LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, xin được nói lên lòng biết ơn đối với gia đình, đặc biệt là cha mẹ vì
công ơn sinh thành, nuôi dưỡng tôi nên người như ngày hôm nay.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến Thầy Lê Hoàng Chiến, người đã
không những truyền cho tôi những ý tưởng và cung cấp những định hướng để hoàn
thành khóa luận mà còn dạy bảo tôi về đạo đức trong cuộc sống. Trong quá trình
thực hiện khóa luận, Thầy là người tận tình chỉ dẫn giúp tôi gỡ bỏ những khó khăn.
Những kinh nghiệm và kiến thức quý báu của Thầy là điều kiện tiên quyết giúp tôi
hoàn thành khóa luận này.
Xin cảm ơn Thầy Phan Lê Hoàng Sang và Cô Lưu Đặng Hoàng Oanh, những
người đã hi sinh thời gian quý báu của mình để giúp đỡ tôi trong thời gian làm thí
nghiệm phục vụ cho khóa luận này.
Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn đến tất cả các Thầy Cô trong bộ môn Vật Lý Hạt
Nhân, khóa luận tôi thực hiện ngày hôm nay được hoàn thành cũng là nhờ vào
những kiến thức mà trong những năm tháng qua các Thầy các Cô đã tận tâm
truyền đạt cho tôi và các bạn.
Ngoài ra, tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn đến Thầy Châu Văn Tạo, người Thầy tôi
luôn hết lòng kính trọng và yêu mến. Người Thầy đã dạy cho tôi biết áp dụng những
nguyên tắc vật lý tưởng chừng như khô khan ấy vào những chuẩn mực và quy tắc
đạo đức của cuộc sống. Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy.
Xin được gửi lời cảm ơn đến Bạn bè, những người bạn đã cùng gắn bó với tôi
trong suốt bốn năm học nơi giảng đường, cùng tôi vượt qua những khó khăn trong
cuộc sống. Những kỉ niệm thân thương ấy tôi sẽ mãi khắc ghi trong lòng.
Cuối cùng, xin cảm ơn vì những điều tuyệt vời, những ngày tháng tuyệt vời.
Thành phố Hồ Chí Minh - Năm 2014
Đinh Thiên Phúc
i

MỤC LỤC


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Hiệu ứng quang điện (Nguyên tử Hidro) 2
Hình 1.2: (a) Hiệu ứng Compton 4
(b) Sơ đồ tán xạ Compton của gamma lên electron tự do 4
Hình 1.3: Hiệu ứng tạo cặp electron-positron 6
Hình 1.4: Hệ số suy giảm khối của Pb [3] 7
Hình 2.1: Mô hình đo mực chất lỏng thứ nhất 10
Hình 2.2: Mô hình đo mực chất lỏng thứ hai 11
Hình 2.3: Mô hình đo mực chất lỏng thứ ba 12
Hình 3.1: Mô hình đo mực chất lỏng trong phòng thí nghiệm 16
Hình 3.2: Hệ đo mực chất lỏng thực tế 17
Hình 3.3: Sơ đồ khối hệ đo mực chất lỏng trong phòng thí nghiệm 18
Hình 3.4: Đồ thị khảo sát nguồn Cs-137 20
Hình 3.5: Đồ thị thu được sau lần đo thứ nhất 23
Hình 3.6: Đồ thị thu được sau lần đo thứ hai 27
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Số liệu trong lần đo xác định ngưỡng 19
Bảng 3.2: Số liệu đo phông 20
Bảng 3.3: Số liệu trong lần đo thứ nhất 21
Bảng 3.4: Số liệu trong lần đo thứ hai 26
1

LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay, vật lý hạt nhân được áp dụng rộng rãi trong nhiều lãnh vực khác nhau
như trong y học, địa chất, khảo cổ, nông nghiệp,… Đặc biệt là trong công nghiệp, vật
lý hạt nhân thường được biết đến như một phương pháp phân tích gamma truyền qua.
Đây là một phương pháp phân tích khá đơn giản bởi chúng ta có thể xác định một số
tính chất của đối tượng khảo sát với độ chính xác đáng tin cậy mà không cần nhiều

bằng hiệu số gamma tới E
γ
và năng lượng liên kết I
i
của lớp vỏ
electron trước khi bị bức ra [7].
T
e
= E – I
i
(1.1)
Trong đó: T
e
là động năng của quang electron.
E là năng lượng của gamma.
I
i
là năng lượng liên kết của electron ở lớp thứ i trong hạt nhân.
Hình 1.1: Hiệu ứng quang điện (Nguyên tử Hidro)
𝜸

e
-

3
Khi E < I
K
thì hiệu ứng quang điện chỉ có thể xảy ra trên lớp L, và không thể xảy
ra trên lớp vỏ K; khi E < I
L





(1.2)
Hiệu ứng quang điện có tiết diện lớn đối với các nguyên tử nặng ngay cả khi
gamma tới có năng lượng cao, còn đối với các nguyên tử nhẹ, hiệu ứng quang điện chủ
yếu chỉ xảy ra đối với gamma có năng lượng thấp.
1.1.2. Hiệu ứng Compton
Trong hiệu ứng Compton, gamma năng lượng cao tán xạ đàn hồi lên electron quỹ
đạo của nguyên tử. Gamma thay đổi phương bay và truyền một phần năng lượng của
mình cho electron (Hình 1.2a). Quá trình tán xạ Compton có thể coi như quá trình
gamma tán xạ đàn hồi lên electron tự do (Hình 1.2b).

4
Hình 1.2: (a) Hiệu ứng Compton
(b) Sơ đồ tán xạ Compton của gamma lên electron tự do
Trên cơ sở tính toán động học của quá trình tán xạ đàn hồi của hạt gamma chuyển
động với năng lượng  lên electron đứng yên ta có các công thức sau đây:





(1.3)







(1.5)
Theo công thức (1.5), góc tán xạ của gamma càng lớn thì E càng bé. Nghĩa là
gamma càng mất nhiều năng lượng. Gamma chuyển phần năng lượng lớn nhất cho
electron sau tán xạ bay ra một góc 180
0
, tức là khi tán xạ giật lùi. Góc bay của gamma
tán xạ có thể thay đổi từ 0
0
đến 180
0
trong khi electron chủ yếu bay về phía trước,
nghĩa là góc tán xạ  của nó thay đổi từ 0
0
đến 90
0
.
𝛾

e
-
𝛾
’
E
γ
’
E
e

𝜃


 


















(1.6)
Với 






và 
















(1.7)
Đối với các photon có năng lượng thấp



, công thức (1.7) chuyển thành:









 





. Khi năng lượng gamma rất lớn, tiết diện tán xạ Compton biến thiên tỉ
lệ nghịch với năng lượng E. Phần năng lượng truyền cho điện tử Compton phụ thuộc
vào năng lượng và góc tương tác của photon tới.
Trong nguyên tử có Z electron nên tiết diện tán xạ Compton đối với nguyên tử có
dạng [5]:






(1.10)
1.1.3. Hiệu ứng tạo cặp
Electron có khối lượng bằng m
e
= 9,1x10
-31
kg hay năng lượng nghỉ của nó, theo
công thức Einstein bằng E = m
e
c
2
= 0,51 MeV. Nếu gamma vào có năng lượng lớn hơn
2 lần năng lượng nghỉ electron 2m
e
c

Để xác định hệ số suy giảm gamma, người ta nhân  ở phương trình (1.12) với mật
độ nguyên tử N. Theo đó ta được giá trị  tính bằng công thức:
e
+
e
-
𝜸7


 

 

(1.13)
Ở đây  là tổng hệ số suy giảm và 

, 

, 

lần lượt là hệ số suy giảm của ba
quá trình tương tác. Giống như tiết diện vĩ mô của neutron,  cũng có đơn vị là cm
-1
.
Để dễ dàng hơn trong việc tìm người ta đưa ra giá trị





nhỏ nhất nằm trong khoảng 3,5 MeV vì 

và


giảm tỉ lệ với độ tăng của năng lượng tia gamma. Trong khi đó 

lại tăng tới
ngưỡng 1,02 MeV.
Hình 1.4: Hệ số suy giảm khối của Pb [3]
Hệ số suy giảm khối, cm
2
/g
Năng lượng, MeV
(1) Hiệu ứng quang điện
(2) Tán xạ Compton
(3) Hiệu ứng tạo cặp
(4) Tổng

8
Từ hình 1.4 ta có thể thấy rằng tán xạ Compton là tương tác chiếm ưu thế hơn
trong khoảng từ 0,5 MeV đến 5 MeV. Vì 

và 

phụ thuộc vào Z hơn 

. Vùng



 





 



(1.17)
Do


 

  (1.18)
Điều đó cho ta thấy rằng  bao gồm các giá trị khác nhau. Từ đó sẽ không quá khó
để ta chỉ ra được mối liên hệ giữa hệ số hấp thụ khối của một hỗn hợp với hệ số hấp
thụ khối của từng thành phần và được cho theo công thức:










là hệ số hấp thụ khối của các nguyên tố thành phần [7].

9
CHƢƠNG II
CÁC MÔ HÌNH ĐO MỰC CHẤT LỎNG BẰNG TIA GAMMA
VÀ TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM
Ở chương một, chúng ta đã cùng tìm hiểu về lý thuyết tia gamma khi đi qua vật
chất. Trong chương này sẽ đề cập đến mô hình thực nghiệm đo mực chất lỏng bằng tia
gamma cũng như tiến hành thí nghiệm để xác định mực chất lỏng.
2.1. Một số mô hình đo mực chất lỏng bằng tia gamma
Có rất nhiều mô hình thực nghiệm được sử dụng, mỗi mô hình đều có những ưu
điểm và nhược điểm khác nhau. Ở đây, tôi xin giới thiệu một vài mô hình đơn giản
nhưng mang lại hiệu suất và độ nhạy khá tốt.
2.1.1. Mô hình đo mực chất lỏng thứ nhất
Ở mô hình đo mực chất lỏng thứ nhất [2], đầu dò được gắn cố định bên ngoài bể
chứa và nguồn được đặt trên một phao nổi dâng lên theo mực chất lỏng. Ở cách lắp ráp
này tạo nên một đồ thị hình nhọn rất đặc trưng và rất nhạy được miêu tả như hình 2.1.
Giả sử theo thời gian, mực chất lỏng trong bình chứa dâng lên từ thấp lên cao, khi
đó nguồn phóng xạ tia gamma cũng được nâng lên cao theo mực chất lỏng. Vì vậy khi
lấy số liệu từ máy đo, ta sẽ thu được một đồ thị có một đỉnh nhọn, đây cũng chính là
thời điểm mà độ cao của đầu dò ngang bằng với độ cao của nguồn phóng xạ. Mà độ
cao của đầu dò bên ngoài bình chứa chúng ta có thể biết và kiểm soát được. Khi nguồn
phóng xạ vượt qua khỏi đầu dò thì các số liệu thu được từ máy đo sẽ lại giảm xuống.
Nhưng nếu mực chất lỏng là cố định tại vị trí mà nguồn và đầu dò không thẳng hàng
với nhau thì người ta không thể xác định được mực chất lỏng trong bình.

10

Hình 2.1: Mô hình đo mực chất lỏng thứ nhất


Hình 2.3: Mô hình đo mực chất lỏng thứ ba
Với cách sử dụng nguồn và đầu dò như trên, ta sẽ thu được một đồ thị có dạng đặc
trưng được miêu tả như hình 2.3. Đồ thị này cũng thể hiện ba giai đoạn quan trọng
trong quá trình đo, chi tiết về các giai đoạn này đã được mô tả như hai mô hình trên.
Căn cứ theo các số liệu thu thập được từ máy đếm và đồ thị, ta có thể xác định rằng
mực chất lỏng chính là trung điểm của đoạn bc.
2.2. Thực nghiệm
2.2.1. Lựa chọn mô hình
Thông qua ba mô hình vừa trình bày, chúng tôi chọn mô hình thứ hai để tiến hành
thí nghiệm bởi một số lý do như sau:
 Ưu điểm của mô hình:
+ Có thiết kế đơn giản

13
+ Dễ dàng trong các thao tác khi tiến hành thí nghiệm vì cả nguồn và detector
đều được đặt bên ngoài thành bình.
+ Mô hình nhỏ gọn tạo thuận lợi cho việc thu thập các số liệu cần thiết trước
khi tiến hành đo (độ dày, chiều cao và đường kính của bình, thiết lập thông
số cho detector…)
 Hiệu quả và độ nhạy:
+ Độ nhạy rất cao vì toàn bộ nguồn gamma và detector được đặt đối diện
nhau, toàn bộ tia gamma phát ra sẽ được detector ghi nhận.
+ Sai số của phép đo được giảm xuống mức tối thiểu vì đã hạn chế tác động từ
người đo trong quá trình thí nghiệm.
+ Cách đo đơn giản nên có thể thực hiện nhiều lần để thu được kết quả tốt
nhất từ các lần đo.
Những dữ liệu sau cần phải có trước khi tiến hành đo:
 Đường kính trong và bề dày thành bình.
 Mật độ khối và vật liệu cấu thành bình, ống…

Tiến hành thí nghiệm:
- Thu thập dữ liệu trước khi đo:
+ Chiều cao, độ dày, đường kính của bình chứa.
+ Vật liệu làm bình chứa để xác định bề dày một nửa.
- Nguồn phóng xạ Cs-137 được sử dụng trong khóa luận là nguồn kín có hoạt
độ 10 với chu kỳ bán rã 30,2 năm. Nguồn được đặt trong một khối nhựa
có dạng hình trụ đường kính 4 cm, chiều cao 3,4 cm. Nguồn Cs-137 được đặt
cố định trong một ống chuẩn trực bằng sắt hình vuông cạnh 6,1 cm, và được
đặt bên ngoài thành bình đối diện với detector.

15
- Cấu hình detector: Detector với tinh thể nhấp nháy NaI(Tl), được thiết kế
dùng ở đầu một loại ống nhân quang điện. Kích thước hình học của detector
nhấp nháy được sử dụng trong quá trình làm thí nghiệm gồm các phần sau:
+ Cạnh : 3,3 cm
+ Dài: 20 cm
+ Vỏ bọc bên ngoài bằng nhôm.
- Các bước thí nghiệm:
Bước 1: Tiến hành đo phông và khảo sát nguồn để xác định ngưỡng:
Dùng detector NaI(Tl) tiến hành đo phông của môi trường khi chưa có nguồn.
Tiến hành đo 10 lần mỗi lần 900s sau đó lấy giá trị trung bình để tính toán.
Dùng detector NaI(Tl) và máy đếm SCS-02 để khảo sát nguồn và tìm ra ngưỡng
dưới cũng như bề rộng cửa sổ để thiết lập các thông số đo cho máy đếm khi tiến hành
đo mực chất lỏng.
Bước 2: Đo mực chất lỏng trong bình chứa.
Tôi sẽ sử dụng mô hình đo mực chất lỏng thứ hai để tiến hành thí nghiệm này như
đã nêu ở trên và tiến hành hai thí nghiệm:
Ở thí nghiệm thứ nhất: Tiến hành đo và lấy số đếm từ máy đếm SCA-02 với độ cao
của nguồn và đầu dò là từ thấp lên cao, mỗi lần dịch chuyển lên 1 mm.
Ở thí nghiệm thứ hai: Tiến hành đo và lấy số đếm từ máy đếm SCA-02 với độ cao
18
đỡ, một dùng để đặt nguồn phóng xạ và một dùng để đặt detector. Sơ đồ khối của hệ
như hình 3.3.

Hình 3.3: Sơ đồ khối hệ đo mực chất lỏng trong phòng thí nghiệm
3.1. Xác định ngƣỡng và đo phông
3.1.1. Xác định ngƣỡng
Trước hết, chúng ta cần tiến hành khảo sát nguồn bằng máy đếm SCA-02. Dựa vào
đồ thị thu được sau khi tiến hành đo, ta có thể xác định ngưỡng dưới cũng như bề rộng
cửa sổ và sử dụng những thông số này để cài đặt cho máy đếm khi tiến hành thí
nghiệm.
Nguồn được sử dụng là Cs-137 dạng rắn, hoạt độ tại thời điểm tiến hành thí
nghiệm là 1 μCi, ống chuẩn trực có đường kính là 2 mm bằng sắt và detector NaI(Tl)
hình vuông, vỏ ngoài được làm từ vật liệu nhôm.
Máy đếm SCA-02 sẽ được thiết lập để đo tự động từ kênh 1 đến kênh 100. Hiệu
điện thế hoạt động là 800 V.

19
Thời gian đo: 900s/lần đo.
Số lần đo: 1 lần
Bảng 3.1: Số liệu trong lần đo xác định ngưỡng
Kênh
Số
đếm
Kênh
Số
đếm
Kênh

23
17
43
3
63
1
83
0
4
870
24
18
44
3
64
0
84
0
5
664
25
16
45
1
65
0
85
0
6
513

29
10
49
2
69
0
89
0
10
232
30
13
50
1
70
0
90
0
11
192
31
15
51
2
71
0
91
0
12
148

35
14
55
4
75
0
95
0
16
210
36
10
56
0
76
0
96
0
17
165
37
14
57
0
77
0
97
0
18
102

thị ta có thể bỏ qua ba điểm này.
Dựa vào đồ thị hình 3.4, ta sẽ ghi nhận các thông số sau:
Ngưỡng dưới: 13
Bề rộng cửa sổ: 8 (tức là đến kênh 21)
Vị trí từ kênh 13 đến kênh 21 cũng chính là vị trí đỉnh của Cs-137 thu được sau khi
tiến hành đo khảo sát. 20 Hình 3.4: Đồ thị khảo sát nguồn Cs-137
3.1.2. Đo phông
Sử dụng máy đếm SCA-02 để tiến hành đo phông môi trường với các thông số như
sau:
Hiệu điện thế: 800 V
Ngưỡng dưới: 13
Bề rộng cửa sổ: 8
Thời gian đo: 900 s/lần đo
Số lần đo: n = 10 lần
Bảng 3.2: Số liệu đo phông
Số lần (n)







Số lần (n)

87,2
5
7634
87,4
10
7567
87,0

21
Số đếm phông trung bình là: 






Sai số của phông sẽ tính theo công thức [4]:









 


  

Ngưỡng dưới: 13
Bề rộng cửa sổ: 8
Thời gian đo: 900 s/lần đo
Số lần đo: 5 lần/1 mm
Bảng 3.3: Số liệu trong lần đo thứ nhất
Chiều
cao
H (mm)







Chiều
cao
H (mm)







Chiều
cao
H (mm)



29773,6
385,8
3
20658,4
321,4
24
20829,4
322,7
45
30302,8
389,2