằng số thời gian mạch another bằng 10, 100 và 1000 ns Trình bày câu trả lời với tỷ số biên độ xung thu được trong trường hợp thời gian là vô hạn Giá trị hằng số thời gian nhỏ nhất bằng bao nhiêu nế tỷ số này nhỏ nhất bằng 0.9

9.7 Xung dòng chảy qua một mạch RC song song có dạng sau:

i(t)=I 0 ≤ ≤ i(t)=0 ≤ Tìm nghiệm tổng quát của hiệu điện thế xuất hiện trên mạch V(t), giả thiết V(0)=0 Vẽ đồ thị V(t) trong hai trường hợp: