kỹ thuật đo nơtron truyền qua trong nghiên cứu số liệu hạt nhân và ứng dụng

Trong vùng năng lượng nơtron từ vài chục đến vài trăm keV số liệu về tiết diện nơtron toàn phần là rất quan trọng đối với việc tính toán và thiết kế lò phản ứng hạt nhân, đặc biệt là các

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

_

TRẦN TUẤN ANH

KỸ THUẬT ĐO NƠTRON TRUYỀN QUA TRONG

NGHIÊN CỨU SỐ LIỆU HẠT NHÂN VÀ ỨNG DỤNG

CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU SINH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS TS VƯƠNG HỮU TẤN

2 TS PHẠM ĐÌNH KHANG

ĐÀ LẠT – 2012

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG 1 3

TỔNG QUAN 3

1.1 Đo tiết diện nơtron toàn phần bằng phương pháp đo nơtron truyền qua 3

1.2 Hình học và sai số của thí nghiệm 4

CHƯƠNG 2 6

HỆ ĐO NƠTRON TOÀN PHẦN 6

2.1 Cấu trúc và các thành phần của hệ đo nơtron 6

2.2 Cấu tạo và đặc trưng của ống đếm prôton giật lùi LND-281 6

2.3 Xác định phổ năng lượng nơtron bằng phổ kế prôton giật lùi 7

2.4 Chuẩn năng lượng cho hệ phổ kế nơtron 8

THỰC NGHIỆM 10

3.1 Kiểm tra đặc trưng của hệ đo nơtron tại kênh số 4 10

3.1.1 Xác định vùng hoạt động của cao thế 10

3.1.2 Đo phổ phân bố proton giật lùi (Mode MCA) 10

3.1.3 Đo tốc độ đếm nơtron (Mode TSCA) 12

3.2 Thực nghiệm đo tiết diện nơtron toàn phần của 12C và 238U trên các dòng 12

nơtron phin lọc 54 keV và 148 keV 12

3.2.1 Bố trí phin lọc, chuẩn trực dòng và chuẩn bị mẫu 12

3.2.2 Xử lý số liệu đo tiết diện nơtron toàn phần 14

3.2.3 Kết quả và thảo luận 17

KẾT LUẬN 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

MỞ ĐẦU

Phép đo nơtron truyền qua cho phép xác định tiết diện nơtron toàn phần Trong vùng năng lượng nơtron từ vài chục đến vài trăm keV số liệu về tiết diện nơtron toàn phần là rất quan trọng đối với việc tính toán và thiết kế lò phản ứng hạt nhân, đặc biệt là các lò phản ứng nơtron nhanh - một loạt lò phân hạch của tương lai vì rằng năng lượng nơtron trung bình của các lò này là nằm ở vùng năng lượng keV Xét về mặt nghiên cứu vật lý hạt nhân cơ bản thì phép đo tiết diện nơtron toàn phần phụ thuộc vào năng lượng cũng là một trong các phương pháp xác định hàm lực đối với các nơtron sóng s, p, d Kỹ thuật phin lọc nơtron trên lò phản ứng cho phép nhận được các dòng nơtron chuẩn đơn năng trong dải keV với cường độ cao hơn so với máy phát nơtron, vì vậy đây là một công cụ rất đắc lực trong nghiên cứu hạt nhân cơ bản

Kỹ thuật đo nơtron truyền qua được áp dụng để đo tiết diện nơtron toàn phần trên các dòng nơtron phin lọc, xác định chỉ số Hydro (Hydrogen Index) trong các mẫu khung đá dầu khí, kiểm soát dòng nơtron để hiệu chính sự thăng giáng của thông lượng nơtron trong quá trình chiếu mẫu, đo và chuẩn liều nơtron trong lĩnh vực an toàn bức xạ, các thí nghiệm về vật lý nơtron phục vụ cho tính toán che chắn bảo vệ an toàn bức xạ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Đo tiết diện nơtron toàn phần bằng phương pháp đo nơtron truyền qua

Trên Hình 1.1 là sơ đồ thí nghiệm đo tiết diện nơtron toàn phần theo phương pháp đo nơtron truyền qua [1]

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm đo nơtron truyền qua

Nếu ta đặt một mẫu vật là một bản phẳng trên dòng nơtron được chuẩn trục tốt

thì một số nơtron sẽ bị hấp thụ tại các hạt nhân của mẫu Từ N 0 nơtron ban đầu của dòng sẽ chỉ còn:

t

1 ln 1

0

Vì số đếm của đầu dò tỷ lệ với số nơtron đi vào đầu dò nên có thể xác định độ truyền qua của mẫu thông qua tỷ số giữa số nơtron truyền qua trong trường hợp có mẫu và không có mẫu mà không qua tỷ số các giá trị tuyệt đối của thông lượng

b o o

b

a a

a a T

−

−

qua mẫu, a b và a b là phông tương ứng

Khi đó không cần đo cả giá trị tuyệt đối của thông lượng nơtron lẫn hiệu suất ghi của đầu dò mà vẫn xác định được giá trị tuyệt đối của tiết diện tương tác toàn phần của nơtron với hạt nhân của chất được nghiên cứu

Biểu thức (1.1) chỉ chính xác trong trường hợp nếu nơtron tán xạ không đi tới

đầu dò, tức là trong điều kiện chuẩn trực dòng nơtron tốt, đầu dò đặt xa nguồn và

cả kích thước đầu dò lẫn mẫu đều giảm đến cực tiểu khả dĩ Trong các thí nghiệm truyền qua cần chú ý đến phông nơtron tán xạ từ các vật liệu xung quanh (ví dụ như tường phòng thí nghiệm) hoặc trong trường hợp ngược lại, khi đó tốc độ đếm

N với mẫu hấp thụ mạnh có thể có sai số lớn (sai số thống kê) Việc đo phông được

thực hiện bằng cách dùng vật liệu hấp thụ nơtron đặt giữa mẫu và đầu dò nhằm loại trừ tất cả những nơtron của dòng sơ cấp Khi thỏa những điều kiện trên, phép đo tiết diện nơtron toàn phần σt sẽ có kết quả chính xác Điều đặc biệt của phương

pháp này là nó cho giá trị tiết diện nơtron toàn phần tuyệt đối

Các thí nghiệm theo phương pháp đo nơtron truyền qua chỉ có ý nghĩa đối với

dòng nơtron đơn năng Nếu dòng nơtron có phổ năng lượng rộng J(E), việc lý giải

kết quả trở nên không khả dĩ do sự thay đổi phổ của dòng nơtron đi qua mẫu sẽ ảnh hưởng tới độ nhạy của đầu dò

Biểu thức (1.1) trở thành:

x

n t

e N

dE E J E t t

)(

)()(

σ

chỉ áp dụng được khi mẫu đủ mỏng [n 0σt (E) << 1] và hiệu suất ghi của đầu dò

không phụ thuộc vào năng lượng Chỉ trong điều kiện đó, hệ thức (1.5) mới được

áp dụng để tính tiết diện hiệu dụng được lấy trung bình theo phổ nơtron tới

1.2 Hình học và sai số của thí nghiệm

Ba yếu tố cơ bản để đo tiết diện bằng phương pháp đo nơtron truyền qua là nguồn nơtron, mẫu và đầu dò cần phải được đặt trên một đường thẳng Mẫu cần

che hoàn toàn dòng nơtron trực tiếp từ nguồn tới đầu dò Đây là yêu cầu bắt buộc

để xác định kích thước tối thiểu của mẫu Nếu kích thước mẫu lớn thì sẽ gây tán xạ

ở biên mẫu và làm số nơtron đến đầu dò tăng lên Có thể đặt mẫu ở vị trí bất kỳ

trên đoạn thẳng nguồn - đầu dò, tuy nhiên vị trí tốt nhất là ở chính giữa Đặt mẫu ở

vị trí này thì bổ chính do tán xạ là cực tiểu Ngoài ra cần bố trí sao cho khoảng cách nói trên đủ lớn để góc nhìn đầu dò từ nguồn là cực tiểu (lúc đó bổ chính do tán xạ là nhỏ nhất) Khi tăng khoảng cách nguồn - đầu dò thì sẽ làm tốt được hình học bố trí thực nghiệm nhưng lại làm giảm tốc độ đếm của đầu dò Vì vậy cần chọn ra vị trí tối ưu

Độ dày mẫu cũng được lựa chọn để sao cho sai số tương đối là nhỏ nhất Ta

b b

a a

CHƯƠNG 2

HỆ ĐO NƠTRON TOÀN PHẦN 2.1 Cấu trúc và các thành phần của hệ đo nơtron

Các khối điện tử cần cho hệ đo nơtron bao gồm các khối sau: khối tiền khuếch

đại, khối cao thế, khối khuếch đại, khối Multi Port ghép nối máy tính qua cổng

USB (Hình 2.1) Trong đó, hệ đo nơtron này có thể hoạt động đồng thời được ở hai chế độ là: chế độ đo phổ biên độ xung (MCA) và chế độ đếm theo thời gian (TSCA)

Hình 2.1: Sơ đồ khối của hệ đo nơtron

2.2 Cấu tạo và đặc trưng của ống đếm prôton giật lùi LND-281 [2]

Sơ đồ cấu tạo của ống đếm LND-281 được mô tả trên Hình 2.2

Hình 2.2: Cấu tạo ống đếm proton giật lùi LND-281

Ống đếm LND-281 có dạng hình ống, vỏ bọc bằng thép không rỉ, đường

kính 38.1cm, dài 208.8cm Bên trong chứa hỗn hợp khí CH4+H2+N2 với áp suất

Ưu điểm của ống đếm prôton giật lùi là có kích thước nhỏ, độ phân giải

năng lượng tương đối tốt trong khoảng năng lượng rộng Hơn nữa, số liệu phân bố năng lượng prôton thu được từ ống đếm này được khớp để thu được số liệu phân

bố năng lượng nơtron tương ứng

Một ống đếm prôton giật lùi lý tưởng có tính đẳng hướng của phản ứng tán

xạ đàn hồi n–p cho thấy đường đặc trưng vuông góc với năng lượng Trên thực tế

thì đường đáp tuyến của ống đếm không đạt được như lý tưởng do sự thay đổi của các hiệu ứng có quãng chạy hữu hạn trong vùng điện trường của ống đếm, hoặc là

do sự không tuyến tính giữa năng lượng bị mất do ion hóa, nên cần phải thực hiện phép hiệu chỉnh trước khi lấy vi phân Bên cạnh đó, còn tồn tại sự ảnh hưởng do phông bức xạ gamma, các tia gamma tương tác với thành ống đếm sinh ra các quang electron hoặc các electron Compton, các electron này có thể vào vùng nhạy

của ống đếm gây ra sự ion hóa Tuy nhiên, vì năng lượng riêng dE

đếm với sự tăng chậm của thời gian so với prôton và phụ thuộc vào hướng quãng

chạy của phôton trong ống đếm Do đó, đã có sự khác biệt về dạng xung của tín hiệu giữa các sự kiện của prôton và tia gamma Dựa vào sự khác biệt này, có thể sử dụng các bộ lọc dạng xung để hạn chế sự ảnh hưởng của thành phần gamma

2.3 Xác định phổ năng lượng nơtron bằng phổ kế prôton giật lùi

Trong thực nghiệm vật lý hạt nhân, năng lượng nơtron được xác định bằng hai cách: cách thứ nhất là sử dụng phản ứng hạt nhân (do nơtron gây nên) sinh ra các hạt mang điện như trong các phản ứng 10B(n, α)7Li; 3He(n, p)3H ; 14N(n, p)14C

hoặc nơtron tán xạ trên prôton Cách đo thứ hai là sử dụng các phản ứng của nơtron tạo nên các hạt nhân phân rã phóng xạ β+, β -

hoặc phân rã γ rồi có thể đo các bức xạ này sau khi kết thúc phép chiếu trong trường nơtron Sử dụng cách thứ nhất để xác định năng lượng nơtron trong trường hợp đo bằng ống đếm prôton giật lùi LND-281

Trong tán xạ đàn hồi với nơtron, năng lượng E A của hạt nhân giật lùi được biểu diễn bằng công thức sau:

E A = α.E n cos 2θ, (2.1) Trong đó: α = 2

) 1 A (

A 4

- A : số khối của hạt nhân,

- E n: năng lượng của nơtron,

- θ : góc tán xạ so với phương bay của nơtron trong hệ toạ độ phòng thí nghiệm

Nếu xác định được E A ta sẽ xác định được E n Nếu α = 1 (hạt nhân là

prôton) thì cực đại của E A trùng cực đại của E n Lúc này năng lượng E p của prôton

sẽ nhận các giá trị từ 0 (góc θ = 900) cho đến E n (góc θ = 00) với xác suất như nhau Nói một cách khác phổ prôton được mô tả bằng hệ thức:

p E

H p

E

dE)E()E(Jconst)

- f E( )p : phổ phân bố năng lượng prôton giật lùi,

-σH( )E : tiết diện tán xạ đàn hồi của hyđrô [cm2]

Biểu thức (2.4) rất quan trọng khi sử dụng proton giật lùi để đo phổ nơtron,

nếu đồng thời đo được E p và θ trong một sự kiện tán xạ của nơtron thì có thể xác

định được năng lượng của nơtron Nếu phép đo chỉ thu được năng lượng của

proton giật lùi thì có thể xác định được phổ năng lượng của nơtron bằng cách vi phân phân bố năng lượng của prôton giật lùi

2.4 Chuẩn năng lượng cho hệ phổ kế nơtron

Phương pháp chuẩn năng lượng cho hệ phổ kế nơtron là sử dụng một lượng nhỏ thành phần khí 14N có trong thành phần khí của ống đếm (CH4+H2+N2) để

tạo ra phản ứng (n, p) với nơtron nhiệt [4] Kết quả là prôton sinh ra từ tán xạ đàn hồi có năng lượng đơn năng bằng 615keV cho phản ứng 14N(n, p)14C (Hình 2.3)

Hình 2.3: Phổ phân bố proton giật lùi trên dòng nơtron nhiệt với phin lọc Silic

0 100 200 300 400 500 600 700 800 1

10 100 1000 10000 100000 1000000

148keV 54keV

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM 3.1 Kiểm tra đặc trưng của hệ đo nơtron tại kênh số 4

3.1.1 Xác định vùng hoạt động của cao thế

Việc khảo sát thực nghiệm các đặc trưng của hệ đo nơtron và chuẩn hóa nó là rất cần thiết nhằm đưa hệ đo vào hoạt động và khai thác ở chế độ tối ưu nhất Trong các thông số cần khảo sát đối với một hệ đo như chế độ khuếch đại, thời gian hình thành xung và cắt ngưỡng gamma thì khảo sát giá trị tối ưu của cao thế luôn được chú trọng hàng đầu Các kết quả khảo sát được chỉ ra ở Hình 3.1 cho thấy ống đếm proton giật lùi LND-281 có cao thế hoạt động ổn định tốt nhất ở giá trị HV= +2700V

Hình 3.1: Mối quan hệ giữa tốc độ đếm và cao thế của ống đếm LND-281

3.1.2 Đo phổ phân bố proton giật lùi (Mode MCA)

Khảo sát phổ phân bố prôton giật lùi đối với ống đếm LND-281 là một thực nghiệm rất quan trọng trong việc xác định hiệu suất ghi nơtron của ống đếm cũng như xác định được thành phần phông gamma và nhiễu điện tử đóng góp vào tốc độ

đếm thu được Qua đó người làm thực nghiệm có thể cắt ngưỡng biên độ tín hiệu

không mong muốn (phông gamma và nhiễu điện tử) một cách dễ dàng thông qua

bộ phân biệt dạng xung Thực nghiệm được tiến hành đo trên dòng nơtron 54keV

0 2 4 6 8 10

HV (V)

tại kênh số 4 lò phản ứng Đà Lạt trong hai trường hợp mở và đóng dòng nơtron

được chỉ ra ở Hình 3.2

1 10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000

Hình 3.2: Phổ phân bố prôton giật lùi đo được trên dòng nơtron 54keV

Trường hợp đo trên dòng nơtron 54keV ta thấy rằng phổ phân bố prôton gồm phần năng lượng thấp là phông gamma và nhiễu điện tử và vùng phân bố có dạng bậc thang tương ứng với năng lượng 54keV (phần năng lượng chính) và 148keV (phần năng lượng phụ) Việc đo phông gamma được thực hiện bằng phương pháp chắn dòng nơtron sử dụng 10cm parafin + B4C Sau khi trừ phông gamma ta thu

được phổ phân bố năng lượng của prôton giật lùi Lấy vi phân ta sẽ thu được phổ

năng lượng nơtron 54keV tương ứng (Hình 3.3)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

Line shape (by differentiation)

Hình 3.3: Phổ phân bố năng lượng nơtron phin lọc 54keV sau khi lấy vi phân

phông gamma + nhiễu

điện tử, kênh đóng

phổ phân bố prôton giật lùi, kênh mở

phổ trừ phông

54keV

148keV

54keV

148keV

3.1.3 Đo tốc độ đếm nơtron (Mode TSCA)

Trong trường hợp đo tốc độ đếm (cps), thường sử dụng để kiểm tra thăng giáng thông lượng của dòng nơtron trong quá trình đo mẫu, cần thiết phải cắt ngưỡng vùng phông gamma và nhiễu điện tử Hình 3.4 mô tả tốc độ đếm phụ thuộc

bề dày của các mẫu Uran trong phép đo tiết diện nơtron toàn phần trên dòng nơtron 54keV

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

ch

Hình 3.4: Sự phụ thuộc tốc độ đếm nơtron theo chiều dày mẫu Uran

3.2 Thực nghiệm đo tiết diện nơtron toàn phần của 12 C và 238 U trên các dòng nơtron phin lọc 54 keV và 148 keV

3.2.1 Bố trí phin lọc, chuẩn trực dòng và chuẩn bị mẫu

Phin lọc được bố trí vào trong ống đựng phin bằng nhôm với đường kính ngoài

là 99 mm, độ dài là 1200 mm Các phin lọc cùng với các ống chuẩn trực

(paraphin-B, chì, gỗ) được lắp vào trong ống đựng phin này tạo thành một hình nón cụt với góc nhìn cực đại với vùng hoạt của lò phản ứng để có thể sử dụng một cách hiệu quả nhất tất cả các nơtron phát ra từ vùng hoạt về phía kênh Đường kính dòng nơtron là 3 cm được chuẩn trực bằng các vật liệu LiF, Cd, B4C, Pb và parafin pha

B Đặc trưng của các dòng nơtron phin lọc được chỉ ra ở Bảng 3.1

54keV

1.04cm U

2.57cm U 4.59cm U 6.24cm U Font

Bảng 3.1: Đặc trưng của các dòng nơtron phin lọc

Năng lượng

nơtron

Tổ hợp phin lọc nơtron

Thông lượng nơtron

(n.cm -2 s -1 )

Độ phân

giải của dòng

(keV)

Suất liều gamma

(mR/s)

54 keV 98 cm Si + 35 g/cm

2

S + 0,2 g/cm2 B-10 5,61 × 10

Hình 3.5: Hệ chuẩn trực dòng nơtron tại kênh số 4

Mẫu sử dụng trong thực nghiệm này là graphite từ cột nhiệt lò phản ứng (đo

12C) và mẫu uran (đo 238U) Các mẫu được gia công thành hình đĩa đường kính 2.54cm và có bề dày như ở Bảng 3.2 Các đĩa này khi kết hợp lại sẽ tạo ra các loạt mẫu có bề dày khác nhau

Bảng 3.2: Đặc trưng của mẫu graphite và uran

gamma

3.2.2 Xử lý số liệu đo tiết diện nơtron toàn phần

Đối với bia mẫu có độ dày x, tiết diện nơtron toàn phần đo được trong thực

nghiệm được xác định theo công thức (1.3 và 1.4):

b

a a

a a T

−

−

= Trong thực nghiệm tốc độ đếm nơtron của dòng trực tiếp và dòng truyền qua mẫu được đo bằng ống đếm proton giật lùi LND-281 Phông của các dòng trực tiếp và dòng truyền qua mẫu được xác định bằng cách chắn dòng nơtron bởi 10 cm polyethylene Như vậy để xác định tiết diện nơtron toàn phần cần phải tiến hành 4

lần đo a 0 , a 0 b , a, a b , đối với mỗi một độ dày mẫu, đó là phép đo nguồn, phông,

nguồn truyền qua mẫu, phông truyền qua mẫu Trong trường hợp cần yêu cầu độ tin cậy cao của kết quả đo thì quá trình đo như trên sẽ được lặp lại nhiều lần Mỗi một phép đo có thể tiến hành với thời gian định trước hoặc số đếm định trước

Phổ nơtron thu được theo các bề dày khác nhau của mẫu graphite và uran cần đo được minh họa từ Hình 3.6 đến Hình 3.9

0 5 10 15 20 25

30

54keV C1 C12 C123 C1234 C12345

Neutron energy [keV]

Hình 3.6: Phổ nơtron 54keV đo được theo các bề dày mẫu graphite