NGHIÊN CỨU NÂNG CẤP NHIỄU XẠ KẾ TIA X GHÉP NỐI MÁY VI TÍNH PC

- 2 -
TÓM TẮT
Nhiệm vụ của đề tài:
1. Xây dựng, lắp đặt các bài thí nghiệm vật lý đại cương.
2. Biên soạn giáo trình hướng dẫn: Thực hành vật lý đại cương II
bao gồm 10 bài thí nghiệm thực hành sau:
Bài 1. Cơ học chất điểm, hiện tượng phách
Bài 2. Cơ học vật rắn
Bài 3. Máy biến thế
Bài 4. Đo từ trường
Bài 5. Đo vận tốc của ánh sáng
Bài 6. Giao thoa ánh sáng
Bài 7. Hiện tượng tán sắc ánh sáng, cách tử nhiễu xạ
Bài 8. Nhiễu xạ tia X
Bài 9. Tính chất sóng của electron
Bài 10. Đo điện tích riêng của electron
3. Nghiên cứu nâng cấp nhiễu xạ kế tia X ghép nối máy vi tính PC.
Dùng kỹ thuật ghép song song với PC qua cổng máy in thay thế
cho kỹ thuật ghép nối qua slot ISA 8 bit của hệ thống cũ.
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo các khối điện tử chức năng để lắp
đặt hệ nhiễu xạ tia X ghép nối PC bao gồm : Khối nguồn nuôi thế
thấp (±5V, ±15V). Nguồn nuôi cao thế 500V. Khối khuếch đại
phổ và hình thành xung. Khối đo đếm đa thang MCS. Khối nhận
biết vò trí detector.
Viết chương trình phần mềm điều khiển hệ thống, thu nhận và xử
lý phổ nhiễu xạ bằng Visual C
++
trong môi trường Windows XP.
- 3 -
ABSTRACT

The commission of project:
1. Design, construct experiments of fundamental physics.
2. Edit the laboratory manual: “Experiments of fundamental
physics II” consist of 10 experiments:
Exp.1. Mechanics of a Particle, Beat.
Exp.2. Mechanics of a Rigid Body.
Exp.3. Transformer.
Exp.4. Measurement of magnetic fields.
Exp.5. Measurement of speed of Light.
Exp.6. Interference of Light.
Exp.7. Dispersion of Light, Diffraction grating.
Exp.8. X-ray diffraction.
Exp.9. Wave property of Electron.
Exp.10. Measurement of ratio e/m of Electron.
3. Study, upgrade the X-ray diffractometor.
Replace the interfacing card on extended SLOT of the old
system by interfacing card to PC through a parallel port (LPT).
Design, manufacture functional electronics blocks for X-ray
diffractometor: power supply (±5V, ±15V), HV 500V,
spectroscopy amplifier, multi channel scale, control unit
position of detector.
Design program for systematic control, receive and process
of spectrum by Visual C
++
in Windows.
- 4 -
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
hực hành Vật lý đại cương là một trong những nội dung hết sức
quan trọng trong chương trình đào tạo cử nhân Vật lý. Ngoài
các bài thí nghiệm kinh điển, truyền thống giúp mô tả và

nghiên cứu các hiện tượng Vật lý trong phạm vi của Vật lý cổ điển,
các bài thí nghiệm đã dần dần được cải tiến theo hướng áp dụng
những thành tựu của công nghệ thông tin vào việc xử lý các dữ liệu
thực nghiệm với sự trợ giúp của máy vi tính. Có 2 hướng chính trong
việc cải tiến các thí nghiệm vật lý:
- Hướng thứ nhất: Cải tiến về mặt phương pháp: Sử dụng máy vi
tính như một công cụ vạn năng, nhờ các phần mềm và công cụ lập
trình multimedia cho phép mô phỏng tất cả các hiện tượng vật lý. Nhờ
vậy, Có thể tiến hành các thí nghiệm “ảo” với đầy đủ mọi dữ kiện
khả dó trên máy vi tính. Đây là một trong những công cụ hỗ trợ hết
sức đắc lực vào việc cải tiến phương pháp giảng dạy góp phần nâng
cao hiệu quả và chất lượng đào tạo.
- Hướng thứ hai: Cải tiến về mặt nội dung, cấu hình kỹ thuật của
các thí nghiệm vật lý: Sử dụng kỹ thuật giao tiếp của các dụng cụ đo
lường với máy vi tính để thiết kế các bài thí nghiệm thực hành. Đây là
một trong những xu hướng có tính cách mạng trong việc thiết kế các
thí nghiệm vật lý. Nhờ máy vi tính và các chương trình điều khiển mà
các bước tiến hành thực nghiệm được chuẩn hóa, không những nó cho
các kết quả hết sức nhanh chóng, chính xác, có thể lưu trữ kết quả dễ
dàng, mà còn giúp cho việc nghiên cứu các hiện tượng vật lý được
thuận lợi hơn. Đặc biệt, nó giúp cho Sinh viên làm quen với các
phương pháp đo lường và điều khiển hiện đại trong kỹ thuật.
Với ý nghóa hết sức to lớn đối với công tác đào tạo, đề tài nghiên
cứu khoa học: “Đo lường bằng máy vi tính. xây dựng và nâng cấp các
bài thí nghiệm vật lý đại cương II, Mã số: B2004-29-25, nhằm các
mục đích sau:
T
- 5 -
1. Xây dựng, lắp đặt và viết tài liệu hướng dẫn các bài thí nghiệm
vật lý đại cương II, trên cơ sở các thiết bò của hãng LEYBOLD

cung cấp để phục vụ trực tiếp cho công tác đào tạo.
3. Nghiên cứu xây dựng và nâng cấp các bài thí nghiệm ghép hệ đo
với máy vi tính.
Trong số các bài thí nghiệm đã lắp đặt có 4 bài sử dụng phương
pháp hiện đại là gắn hệ đo với PC. Hệ thống trong thời gian vừa qua
đã góp phần đắc lực trong việc giảng dạy và thực hành thí nghiệm của
Sinh viên. Tuy nhiên do được thiết kế trên cơ sở PC 486 và chương
trình chạy trên nền hệ điều hành DOS, cho nên đến nay đã tỏ ra khá
lạc hậu. Mặt khác do phải phục vụ liên tục nên hầu hết đều đã trục
trặc, đặc biệt là phần cứng.
Từ thực tại trên đề tài nghiên cứu đặt ra nhiệm vụ xây dựng và
nâng cấp các bài thí nghiệm ghép PC, trong đó trước mắt tập trung
cho hệ nhiễu xạ tia X với các đònh hướng sau:
Thay đổi nguyên tắc thiết kế mạch giao diện: dùng kỹ thuật ghép
song song với PC qua cổng máy in thay thế cho kỹ thuật ghép nối
qua slot ISA 8 bit của hệ thống cũ.
Thực nghiệm. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm các khối
chức năng của hệ phổ kế tia X, bao gồm: khuếch đại tuyến tính,
nguồn nuôi cao thế, mạch MCS (Multi Channel Scaler), mạch theo
dõi vò trí đầu dò.
Lập trình điều khiển thiết bò, thu nhận và xử lý phổ bằng Visual C
++
trong môi trường Windows XP.
- 6 -
II. NỘI DUNG
Nội dung của đề tài nghiên cứu được trình bày tóm tắt trong các
phần chính sau:
Phần thứ nhất
:
XÂY DỰNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II.

Xây dựng, lắp đặt, thử nghiệm và viết tài liệu hướng dẫn chi tiết
10 bài thí nghiệm thực hành. Nội dung của phần này được trình bày
chi tiết trong giáo trình: “Thực hành Vật lý đại cương II”.
Bài 1. Cơ học chất điểm, hiện tượng phách: Khảo sát và nghiệm
lại các đònh luật chuyển động của chất điểm, va chạm đàn hồi. Khảo
sát hiện tượng phách nhờ thiết bò đo ghép với máy vi tính PC.
Bài 2. Cơ học vật rắn: Khảo sát và nghiệm lại các đònh luật
chuyển động của vật rắn. Đo gia tốc trọng trường bằng con lắc toán
học. Đo mô men quán tính của con lắc vật lý. Khảo sát chuyển động
tiến động của con quay hồi chuyển.
Bài 3. Máy biến thế: Khảo sát và đo đạc các tham số của máy
biến thế 1 pha ở các chế độ không tải, chế độ có tải và chế độ ngắn
mạch nhờ hệ thống đo ghép nối máy vi tính PC.
Bài 4. Đo từ trường: Khảo sát và đo từ trường trong một ống dây
bằng máy đo từ trường và bằng hệ đo ghép nối với máy vi tính PC.
Bài 5. Đo vận tốc của ánh sáng: Khảo sát và đo vận tốc của ánh
sáng bằng thiết bò biến đổi xung điện và oscilloscope.
Bài 6. Giao thoa ánh sáng: Khảo sát hiện tượng giao thoa ánh
sáng nhờ lưỡng gương Fresnel, đo bước sóng của nguồn sáng.
Bài 7. Hiện tượng tán sắc ánh sáng, cách tử nhiễu xạ: Khảo sát
hiện tượng tán sắc sánh sáng qua lăng kính và cách tử nhiễu xạ, đo
chiết suất của chất thủy tinh làm lăng kính, đo bước sóng của nguồn
sáng.
Bài 8. Nhiễu xạ tia X: Khảo sát hiện tượng nhiễu xạ tia X qua tinh
thể, đo bước sóng của tia X và hằng số mạng tinh thể nhờ nhiễu xạ kế
tia X ghép nối với máy vi tính PC.
- 7 -
Bài 9. Tính chất sóng của vi hạt: Khảo sát hiện tượng nhiễu xạ
của chùm electron qua thanh đa tinh thể graphit, đo bước sóng De
Broglie của electron, khoảng cách mạng tinh thể graphit.

Bài 10. Đo điện tích riêng của electron: Khảo sát và đo điện tích
riêng của electron e/m.
Phần thứ hai
:
XÂY DỰNG, NÂNG CẤP NHIỄU XẠ KẾ TIA X
GHÉP NỐI MÁY VI TÍNH PC
A. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.
Chương 1. Giao tiếp giữa các thiết bò đo lường với máy vi tính.
Nội dung chương này trình bày các nguyên tắc và kỹ thuật giao
tiếp giữa các hệ thống đo lường và điều khiển với máy vi tính. Cấu
hình tổng quát của một hệ thống đo lường và điều khiển ghép PC chỉ
ra trên hình 1.1.
SENSOR
PHYSICAL
SYSTEM
(OBJECT)
ANALOG
PROCESSOR
ADC
INTERFACE
PC
Hình 1.1. Cấu hình của một hệ thống đo lường và điều khiển ghép PC
Để thực hiện việc kết nối máy tính với các hệ thống đo lường
có thể sử dụng các kỹ thuật giao diện sau (hình 1.2).
- 8 -
Hình 1.2. Các phương pháp giao tiếp
Chương 2.. Tổng quan về tia X
2.1. Tương tác của tia X với vật chất
Khi một chùm tia X đi qua mẫu vật chất, cường độ chùm tia sẽ bò
suy giảm vì tán xạ do tương tác của tia X với các nguyên tử của môi

trường vật chất: tán xạ kết hợp, tán xạ không kết hợp và quá trình hấp
thụ quang điện (hình 2.1).
Hình 2.1
- 9 -
2.2. Nhiễu xạ tia kế tia X
Ta không thể quan sát được hiện tượng nhiễu xạ của tia X đối với
các cách tử quang học thông thường vì bước sóng của tia X quá nhỏ.
Do đó phải dùng tinh thể của các chất làm cách tử cho nhiễu xạ tia X.
Theo lý thuyết nhiễu xạ tia X qua tinh thể của Vulf – Bragg mỗi
mặt Bragg giống như một gương phẳng phản xạ tia X như hình 2.2.
Hình 2.2.
Điều kiện để có cực đại nhiễu xạ tia X là:
δ = 2dsinθ = kλ (1)
Theo công thức Vulf – Bragg nếu biết trước d, từ thực nghiệm đo
θ có thể xác đònh được bước sóng tia X. Ngược lại nếu biết trước λ, từ
thực nghiệm đo θ ta có thể xác đònh được hằng số mạng tinh thể d.
Đó là nguyên lý để xây dựng nhiễu xạ kế tia X (hình 2.3).
D
E
T
Hình 2.3. Sơ đồ khối nhiễu xạ kế tia X
- 10 -
B. THỰC NGHIỆM.
Nội dung của phần này trình bày nguyên tắc thiết kế, thử nghiệm
các khối chức năng của hệ phổ kế tia X, bao gồm: khuếch đại tuyến
tính, nguồn nuôi cao thế, mạch MCS (Multi Channel Scaler), mạch
theo dõi vò trí đầu dò, chương trình điều khiển.
Chương 3
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁC KHỐI ĐIỆN TỬ CHỨC NĂNG
CHO NHIỄU XẠ KẾ TIA X

3.1. Mạch cao thế 500V.
Mạch cao thế làm nhiệm vụ cung cấp thế 500V cho đầu dò GM
hoạt động. Sơ đồ khối của mạch được trình bày ở hình 3.1.
Hình 3.1
Nguyên lý hoạt động như sau: điện áp xung dao động với tần số
chuẩn f
0
(có thể thay đổi từ 1KHz đến 10KHz) được hình thành nhờ vi
mạch LM555 được đưa tới bộ khuếch đại Darlington. Tín hiệu lối ra
của mạch khuếch đại được đưa qua biến áp xung. Điện áp thứ cấp
của biến áp xung được chỉnh lưu và nhân bội áp lên 500V. Vòng phản
hồi để bảo vệ quá tải và ổn đònh điện áp ra của mạch. Sơ đồ chi tiết
được trình bày trên hình 3.2.