Thạc Sĩ Nghiên cứu xây dựng hệ đo hạt muon đo thời gian sống hạt muon

MỞ ĐẦU

Từ những thập niên đầu thế kỷ XX, các nhà vật lý thực nghiệm đã khám phá ra các tia vũ trụ, đó là các hạt có năng lượng cao (khoảng 85% proton, 12% heli, 1% các nguyên tố nặng và khoảng 2% electron [9]). Vào năm 1936, hai nhà vật lý người Mỹ Carl D. Anderson và Seth Neddermeyer khám phá ra hạt muon khi đang nghiên cứu bức xạ vũ trụ. Từ khám phá này, các nhà vật lý đã tiến hành nhiều thí nghiệm, xây dựng nhiều hệ đo để phát hiện hạt muon, cũng như khảo sát các tính chất của hạt muon như khối lượng, năng lượng, thời gian sống của muon Trong những năm gần đây, bức xạ vũ trụ đang là lĩnh vực nghiên cứu hàng đầu của các nhà khoa học trên thế giới, đã có nhiều đề tài nghiên cứu về bức xạ vũ trụ và hạt muon như khảo sát thông lượng của muon theo góc, theo độ cao, đo thời gian sống của hạt muon, Các hệ đo hạt muon cũng rất đa dạng và được cải tiến để có thể đo hạt muon tốt hơn như hệ đo hạt muon dùng detector nước (detector Cherenkov), dùng detector nhấp nháy (thí nghiệm cho một detector, trùng phùng hai hoặc ba detector), Ở Việt Nam, hiện nay có một phòng thí nghiệm bức xạ vũ trụ 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. Phòng thí nghiệm VATLY nghiên cứu về hạt muon và một số tính chất của muon như thời gian sống, thông lượng của muon. Tại Bộ môn Vật lý hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, nhóm TS. Võ Hồng Hải đang bước đầu xây dựng và phát triển các hệ đo bức xạ vũ trụ và hạt muon sử dụng các detector nhấp nháy plastic. Ở đó, hệ thống ghi nhận tín hiệu và xử lý trigger được phát triển từ thiết bị Flash-ADC (Flash-Analog Digital Converter) và công nghệ nhúng FPGA (Field-programmable Gate Array). Hệ thống điện tử này là chương trình hợp tác phát triển thiết bị hạt nhân giữa Bộ môn Vật lý Hạt nhân với nhóm giáo sư Masaharu Nomachi thuộc Khoa Vật lý, Trường Đại học Osaka, Nhật Bản.

Trong đề tài này, chúng tôi tiến hành xây dựng hệ đo hạt muon và đo thời gian sống của hạt muon. Hệ đo hạt muon gồm một hệ ba detector nhấp nháy plastic đặt song song với nhau. Vật liệu nhôm với bề dày 5 cm được dùng làm chậm muon, tăng hiệu suất bắt muon phân hủy. Hệ thống ghi nhận tín hiệu Flash-ADC 8 bits 125 MHz kết hợp với hệ thống xử lý trigger sử dụng công nghệ nhúng FPGA, cho phép ghi nhận xung tín hiệu từ các detector và tính toán các thông số năng lượng (diện tích xung, độ cao xung) và thời gian (thời gian trigger). Chương trình giao tiếp với máy tính Labview 8.5 được thiết lập trong việc điều khiển và ghi nhận dữ liệu từ FPGA. Dữ liệu thông tin về năng lượng và thời gian của các detector được ghi nhận và lưu thành file số liệu, thuận tiện trong việc phân tích xử lý từ các phần mềm khác (như C, PAW, Origin, ). Thí nghiệm đo hạt muon được thực hiện tại phòng thí nghiệm thuộc Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP. Hồ Chí Minh. Bố cục của luận văn gồm bốn chương:
Chương 1: Tổng quan về bức xạ vũ trụ, hạt muon và các hệ đo hạt muon, trình bày sự hình thành, năng lượng, các tính chất đặc trưng của bức xạ vũ trụ và hạt muon; tổng quan các hệ đo hạt muon trên thế giới và trong nước.
Chương 2: Xây dựng hệ đo hạt muon, trình bày bố trí thí nghiệm của hệ đo hạt muon, giới thiệu và mô tả các thiết bị, các chương trình, các thông số vật lý của các thiết bị.
Chương 3: Khảo sát hoạt động của hệ đo muon. Trong chương này, chúng tôi tiến hành khảo sát hoạt động của cao thế cho các detector, khảo sát năng lượng theo kênh cho các detector và chuẩn thời gian cho hệ ghi nhận tín hiệu Flash-ADC/FPGA.
Chương 4: Thực nghiệm – Đo thời gian sống hạt muon. Sau khi xây dựng hệ đo muon và khảo sát hoạt động của hệ đo, chúng tôi tiến hành thực nghiệm đo thời gian sống của muon và khảo sát phổ năng lượng của muon.
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT i
DANH MỤC CÁC BẢNG . ii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ iii
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BỨC XẠ VŨ TRỤ, HẠT MUON VÀ CÁC HỆ ĐO HẠT MUON .3
1.1. Tổng quan về bức xạ vũ trụ 3
1.1.1. Sự phát hiện và các nghiên cứu ban đầu về bức xạ vũ trụ 3
1.1.2. Năng lượng của bức xạ vũ trụ 4
1.1.3. Thành phần của bức xạ vũ trụ 5
1.1.4. Phân loại bức xạ vũ trụ .5
1.1.4.1. Bức xạ vũ trụ sơ cấp (bức xạ vũ trụ thiên hà) 5
1.1.4.2. Bức xạ vũ trụ thứ cấp .5
1.1.4.3. Bức xạ vũ trụ trong hệ mặt trời 5
1.1.4.4. Bức xạ vũ trụ bất thường .6
1.2. Tổng quan về hạt muon 7
1.2.1. Nguồn muon .8
1.2.2. Sự phân hủy muon 10
1.2.3. Tính chất cơ bản của hạt muon 11
1.2.4. Hàm phân bố thời gian phân hủy của muon .12
1.2.5. Tương tác của muon àư với vật chất 13
1.2.6. Tỉ số à+/àư 14
1.2.7. Phông nền .15
1.2.8. Hằng số ghép cặp Fermi .15
1.3. Tổng quan các hệ đo hạt muon trên thế giới và trong nước .15
1.3.1. Các hệ đo hạt muon trên thế giới 15
1.3.2. Các hệ đo hạt muon trong nước 20
CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG HỆ ĐO HẠT MUON .22
2.1. Bố trí thí nghiệm của hệ đo hạt muon .22
2.2. Hệ ghi nhận hạt muon .23
2.2.1. Detector nhấp nháy plastic .23
2.2.1.1. Bản nhấp nháy BC – 408 .24
2.2.1.2. Lớp dẫn sáng 25
2.2.1.3. Ống nhân quang điện .25
2.2.2. Nguồn cao thế .26
2.3. Hệ ghi nhận và xử lí tín hiệu Flash-ADC/FPGA 26
2.3.1. Flash-ADC (Flash Analog Digital Converter) .27
2.3.2. Bộ giao tiếp FPGA (Field – Programmable Gate Array) .29
2.4. Chương trình giao tiếp với máy tính Labview 29
CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ ĐO MUON 33
3.1. Khảo sát hoạt động của cao thế cho các detector nhấp nháy plastic dựa vào bờ Compton 661 keV từ nguồn chuẩn Cs137 33
3.1.1. Bố trí thí nghiệm .33
3.1.2. Kết quả khảo sát .34
3.2. Khảo sát năng lượng theo kênh cho các detector .37
3.3. Chuẩn thời gian cho hệ ghi nhận tín hiệu Flash-ADC/FPGA 39
3.3.1. Bố trí thí nghiệm .39
3.3.2. Kết quả chuẩn thời gian 40
CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM – ĐO THỜI GIAN SỐNG HẠT MUON 45
4.1. Bố trí thí nghiệm của hệ đo hạt muon .45
4.2. Phổ năng lượng của hạt muon 48
4.3. Đo thời gian sống của hạt muon .52
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO 59
PHỤ LỤC .61