Luận văn Đo thực nghiệm năng lượng bị mất của hạt Alpha có năng lượng từ 4 đến 6 MEV trong không khí và trong khí Isobutan

Nội dung tài liệu: Luận văn Đo thực nghiệm năng lượng bị mất của hạt Alpha có năng lượng từ 4 đến 6 MEV trong không khí và trong khí Isobutan

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Đặng Hồng Giang ĐO THỰC NGHIỆM NĂNG LƯỢNG BỊ MẤT CỦA HẠT ALPHA CÓ NĂNG LƯỢNG TỪ 4 ĐẾN 6 MEV TRONG KHÔNG KHÍ VÀ TRONG KHÍ ISOBUTAN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2014
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Đặng Hồng Giang ĐO THỰC NGHIỆM NĂNG LƯỢNG BỊ MẤT CỦA HẠT ALPHA CÓ NĂNG LƯỢNG TỪ 4 ĐẾN 6 MEV TRONG KHÔNG KHÍ VÀ TRONG KHÍ ISOBUTAN Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Lê Hồng Khiêm Hà Nội – Năm 2014
3. LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tôi xin bày tỏ lời cảm ơn tới các thầy cô trường ĐH Khoa Học Tự Nhiên nói chung, và bộ môn Vật Lý Hạt Nhân nói riêng, đã nhiệt tình giảng dạy, truyền thụ cho tôi những kiến thức quý báu trong những năm qua. Đồng thời tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS. Lê Hồng Khiêm cùng toàn thể Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tận tình hướng dẫn, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận văn. Cuối cùng, tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình và những người bạn đã luôn đồng hành, động viên khuyến khích – tạo nguồn động lực to lớn đề tôi hoàn thành luận văn của mình. Mặc dù bản thân có nhiều cố gắng nhưng trong thời gian thực hiện cũng như khi trình bày luận văn này không thể tránh khỏi những sai sót, xin quý thầy cô và mọi người đóng góp ý kiến. Xin chân thành cảm ơn ! Học viên Đặng Hồng Giang
4. Luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 7 CHƯƠNG 1. TƯƠNG TÁC BỨC XẠ ALPHA VỚI VẬT CHẤT................... 10 1.1. Độ mất năng lượng riêng......................................................................... 10 1.2. Quãng chạy của hạt alpha trong vật chất ................................................. 15 CHƯƠNG 2. BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ...... 17 2.1. Bố trí thí nghiệm ..................................................................................... 17 2.2. Phương pháp phân tích............................................................................ 20 2.3. Giới thiệu phần mềm Kspect ................................................................... 21 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM SO VỚI TÍNH TOÁN .................. 27 3.1. Giới thiệu phần mềm Srim ...................................................................... 27 3.2. Kết quả thí nghiệm.................................................................................. 29 3.2.1. Chuẩn năng lượng. ................................................................................. 29 3.2.2. Kết quả phân tích phổ năng lượng và xử lý số liệu. ................................ 31 3.2.3. So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả tính toán bằng Srim............... 38 KẾT LUẬN...................................................................................................... 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 42 PHỤ LỤC ........................................................................................................ 43 1. Chương trính máy tính được viết bằng Matlab ........................................ 43 1.1. Không khí .............................................................................................. 43 1.2. Khí Isobutan........................................................................................... 48 2. Độ mất năng lượng riêng của alpha trong khí P10 so sánh với SRIM...... 53 3. Phổ năng lượng của hạt alpha đối với không khí, Isobutan, P10.............. 54 Đặng Hồng Giang 4
5. Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Kết quả sau khi chuẩn năng lượng và áp suất đối với không khí....... 32 Bảng 3.2 Kết quả sau khi chuẩn năng lượng và áp suất đối với Isobutan.......... 33 Bảng 3.3 Kết quả thực nghiệm Δx và ΔE đối với không khí............................ 34 Bảng 3.4 Kết quả thực nghiệm Δx và ΔE đối với khí Isobutan. ....................... 35 Bảng 3.5 Kết quả thực nghiệm dE/dx tương ứng với giá trị năng lượng ........... 36 Bảng 3.6 Kết quả thực nghiệm dE/dx tương ứng với giá trị năng lượng ........... 37 Bảng 3.7 Kết quả tính độ mất năng lượng riêng của phần mềm Srim đối với hạt alpha trong không khí và khí Isobutan.............................................................. 38 Bảng P1 Kêt quả đo phổ năng lượng và xác định tâm đỉnh hấp thụ toàn phần.. 53 Đặng Hồng Giang 5
6. Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tán xạ của hạt alpha trên electron...................................................... 10 Hình 1.2 Tán xạ của hạt alpha trên các electron trong lớp hình trụ ................... 11 Hình 1.3 Đường cong Bragg đối với độ ion hóa riêng của hạt alpha................. 14 Hình 1.4 Đường cong hấp thụ của hạt alpha ..................................................... 15 Hình 1.5 Sự phụ thuộc quãng chạy – năng lượng của hạt alpha trong không khí ......................................................................................................................... 16 Hình 2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm ...................................................................... 17 Hình 2.2 Bố trí thí nghiệm trong thực tế........................................................... 19 Hình 2.3 Giao diện phần mềm Kspect .............................................................. 21 Hình 2.4 Cửa sổ KSpect Calibration................................................................. 23 Hình 2.5 Các thông số trong tính toán thông tin ROI........................................ 24 Hình 3.1 Giao diện chính phần mềm Srim........................................................ 28 Hình 3.2 Phổ năng lượng của nguồn alpha hỗn hợp.......................................... 30 Hình 3.3 Đường chuẩn năng lượng cho hệ phổ kế. ........................................... 30 Hình 3.4 Chuẩn áp suất đối với (a) không khí (b) khí Isobutan......................... 31 Hình 3.5 Kết quả thực nghiệm độ mất năng lượng riệng so với tính toán bằng SRIM của hạt alpha đối với không khí ............................................................. 39 Hình 3.6 Kết quả thực nghiệm độ mất năng lượng riệng so với tính toán bằng SRIM của hạt alpha đối với khí Isobutan.......................................................... 40 Hình P1 Kết quả thực nghiệm độ mất năng lượng riêng của hạt alpha trong khí P10 so với kết quả tính toán bằng SRIM. ......................................................... 54 Hình P2 Hình ảnh năm phổ của hạt alpha trong không khí được hiển thị trên cùng một đồ thị với áp suất khí -3, 100, 200.3, 300.3, 400 lần lượt là mầu xanh lục,xanh nước biển, vàng, cam, tím .................................................................. 54 Hình P3 Hình ảnh năm phổ của hạt alpha trong khí Isobutan được hiển thị trên cùng một đồ thị với áp suất khí -1, 24.1, 50.1, 74.5,104.6 lần lượt là màu xanh lục,xanh nước biển, vàng, cam, tím. ................................................................. 55 Hình P4 Hình ảnh năm phổ của hạt alpha trong khí P10 được hiển thị trên cùng một đồ thị với áp suất khí -1.6, 100, 201.7, 301.2, 399.1 lần lượt là màu xanh lục,xanh nước biển, vàng, cam, tím. ................................................................. 55 Đặng Hồng Giang 6
7. Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT SRIM Stopping and Range of Ions in Matter . ROI Region of interest – Vùng quan tâm. PRAL Projection Range Algorihm. TRIM The Transport of Ions in Matter. ADC Analog-to-digital converter. MUSIC Multiple sampling ionization chamber. MCA Multi-Channel Analysis. Đặng Hồng Giang 7
8. Luận văn tốt nghiệp MỞ ĐẦU Độ mất năng lượng riêng của hạt tích điện trong các chất hấp thụ khác nhau là một thông số quan trọng trong nhiều lĩnh vực của vật lý hạt nhân và ứng dụng, phòng chống bức xạ, sinh học bức xạ và nhiều ngành khoa học liên quan khác. Bởi vì tính quan trọng của nó, các giá trị độ mất năng lượng riêng với dải năng lượng rộng trong các chất hấp thụ khác nhau vẫn tiếp tục được đo đạc cho đến hiện nay. Hơn nữa, một số chương trính tính độ mất năng lượng riêng đã được phát triển và tiếp tục hiệu chỉnh sử dụng kết quả thí nghiệm này. Trong số các chương trình này, SRIM là chương trình phổ biến nhất mà các nhà nghiên cứu sử dụng để tính độ mất năng lượng riêng của hạt tích điện trong vật chất nhất định. Phiên bản mới nhất của chương trình này là SRIM-2013. Có nhiều khí khác nhau được sử dụng khí làm chất hấp thụ trong các thí nghiệm hạt nhân. Để thiết kế thí nghiệm hạt nhân có kết quả tốt, độ mất năng lượng riêng của hạt tích điện trong không khí và trong các khí khác là một yếu tố cần thiết. Vì mục đích này, các kết quả tính toán của chương trình SRIM được sự dụng thay thế cho kết quả thực nghiệm vì trên thực tế không có nhiều kết quả độ mất năng lượng riêng thực nghiệm. Một khi các giá trị thay thế này được sử dụng, chúng cần được xác nhận độ chính xác. Do vậy, sự so sánh kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm về độ mất năng lượng riêng phải được thực hiện. Bản luận văn với đề tài “Đo thực nghiệm năng lượng bị mất của hạt alpha có năng lượng từ 4 đến 6 MeV trong không khí và trong khí IsoIsobutan” với mục đích xác định độ mất năng lượng riêng của hạt alpha trong không khí và trong khí isoIsobutan và so sánh với kết quả tính toán của chương trình SRIM. Đặng Hồng Giang 8
9. Luận văn tốt nghiệp Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, bố cục luận văn được chia thành 3 chương : Chương 1 : Tương tác bức xạ alpha với vật chất - Độ mất năng lượng riêng của hạt alpha trong vật chất. - Quãng chạy của hạt alpha trong vật chất. Chương 2 : Bố trí thí nghiệm và phương pháp phân tích - Mô tả cài đặt và các thiết bị dùng trong thí nghiệm. - Phương pháp xác định độ mất năng lượng riêng - Giới thiệu phần mềm ghi nhận phổ KSpect. Chương 3 : Kết quả thực nghiệm so với tính toán - Giới thiệu phần mềm tính toán độ mất năng lượng riêng SRIM. - Kết quả thí nghiệm - So sánh kết quả thực nghiệm với giá trị tính toán được bằng SRIM và ước lượng sai lệch. Luận văn được trình bày trong 53 trang, 20 hình vẽ, 8 bảng biểu và 7 tài liệu tham khảo. Đặng Hồng Giang 9
10. Luận văn tốt nghiệp CHƯƠNG 1. TƯƠNG TÁC BỨC XẠ ALPHA VỚI VẬT CHẤT 1.1. Độ mất năng lượng riêng Về phương diện động học, sự tán xạ giữa hạt alpha với electron trong nguyên tử khác với sự tán xạ giữa các electron tới và electron trong nguyên tử. Còn về phương diện tương tác, cơ chế mất năng lượng chủ yếu của hạt alpha khi đi qua môi trường là tương tác tĩnh điện với các electron quỹ đạo của nguyên tử môi trường, làm kích thích và ion hóa các nguyên tử đó. Do đặc điểm tác dụng xa của lực Coulomd, chúng tương tác với một lượng lớn các electron. Để nghiên cứu sự mất năng lượng của hạt alpha, trước tiên ta xem xét quá trình va chạm của nó với một electron tự do. Sau đó lấy tổng hiệu ứng đối với tất cả electron của môi trường. Ta xét sự tương tác của hạt alpha có điện tích z = 2e, -19 e = 1,6.10 C với electron điện tích – e, khối lượng me. Giả sử hạt alpha có vận tốc v bay qua electron với tham số ngắm b thì nó trao cho electron một động năng bằng : 2z2 e 4 1 E (1.1) m v2 b 2 e Hình 1.1 Tán xạ của hạt alpha trên electron Để xem xét hiệu ứng của tất cả electron với cùng một tham số ngắm b, ta vẽ xung quanh quỹ đạo hạt vào một lớp hình trụ dài dx với một bán kính b, bề Đặng Hồng Giang 10