nghiên cứu các phản ứng nhiễu trong phân tích kích hoạt neutron

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN   KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU CÁC PHẢN ỨNG NHIỄU TRONG PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON SVTH : TRỊNH MINH TÙNG CBHD : TS. HUỲNH TRÚC PHƢƠNG CBPB : TS. TRẦN DUY TẬP TP. HỒ CHÍ MINH – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN   KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU CÁC PHẢN ỨNG NHIỄU TRONG PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON SVTH : TRỊNH MINH TÙNG CBHD : TS. HUỲNH TRÚC PHƢƠNG CBPB : TS. TRẦN DUY TẬP TP. HỒ CHÍ MINH - 2014 i LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập cũng nhƣ thực hiện khóa luận này, em đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô, anh chị và các bạn bè trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM. Em xin đƣợc bày tỏ lòng tri ân sâu sắc nhất đến : TS. Huỳnh Trúc Phƣơng, ngƣời thầy đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ, truyền đạt những kinh nghiệm quý báu nhất cho em hoàn thành tốt khóa luận. TS. Trần Duy Tập, ngƣời thầy đã dành thời gian đọc và góp ý chân thành cho khóa luận của em đƣợc hoàn thiện hơn. ThS. Lƣu Đặng Hoàng Oanh, ngƣời đã nhiệt tình giúp đỡ, đóng góp ý kiến cho em trong quá trình làm thực nghiệm. Các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân đã giảng dạy, truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm trong lĩnh vực Hạt nhân. Các bạn trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân và chị Tôn Nữ Thùy My đã luôn động viên, giúp đỡ tôi. Cuối cùng, con xin cảm ơn ba mẹ đã sinh thành, dƣỡng dạy, động viên, khích lệ và tạo điều kiện thuận lợi nhất cho con đƣợc học tập. Tp. Hồ Chí Minh, 20 tháng 6 năm 2014 Trịnh Minh Tùng ii MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x MỞ ĐẦU 1 Chƣơng 1 - TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1. Tổng quan về phân tích kích hoạt neutron 3 1.1.1. Giới thiệu 3 1.1.2. Nguyên lý phƣơng pháp phân tích kích hạt neutron 3 1.2. Các nguồn neutron dùng trong phân tích kích hoạt neutron 5 1.2.1. Các nguồn neutron đồng vị 5 1.2.1.1. Nguồn anpha - neutron     5 1.2.1.2. Nguồn Photoneutron    5 1.2.1.3. Nguồn phân hạch tự phát 6 1.2.1.4. Ƣu, nhƣợc điểm 6 1.2.2. Máy gia tốc 6 1.2.2.1. Cơ chế hoạt động 6 1.2.2.2. Ƣu, nhƣợc điểm 7 1.2.3. Lò phản ứng hạt nhân 7 1.2.3.1. Cơ chế 7 1.2.3.2. Vùng neutron nhiệt 8 1.2.3.3. Phổ neutron phân bố theo 1/E 8 1.2.3.4. Phổ neutron phân hạch 9 1.2.3.5. Ƣu, nhƣợc điểm 10 1.3. Các định nghĩa, hệ số thƣờng xử dụng 10 1.3.1. Hệ số f 10 iii 1.3.2. Hệ số  11 1.3.3. Tiết diện tích phân cộng hƣởng I o 11 1.3.4. Hệ số   11 1.3.5. Hiệu suất ghi của hệ phổ kế  p 12 1.3.6. Hệ số tự che chắn neutron nhiệt G th 12 1.3.7. Hệ số tự che chắn neutron trên nhiệt G e 12 1.4. Tổng quan về các phản ứng nhiễu trong phân tích kích hoạt neutron 13 1.4.1. Các phản ứng nhiễu sơ cấp 13 1.4.1.1. Phản ứng  13 1.4.1.2. Phản ứng  14 1.4.1.3. Phản ứng    14 1.4.2. Các phản ứng nhiễu thứ cấp 15 1.4.3. Các phản ứng nhiễu bậc 2 16 1.4.3.1. Phản ứng làm giảm sản phẩm của sản phẩm kích hoạt 16 1.4.3.2. Phản ứng làm tăng sản phẩm của sản phẩm kích hoạt 16 1.4.4. Hai phản ứng  16 1.4.5. Hiệu chỉnh một số phản ứng nhiễu 17 1.5. Kết luận chƣơng 1 17 Chƣơng 2 – XÂY DỰNG CÔNG THỨC TÍNH TOÁN CHO PHẢN ỨNG NHIỄU 2.1. Xây dựng công thức cho các trƣờng hợp nhiễu quan tâm 18 2.1.1. Trƣờng hợp nhiễu quan tâm 18 2.1.2. Trƣờng hợp điển hình 18 2.1.3. Trƣờng hợp 1: A và B ở dạng đơn chất 19 2.1.4. Trƣờng hợp 2: A, B dạng oxit     ,     23 2.1.5. Trƣờng hợp 3: A dạng đơn chất, B dạng oxit     24 2.1.6. Trƣờng hợp 4: A dạng oxit     , B dạng đơn chất 25 2.2. Xây dựng công thức tính toán và sai số của một số hệ số 25 2.2.1. Công thức truyền sai số 25 iv 2.2.2. Sai số của    25 2.2.3. Sai số của    26 2.2.4. Tiết diện neutron chậm 26 2.2.5. Thông lƣợng neutron 26 2.1.5.1. Thông lƣợng neutron chậm 27 2.1.5.2. Thông lƣợng neutron nhiệt 27 2.1.5.3. Thông lƣợng neutron trên nhiệt 28 2.1.5.4. Thông lƣợng neutron nhanh 28 2.3. Kết luận chƣơng 2 28 Chƣơng 3 – THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG CÔNG THỨC ĐÃ XÂY DỰNG 3.1. Các dụng cụ dùng trong thực nghiệm 29 3.1.1. Cân đo mẫu 29 3.1.2. Hệ kích hoạt neutron 29 3.1.2.1. Nguồn Am - Be 29 3.1.2.2. Hệ chuyển mẫu tự động MTA 1527 30 3.1.3. Hệ phổ kế gamma 31 3.2. Thực nghiệm xác định đƣờng cong hiệu suất tại vị trí đo 31 3.3. Xác định thông lƣợng neutron 33 3.3.1. Thông lƣợng neutron chậm tại kênh nhanh 33 3.3.2. Thông lƣợng neutron nhiệt tại kênh nhanh 34 3.3.3. Thông lƣợng neutron trên nhiệt tại kênh nhanh 34 3.3.4. Thông lƣợng neutron nhanh   tại kênh nhanh 34 3.4. Lựa chọn đối tƣợng thực nghiệm 36 3.5. Chuẩn bị mẫu 37 3.6. Điều chế mẫu 38 3.6.1. Trƣờng hợp 1: hỗn hợp mẫu chứa A, B ở dạng đơn chất (A: Fe; B: Mn) 39 3.6.2. Trƣờng hợp 2: hỗn hợp mẫu chứa A, B ở dạng oxit (A: MnO 2 ; B: Fe 2 O 3 ) 39 v 3.6.3. Trƣờng hợp 3: hỗn hợp mẫu chứa A ở dạng đơn chất, B ở dạng oxit (A: Mn; B: Fe 2 O 3 ) 39 3.6.4. Trƣờng hợp 4: hỗn hợp mẫu chứa A ở dạng oxit, B ở dạng đơn chất (A: MnO 2 ; B: Fe) 40 3.7. Chiếu mẫu, xử lý mẫu và đo mẫu 40 3.7.1. Chiếu mẫu 40 3.7.2. Xử lý mẫu sau khi chiếu 41 3.7.3. Đo mẫu 41 3.8. Xác định bề dày mẫu 42 3.9. Kiểm chứng công thức đã xây dựng 44 3.10. Đánh giá kết quả 45 3.11. Kết luận chƣơng 3 47 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 PHỤ LỤC 53 vi DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT a1 : chỉ số thứ nhất trong công thức hóa học A a1 O a2 a2 : chỉ số thứ hai trong công thức hóa học A a1 O a2 A : hoạt độ tại ngày đo      : độ phóng xạ của hạt nhân i (sản phẩm phân hạch)      : độ phóng xạ của hạt nhân i quan tâm A u : khối lƣợng nguyên tử Uranium   : hoạt độ riêng b1 : chỉ số thứ nhất trong công thức hóa học B b1 O b2 b2 : chỉ số thứ hai trong công thức hóa học B b1 O b2 C : hệ số hiệu chỉnh thời gian đo              D : hệ số hiệu chỉnh thời gian phân rã      : năng lƣợng liên kết của neutron   : động năng của neutron tới    : năng lƣợng cộng hƣởng hiệu dụng trung bình   : năng lƣợng tia gamma f : tỷ số thông lƣợng neutron nhiệt/ neutron trên nhiệt G e : hệ số che chắn neutron trên nhiệt G th : hệ số che chắn neutron nhiệt   : tiết diện tích phân cộng hƣởng cho phổ 1/E    : tiết diện tích phân cộng hƣởng cho phổ        : tiết diện tích phân cộng hƣởng cho phổ   của hạt nhân A      : tiết diện tích phân cộng hƣởng cho phổ   của hạt nhân Au      : tiết diện tích phân cộng hƣởng cho phổ   của hạt nhân Mn   : xác suất phát tia gamma   : khối lƣợng hỗn hợp   : khối lƣợng chất A trong hỗn hợp vii   : khối lƣợng chất B trong hỗn hợp      : khối lƣợng chất          : khối lƣợng chất     M : khối lƣợng nguyên tử   : nguyên tử khối hạt nhân A   : nguyên tử khối hạt nhân B   : tổng số hạt nhân có trong mẫu ban đầu   : số hạt nhân A ban đầu   : số hạt nhân B ban đầu   : hằng số Avogadro         : số hạt nhân C tạo ra từ A còn lại sau thời gian chiếu     : số hạt nhân C tạo ra từ B còn lại sau thời gian chiếu      : số hạt nhân   còn lại sau      : số hạt nhân   còn lại sau      : số hạt nhân phân rã phát gamma của    trong thời gian đo      : số hạt nhân phân rã phát gamma của    trong thời gian đo     : số hạt nhân    bị phân rã phát gamma   : số hạt nhân    bị phân rã phát gamma   : diện tích đỉnh thu đƣợc   : tỉ số tiết diện tích phân cộng hƣởng 1/E trên tiết diện neutron 2200 m/s S : hệ số hiệu chỉnh thời gian chiếu          : thời gian bán rã   : thời gian rã   : thời gian chiếu   : thời gian đo W : khối lƣợng mẫu x* : phần trăm khối lƣợng thực tế của chất A trong hỗn hợp x : phần trăm khối lƣợng của chất A tính từ các công thức viii y i : hiệu suất phân hạch toàn phần của đồng vị i  : độ lệch phổ neutron trên nhiệt   : hiệu suất ghi nhận của máy tại đỉnh năng lƣợng ghi nhận  : độ phổ cập đồng vị   : độ phổ cập đồng vị hạt nhân A   : độ phổ cập đồng vị hạt nhân B  : tiết diện bắt neutron   : tiết diện kích hoạt lò   : tiết diện bắt neutron chậm   : tiết diện bắt neutron nhiệt   : tiết diện bắt neutron nhiệt của hạt nhân A (n,f) : tiết diện phân hạch của Uranium tự nhiên  : tiết diện bắt neutron nhanh (n,p)    : tiết diện bắt neutron nhanh (n,p) của Al   : tiết diện bắt neutron nhanh (n,p) của Fe   : hằng số phóng xạ của hạt nhân C  : thông lƣợng neutron   : thông lƣợng neutron trên nhiệt   : thông lƣợng neutron nhanh   : thông lƣợng neutron nhiệt   : thông lƣợng neutron chậm AAS : Atomic Absorption Spectrophotometric NAA : Neutron Activation Analysis [...]... Tuy nhiên, các phản ứng này hiếm khi có ý nghĩa trong việc chiếu xạ lò phản ứng bởi vì các photon và các hạt tích điện tạo ra bởi các neutron trong lò phản ứng có năng lƣợng quá thấp hoặc hoạt độ quá thấp để tạo ra phản ứng Một phản ứng nhiễu thứ cấp nhƣ [5]: sự hình thành 13N trong Polytylen bằng chiếu xạ neutron 14MeV Các neutron 14MeV va trạm các nguyên tử Hydro trong mẫu sẽ hình thành các proton... Lu ) [4] 17 1.4.5 Hiệu chỉnh một số phản ứng nhiễu Trong phân tích kích hoạt neutron, việc gặp phải các phản ứng nhiễu là thƣờng xảy ra Đặc biệt là trong phân tích đất hiếm, ta thƣờng gặp phải 2 loại phản ứng nhiễu là hạt nhân quan tâm sinh ra bởi các phản ứng khác hoặc tạo từ 2 phản ứng ( ) Để thu đƣợc kết quả chính xác ta phải hiệu chỉnh Phƣơng pháp hiệu chỉnh nhiễu bậc nhất đƣợc thực hiện nhƣ sau:... trên, phƣơng pháp phân tích kích hoạt neutron đã đƣợc sử dụng phổ biến trong các phòng thí nghiệm của các trƣờng Đại học, Trung tâm Nghiên cứu, v.v Tuy nhiên trong quá trình phân tích cũng gặp nhiều khó khăn, trƣờng hợp cụ thể là trong mẫu phân tích có thể bị nhiễm bẩn, tức trong mẫu ngoài nguyên tố cần phân tích còn có một số nguyên tố matrix khác Các matrix này gây ra các phản ứng nhiễu, điều này... trăm nhiễu do Uranium đƣợc đóng góp là: ( ( ) ) ( ) ( ) (1.19) Nếu sự nhiễu là lớn, ta nên tách Uranium ra khỏi mẫu trƣớc khi phân tích 1.4.2 Các phản ứng nhiễu thứ cấp Các phản ứng nhiễu thứ cấp xảy ra là do các tia ra từ các phản ứng ( ) ( ) ( hoặc các hạt mang điện xảy ) tƣơng tác với các nguyên tố matrix có trong mẫu phân tích tạo ra sản phẩm giống nhƣ nguyên tố đƣợc quan tâm sau khi bị kích hoạt. .. trƣờng, v.v Phƣơng pháp phân tích kích hoạt neutron có khả năng phân tích định tính cũng nhƣ định lƣợng đa nguyên tố trong nhiều dạng mẫu khác nhau dựa trên sự biến đổi các hạt nhân bền thành hạt nhân phóng xạ bằng cách chiếu mẫu phân tích trong trƣờng neutron lò phản ứng, đo đạc phổ gamma của các đồng vị sản phẩm cho phép tính toán đƣợc hàm lƣợng của các nguyên tố có trong mẫu phân tích Với tất cả những... hạt nhân gây nhiễu chiếm hàm lƣợng lớn trong mẫu phân tích trong khi hạt nhân cần phân tích lại chiếm hàm lƣợng quá nhỏ 1.4.1.1 Phản ứng ( Phản ứng ( ( ) ) của hạt nhân Z + 1 có thể cho ra sản phẩm nhƣ phản ứng ) của hạt nhân Z Ví dụ : 139 La bị gây nhiễu bởi 140 La ( ) 140 La Ce ( ) 140 La 139 140 Ce 14 1.4.1.2 Phản ứng ( Phản ứng ( ( ) ) của hạt nhân Z + 2 có thể cho ra sản phẩm nhƣ phản ứng ) của... hợp gây nhiễu nhất định 1.4.1 Các phản ứng nhiễu sơ cấp Hạt nhân Z (hạt nhân quan tâm) có thể bị làm nhiễu bởi hạt nhân Z + 1 và hạt nhân Z + 2 (các hạt nhân gây nhiễu) vì các phản ứng ( ( ) của hạt nhân Z + 1 và ) của hạt nhân Z + 2 có thể tạo ra sản phẩm giống nhƣ phản ứng ( ) của hạt nhân Z [5] Điều này làm sai lệch kết quả phân tích Các phản ứng nhiễu phụ thuộc vào tỷ số của thông lƣợng neutron. .. tự che chắn neutron trên nhiệt đƣợc tính đến là do có sự suy giảm thông lƣợng neutron trên nhiệt bên trong mẫu chiếu xạ do sự hấp thụ của neutron thông qua những phản ứng hạt nhân 1.4 Tổng quan về các phản ứng nhiễu trong phân tích kích hoạt neutron Trong mẫu có một số nguyên tố khác xuất hiện làm ảnh hƣởng đến kết quả đo đạc đối với nguyên tố ta quan tâm có trong mẫu, điều này gây ra sự nhiễu Dƣới... Các phản ứng nhiễu bậc 2 Xảy ra khi thành phần chính của mẫu hay matrix mẫu và nguyên tố vết có số nguyên tử gần nhau Một trƣờng hợp phản ứng nhiễu bậc 2 [5]: ( → { → ) ( ) ( ) Phản ứng nhiễu bậc 2 có 2 loại đƣợc trình bày trong mục 1.4.3.1 và 1.4.3.2 1.4.3.1 Phản ứng làm giảm sản phẩm của sản phẩm kích hoạt Sản phẩm kích hoạt của nguyên tố chính có thể phân rã thành đồng vị bền của nguyên tố vết Trong. .. phƣơng pháp phân tích kích hạt neutron Cơ sở của phƣơng pháp phân tích kích hoạt neutron là dựa trên phản ứng của các neutron với hạt nhân nguyên tử Quan trọng nhất là phản ứng ( ) Hạt nhân bia X hấp thụ một neutron để tạo ra một hạt nhân phóng xạ với cùng số nguyên tử Z nhƣng khối lƣợng nguyên tử A tăng lên một đơn vị và phát tia gamma đặc trƣng Quá trình này đƣợc biểu diễn qua phản ứng: 4 ( ) Trong đó . Tổng quan về các phản ứng nhiễu trong phân tích kích hoạt neutron 13 1.4.1. Các phản ứng nhiễu sơ cấp 13 1.4.1.1. Phản ứng  13 1.4.1.2. Phản ứng  14 1.4.1.3. Phản ứng    . 1.4.2. Các phản ứng nhiễu thứ cấp 15 1.4.3. Các phản ứng nhiễu bậc 2 16 1.4.3.1. Phản ứng làm giảm sản phẩm của sản phẩm kích hoạt 16 1.4.3.2. Phản ứng làm tăng sản phẩm của sản phẩm kích hoạt. quan tâm. 1.2. Các nguồn neutron dùng trong phân tích kích hoạt neutron Nguồn neutron đóng vai trò rất quan trọng trong phân tích kích hoạt neutron. Ngƣời ta sử dụng các nguồn khác nhau