Đang tải... (xem toàn văn)
Điện tử hạt nhân nguyễn đức hòa đại học đà lạt Điện tử hạt nhân nguyễn đức hòa đại học đà lạt Điện tử hạt nhân nguyễn đức hòa đại học đà lạt Điện tử hạt nhân nguyễn đức hòa đại học đà lạt Điện tử hạt nhân nguyễn đức hòa đại học đà lạt Điện tử hạt nhân nguyễn đức hòa đại học đà lạt
Lời nói đầu Quyển sách Điện tử hạt nhân nhằm cung cấp ngun lý thiết bị ghi đo xạ sử dụng cho nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực vật lý hạt nhân, cần thiết cho đội ngũ nghiên cứu, cho sinh viên đại học, cao học nghiên cứu sinh trường đại học ngành kỹ thuật có liên quan tới ghi đo xạ Với phát triển ngành kỹ thuật hạt nhân cho thấy khả ứng dụng rộng rãi hiệu vào lĩnh vực khoa học đời sống Hiện nay, Việt Nam sử dụng lò phản ứng hạt nhân, máy gia tốc lượng thấp thiết bị ứng dụng chất phóng xạ, đặc biệt chuẩn bị xây dựng nhà máy điện hạt nhân dự kiến phát điện vào năm 2020 Do đó, việc đào tạo đội ngũ làm việc lĩnh vực hạt nhân trở thành nhiệm vụ trường đại học giai đoạn Quyển sách Điện tử hạt nhân biên soạn sở giảng tác giả cho bậc đại học sau đại học nhiều năm qua, nhằm phục vụ cơng tác đào tạo nguồn nhân lực ngun tử Tác giả bày tỏ lời cảm ơn đến PGS TS Lê Bá Dũng, TS Lê Hồng Phong, ThS-NCS Nguyễn An Sơn, Trường Đại học Đà Lạt; TS Nguyễn Xn Hải, ThS-NCS Đặng Lành, Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt; TS GVC Phạm Đình Khang, Trung tâm đào tạo hạt nhân, Viện Năng lượng ngun tử Việt Nam đóng góp bổ sung nhiều ý kiến có giá trị cho sách Tác giả mong muốn nhận ý kiến đóng góp từ đồng nghiệp bạn đọc để sách hồn chỉnh lần xuất sau Đà Lạt, ngày 10 tháng năm 2012 Tác giả MỞ ĐẦU Điện tử có ý nghĩa to lớn đời sống, kỹ thuật khoa học Phương pháp điện tử ứng dụng rộng rãi để giải tốn khác Đối với phép đo vật lý, cụ thể đo đại lượng vật lý, mà chủ yếu đại lượng khơng điện, hệ thống đo trước hết phải biến đối đại lượng khơng điện thành đại lượng điện Sơ đồ khối sau: S Biến đổi Hình thành Hình nh xửlýlí xung xử Máy tính ADC Đối với tốn khác nhau, hay nói cách khác với đại lượng vật lý cần đo khác nhau, với u cầu thực tiễn khác lối vào cấu xử lí khác Các đại lượng đo vật lý hạt nhân gắn liền với phép đo hạt nhân dạng khơng điện Vì thế, phương pháp ghi nhận xạ phát từ hạt nhân dựa vào tương tác xạ qua vật chất Dụng cụ làm nhiệm vụ biến đổi xạ thành dạng tín hiệu điện có nhiều tên gọi đầu dò, ống đếm, detector,… Hệ thống điện tử để đo đếm, xác định giá trị đại lượng liên quan tới xạ hạt nhân gọi hệ thống điện tử hạt nhân Một hệ thống điện tử hạt nhân có cấu trúc sau: Detector Detector Analog Processor P Amp P.Amp S ADC MCD - Detector làm nhiệm vụ biến đổi xạ thành dạng tín hiệu điện, - Tiền khuếch đại (P.Amp) khuếch đại có hệ số khuếch đại nhỏ làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu từ lối detector Tiền khuếch đại thường đặt sát detector, cách xa trung tâm đo, - Khuếch đại phổ kế hay gọi xử lí tương tự (Analog Processor), có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu lên vài trăm vài ngàn lần, đồng thời xử lí dạng xung điện độ xác cao phép đo, - ADC, MCD biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (ADC), tín hiệu đưa vào máy tính để xử lí kết đo thơng qua giao diện MCD Cuốn sách nhằm cung cấp kiến thức khối điện tử chức nêu trên, đồng thời từ khối chức tùy vào mục đích đo mà hệ thống điện tử hạt nhân kèm có cấu trúc khác Vì vậy, để nắm bắt kiến thức điện tử hạt nhân, kiến thức Cơ sở kỹ thuật điện tử, Kỹ thuật xung, Kỹ thuật số, Vật lý hạt nhân Phương pháp thực nghiệm vật lý hạt nhân quan trọng cần thiết MỤC LỤC Lời nói đầu - MỞ ĐẦU MỤC LỤC BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT TIẾNG ANH 13 Chương I TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ VỚI VẬT CHẤT - 16 §1.1 NGUN TỬ - 16 Cấu tạo ngun tử - 16 Sự kích thích ion hố ngun tử - 17 §1.2 TƯƠNG TÁC CỦA TIA BETA VỚI VẬT CHẤT - 18 Ion hố (Ionization) - 18 Độ ion hố riêng (Specific ionization) 20 Hệ số truyền lượng tuyến tính (LET) 21 Bức xạ hãm (Bremsstrahlung) 21 Qng chạy hạt beta vật chất - 22 §1.3 TƯƠNG TÁC CỦA HẠT ALPHA VỚI VẬT CHẤT - 23 Truyền lượng hạt alpha 23 Qng chạy hạt alpha vật chất - 24 §1.4 TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT 25 Hiệu ứng quang điện - 25 Hiệu ứng Compton 26 Sự tạo cặp electron-posistron - 27 Tổng hợp hiệu ứng gamma tương tác với vật chất 29 Cấu trúc phổ gamma 30 Chương II DETECTOR GHI ĐO BỨC XẠ VÀ SƠ ĐỒ LIÊN KẾT - 33 §2.1 BUỒNG ION HỐ 33 Ngun tắc hoạt động 33 1.1 Q trình vật lý 33 1.2 Hình thành xung - 34 Sơ đồ nối với tiền khuếch đại - 35 §2.2 ỐNG ĐẾM TỶ LỆ - 37 Q trình vật lý tạo xung - 37 Minh họa thống kê q trình nhân khí 38 Sơ đồ tiền khuếch đại 39 §2.3 DETECTOR NHẤP NHÁY - 40 Ngun lý hoạt động detector nhấp nháy - 40 Hình thành xung 43 Sơ đồ tiền khuếch đại ghép nối với detector nhấp nháy - 44 §2.4 DETECTOR BÁN DẪN 46 Ngun lý hoạt động detector bán dẫn 46 Sơ đồ tiền khuếch đại 49 Chương III CÁC KHỐI ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ - 52 §3.1 CÁC ĐẶC TRƯNG CHUNG CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI 52 §3.2 CÁC LOẠI TIỀN KHUẾCH ĐẠI 54 Chức tiền khuếch đại - 54 Phân loại tiền khuếch đại 54 Các cách ghép nối P.Amp với detector - 56 3.1 Nối AC P.Amp detector 56 3.2 Nối DC detector P.Amp 57 §3.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP HÌNH THÀNH XUNG - 60 Mạch bù trừ điểm khơng - 60 Mạch hình thành xung CR-RC CR-RC-CR 65 Hình thành xung chuẩn Gauss 66 Mạch hình thành xung chuẩn tam giác 69 Hình thành xung tích phân cổng - 70 §3.4 MẠCH PHỤC HỒI ĐƯỜNG KHƠNG - 74 Chức mạch phục hồi đường khơng 74 Các sơ đồ hồi phục đường khơng - 76 2.1 BLR loại đối xứng (Robinson) 76 2.2 BLR loại khơng đối xứng 78 2.3 BLR khơng phụ thuộc thời gian - 78 §3.5 CỔNG TUYẾN TÍNH 81 Loại hai diode (nối tiếp - song song) - 83 Loại cầu diode (cổng tuyến tính lưỡng cực) - 84 §3.6 CÁC MẠCH MỞ RỘNG XUNG - 85 §3.7 HỆ THỐNG KHUẾCH ĐẠI PHỔ 87 Chương IV CÁC SƠ ĐỒ BIẾN ĐỔI TƯƠNG TỰ SỐ 89 §4.1 NGUN LÝ CƠ BẢN CỦA ADC - 89 Khái niệm chung - 89 Một số phương pháp biến đổi A/D - 90 2.1 Phương pháp điều khiển đếm - 90 2.2 Phương pháp so sánh liên tục - 91 2.3 Phương pháp dùng tín hiệu dốc lên 92 2.4 Phương pháp dùng tín hiệu hai độ dốc 93 Các đặc trưng ADC 95 3.1 Độ xác 95 3.2 Độ phân giải 95 3.3 Độ tuyến tính - 95 §4.2 ADC LOẠI SO SÁNH SONG SONG (ADC Flash) 96 Ngun lý chung 96 Phương pháp hiệu chỉnh - 97 §4.3 ADC LOẠI GẦN ĐÚNG LIÊN TIẾP - 98 Ngun lý 98 Sơ đồ khối ADC gần liên tiếp - 99 Phương pháp thang trượt 101 §4.4 ADC WILKINSON 103 Ngun lý - 103 Sơ đồ khối ADC Wilkinson - 105 §4.5 PHÂN TÍCH ĐA KÊNH - 105 Giới thiệu chung - 105 Tổ chức nhớ định thời gian 109 2.1 Bộ nhớ lưu trữ liệu (RAM) 109 2.2 Sơ đồ khối RAM tĩnh (SRAM) 110 2.3 Các thiết bị SRAM chuẩn 111 2.4 Khối hiển thị 114 2.5 Vùng diện tích quan tâm (ROI) - 115 2.6 Chức phát ký tự 116 Chương V ỨNG DỤNG PSD VÀ FPGA TRONG THIẾT KẾ GHI ĐO BỨC XẠ - 118 §5.1 VAI TRỊ CHỨC NĂNG CỦA DSP VÀ FPGA 118 Vai trò chức DSP FPGA - 118 1.1 Xử lí tín hiệu số 118 1.2 Mảng phần tử logic lập trình - 119 Ứng dụng DSP FPGA thiết bị điện tử 122 §5.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN TỬ SỐ - 124 Phương pháp khử tích chập kỹ thuật lấy mẫu qua cửa sổ động (MWD) phát triển thuật tốn DSP - 124 1.1 Giới thiệu 124 1.2 Tái cấu trúc điện tích kiện 126 Phương pháp thiết kế ghi-đo xử lí tín hiệu thuật tốn DSP 132 2.1 Giới thiệu hệ phổ kế sở DSP - 132 2.2 Các khối chức - 133 2.3 Bộ tiền lọc tương tự - 135 10 2.4 Hệ số khuếch đại hệ thống 137 2.5 Các Tiền khuếch đại phản hồi liên tục có xóa - 137 2.6 Hình thành xung 138 2.7 Hồi phục đường - 140 2.8 Chọn lựa xung 141 2.9 Q trình xóa phân biệt thời gian tăng 143 Phương pháp áp dụng vi mạch FPGA để thực thuật tốn DSP 146 3.1 Phương pháp tiết kiệm 146 3.2 Phương pháp chun nghiệp 148 3.3 Phương pháp lập trình cho FPGA sử dụng mơi trường Max+Plus II 148 3.4 Phương pháp lập trình cho FPGA sử dụng mơi trường ISE 150 §5.3 BỘ VI XỬ LÝ XUNG SỐ - 150 Giới thiệu - 150 Mối tương quan cấu hình MCA theo phương pháp tương tự truyền thống phương pháp số 155 Sơ đồ cấu trúc DSP-MCA 155 3.1 Bộ tạo dạng xung số hình thang 155 3.2 Nhận xét - 158 Ưu nhược điểm điện tử truyền thống điện tử số - 159 §5.4 MẠCH ỨNG DỤNG DSP VÀ FPGA - 160 Thiết kế khối MCA8K dùng FPGA - 160 Bộ xử lí trung tâm hoạt động mạch FPGA-MCA8K - 160 Đặc trưng MCA 8k chế tạo 161 Chương VI BIẾN ĐỔI THỜI GIAN THÀNH BIÊN ĐỘ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ THỜI GIAN 163 §6.1 BỘ BIẾN THỜI GIAN THÀNH BIÊN ĐỘ - 163 §6.2 BỘ PHÂN BIỆT TÍCH PHÂN 170 11 §6.3 PHÂN BIỆT CẮT KHƠNG (ZERO-CROSSING) - 172 §6.4 PHÂN BIỆT CẮT KHƠNG THEO PHƯƠNG PHÁP TỶ SỐ KHƠNG ĐỔI 174 §6.5 PHÂN BIỆT THEO PHƯƠNG PHÁP NGƯỠNG SUY BIẾN - 178 Chương VII CÁC HỆ THỐNG ĐO BỨC XẠ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TRONG VẬT LÝ HẠT NHÂN - 182 §7.1 HỆ THỐNG PHỔ KẾ HẠT NHÂN 182 §7.2 PHƯƠNG PHÁP TRIỆT COMPTON 183 §7.3 PHƯƠNG PHÁP TRÙNG PHÙNG THỜI GIAN 186 §7.4 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỰ LIÊN QUAN KẾ TIẾP CỦA BỨC XẠ - 189 §7.5 PHƯƠNG PHÁP TRÙNG PHÙNG TỔNG GHI “SỰ KIỆN - SỰ KIỆN” - 191 §7.6 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRÙNG PHÙNG CHẬM 196 §7.7 PHỔ KẾ THỜI GIAN BAY 199 §7.8 HỆ THỐNG ĐO TÁN XẠ CỘNG HƯỞNG PROTON - 201 TÀI LIỆU THAM KHẢO - 206 12 Số liệu đo theo phương pháp trùng phùng kiện-sự kiện lớn, số liệu cắt lưu thành nhiều tập tin, tập tin đánh số thứ tự khơng Trước xử lí, file đo đồng vị mẫu cần nối lại thành file lớn Hình 7.12a) phổ tổng hình 7.12b) phổ nối tầng 60Co đo phổ kế trùng phùng “sự kiện - kiện” 2506 a) 1332 1173 Hình 7.12 a) Phổ tổng, b) Phổ nối tầng bậc hai 60Co Do số hố gần tồn bộ, nên với phương pháp đo lưu “sự kiện - kiện” thơng tin gốc có khả cung cấp thơng tin đối tượng đo nhiều hẳn so với phương pháp đo lưu phổ truyền thống Phương pháp ngày ứng dụng rộng rãi nghiên cứu ứng dụng vật lý hạt nhân Đặc biệt nghiên cứu máy gia tốc vật lý lượng cao 195 §7.6 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRÙNG PHÙNG CHẬM Những trạng thái kích thích hạt nhân khơng phân rã cách tức thời Trong nhiều trường hợp, thời gian sống đủ dài để đo hay chí đủ dài để so sánh thời gian bán rã Để đo thời gian sống ngắn cỡ 10-4 10–11 giây trạng thái kích thích hạt nhân, người ta thường sử dụng phương pháp trùng phùng làm chậm (trùng phùng trễ) Giả sử trạng thái kích thích cần khảo sát tạo phân rã trước hay phản ứng hạt nhân Xung điện tạo nên detector xạ gọi xung trước Xung tạo dịch chuyển xuất phát từ trạng thái kích thích trễ xung trước thời gian gọi xung trễ Sự phân bố thời gian loại xung có dạng hàm exp(-t/T) với T thời gian sống trạng thái kích thích Hàm phân bố đại lượng T xác định phương pháp trùng phùng trễ sau Hai loại xung trước xung trễ ghi hai detector khác sau làm chậm xung trước thời gian tx, chúng đưa vào sơ đồ trùng phùng Ghi số trùng phùng theo thay đổi thời gian làm chậm tx ta thu đường cong phân bố định luật exp(-tx/T) thời gian phân giải thiết bị bé thời sống T để làm chậm truyền xung trước ta đưa vào sơ đồ điện tử hay nhờ cuộn dây làm chậm với chiều dài thay đổi Sử dụng detector nhấp nháy tinh thể hữu với thời gian l sáng ngắn, cho phép định thời gian sống ngắn trạng thái hạt nhân Phương pháp xuất từ lâu có nhược điểm lớn tốc độ chậm ghi điểm ứng với giá trị làm chậm tx Trong năm gần đây, đời máy phân tích biên độ đa kênh cho phép xây dựng phương pháp nhiều kênh trùng phùng trễ, nhờ đo đồng thời tồn phổ thời gian Nhờ phận phụ lắp lối vào, biến địa ghi biên độ máy phân tích biên độ thành địa thời gian trễ, tức biến máy thành máy phân tích thời gian Cụ thể xung trước mở cửa cho mạch truyền qua xung máy phát tần số cao (cỡ MHz) xung trễ đóng cửa mạch Số xung truyền qua máy phát tìm địa tương ứng nhớ nhiều kênh Ngày nay, 196 đo thời gian sống bé 0,1 s thường dùng phương pháp đổi thời gian thành biên độ Trong dụng cụ này, khoảng thời gian xung trước xung trễ biến thành tín hiệu mà biên độ tỷ lệ với khoảng thời gian Sau để ghi phân bố khoảng thời gian, dùng máy phân tích biên độ đa kênh loại thơng thường Một hệ thống điện tử dùng biến đổi thời gian biên độ mơ tả hình 7.13 Khuếch đại Phân biệt xung nhanh Tách sóng Trùng phùng chậm Dây chậm Det Source TAC Det Phân tích biên độ đa kênh Phân biệt xung nhanh Khuếch đại Tách sóng Hình 7.13 Sơ đồ trùng phùng trễ dùng TAC Các xung thời gian lọc qua máy phân biệt xung nhanh đưa vào TAC Các xung mang thơng tin lượng, sau qua máy khuếch đại phân tích lượng đưa vào trùng phùng chậm, với thời gian phân giải 2 cỡ s xung dùng để mở cửa cho máy phân tích biên độ nhiều kênh Ngày nay, detector bán dẫn Ge dùng có hiệu thiết bị ghi thời gian sống Trong sơ đồ nêu cho thấy rằng, với sơ đồ trùng phùng hệ thống hạt nhân ln tồn mạch phân biệt xung, nhằm đánh dấu thời điểm bắt đầu khởi phát đo cho tồn hệ thống Vì thế, ta gọi mạch khởi phát thời gian 197 Mạch CF trở nên cần thiết hệ thống nghiên cứu tán xạ Trên hình 7.14, trình bày sơ đồ hệ thống đo tán xạ cộng hưởng proton–proton Chùm proton p bay từ máy gia tốc tới đập lên bia hạt nhân A gây nên phản ứng hạt nhân A(p, p’)A, sau tán xạ proton p’ bay góc tán xạ đồng thời phát tia tức thời APM AMP CFD NaI-det MCA X p COINC TAC ADC A p’ Si-det CFD AMP AMP Hình 7.14: Hệ thống đo tán xạ cộng hưởng proton-proton Trong phép đo, tán xạ đàn hồi khơng đàn hồi cần phải tách biệt, để thiết lập nên hàm kích thích tương ứng Do phải sử dụng cách đo trùng phùng Mặt khác ta biết rằng, tán xạ đàn hồi phản ứng khơng kèm theo phát , ngược lại tán xạ khơng đàn hồi ln kèm theo việc phát Dựa vào tính chất ta có sơ đồ khối hệ thống đo hình 7.14 Khi xảy phản ứng tán xạ khơng đàn hồi, tín hiệu trùng phùng p- cho phép hệ thống đo đếm kiện kênh kênh p Ngược lại xảy phản ứng tán xạ đàn hồi, khơng có tín hiệu kênh nên khơng có tín hiệu trùng phùng p-, hệ thống cho phép đo đếm kênh p Như số liệu đưa vào máy tính phân loại dựa ngun tắc 198 §7.7 PHỔ KẾ THỜI GIAN BAY Trong ghi đo số loại hạt có lượng cao khơng thiết kế detector có khả phân giải lượng tốt, phương pháp thời gian bay thường sử dụng Ví dụ đo lượng neutron nhanh, xác định qua thời gian bay neutron khoảng cách định Nếu khoảng cách s thời gian bay t, lượng neutron xác định theo cơng thức: E ms 2t (7.1) Ở m khối lượng neutron Từ cơng thức 7.1, biết lượng hạt suy khối lượng hạt Vì phương pháp sử dụng để nhận diện sản phẩm phản ứng hạt nhân Hệ thống phổ kế thời gian bay bao gồm hệ thống thời gian nhanhchậm nhanh-nhanh Trên hình 7.15 đưa khối hệ thống thời gian nhanh-chậm HV CFD NaTl NaI(Tl) PMT PA P.Amp APM AMP PMT NaTl HV SCA TSCA FCOINC Source NaI(Tl) DELAY PA P.Amp AMP APM Stop TAC SCA TSCA MCA Start CFD Hình 7.15: Hệ thống thời gian nhanh-chậm Trong hệ thống bao gồm phép đo trùng phùng gamma-gamma với detector nhấp nháy CFD tạo xung cho TAC Khái niệm “nhanh” nói đến tín hiệu lấy từ catod nhân quang điện 199 nhanh chóng đưa tới kênh thời gian hệ thống, tín hiệu lấy từ dinod tích phân thơng qua tiền khuếch đại, nghĩa xử lí “chậm” trước đưa vào máy phân tích đơn kênh để chọn dải lượng theo mong muốn detector Việc mở TAC lối trùng phùng nhanh đảm bảo có xung lọt vào cửa sổ lượng chọn để đưa phép đo phổ thời gian Trên hình 7.16 đưa hệ thống trùng phùng thời gian nhanhnhanh, tín hiệu từ anod (nhanh) tới hai nhánh để thực chức năng: thu thơng tin thời gian để chọn dải biên độ xung Các phân biệt thấp cao CFD chọn dải biên độ xung phân biệt cắt khơng phân đoạn khơng đổi bổ sung thơng tin thời gian Ưu điểm hệ thống thời gian nhanhnhanh cho khả làm việc dải tần số cao so với hệ thống nhanh-chậm HV CFD DELAY Stop NaI(Tl) F-COINC Source TAC MCA Start NaI(Tl) HV CFD Hình 7.16: Hệ thống trùng phùng thời gian nhanh - nhanh 200 §7.8 HỆ THỐNG ĐO TÁN XẠ CỘNG HƯỞNG PROTON Một hệ thống đo tán xạ cộng hưởng proton nhằm giải tốn cấu trúc hạt nhân, nghĩa phải từ thực nghiệm phải rút đặc trưng lượng tử mức hạt nhân với giá trị đơn trị cao, như: mức lượng, spin, tính chẵn lẻ đặc trưng khác mơ tả chế phản ứng Trên phương diện thực nghiệm, hệ thống đo tán xạ cộng hưởng proton phải đạt u cầu sau: - Đo số đếm tán xạ đàn hồi, - Đo số đếm tán xạ khơng đàn hồi, - Loại bỏ trùng phùng ngẫu nhiên xuất hệ thống đo, - Lấy thơng tin xác xuất trạng thái trạng thái từ kênh phản ứng, - Đo phân bố góc Với u cầu đó, hệ thống tán xạ hạt nhân cộng hưởng bố trí hình 7.18 Trong hệ thống gồm detector bán dẫn để ghi đo số proton tán xạ, chúng phân bố theo mặt phẳng tán xạ với góc 0o, 45o, 90o có khả dịch chuyển mặt phẳng quanh trục lượng tử Z Để minh hoạ cho hệ thống tán xạ cộng hưởng proton sau ta xét với tán xạ cộng hưởng proton cụ thể 28Si(p,p’)28Si Để nâng cao tính đơn trị tham số đặc trưng lượng tử trạng thái cộng hưởng, thơng tin liên quan tới tán xạ cộng hưởng proton, nghiên cứu sử dụng phương pháp đo xác suất định xứ trạng thái từ mức 21 với số lượng tử m 0; 1; , phương pháp dựa sở đo số trùng phùng ( p, ) với việc sử dụng hai detector gamma đối xứng có góc khối đủ lớn Trục hai detector trùng với trục Z, trục vng góc với mặt phẳng tán xạ Hệ tọa độ với trục Z vng góc với mặt phẳng tán xạ hình 7.18 Trục X chọn trùng với hướng hạt tới nằm mặt phẳng tán xạ với trục Y Góc , góc bay lượng tử trục Z trục X, p góc bay proton Khi tán xạ với spin 1/2 ta có khả thay đổi 201 hướng spin hạt tới tán xạ, tương ứng với khả (mode tán xạ) tán xạ ký hiệu số Xác xuất mode tán xạ ký hiệu G thoả mãn điều kiện chuẩn hố G Hình 7.17: Dạng phân bố góc X 2*m Hàm sóng ( p ) trạng thái kích thích 21 hạt nhân cuối mode tán xạ biểu diễn dạng chồng chất hàm m ( p ) trạng thái với số lượng tử: m 0; 1; , ( p ) a m ( , p ) m ( p ) m 2 Đối với dịch chuyển túy E2 phân bố góc lượng tử biểu diễn dạng khai triển theo hàm cầu vector X m ( , ) sử dụng tính chất trực giao hàm X 2m ( , ) ta thu được: i max N ip N p 2 sin i ( ) G am ( ) X m ( , ) d Từ ta rút số ( p, ) - trùng phùng N ip hai 2 detector là: N ip N p pm mi ; i=1, m 0 i max mi i ( ) X 2*m sin d , mi có ý nghĩa hiệu ứng ghi vi phân detector đo gamma thứ i ghi nhận phân rã từ trạng thái thứ m 202 * Dạng phân bố góc X 2m biểu diễn hình 7.17 với m 0; 1; Thỏa mãn định lý Bohr phản ứng hai hạt A+p = B+p', phản ứng momen góc tính chẵn lẻ bảo tồn tính chẵn lẻ hệ biểu diễn dạng: A p B p e i ( M i M f ) 1 Trong Mi Mf tổng hình chiếu trục Z spin hạt tác dụng trước sau phản ứng Bởi để đo p1 (xác xuất spinflip) cần detector ghi đo gamma (phía trên) bố trí dọc theo trục Z hình 7.18, detector ghi đo gamma thứ hai (phía dưới) loại giếng để đo po Các kết xác xuất định xứ trạng thái từ thực chuẩn hóa theo điều kiện p2 + p1 + p0 = Z det X p’ p Y det p det Hình 7.18: Bố trí thí nghiệm nghiên cứu tán xạ cộng hưởng proton Trên hình 7.19 đưa sơ đồ khối hệ thống tán xạ cộng hưởng proton Sơ đồ bao gồm detector bán dẫn loại Si để ghi proton tán 203 xạ, hai detector nhấp nháy để ghi xạ gamma Bức xạ gamma bao gồm: - Bức xạ gamma phát từ trạng thái kích thích hạt nhân kênh phản ứng để trở trạng thái kích thích thấp trạng thái bản, tương ứng với xác xuất định xứ trạng thái từ (các trạng thái phụ thuộc vào số lượng tử từ m), - Các xạ ngẫu nhiên từ ngồi phản ứng rơi vào detector, tín hiệu nằm ngồi mong muốn phép đo Số đếm ngẫu nhiên loại trừ việc so sánh số trùng phùng thực với số đếm tổng thu Từ sơ đồ cho thấy, cấu hình đo dẫn tới khoảng cách hình học, tính khơng đồng hiệu suất detector tính ngẫu nhiên biên độ thời gian xạ cho xung detector khơng Trong lúc hệ thống đo cần có đồng nhánh hệ thống Vì hệ thống đo tán xạ cộng hưởng xây dựng phép đo trùng phùng lấy phổ thời gian dựa mạch TAC Tín hiệu Start mặt đưa tới TAC, mặt khác đưa tới khối điều khiển chung hệ thống để điều khiền ADC, tạo lập địa cho nhớ ngồi trước chuyển liệu đo vào máy tính G-Det CFD G-Det CFD AMP APM AMP ADC Stop TAC MCA P-Det CFD P-Det CFD Start AMP APM AMP Hình 7.19: Hệ thống đo tán xạ cộng hưởng proton 204 Từ phân tích hệ thống đo thời gian sở phép đo trùng phùng cho thấy vai trò khơng thể thiếu CFD phép đo phức tạp nêu Đồng thời qua cho thấy tính ổn định thời điểm khởi phát ảnh hưởng lớn đến độ phân giải phép đo hệ thống Vì vậy, u cầu mang tính định CFD thời gian trơi Ttr xung khởi phát xung có thời gian tăng ts biên độ khác phải đạt giá trị nhỏ tốt Trong thực tế, khởi phát thời gian có thời gian trơi chấp sử dụng hệ thống đo thường có giá trị Ttr 4ns 205 TÀI LIỆU THAM KHẢO (Theo thứ tự A, B, C) 1) A Georgiev and W Gast, Digital pulse processing in high resolution, high throughput, gamma-ray spectroscopy, IEEE Trans Nucl Sci Vol NS-40 (1993) 770-779 2) A Georgiev, W Gast and R M Lieder, An analog-to-digital conversion based on a moving window deconvolution, IEEE Trans Nucl Sci Vol NS-41 (1994), 1116-1124 3) Altera Corporation Web Page, http://www.altera.com/FPGA EPM7160E 4) Đặng Lành (1999), Luận văn Thạc sĩ ‘Phát triển MCA Add on cho hệ phổ kế gamma’, Đại học Đà Lạt 5) Đinh Sỹ Hiền (1999), Giáo trình Điện tử hạt nhân, Đại học Đà Lạt 6) F S Goulding, Analysis of noise in energy-dispersive spectrometers using time-domain methods, Nucl Instr and Meth in Physics Reasearch A 485 (2002) 653-660 7) http://www.Altera.com/max+plusII/programmable development system 8) http://www.caen.it/documents/News/20/WP2081-Digitalpulse processing.Rev_2.1.pdf 9) Http://www.xia.com/Digital Gamma Finder (DGF), Model Polaris, Version 3.0E, June 2004 logic 10) IAEA (1986), Selected Topics in Nuclear Electronics (TECDOC-363), Vienna 11) IAEA (1989), Nuclear Electronics Laboratory Manual (TECDOC-530), Vienna 12) Khuếch đại phổ kế model 2020-Canberra (1981), Canberra 13) Khuếch đại phổ kế model A572-Ortec (1986), Ortec 206 14) Khuếch đại phổ kế Selena (1984), Selena Company 15) Lưu Thế Vinh (1995), Luận văn Thạc sĩ ‘Nghiên cứu chế tạo ADC Wilkinson 8192 kênh ADC kép gần liên tiếp 4096 kênh’, Đại học Đà Lạt 16) Ngơ Quang Huy (2002), Cơ sở vật lý hạt nhân, Viện Năng lượng ngun tử Việt Nam 17) Nguyễn Đức Hòa (1995), Luận văn Thạc sĩ ‘Nghiên cứu chế tạo Khuếch đại phổ kế’, Đại học Đà Lạt 18) Nguyễn Đức Hòa (2000), Luận án Tiến sĩ ‘Nghiên cứu tán xạ cộng hưởng proton hạt nhân 28Sivà 24Mg miền lượng khoảng MeV’, Đại học Tổng hợp Quốc gia Saint Peterburg, Liên bang Nga (Tiếng Nga) 19) Nguyễn Đức Hòa, Bộ khởi phát thời gian suy biến dùng cho hệ đo nghiên cứu tán xạ proton, Tạp chí khoa học Huế, số 17, 2003 20) Nguyễn Đức Hòa, Đinh Sỹ Hiền, Lưu Thế Vinh, Phát triển khối điện tử chức Viện NCHN Đà Lạt, Hội nghị Tồn quốc lần thứ I Vật lý Kỹ thuật hạt nhân, 1415/5/1996, Nhà xuất KH&KT, Hà Nội-1996 21) Nguyễn Đức Hòa, Đinh Sỹ Hiền, Nghiên cứu chế tạo khuếch đại phổ kế SA-496, Thơng báo khoa học Đại học Đà Lạt, 2001 22) Nguyễn Đức Hồ, Nguyễn An Sơn, Nguyễn Xn Hải, Phạm Đình Khang, Vương Hữu Tấn, Xác lập tham số hệ trùng phùng - cho nghiên cứu cấu trúc hạt nhân phân tích kích hoạt neutron Hội nghị vật lý tồn quốc lần thứ VII, năm 2010 23) Nguyễn Đức Hòa, V V Lazerev, O V Chubinsky, Nghiên cứu cộng hưởng phản ứng 28Si(p,p), 28Si(2+) Khi lượng proton miền 5,3 5,7 MeV, Hội nghị Quốc tế phổ hạt nhân cấu trúc hạt nhân ngun tử lần thứ XLVIX, L.B Nga, 1999, Kỷ yếu Hội nghị (Tiếng Nga) 207 24) Nguyễn Đức Hòa, V V Lazerev, O V Chubinsky, R P Kolalic, L I Vinogralov, L M Solin, Sự phụ thuộc lượng góc tenzer kích thích 2+ tán xạ proton với lượng 5,04 - 5,11 MeV hạt nhân 24Mg, Thơng báo Khoa học Viện Hàn lâm khoa học Nga, 1999, trang 143 (Tiếng Nga) 25) Nguyễn Xn Hải (2010), Luận án Tiến sĩ ‘Ứng dụng phương pháp cộng biên độ xung trùng phùng nghiên cứu phân rã gamma nối tầng Yb Sm Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt’, Viện Năng lượng ngun tử Việt Nam 26) Phạm Đình Khang (1993), Luận án Tiến sĩ ‘Nghiên cứu phân rã gamma nối tầng 170Yb 158Sm’, Đại học Quốc gia Hà Nội 27) Phạm Đình Khang, Đồn Trọng Thứ, Nguyễn Đức Hồ, Nguyễn An Sơn, Nguyễn Xn Hải, Hồ Hữu Thắng, Lê Đồn Đình Đức, Cải thiện chất lượng phổ kỹ thuật đo trùng phùng kiện – kiện, Hội nghị vật lý hạt nhân tồn quốc lần thứ IX, tháng năm 2011 28) R Redus (2009), Digital pulse processors: theory of operation, AN-DPP-001 29) R E Chrien and R.J Sutter, Noise and pileup suppression by digital signal processing, Nucl Instr and Meth in Physics Research A249 (1986) 421-425 30) T H Prettyman, Method for mapping charge pulses in semiconductor radiation detectors, Nucl Instr and Meth., A 422 (1999) 232-237 208 209 [...]... của lượng tử gamma; Ii là năng lượng liên kết của điện tử ở lớp thứ i trong hạt nhân Khi E < Ik thì hiệu ứng quang điện chỉ có thể xảy ra trên lớp L, M và không thể xảy ra trên lớp vỏ K; khi E < IL hiệu ứng quang điện chỉ có thể xảy ra trên lớp vỏ M, N và không thể xảy ra trên lớp K, L, … Hiệu ứng quang điện không thể xảy ra với các điện tử tự do - các điện tử không liên kết với hạt nhân Năng lượng... không tính đến phản ứng hạt nhân, dưới tác dụng của bức xạ gamma thì tương tác của bức xạ gamma bao gồm: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp electron - posistron 1 Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác của lượng tử gamma và điện tử liên kết với hạt nhân Trong quá trình này, toàn bộ năng lượng của lượng tử gamma được truyền cho điện tử Te = E - Ii (1.16)... tích dương nằm giữa và các electron điện tích âm chuyển động trên các quỹ đạo xung quanh hạt nhân Mô hình nguyên tử như trên tương tự mô hình hệ thống mặt trời, được gọi là mô hình nguyên tử Bohr Điện tích dương của hạt nhân bằng tổng số các điện tích âm của các electron Nguyên tử trung hoà về điện tích Số electron quỹ đạo tăng dần khi nguyên tử càng nặng Ví dụ nguyên tử hydrogen có một electron quỹ đạo... đi vào detector Hạt tích điện sẽ mất một phần năng lượng W của mình ở trong chất khí giữa các điện cực của buồng và tạo ra N cặp điện tích với điện tích toàn phần Q Ne Do có điện trường giữa hai điện cực, các hạt tích điện sẽ chuyển động về các điện cực tương ứng tạo nên dòng Ik trên mạch ngoài, ở đây là mạch RC Điện trường trong buồng ion hoá tỷ lệ với hiệu điện thế ngoài Uk và điện trường đó... tất cả các hạt tích điện nặng hơn hạt electron, trong đó có hạt alpha, tuân theo công thức 4 2 4 9 v 2 v 2 MeV dE 4πz q NZ 3.10 2Mv 2 ln ln 1 2 2 dx Mv 2 1,6.106 I c c cm (1.12) trong đó: Z là số nguyên tử của hạt gây ion hóa, Z = 2 đối hạt alpha, q = 1,6 10-19 C là điện tích của electron, 23 zq là điện tích của hạt ion hoá, M là khối lượng tĩnh của hạt gây ion... được khuếch đại lên Tạp âm của các sơ đồ khuếch đại sẽ hạn chế độ phân giải năng lượng hoặc độ nhạy của hệ thống Cf DetBI 3 2 + A 6 Out - U0 Uk C Q Cf Hình 2.3: Sơ đồ P.Amp nhạy điện tích Thường thì sự khuếch đại được thực hiện bởi sơ đồ tiền khuếch đại có tạp âm thấp, sau đó là khuếch đại phổ cho các xung ra từ tiền khuếch đại Xung điện áp trên tụ C sẽ được khuếch đại Điện dung C là điện dung toàn... 3,2376(10,2146 - lnR)1/2 (1.11) §1.3 TƯƠNG TÁC CỦA HẠT ALPHA VỚI VẬT CHẤT 1 Truyền năng lượng của hạt alpha Cơ chế mất năng lượng của hạt alpha là kích thích và ion hoá nguyên tử Khi đi qua không khí, hạt alpha mất một lượng năng lượng trung bình khoảng 35 eV để tạo một cặp ion Do hạt alpha có điện tích hai lần lớn hơn hạt beta và khối lượng rất lớn so với hạt beta nên vận tốc của nó tương đối thấp, độ... Tương tác của hạt alpha với vật chất, - Tương tác của bức xạ gamma với vật chất §1.1 NGUYÊN TỬ 1 Cấu tạo nguyên tử Để xem xét sự tương tác của bức xạ với vật chất, phần này sẽ trình bày tóm tắt cấu tạo của nguyên tử - thành phần cơ bản của vật chất Các nguyên tử có cấu trúc riêng của mình phụ thuộc vào loại nguyên tố Nhưng đặc điểm chung của nó là cấu tạo từ hạt nhân nguyên tử (nucleus) có điện tích dương... electron được xác định bởi số lượng tử chính của nguyên 16 tử, số lượng tử quỹ đạo l và số lượng tử từ m Số lượng tử chính của nguyên tử là số nguyên dương xác định lớp quỹ đạo: lớp K là lớp trong cùng ứng với n = 1, lớp L tiếp theo ứng với n = 2, lớp M ứng với n = 3, lớp N ứng với n = 4, Đối với nguyên tử hydrogen có số nguyên tử Z = 1 tại mỗi lớp quỹ đạo nguyên tử, năng lượng Wn của electron được... không được thoả mãn Như vậy, khi không có mặt của hạt nhân hoặc electron, quá trình tạo cặp của lượng tử gamma không thể xảy ra 27 e+ e- Hình 1.2: Hiện tượng tạo cặp Khi hiện tượng tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của hạt nhân hoặc proton, động năng giật lùi của hạt nhân là nhỏ, như vậy năng lượng ngưỡng E0 để xảy ra hiện tượng tạo cặp, của lượng tử gamma cần lớn hơn hai lần khối lượng nghỉ của ... hiệu điện có nhiều tên gọi đầu dò, ống đếm, detector,… Hệ thống điện tử để đo đếm, xác định giá trị đại lượng liên quan tới xạ hạt nhân gọi hệ thống điện tử hạt nhân Một hệ thống điện tử hạt nhân. .. khối điện tử chức nêu trên, đồng thời từ khối chức tùy vào mục đích đo mà hệ thống điện tử hạt nhân kèm có cấu trúc khác Vì vậy, để nắm bắt kiến thức điện tử hạt nhân, kiến thức Cơ sở kỹ thuật điện. .. điện khơng thể xảy với điện tử tự - điện tử khơng liên kết với hạt nhân Năng lượng liên kết điện tử với ngun tử nhỏ so với lượng lượng tử gamma, xác suất hiệu ứng quang điện nhỏ Tương tác xảy