báo cáo xây dựng hệ phổ kế thời gian khảo sát sự ảnh hưởng của muon đến phông nền của detector hpge

BÁO CÁO KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Đề tài:
XÂY DỰNG HỆ PHỔ KẾ THỜI GIAN
KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA MUON ĐẾN
PHÔNG NỀN CỦA DETECTOR HPGe
SVTH : Trương Quang Vương
CBHD : ThS. Nguyễn Quốc Hùng
CBPB : TS. Trần Duy Tập
TP HỒ CHÍ MINH – 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ-VẬT LÝ KỸ THUẬT
BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN

1
NỘI DUNG
TỔNG QUAN
XÂY DỰNG HỆ PHỔ KẾ THỜI GIAN
THỰC NGHIỆM
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1.
3.
2.
4.
2
TỔNG QUAN
1.
3
Hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe
Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma phông thấp
 Detector bán dẫn siêu tinh khiết HPGe có độ phân giải cao.

 Ứng dụng để khảo sát các mẫu phóng xạ môi trường, mẫu sinh học, …
 Các tác nhân ảnh hưởng phông nền:
- Bức xạ gamma từ môi trường, thiết bị, vật liệu che chắn.
- Radon trong không khí
- Bức xạ vũ trụ (muon, neutron, electron, …)
4
MCA

Cao
thế
Khuếch đại
Tiền
Khuếch
đại
Máy tính
Detector
HPGe
6
Bức xạ vũ trụ sơ cấp
Các hạt nhân (O hoặc N)
Tương tác hadron
Bức xạ hãm
Tương tác
yếu
Hình 1.2. Các quá trình tương tác của bức xạ
vũ trụ đi vào khí quyển của Trái Đất
Giới thiệu về muon
 Một số tính chất của muon:
Spin
1/2

Khối
lượng
105,659 MeV/c
2
Năng
lượng
4 GeV
Thông
lượng
1 muon/cm
2
/phút
Điện
tích


; 

Thời
gian
sống
2,197034
± 0,000021
μs
 Các bức xạ vũ trụ sơ cấp
(proton, heli, electron) tương
tác khí quyển  các pion (
0
,


+
, 

)  muon (

 

).
5
Ảnh hưởng của muon đến phông nền HPGe
 Muon tương tác với buồng chì và detector HGPe:
- Muon âm tạo ra neutron kích hoạt tạo ra gamma.
- Phân rã muon dương tạo ra positron.
- Bức xạ hãm muon
- Ion hóa trực tiếp của các muon
=> Đóng góp vào phổ phông nền của phổ gamma.
 Phương pháp giảm phông do muon tạo ra:
- Đặt detector HPGe trong một phòng thí nghiệm dưới lòng đất.
- Sử dụng phương pháp giảm phông chủ động (đối trùng phùng).
6
XÂY DỰNG
HỆ PHỔ KẾ THỜI GIAN
2.
7
8
RS-232
Xung Start
Xung Stop
Code
VHDL

Xây dựng và khảo sát hệ phổ kế thời gian
MÁY PHÁT XUNG
Kiểm tra khả năng đáp ứng:
- Độ chính xác khi đo thời gian.
- Tốc độ ghi nhận và xử lý với
tần số thay đổi.
5 V
-5 V
Khảo sát thay đổi khoảng thời gian giữa hai xung
Bảng 2.1. Kết quả tương quan
giữa khoảng thời gian thiết lập
trong code VHDL và kết quả
đo được từ hệ phổ kế thời gian
Hình 2.1. Đồ thị khảo sát đo
thời gian của phổ kế thời gian
11
9
 Tần số được cố định 1,5 Hz
 Đường tuyến tính:
y = -0,85812 + 0,99996.x
Hệ số làm khớp R=1.
 Hệ phổ kế thời gian đáp ứng
tốt về mặt đo thời gian giữa
hai xung tín hiệu.
Khảo sát thay đổi tần số
Bảng 2.2. Khảo sát hiệu suất ghi
nhận của hệ phổ kế thời gian khi
thay đổi tần số tạo xung từ máy phát
xung
Hình 2.2. Đồ thị biểu diễn phổ thời

gian khi thay đổi tần số phát xung
12
 Khoảng cách cố định 2,2 s
 Tuyến tính dưới 100Hz
y = 0,00334 + 1,00133.x
Hệ số làm khớp R=1.
 Tốc độ ghi nhận của hệ phổ
kế thời gian thực hiện tốt với
tần số xung dưới 100Hz.
10
THỰC NGHIỆM
3.
11
Bố trí thí nghiệm
Hình 3.1. Sơ đồ khối khảo sát ảnh hưởng của muon đến
phông nền của detector HPGe
12
Hình
3.2. Cấu trúc detector GC2018
Hình
3.3. Xung tín hiệu từ tiền khuếch đại
của
detector HPGe ghi nhận bằng
Oscillocope
Hình
3.4. Mô hình detector nhấp nháy Plastic
Hình
3.5. Xung tín hiệu từ ống nhân quang
điện
của detector Plastic ghi nhận bằng Oscillocope

13
kích thước 30x20x1 cm
THÔNG SỐ CÀI ĐẶT
Tên thiết bị Thông số cài đặt
Cao
thế của detector Plastic (V) -1 200
Cao
thế của detector HPGe (V) 3 000
Cửa
sổ thời gian (ns) 10 000
14
Phổ phông nền của detector HPGe
Hình 3.6. Phổ phông nền của detector HPGe
đặt bên trong buồng chì
+ Kết quả thu được từ 0-2000 keV có 115477 số đếm
+ Đo trong 24 giờ (từ 18h ngày 8/6/2014 đến 18h ngày 9/6/2014)
 Phổ phông gồm nền có:
- Đỉnh hủy 511keV của e
+
do phân rã muon dương.
- Đỉnh 1460 keV của K-40.
- Phần còn lại: Neutron
kích hoạt hạt nhân của
buồng chì sinh ra các
gamma. Muon tương tác
trực tiếp.
15
511 keV
1460 keV
18

Phổ thời gian tương quan giữa detector Plastic và detector HPGe
Hình
3.7. Phổ thời gian tương quan giữa hai
detector Plastic
và HPGe
Hình
3.8. Phổ thời gian tương quan giữa
Plastic
– HPGe và làm khớp theo hàm e mũ
sau
khi loại bỏ đỉnh tại kênh 134ns
- Hàm làm khớp có dạng e mũ y= 997,45.exp(-t/78,56)
- Thời gian sống của muon trong buồng chì là  = 78,56  2,46 ns.
16
17
Tỉ lệ đóng góp của muon vào phông nền của HPGe
theo cửa sổ thời gian
Hình 3.9. Tỉ lệ muon đóng góp vào phổ phông HPGe theo
cửa sổ thời gian tương quan giữa hai detector Plastic-HPGe
Tỉ lệ muon/phông HPGe=
Số đếm muon trong cửa sổ thời gian
Tổng số đếm phông trên HPGe
 Tỉ lệ đóng góp
muon đến phông HPGe
có giá trị khoảng 8,64%
với cửa sổ thời gian
1000ns (1,0µs).
 Đưa ra cửa sổ thời
gian 1000 ns (1,0µs)
cho hệ đối trùng phùng.

4.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
18
Kết luận
- Xây dựng thành công hệ phổ kế thời gian đáp ứng tốt khả năng khảo sát muon.
- Phổ thời gian tương quan giữa Plastic-HPGe làm khớp theo hàm e mũ có dạng:
y = 997,45. 
78,56
- Kết quả  = 78,56  2,46 ns phù hợp với tài liệu tham khảo [14] là 79,5ns.
- Kết quả đóng góp của muon trong phổ phông nền 8,64% với cửa sổ thời gian 1000ns.
 Đề xuất cửa sổ thời gian để giảm phông chủ động cho hệ phổ kế gamma HPGe.
Kiến nghị
- Tăng cấu hình detector Plastic loại lớn.
- Sử dụng bộ phân biệt để trigger xung tín hiệu trước khi đưa vào hệ phổ kế thời gian.
- Xây dựng hệ điện tử đối trùng phùng cho hệ giảm phông chủ động của hệ phổ kế
gamma HPGe với cửa sổ thời gian đề xuất nêu trên.
19
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Nguyễn Quý Đạo (2011), Xây dựng hệ đo bức xạ vũ trụ - Khảo sát sự phân bố bức xạ vũ trụ tại Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên TP HCM, Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Cần Thơ.
[2] Nguyễn Quốc Hùng (2011), Xây dựng chương trình nhúng VHDL tính các thông số đặc trưng cho hệ MCA (Flash-ADC/FPGA),
Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Cần Thơ.
[3] Đặng Lành (2013), nghiên cứu, xây dựng hệ thiết bị thu nhận và xử lý số liệu dựa trên kỹ thuật DSP qua ứng dụng FPGA phục vụ
nghiên cứu vật lý hạt nhân thực nghiệm, Luận án Tiến sĩ, Viện năng lượng nguyên tử Việt Nam.
[4] Trương Thị Hồng Loan (2009), Áp dụng mô phỏng phương pháp Monte Carlo để nâng cao chất lượng hệ phổ kế gamma sử dụng
đầu dò bán dẫn HPGe, Luận án tiến sĩ vật lý, Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên TP.HCM.
[5] Đỗ Minh (2013), Mô phỏng hệ giảm phông chủ động của hệ phổ kế gamma phông thấp bằng chương trình Geant4, Khóa luận tốt
nghiệp, Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên TP.HCM.
[6] Trần Thiện Thanh (2013), hiệu chỉnh phổ gamma bằng phương pháp monte carlo, Luận án Tiến sĩ, Trường Đại học Khoa Học Tự

Nhiên TP.HCM.
[7] Trần Quốc Việt (2011), Nghiên cứu xây dựng hệ đo hạt muon đo thời gian sống hạt muon, Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học
Khoa Học Tự Nhiên TP.HCM.
Tiếng Anh
[8] Mark Pearce (2003), Measruring the Lifetime of Cosmic Ray Muons, Kungliga Tekniska Högskolan
[9] T.E Coan, J. Ye (2003), Muon Physics, v051110.0.
Website
[10] Cornell University Library, />[11] />[12] />[13] />[14] 2212.pdf
21
20
CẢM ƠN QUÝ THẦY CÔ VÀ CÁC BẠN
ĐÃ LẮNG NGHE !!!
Detector
HPGe
Buồng
chì
Detector
Plastic