Nghiên cứu lắp ráp buồng Cloud Chamber dùng trong quan sát bức xạ alpha, beta, hỗ trợ giảng dạy ngành Kỹ thuật hạt nhân

HỘI NGHỊ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018

NGHIÊN CỨU LẮP RÁP BUỒNG CLOUD CHAMBER DÙNG TRONG
QUAN SÁT BỨC XẠ ALPHA, BETA, HỖ TRỢ GIẢNG DẠY NGÀNH KỸ
THUẬT HẠT NHÂN
Trần Hồ Vân Phương - 1410712
Bế Văn Tuấn - 1410722

Lớp HNK38, Khoa Kỹ thuật Hạt nhân
Đề tài được tiến hành nhằm mục đích tạo thêm cơ sở vật chất hỗ trợ giảng dạy cho
ngành Kỹ thuật Hạt nhân. Dựa vào những trải nghiệm thu được từ chuyến tham quan ngắn hạn
tại Nhật Bản và những kiến thức chuyên ngành đã học, nhóm sinh viên nghiên cứu đã tiến hành
mô phỏng lại thiết bị quan sát bức xạ Cloud Chamber bằng các nguyên vật liệu dễ kiếm như
chip làm lạnh, các linh kiện điện tử... Thiết bị sử dụng cơ chế làm ngưng tụ hơi ethanol tạo
thành lớp sương mù (lớp mây) bên trong buồng quan sát, lớp mây này sẽ giúp “lưu vết” mà
các hạt mang điện tạo ra trong quá trình di chuyển.
1.

MỞ ĐẦU

Mặc dù Quốc hội đã thơng qua nghị quyết tạm hỗn dự án xây dựng Nhà máy điện Hạt
nhân (NMĐHN) Ninh Thuận I và II vào ngày 22/11/2016, nhưng ngành kỹ thuật hạt nhân, với
tầm quan trọng to lớn, vẫn được tiếp tục đẩy mạnh đào tạo vì những đóng góp của nó trên rất
nhiều các lĩnh vực đời sống như công nghiệp, nông nghiệp, y học, môi trường, v.v... và với tình
hình cạn kiệt tài nguyên, thiếu hụt năng lượng nghiêm trọng như hiện tại, việc tái đầu tư xây
dựng NMĐHN trong tương lai gần nhất là điều cấp thiết và hồn tồn có thể xảy ra. Việc duy
trì đào tạo nhân lực cho ngành là thiết yếu.
Để phục vụ cho việc giảng dạy, cơ sở vật chất kỹ thuật là một trong những mối quan
tâm hàng đầu. Khoa Kỹ thuật Hạt nhân trường Đại học Đà Lạt mặc dù đã được đầu tư khá kỹ
lưỡng về mặt trang thiết bị, nhưng trong q trình giảng dạy vẫn cịn một số mặt hạn chế nhất
định chưa được đáp ứng.

Với mong muốn tiếp tục phát triển ngành hơn nữa, đáp ứng được nhu cầu học tập của
sinh viên, nhóm các sinh viên của khoa đã được cử đi tham quan thực tế tại Nhật Bản và có cơ
hội tiếp cận với thiết bị Cloud Chamber tại đại học Osaka Nhật Bản OPU. Bằng những kiến
thức thu thâp được, nhóm sinh viên đã tiến hành nghiên cứu và mô phỏng lại thiết bị này, góp
phần hỗ trợ trang thiết bị phục vụ công tác dạy và học ở Khoa Kỹ thuật Hạt nhân.
Thiết bị Cloud Chamber là một thiết bị cho phép quan sát đường đi của các hạt bức xạ
ion hóa mang điện như alpha và beta. Bằng cách sử dụng hơi ethanol được làm lạnh tạo thành
lớp mây mỏng, các tia bức xạ khi di chuyển qua vùng này sẽ để lại “vết mây”, thơng qua đó
giúp ta quan sát được hình dạng đường đi của bức xạ.

20


HỘI NGHỊ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018

2.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Dựa trên những cơ sở lý thuyết về buồng Wilson và buồng khuếch tán (buồng tác động
liên tục), mơ hình thực tế về Cloud Chamber của đại học Phủ Osaka Nhật Bản OPU và những
kiến thức đã học về Điện tử Hạt nhân, nhóm đã thiết kế mơ hình Cloud Chamber mới với một
số điểm cải tiến hơn so với phiên bản gốc của ĐH OPU:
2.1.

Cơ sở lý thuyết

Buồng cloud chamber đầu tiên được phát triển năm 1899 bởi Charles Thomson Rees
Wilson, giúp ông nhận được giải Nobel Vật lý năm 1927.
Trong hỗn hợp khí - hơi nước, nếu áp suất hơi cao hơn áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ đã

cho, thì trạng thái như vậy của hơi được gọi là quá bão hòa. Độ quá bão hòa S được định nghĩa
là tỷ số giữa mật độ hơi quá bão hòa (ở thời điểm đã cho) và mật độ hơi bão hịa cũng ở nhiệt
độ đó. Có thể nhận được trạng thái quá bão hòa của hơi khi tăng nhanh thể tích hoặc thay đổi
nhanh nhiệt độ.
Trạng thái q bão hịa của hỗn hợp khí-hơi nước khơng phải là trạng thái bền. Khi có
mặt các tâm ngưng tụ, một phần hơi chuyển vào pha lỏng. Việc ngưng tụ hơi tiếp tục đến khi
áp suất của nó chưa đạt đến áp suất của hơi bão hòa. Các hạt bụi là các tâm ngưng tụ khi độ q
bão hịa thấp. Thường trong khơng khí có chứa các hạt bụi kích thước 10-4 – 10-6 cm. Các hạt
này trở thành các tâm ngưng tụ khi độ quá bão hòa rất thấp (1,00 – 1,12). Wilson đã quan tâm
đến việc, trong hỗn hợp khí - hơi nước đã được làm sạch bụi, quá trình ngưng tụ xảy ra khi độ
quá bão hòa S > 4, nếu bên cạnh buồng có đặt nguồn bức xạ ion hóa. Trong trường hợp này,
các tâm ngưng tụ chính là các ion. Khi S > 8, sương mù sẽ được tạo ra trong tồn bộ thể tích
buồng, mật độ của nó càng lớn khi độ q bão hịa càng lớn. Trong trường hợp đó, việc ngưng
tụ sẽ diễn ra mà khơng cần sự có mặt của bức xạ ion hóa. Như vậy, nếu trạng thái quá bão hòa
được tạo ra ở 4 < S < 8, thì các ion có thể là các tâm ngưng tụ.
Wilson cũng đã sử dụng hiện tượng đó để tạo ra buồng, sử dụng sự dãn nở để tạo ra
trạng thái quá bão hòa kém bền. Khi hạt mang điện (alpha, beta,...) đi qua buồng thì các ion
được tạo ra trong buồng, trên các ion đó diễn ra q trình ngưng tụ, nghĩa là các hạt chất lỏng
lớn
lên,
có thể chụp ảnh được chúng. Buồng như vậy cho phép chụp ảnh được dấu vết (vết), mà
hạt mang điện để lại.
Độ quá bão hòa phụ thuộc vào những tính chất cụ thể của hơi và khí (nhiệt độ, áp suất,
nhiệt dung) và đặc biệt là vào sự thay đổi thể tích khi dãn nở. Ở nhiệt độ ban đầu cho trước
người ta chọn chất lỏng có áp suất hơi nhỏ nhất và giá trị nhiệt dung riêng của hơi γп lớn nhất.
Bởi vì áp suất hơi bão hòa của rượu ở nhiệt độ đã cho cao hơn áp suất hơi bão hòa của nước,
còn γnước > γethanol, nên độ quá bão hòa ở độ dãn nở cho trước của rượu sẽ lớn hơn hơi nước. Độ
quá bão hịa của hỗn hợp khơng khí – ethanol là S = 3.4.
Đối với hỗn hợp khơng khí – rượu ethanol (áp suất toàn phần 0,15 MPa), khi độ dãn nở
1,2 thì độ q bão hịa bằng 2,08 ở nhiệt độ ban đầu 40oC và 2,65 ở nhiệt độ 10oC. Như vậy, để

21


HỘI NGHỊ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018

nhận được độ quá bão hòa cần thiết ở độ dãn nở tối thiểu, cần giảm nhiệt độ ban đầu, tăng áp
suất khí.
Trong trường hợp khảo sát các nguồn bức xạ ion hóa khơng thay đổi theo thời gian,
người ta thường sử dụng buồng khuếch tán với mong muốn sao cho thời gian nhạy của buồng
càng lớn càng tốt. Buồng khuếch tán cũng dựa trên nguyên lý tương tự buồng Wilson, nhưng
vùng hơi quá bão hòa được tạo ra trong buồng là do khuếch tán hơi qua khí, trong khí đó có
chênh lệch nhiệt độ lớn. Sự chênh lệch nhiệt độ theo chiều đứng được thực hiện bằng cách làm
lạnh sâu khối chất lỏng bay hơi.
2.2.

Ý tưởng cơ bản

Dựa trên cơ sở lý thuyết và việc tham khảo một số mẫu buồng khuếch tán có sẵn, nhóm
nghiên cứu nhận thấy có 3 vấn đề cần được giải quyết:
Đầu tiên cần lựa chọn hỗn hợp khí – hơi thích hợp với các điều kiện sẵn có, vừa phải
đảm bảo hiệu quả ngưng tụ hơi quá bảo hòa, vừa phải đảm bảo về mặt kinh tế. Trong trường
hợp này, sau khi khảo sát các thông số của một số hỗn hợp khí – hơi, chúng tơi quyết định chọn
hỗn hợp khơng khí – rượu ethanol làm hỗn hợp ngưng tụ.
Thứ hai, cần phải có một hệ thống làm lạnh đủ cơng suất để đưa hỗn hợp khí xuống
nhiệt độ thích hợp. Theo như kết quả tham khảo một số buồng khuếch tán do sinh viên Đại học
Oxford chế tạo, chúng tôi nhận thấy chủ yếu các hệ thống làm lạnh này được cấu tạo từ nước
đá khô (CO2 nén) hoặc nitrogen lỏng, là các chất dễ bay hơi và gây bỏng lạnh sâu. Đối với mẫu
buồng Cloud Chamber của đại học Osaka, các sinh viên ở đây đã sử dụng hệ thống làm lạnh
với khí nén và quạt tản nhiệt. Phương pháp này tối ưu hơn do không phải thay đá khô và
nitrogen liên tục, mặc khác lại tăng tính an tồn. Tuy nhiên hiệu suất làm lạnh của thiết bị này

khơng cao, bên cạnh đó khí nén dễ tràn vào hệ thống ống dẫn của quạt tản nhiệt, về lâu dài sẽ
giảm hiệu suất làm lạnh. Do đó, nhóm đã tính đến phương án sử dụng chip làm lạnh. u cầu
phát sinh là cần tính tốn cơng suất chip và điều kiện thơng gió của quạt tản nhiệt để hiệu suất
làm lạnh được tối ưu.
Vấn đề cuối cùng là tính tốn thiết kế mẫu hộp chứa tồn bộ hệ thống. Hộp chứa phải
đảm bảo được các yêu cầu:
•
Kích thước của hộp và khoang quan sát phải phù hợp để cho hiệu suất tạo hơi
ngưng tụ là cao nhất, đảm bảo chứa được tất cả các thành phần của hệ.
•
Thiết kế bố trí các thành phần trong hộp cho cân đối và gọn gàng, hợp lý, dễ di
chuyển.
•
Kết cấu của hộp phải đảm bảo được sự đối lưu khí cho q trình tản nhiệt bằng
quạt, chống nóng cho hệ, đảm bảo duy trì nhiệt độ giữa hai mặt chip, tránh hồi nhiệt.
•

Vật liệu làm hộp phải dễ kiếm, rẻ, bền và đảm bảo chất lượng quan sát.

22


HỘI NGHỊ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018

Sau khi xem xét phương án và yêu cầu đề ra, nhóm đã đạt được kết quả như mong
muốn.
3.

NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Sau quá trình nghiên cứu, chúng tơi đã thiết kế được một thiết bị quan sát bức xạ ion hóa
alpha và beta phù hợp với các yêu cầu đặt ra. Thiết bị gồm một hộp gỗ hai khoang, khoang phía
dưới chứa các thành phần cấu tạo, khoang phía trên bọc mica dùng để ngưng tụ hơi và quan sát.
Kích thước hộp tương đối nhỏ gọn: 21.5cm×20cm×16cm, có thể dễ dàng di chuyển từ phịng
thí nghiệm đến lớp học. Trong khi đó, thiết bị của trường Osaka Nhật Bản tuy không quá lớn
nhưng lại khá phức tạp và rườm rà. Thiết bị này bao gồm hai buồng con, kích thước
8cm×10cm×17cm mỗi buồng, được ni bằng một nguồn máy tính 12V kích thước
15cm×9cm×14cm, kết nối với một mạch nhân áp cho máy gia tốc Van de Graff, kích thước
6cm×4cm×3cm. Các thành phần trên được kết nối bằng hệ thống dây dẫn rất rắc rối và cồng
kềnh, gây khó khăn cho việc di chuyển từ phịng thí nghiệm sang nơi khác.
Thiết bị của chúng tơi bao gồm 3 khối: khối nguồn, khối làm lạnh và khối quan sát.
Khối nguồn bao gồm một mạch nguồn tổ ong DC 12V 20A, sử dụng điện áp vào 220V
AC, với chức năng cung cấp điện thế cho quạt tản nhiệt, chip làm lạnh, hệ thống đèn LED
chiếu sáng bên trên và máy gia tốc tĩnh điện Van de Graff.
Khối làm lạnh bao gồm một chip làm lạnh dùng dòng DC 12V, công suất 40W giúp làm
lạnh khối hỗn hợp khí – hơi. Chip làm lạnh được tản nhiệt mặt nóng bằng một quạt tản nhiệt
cửa bên, sử dụng nguồn DC 12V, cơng suất quạt 5W. Hỗn hợp khí sẽ được làm lạnh và ngưng
tụ trên một đĩa nhôm dẫn nhiệt sơn đen, đường kính 11.75cm, dày 0.5cm, mặt tấm nhơm được
đánh dấu các vịng đồng tâm với bán kính lần lượt là 0.875cm, 1.875cm, 2.875cm, 3.875cm và
4.875cm. Các mức đánh dấu này giúp dễ dàng ước lượng được tương đối quãng chạy của tia
alpha phát ra từ nguồn đặt ở tâm đĩa.
Khối quan sát bao gồm đĩa nhôm, lớp khung mica trong suốt kích thước
12cm×12cm×10cm chụp lên phần trên hộp gỗ và hệ thống đèn LED trắng bên thành hộp giúp
việc quan sát được dễ dàng hơn. Lớp bọt biển giúp thấm hút và tích trữ ethanol, cùng với một
máy gia tốc tĩnh điện cỡ nhỏ cũng được tăng cường nhằm giúp việc quan sát được thuận tiện.
Kết quả thí nghiệm cho thấy, với hỗn hợp khơng khí – ethanol tỉ lệ 3:1, nồng độ dung
dịch ethanol 90%, áp suất bình thường, hệ thống cho hiệu suất quan sát tốt nhất với nhiệt độ
trung bình của chip lạnh là -34.5oC, nhiệt độ trung bình của lớp hơi trong buồng là 2oC, thời
gian tạo hơi dao động từ 12 – 17 phút. So với tốc độ tạo hơi của thiết bị Cloud Chamber từ
trường Osaka, thời gian tạo hơi được rút ngắn xuống khoảng 16 – 20 phút.

4.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Đề tài được triển khai đã mang lại một số lợi ích đáng kể trong cơng tác đào tạo tại
Khoa Kỹ thuật Hạt nhân, đem đến sự thuận tiện cho sinh viên và cán bộ hướng dẫn khi thực
hiện thí nghiệm, là cơng cụ hữu ích hỗ trợ giảng dạy cho sinh viên, giúp sinh viên có được cái
23


HỘI NGHỊ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018

nhìn trực quan hơn về các vấn đề trong lý thuyết. Với thiết kế cải tiến, mơ hình buồng quan sát
Cloud Chamber cho kết quả quan sát tốt hơn với thời gian tạo mây được rút ngắn đáng kể.
Ngoài ra, so với các thiết kế cũ, thiết kế mới gọn nhẹ hơn về kích thước, thuận tiện cho việc di
chuyển, công suất cao hơn, tiết kiệm hơn.
Về khả năng kinh tế, toàn bộ thiết bị tốn một khoảng chi phí chưa đến một triệu đồng.
Hệ thống quạt tản nhiệt và chip làm lạnh có giá 380.000 đồng. Nguồn điện giá 200.000 đồng.
Trong khi đó, chỉ tính riêng nguồn máy tính 12V DC mà đại học Osaka sử dụng, trên thị trường
đã có giá dao động từ 540.000 đồng đến 800.000 đồng, chưa kể quạt tản nhiệt, hệ khí nén,
khung mica và các chi phí khác mà mẫu này được trang bị. Ngoài ra, so với các mẫu sử dụng
đá khô và nitrogen lỏng, tuy thiết bị có tốn kém trong khâu chế tạo, nhưng lại rất vượt trội
trong vấn đề vận hành lâu dài. Với công suất nhỏ, thiết bị tiêu tốn một lượng điện năng khơng
đáng kể so với chi phí mua đá khơ và nitrogen lỏng, lại an toàn hơn rất nhiều. Với nhược điểm
giá thành đắt đỏ, dễ bay hơi, khó bảo quản lâu, lượng sử dụng cho một lần quan sát tương đối
lớn, dễ gây nguy hiểm, rõ ràng đá khô và nitrogen lỏng khơng phải lựa chọn thích hợp khi sử
dụng trong các thí nghiệm giảng dạy tại trường đại học, khi đối tượng là những sinh viên còn
non kinh nghiệm.
Với những ưu điểm nói trên, việc ứng dụng đưa thiết bị vào giảng dạy chuyên ngành tại
Khoa Kỹ thuật Hạt nhân sẽ mang lại những hiệu quả tích cực, hỗ trợ cho cơng tác giảng dạy

sinh viên trong Khoa nói riêng và ngành kỹ thuật hạt nhân nói chung.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Cơ sở vật lý hạt nhân, Ngô Quang Huy
[2] Cơ sở vật lý hạt nhân thực nghiệm, phần 2, Phạm Đình Khang
[3] Cơ sở các phương pháp vật lý hạt nhân thực nghiệm, A. I. Abramov
[4] Giáo trình Điện tử cơ sở, Đặng Lành

24