BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ
Tên đề tài:

XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI THÍ NGHIỆM
VẬT LÝ HẠT NHÂN

Mã số: CS.2010.19.107

Chủ nhiệm đề tài: CN. Trương Trường Sơn

Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ

Tên đề tài:

XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI THÍ NGHIỆM
VẬT LÝ HẠT NHÂN

Mã số: CS.2010.19.107

Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài


Phạm Nguyễn
Thành Vinh

Khoa Vật lý, Trường Đại
học Sư phạm Tp.HCM

- Thiết kế, lắp đặt và tiến
hành thực nghiệm 6 bài
thí nghiệm.
- Viết tài liệu hướng dẫn
thí nghiệm.

1


MỤC LỤC
DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI VÀ
ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH ......................................................................... 1
MỤC LỤC ........................................................................................................ 2
TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ......................................................... 3
SUMMARY...................................................................................................... 5
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 6
1. Tính cấp thiết của đề tài...............................................................................6
2. Mục tiêu nghiên cứu .....................................................................................6
3. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu ................6
4. Nội dung chính ..............................................................................................7

KẾT QUẢ CỦA ĐỀ TÀI ................................................................................ 8
KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................... 31

trường.
2. Nội dung chính:
Xây dựng đề cương nghiên cứu, khảo sát thiết bị, lập kế hoạch xây dựng 6 bài thí
nghiệm.
Xây dựng thực nghiệm 6 bài thí nghiệm vật lý hạt nhân.
Hoàn thiện kết quả nghiên cứu để biên soạn thành giáo trình chính thức.
3


3. Kết quả chính đạt được (khoa học, ứng dụng, đào tạo, kinh tế-xã hội):
Bộ số liệu 6 bài thí nghiệm hạt nhân.
Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm cho sinh viên năm thứ 3 hệ cử nhân.

4


SUMMARY
Project Title: Design practical lessons nuclear physics
Code number:CS.2010.19.107.
Coordinator: Truong Truong Son.
Implementing Institution : Ho Chi Minh City University of Pedagogy
Duration: from April 2010 to April 2011
1. Objectives:
- Research, design and compile textbook practical nuclear physics for the teaching
in Physics departerment. About 6 lesson:
+ Lessson 1: Measure alpha source radioactivity.
+ Lessson 2: Investigate Plateau curve and the decline of counts dependence on
distance of NaI detector system.
+ Lessson 3: Determine absorbtion half - thickness and linear attenuation and
volume attenuation coefficient

hạt nhân đáp ứng nhu cầu đào tạo cho hệ Cử nhân chuyên ngành Vật lý hạt nhân,
Thạc sĩ vật lý hạt nhân:
- Bài 1: Đo hoạt độ nguồn phóng xạ Anpha.
- Bài 2: Khảo sát vùng Plateau và sự suy giảm số đếm theo khoảng cách của hệ đo
đơn kênh sử dụng Detector NaI
- Bài 3: Xác định bề dày hấp thụ một nửa và hệ số suy giảm tuyến tính, suy giảm
khối.
- Bài 4: Xây dựng đường chuẩn năng lượng và xác định nguồn phóng xạ chưa biết.
- Bài 5: Xác định các thông số kỹ thuật của hệ đo gamma phông thấp – đặc trưng
phổ gamma.
- Bài 6: Khảo sát sự suy giảm suất liều theo khoảng cách và phông phóng xạ môi
trường.

3. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu
-

-

Tiếp cận vấn đề nghiên cứu thông qua trao đổi chuyên môn với các đồng
nghiệp, các chuyên gia trong cùng lĩnh vực, thông qua việc nghiên cứu tài
liệu, các tạp chí khoa học trong và ngoài nước đã được đăng tải hoặc từ
mạng Internet.
Đề tài được nghiên cứu thông qua việc tổng hợp tài liệu, tính toán xử lí số
liệu nhằm đưa ra các kết quả bảo đảm tính chính xác về mặt khoa học. Đồng
6


-

thời có sự phản biện của cố vấn khoa học, của đồng nghiệp hoặc chuyên gia


Máy UMF 2000
Máy UMF 2000 là thiết bị dùng trong phòng thí nghiệm là chủ yếu. Máy có 5
bộ phận chính : thiết bị đo, bộ phận điều khiển, bộ phận bảo vệ hoạt động, bộ phận
điện tử, bộ phận đếm gộp hai kênh cùng với đồng hồ đếm.
 Thiết bị đo
- Detector bán dẫn được làm từ silic nhôm có điện trở cao với chiều dài của
detector là 20x20 mm, nó được đặt trên một giá bằng đồng có mạ Crom. Giá đỡ
đựng mẫu được đặt sát detector.

8


- Detector bán dẫn biến đổi năng lượng của hạt alpha và beta thành tín hiệu điện ở
tiền khuếch đại. Detector có khả năng đo năng lượng beta từ mức 50 keV.
 Bộ phận điều khiển
- Gồm có nguồn cung cấp, cao thế và bộ phận bảo vệ mạch điện
- Điện thế cung cấp là 220 V
- Bộ phận bảo vệ hoạt động
- Dùng để làm giảm sự ảnh hưởng của những tia bức xạ vũ trụ ảnh hưởng đến kết
quả đo.
 Bộ phận điện tử
Được cấu tạo từ các phần riêng biệt : tiền khuyếch đại, khuyếch đại, khối tạo
dạng xung, khối biến đổi tương tự số (biến đổi xung thành số).
 Bộ phận đếm gộp hai kênh cùng với đồng hồ đếm
Bộ phận này cho phép máy làm việc với hai chế độ đếm : alpha và beta ; beta
và thời gian đếm.
* Đặc trưng kỹ thuật và Cách Vận hành
+ Đặc trưng kỹ thuật
- Đo năng lượng bức xạ beta trong khoảng từ 50 đến 3500 keV.

Lấy nguồn ra, và đem cất đúng ngay vị trí nơi cất nguồn.
Chú ý :
Trước khi đo phải sấy máy trong 30 phút
Đo phông ít nhất là 1000 giây
* Xác định hiệu suất ghi của detector

Nguồn chuẩn

238

U, 234 U, 234 Th, 234 Pa (Sai số hoạt độ là 7%)

Hiệu suất ghi của detector là khả năng ghi nhận tốt nhất của detector. Tính
theo công thức
ε=

n
A

Trong đó n : tốc độ đếm trung bình
nS = n − n B

10


Do số đếm phông của alpha không lên nên n B =0
 Các bước tiến hành
- Sấy máy trong vòng 30 phút
- Tiến hành đo phông 1000 giây cho 1 phép đo.
- Đặt nguồn

i

i

 Các bước tiến hành
- Đặt nguồn cần xác định hoạt độ vào tiến hành đo
- Đo khoảng 25 lần. Ghi số đếm trên máy và tính hoạt độ và sai số tương đối của
hoạt độ.

11


BÀI 2. KHẢO SÁT VÙNG PLATEAU VÀ SỰ SUY GIẢM SỐ ĐẾM
THEO KHOẢNG CÁCH CỦA HỆ ĐO ĐƠN KÊNH SỬ DỤNG
DETECTOR NaI
* Mục đích
- Nắm vững các thao tác khi sử dụng Hệ đo đơn kênh.
- Xác định được vùng plateau.
- Kiểm tra quy luật số đếm giảm theo bình phương khoảng cách

* Khảo sát vùng plateau_ Cao thế làm việc của detector
Cao thế làm việc của detector là tại cao thế đó detector hoạt động hiệu quả
nhất. Đường đặc trưng biễu diễn sự phụ thuộc của tốc độ đếm vào điện thế cung cấp
cho detector.
Điện thế làm việc của detector được chọn theo quy ước là điểm nằm ở 1/3
đầu của đoạn plateau. Đoạn plateau càng dài và độ dốc càng nhỏ thì detector làm
việc ổn định nhất.
 Các bước tiến hành
- Đặt cửa sổ ON-OFF tại OFF
- Cài đặt thời gian tại nút công tắc “X0.1” và thời gian đo (MINUTES) ở công


I

d

Sự suy giảm chùm tia theo khoảng cách
Lấy log 2 vế ta được:

I = I0 d −2

=
log I log I0 − 2 log d

Đặt

y = log I
y 0 = log I0
x = log d

Phương trình có dạng :

=
y y 0 − 2x

Dạng tổng quát của phương trình là :
y= b + ax

Sau đó lập bảng như sau:
13


µ
được gọi là hệ số suy giảm khối và được ký hiệu : µ m
ρ
I = I0 e −µx

Ta có :

Vì đại lượng I tỉ lệ với số đếm N nên:
N = N 0 e −µx

Lấy ln 2 vế :
ln

Do đó ln

N0
= µx
N

N0
phụ thuộc tuyến tính vào x
N

Phương trình có dạng y= ax+b
x là bề dày
a là hệ số giảm tuyến tính

a=

∑ (x − x)(y − y)


Bề dày
(mm)

x

N

I=N-Np

y = ln(I/I0)

x−x

y−y

(x − x)(y − y)

y

* Tiến hành quy trình thí nghiệm tương tự cho nhôm, đồng, giấy…

17

(x − x) 2


BÀI 4. XÂY DỰNG ĐƯỜNG CHUẨN NĂNG LƯỢNG VÀ XÁC ĐỊNH
NGUỒN PHÓNG XẠ CHƯA BIẾT
* Mục đích


quan tâm được chia làm nhiều kênh năng lượng. Mỗi kênh là một cửa sổ năng
lượng. Tiếp theo ta xóa các dữ liệu của nguồn

137

Cs và thay bằng nguồn

60

Co

và đo được 2 đỉnh năng lượng 1,17 và 1,33 MeV.
- Đợi một thời gian để cho phổ năng lượng ổn định. Sau đó qua hệ thống MCA
để đưa ra kết quả.
Đỉnh năng lượng
Đỉnh cao nhất
Đỉnh cao nhất
Đỉnh cao nhất

Năng lượng (MeV)
1,33
1,17
0,662

Số kênh

- Sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu để tìm ra đường chuẩn năng lượng
có dạng :
y = a.x + b


R (%)

Cs (662 keV)

60

Co (1173keV)

60

Co (1332 keV)

* Xác định năng lượng của nguồn gamma chưa biết
Sử dụng đường chuẩn năng lượng để xác định năng lượng của nguồn phóng
xạ

22

Na

Nguồn phóng xạ

22

Na

* Xây dựng đường cong hiệu suất theo khoảng cách từ nguồn đến detector
N
ε(%) =

4

7

5

9

6

11

7

13

8

15

9

17

10

19

11


dẫn ở điều kiện nhiệt độ cao trong thời gian dài. Hiện tượng này sẽ gây ảnh hưởng
đến kết quả đo khi sử dụng detector bán dẫn. Do đó detector bán dẫn thường được
làm lạnh bằng nitơ lỏng (ở nhiệt độ -1960 C).

Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma
Detector HPGe GEM 15P4
Một số thông số kỹ thuật của detector :
+ Hiệu suất tương đối 15% so với detector nhấp nháy NaI(Tl) kích thước 3
inch x 3 inch. Độ phân giải năng lượng tại đỉnh 1332,5 keV của đồng vị

60

Co là

1,80 keV.
+ Tỷ số P/C tại đỉnh 1332,5 keV của đồng vị 60Co là 46:1. Dải năng lượng
cho phép 5 keV – 4 MeV

21


Buồng chì

Mặt cắt dọc detector HPGe GEM 15P4 (đơn vị mm)

Detector được đặt trong buồng chì nhằm mục đích che chắn, giảm phông
phóng xạ do các vật liệu xung quanh và tia vũ trụ gây nên, từ đó cải thiện được kết
quả phân tích phổ gamma. Điều này rất quan trọng do mục đích của hệ phổ kế
gamma tại PTN VLHN, trường ĐHSP Tp.HCM là đo đạc các loại mẫu môi trường
có hoạt độ thấp. Cấu trúc của buồng chì được trình bày trong hình dưới.

Số đếm
Tốc độ đếm

Đỉnh 1332,5 keV
Số đếm
Tốc độ đếm

Mối tương quan giữa độ phân giải năng lượng (FWHM) theo cao thế
Cao thế

FWHM
(tại đỉnh 1172,24 keV)

FWHM
(tại đỉnh 1332,5 keV)

1000
1100
…
2900
3000

+ Vẽ đồ thị mô tả sự phụ thuộc của tốc độ đếm và FWHM theo cao thế và rút
ra kết luận.
* Đánh giá mức độ che chắn phông phóng xạ của buồng chì
+ Đo phông trong buồng chì: Đóng nắp buồng chì và tiến hành đo đạc. Phông
trong buồng chì được đo trong 1 ngày (86400 s).
+ Đo phông ngoài buồng chì: Do điều kiện không thể dịch chuyển detector ra
khỏi buồng chì. Chúng tôi đã tiến hành mở nắp buồng chì và đo đạc. Phông ngoài
buồng chì được đo trong 1,5 ngày (129600 s).