Thực tập chuyên đề: Các vấn đề trong năng lượng hạt nhân

Thực tập chuyên đề
Trường đại học khoa học tự nhiên Hà Nội.
Sinh viên: Vũ Thị Phượng.
Mã sv: 11001534
Lớp: B1K56 công nghệ hạt nhân.
Bài thực hành 1:
Xác định tỉ số đồng vị bằng phổ kế gamma.
 Mục đích.
Biết được cách tính tỉ số đồng vị mà không cần biết hiệu suất ghi tại đỉnh hấp
thụ toàn phần của detector.
 Lý thuyết.
Hiệu suất ghi tại đỉnh hấp thụ toàn phần của detector:
ε(E

)
=
Trong đó:
n
i:
là tốc độ đếm tại đỉnh gamma thứ I do nguồn có hoạt
độ Aphát ra.
I
i
:là hệ số phân nhánh ứng với bức xạ gamma i.
Nếu nhân 2 vế của phương trình trên với A ta được:
F (E
i
) = A* ε (E

)

=
Hàm F(E
i
) được gọi là đường chuẩn trong.
Hàm này được xây dựng dựa trên các tia gamma của cùng 1 đồng vị phát ra.
Sau khi xây dựng hàm chuẩn trong , tỉ số hoạt độ A
1
/A
2
thu được như sau:
Trong đó E
2j
: là tia gamma thứ j do đồng vị 2 phát ra
Để thu được độ chính xác thì E
2j
được chọn sao cho nằm trong giải năng
lượng của các tia gamma phát ra từ đồng vị 1 mà được dùng để xây dựng
hàm F
1
(E).
 Thực hành.
- Sử dụng phần mềm meastro hoặc gammavision để mở phổ thuctap.spc và
phổ phong.spc. trong phổ này chứa 1 số đồng vị phóng xạ như
232
U,
238
U,
214
Bi…
- Ghi lại năng lượng và tốc độ đếm tại các đỉnh năng lượng.

- Dựa trên tia gamma của
232
U, vẽ đồ thị F(E), khớp các điểm thực nghiệm
để thu được dạng giải tích của hàm này.
- Tính tỉ số hoạt độ phóng xạ của
232
U/
238
U và
232
U/
214
Bi.
 Kết quả và giải thích.
Đồng
vị E(keV) I
γ
n
0
n
phong
n
hc
= n
0-
n
phong
∆n
hc
F=n

hc
/I
γ
∆F
232
U 1001.0
2 0.835 0.029 0.0004 0.0286 2E-05 3.42
0.002
4
766.36 0.3193 0.0294 0.0009 0.0285 3.1E-05 8.9281
0.101
8
238
U 583.19
1 30.42 0.738 0.0009 0.7371 0.00203 2.423
0.024
2
727.33 6.74 0.1432 0.0016 0.1416 0.0002 2.1011
0.040
4
860.56
6 4.52 0.0811 0.0009 0.0802 0.0001 1.7741 0.018
893.40
8 0.378 0.0058 0.0002 0.0057 2.5E-06 1.501
0.076
1
1078.6
2 0.564 0.0079 0 0.0079 1.4078
214
Bi 609.31

8 46.89 0.0131 0.0067 0.0064 1.2E-05 0.0137
0.001
2
Vẽ đường cong hiệu suất ghi dựa trên các bức xa gamma do đồng vị
238
U phát
ra( 583.191 keV; 727.33keV,860.566 keV; 893.408 keV; 1078.62 keV) ta thu được
đồ thị và hàm F(E) như hình sau:
Hình: đường chuẩn trong của các đỉnh gamma do đồng vị
238
U phát ra.
Hàm F(E) = 5.254 – 0.00621*E + 0.00000243*E
2
Ta tính được tỉ số hoạt độ như sau:
Tỉ số E(keV) F(E) n
E
/I
E
Kết quả
232
U/
238
U 1001 1.4726 3.42 0.4306
232
U/
214
Bi 609.32 2.3723 0.0137 173.34
- Lựa chọn các tia gamma của
232
U có năng lượng sao cho năng lượng của

214
Bi nằm trong giải năng lượng đấy,để có thể thu được tỉ số hoạt độ một
cách chính xác hơn.
- Có thể tính tỉ số của
235
U/
238
U được, kết quả tính cho ra là 0.005. tuy
nhiên, các năng lượng của
235
U không nằm trong giải năng lượng của các
tia gamma phát ra từ đồng vị
232
U mà ta chọn ở trên, nên kết quả thu được
sẽ không chính xác.
- Tính tỉ số khối lượng
-
232
Th có ảnh hưởng vào tính tỉ số hoạt độ của
232
U, vì
232
Th khi phân rã
phát ra các đồng vị có mức năng lượng gần với mức năng lượng của
232
U.
bài thực hành 2:
đơn kênh và đa kênh.
 Biên độ phổ của nguồn
137

Ci sử dụng SCA (single channel
analyser)
 Mục đích
Đếm số xung có biên độ giữa 2 giá trị V
1
và V
2
sử dụng bộ đơn kênh SCA.
 Thực hành.
- Đầu ra của bộ khuếch đại được nối vào đầu vào của SCA.
- Chọn biên độ 0.2V.
- Chọn Low Level là 0.1V.
- Quan sát các tín hiệu đầu ra trên dao động kí.
- Đầu ra của SCA nối với đầu vào của 1máy đếm.
- Chọn thời gian đếm là 30s. ghi lại số xung đếm được.
- Đếm số xung cho mỗi giá trị của Low Level từ 0.1V đến 6.5-6.7V
 Kết quả.
u(V) số đếm
0.1 2887
0.3 1623
0.5 1360
0.7 1416
0.9 1038
1.1 941
1.3 890
1.5 907
1.7 1027
1.9 1229
2.1 1348
2.3 1238

2.5 1092
2.7 1018
2.9 905
3.1 790
3.3 814
3.5 783
3.7 814
3.9 747
4.1 695
4.3 730
4.5 654
4.7 561
4.9 455
5.1 290
5.3 268
5.5 238
5.7 230
5.9 287
6.1 381
6.3 658
6.5 5383
6.7 5137
6.9 506
7.1 23
7.3 0
dạng phổ thu
được khi sử dụng SCA.
Nhận xét về phổ của
137
Ci.

- Đỉnh 1 có năng lượng là 33keV., đỉnh này hình thành do hiệu ứng quang
điện xảy ra trong vật liệu, tia X sẽ bay vào tinh thể Det.quá trình phát tia
X này là do xảy ra biến hóa nội của
137
Ci.
- Đỉnh 2 gọi là tán xạ ngược. tia gamma xuyên qua tinh thể, đập vào vật
liệu làm Det, và bị tán xạ compton góc lớn quay trở lại tinh thể. Năng
lượng của đỉnh này được tính bằng công thức
E =
Với góc tán xạ bằng 180
o,
năng lượng của đỉnh này có kết quả là 184keV.
- Đỉnh 3 là bức xạ hủy . nếu gamma có năng lượng lớn thì sẽ xảy ra hiện
tượng tạo cặp trong vật liệu Det, bức xa hủy sẽ bay vào tinh thể. năng
lượng của đỉnh này bằng 477 keV.
- Đỉnh 4 là đỉnh hấp thụ toàn phần ,năng lượng của đỉnh này là 661keV
hình thành do hiệu ứng quang điện dẫn đến hấp thụ hoàn toàn năng lượng
photon tới.ngoài ra còn do đóng góp của tán xạ compton nhiều lần, và do
trong hiện tượng hủy cặp, cả 2 tia gamma hủy cặp đều bị hấp thụ trong
thể tích của đầu dò.




 biên độ phổ của nguồn
137
Ci sử dụng MCA (multi channel
analyser)
- cài đặt các thông số tương tự như thí nghiệm trên, đầu ra của bộ khuêch
đại được nối với MCA.

- Phổ của
137
Ci thu được:
Bảng: năng lương và kênh tương ứng.
E(keV) channel
33 123
184 375
477 775
661 1122
Từ bảng trên ta thu được đường chuẩn năng lượng:
E = a*channel +b
Với a = -45.54; b=0.64
Bài thực hành 3:
Giới thiệu phương pháp phân tích tín hiệu điện tử
trong các phép đo bức xạ hạt nhân.
 Giới thiệu.
- Để mô phỏng các xung từ detector, người ta thường dùng máy phát
xung 480. Đầu ra của máy này sẽ được nối với đầu vào của tiền
khuếch đại.
- Tuy nhiên trong các thí nghiệm này, giả lập xung từ detector nên máy
phát xung được nối trực tiếp vào khuếch đại.
- Bộ phát xung có 2 lối ra, 1 lối ra trực tiếp và 1 lối ra bị suy giảm
- Tri-gơ được điều khiển trên máy dao động dùng để đồng bộ tín hiệu.
 Các thiết bị .
 Máy phát xung.
- Đặt bộ máy phát xung trong khung cố định.
- Kết nối với dao động ký, dùng tín hiệu có độ cao 5V.
- Đầu ra của máy phát xung được nối vào đầu vào của khuếch đại.
- Đo biên độ ở máy phát xung, thay đổi biên độ xung ,quan sát biên độ
điện áp trên hình dao động , thu được bảng sau:

pule-hight dial
setting voltage amplifier
1000 9.8
800 7.8
600 5.9
400 4
200 2

Đồ thị : sự phụ thuộc của V vào p-h
 Khuếch đại.
- Quan sát tín hiệu lối ra của khuếch đại ở chế độ phân cực thuận, phân
cực ngược và lưỡng cực
- Tín hiệu xung có dạng hình gauss.
- Nối output của khuếch đại sang bộ SCA phân tích đơn kênh.
- SCA lại được nối với bộ đếm.
 SCA
Có 3 chế độ: chế độ đếm tích phân, chế độ NOR, chế độ windown
• Chế độ đếm tích phân INT
ở chế độ này, máy chỉ đếm được những tín hiệu có biên độ dao
động cao hơn mức low level.
Giảm low level ta có bảng số liệu:
pule-hight low level
1000 5.56
800 4.48
600 3.34
400 2.23
200 1.12
Đồ thị : sự phụ thuộc của L-L vào P-L
• Chế độ NOR
- ở chế độ này, máy chỉ đếm được khi tín hiệu nằm trong

khoảng lower level – upper level
- đặt lower level không đổi,thay đổi upper level để kiểm tra
xem máy bắt đầu đếm và dừng khi nào, ta sẽ xác định được
khoảng đếm.
bảng:
lower level upper level ∆E upper ∆E lower
200
100 0 0
300 2.18 1.42
600 4.34 1.42
800 5.8 1.42
• Chế độ windown
- ở chế độ này , máy sẽ đếm trong khoảng từ lower level đến
lower + upper. Tức là độ rộng cửa sổ chính bằng windown.
- Đặt lower level không đổi, thay đổi windown.
- Ta có bảng số liệu sau:
lower level windown ∆E upper ∆E lower
100
100 2 1.78
300 2.38 1.78
600 2.89 1.78
800 3.26 1.78
lower level windown ∆E lower ∆E lower
200
100 3.8 3.6
300 4.18 3.6
600 4.7 3.6
800 5.06 3.6
Đồ thị: sự phụ thuộc của ∆E lower -∆E lower vào windown.
Bài thực hành 4:

Kĩ thuật trùng phùng.
 LÝ THUYẾT.
Trùng phùng tức là 2 xung có liên quan đến nhau trong 1 thời gian
nào đó.
 Trùng phùng β–γ
Đồng vị X
1
phân rã 

để trở thành đồng vị Y
1
theo sơ đồ sau:
X
1
→ Y
1
+


Đồng vị X
1
trở thành Y
1
theo 2 cách:
Thứ nhất là phân rã 
1
về trạng thái B rồi sau đó phát bức xạ γ 0.57
MeV để trở về trạng thái C.
Thứ 2 là phân rã 
o

trở về trạng thái C và không phát bức xạ γ.
 Trùng phùng α–γ
Đồng vị A phân rã α
1
ở trạng thái kích thích và phát bức xạ γ
1
năng
lượng 0.5MeV để trở về trạng thái cơ bản B, hoặc đồng vị A trực tiếp phát
bức xạ α
o
để trở về trạng thái cơ bản B mà không phát bức xạ γ.
Hình dưới là phổ của alpha và gamma . Do alpha là hạt tích điện , nên
chỉ đi được vài mm là bị dừng lại trong Det, nên năng lượng không bị mất,
vì thế mà chỉ đo được đỉnh mà không có nền compton như phổ gamma.
 Trùng phùng γ-γ
Hạt nhân C phân rã  và ở trạng thái kích thích với năng lượng 1MeV.
Sau đó phát ra bức xạ γ
1
với năng lượng 0.4MeV và lại ở trạng thái kích
thích với năng lượng 0.6MeV rồi lại tiếp tục phát bức xạ γ
2
với năng lượng
0.6MeV để trở về trạng thái cơ bản D. Tức là mỗi lần phát tia γ
1
thì tia γ
2

cũng được tạo ra.
II. THÍ NGHIỆM.
1. Một hệ thống trùng phùng đơn giản qua 1 máy phát

xung.
Sơ đồ khối của hệ thống:
Thời gian trùng phùng là τ
1
+ τ
2
, trong đó τ
1
là độ rộng xung cho đầu vào đầu
tiên, và τ
2
là độ rộng xung cho đầu vào thứ hai. Thông thường, τ
1
= τ
2
= τ, khi đó
thời gian trùng phùng là 2 τ
Bảng: số đếm và thời gian ghi nhận được của trùng phùng -γ .
2.44 502
2.48 503
Delay(
μs)
Cou
nt
1.68 26
1.72 179
1.74 107
1.76 179
1.78 163
1.8 213

1.82 173
1.84 274
1.86 350
1.88 428
1.9 347
1.92 493
1.94 486
1.96 493
1.98 497
2 503
2.02 500
2.04 501
2.08 501
2.1 502
2.12 502
2.14 503
2.16 503
2.18 501
2.2 501
2.22 500
2.24 501
2.26 502
2.28 502
2.3 503
2.32 502
2.34 501
2.36 501
2.4 502
2.52 503
2.56 502

2.6 501
2.64 500
2.68 501
2.72 501
2.78 502
2.84 501
2.9 501
2.96 501
3 501
3.1 501
3.2 502
3.3 501
3.4 502
3.5 501
3.6 502
3.7 502
3.8 502
3.9 502
4 494
4.2 456
4.3 330
4.34 324
4.38 217
4.4 232
4.44 229
4.5 183
4.52 115
4.54 140
4.56 146
4.68 1

4.7 0
Đồ thị của trùng phùng -γ

Thời gian trễ tính từ độ rộng nửa chiều cao xung là
2τ = 2.54 (
2. xác định hoạt độ tuyệt đối bằng phương pháp trùng
phùng.
Phương pháp đếm trùng phùng sẽ được sử dụng để đo hoạt độ tuyệt đối
của nguồn
60
Co thông qua đếm trùng phùng -γ.
Để xác định được hoạt độ tuyệt đối, ta cần đếm các sự kiện sau:
− Tổng số đếm trong phổ gamma của nguồn được đo bằng Detector
NaI(Tl).
− Tổng số đếm của phổ beta.
− Tỉ lệ đếm trùng phùng γ của nguồn được tính từ thí nghiệm trên.
− Tỉ lệ đếm gamma R
γ
R
γ
= A
o
.
γ
Trong đó
γ
là hiệu suất của detector NaI(Tl).
− Tỉ lệ đếm beta
R


A
o


Trong đó 

là hiệu suất của detector beta.
− Tỉ lệ đếm trùng phùng
R
c
= A
o
. 



Vậy từ 3 công thức trên, ta suy ra được hoạt độ phóng xạ của nguồn như
sau:
A
o
=