Xá định mật độ thông lượng nơtron ở tâm á quả ầu làm hậm bằng parafin ó đường kính khá nhau

Mật độ thụng lượng nơtron được sử dụng trong tớnh toỏn lũ phản ứng, phõn tớch kớch hoạt, xỏc định liều lượng trong tớnh toỏn bảo vệ an toàn….. Thể hiện được mối liờn hệ giữa mật độ thụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH : VẬT LÝ KỸ THUẬT

XÁC ĐỊNH MẬT ĐỘ THÔNG LƯỢNG NƠTRON

Ở TÂM CÁC QUẢ CẦU LÀM CHẬM BẰNG PARAFIN

NGUYỄN TẤT THẮNG

HÀ NỘI 2006

MỞ ĐẦU

Kể từ khi phát hiện ra nơtron năm 1932, các nghiên cứu và ứng dụng của nơtron ngày càng phát triển và dần dần đã trở thành những lĩnh vực riêng như: vật lý nơtron, nhà máy điện nguyên tử… Cùng với những sự phát triển đó thì vấn đề ghi nhận và bảo vệ an toàn đối với bức xạ nơtron ngày càng được quan tâm hơn

Trong thực tế, việc xác định mật độ thông lượng nơtron là vấn đề quan trọng trong mọi nghiên cứu về trường nơtron Mật độ thông lượng nơtron được sử dụng trong tính toán lò phản ứng, phân tích kích hoạt, xác định liều lượng trong tính toán bảo vệ an toàn…

Do có điện tích bằng không nên nơtron có độ xuyên sâu mạnh và không thể ghi nhận trực tiếp theo nguyên tắc ion hóa Có hai loại đầu dò nơtron: Loại thứ nhất ghi nhận các hạt có điện tích phát ra trong các phản ứng (n,p), (n,α),… như các đầu dò chứa 10B, 6Li hay 3He Loại thứ hai ghi nhận độ phóng xạ cảm ứng của đồng vị sau khi bị chiếu bởi bức xạ nơtron Loại đầu

dò thứ hai rất tiện lợi trong việc đo thông lượng nơtron căn cứ vào độ kích hoạt của đầu dò mà không bị ảnh hưởng của bức xạ kèm theo Phương pháp γnày còn có thể áp dụng đo nơtron trong dải năng lượng rộng, thông lượng lớn, đầu dò có kích thước nhỏ nên có thể xác định thông lượng nơtron tại từng khu vực nhỏ Ngoài ra dùng nhiều loại lá dò với tiết diện kích hoạt khác nhau phụ thuộc vào năng lượng nơtron ta có thể xác định được phân bố nơtron theo năng lượng

Trên thế giới có một số loại máy đo liều lượng bức xạ nơtron dựa trên hiệu ứng làm chậm nơtron [1,3] Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế đã đưa ra quả cầu chuẩn kích thước là 30 cm để đo liều nơtron với chất làm

chậm là vật liệu tương đương tổ chức cơ thể[1,12,13] Tuy nhiên, những vật liệu và dụng cụ này thường rất đắt tiền[1,3].

Ở nước ta hiện nay, việc ứng dụng bức xạ hạt nhân nói chung và bức xạ nơtron nói riêng ngày càng phát triển Việc xác định liều lượng bức xạ nơtron ngày càng trở nên cần thiết hơn Xuất phát từ tình hình thực tế như vậy, em đã

được giao nhiệm vụ: “Xác định mật độ thông lượng nơtrôn ở tâm các quả

Nội dung đề tài luận văn tốt nghiệp của em gồm những vấn đề chính sau đây:

1 Xác định mật độ thông lượng nơtrôn tại tâm các quả cầu paraphin đường kính khác nhau

2 Thể hiện được mối liên hệ giữa mật độ thông lượng nơtron nhiệt và trên nhiệt tại tâm cầu và bán kính quả cầu, khi các quả cầu này bị chiếu xạ bề mặt như nhau

Phương pháp ghi nhận nơtron được sử dụng trong đề tài là phương pháp kích hoạt Luận văn gồm 3 chương chính và 1 phụ lục như sau:

bày tổng quan về tương tác của nơtron với vật chất, và phương trình kích hoạt nơtron

Chương 2: Xác định mật độ thông lượng nơtron bằng phương pháp kích hoạt, trình bày các bước chuẩn bị và tiến hành thực nghiệm, phương

pháp ghi nhận và xử lý phổ gamma, xử lý số liệu và đánh giá sai số sinh ra trong quá trình tiến hành thực nghiệm

Chương 3: Kết quả thực nghiệm xác định mật độ thông lượng nơtron

trong quá trình thực nghiệm, đánh giá kết quả đạt được và một số kết luận

Phần phụ lục: trình bày các điều kiện đo và phổ gamma đo được ứng với các quả cầu làm chậm có đường kính khác nhau khi dùng hai nguồn nơtron 239Pu-Be và 241Am- Be.

Trong luận văn này đã sử dụng hệ đo phổ gamma do Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) viện trợ cho Bộ môn Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường (Trường Đại học Bách Khoa Hà nội) theo dự án hợp tác kỹ thuật IAEA – TC VIE 0 010 (2003 2005).– – –

Kết quả nghiên cứu xác định mật độ thông lượng nơtrôn ở tâm các quả cầu làm chậm bằng paraphin sử dụng hai nguồn nơtron đồng vị 239Pu-Be và

241Am-Be mang những ý nghĩa thực tế nhất định:

- Tạo những cơ sở bước đầu cho việc nghiên cứu phân bố mật độ thông lượng nơtron trên chất làm chậm có hình cầu tại Bộ môn Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường, Trường Đại học Bách Khoa Hà nội

- Đề tài có thể tiếp tục được nghiên cứu mở rộng trên các vật liệu khác nhau, những nguồn nơtron khác nhau, từ đó đưa ra những liên hệ giữa phân bố liều trên bề mặt và tại những độ sâu khác nhau trong môi trường làm chậm, giúp cho việc đo liều lượng và bảo vệ an toàn bức xạ nơtron được tốt hơn

- Đề tài có thể tiến tới nghiên cứu hỗ trợ chẩn đoán và điều trị bằng bức

xạ nơtron trên những cơ quan có hình dạng cầu hoặc gần cầu

Trong quá trình học tập cũng như làm luận văn tốt nghiệp, em đã nhận được sự ủng hộ, quan tâm sâu sắc từ các thành viên trong Bộ môn Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường, Viện Vật lý Kỹ thuật, các đồng nghiệp và các bạn trong Viện Vật lý Kỹ thuật, cùng mọi người thân trong gia đình Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Phùng Văn Duân, người đã luôn hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện cho em trong suốt quá trình học tập

và làm luận văn tốt nghiệp Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô cũng như

các anh, em trong Bộ môn Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường đã có những sự chỉ dẫn, giúp đỡ quý báu trong thời gian vừa qua, xin cảm ơn anh

Lê Văn Xuân, người đã giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình làm thực nghiệm

Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng do thời gian nghiên cứu các vấn đề lý thuyết cũng như thực nghiệm còn chưa dài, nên bản luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự đóng góp của tất cả mọi người đối với nội dung trong bản luận văn

Hà nội, tháng 10 – 2006

MỤC LỤC

Mở đầu trang 1

Mục lục 5

Chương 1: Cơ sở vật lý của phương pháp kích hoạt bằng nơtron 7 1.1 Tương tác của nơtron với vật chất 7

1.1.1 Tán xạ đàn hồi 8

1.1.2 Tán xạ không đàn hồi 10

1.1.3 Sự làm chậm nơtron 11

1.1.4 Phản ứng (n,γ) 13

1.1.5 Các phản ứng hạt nhân khác 13 1.2.5.1 Phản ứng (n,p) và (n,α) 13

1.1.5.2 Phản ứng tạo ra hai hay nhiều nucleon 14 1.1.5.3 Các phản ứng phân chia hạt nhân 15

1.2 Phương pháp kích hoạt bằng nơtron 15

1.3 Dụng cụ đo liều bức xạ nơtron sử dụng hiệu ứng làm chậm 18

Chương II: Xác định mật độ thông lượng nơtron bằng phương pháp kích hoạt 20 2.1 Bố trí thí nghiệm 20

2.1.1 Giới thiệu về nguồn nơtron 20

2.1.1.1.Các đặc trưng cơ bản của nguồn nơtron 20

2.1.1.2 Các nguồn nơtron được sử dụng trong quá trình thực nghiệm 20 2.1.2 Môi trường làm chậm 23

2.1.3 Mô hình thí nghiệm 23

2.1.4 Chọn vật liệu mẫu kích hoạt 25

2.2 Các bước thực nghiệm 28

2.2.1 Kích hoạt mẫu 28

2.2.2 Đo hoạt độ phóng xạ gamma của mẫu In 30

2.2.3 Xử lý số liệu 37

2.2.3.1 Phương pháp xử lý số liệu 37

2.2.3.2.Đánh giá các nguồn sai số 41

2 2 3 3 Kết ả ử lý ố liệ 43 Chương III: Kết quả thực nghiệm xác định mật độ thông lượng nơtron tại tâm các quả cầu làm chậm bằng parafin 47 3.1 Kết quả thu được khi kích hoạt bằng nguồn Pu – Be 47

3.2 Kết quả thu được khi kích hoạt bằng nguồn Am – Be 53

3.3 So sánh kết quả đo thông lượng tương đối trên hai nguồn 59

Kết luận 61

Tài liệu tham khảo 62 Phụ lục 1 Kết quả thực nghiệm khi kích hoạt bằng nguồn Pu – Be pl1 = 64 Phụ lục 2 Kết quả thực nghiệm khi kích hoạt bằng nguồn Am – Be pl21

Bảng 2 1: Một số đặc trưng của nguồn – 239 Pu – Be sử dụng trong thí nghiệm 22 Bảng 2 2: Một số đặc trưng của nguồn – 241 Am – Be sử dụng trong thí nghiệm 22 Bảng 2 3: Đặc trưng của một số đầu dò thường dùng khi kích hoạt – 25

Bảng 2 4 : Đặc trưng của các phản ứng kích hoạt giữa bia In với nơtron.- 27

Bảng 2 – 5 Điều kiện thực nghiệm khi sử dụng nguồn nơtron Pu – Be 29 Bảng 2 6 Điều kiện thực nghiệm khi sử dụng nguồn nơtron Am – – Be 29 Bảng 2 7 Số liệu phân rã của các nguồn chuẩn năng lượng – 32 Bảng 3.1 Kết quả thực nghiệm xác định mật độ thông lượng nơtron khi sử dụng

Bảng 3.2 Kết quả thực nghiệm xác định mật độ thông lượng nơtron khi sử dụng

Bảng 3.3 Kết quả thực nghiệm xác định mật độ thông lượng nơtron khi sử dụng

Bảng 3.4 Kết quả thực nghiệm xác định mật độ thông lượng nơtron khi sử dụng

Hình 1.1: Sơ đồ tán xạ đàn hồi khi nơtron tương tác với hạt nhân 9 Hình 1.2 Sự phụ thuộc của hoạt độ phóng xạ vào thời gian kích hoạt (t b ), thời gian

Hình 1.3 Phân bố nơtrôn nhiệt theo độ sâu kể từ bề mặt của khối paraphin 19 Hình 2.1: Cấu tạo của loại nguồn ( ,n) hai lớp vỏ α 21 Hình 2.2 Phổ phân bố năng lượng nguồn nơtron 239Pu – Be 22

Hình 2.6 Bố trí vị trí nguồn nơtron và khối cầu làm chậm 28 Hình 2.7 : Sơ đồ khối của hệ đo gamma sử dụng đầu dò nháp nháy NaI (Tl) 31

Hình 2.10: Đường chuẩn năng lượng của đầu dò nhấp nháy NaI (Tl) 35 Hình 2.11a: Kết quả đo với quả cầu đường kính 15 cm ngày 18/7/2006 36 Hình 2.11b: Kết quả đo với quả cầu đường kính 15 c m ngày 12/9/2006 36 Hình 2.12 Phông môi trường đo bằng đầu dò nhấp nháy, ngày 13/12/2003 37

Hình 2 14: Diện tích đỉnh phổ được tính bằng phương pháp Covell 38 Hình 2.15: Diện tích đỉnh phổ được tính bằng phương pháp Wasson 39 Hình 3.1: Đồ thị (mật độ thông lượng × hiệu suất) của mẫu chưa bọc Cd 50 Hình 3.2: Đồ thị mật độ thông lượng nơtron tương đối của mẫu chưa bọc Cd 50 Hình 3.3: Đồ thị (mật độ thông lượng × hiệu suất) của mẫu bọc Cd 51 Hình 3.4: Đồ thị mật độ thông lượng nơtron tương đối của mẫu bọc Cd 51 Hình 3.5 : Đồ thị (mật độ thông lượng nơtron nhiệt × hiệu suất) 52

Hình 3.6: Đồ thị mật độ thông lượng nơtron nhiệt tương đối 53 Hình 3.7: Đồ thị (mật độ thông lượng × hiệu suất) của mẫu không bọc Cd 56 Hình 3.8: Đồ thị mật độ thông lượng nơtron tương đối của mẫu không bọc Cd 56 Hình 3.9: Đồ thị (mật độ thông lượng × hiệu suất) của mẫu bọc Cd 57 Hình 3.10: Đồ thị mật độ thông lượng tương đối của mẫu bọc Cd 57 Hình 3.11: Đồ thị (mật độ thông lượng nơtron nhiệt × hiệu suất) 58 Hình 3.12: Đồ thị mật độ thông lượng nơtron nhiệt tương đối 58 Hình 3.13 So sánh kết quả thu được khi dùng nguồn Pu – Be và Am Be – 59

CHƯƠNG I: CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP

KÍCH HOẠT BẰNG NƠTRON

1.1 Tương tác của nơtron với vật chất

Nơtron được phát hiện năm 1932, khi nhà vật lý người Anh là Charwich lặp lại thí nghiệm cho hạt alpha bắn phá hạt nhân Berili Phản ứng giữa hai loại hạt này tạo ra một loại hạt có độ xuyên sâu cao và được kết luận là lượng

tử gamma có năng lượng lớn Charwich đã giả thiết rằng, đây không phải là lượng tử gamma mà là một loại hạt hoàn toàn mới, không mang điện, có khối lượng gần giống khối lượng của proton Ông gọi hạt mới này là nơtron

Nơtron có một số đặc trưng như sau [4,6,8,9]:

- Nơtron được coi là trung hòa về điện

Khả năng tương tác của nơtron với hạt nhân phụ thuộc một cách phức tạp vào năng lượng nơtron và cấu trúc của từng loại hạt nhân đồng vị Khả năng tương tác này có thể khác nhau rất nhiều thậm chí đối với hạt nhân của các đồng vị khác nhau của cùng một nguyên tố, khi nơtron có động năng như nhau Để thuận tiện, người ta thường phân loại nơtron theo các nhóm có năng lượng khác nhau, tuỳ thuộc lĩnh vực nghiên cứu hoặc đặc điểm tương tác của nơtrôn với các loại đối tượng cụ thể Ranh giới giữa các nhóm chỉ có tính chất quy ước để tiện sử dụng hoặc nghiên cứu Trong vùng năng lượng của nơtron

từ 0,025eV tới 10 MeV có thể chia nơtron thành hai nhóm lớn: các nơtron

nhanh và các nơtron chậm (Ở đây, khái niệm nhanh và chậm đối với nơtron chỉ là tương đối vì thậm chí với nơtron năng lượng 0,025eV thì vận tốc của nơtron cũng khoảng 2 km/s)

Các nơtron chậm lại được xếp thành mấy nhóm nhỏ như: nơtron siêu lạnh, nơtron lạnh, nơtron nhiệt, và nơtron cộng hưởng: [9]

- Nơtron siêu lạnh là những nơtron có năng lượng En < 3.10-7eV

- Nơtron lạnh là những nơtron năng lượng từ 3.10-7 eV ÷ 0,025 eV

- Nơtron nhiệt là những nơtron có năng lượng từ 0,025 eV ÷ 0,5 eV

- Nơtron với năng lượng từ 0,5 eV ÷ 1keV được gọi là nơtron cộng hưởng

- Nhóm nơtron năng lượng trung gian có năng lượng từ 1 keV ÷ 100 keV

Các nơtron nhanh là những nơtron có năng lượng trong khoảng từ 100 keV đến 14 MeV

Các nơtron rất nhanh có năng lượng lớn hơn 14MeV

(ngoài cách phân loại trên thì người ta còn có thể chia nơtron thành các nhóm: nơtron nhiệt (En <0,5eV); nơtron trung gian (0,5eV÷0,5MeV); nơtron

nhanh (0,5MeV÷ 10MeV); nơtron rất nhanh En>10MeV)[1,6]

Khi nơtron đi vào môi trường vật chất thì tương tác của nó với môi trường chủ yếu là do lực hạt nhân gây nên Sự biến đổi năng lượng của nơtron diễn ra trong mỗi sự kiện tương tác của nó với hạt nhân nguyên tử của môi trường Khi đi qua môi trường, nơtron có thể tham gia vào các loại tương tác như: tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi, phản ứng (n, ), phản ứng tạo các γhạt có điện tích, phản ứng phân chia hạt nhân Xác suất xảy ra mỗi quá trình này phụ thuộc vào động năng của nơtrôn và loại hạt nhân đồng vị tham gia tương tác Dưới đây ta xét đặc điểm của từng quá trình trên

Quỏ trỡnh tỏn xạ đàn hồi của nơtron trong mụi trường tương tự như hiện tượng va chạm giữa hai quả cầu đàn hồi: động năng được phõn bố lại giữa cỏc hạt tương tỏc, đồng thời tổng động năng của hệ vẫn được giữ nguyờn như động năng ban đầu trong hệ tọa độ Tõm Khối lượng Sơ đồ tương tỏc như – trờn hỡnh 1.1

Trong mỗi sự kiện tán xạ đàn hồi, hạt nhân đ ợc nơtrôn truyền cho một ư

động năng có giá trị EA bằng:[1,9,11]

với En0 - động năng của nơtrôn trước khi xảy ra sự kiện tán xạ; mn - khối lượng của nơtrôn; MA - khối lượng của hạt nhân; ϕ - góc bay ra của hạt nhân

so với hướng chuyển động ban đầu của nơtrôn; A số khối của hạt nhân - Trong biểu thức (1 1) đã coi tỷ - số MA/mn= A (với sai số khoảng (0,5ữ1)%)

Tính trung bình, trong mỗi sự kiện tán xạ đàn hồi thì động năng của nơtrôn bị giảm mất một l ợng bằng: ư

(1 2) -

Động năng lớn nhất mà hạt nhân có thể thu đ ợc từ một sự kiện va chạm ư

đàn hồi với nơtrôn có giá trị bằng:[1,9,11]

n tới

ϕ

Hỡnh 1.1: Sơ đồ tỏn xạ đàn hồi khi nơtron tương tỏc với hạt nhõn

(1 3) -

Đối với nơtrôn có động năng không lớn quá 5 7 Mev, thì tán xạ đàn hồi

-có tính đối xứng cầu trong hệ toạ độ Tâm Khối l ợng Do đó xác suất tạo hạt −nhân lùi với động năng EA trong khoảng (0; EA, max) là bằng nhau, và động năng trung bình của các hạt nhân lùi thu đ ợc trong mỗi sự kiện tán xạ sẽ có −giá trị bằng:

(1 - 4) Hạt nhân càng nhẹ thì phần động năng mà nó thu đ ợc trong mỗi sự kiện −tán xạ đàn hồi của nơtrôn sẽ càng lớn Với En0 và ϕ xỏc định, năng lượng của hạt nhõn lựi sẽ lớn nhất khi nơtron tương tỏc với vật chất cú trọng lượng nguyờn tử nhỏ nhất, nghĩa là với hiđro Trong trường hợp đú, năng lượng của proton lựi Ep = En0 cos2ϕ

Đõy là cơ chế chủ yếu làm giảm năng lượng nơtron nhanh và được dựng khỏ nhiều để ghi nhận nơtron nhanh bằng cỏch ghi nhận cỏc vết của hạt nhõn lựi trong cỏc dụng cụ ghi vết Loại tỏn xạ này cũng được sử dụng để ghi cỏc hạt nhõn lựi bằng phương phỏp ion húa.[5,8]

1.1.2 Tỏn xạ khụng đàn hồi

Khi tương tỏc với hạt nhõn, cỏc nơtron nhanh cú thể bị tỏn xạ khụng đàn hồi Trong tỏn xạ khụng đàn hồi, một phần năng lượng của nơtron tiờu tốn để kớch thớch hạt nhõn:[5,7]

( )X * n'n

A

trong đú: Z nguyờn tử số của nguyờn tố.–

Tỏn xạ khụng đàn hồi là một loại tương tỏc cú ngưỡng Để xảy ra tỏn xạ khụng đàn hồi, năng lượng của nơtron phải lớn hơn năng lượng của mức kớch

của hạt nhân (giảm từ một vài MeV xuống dưới 100KeV theo chiều tăng của

số khối A) Khi hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản

Nơtron sinh ra do các phản ứng khác nhau thường có năng lượng rất lớn

so với năng lượng chuyển động nhiệt của môi trường Vì vậy, khi nơtron va chạm với các hạt nhân nguyên tử của môi trường, chúng bị mất dần năng lượng và chuyển động chậm dần Quá trình này được gọi là quá trình làm chậm và là một quá trình quan trọng trong vật lý và kỹ thuật hạt nhân

Trong môi trường hạt nhân nặng, các nơtron nhanh được làm chậm chủ yếu do va chạm không đàn hồi với hạt nhân của môi trường tới khi năng năng lượng còn khoảng 0,1 0,4 MeV Đối với hạt nhân nặng, hiệu ứng làm chậm ÷

do tán xạ đàn hồi là không đáng kể vì trong hiệu ứng này các nơtron nhanh chỉ truyền một phần nhỏ năng lượng cho hạt nhân

Trong môi trường hạt nhân nhẹ, các nơtron được làm chậm rất nhanh do

va chạm đàn hồi với các hạt nhân nguyên tử của môi trường Sau một số lần

va chạm, các nơtron nhanh truyền hầu hết năng lượng của mình và đạt tới năng lượng của nơtron nhiệt, tiếp đó nó có thể tham gia các phản ứng hạt nhân hoặc bị hấp thụ.[7]

Cần chú ý rằng sự làm chậm nơtron trong môi trường có chất hấp thụ nơtron và không có chất hấp thụ nơtron xảy ra khác nhau Khi môi trường có

chất hấp thụ nơtron thì mật độ nơtron giảm dần, nơtron trong vùng năng lượng cộng hưởng bị hấp thụ cộng hưởng có thể làm ảnh hưởng đáng kể đến hiệu ứng làm chậm.

Tóm lại, chúng ta cần chú ý tới hai điểm của sự làm chậm nơtron trong vùng năng lượng thấp và cao như sau: [8]

1 Trong trường hợp chung, nơtron có thể bị làm chậm theo cả hai cơ chế: tán xạ đàn hồi và tán xạ đàn hồi Tán xạ không đàn hồi chỉ có thể xảy ra khi động năng của nơtron lớn hơn năng lượng của mức kích thích thứ nhất của hạt nhân tán xạ Đối với hạt nhân nhẹ, mức kích thích này thường cao vài MeV trong khi năng lượng phân hạch trung bình khoảng 2MeV đối với hạt nhân nhẹ[8], do đó hiệu ứng tán xạ không đàn hồi không cần phải quan tâm Đối với hạt nhân nặng, do mức kích thích thứ nhất chỉ khoảng vài trăm KeV nên xác suất tán xạ không đàn hồi là rất lớn Tuy nhiên, hiệu ứng này cũng chỉ đóng vai trò chủ yếu trong một vài

va chạm đầu tiên, đến khi năng lượng của nơtron không còn đủ để kích thích hạt nhân, quá trình tán xạ đàn hồi sẽ thay thế tán xạ không đàn hồi

2 Khi năng lượng của nơtron giảm xuống chỉ còn bằng năng lượng của liên kết hóa học trong nguyên tử (cỡ 1eV) thì tốc độ làm chậm và phân

bố góc tán xạ thay đổi Nguyên nhân chủ yếu của hiện tượng này chủ yếu

là do sự tăng khối lượng hiệu dụng của hạt nhân va chạm với nơtron.Đối với nguyên tử hiđro, mặc dù năng lượng liên kết của nguyên tử hiđro trong phân tử xấp xỉ 1eV (ví dụ nước), việc tách hiđro ra khỏi phân

tử không thể xảy ra với nơtron có động năng 1eV, mà chỉ có thể tăng mức dao động của hiđro trong phân tử Với năng lượng En < 1eV, nơtron tán xạ đàn hồi trên phân tử chứa hiđro giống như hạt nhân nặng Như vậy, độ hụt khối của nơtron và proton là gấp đôi Điều này dẫn đến sự thay đổi tiết diện tán xạ, nghĩa là tổn hao năng lượng do va chạm và góc

tán xạ thay đổi.

Ngoài liên kết hóa học, chuyển động nhiệt của các nguyên tử chất làm chậm cũng ảnh hưởng tới quá trình làm chậm của nơtron có năng lượng dưới 1eV Quá trình làm chậm của các nơtron này được gọi là sự nhiệt hóa Đặc trưng chính của quá trình nhiệt hóa là sự suy giảm tốc độ làm chậm Cuối cùng dẫn đến sự cân bằng nhiệt giữa nơtron và nguyên tử chất làm chậm

1.1.5 Các phản ứng hạt nhân khác:

Ngoài khả năng gây ra phản ứng (n,γ), các nơtron có thể gây ra các phản ứng (n,p), (n,d), (n,α), (n,αp)… hoặc các phản ứng phân chia hạt nhân Trong các phản ứng này, một số xảy ra với nơtron có năng lượng bất kỳ, một số là những phản ứng có ngưỡng

1.2.5.1 Phản ứng (n,p) và (n,α)

Những phản ứng (n,p) và (n, ) thường là các phản ứng có ngưỡng: α[5,7,8,9]

nX

pYn

X

A Z

A Z

A Z

A Z

4 2

3 2

1 0

1

1 0

+

→+

+

→+

−

−

−

(1 - 9)Các hạt p hoặc α là những hạt có khả năng ion hóa rất cao, có thể ghi nhận trực tiếp nên các phản ứng này thường được sử dụng để ghi nhận nơtron Bên cạnh đó, năng lượng của các hạt p và α liên quan tới năng lượng của nơtron tới, năng lượng của phản ứng và góc bay ra của chúng nên các phản ứng này còn được sử dụng để xác định năng lượng nơtron

Trong các hạt nhân nhẹ thì 3He, 6Li, và 10B là loại hạt nhân đặc biệt Chúng có thể tham gia vào các phản ứng với nơtron nhiệt như:[8]

10

5 + → + σp/ứ = 4000 barn (1 – 10c)Các phản ứng (n,p) và (n, ) cũng có thể xảy ra đối với các hạt nhân nặng αnhưng với xác suất nhỏ hơn nhiều và thường là các phản ứng thu năng lượng Các phản ứng trên có thể tạo nên các đồng vị phóng xạ Căn cứ vào độ phóng

xạ của đồng vị tạo thành, có thể đánh giá đươc mật độ thông lượng nơtron và đôi khi cả năng lượng của nơtron nếu biết tiết diện của phản ứng

1.1.5.2 Phản ứng tạo ra hai hay nhiều nuclôn

Khi nơtron có động năng Tn > 10 MeV tương tác với vật chất, có thể xảy

ra các phản ứng thuộc loại (n,2n), (n,np), (n,3n)… [8] Các phản ứng này thường được sử dụng để ghi nhận nơtron nhanh Các phản ứng này thường tạo

ra các đồng vị phóng xạ, và dựa vào độ phóng xạ của các đồng vị này có thể xác định được mật độ thông lượng của nơtron

Một trường hợp ngoại lệ đó là phản ứng (n,2n) trên hạt nhân Berili (ngưỡng phản ứng 2MeV):[8]

9Be+n →24He+2n

1.1.5.3 Các phản ứng phân chia hạt nhân (phản ứng (n,f))

Khi hấp thụ nơtron một số hạt nhân nặng (như 90Th, 91Pa, 92U và các nguyên tố nặng hơn uran) có khả năng phân chia thành hai hạt nhân nhẹ hơn

có tỷ số khối lượng 2:3 Mỗi quá trình phân chia hạt nhân có thể làm bắn ra ≈một số nơtron tức thời và một số nơtron trễ cùng các bức xạ α β γ, , được phát

ra bởi các mảnh vỡ hạt nhân[6,8,9,11] Các mảnh vỡ hạt nhân là những hạt có điện tích mang động năng lớn, khi chuyển động trong môi trường chúng gây hiệu ứng ion hóa mạnh Vì vậy phản ứng phân chia hạt nhân là một trong những phản ứng thuận tiện để ghi nhận nơtron

Trên đây đã trình bày một cách ngắn gọn sự tương tác của nơtron với vật chất Nhìn chung ta thấy rằng khi tương tác với vật chất nơtron có thể gây

ra tán xạ đàn hồi và không đàn hồi, bị hấp thụ và gây ra các phản ứng hạt nhân Cụ thể,trong đồ án này sử dụng phản ứng 115In (n,γ)116In

1.2 Xác định mật độ thông lượng bằng phương pháp kích hoạt dùng nơtron

Phản ứng kích hoạt là phản ứng biến hạt nhân bền thành hạt nhân phóng

trong đó: X là hạt nhân tham gia phản ứng kích hoạt,

Y là hạt nhân phóng xạ được tạo thành sau phản ứng,

a là loại bức xạ được sinh ra trong phản ứng

Phản ứng bắt nơtron kèm phát lượng tử gamma (n, ) xảy ra tương đối γphổ biến và thường được sử dụng để ghi nhận nơtron:

X 01n A1X*

Z

A Z

liên kết của nơtron (Eb) và động năng (Ek) của nơtron tới:

E* = Eb + Ek

Hạt nhân hợp phần có thể khử kích thích bằng cách phát ra một hoặc vài lượng tử gamma tức thời để trở về trạng thái bền vững hơn Tuy nhiên trong nhiều trường hợp nó trở thành hạt nhân phóng xạ, phân rã beta và phát ra các lượng tử gamma (còn gọi là gamma trễ) với chu kỳ bán rã xác định.[2]

Xét về nguyên lý và điều kiện kỹ thuật thì các lượng tử gamma tức thời

và gamma trễ đều có thể sử dụng để đo đạc Lượng tử gamma trễ được đo sau khi đã ngừng kích hoạt và gọi là kích hoạt gamma trễ hay phương pháp kích hoạt phóng xạ Trong thực tế phương pháp này hay được sử dụng hơn phương pháp đo gamma tức thời Dựa trên kết quả đo thời gian rã nửa, năng lượng và cường độ của bức xạ gamma phát ra từ các sản phẩm kích hoạt, ta có thể xác định được thông lượng nơtron hay nhận diện và xác định hàm lượng nguyên

tố Xác suất bắt nơtron rất lớn đối với nơtron trong vùng năng lượng từ 0 đến khoảng 0,5MeV, vì vậy thường được sử dụng để ghi nhận nơtron trong vùng năng lượng này

Trong khi kích hoạt đồng thời diễn ra hai quá trình sau đây:

a) Sự tạo thành các hạt nhân phóng xạ từ những hạt nhân bền

b) Sự phân rã của các hạt nhân phóng xạ mới tạo thành

Nếu gọi N0 là tổng số hạt nhân bia trong mẫu (rất lớn để có thể coi là không đổi trong suốt quá trình kích hoạt), φ là mật độ thông lượng bức xạ nơtron, là tiết diện của phản ứng hạt nhân, là hằng số phân rã của các hạt σ λnhân phóng xạ mới được tạo thành do kích hoạt, và N(t) là số hạt nhân phóng

xạ tại thời điểm t thì có thể thiết lập được phương trình kích hoạt cơ bản sau đây:[2]

( ) N0 N ( t )

dt

t dN

λ

φσ −

ở đây được tính bằng (n/cmφ 2.s), σ có đơn vị là barn (1barn = 10-24cm2) và

λ (T1/2 là chu kỳ rã nửa) có thứ nguyên là (1/giây)

Giải phương trình (1 13) với điều kiện ban đ- ầu là nếu t=0 thì N(t=0) = 0

sẽ thu được nghiệm:

()1

()

,()

,,

2 1

t

t

t t

t k

td – thời gian đợi từ lúc ngừng kích hoạt tới lúc bắt đầu đo (td = t1 – tk)

t1 – thời điểm bắt đầu đo, t2 – thời điểm ngừng đo

tm – thời gian đo (tm = t2 – t1)

Tổng số xung phóng xạ đo được luôn nhỏ hơn số hạt nhân phóng xạ đã phân rã vì hiệu suất ghi bức xạ của đầu dò εđ < 1 Ngoài ra còn có một số lượng tử gamma bị hấp thụ ngay ở trong mẫu (tự hấp thụ), một phần số đếm

bị mất do hiệu ứng thời gian chết, hiệu ứng cộng đỉnh, hiệu ứng chồng chập xung,… Do đó tỷ lệ giữa số xung đo được và số sự kiện phân rã, f < 1 Tổng

số xung ghi nhận được trong thực tế có giá trị bằng:

ee

NfIdtttA

fItttCt

tt

S

t

t

t t

t k

k k

m d

1(

.)

),((

)

,,(),,

1

γ λ

λ λ γ

γ

ε λ

φσ ε

với: Iγ- cường độ tương đối của vạch bức xạ gamma cần đo (Iγ ≤1),

ε= (εΩ.εđ) - hiệu suất toàn phần của hệ đo (εΩ- hiệu suất hình học đo)

Từ công thức (1 18) ta có thể tính được một trong những đại lượng cần – quan tâm như: số nguyên tử trong mẫu, mật độ thông lượng nơtron hay tiết diện phản ứng nếu biết được giá trị các đại lượng còn lại

Mật độ thông lượng nơtron được xác định như sau:

f I e

e e N

t t t S

m d

k t t t

k

).

1 ( ) 1

(

) , , ( 0

2 1

γ λ λ

Sự phụ thuộc của hoạt độ phóng xạ vào thời gian kích hoạt, thời gian đợi

và thời gian đo được biểu diễn trên hình (1.2), ở đó diện tích S tương ứng với

số xung đo được trong thời gian tm

1.3 Dụng cụ đo liều bức xạ nơtron sử dụng hiệu ứng làm chậm

Nếu cho một chùm nơtrôn chiếu thẳng góc với bề mặt của một khối chất làm chậm (ví dụ: paraphin), sao cho liều trên bề mặt của khối này không đổi,

Hình 1.2 Sự phụ thuộc của hoạt độ phóng xạ vào thời gian kích hoạt (t b ), thờ i

gian phân rã (t d ) và thời gian đo (tm)

thì người ta thấy rằng ở độ sâu khoảng 15 cm kể từ bề mặt khối chất, mật độ nơtrôn nhiệt có giá trị không đổi và hầu như không phụ thuộc vào năng lượng của nơtrôn tới (xem hình 1.3) [1] Điều này cho phép thiết kế các dụng cụ đo liều nơtrôn dựa trên hiệu ứng làm chậm nơtrôn trong môi trường chứa nhiều hyđrô Về nguyên tắc, dụng cụ đo liều nơtrôn loại này gồm hai bộ phận cơ bản là khối chất làm chậm và đầu dò nơtrôn nhiệt.

Hình 1.3 Phân bố nơtrôn nhiệt theo độ sâu kể từ bề mặt của khối paraphin

Thiết bị đo liều nơtron dựa trên hiệu ứng làm chậm thường được sử dụng để đánh giá liều nơtron trong môi trường Dạng hình học và kích thước của khối làm chậm được chọn sao cho đáp ứng được việc đo liều, tuy nhiên thường không quá lớn để có thể xách tay Đầu dò nơtrôn nhiệt được đặt vào chính giữa vùng này.[3,13,14]

Thông thường, khối chất làm chậm được làm ở dạng cầu và đầu dò nơtrôn nhiệt được đặt vào tâm của khối cầu đó Dụng cụ đo liều loại này đáp ứng được việc đo liều tương đương của nơtrôn trong một khoảng năng lượng rộng, bao trùm cả vùng phổ phân chia hạt nhân của nơtrôn.[1][3]

Luận văn này nghiên cứu phân bố nơtron nhiệt và trên nhiệt tại tâm các khối cầu làm chậm bằng parafin có đường kính khác nhau nhưng được chiếu

xạ với liều nơtron trên một vùng của bề mặt cầu là như nhau

Năng lượng chùm nơtron tới:

độ kích hoạt của mẫu

Nội dung chương gồm những phần như sau:

1) Bố trí và chuẩn bị thí nghiệm

2) Tiến hành thí nghiệm và xử lý các kết quả đo được

2.1 Bố trí thí nghiệm

2.1.1 Giới thiệu về nguồn nơtron

2.1.1.1.Các đặc trưng cơ ả b n c a ngu ủ ồ n n tron ơ

Để s d ử ụng nguồn nơtron một cách hữu hiệu, ta cần biết những đặc trư ng c b n c a ơ ả ủ nguồn Đối v i các ngu ớ ồn nơtron, các đặ c tr ng c ư ơ ả b n là su ấ t l ượ ng n ơtron củ a ngu n, n ng ồ ă

l ượng củ a n tron v b ơ à ức xạ gamma kèm theo

• Suấ t lượng n tron c a ngu n: ơ ủ ồ

Theo định nghĩa suất l ượ ng n ơtron của nguồn là ố ổng số ơ s t n tron được phát ra trong 1 giây Đây là đặ c tr ư ng quan tr ng nhấ ọ t.

• N ăng lượng củ a n tron: ơ

N ăng l ượ ng c ủa nơtron phụ thuộc vào năng l ượ ng c ủa phả ứng và động năng của hạt n

t ới cũ ng nh ư khối ượng củ l a h ạt nhân sả n ph ẩm.

• B ức xạ gamma kèm theo:

Các ngu n n tron thông th ồ ơ ường cũng là nguồn gamma mạ nh, đượ c phát kèm trong các

ph n ả ứng hạ t nhân

2.1.1.2 Các ngu ồ n n tron được sử ụ ơ d ng trong quá trình th ự c nghi ệm

Ngu ồ n n tron được dùng trong luận văn n ơ à y là ngu ồ n n tron đồng vị: ơ 239 Pu-α- Be và nguồn 241 Am-α- Be do Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế ài trợ t Đây là hai nguồn

n ơtron dựa trên phả ứng ( n α,n) Các nguồn nơtron loại (α,n) th ường được chế ạ t o b ng cách ằ

tr ộn chấ đồng v t ị phóng x alpha v ạ ớ i cá c nguyên tố nh dưới dạ ẹ ng b t nh Berili, Bo, Litri ộ ư hay Flo (trong đó thườ ng hay được sử ụ d ng nh t là Berili) Khi tương tác v i b c x ấ ớ ứ ạα, 9 Be thường cho nơ tron theo các ph n ng: ả ứ

+ +

n C C

Be

α

α α

3

*

12 13

Các đồng vị phóng xạ alpha thường là 226 Ra, 210 Po, 239 Pu, 241 Am Cấ u t o chung c a loại ạ ủ nguồn này được mô tả nh hình (2.1): ư

Nhìn chung các ngu n ( ồ α,n) có ph ổ ơ n tron khôn alpha gây ra

ph n ả ứng có năng lượng khác nhau (đồng vị phát ra hạt alpha có nă ng lượng t 4,5 ừ ÷ 5MeV, chúng lại b ị m ấ t n ng l ă ượng do tươ ng tác v i l ớ ớp vậ t ch t tr ấ ướ c khi tham gia v à o phả ứ n ng

t ạo nơ tron) N ăng lượng nơtron do phả ứng tạ n o ra n m trong m ằ ột dả i khá r ộng từ ài eV đến v 13MeV N ăng lượng nơ tron trung bình kho ng 4 ả ÷ 5MeV

Các đặc điểm của nguồn:

• Nguồn 239Pu- - α Be:

+ Kích thước nguồn: Nguồn hình trụ, đường kính ngoài φ = 35mm, chiều cao h = 40mm Phổ năng lượng của nguồn được cho trên hình (2.2).[5]

+ Đặc trưng cơ bản của nguồn được cho trong bảng (2 – 1)

B ng 2 – ả 1: Một số đặc trư ng c ủ a nguồ n 239 Pu – Be sử ụ d ng trong thí nghi m ệ

(MeV)

n E

(MeV)

max n E

(MeV)

Hiệu suất nguồn

Suất lượng (n/s)

9 Be(α,n) 12 C 24400 5,14 4,5 10,74 2,5.10 4 n/1g Pu 1.10 7

• Nguồn 241Am- - α Be:

+ Kích thước nguồn: Nguồn hình trụ, đường kính ngoài φ = 30mm, chiều cao h = 60mm Phổ năng lượng của nguồn được cho trên hình (2.3).[7]

- Đặc trưng cơ bản của nguồn như trên bảng (2 – 2):

Bảng 2 2: Một số đặc trưng của nguồn – 241Am – Be sử dụng trong thí nghiệm

Hình 2.3.Phổ năng lượng nơtron nguồn Năng lượng (MeV) 241Am- Be (nguồn Lorch )[7]

Hình 2.2 Phổ phân bố năng lượng nguồn nơtron 239Pu – Be [5].

E (Kev)

max n E (MeV)

Suất lượng Suất lượng

(n/s)

Gamma kèm theo

9 Be(α,n) 12 C 432 5,5 60 13,1 2,2.10 6 n/ 1Ci 1.10 7 5 Ci

2.1.2 Môi trường làm chậm

Parafin không lẫn tạp chất được đun nóng chảy đúc thành những cặp bán cầu có đường kính từ 4cm đến 30cm và được ghép lại thành khối cầu (hình 2.4)

Trong quá trình tạo mẫu, parafin được rót từ từ vào khuôn theo từng lớp mỏng để tránh bọt khí, đảm bảo môi trường có tính đồng nhất

Một số thông số của môi trường: parafin có mật độ ρ = 0,89 g/cm3; độ giảm năng lượng trung bình trên một va chạm (tính theo thang loga) ξ = 0,913; tham số tán xạ Dth = 1,1mm; độ dài tán xạ L = 21mm[3]

2.1.3 Bố trí thí nghiệm

Mô hình thí nghiệm kích hoạt được thể hiện trên hình 2.5

Hình 2.4 Mô hình môi trường làm chậm.

- Giá đỡ khối cầu làm chậm là một tấm phẳng làm bằng vật liệu nhôm đặt trên một ống nhựa (- CH2 – CHCl - )n , các chi tiết khác được làm bằng sắt với tiết diện hấp thụ:[10,12]

- Nguồn nơtron được treo giữa không gian của một phòng rộng, cách xa trần nhà, tường và sàn nhà cũng như các vật liệu che chắn khác để tránh tán

xạ, cụ thể trong thí nghiệm này nguồn cách bức tường gần nhất là 1,2m; cách trần 1,5m; cách mặt sàn là 1,2m; cách các đồ vật gần nhất là 2,0m Xung

Hình 2.5 Mô hình kích hoạt nơtron:

1- Khối cầu chứa mẫu

quanh tường bố trớ một lớp bảo vệ bằng chất dẻo polyme dày 10cm, đảm bảo

an toàn mà khụng gõy khú khăn cho thớ nghiệm

2.1.4 Chọn vật liệu mẫu kớch hoạt

Việc chọn vật liệu làm mẫu kớch hoạt phải xột đến một loạt yếu tố như: tiết diện kớch hoạt, chu kỳ ró nửa, thành phần đồng vị, tớnh bền cơ học của vật liệu…, ngoài ra cũn phải biết chớnh xỏc và đầy đủ sơ đồ phõn ró của đồng vị phúng xạ được hỡnh thành sau khi kớch hoạt mẫu trong mụi trường nơtron.Bảng (2 3) trỡnh bày đặc trưng của một số đồng vị thường được sử – dụng làm đầu dũ kớch hoạt đối với nơtron nhiệt và nơtron trung gian[1,10]

–

Bảng (2 3) Đặc trưng của một số đầu dũ thường dựng khi kớch hoạt

σ0 , barn

Tích phân cộng

h ởng, −

barn

Năng

l ợng − của đỉnh cộng

h ởng, − eV

Ký hiệu của

đồng vị

Chu kỳ rã nửa

Năng l−ợng cực

đại của hạt Bêta, MeV

Năng l−ợng của

l ợng tử (và −

c ờng độ của − vạch phổ) MeV (%)

0,498 0,113 (6,4%)

0,208(11,0%)

113 In 4,23 2,0 0,6 ± 114 In 72 s 1,299 (0,17%) 115

In 95,71 73 8 (m ± 1)

54,4min;

88 8 (m± 2) 2,16 s;

44±2(g) 14,1

s

2650 (m1+m2)

và

650 (g)

1,45 116m

In 54,41 min

249,8 ngµy (4,7 barn)

2,893 (94,9%) - 0,53 (30,5%)

0,685 (4,5%) - 0,658 (94,0%) 0,707 (16,3%) 0,764 (22,1%) 0,885 (72,2%) 0,937 (34,1%) 1,384 (24,1%) 1,505 (13,0%) 238

U 99,274 2,75 277 6,70 239U 23,45

min

1,264 0,0435 (4,1%)

0,0747 (48,1%) 186

W 28,43 37 2 ± 485 15± 18,8 187W 23,72 h 1,33 0,133

0,480 0,690 232

Th 100 7,26 0,07 ± 85 3 ± 24 233Th 22,3

min

1,244 0,0865 (2,7%)

0,459 (1,4%) 59

Cu 69,17 4,28 0,20 4,97 ± ±0,08 580 64Cu 12,70 h β +

0,65 (17,4%)

(n.f)= 752±3 (n.f)= 301±

10

0,305 (4,3%) 0,537 (24,4%) 23

12,0 0,5 ± 5000 46

Sc 83,79 ngµy

0,357 0,889 (100%)

1,121 (100%)

Tại Bộ môn Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường, trường Đại học Bách Khoa Hà nội có một số loại vật liệu có thể làm mẫu kích hoạt như vàng (Au), bạc (Ag) và Indi (In)

Vàng là loại đầu dò có nhiều ưu điểm Trong tự nhiên chỉ tồn tại duy nhất đồng vị 197Au, nó có tiết diện kích hoạt lớn Ngoài ra, nó có sơ đồ phân

rã đơn giản, chỉ phát chủ yếu vạch bức xạ gamma có năng lượng Eγ = 412 KeV (95,6%), các vạch khác có cường độ rất nhỏ Tuy nhiên khi kích hoạt,

197Au trở thành 198Au có chu kỳ rã nửa T1/2 ≈ 2,7 ngày là khá lớn Vì vậy muốn kích hoạt để đạt được độ phóng xạ cảm ứng cao hoặc chờ mẫu đã kích hoạt giảm đáng kể độ phóng xạ của nó đều phải cần một thời gian khá lâu Do điều kiện thời gian không cho phép nên trong thí nghiệm này không dùng đầu

dò bằng vàng

Bạc khi kích hoạt cho những đồng vị có chu kỳ rã nửa hoặc quá ngắn hoặc quá lâu (bảng 2 - 3) nên cũng không phù hợp để làm đầu dò trong trường hợp này

Trong thí nghiệm này vật liệu kích hoạt được chọn là lá In do vật liệu dễ gia công tạo hình dạng thuận tiện cho thí nghiệm và tính toán, có ít thành phần đồng vị, có chu kỳ rã nửa thích hợp và tiết diện kích hoạt lớn Những tính chất của In kích hoạt được cho trong bảng (2 – 4)

Bảng 2 4 : Đặc trưng của các phản ứng kích hoạt giữa hạt nhân bia In với nơtron -

Phản ứng hạt

nhân

Độ phổ cập đồng vị θ (%)

Chu kỳ bán

rã T 1/2

Năng lượng của lượng tử và cường

độ của vạch phổ gamma (MeV(%))

115In(n,γ )116mIn

95,71 54,41 phút

0,417(27,7%) 1,097(66,2%) 1,294(84,4%) 1,507 (10,0%) 2,112 (15,5%)

115In(n,n’)115mIn 95,71 4,486 phút 0, 337(100%)

113In(n,γ)114In 4,23 72 giây 1,299(0,17%)

Mẫu kích hoạt có độ tinh khiết cao do Liên xô (cũ) chế tạo, được cắt thành những lá tròn có đường kính φφφφφ = 10mm, độ dày d = 170 µµµµµm, khối lượng các lá mẫu là: m = 0,087 ±±±±± 0,001 (g)

2.2 Các bước thực nghiệm

2.2.1 Kích hoạt mẫu

Lần lượt dùng nguồn (Am-Be) và (Pu-Be) kích hoạt các lá In đặt ở tâm khối cầu parafin Các mẫu In không bọc Cd, hoặc có bọc Cd lần lượt được đặt vào tâm của các khối cầu làm bằng parafin có đường kính từ 4 cm đến 30 cm Khi kích hoạt, nguồn được đặt đối diện lá mẫu và cách bề mặt các khối cầu một khoảng cố định bằng 10 cm (hình 2.6)

Thời gian kích hoạt cho một mẫu để hoạt độ kích hoạt đủ lớn được trình bày chi tiết trong bảng (2 – 5) và (2 – 6) Sau khi kích hoạt, đợi mẫu từ 2 đến

Khối parafin làm chậm

Mẫu kích hoạt Nguồn nơtron

10cm Hình 2.6 Bố trí vị trí nguồn nơtron và khối cầu làm chậm.

gian đo mẫu được đặt để có thống kê đủ lớn (bảng 2 – 5 và 2 6) -

Bảng 2 5 Điều kiện thực nghiệm khi sử dụng nguồn nơtron Pu – – B e

Thời gian đo (giây)

Đường kính khốicầu làm chậm (cm)

Thời gian kích hoạt (phút)

Thời gian đợi (phút)

Thời gian đo (giây)

Không bọc Cd Bọc CdĐường

Thời gian đo (giây)

Đường kính khốicầu làm chậm (cm)

Thời gian kíchhoạt (phút)

Thời gian đợi (phút)

Thời gian đo (giây)

2.2.2 Đo hoạt độ phóng xạ gamma của mẫu In

Độ phóng xạ cảm ứng của mẫu In được xác định bằng hệ đo phổ sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) Sơ đồ khối của hệ đo trên hình (2.7)

Hệ đo phổ gồm các bộ phận sau:

- Đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) CANBERRA, model 802 2x có các thông số kỹ thuật quan trọng như sau: Kích thước 2’x2’, độ phân giải năng lượng là 7,5% ở đỉnh 661,8 KeV của 137Cs, ống nhân quang Model 2007, khuếch đại model 2007P Điện thế làm việc của đầu dò được đặt ở 1000Vôn

Trạm đo Inspector 2000 do hãng CANBERRA của Mỹ sản xuất bao gồm các khối chức năng như: khuếch đại, ADC, phân liệt, lọc nhiễu…, và khối cao áp cung cấp điện thế một chiều ổn định cho đầu dò Trạm đo có thể làm việc trong điều kiện nguồn điện là xoay chiều (điện lưới) hay một chiều (nguồn pin sử dụng được 10 giờ khi được nạp đầy) Trạm đo cũng có thể làm việc với đầu dò nhấp nháy hay đầu dò bán dẫn tùy theo điều kiện do người sử dụng thiết lập (sử dụng phần mềm điều khiển và thay đổi khoảng cung cấp điện áp trong mạch điện tử) Inspector bao gồm cả bộ phận lọc nhiễu và điều chỉnh hiệu ứng chồng chập xung tự động

- Máy tính điều khiển hệ đo sử dụng phần mềm đo phổGenie 2000, chương trình này có thể tự động ghi nhận, xử lý phổ, tính diện tích đỉnh, năng lượng, độ phân giải, sai số làm khớp của từng đỉnh, chuẩn năng lượng, chuẩn hiệu suất, theo các hàm toán học Trong chương trình cũng bao gồm tính toán hiệu chỉnh thời gian chết của hệ đo, hiển thị thời gian đo thực và sai số

-do thời gian chết gây ra

4

In

Hình 2.7 : Sơ đồ khối của hệ đo gamma sử dụng đầu dò nháp nháy NaI (Tl)

1 – Tinh thể nhấp nháy NaI(Tl)

2 - Ống nhân quang điện

3 – Trạm đo INSPECTOR2000

4 – Máy tính để điều khiển hệ đo.

- Trong thí nghiệm, đầu

dò được đặt áp sát đĩa đựng mẫu

In nhằm đảm bảo góc khối 2π, đĩa

được cố định bằng hệ gá mẫu như

trên hình (2.8)

Hệ phổ kế gamma trước khi

tiến hành đo đã được chuẩn năng

lượng, xác định đường chuẩn hiệu

suất, và kiểm tra độ phân giải bằng

các nguồn chuẩn 137Cs (661,7KeV), 60Co (1332,5 KeV và 1173,2KeV), 152Eu (1408,1KeV), 133Ba (356KeV) và 40K (1460,8 KeV) Số liệu phân rã và kết quả đo phổ của các nguồn trên được trình bày trong bảng (2 - 7) và hình (2.9a,b,c,d)

B ng 2 – ả 7 Số liệ u phân rã c ủ a các nguồ n chu ẩ n nă ng l ượ ng.

Nguồn phóng xạ Loại phân rã Năng lượng (KeV) Kênh đỉnh Tỷ số phân nhánh Chu kỳ rã nửa T 1/2

Hình 2.8: Bố trí hình học đo mẫu kích hoạt.

1 Ống nhân quang điện; 2 Tinh thể nhấp nháy

3 Khe gá mẫu; 4 Buồng chì bảo vệ

1

2

3

4

Hình 2.9a: Kết quả đo phổ với nguồn 133Ba Kênh

356,0 KeV

Hình 2.9b: Kết quả đo phổ với nguồn 137Cs Kênh

661,7 KeV

Tán xạ

ngược

Chương trình Genie 2000 xác định biểu thức của đường chuẩn năng – lượng có dạng:

E = Co +C1x + C2x2 + C3x3 (2 2)-

trong đó: Co, C1, C2 và C3 là các hệ số cần xác định dựa trên số liệu đầu vào

Co biểu thị năng lượng ban đầu, C1 là hệ số góc của đường chuẩn năng lượng (tuyến tính), C2 và C3 là các hệ số tính đến độ không tuyến tính của hệ thống

Hình 2.9d: Kết quả đo phổ với nguồn 60Co Kênh

1173,2 KeV 1332,5 KeV Hình 2.9c: Kết quả đo phổ với nguồn 152 Eu Kênh

1408,1 KeV

1408,1 KeV 1408,1 KeV

1408,1 KeV

1408,1 KeV

KeV

KeV

lượng các giá trị đưa vào để tính toán đường chuẩn (phải đưa vào ít nhất giá trị của 3 đỉnh năng lượng mới tính được hệ số C2 và C3) Từ số lượng các giá trị này, độ không tuyến tính của đường biểu diễn năng (lượng kênh) sẽ được – chuyển thành tuyến tính theo phương pháp bình phương tối thiểu Tính toán trên phần mềm đo phổ Genie 2000 cho kết quả hàm chuẩn năng lượng sau:-

Do quá trình thực nghiệm đựơc tiến hành liên tục trong nhiều ngày nên

độ ổn định của hệ đo cũng là một vấn đề được chú ý trong suốt quá trình thực nghiệm Hình (2.11a) và (2.11b) dưới đây cho thấy kết quả kiểm tra độ trôi của đỉnh phổ chỉ vài kênh Độ không ổn định này so với độ phân giải năng lượng của hệ đo phổ sử dụng đầu dò nhấp nháy là không đáng kể Ta cũng có

thể nhận thấy: đỉnh năng lượng 337 KeV do phản ứng (n,n’) của nơtron nhanh không thấy xuất hiện.

Trên hình 2.11a và 2.11b xuất hiện đỉnh lạ bên cạnh đỉnh 417KeV của

116mIn Đỉnh năng lượng có giá trị khoảng 480KeV xuất hiện trong tất cả các phép đo mà chưa giải thích được Đỉnh này cũng xuất hiện trong một số phép

833

417 KeV

819 KeV 1097 KeV 1294

KeV

Hình 2.11b: Kết quả đo với quả cầu đường kính 15 cm ngày 12/9/2006

Hình 2.11a: Kết quả đo với quả cầu đường kính 15 cm ngày 18/7/2006

841

417 KeV

819 KeV 1097 KeV 1294 KeV

đo phông môi trường bằng những hệ đo phổ gamma khác đã được thực hiện trước đây Một ví dụ được trình bày trên hình 2.12.

Việc phát hiện đỉnh năng lượng gamma này cần phải được kiểm tra lại để

có thể xác định chính xác nguồn gốc xuất xứ của đỉnh này

2.2.3 Xử lý số liệu thực nghiệm

2.2.3.1 Phương pháp xử lý số liệu

Hoạt độ phóng xạ được xác định dựa vào diện tích (S) của các đỉnh phổ

Độ chính xác của việc xác định diện tích đỉnh phổ ảnh hưởng đến kết quả thu được về mật độ thông lượng nơtron tại tâm các quả cầu parafin Các phương pháp xác định diện tích đỉnh phổ là phương pháp số và phương pháp làm khớp phổ Sau đây ta xét cụ thể từng phương pháp

* Phương pháp số:[2]

Phương pháp tính tổng số xung thuộc một đỉnh và trừ nền nhiễu Phương pháp này bao gồm các phương pháp chính như phương pháp tính diện tích đỉnh toàn phần (TPA), phương pháp Wasson, phương pháp Covell

- Nội dung của phương pháp TPA như sau:

Diện tích của đỉnh phổ được tính bằng diện tích toàn đỉnh trừ đi diện tích đáy có dạng hình thang được vẽ trên hình (2.13):

1,46 MeV

480 KeV

2,5 MeV

Hình 2.12 Phông môi trường đo bằng đầu dò nhấp nháy, ngày 13/12/2003

Diện tích đỉnh phổ được xác định cụ thể theo công thức (2 - 3):[2]

2

1 ) 1 )(

l i

i (2 3)- trong đó:

ai - số đếm trên kênh thứ i

l,r - kênh giới hạn ở bên trái và bên phải của đỉnh phổ

Phương pháp này cho ta số đếm lớn đối với đỉnh đã chọn Tuy nhiên, phương pháp cho sai số lớn khi xác định giới hạn của đỉnh đã chọn, nó thêm vào một phần số đếm tổng cộng

Để giảm bớt sai số do phương pháp tính diện tích đỉnh toàn phần gây ra, Covell đã cải tiến phương pháp tính diện tích đỉnh phổ như sau:

Diện tích của đỉnh phổ được tính bằng diện tích của (2n+1) kênh (lấy đều

về hai phía kênh trung tâm n kênh) trừ đi diện tích đáy có dạng hình thang của (2n +1) kênh nói trên (hình 2.14):

Số đếm

a i

i

Số đếm

a i

i Hình 2.13: Diện tích đỉnh phổ được tính bằng phương pháp TPA