BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ

NGÔ VŨ THIÊN QUANG

THIẾT LẬP HỆ ĐO THÔNG LƯỢNG BỨC XẠ
VŨ TRỤ SỬ DỤNG DETECTOR NHẤP NHÁY
PLASTIC KÍCH THƯỚC LỚN
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Tp. Hồ Chí Minh – 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ

NGÔ VŨ THIÊN QUANG

THIẾT LẬP HỆ ĐO THÔNG LƯỢNG BỨC XẠ
VŨ TRỤ SỬ DỤNG DETECTOR NHẤP NHÁY
PLASTIC KÍCH THƯỚC LỚN
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
TS. VÕ HỒNG HẢI

Tp. Hồ Chí Minh – 2017

Lời cảm ơn
Trong quá trình học tập và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp, tôi xin gửi lời
cám ơn chân thành đến:
TS. Võ Hồng Hải đã tận tình chỉ bảo không những kiến thức cần thiết hoàn
thành khoá luận mà còn phương pháp làm việc khoa học. Thầy đã giúp đỡ tôi
rất nhiều khi gặp những vấn đề phát sinh, cùng nhau giải quyết những khó
khăn trong quá trình thực hiện đề tài.
TS. Phạm Nguyễn Thành Vinh đã tạo môi trường gặp gỡ nhóm nghiên cứu
của thầy, nhờ đó tôi được học tập và rèn luyện nhiều kĩ năng. Không những vậy,
thầy tận tình hướng dẫn và chia sẻ rất nhiều kinh nghiệm trong cuộc sống.
Quý thầy trong tổ Vật lý hạt nhân, Khoa Vật lý, Trường Đại Học Sư Phạm
TP.HCM cũng như quý thầy cô Bộ môn Vật lý hạt nhân, Khoa Vật lý, Trường Đại
học Khoa Học Tự Nhiên đã tận tình giảng dạy tôi rất nhiều kiến thức bổ ích và
tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện khoá luận.
Trần Dương Anh Tài đã hướng dẫn mẫu luận văn viết bằng LaTeX.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng cám ơn đến gia đình và bạn bè đã ủng hộ tôi
về nhiều mặt trong thời gian qua.
Khóa luận tốt nghiệp này hoàn thành là nhờ vào sự giúp đỡ của tất cả.
Chân thành cảm ơn.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04, năm 2017
Sinh viên

NGÔ VŨ THIÊN QUANG


Mục lục
Danh mục chữ viết tắt

iii


Danh mục các bảng biểu

iv

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

v

Mở đầu

1

1 Tổng quan

4

1.1 Thành phần và năng lượng của bức xạ vũ trụ . . . . . . . . . . . .

4

1.2 Tương tác của hạt mang điện với vật chất . . . . . . . . . . . . . . .

6

1.3 Đặc trưng của detector nhấp nháy . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

2 Xây dựng hệ đo bức xạ vũ trụ trên detector nhấp nháy plastic kích
thước lớn


10

2.1 Thiết lập hệ đo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

2.1.1 Hệ đo một detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

2.1.2 Hệ đo hai detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

2.2 Detector nhấp nháy plastic kích thước lớn . . . . . . . . . . . . . .

13

2.3 Các thiết bị điện tử . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

2.3.1 Bộ cao thế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

2.3.2 Bộ khuếch đại nhanh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15


2.3.3 Bộ số hóa đa kênh DRS4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

2.3.4 Xử lý số liệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

3 Kết quả và thảo luận

20

3.1 Phân tích xác định bức xạ vũ trụ trên hệ đo trùng phùng hai detector
nhấp nháy kích thước lớn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

3.1.1 Đáp ứng phổ năng lượng của hai detector . . . . . . . . . .

21

3.1.2 Đáp ứng phổ độ rộng xung của hai detector . . . . . . . . .

23

i


3.1.3 Mối tương quan giữa năng lượng và độ rộng xung của hai

detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

3.1.4 Xác định thông lượng của bức xạ vũ trụ . . . . . . . . . . .

25

3.2 Phân tích xác định bức xạ vũ trụ trên hệ đo một detector nhấp nháy
kích thước lớn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

3.2.1 Đáp ứng phổ năng lượng và phổ độ rộng xung của thí nghiệm
một detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

3.2.2 Phân tích ảnh hưởng của phông nền lên phổ bức xạ vũ trụ .

28

Kết luận và kiến nghị

30

Tài liệu tham khảo

32


Phụ lục

34

ii


Danh mục các chữ viết tắt
Chữ viết tắt

Tiếng Anh

GSPS

Giga Samples Per Second

PMT

Photo Multiplier Tube

Ống nhân quang điện

DCI

Digital Charge Integration

Điện tích số hoá

iii


Tiếng Việt
Tốc độ lấy mẫu theo
hàng tỉ mẫu trên giây


Danh mục các bảng biểu
Bảng 1.1: Năng lượng nhỏ nhất (− dE
dx min ) mà muon để lại trong một
số vật liệu khác nhau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

iv

8


Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1.1:

Sự tương tác của bức xạ vũ trụ khi đi vào khí quyển của
Trái Đất. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Hình 1.2:

Độ mất năng lượng riêng của một số hạt mang điện trong
vật chất. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Hình 2.1:

7


Sơ đồ khối hệ đo một detector khảo sát thông lượng của
bức xạ vũ trụ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Hình 2.2:

5

10

Sơ đồ khối hệ đo hai detector khảo sát thông lượng của
bức xạ vũ trụ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

Hình 2.3:

Bố trí detector plastic kích thước lớn trong hệ đo. . . . . . .

12

Hình 2.4:

Hệ đo với các thiết bị được kết nối đặt tại phòng thí nghiệm. 12

Hình 2.5:

Sơ đồ khối detector nhấp nháy plastic kích thước lớn. . . .

13


Hình 2.6:

Sơ đồ bên trong của PMT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

Hình 2.7:

Bộ cao thế âm Opton NC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

Hình 2.8:

Khối khuếch đại nhanh Model 2111. . . . . . . . . . . . . .

16

Hình 2.9:

Bảng mạch DRS4 chứa chip DRS4 và các thành phần khác.

17

Hình 2.10: Giao diện điều khiển DRS Oscilloscope. . . . . . . . . . . .

17

Hình 2.11: Xung tín hiệu của detector được ghi nhận bởi DRS4. . . . .


18

Hình 2.12: Định nghĩa pedestal và xác định vùng tính diện tích. . . .

18

Hình 3.1:

Đáp ứng phổ năng lượng của detector 1 và detector 2 của
hệ đo trùng phùng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Hình 3.2:

21

Đáp ứng phổ độ rộng xung của detector 1 và detector 2
của hệ đo trùng phùng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

Hình 3.3:

Mối tương quan giữa năng lượng và độ rộng xung. . . . .

24

Hình 3.4:

Phổ năng lượng của detector 1 và detector 2 của hệ đo
trùng phùng với điều kiện độ rộng xung của detector 1

và detector 2 đều lớn hơn 17 ns. . . . . . . . . . . . . . . . .
v

25


Hình 3.5:

Phân biệt vùng bức xạ vũ trụ từ phổ tổng. . . . . . . . . . .

26

Hình 3.6:

Đáp ứng phổ của thí nghiệm đo một detector. . . . . . . .

28

Hình 3.7:

Sự ảnh hưởng của phông nền lên phổ bức xạ vũ trụ. . . . .

29

vi


Mở đầu
Ngày nay, Vật lý được phân chia thành nhiều nhóm ngành khác nhau, trong
đó vật lý nguyên tử và hạt nhân đang được quan tâm và đào sâu. Không những

vậy, tầm ảnh hưởng của ngành vật lý nguyên tử và hạt nhân ngày càng được
mở rộng và ứng dụng hỗ trợ cho các lĩnh vực khác như trong công nghiệp (đo
bề dày, kiểm tra khuyết tật,. . . ), nông nghiệp (bảo quản, diệt khuẩn,. . . ), y học
(chiếu xạ, chụp ảnh,. . . ). Các vấn đề về an toàn bức xạ, điện hạt nhân, phóng xạ
môi trường, bức xạ vũ trụ... cũng là một trong những đối tượng mà nhiều nhóm
nghiên cứu đang tiếp cận.
Phóng xạ tự nhiên có mặt hầu như ở khắp mọi nơi (đất, đá, vật liệu xây
dựng, không khí,. . . ) và là sự đóng góp của nhiều thành phần. Trong đó, bức xạ
vũ trụ chiếm vai trò quan trọng đóng góp chủ yếu vào phông của các hệ đo ở
mặt đất do có năng lượng lớn và khả năng xuyên sâu cao [11]. Do đó việc nhận
biết, khảo sát và đánh giá được ảnh hưởng của chúng là điều cần thiết.
Từ khi bức xạ vũ trụ được phát hiện vào năm 1912 bởi nhà Vật lý người
Úc Victor Hess, các thí nghiệm nhằm khảo sát bức xạ vũ trụ lần lượt được thực
hiện bởi nhiều nhóm nhà khoa học trên thế giới với nhiều mục đích khác nhau.
Chúng ta có thể tiếp cận các vấn đề liên quan đến bức xạ vũ trụ qua hội thảo
quốc tế về bức xạ vũ trụ (International Cosmic Ray Conference) – một diễn đàn
lớn để các nhà khoa học có thể trao đổi về các vấn đề liên quan. Tại Hà Nội, có
một phòng thí nghiệm mang tên VATLY (Vietnam Auger Training Laboratory)
nghiên cứu về bức xạ vũ trụ năng lượng cao tại Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt
nhân Hà Nội, được thành lập vào năm 2001 do giáo sư Pierre Darriulat dẫn đầu,
đã tiến tới thành công trong xây dựng detector Cherenkov [3]. Tại phòng thí
nghiệm Vật Lý Hạt Nhân, thuộc bộ môn Vật Lý Hạt Nhân, đại học Khoa Học Tự
Nhiên Hồ Chí Minh, đã và đang thực hiện được một số thí nghiệm nghiên cứu

1


về các tính chất của bức xạ vũ trụ như (1) đo thông lượng bức xạ vũ trụ, phân bố
theo góc [7], thời gian sống muon sử dụng các detector nhấp nháy plastic kích
thước nhỏ, (2) đo ảnh hưởng của bức xạ vũ trụ lên các hệ đo gamma NaI(Tl), hệ

đo gamma phông thấp HPGe [8].
Đề tài của khóa luận này được thực hiện thí nghiệm đo thông lượng bức
xạ vũ trụ sử dụng detector nhấp nháy kích thước lớn. Loại detector này cho xác
suất ghi nhận lớn hơn so với kích thước nhỏ, được dùng để đánh dấu bức xạ
vũ trụ khi nghiên cứu ảnh hưởng của bức xạ vũ trụ lên các hệ đo hạt nhân.
Trong đề tài này, chúng tôi thiết lập thí nghiệm trùng phùng trên hai detector và
thí nghiệm đo một detector trong việc nghiên cứu về bức xạ vũ trụ. Kích thước
mỗi detector là 40 cm × 120 cm × 3 cm dày trong đó diện tích bản nhấp nháy là
40 cm × 80 cm và lớp dẫn sáng là 40 cm × 40 cm.
Đối với thí nghiệm trùng phùng hai detector, hai detector được song song
với nhau với khoảng cách là 15 cm. Chúng tôi sử dụng thiết bị điện tử DRS4
trong việc ghi nhận tín hiệu từ hai detector. Thiết bị này được thiết lập với tốc
độ mã hóa 2 GSPS (tức là độ phân giải thời gian 0, 5 ns), cho phép ghi nhận được
dạng xung tín hiệu từ các detector. Với dữ liệu có được, chúng tôi phân tích để
lấy thông tin về năng lượng và độ rộng xung ghi nhận từ mỗi detector, và phân
tích dạng đáp ứng phổ năng lượng để lại của thành phần bức xạ vũ trụ, từ đó
cho phép xác định được thông lượng bức xạ vũ trụ.
Để mở rộng nghiên cứu về bức xạ vũ trụ với việc sử dụng một detector,
chúng tôi thiết lập thí nghiệm khảo sát bức xạ vũ trụ bằng hệ đo một detector.
Sau đó chúng tôi thực hiện phân tích bằng việc sử dụng phân tích độ rộng xung
tín hiệu theo năng lượng, chúng tôi giảm được những sự kiện bức xạ môi trường
làm ảnh hưởng lên vùng phổ bức xạ vũ trụ.
Dựa vào mục đích hướng nghiên cứu trên, luận văn trình bày gồm ba
chương:
• Chương 1: Tổng quan. Giới thiệu sơ lược các kiến thức cơ bản về bức xạ vũ

trụ, tương tác của chúng với môi trường vật chất và một số đặc tính cơ bản
của các detector nhấp nháy sử dụng trong thực nghiệm.
• Chương 2: Xây dựng hệ đo bức xạ vũ trụ trên detector nhấp nháy plastic


kích thước lớn. Trong chương này, chúng tôi trình bày chi tiết thiết lập hệ
đo bức xạ vũ trụ bằng một detector, hệ đo bức xạ vũ trụ bằng hai detector,
2


các bước xử lý số liệu.
• Chương 3: Kết quả và thảo luận. Chương này sẽ thảo luận về kết quả của

thí nghiệm đo được trên detector plastic kích thước lớn trong trường hợp
hệ đo hai detector và hệ đo một detector.

3


Chương 1

Tổng quan
Đối tượng được nghiên cứu trong luận văn này chính là bức xạ vũ trụ, vì
vậy việc tìm hiểu về thành phần chủ yếu của bức xạ vũ trụ là hạt mang điện
và vùng năng lượng của chúng, hiểu được tương tác của hạt mang điện với vật
chất và ước lượng được năng lượng mà bức xạ vũ trụ đến mặt đất để lại trên vật
liệu của detector. Đây là điều rất quan trọng để xây dựng hệ đo cũng như phân
tích kết quả.

1.1 Thành phần và năng lượng của bức xạ vũ trụ
Bức xạ vũ trụ đến Trái Đất từ không gian bên ngoài còn được gọi là bức
xạ vũ trụ sơ cấp, bức xạ vũ trụ sơ cấp đẳng hướng trong không gian và không
đổi theo thời gian. Chúng thường được xem như là các hạt tích điện bao gồm
khoảng 90 % proton, 9 % alpha và các hạt nhân nặng khác chiếm 1 % [4], với
phổ năng lượng trải dài từ 109 eV (tương đương năng lượng của proton chuyển

động đạt 43% vận tốc của ánh sáng) đến 1020 eV. Vì đa số bức xạ vũ trụ sơ cấp
là những hạt tích điện nên quỹ đạo chúng rất phức tạp do ảnh hưởng của từ
trường Trái Đất.
Khi các bức xạ sơ cấp đến bầu khí quyển của Trái Đất, chúng tương tác với
các nguyên tử và phân tử mà chủ yếu là Oxy và Nitơ hình thành các bức xạ thứ
cấp và tiếp tục hướng đến bề mặt Trái Đất. Hiện tượng này còn được gọi là mưa
rào khí quyển. Hình 1.1 trình bày quá trình tương tác của bức xạ vũ trụ sơ cấp
khi đi vào khí quyển Trái Đất. Sự hình thành các hạt thứ cấp như được trình bày
ở các công thức từ 1.1 đến 1.7.

4


Hình 1.1: Sự tương tác của bức xạ vũ trụ khi đi vào khí quyển của Trái Đất.[1]

p + N → p∗ + N ∗ + nπ + + nπ − + mπ 0

(1.1)

π + → µ+ + νµ

(1.2)

π − → µ− + νµ

(1.3)

π 0 → 2γ

(1.4)


µ+ → e+ + νµ + νe

(1.5)

µ− → e− + νµ + νe

(1.6)

γ → e+ + e−

(1.7)

Muon hình thành ở độ cao khoảng 9000 m và chuyển động với vận tốc bằng
0,9978 lần vận tốc ánh sáng trong không khí. Vì vậy để bay tới mặt đất, chúng
5


cần một khoảng thời gian là 30 × 10−6 s. Tuy nhiên, thời gian sống của muon chỉ
∆t0 = 2 × 10−6 s, nên nó chỉ có thể đi được quãng đường là 2 × 10−6 × 0, 9978 ×
3 × 108 ≈ 600 m. Nhưng theo sự dãn nở của không thời gian theo thuyết tương
đối hẹp
∆t0

∆t =

1−

v2
c2


(1.8)

,

trong đó ∆t là thời gian dãn ra khi hạt chuyển động với vận tốc v xấp xỉ vận tốc
ánh sáng c,
suy ra
∆t0

∆t =

1−

(0,9978c)2
c2

≈ 15∆t0 .

(1.9)

Vì thế thời gian sống của hạt muon tăng lên khoảng 15 lần, tức quãng
đường hạt đi được sẽ bằng 15 × 600 m = 9000 m. Vậy mặc dù có một số lượng
lớn các hạt electron, positron và gamma được hình thành tuy nhiên tại mực nước
biển, hạt muon chiếm phần lớn với tỷ lệ khoảng 80 %, còn lại là 8 % eletron và
một số hạt khác [10].

1.2 Tương tác của hạt mang điện với vật chất
Sự mất năng lượng của các hạt mang điện với môi trường được cho bởi
công thức Bethe – Bloch [12]


−

dE
Z z2
= 2πNa re2 me c2 ρ
ln
dx
A β2

2me γ2 v2 Wmax
I2

− 2β2 − δ − 2

trong đó
2πNa re2 me c2 = 0, 1535MeVcm2 /g,
re = 2, 817 × 10−13 cm là bán kính của electron,
ρ là mật độ của vật chất hấp thụ,
me là khối lượng electron,
z là điện tích của hạt tới,
6

C
Z

(1.10)


Na = 6, 022x1023 mol −1 là số Avogadro,

β=

v
c

với v: vận tốc hạt tới,

I: năng lượng ion hóa trung bình,
γ = 1/

1 − β2 ,

Z: số hiệu nguyên tử của môi trường,
C: hệ số hiệu chỉnh,
A: số khối của môi trường,
Wmax : năng lượng lớn nhất truyền qua trong một lần va chạm,
δ: hệ số hiệu chỉnh mật độ,
Đối với hạt tới có khối lượng M, khi va chạm trực diện với electron thì năng
lượng lớn nhất (Wmax ) truyền cho electron được tính bởi công thức là
Wmax =

2me c2 η 2
1 + 2s

trong đó s = me /M và η = βγ. Vì M

1 + η 2 + s2

,


(1.11)

me thì công thức (1.11) trở thành

Wmax ≈ 2me c2 η 2 .

(1.12)

Hình 1.2: Độ mất năng lượng riêng của các hạt mang điện trong vật chất. [12]
7


Hình 1.2 thể hiện độ mất năng lượng riêng của các một số hạt muon, pion,
proton,. . . trong vật chất qua công thức 1.10. Ở vùng hạt có năng lượng dưới
102 MeV thì khi năng lượng càng tăng thì độ mất mát năng lượng càng giảm. Ở
vùng hạt có năng lượng trung bình (từ 102 MeV đến 103 MeV) thì năng lượng
mà các hạt để lại trong vật chất đạt giá trị cực tiểu. Ở vùng hạt có năng lượng
lớn (khoảng trên 103 MeV) thì năng lượng trung bình các hạt để lại trong vật
chất là không thay đổi (vào khoảng 2 MeVcm2 /g).
Vì thành phần chính của bức xạ vũ trụ ở mặt nước biển chủ yếu là muon
(80 %), do đó chúng tôi chỉ xét đến các quá trình tương tác chính của muon. Đối
với muon thì quá trình mất năng lượng chủ yếu thông qua quá trình va chạm
và ion hóa trước khi bị phân rã. Nếu hạt muon tới mặt đất với vận tốc gần bằng
vận tốc ánh sáng, tức năng lượng của chúng khoảng 102 MeV đến 103 MeV thì
theo công thức Bethe - Bloch, mỗi đơn vị mật độ bề dày chúng chỉ mất 1 % năng
lượng do đó chúng hầu như đi qua môi trường mà không bị thay đổi đáng kể
về năng lượng của chúng. Bảng 1.1 là trình bày năng lượng để lại của hạt muon
trong một số vật liệu mà được dùng để làm detector ghi đo bức xạ.
Bảng 1.1: Năng lượng nhỏ nhất (− dE
dx min ) mà muon để lại trong một số vật liệu

khác nhau.[5]
ρ

− dE
dx min

g/cm3

MeV cm2 /g

Vật liệu

Kí hiệu

Z/A

Sodium iodide

NaI

0, 42697

3, 667

1, 305

Germanium

Ge


0, 44071

5, 323

1, 370

[2 − CH3 C6 H4 CHCH2 ]n 0, 54141

1, 032

1, 956

4, 890

4, 890

Polyvinyltoluen
Barium fluoride

BaF2

0, 42207

Ta có thể ước lượng năng lượng mà muon để lại trên detector (vật liệu nền
là polyvinyltoluen) có bề dày vật liệu là x = 3 cm, mật độ ρ = 1, 032 g/cm3 .
Bề dày khối d được định nghĩa là d ( g/cm2 ) = ρx. Thay số vào ta được d =
3, 096 g/cm2 . Vậy với năng lượng hạt muon mất mát trung bình trên vật liệu
plastic theo bảng 1.1 là 1, 956 MeVcm2 /g thì giá trị năng lượng để lại trên detector có bề dày khối d = 3, 096 g/cm2 là khoảng 6, 0 MeV.
Vì vận tốc của muon có năng lượng lớn, dẫn đến vận tốc xấp xỉ vận tốc ánh
sáng nên khi chuyển động trong các môi trường trong suốt có chiết suất lớn hơn

8


chân không như nước, thủy tinh, plastic. . . các hạt muon có vận tốc lớn hơn vận
tốc ánh sáng trong môi trường đó sẽ phát ra bức xạ Cherenkov. Tuy nhiên, năng
lượng mất mát do phát bức xạ Cherenkov là rất nhỏ nên không ảnh hưởng đến
hướng chuyển động của muon.

1.3 Đặc trưng của detector nhấp nháy
Detector nhấp nháy thông thường bao gồm một bản nhấp nháy kết nối với
các chất dẫn sáng và PMT. Khi các hạt mang điện tương tác môi trường nhấp
nháy, chúng kích thích các phân tử. Sau một thời gian, các phân tử này trở về
trạng thái cơ bản hoặc trạng thái kích thích thấp hơn, phát ra các bức xạ nhìn
thấy được gọi là photon nháy sáng. Các vật liệu chất nhấp nháy phải có các tính
chất sau đây [10]:
• Hiệu suất phát sáng cao (Chuyển đổi năng lượng của các bức xạ thành ánh

sáng có thể phát hiện được).
• Sự biến đổi phải tuyến tính giữa năng lượng để lại so với photon nháy

sáng sinh ra (Cường độ chớp sáng phải tỉ lệ với năng lượng hấp thụ trong
khoảng năng lượng để lại của bức xạ).
• Môi trường phải trong suốt với ánh sáng phát ra để có thể dẫn sáng tốt.

9


Chương 2

Xây dựng hệ đo bức xạ vũ trụ

trên detector nhấp nháy plastic
kích thước lớn
Trong chương này chúng tôi sẽ trình bày về việc thiết lập thí nghiệm đo
bức xạ vũ trụ trên các detector nhấp nháy plastic kích thước lớn, đồng thời giới
thiệu các thiết bị điện tử và ghi nhận dữ liệu.

2.1 Thiết lập hệ đo
2.1.1 Hệ đo một detector

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ đo một detector khảo sát thông lượng của bức xạ vũ trụ.
Hệ đo một detector khảo sát bức xạ vũ trụ bao gồm detector nhấp nháy
với kích thước 40 cm × 120 cm × 3 cm dày trong đó diện tích bản nhấp nháy là
40 cm × 80 cm và lớp dẫn sáng là 40 cm × 40 cm, được đặt song song với mặt đất,
bộ cao thế âm để nuôi PMT, bộ khuếch đại tín hiệu ra từ PMT, bộ số hóa đa kênh

10


DRS4 và máy tính để hiển thị và lưu dữ liệu. Hình 2.1 trình bày sơ đồ khối của
hệ đo một detector.
Khi bức xạ đến tương tác với môi trường detector, các bức xạ này sẽ để lại
một phần hay toàn bộ năng lượng của chúng vào môi trường của detector. Phần
năng lượng đó sẽ kích thích các phân tử plastic. Các phân tử bị kích thích sau
đó trở về trạng thái cơ bản và phát ra các photon (nhấp nháy). Các photon này
được chuyển thành quang electron tại photocathode và khuếch đại số lượng lên
nhờ điện trường của PMT, hình thành xung tín hiệu điện. Bộ khuếch đại nhanh
sẽ khuếch đại tín hiệu này và đưa tín hiệu vào khối DRS4. Bộ số hóa đa kênh
DRS4 ghi nhận các sự kiện mà đã xảy ra tương tác giữa bức xạ và detector.
Tín hiệu sau khi được DRS4 số hóa thì được truyền vào máy tính thông qua
cổng USB và được lưu dưới dạng tệp .dat. Sau đó dùng chương trình C++ và

chương trình ROOT (chạy trên nền hệ điều hành Linux) để xử lý và thu được
phổ năng lượng và phổ độ rộng xung cho bức xạ vũ trụ.

2.1.2 Hệ đo hai detector

Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ đo hai detector khảo sát thông lượng của bức xạ vũ trụ.
Hệ đo hai detector khảo sát bức xạ vũ trụ bao gồm hai detector nhấp nháy
với kích thước 40 cm × 120 cm × 3 cm dày trong đó diện tích bản nhấp nháy là
40 cm × 80 cm và lớp dẫn sáng là 40 cm × 40 cm, được đặt song song với mặt đất
và cách nhau khoảng 15 cm, hai bộ cao thế âm để nuôi PMT, hai bộ khuếch đại
tín hiệu ra từ PMT, bộ số hóa đa kênh DRS4 và máy tính để hiển thị và lưu dữ
liệu. Hình 2.2 là sơ đồ khối của hệ đo trùng phùng hai detector. Hình 2.3 trình
bày cách bố trí trùng phùng hai detector. Hình 2.4 trình bày toàn cảnh hệ đo
trong thực tế.
11


Quá trình bức xạ tương tác với detector và tín hiệu đến bộ số hóa đa kênh
DRS4 tương tự như đã trình bày ở hệ đo một detector. Tuy nhiên với hệ đo hai
detector thì bộ số hóa đa kênh DRS4 xử lý trigger với mức ngưỡng là 30 mV,
trùng phùng hai kênh 1 và 2 để ghi nhận các sự kiện trùng phùng giữa hai
detector. Bộ số liệu được DRS4 lưu trên máy tính được xử lý tương tự như đã
trình bày ở hệ đo một detector.

Hình 2.3: Bố trí detector plastic kích thước lớn trong hệ đo.

Hình 2.4: Hệ đo với các thiết bị được kết nối đặt tại phòng thí nghiệm.

12



2.2 Detector nhấp nháy plastic kích thước lớn
Hệ đo sử dụng detector plastic có kích thước 40 cm × 120 cm × 3 cm dày
trong đó diện tích bản nhấp nháy là 40 cm × 80 cm và lớp dẫn sáng là 40 cm ×
40 cm với vật liệu nhấp nháy là polyvinyltoluene [CH2 CH (C6 H4 CH3 )]n , mật độ
ρ = 1, 032 g/cm3 [2]. Hình 2.5 trình bày các bộ phận cấu tạo detector plastic.

Hình 2.5: Sơ đồ khối detector nhấp nháy plastic kích thước lớn.
Khi một bức xạ bất kì đi qua vật chất, nó sẽ để lại một phần hay toàn bộ
năng lượng của nó. Các phân tử nhấp nháy sẽ hấp thụ phần năng lượng đó và
chuyển lên trạng thái kích thích. Sau thời gian ngắn (∼ 10−9 s), các phân tử này
trở về trạng thái cơ bản và phát ra các ánh sáng nhấp nháy (photon). Tần suất
phát xạ này tỉ lệ với số nguyên tử bị kích thích.
Ánh sáng từ bản nhấp nháy qua một lớp dẫn sáng để đi vào PMT. Lớp dẫn
sáng là chất có chiết suất gần bằng chất nền của bản nhấp nháy. Một đầu của lớp
dẫn sáng nối với bản nhấp nháy và đầu còn lại nối với PMT thông qua ống dẫn
sáng để phối hợp kích thước giữa bản dẫn sáng với PMT.
Các photon nhấp nháy đập vào photocathode của PMT sinh ra các electron
có năng lượng thấp (từ 0, 1 eV đến 1 eV) do tương tác quang điện. Sau đó, các
quang electron được gia tốc hướng tới dynode thứ nhất dưới tác dụng của điện
thế cỡ 50 đến 100 V, và sinh ra các electron thứ cấp với số lượng nhiều hơn so với
số electron đập vào nó. Quá trình này xảy ra tiếp tục trên các dynode thứ hai,
thứ ba, và các dynode sau. Cứ như vậy, tại anode sẽ thu được một dòng electron
rất lớn (105 – 108 electron) so với dòng phát ra từ photocathode. Các electron
này tạo một xung điện với biên độ cỡ vài µA và kéo dài khoảng vài chục µs [9].
Vậy PMT biến đổi xung photon ánh sáng thành tín hiệu xung điện tỉ lệ. Detector
phải được che chắn để ngăn không cho ánh sáng bên ngoài đi vào bên trong
PMT. Cấu tạo bên trong của PMT được thể hiện như trên hình 2.6.
Để cấp điện thế cho các dynode của PMT thì cần sử dụng nguồn cao thế,
13



tín hiệu ra từ anode được đưa đến khối khuếch đại. PMT được sử dụng trong
hệ đo này là R329 – 02 được sản xuất bởi Hamamatsu.

Hình 2.6: Sơ đồ bên trong của PMT.

2.3 Các thiết bị điện tử
2.3.1 Bộ cao thế
Bộ cao thế được sử dụng để nuôi PMT, nguồn cao thế phải luôn luôn ổn
định trong suốt quá trình làm thí nghiệm. PMT trong hệ đo này được cấp bởi
bộ cao thế âm Opton NC được sản xuất bởi hãng Matsusada Precision Inc. Bộ
cao thế này có thể điều khiển được điện thế ngõ ra của cao thế từ 0 đến −2000 V
tương ứng với điện thế điều khiển có độ chia từ 0 đến 6 V được hiển thị trên
đồng hồ, với phương trình chuyển đổi
HV = −

2000
voltage,
6

(2.1)

trong đó voltage(V ) là giá trị điện thế điều khiển hiển thị trên đồng hồ, HV (V )
là giá trị điện thế thật ở ngõ ra.
Bộ cao thế có hai kênh: kênh A cung cấp cao thế cho PMT của detector
plastic thứ nhất (tương ứng với nút vặn A) và kênh B cung cấp cao thế cho PMT
của detector plastic thứ hai (tương ứng với nút vặn B). Hình 2.7 cho thấy được
đồng hồ hiển thị điện thế điều khiển và vị trí nút vặn tương ứng cho từng kênh
như đã mô tả. Trong hệ đo này, cao thế cung cấp cụ thể cho:

14


• PMT của detector plastic thứ nhất là −1650 V (hiển thị trên đồng hồ là

4, 95 V).
• PMT của detector plastic thứ hai là −1437 V (hiển thị trên đồng hồ là

4, 31 V).

Hình 2.7: Bộ cao thế âm Opton NC.

2.3.2 Bộ khuếch đại nhanh
Bộ khuếch đại nhanh thường được áp dụng xử lý xung tín hiệu điện tử từ
PMT, chức năng của thiết bị này là khuếch đại xung lối vào và có dạng xung lối
ra là không đổi. Thông thường độ khuếch đại nằm trong khoảng 1, 5 − 100 lần,
tín hiệu ra có thể là xung âm, xung dương. Ngoài lối ra tuyến tính, mục đích
chính của bộ khuếch đại nhanh là tạo ra một tín hiệu ổn định cho đầu vào của
bộ phân biệt xung hoặc các thiết bị logic gắn liền sau nó, mà từ đó một xung
logic có thể lấy ra cho các ứng dụng thời gian kế tiếp [6]. Do đó, sự định hình lại
xung phải đảm bảo không thay đổi thông tin về thời gian đồng thời cho phép
phân biệt các sự kiện thực với nhiễu điện tử.
Khối khuếch đại nhanh được sử dụng trong hệ đo là TFA 2111 (Timing
Filter Amplifier) do hãng Canberra sản xuất (Hình 2.8). Tín hiệu từ PMT được
khuếch đại và chuyển đổi thành xung dương mà không thay đổi hình dạng
15


xung. Khối khuếch đại nhanh được thiết lập trong các thí nghiệm của luận văn
này với các thông số: Coarse gain: X30, Fine gain: X2, Differentiate: vị trí OUT,

Integrate: vị trí OUT.

Hình 2.8: Khối khuếch đại nhanh Model 2111.

2.3.3 Bộ số hóa đa kênh DRS4
Bộ số hóa đa kênh DRS4 có chức năng số hóa các xung tín hiệu từ khối
khuếch đại nhanh để có thể ghi nhận dạng xung tín hiệu. DRS4 được phát triển
tại Viện Nghiên cứu Paul Scherrer, Thụy Sĩ. Thiết bị này sử dụng lập trình nhúng
FPGA, có khả năng xử lý trigger và ghi nhận những xung tín hiệu có đáp ứng
thời gian cỡ ns, với tốc độ xử lý mẫu lên đến 5 GSPS và độ dài cho mỗi sự kiện
là 1024 điểm mẫu. Cấu tạo bên trong được thể hiện như trên hình 2.9. Ngưỡng
biên độ xung vào là 1 V, với trở kháng 50 Ω và độ phân giải biên độ 16 bit.

16