Xác định thông lượng Notron nhiệt trong môi trường nước

[Đồ án] Xác định thông lượng Notron nhiệt trong môi trường nước

NGUYỄN HOÀNG TÚ June 8, 2010 MỤC LỤC CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ ………………………………………………….3 I. Mục đích …………………………………………………………………… 3 II. Phương pháp thực hiện ……………………………………………………4 CHƯƠNG II: ĐO THÔNG LƯỢNG NOTRON NHIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP KÍCH HOẠT ………………………………………………………….6 I. Cơ sở phương pháp kích hoạt ………………………………………………6 II. Tổng quan về đo thông lượng notron nhiệt ………………………………9 III. Tổng quan về đo thông lượng notron trên nhiệt ………………………13 IV. Các hệ số bổ chính ………………………………………………………16 CHƯƠNG III: MÁY PHÁT XUNG NOTRON MP320 VÀ HỆ ĐO ……30 I. Máy phát xung notron MP320 ……………………………………………30 II. Hệ kích hoạt ………………………………………………………………35 III. Hệ đo Gamma ……………………………………………………………39 IV. Kết quả đo ……………………………………………………………….43 CHƯƠNG IV: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MCNP XÁC ĐỊNH THÔNG LƯỢNG NOTRON ……………………………………………….50 I. Giới thiệu chương trình MCNP ………………………………………….50 K T H N & V L M T – K 5 0 Page 29 NGUYỄN HOÀNG TÚ June 8, 2010 II. Mô phỏng hệ kích hoạt notron bằng chương trình MCNP ………… 51 III. Kết quả mô phỏng ………………………………………………………53 CHƯƠNG V: KẾT LUẬN ………………………………………………….56 TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………………58 PHỤ LỤC ……………………………………………………………………59 K T H N & V L M T – K 5 0 Page 29 NGUYỄN HOÀNG TÚ June 8, 2010 CHƯƠNG I ĐẶT VẤN ĐỀ I. Mục đích: Những ứng dụng của nguồn notron hiện nay rất quan trọng trong khoa học và kỹ thuật như sử dụng notron trong y học điều trị ung thư, kiểm tra không phá hủy mẫu, nguồn nguyên liệu trong lò phản ứng hạt nhân, phân tích kích hoạt… Hiện nay, nguồn nơtron có thể được tạo ra từ các nguồn đồng vị, lò phản ứng hạt nhân và máy gia tốc. Máy phát xung notron MP320 của Viện kỹ thuật hạt nhân và Vật lý môi trường, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội là một máy phát notron xách tay duy nhất ở Việt Nam hiện nay. Máy phát có thể chạy ở chế độ xung hoặc liên tục tạo ra khoảng 10 8 notron/giây, tuy nhiên điều này chưa thực sự được kiểm chứng từ nhà sản xuất. Máy phát xung MP320 được ứng dụng trong phân tích kích hoạt, dò tìm bom mìn, kiểm tra không phá mẫu (NDT), trong các thí nghiệm hạt nhân…Ngoài ra giao diện kỹ thuật số và tính năng an toàn tiên tiến làm cho nó lý tưởng cho các hoạt động không dây. Hệ thống này có thể hoàn toàn được kiểm soát từ một cổng RS232 tiêu chuẩn với một chương trình đầu cuối đơn giản, hoặc với giao diện LabVIEW TM GUI được cung cấp kèm theo. Trên thực tế để sử dụng nguồn notron trong các tính toán nghiên cứu hay các ứng dụng thì cần phải xác định được chính xác thông lượng notron.Với mục đích sử dụng notron nhiệt cho các nghiên cứu và ứng dụng sau này, một việc cần thiết phải tiến hành là xác định thông lượng notron nhiệt từ máy phát MP320 trong môi trường làm chậm khác nhau. Tuy nhiên năng lượng của notron mà K T H N & V L M T – K 5 0 Page 29 NGUYỄN HOÀNG TÚ June 8, 2010 máy phát phát ra là notron nhanh nên cần phải thiết kế hệ làm chậm và khảo sát phân bố thông lượng notron nhiệt theo bề dày của chất làm chậm. II. Phương pháp thực hiện: Với mục đích xác định thông lượng notron nhiệt trong môi trường nước, trong bản luận văn này một hệ làm chậm notron bằng nước và thủy tinh hữu cơ đã được thiết kế, sau đó tiến hành khảo sát thông lượng notron bằng phương pháp detector kích hoạt. Phương pháp xác định thông lượng notron nhanh bằng phương pháp kích hoạt nơtron là phương pháp dùng hạt nơtron bắn vào hạt nhân của một đồng vị bền biến hạt nhân bền đó thành hạt nhân phóng xạ. Sau đó đo bức xạ do đồng vị phóng xạ đó phát ra sẽ xác định được thông lượng nơtron. Đây là phương pháp dễ thực hiện, có đủ độ chính xác, nhưng cần phải có detector kích hoạt có tiết diện phản ứng và chu kỳ bán rã của sản phẩm thích hợp để có thể đo đạc được vì có một số đồng vị được kích hoạt nơtron nhưng lại có tiết diện phản ứng rất nhỏ hoặc chu kỳ bán rã quá ngắn thì rất khó khăn để đo đạc được. Quá trình kích hoạt và đo đạc có thể tách rời thành hai quá trình riêng biệt vì thế nên việc kích hoạt và đo đạc được thực hiện ở hai nơi riêng biệt nhằm đảm bảo an toàn do ít phải làm việc trong trường nơtron. Do phương pháp kích hoạt dễ thực hiện, độ chính xác đủ tốt và phù hợp với điều kiện cho một bản luận văn tốt nghiệp đại học nên để xác định thông lượng notron nhiệt phương pháp này đã được chọn lựa. Nội dung được trình bày trong chương II. K T H N & V L M T – K 5 0 Page 29 NGUYỄN HOÀNG TÚ June 8, 2010 Để khẳng định tính chính xác mà các phép đo thực hiện, một mô hình trường notron nhiệt đã được mô phỏng bằng chương trình MCNP5. Nội dung được trình bày trong chương IV. K T H N & V L M T – K 5 0 Page 29 NGUYỄN HOÀNG TÚ June 8, 2010 CHƯƠNG II ĐO THÔNG LƯỢNG NOTRON NHIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP DETECTOR KÍCH HOẠT I. Cơ sở phương pháp kích hoạt: 1. Khái niệm về kích hoạt: Bản chất vật lý của phương pháp kích hoạt là tạo ra sự biến đổi trạng thái của hạt nhân nguyên tử thông qua các phản ứng hạt nhân gây bởi bức xạ notron hoặc các hạt mang điện. Phản ứng bắt notron hay phản ứng (n,γ) là một trong những loại phản ứng hạt nhân được sử dụng phổ biến nhất trong phân tích kích hoạt sử dụng nguồn notron nhiệt (hình 1). Hình 1. Quá trình kích hoạt theo phản ứng (n,γ) Sau khi bắt notron, hạt nhân X trở thành hạt nhân hợp phần X * : A 1 A 1 * Z 0 Z X n X + + = [1.1] Tia gamma tức thời Notron Hạt nhân bia Hạt nhân hợp phần Hạt nhân phóng xạ Tia gamma trễ Hạt nhân sản phẩm K T H N & V L M T – K 5 0 Page 29 NGUYỄN HOÀNG TÚ June 8, 2010 Năng lượng kích thích của hạt nhân hợp phần E * bằng tổng năng lượng liên kết của hạt nhân E h và động năng E k của notron tới: * h k E E E = + [1.2] Hạt nhân hợp phần có thể phát ra một hoặc vài tia gamma tức thời để trở về trạng thái bền vững hơn. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp hạt nhân hợp phần không phát ra bức xạ gamma ngay mà trở thành hạt nhân phóng xạ, phân rã beta β và phát ra các tia gamma (gamma trễ) với chu kỳ bán rã xác định. Việc đo tia gamma tức thời phải thực hiện cùng với quá trình kích hoạt nên được gọi là phương pháp phân tích kích hoạt notron gamma tức thời. Việc đo tia gamma trễ được đo sau khi đã ngừng kích hoạt và gọi là phân tích kích hoạt notron gamma trễ hay phương pháp phân tích kích hoạt. Phương pháp này phổ biến hơn phương pháp trên vì điều kiện thiết bị đo và phân tích tia gamma tức thời trong khoảng thời gian ngắn rất khó khăn. 2 – Độ kích hoạt C: Định nghĩa: Độ kích hoạt C là số hạt nhân phóng xạ hình thành (sau khi hấp thụ notron) trên 1cm 2 bề mặt lá dò trong 1s. Xét trường notron nhiệt khi lá dò mỏng, nghĩa là khi ( ) a s d Σ + Σ >>1 thì thông lượng notron qua lá thực tế coi như không thay đổi đáng kể, vì vậy ta có: kh C d = ΦΣ [1.3] trong đó: K T H N & V L M T – K 5 0 Page 29 NGUYỄN HOÀNG TÚ June 8, 2010 Φ : thông lượng notron nhiệt lấy trung bình theo bề mặt lá dò; kh Σ : tiết diện kích hoạt trung bình theo vận tốc của notron ở miền năng lượng thấp nếu tiết diện kích hoạt tuân theo quy luật 1/v thì: kh C nv d = Σ [1.4] d: bề dày lá dò. 3. Độ kích hoạt toàn phần B Định nghĩa: Độ kích hoạt toàn phần B(t) tại thời điểm t là số hạt nhân phóng xạ hình thành trên 1cm 2 bề mặt lá dò khi hấp thụ notron ở thời điểm t tính từ khi bắt đầu rọi. Tốc độ biến thiên của độ kích hoạt toàn phần sẽ là: dB(t) C B(t) dt = − λ hay dB(t) dt C B(t) = − λ [1.5] Lấy tích phân 2 vế theo t được: t C B(t) (1 e ) −λ = − λ [1.6] trong đó: t: thời gian kích hoạt; λ: hằng số phân rã của đồng vị phóng xạ sử dụng làm lá dò. K T H N & V L M T – K 5 0 Page 29 NGUYỄN HOÀNG TÚ June 8, 2010 Nếu kéo dài thời gian kích hoạt, nghĩa là t >> 1/2 T thì lúc đó t e −λ tiến dần tới 0, do vậy: C B(t) const= = λ [1.7] Giá trị này gọi là độ kích hoạt bão hòa. 4. Hoạt độ phóng xạ A Định nghĩa: Hoạt độ phóng xạ A(t) là số hạt nhân phân rã trên 1cm 2 bề mặt lá dò trong 1s ở thời điểm t. A được tính như sau: t t kh A(t) B(t) C(1 e ) d(1 e ) −λ −λ = λ = − = ΦΣ − [1.8] Đây là phương trình dùng để xác định thông lượng notron qua độ phóng xạ của lá dò. Đối với lá dò xác định thì các chỉ số d, λ, kh Σ là xác định và nếu biết hoạt độ phóng xạ ta có thể suy ra thông lượng notron. Vậy thông lượng có thể xác định được qua giá trị A đo được theo công thức sau: t kh A(t) d(1 e ) −λ Φ = Σ − [1.9] II – Tổng quan về đo thông lượng notron nhiệt 1 – Sự làm chậm notron Khi notron nhanh phát ra từ nguồn đến va chạm với các hạt nhân của môi trường notron sẽ mất năng lượng và bị chậm đi. Quá trình làm chậm notron là do tán xạ đàn hồi và không đàn hồi, các quá trình đó ảnh hưởng đến phân bố không K T H N & V L M T – K 5 0 Page 29 NGUYỄN HOÀNG TÚ June 8, 2010 gian năng lượng của notron bị làm chậm. Trong môi trường hạt nhân nhẹ (như H 2 O, paraffin…) các notron nhanh được làm chậm một cách nhanh chóng do va chạm đàn hồi với các hạt nhân nhẹ trong môi trường. Sau một vài lần va chạm đàn hồi các notron nhanh truyền năng lượng của mình cho các hạt nhân trong môi trường và năng lượng của chúng giảm đến năng lượng nhiệt. Sự làm chậm notron trong môi trường có và không có hấp thụ notron cũng khác nhau. Khi có hấp thụ notron thì mật độ làm chậm notron thay đổi, nó không còn là hằng số nữa mà bị giảm dần. Khi đó tiết diện vi mô σ a cần phải thay bằng (σ a ) hd và phải đưa vào xác suất tránh hấp thụ cộng hưởng. 2 – Phương trình cơ bản để xác định thông lượng notron: Các notron phát ra từ nguồn sau nhiều lần va chạm với hạt nhân của chất làm chậm thì truyền năng lượng của mình cho các hạt nhân đó và trở thành notron nhiệt, vì vậy ta sẽ có một phân bố của notron nhiệt. Các notron nhiệt đập lên lá dò, tương tác với hạt nhân của lá dò và sau một thời gian rọi lá dò trở thành phóng xạ. Theo công thức đo độ phóng xạ (A) của lá dò sẽ suy ra được thông lượng notron tại đó. Trong khi kích hoạt phóng xạ sẽ diễn ra đồng thời 2 quá trình sau đây: – Sự tạo thành các hạt nhân phóng xạ từ các hạt nhân bền sau các phản ứng hạt nhân. – Sự phân rã của các hạt nhân mới tạo thành với hằng số phân rã λ. Vậy tốc độ biến thiên của số hạt nhân phóng xạ được tính như sau: K T H N & V L M T – K 5 0 Page 29 [...]... hoạt lá dò để xác định thông lượng notron nhiệt bao giờ cũng xảy ra hiệu ứng nhiễu loạn thông lượng của trường notron nhiệt xung quanh lá dò, điều đó khiến cho thông lượng notron xác định được bao giờ cũng nhỏ hơn thông lượng thực của trường notron nhiệt Giả sử đối với lá dò vô cùng mỏng ta đo được độ phóng xạ A ∞ do thông lượng nhiễu loạn gây nên, với lá dò thực ta đo được A th do thông lượng nhiễu... gần như hấp thụ hoàn toàn các notron có năng lượng nhỏ hơn 0,4eV và trong suốt với các notron có năng lượng lớn hơn 0,4eV do đó hoạt độ mẫu bọc Cd hoàn toàn do notron trên nhiệt Φepi tạo nên Giả sử thông lượng của trường notron là Φ(E), sự phân bố thông lượng notron có dạng: −E E ∆(E kT) Φ (E) = Φ th e kT + Φ epi E (kT)2 [1.16] trong đó: Φth, Φepi: hằng số; T: nhiệt độ môi trường; ∆(E kT) : hàm chuyển... học ứng dụng Vì lý do đó nhiệm vụ “khảo sát thông lượng notron nhiệt trong môi trường chất làm chậm của máy phát xung MP320” đã được đặt ra II – Hệ kích hoạt Vì lý do nghiên cứu thông lượng notron trong môi trường chất làm chậm là nước một hệ chứa nước làm chậm và gá mẫu kích hoạt đã được thiết kế và chế tạo 1 – Hệ chứa nước làm chậm và bộ gá mẫu Vật liệu đựng nước đã được chọn là polymetylmetacrylat... Tổng quan về đo thông lượng notron trên nhiệt Trường notron nhiệt hóa luôn bao gồm 2 thành phần notron nhiệt Φ th và notron trên nhiệt Φ epi Khi kích hoạt cả hai thành phần notron cùng tham gia kích hoạt và tạo nên hoạt độ của đồng vị phóng xạ Điều này làm cho độ phóng xạ của lá dò A luôn luôn lớn hơn độ phóng xạ do notron nhiệt gây ra Do đó phải loại bỏ ảnh hưởng của notron trên nhiệt bằng cách dùng... được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như phân tích kích hoạt nơtron, dò tìm bom mìn, kiểm tra không phá mẫu NDT, trong các thí nghiệm về phản ứng hạt nhân KTHN&VLMT – K50 Page 29 June 8, 2010 NGUYỄN HOÀNG TÚ Tuy nhiên cường độ phát của máy phát xung là 10 8 notron/ s chưa được khẳng định từ nhà sản xuất, do đó cần xác định chính xác thông lượng notron nhanh và notron nhiệt trong các môi trường để có thể... notron nhiệt của lá dò thực bao giờ cũng lớn hơn xác suất hấp thụ của lá dò mỏng vô cùng, nên cần phải xác định được xác suất hấp thụ notron nhiệt của lá dò dày δ và từ đó suy ra hệ số tự chắn G Giả sử trường notron đơn năng đẳng hướng, ta kích hoạt lá dò rất mỏng sao cho sự có mặt của nó không làm nhiễu loạn thông lượng notron, nghĩa là KTHN&VLMT – K50 Page 29 June 8, 2010 NGUYỄN HOÀNG TÚ trường notron. .. trong đó: Ng: số hạt mà hệ ghi nhận được trong 1 thời gian nào đó; Nt: số hạt bay tới vùng ống đếm trong khoảng thời gian đó Thông thường để xác định hiệu suất ghi người ta dùng phương pháp thực nghiệm với nguồn chuẩn có năng lượng của hạt gần với năng lượng của hạt khi lá dò phát ra 2 – Hiệu chỉnh về nhiễu loạn thông lượng notron Nhiễu loạn này sinh ra do sự có mặt của lá dò đặt vào trong trường notron. .. loạn thông lượng thành 3 hiệu ứng đơn giản hơn: – Hiệu ứng tự chắn (G); – Hiệu ứng bờ (E); – Hiệu ứng về suy giảm thông lượng notron (F) Khi đó hệ số bổ chính sẽ là: k2 = EG F Sau đây ta xét một cách chi tiết từng hiệu ứng đã gây nên sự nhiễu loạn thông lượng notron với giả thiết trường notron nhiệt đơn năng: a) Hiệu ứng tự chắn Hiệu ứng này thực chất là hiệu ứng về xác suất hấp thụ của lá dò, vì xác. .. lá dò Trong trường đối xứng liên tục, vectơ thông lượng của trường notron được biểu diễn bởi đa thức Legendre phụ thuộc vào cosθ như sau (hình 4): Trục phân bố Phương pháp tuyến của lá φ θ Ω Phương chuyển động của notron Hình 4 Hiệu ứng tự chắn trên lá dò r r r 1 ∞ Φ (r,q) = ∑ (2l + 1)Φ l (r)Pl (cosθ) 4π l= 0 [1.23] trong đó: r r Φ(r,q) : vector thông lượng của trường; r Φl (r) : vector thông lượng. .. thông lượng notron trung bình trong lá 2µ a d Vậy hệ số tự chắn sẽ là: G= ϕ0 (µ a d) 2µa d [1.29] Hàm số G thay đổi theo giá trị của (µad) như hình 5: Hình 5 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số tự chắn vào µ a d trong trường notron đẳng hướng và đơn năng b) Hiệu ứng bờ Thực tế cho thấy dù lá dò mỏng đến mức nào thi nó vẫn có một bề dày nhất định Do đó, sự có mặt của lá dò sẽ làm ảnh hưởng đến thông . hoạt lá dò để xác định thông lượng notron nhiệt bao giờ cũng xảy ra hiệu ứng nhiễu loạn thông lượng của trường notron nhiệt xung quanh lá dò, điều đó khiến cho thông lượng notron xác định được bao giờ. các notron nhanh truyền năng lượng của mình cho các hạt nhân trong môi trường và năng lượng của chúng giảm đến năng lượng nhiệt. Sự làm chậm notron trong môi trường có và không có hấp thụ notron. để xác định thông lượng notron qua độ phóng xạ của lá dò. Đối với lá dò xác định thì các chỉ số d, λ, kh Σ là xác định và nếu biết hoạt độ phóng xạ ta có thể suy ra thông lượng notron. Vậy thông