Bài giảng Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong môi trường và thủy văn: Chương 4 - PGS.TS. Trần Thiện Thanh, PGS.TS. Lê Công Hảo

Chia sẻ: Minh Vũ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:99

Thêm vào BST

Báo xấu

56
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong môi trường và thủy văn - Chương 4: Phương pháp phân tích hạt nhân trong ghi đo bức xạ môi trường" cung cấp cho người học các kiến thức: Các phương pháp phân tích hạt nhân, đánh giá sai số trong phân tích mẫu môi trường. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong môi trường và thủy văn: Chương 4 - PGS.TS. Trần Thiện Thanh, PGS.TS. Lê Công Hảo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HẠT NHÂN TRONG GHI ĐO BỨC XẠ MÔI TRƢỜNG 1 1
Phƣơng pháp phân tích hạt nhân bằng  Hệ phổ kế Alpha  Hệ thiết bị đo radon – RAD7  Hệ đếm Alpha/Beta tổng Đánh giá sai số trong phân tích mẫu môi trƣờng 2
HỆ PHỔ KẾ ALPHA 3
CÁC ĐỒNG VỊ PHÁT ALPHA Bảng 1: Các đồng vị phóng xạ phát alpha trong môi trường ĐVPX T1/2 E (keV) I (%) 210Po 138,4 d 5304,4 100 212Po 0,3 s 8784,4 100 214Po 164,3 s 7686,8 100 216Po 0,14 s 6778,3 100 218Po 3,1 m 6002,4 100 220Rn 55,6 s 6288,1 99,9 222Rn 3,8 d 5489,5 99,9 224Ra 3,7 d 5685,4 94,9 226Ra 1600 y 4784,3 94,4 232Th 2,4x1010 y 3947,2 21,7 4
CÁC ĐỒNG VỊ PHÁT ALPHA Bảng 1: Các đồng vị phóng xạ phát alpha trong môi trường ĐVPX T1/2 E (keV) I (%) 4722,4 28,4 234U 2,4 y 4774,6 71,4 4151 20,9 238U 4,5x1010 y 4198 79 5105,5 11,5 239Pu 24110 y 5144,3 15,1 5156,6 73,3 5442,8 13 241Am 432,2 y 5485,6 84 5
HỆ PHỔ KẾ ALPHA Hình 3: Hệ phổ kế alpha Detector Các vị trí đo Khay đựng mẫu 6
SƠ ĐỒ HỆ ĐO Máy hút chân không Tiền Máy Khuếch khuếch MCA tính đại đại Det Cao Mẫu thế đo 7 Hình 4: Sơ đồ hệ phổ kế alpha
DETECTOR BÁN DẪN SILICON Etx Engoài Hình 5: Chất bán dẫn Hình 6: Vùng nghèo và phân cực ngược lớp tiếp xúc p-n 8
DETECTOR BÁN DẪN SILICON 2εε 0 V+V0 (1) d= eN Trong đó, d là độ rộng vùng nghèo  là hằng số điện môi của chất bán dẫn, 0 là hằng số điện, V0 là điện thế tiếp xúc, V là điện thế đƣợc áp vào, N là nồng độ tạp chất đƣa vào chất bán dẫn. 9
DETECTOR BÁN DẪN SILICON E (2) N: số cặp electron – lỗ trống N= E: năng lƣợng hạt alpha tới (keV) ε : năng lƣợng để tạo ra một cặp hạt mang điện Bảng 2: Năng lượng để tạo ra một cặp hạt mang điện của một số chất khí Khí  (eV/cặp) Ar 26,3 He 42,7 H2 36,4 N2 36,4 Không khí 35,1 O2 32,2 CH4 29,1 10
DETECTOR BÁN DẪN SILICON Ƣu điểm: độ phân giải cao Nhƣợc điểm: nhạy với ánh sáng Det bán dẫn Det khí  Hạt mang điện là electron – lỗ  Hạt mang điện là electron – trống cation  Thời gian thu thập cặp  Thời gian thu thập cặp electron – lỗ trống là s electron – cation là ms  Kích thƣớc vùng hoạt phụ  Kích thƣớc vùng hoạt không thuộc vào điện thế áp vào phụ thuộc vào điện thế áp vào 11
SỰ MẤT NĂNG LƢỢNG CỦA HẠT ALPHA dE 4πz e n e 2 4  2m0 v 2 2 - = 2 ln -ln(1-β )-β  2 (3) dx m0 v  I  Trong đó: z là điện tích của hạt tới ne là số electron trên một đơn vị thể tích của môi trƣờng ne=ZρNa/A Na là số Avogadro Ρ là mật độ của môi trƣờng vật chất A, Z lần lƣợt là số khối và bậc số nguyên tử của nguyên tố môi trƣờng m0 là khối lƣợng electron v là vận tốc của hạt I là năng lƣợng ion hóa trung bình =v/c 12
QUÃNG CHẠY CỦA ALPHA TRONG VẬT CHẤT 0 dE R=  (4) Quãng chạy ngắn: E0 dE dx  Thiết kế các det có thể hấp thụ toàn bộ năng lƣợng alpha mà kích thƣớc không lớn  Phải đảm bảo hạt alpha đến vùng hoạt det mà bị mất năng lƣợng không đáng kể  giảm sự hấp thụ  Giảm bề dày cửa sổ det (lớp chết)  Nguồn (mẫu) rất mỏng (
CÁC LOẠI DETECTOR BÁN DẪN SILICON Theo công nghệ chế tạo, det Silicon gồm 3 loại chính:  Det mối nối khuếch tán - diffused junction detector (DJD):  Det hàng rào mặt - surface barrier detector (SBD)  Det cấy ion Si - passivated ion implanted detector (PIPS)  Det SBD và PIPS thƣờng đƣợc sử dụng để đo phổ alpha  Độ lớn xung thƣờng rất nhỏ (A) nhƣng đƣợc ghi nhận tốt sau khi đã khuếch đại  Dòng rò điển hình khoảng nA  Độ phân giải năng lƣợng của det cao (10 – 50 keV tùy thuộc vào loại và kích thƣớc det)  Hiệu suất đếm có thể đạt gần 50% ở khoảng cách gần det  Phông thấp 14
HỆ ĐIỆN TỬ Bộ điện tử xử lý tín hiệu gồm bộ tiền khuếch đại (preAmp), bộ khuếch đại (Amp), bộ chuyển đổi tƣơng tự thành số (ADC), bộ phân tích biên độ đa kênh (MCA), bộ cấp thế. 1. Bộ cấp thế cho det phải đảm bảo ổn định. 2. ReAmp:  Khuếch đại phổ  Phối hợp trở kháng giữa det và các bộ phận điện tử khác 3. Amp khuếch đại tín hiệu 4. ADC xác định chiều cao của tín hiệu xung cung cấp từ Amp, chiều cao này đƣợc chuyển thành số kênh nhờ MCA. MCA đếm số sự kiện trên kênh và hình thành phổ chiều cao xung. 15
HỆ ĐIỆN TỬ Hình 8: Chuyển tín hiệu số thành phổ chiều cao xung bằng MCA 16
VÍ DỤ VỀ PHỔ ALPHA Bảng 3: Các đồng vị trong nguồn mix-alpha ĐVPX E (keV) I (%) 239Pu 241Am 238U 234U 4722,4 28,4 234U 4774,6 71,4 t=3600s 4151 20,9 238U d=13mm 4198 79 5105,5 11,5 239Pu 5144,3 15,1 5156,6 73,3 5442,8 13 241Am 5485,6 84 Hình 9: Phổ nguồn chuẩn mix-alpha 17
ĐẶC TRƢNG CỦA HỆ PHỔ KẾ ALPHA Độ phân giải năng lƣợng Hiệu suất ghi nhận Thời gian đáp ứng Thời gian chết 18
ĐỘ PHÂN GIẢI NĂNG LƢỢNG- FWHM Độ phân giải năng lƣợng của detector đƣợc xác định bằng độ rộng ở nửa chiều cao đỉnh phổ (FWHM). 19 Hình 10: Phổ alpha của 241Am
ĐỘ PHÂN GIẢI NĂNG LƢỢNG- FWHM FWHM phụ thuộc vào một số yếu tố:  Loại det, độ tinh khiết của tinh thể  Chất lƣợng của nguồn  Cách bố trí hình học giữa nguồn và det  Áp suất chân không của hệ đo  Hệ thiết bị điện tử đi kèm, chủ yếu là bộ ReAmp. 2 2 2 2 FWHM =FWHM +FWHM +FWHM d s a (5) Det Nguồn Hấp thụ 20