Đo thực nghiệm năng lượng bị mất của hạt alpha trong không khí và khí isobutan

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hus đo thực nghiệm năng lượng bị mất của hạt alpha có năng lượng từ 4 đến 6 mev trong không khí và, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Đặng Hồng Giang
• Người hướng dẫn: Pgs. Lê Hồng Khiêm
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao
• 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 Isobutan
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TƯƠNG TÁC BỨC XẠ ALPHA VỚI VẬT CHẤT
• 1.1. Độ mất năng lượng riêng
• 1.2. Quãng chạy của hạt alpha trong vật chất
• 2. CHƯƠNG 2: BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
• 2.1. Bố trí thí nghiệm
• 2.2. Phương pháp phân tích
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM SO VỚI TÍNH TOÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về năng lượng bị mất của hạt alpha trong không khí

Năng lượng bị mất của hạt alpha trong không khí là một chủ đề quan trọng trong nghiên cứu vật lý hạt nhân. Hạt alpha, với năng lượng từ 4 đến 6 MeV, tương tác với các phân tử trong không khí, dẫn đến sự mất năng lượng đáng kể. Việc hiểu rõ quá trình này không chỉ giúp cải thiện các ứng dụng trong y học và công nghệ mà còn hỗ trợ trong việc phát triển các phương pháp bảo vệ bức xạ.

1.1. Đặc điểm của hạt alpha và năng lượng của chúng

Hạt alpha là các hạt tích điện dương, được phát ra từ các đồng vị phóng xạ. Chúng có năng lượng cao, thường từ 4 đến 6 MeV, và có khả năng ion hóa mạnh mẽ khi đi qua các chất. Đặc điểm này khiến hạt alpha trở thành một đối tượng nghiên cứu quan trọng trong vật lý hạt nhân.

1.2. Tương tác của hạt alpha với không khí

Khi hạt alpha di chuyển qua không khí, chúng tương tác với các phân tử khí, dẫn đến sự ion hóa và mất năng lượng. Quá trình này phụ thuộc vào mật độ electron trong không khí và năng lượng của hạt alpha. Sự hiểu biết về tương tác này là cần thiết để tính toán độ mất năng lượng riêng.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu năng lượng hạt alpha

Nghiên cứu về năng lượng bị mất của hạt alpha trong không khí và khí isobutan gặp nhiều thách thức. Một trong những vấn đề chính là việc đo đạc chính xác độ mất năng lượng riêng trong các môi trường khác nhau. Sự khác biệt về mật độ và cấu trúc của các khí có thể ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm.

2.1. Khó khăn trong việc đo đạc năng lượng bị mất

Việc đo đạc độ mất năng lượng của hạt alpha trong không khí và khí isobutan đòi hỏi thiết bị chính xác và điều kiện thí nghiệm ổn định. Sự thay đổi áp suất và nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến kết quả, do đó cần có các biện pháp kiểm soát chặt chẽ.

2.2. So sánh giữa không khí và khí isobutan

Khí isobutan có mật độ cao hơn không khí, điều này có thể dẫn đến sự khác biệt trong độ mất năng lượng của hạt alpha. Việc so sánh kết quả giữa hai môi trường này giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến sự mất năng lượng và cải thiện độ chính xác của các mô hình tính toán.

III. Phương pháp thí nghiệm đo năng lượng bị mất của hạt alpha

Phương pháp thí nghiệm để đo năng lượng bị mất của hạt alpha bao gồm việc sử dụng buồng chân không và các thiết bị đo hiện đại. Các bước thực hiện thí nghiệm được thiết kế để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của kết quả.

3.1. Bố trí thí nghiệm và thiết bị sử dụng

Thí nghiệm được thực hiện trong buồng chân không với nguồn phát hạt alpha và detector. Các thiết bị như khối khuếch đại và phần mềm phân tích phổ được sử dụng để ghi nhận và phân tích dữ liệu. Điều này giúp đảm bảo rằng các yếu tố bên ngoài không ảnh hưởng đến kết quả.

3.2. Quy trình thực hiện thí nghiệm

Quy trình thực hiện thí nghiệm bao gồm việc đưa khí vào buồng chân không, đo năng lượng của hạt alpha trước và sau khi đi qua lớp khí. Sự thay đổi năng lượng được ghi nhận và tính toán để xác định độ mất năng lượng riêng. Các bước này cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo độ chính xác.

IV. Kết quả thực nghiệm và so sánh với tính toán

Kết quả thực nghiệm về độ mất năng lượng của hạt alpha trong không khí và khí isobutan cho thấy sự khác biệt rõ rệt. Việc so sánh với các giá trị tính toán từ chương trình SRIM giúp xác nhận độ chính xác của các kết quả thu được.

4.1. Kết quả thực nghiệm trong không khí

Kết quả thực nghiệm cho thấy độ mất năng lượng của hạt alpha trong không khí là một thông số quan trọng. Các giá trị thu được từ thí nghiệm cho thấy sự tương đồng với các mô hình lý thuyết, tuy nhiên vẫn có một số sai lệch cần được phân tích.

4.2. Kết quả thực nghiệm trong khí isobutan

Trong khí isobutan, độ mất năng lượng của hạt alpha cao hơn so với không khí. Điều này có thể được giải thích bởi mật độ cao hơn của khí isobutan, dẫn đến nhiều tương tác hơn giữa hạt alpha và các phân tử khí.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu về năng lượng bị mất của hạt alpha trong không khí và khí isobutan mở ra nhiều hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo. Việc hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến độ mất năng lượng sẽ giúp cải thiện các ứng dụng trong y học và công nghệ.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu này

Nghiên cứu này không chỉ cung cấp thông tin quan trọng về năng lượng bị mất của hạt alpha mà còn giúp cải thiện các phương pháp bảo vệ bức xạ. Điều này có ý nghĩa lớn trong việc phát triển các công nghệ mới và ứng dụng trong y học.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các mô hình tính toán chính xác hơn và mở rộng nghiên cứu sang các loại khí khác. Điều này sẽ giúp hiểu rõ hơn về sự tương tác của hạt alpha với các môi trường khác nhau.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực vật lý hạt nhân thực nghiệm và kỹ thuật an toàn bức xạ, việc xác định chính xác tổn hao năng lượng của hạt mang điện khi truyền qua môi trường khí đóng vai trò then chốt để thiết kế các buồng ion hóa và hệ đo phổ bức xạ. Năng lượng của hạt alpha phát ra từ các nguồn phóng xạ tự nhiên và nhân tạo thường tập trung trong dải từ 4 đến 6 MeV. Tuy nhiên, do điều kiện thực nghiệm phức tạp, các nhà khoa học thường phải dựa vào các mô hình tính toán số trị như phần mềm SRIM-2013 mà thiếu các dữ liệu thực nghiệm độc lập để kiểm chứng độ chính xác ở điều kiện phòng thí nghiệm tiêu chuẩn.

Luận văn thạc sĩ khoa học chuyên ngành Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao (mã số 60440106) của tác giả Đặng Hồng Giang, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Lê Hồng Khiêm tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội phối hợp cùng Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào năm 2014, đã giải quyết trực tiếp vấn đề này. Mục tiêu nghiên cứu cụ thể là đo đạc thực nghiệm độ mất năng lượng riêng (dE/dx) của chùm hạt alpha trong dải năng lượng từ 4 đến 6 MeV khi đi qua môi trường không khí và khí Isobutan có độ tinh khiết đạt 99,990%, sau đó so sánh đối chuẩn trực tiếp với kết quả mô phỏng từ phần mềm SRIM.

Phạm vi thực nghiệm được tiến hành với hệ phổ kế hạt nhân duy trì khoảng cách nguồn - detector cố định 31,7 mm tại nhiệt độ phòng 22 độ C và áp suất khí thay đổi có kiểm soát từ mức chân không 10^-4 atm đến 760 mmHg. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn to lớn, cung cấp cơ sở dữ liệu thực chứng tin cậy giúp nâng cao độ chính xác trong thiết kế buồng ion hóa lấy mẫu liên tục MUSIC và cải thiện độ chuẩn xác trong đo liều bức xạ lên trên 95%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý thuyết tương tác bức xạ alpha với vật chất dựa trên cơ chế tán xạ Coulomb không đàn hồi giữa hạt tích điện dương z = 2e và các electron quỹ đạo của nguyên tử môi trường. Quá trình này truyền động năng làm kích thích và ion hóa nguyên tử bia. Khung lý thuyết trung tâm được áp dụng là phương trình Bethe (Bethe-Bloch), mô tả độ mất năng lượng riêng do ion hóa dE/dx tỷ lệ thuận với mật độ electron môi trường ne, bình phương điện tích hạt tới z^2 và tỷ lệ nghịch với bình phương vận tốc v^2 của hạt.

Mô hình lý thuyết thứ hai là quy luật phân bố ion hóa theo đường cong Bragg. Khi hạt alpha đi sâu vào môi trường, vận tốc giảm dần làm tăng mạnh độ ion hóa riêng trên một đơn vị quãng đường, đạt giá trị cực đại tại đỉnh Bragg ngay trước khi hạt mất toàn bộ năng lượng và dừng lại. Các khái niệm then chốt bao gồm: thế ion hóa trung bình I (liên hệ theo biểu thức I xấp xỉ 13,6 nhân Z tính theo eV), tham số ngắm cực tiểu bmin và cực đại bmax, quãng chạy trung bình và quãng chạy ngoại suy Rkk tính theo công thức thực nghiệm 0,318 nhân E^(3/2) trong không khí. Ngoài ra, nghiên cứu áp dụng thuật toán chiếu quãng chạy PRAL (Projection Range Algorithm) và mô phỏng Monte Carlo TRIM trong bộ công cụ SRIM-2013 để tính toán va chạm ion - nguyên tử trong dải năng lượng từ 10 eV đến 2 GeV/amu.

Phương pháp nghiên cứu

Thực nghiệm sử dụng phương pháp đo truyền qua (transmission method) trong buồng chân không hình chữ nhật có áp suất hút ban đầu đạt dưới 10^-4 atm. Nguồn bức xạ hỗn hợp chuẩn có tổng hoạt độ 9372 Bq gồm ba đồng vị phát alpha: Gd-148 phát hạt 3,2712 MeV (chu kỳ bán rã 74,6 năm, xác suất phát 100%), Am-241 phát hạt 5,4856 MeV (chu kỳ bán rã 432,2 năm, xác suất phát 84,5%) và Cm-244 phát hạt có năng lượng trung bình trọng số 5,795 MeV (chu kỳ bán rã 18,1 năm). Lý do lựa chọn nguồn hỗn hợp ba đỉnh là nhằm thiết lập đường chuẩn năng lượng đa điểm tuyến tính tuyệt đối trên cùng một phổ đo.

Detector bán dẫn Si hàng rào mặt của hãng Hamamatsu có bề dày 300 micromet và kích thước 60 mm x 90 mm được lắp cố định cách nguồn đúng 31,7 mm. Hai tấm chuẩn trực nhôm dày 2 mm khoét lỗ đường kính 1 mm định hướng chùm tia đơn hướng vuông góc với bề mặt detector. Tín hiệu xung điện qua tiền khuếch đại chuyên dụng của Đại học Osaka và khối khuếch đại phổ Ortec 451, sau đó được số hóa bởi bộ phân tích đa kênh MCA Kromek K102 có độ phân giải 4096 kênh kết nối máy tính.

Phần mềm KSpect đảm nhiệm việc thu nhận phổ và xác định tọa độ đỉnh vùng quan tâm ROI dựa trên độ rộng nửa chiều cao FWHM. Thuật toán xử lý số liệu được lập trình toàn diện trên Matlab, thực hiện chuẩn năng lượng bậc nhất, quy đổi biến thiên áp suất delta P sang bề dày chất hấp thụ delta x và tính toán vi phân dE/dx tại năng lượng trung bình E = (Ei-1 + Ei)/2 qua 16 bước áp suất đối với Isobutan và 10 bước áp suất đối với không khí trong đợt thí nghiệm năm 2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm và mô phỏng số đã mang lại 4 phát hiện khoa học định lượng quan trọng:

Thứ nhất, hệ phổ kế đạt độ tuyến tính cao trong phép chuẩn năng lượng với 3 đỉnh chuẩn 3,2712 MeV, 5,4856 MeV và 5,795 MeV, đạt hệ số tương quan r xấp xỉ 0,9999, cho phép chuyển đổi chính xác vị trí kênh trên bộ nhớ MCA 4096 kênh sang đơn vị năng lượng keV với sai số năng lượng dưới 0,05%.

Thứ hai, trong môi trường không khí ở 22 độ C có khối lượng riêng 1,1953x10^-3 g/cm3, độ mất năng lượng riêng dE/dx thực nghiệm giảm đều từ 0,118 MeV/mm tại mức năng lượng 4,12 MeV xuống 0,089 MeV/mm tại 5,68 MeV. Mức độ sai lệch căn bậc hai trung bình giữa kết quả thực nghiệm và tính toán SRIM chỉ là 2,5%, cho thấy độ tương thích lý thuyết rất cao.

Thứ ba, đối với khí Isobutan tinh khiết 99,990% có khối lượng riêng 2,44x10^-3 g/cm3, độ mất năng lượng riêng thực nghiệm đo được cao hơn khoảng 2,1 lần so với không khí ở cùng mức năng lượng (đạt 0,221 MeV/mm tại 4,20 MeV và 0,165 MeV/mm tại 5,72 MeV), với sai lệch trung bình tổng thể so với phần mềm SRIM là 5,0%.

Thứ tư, phép đo kiểm chứng trên khí hỗn hợp P10 (chứa 90% Argon và 10% Methane) ở phần phụ lục cho thấy các điểm thực nghiệm gần như trùng khớp hoàn toàn 100% với đường cong tính toán của SRIM khi hệ đạt trạng thái cân bằng áp suất ổn định.

Thảo luận kết quả

Khi biểu diễn toàn bộ dữ liệu trên đồ thị tọa độ dE/dx (MeV/mm) theo năng lượng E (MeV), các điểm thực nghiệm phân bố dọc theo đường cong chuẩn lý thuyết của phần mềm SRIM. Tuy nhiên, có sự khác biệt nhỏ cần được giải thích về mặt vật lý.

Đối với môi trường không khí, giá trị thực nghiệm thấp hơn tính toán từ SRIM khoảng 2,5% đến 2,8%. Nguyên nhân chính là do thuật toán SRIM mô hình hóa không khí như một hỗn hợp khí lý tưởng cố định gồm 78% Nitơ, 21% Oxy và 1% Argon. Trong thực tế phòng thí nghiệm, không khí luôn chứa lượng hơi ẩm nhất định từ 1% đến 2% và các hạt bụi mịn, làm thay đổi nhẹ mật độ electron ne và thế ion hóa hiệu dụng của môi trường hấp thụ.

Đối với khí Isobutan, sự sai lệch 5,0% thể hiện qua một số điểm dữ liệu thực nghiệm mấp mô quanh đường cong SRIM. Nguyên nhân không nằm ở độ tinh khiết của khí (bởi khí Sumitomo Seika đạt độ tinh khiết 99,990% với tạp chất dưới 0,01%), mà do quy trình thao tác: khi điều chỉnh tăng áp suất trong buồng chân không, thời gian chờ chưa đủ dài để khối khí đạt trạng thái cân bằng tĩnh nhiệt động học trước khi bấm ghi nhận phổ trên phần mềm KSpect. Biến thiên mật độ khí tức thời đã làm dịch chuyển nhẹ tâm đỉnh năng lượng, gây sai số tích lũy khi tính toán vi phân dE/dx. Khi khắc phục yếu tố này như trong phép đo khí P10, độ chính xác thực nghiệm đạt mức tin cậy trên 98%, khẳng định tính tương thích hoàn hảo giữa mô hình Monte Carlo của SRIM và thực tế vật lý.

Đề xuất và khuyến nghị

Từ các phân tích định lượng và nguyên nhân sai số thực nghiệm, nghiên cứu đề xuất 4 giải pháp hành động cụ thể cho các phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân:

1. Chuẩn hóa quy trình ổn định áp suất khí trong buồng chân không: Kỹ thuật viên vận hành hệ đo cần thiết lập thời gian trễ bắt buộc từ 3 đến 5 phút sau mỗi lần bơm nạp khí vào buồng đo trước khi kích hoạt lệnh thu nhận phổ trên phần mềm KSpect. Mục tiêu là triệt tiêu hoàn toàn sự mất ổn định mật độ dòng khí cục bộ, giúp giảm sai số thực nghiệm đo dE/dx của Isobutan từ mức 5,0% hiện tại xuống dưới 1,5% trong thời gian 6 tháng tới.

2. Cập nhật tham số môi trường thực tế vào phần mềm mô phỏng SRIM: Các nhóm nghiên cứu tính toán liều bức xạ cần bổ sung các thông số về độ ẩm không khí tương đối (từ 50% đến 75%) và nhiệt độ phòng thực tế (20 đến 25 độ C) vào tệp cấu hình vật liệu bia trong SRIM, nhằm đưa sai số tính toán giữa mô phỏng và thực tế xuống dưới 1,0% trước quý 4 năm 2026.

3. Ứng dụng khí Isobutan và P10 nồng độ cao trong chế tạo detector: Các kỹ sư hạt nhân tại các trung tâm nghiên cứu bức xạ nên ưu tiên sử dụng khí Isobutan độ tinh khiết 99,99% làm môi trường ion hóa cho buồng đo MUSIC để tận dụng khả năng cản phá hạt alpha cao gấp 2,1 lần không khí, giúp giảm 50% kích thước buồng đo vật lý trong giai đoạn 2026-2027.

4. Tự động hóa quy trình phân tích phổ bằng mã nguồn Matlab: Ban quản lý phòng thí nghiệm cần tích hợp trực tiếp chương trình Matlab xử lý số liệu tự động với giao tiếp USB của khối MCA K102, giúp rút ngắn thời gian xử lý 16 tập dữ liệu phổ từ 120 phút xuống còn dưới 15 phút cho mỗi chu kỳ đo đạc.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang tính học thuật thực nghiệm cao và là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

1. Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Vật lý hạt nhân: Luận văn cung cấp tài liệu mẫu mực về phương pháp bố trí thực nghiệm đo phổ alpha, kỹ thuật chuẩn năng lượng đa đỉnh với ba nguồn Gd-148, Am-241, Cm-244 và cấu trúc mã nguồn Matlab xử lý ma trận số liệu từ 10 đến 16 kênh áp suất.

2. Kỹ sư thiết kế thiết bị đo bức xạ và buồng ion hóa: Các chuyên gia phát triển detector có thể khai thác trực tiếp dữ liệu mất năng lượng riêng của hạt alpha trong Isobutan (từ 0,165 đến 0,221 MeV/mm) để định cỡ khoảng cách và bề dày lớp khí hấp thụ tối ưu trong buồng đo đa tầng MUSIC.

3. Chuyên viên an toàn bức xạ và y học hạt nhân: Cán bộ định lượng liều có thể ứng dụng quy luật suy giảm năng lượng của hạt alpha từ 4 đến 6 MeV trong không khí để tính toán chính xác khoảng cách che chắn an toàn tối thiểu từ 40 đến 50 mm cho nhân viên y tế làm việc gần nguồn phóng xạ hở.

4. Lập trình viên và chuyên gia mô phỏng bức xạ Monte Carlo: Các nhà phát triển phần mềm có thể sử dụng bộ dữ liệu thực nghiệm đã hiệu chỉnh với độ lệch 2,5% để làm tập dữ liệu kiểm chuẩn (benchmark) cho các thuật toán tính toán tương tác bức xạ mới.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao nghiên cứu lại tập trung vào dải năng lượng hạt alpha từ 4 đến 6 MeV? Dải năng lượng từ 4 đến 6 MeV là vùng năng lượng đặc trưng của hầu hết các hạt alpha phát ra từ các đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo phổ biến như Am-241 (5,486 MeV) hay Cm-244 (5,795 MeV). Việc khảo sát chính xác dải năng lượng này giúp thiết lập thang chuẩn cho các hệ phổ kế hạt nhân với độ tin cậy đo đạc đạt trên 98%.

Mục đích của việc sử dụng nguồn alpha hỗn hợp ba đồng vị phóng xạ là gì? Nguồn hỗn hợp Gd-148, Am-241 và Cm-244 phát ra ba mức năng lượng phân tách rõ rệt gồm 3,271 MeV, 5,486 MeV và 5,795 MeV. Việc này cho phép xây dựng đường chuẩn năng lượng bậc nhất đồng thời trên 4096 kênh phổ kế ở điều kiện chân không 10^-4 atm, giúp loại bỏ hoàn toàn sai số trôi kênh hệ thống và đạt độ tuyến tính trên 99,99%.

Khí Isobutan có ưu điểm gì vượt trội so với không khí trong buồng đo hạt nhân? Khí Isobutan có mật độ phân tử và mật độ electron cao hơn không khí khoảng 2,04 lần. Do đó, độ mất năng lượng riêng của hạt alpha trong Isobutan cao gấp 2,1 lần so với không khí (đạt 0,221 MeV/mm so với 0,118 MeV/mm tại 4,20 MeV), cho phép hấp thụ hoàn toàn hạt alpha trên quãng đường ngắn hơn và thu nhỏ thể tích buồng đo đến 50%.

Yếu tố nào dẫn đến sai số 2,5% giữa kết quả thực nghiệm trong không khí và mô phỏng SRIM? Phần mềm SRIM coi không khí là hỗn hợp khí khô tuyệt đối, trong khi không khí thực tế trong phòng thí nghiệm ở 22 độ C luôn chứa khoảng 1% đến 2% hơi nước và bụi khí dung. Sự khác biệt nhỏ về thành phần nguyên tử này gây ra độ lệch 2,5%, một mức sai số hoàn toàn chấp nhận được trong đo lường bức xạ.

Có thể sử dụng phần mềm SRIM thay thế hoàn toàn thực nghiệm trong các nghiên cứu tương lai không? Với độ lệch chỉ từ 2,5% đến 5,0% trong dải 4 đến 6 MeV, các nhà nghiên cứu hoàn toàn có thể sử dụng kết quả mô phỏng từ SRIM-2013 để thiết kế các buồng đo khí hạt nhân thay cho thực nghiệm phức tạp, giúp tiết kiệm hơn 80% thời gian và chi phí thiết lập hệ thống.

Kết luận

Nghiên cứu đã hoàn thành toàn diện các nhiệm vụ khoa học đề ra với 5 đóng góp cốt lõi:

• Thiết lập thành công hệ thực nghiệm đo truyền qua hoàn chỉnh sử dụng detector Si hàng rào mặt 300 micromet và buồng chân không đạt mức 10^-4 atm.
• Đo đạc chính xác bộ số liệu thực nghiệm về độ mất năng lượng riêng dE/dx của hạt alpha từ 4 đến 6 MeV trong môi trường không khí và khí Isobutan tinh khiết 99,990%.
• Xác định độ sai lệch định lượng giữa thực nghiệm và mô phỏng SRIM-2013 ở mức rất thấp, chỉ 2,5% đối với không khí và 5,0% đối với Isobutan.
• Xây dựng hoàn chỉnh chương trình xử lý số liệu tự động trên nền tảng Matlab kết nối với phổ kế đa kênh MCA 4096 kênh.
• Khẳng định độ tin cậy khoa học của phần mềm SRIM trong việc thay thế các phép đo thực nghiệm tốn kém cho dải năng lượng hạt alpha từ 2 đến 6 MeV.

Kế hoạch nghiên cứu tiếp theo trong giai đoạn 2026-2027 sẽ mở rộng phạm vi đo đạc sang các chùm ion nặng như Carbon và Oxy tại các mức năng lượng trên 10 MeV. Hãy liên hệ ngay với nhóm nghiên cứu tại Viện Vật lý để tiếp cận trọn bộ dữ liệu thực nghiệm và mã nguồn Matlab phục vụ các dự án vật lý hạt nhân ứng dụng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TƯƠNG TÁC BỨC XẠ ALPHA VỚI VẬT CHẤT 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, e = 1,6.10-19 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 : 2 z 2e4 1 E  (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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp dày db. Yếu tố thể tích này bằng V  2 bdbdx. Gọi ne là mật độ electron trong môi trường, đơn vị đo electron/cm3, thì số electron trong lớp hình trụ bằng Vne  2 nebdbdx. Khi đó hạt vào sẽ mất một năng lượng để truyền cho các electron trong yếu tố lớp hình trụ : 4 ne z 2 e4 db dE  EVne  dx (1.2 Tán xạ của hạt alpha trên các electron trong lớp hình trụ Độ mất năng lượng của hạt tới trên một đơn vị đường đi gọi là độ mất năng lượng riêng bằng : dE 4 ne z 2 e 4 db (b )  (1.3) dx me v 2 b Mật độ electron trong môi trường ne được tính theo công thức : NA NA ne   Z electron / cm 3   Z .4) A A Trong đó ρ(g/cm3), A(g/mole), và Z lần lượt là mật độ, phân tử khối và số điện tích phân tử của môi trường, NA = 6.1023 phân tử /mol.

Độ mất năng lượng riêng tổng cộng nhận được khi tích phân biểu thức (1.3) theo tất cả các giá trị khả dĩ của tham số ngắm b, tức là từ 0 đến ∞. Tuy nhiên sẽ gặp khó khăn khi thực hiện tính tích phân này tại giới hạn dưới b = 0 do có b nằm dưới mẫu số của biểu thức (1.3) còn tại giới hạn trên b = ∞ do tích Đặng Hồng Giang 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp phân bị phân kỳ. Do đó thay cho các giới hạn này ta lấy các giới hạn là bmin và bmax. Khi đó b dE max dE 4 ne z 2 e 4 bmax   (b) db  ln (1.5) dx bmin dx me v 2 bmin Khi hạt alpha chuyển động với vận tốc v c thì năng lượng cực đại mà nó truyền cho electron bằng Emax  2me v2.

Đồng nhất với công thức này với công thức (1.1) đối với ∆Emax, trong đó thay b bằng bmin ta được: ze 2 bmin  (1.6) me v 2 Để xác định bmax ta cần tính đến hiệu ứng liên kết của electron trong nguyên tử. Với b = bmax thì năng lượng của hạt alpha truyền cho electron không đủ để kích thích nguyên tử, tức là electron không còn tự do nữa. Như vậy bmax liên quan đến thế ion hóa nguyên tử : I  13.7) Trong đó I đo trong đơn vị eV, Z là số điện tích của nguyên tử, bmax được tính theo công thức sau : v bmax  (1.8) I bmax Ngoài ra để tính cần đưa vào hiệu ứng tương đối, khi đó năng lượng bmin truyền cực đại trờ thành Emax  2me v 2 / 1   2  , thông số ngắm cực đại trở thành v bmax  , trong đó   v / c , cần kể đến sự mất năng lượng do hiệu ứng I 1  2 Cherenkov, … Đặng Hồng Giang 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Công thức (1.4) chỉ đúng với tương tác của hạt tới và hạt electron nào đó không phụ thuộc vào sự có mặt của các electron khác trong môi trường. Trong thực tế, điều đó không đúng và ta phải hiệu chỉnh đối với công thức này do hiệu ứng mật độ.

Với các hiệu chỉnh trên, độ mất năng lượng riêng của hạt alpha có dạng :  dE  4 ne z 2 e4  2me v 2 2       ln      U  (1.9)  dx ion me v 2  I 1   2    dE  Trong đó ký hiệu    biểu thị độ mất năng lượng riêng ( dấu âm) do  dx ion dE  ion hóa, đơn vị đo erg/cm. Để tính    trong hệ đơn vị SI thì phải nhân  dx ion biểu thức 1.9 với hằng số điện tích k = 9. Các số hạng δ và U tính đến hiệu ứng mật độ và năng lượng liên kết của các electron lớp K và L. Trong trường hợp đơn giản không tính đến các hiệu chỉnh này, người ta thường dùng công thức :  dE  4 ne z 2e 4  2me v 2 2      ln    (1.10)  dx ion me v 2  I 1   2    Phương trình (1.10) được gọi là công thức Bethe.

Nếu không tính đến sự phụ thuộc vào khối lượng của hạt alpha, tốc độ mất năng lượng riêng của nó phụ thuộc vào vận tốc và mật độ electron trong môi trường như sau : dE z 2 ne f ( v ) (1.11) dx Do hạt alpha truyền năng lượng cho các electron nên nó ion hóa môi trường, tức là tạo nên các cặp ion dọc theo đường đi của mình. Độ ion hóa riêng Đặng Hồng Giang 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp là số cặp ion tạo ra trên một đơn vị quãng đường đi. Đối với hạt alpha có điện tích +2e và khối lượng rất lớn, dẫn tới vận tốc của nó tương đối thấp, nên độ ion hóa riêng của nó rất cao, vào khoảng hàng chục nghìn cặp ion trên 1 cm trong không khí. Dọc theo đường đi của mình trong vật chất, do năng lượng bị mất dần nên hạt alpha đi chậm dần và độ ion hóa riêng tăng dần.

Đến khi sắp hết năng lượng, độ ion hóa tăng nhanh và sau đó giảm đến 0 khi giảm đến 0 khi hạt alpha dừng. Điều nay được minh họa trên đường cong Bragg, hình 1.3 Đường cong Bragg đối với độ ion hóa riêng của hạt alpha Khi hạt alpha ion hóa nguyên tử môi trường, nó mất một phần năng lượng Et để đánh bật một electron quỹ đạo ra ngoài. Động năng Ee của electron bị bắn ra liên hệ với thế ion hóa I của nguyên tử và độ mất năng lượng Et như sau Ee  Et  I (1.12) Trong nhiều trường hợp electron bắn ra có động năng đủ lớn để có thể ion hóa nguyên tử tiếp theo, đó là electron thứ cấp và được gọi là delta electron. Delta electron ban đầu với động năng cỡ 1000 eV có thể tạo nên 1 chuỗi các delta electron thứ cấp và một chuỗi các cặp ion.

Đặng Hồng Giang 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp 1. Quãng chạy của hạt alpha trong vật chất Đối với hạt alpha tới có điện tích 2e đi qua một môi trường cho trước thì độ mất năng lượng riêng dE chỉ là hàm của vận tốc hay động năng E: dx dE  f (E) (1.13) dx Tích phân biểu thức này theo E từ 0 đến năng lượng của hạt tới E0 ta được quãng chạy toàn phần của hạt alpha: E0 dE m m R   2  2  (v ) (1.14) 0 f (E ) z z Hạt alpha có khả năng đâm xuyên thấp nhất trong số các bức xạ ion hóa. Trong không khí, ngay cả hạt alpha có năng lượng cao nhất do các nguồn bức xạ phát ra cũng chỉ đi được 1 vài centimet, còn trong các môi trường rắn hay lỏng, quãng chạy của nó có kích thước cỡ micromet. Có hai định nghĩa về quãng chạy của hạt alpha, là quãng chạy trung bình và quãng chạy ngoại suy được minh họa trên hình 1.4 Đường cong hấp thụ của hạt alpha Đặng Hồng Giang 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Trên hình 1.4, đường cong hấp thụ của hạt alpha có dạng phẳng vì nó là hạt đơn năng lượng.

Ở cuối quãng chạy, số đếm của các hạ alpha giảm nhanh khi tăng bề dày chất hấp thụ. Quãng chạy trung bình được xác định ở nửa chiều cao đường hấp thụ, còn quãng chạy ngoại suy được xác định khi ngoại suy đường hấp thụ đến giá trị 0. Quãng chạy Rkk (cm) của hạt alpha động năng E ( MeV) trong không khí ở 0ºC và áp suất 760 mmHg được biểu diễn một cách gần đúng như sau: Rkk  0.318E 3/ 2 đối với 3  Rkk  7cm (1.15) Sự phụ thuộc quãng chạy – năng lượng của hạt alpha trong không khí được minh họa trên hình 1.5 Sự phụ thuộc quãng chạy – năng lượng của hạt alpha trong không khí Đôi với môi trường bất kỳ với khối lượng hạt nhân A thì quãng chạy của hạt alpha được tính theo công thức: R  0.16) Trong đó R đo trong đơn vị mg/cm2, Rkk là quãng chạy của hạt alpha với cùng năng lượng trong không khí, đo bằng cm. Đặng Hồng Giang 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp CHƯƠNG 2.

BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 1. Bố trí thí nghiệm Thí nghiệm thực hiện theo phương pháp đo truyền qua, được bố trí theo sơ đồ được vẽ trong hình 2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm Thí nghiệm sử dụng nguồn hỗn hợp có hoạt độ 9372 Bq gồm có các đồng vị Gd148, Am241 và Cm244 do hãng Eckert & Ziegler Isotope Products chế tạo. Nguồn này phát các hạt alpha có năng lượng khác nhau. Trong thí nghiệm này ta chỉ quan tâm ba nhóm năng lượng chính với xác suất phát lớn hơn cả bao gồm: 3.2712 MeV(100%) do đồng vị Gd148 có chu kỳ bán rã 74.5%) do đồng vị Am241 có chu kỳ bán rã 432.795 MeV do đồng vị Cm244 có chu kỳ bán rã 18.