Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống
1
/ 78 trang
THÔNG TIN TÀI LIỆU
Thông tin cơ bản
Định dạng
Số trang
78
Dung lượng
1,36 MB
Nội dung
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
NGUYỄN MINH CÔNG
XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN BẮT NƠTRON NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG
HẠT NHÂN
181
Ta(n,) 182 Ta
LUẬN VĂN THẠC SỸ
Hà Nội – 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
NGUYỄN MINH CÔNG
XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN BẮT NƠTRON NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG
HẠT NHÂN
181
Ta(n,) 182 Ta
LUẬN VĂN THẠC SỸ
Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
Mã số: 60440106
Người hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Đức Khuê
Hà Nội – 2014
LỜI CẢM ƠN
Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn là
TS. Phạm Đức Khuê về sự chỉ dạy chuyên môn, giúp đỡ tận tình trong
suốt quá trình học tập, làm việc và thực hiện bản luận văn.
Em xin gửi lời cảm ơn tới cán bộ, giảng viên khoa Vật lý trường ĐH
KHTN – ĐHQG HN đã tận tình chỉ dạy trong suốt thời gian học tập tại
trường.
Em xin chân thành cảm ơn cán bộ, giảng viên. phòng sau đại học
Trường ĐHKHTN-ĐHQG HN, lãnh đạo Viện Vật lý, Trung tâm Vật lý
Hạt nhân, cán bộ lãnh đạo Đoàn 871 Cục CT –BTTM, cán bộ lãnh đạo
BTL Hóa học, Trường sỹ quan Phòng Hóa đã tạo mọi điều kiện thuận lợi
đểhoàn thành bản luận văn này.
Cuối cùng , em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình và người
thân đã luôn động viên, ủng hộ tuyệt đối cả về vật chất và tinh thần để có
thể yên tâm học tập, làm việc và hoàn thành bản luận văn này.
Em xin cảm ơn và rất mong các thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp đóng
góp ý kiến bổ sung để bản luận văn này ngày càng được hoàn thiện và có
ý nghĩa thiết thực.
Hà nội, Ngày……tháng ….năm 2014
Học viên
Nguyễn Minh Công
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ TỪ KHÓA
E e : Năng lượng của electron
E : Năng lượng tia gamma
RF: Tần số radio (radio frequency)
I : Xác suất phát xạ hay cường độ tia gamma
HPGe: Detector bán dẫn siêu tinh khiết
Tiết diện: Cross section
Thông lượng: Flux
Suất lượng: Yield
Lá dò: Foild
Hệ làm chậm bằng nước: Water moderator
Khối ốp bằng chì: Pb bricks
MCA: Bộ phân tích đa kênh (Multi Channel Analyzer)
ADC: Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự số (Analog to Digital
Converter)
2
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Thông số va chạm của một số hạt nhân
Bảng 1.2: Các thông số đối với một số chất làm chậm
Bảng 2.1: Đặc trưng của các mẫu Ta, Au và In
Bảng 2.2: Chế độ kích hoạt mẫu
Bảng 2.3: Giá trị các hệ số làm khớp hàm đối với Detector
HPGe(ORTEC)
Bảng 3.1: Các thông số của phản ứng
115
181
Ta(n,)182Ta , 197Au(n,)198Au, và
In(n, ) 116m In
Bảng 3.2: Các hệ số hiệu chỉnh chính được sử dụng để xác định tiết diện
bắt nơtron nhiệt của phản ứng
181
Ta(n, ) 182 Ta
Bảng 3.3: Hệ số tự hấp thụ tia gamma trong mẫu
Bảng 3.4: Hệ số hiệu chỉnh hiệu ứng cộng đỉnh tại vị trí cách detector 5
cm
Bảng 3.5: Số liệu tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng
đã được công
3
181
Ta(n, ) 182 Ta
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ tán xạ đàn hồi của notron lên hạt nhân trong hệ tọa độ
phòng thí nghiệm (a) và hệ tọa độ tâm quán tính (b)
Hình 1.2. Sơ đồ tính ζ
Hình 1.3. Sơ đồ phân rã hạt nhân của phản ứng bắt nơtron nhiệt
Hình 1.4. Các mức năng lượng kích thích của hạt nhân hợp phần
Hình 1.5. Tiết diện của phản ứng 181 Ta(n, ) 182 Ta theo năng lượng
Hình 2.1. Máy gia tốc electron tuyến tính 100 MeV tại Pohang,Hàn Quốc
Hình 2.2.Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính 100 MeV.
Hình 2.3.Cấu tạo của bia Ta và hệ làm chậm nơtron
Hình 2.4.Phân bố năng lượng nơtron ở bia Ta đối với làm chậm bằng
nước, không làm chậm bằng nước và phân bố Maxwellian
Hình 2.5. Sơ đồ làm việc của hệ phổ kế gamma với detector HPGe
Hình 2.6. Bố trí thí nghiệm kích hoạt mẫu trên bề mặt hệ làm chậm
nơtron bằng nước.
Hình 2.7. Giao diện phần mềm GammaVision
Hình 2.8. Đường cong hiệu suất ghi đỉnh quang điện của Detector bán
dấn HPGe(ORTEC) sử dụng trong nghiên cứu
Hình 2.9. Sự phụ thuộc của hoạt độ phóng xạ vào thời gian kích hoạt (ti),
thời gian phân rã (td) và thời gian đo (tc).
Hình 3.1. Phổ gamma đặc trưng của mẫu Ta được kích hoạt bởi các
nơtron nhiệt với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi mẫu
2868phút, thời gian đo 240phút
4
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
Hình 3.2. Phổ gamma đặc trưng của mẫu Au được kích hoạt bởi các
nơtron nhiệt với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi mẫu 8594
phút, thời gian đo 10 phút.
Hình 3.3. Phổ gamma đặc trưng của In được kích hoạt bởi các nơtron
nhiệt với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi mẫu 344 phút, thời
gian đo mẫu 200 giây.
Hình 3.4. biểu diễn sơ đồ phân rã đơn giản của đồng vị
182
Ta.
Hình 3.5. Sự phụ thuộc hệ số tự chắn đối với nơtron nhiệt vào bề dày các
mẫu
Hình 3.6. tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng
5
181
Ta(n, ) 182 Ta.
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................... 8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG BẮT NƠTRON ............... 11
1.1. Tương tác của nơtron với vật chất ............................................ 11
1.2. Làm chậm nơtron .................................................................... 12
1.2.1. Nhiệt hóa nơtron ............................................................... 12
1.2.2. Cơ chế làm chậm nơtron .................................................... 13
1.3. Hạt nhân hợp phần, hạt nhân kích thích .................................... 18
1.3.1. Các cơ chế phản ứng hạt nhân ............................................ 18
1.3.2. Phản ứngbắt nơtron nhiệt ................................................... 20
1.3.3. Trạng thái kích thích ......................................................... 21
1.4. Tiết diện bắt nơtron nhiệt ........................................................ 23
1.4.1. Khái quát về tiết diện phản ứng .......................................... 23
1.4.2. Tiết diện bắt nơtron nhiệt .................................................. 24
1.5. Các nguồn nơtron chính ........................................................... 28
1.5.1. Nguồn nơtron đồng vị ........................................................ 28
1.5.2. Nguồn nơtron từ lò phản ứng ............................................. 29
1.5.3. Nguồn nơtron từ máy gia tốc .............................................. 30
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN BẮT NƠTRON
NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG
181
Ta(n,) 182 Ta ........................................... 32
2.1. Thiết bị thí nghiệm.................................................................. 32
2.1.1. Máy gia tốc thẳng và nguồn nơtron xung trên máy gia tốc
electrontuyến tính năng lượng 100 MeV ....................................... 32
2.1.2. Hệ phổ kế gamma .............................................................. 39
2.2. Thí nghiệm xác định tiết diện phản ứng
181
Ta(n,) 182 Ta .............. 41
2.2.1. Chuẩn bị mẫu nghiên cứu .................................................. 41
6
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
2.2.2. Kích hoạt mẫu .................................................................. 43
2.2.3. Đo hoạt độ phóng xạ của các mẫu sau khi kích hoạt ............. 44
2.2.4. Phân tích phổ gamma ........................................................ 45
2.2.5. Xác định hiệu suất ghi của đêtectơ ..................................... 48
2.3. Phương pháp xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt ........................ 50
2.3.1. Xác định tốc độ phản ứng hạt nhân ..................................... 50
2.3.2. Xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt ..................................... 53
2.2.3. Một số hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác của kết quả .......... 54
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................... 56
3.1. Nhận diện đồng vị phóng xạ và các đặc trưng của phản ứng hạt
nhân ............................................................................................. 56
3.2. Một số kết quả hiệu chỉnh ........................................................ 60
3.3. Kết quả xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng
181
Ta(n,) 182 Ta. ............................................................................. 62
KẾT LUẬN ...................................................................................... 65
TÀI LIỆU KHAM KHẢO .................................................................. 66
PHỤ LỤC ........................................................................................ 70
7
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
MỞ ĐẦU
Phản ứng hạt nhân là một trong những hướng quan trọng nhất trong
lĩnh vực nghiên cứu hạt nhân. Trải qua nhiều thập niên nghiên cứu, cho
đến nay sự hiểu biết về hạt nhân nguyên tử đã được mở rộng, tuy nhiên
vẫn còn nhiều vấn đề liên quan tới cấu trúc hạt nhân, các tính chất của
hạt nhân và cơ chế của phản ứng hạt nhân vẫn chưa được làm sáng tỏ và
cần tiếp tục được nghiên cứu. Bên cạnh việc đóng góp và lĩnh vực các
nghiên cứu khoa học cơ bản, phản ứng hạt nhân còn có vai trò quan trọng
trong các ứng dụng thực tiễn như năng lượng, y tế, công nghiệp, vũ trụ,
an toàn bức xạ và hạt nhân,…
Đặc trưng của mỗi phản ứng phụ thuộc vào từng hạt nhân nguyên
tử, vào loại hạt tới và năng lượng của chúng. Các loại hạt/bức xạ quen
thuộc như nơtron (n), proton (p), alpha (), gamma (),...Khi tương tác
với một hạt nhân có thể diễn ra theo nhiều cơ chế khác nhau phụ thuộc
vào năng lượng của chúng và tạo thành những sản phẩm phản ứng khác
nhau.
Trong nghiên cứu phản ứng hạt nhân và ứng dụng thì nơtron là một
trong những loại bức xạ được sử dụng phổ biến nhất. Các phản ứng hạt
nhân điển hình xảy ra do tương tác của nơtron như (n,α), (n,p),
(n,γ),…với xác suất khác nhau ngay trên một đồng vị và phụ thuộc vào
năng lượng của nơtron tới.
Một trong những đại lượng đặc trưng quan trọng của phản ứng hạt
nhân là tiết diện phản ứng. Tiết diện phản ứng là thước đo xác suất xảy ra
phản ứng hạt nhân. Tiết diện của phản ứng nhân (n,) gây bởi nơtron
nhiệt là loại số liệu hạt nhân quan trọng được sử dụng nhiều trong nghiên
cứu cũng như ứng dụng trong các tính toán lò phản ứng hạt nhân, che
chắn an toàn phóng xạ, đánh giá sự phá hủy vật liệu do bức xạ,…
Trước đây các nghiên cứu phản ứng hạt nhân (n,) chủ yếu được
thực hiện trên lò phản ứng hoặc trên các nguồn nơtron đồng vị. Ngày nay
8
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
với sự phát triển của kỹ thuật gia tốc có thể tạo ra các nguồn nơtron có
thông lượng lớn từ các phản ứng hạt nhân (,xn), (p,xn),... Các nguồn
nơtron trên máy gia tốc thường phát ra theo chế độ xung, do đó có thể sử
dụng các kỹ thuật thực nghiệm khác nhau như kích hoạt phóng xạ và đo
thời gian bay.
Tantalum (Ta) là nguyên tố kim loại hiếm có mầu xanh xám, dẻo,
cứng và khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn cao được sử dụng rộng rãi
như một thành phần nhỏ trong hợp kim, các tính trơ về mặt hóa học của
Talàm cho nó trở nên có giá trị cho các thiết bị phòng thí nghiệm thay thế
cho bạch kim, Ngày nay,Ta cũng được sử dụng trong y tế để làm các
đinh, nẹp trong chữa trị các bệnh về xương, Tađược sử dụng để chế tạo
các thiết bị điện tử như tụ điện,… 181 Ta là đồng vị bềncó độ phổ biến
đồng vị tới 99,98%. Cho tới nay đã có một số kết quả nghiên cứu thực
nghiệm xác định tiết diện phản ứng hạt nhân
181
Ta(n,) 182 Ta tuy nhiên các
số liệu vẫn còn có sự sai khác đáng kể, việc nghiên cứu về phản ứng này
vẫn được tiếp tục bằng nhiều phương pháp khác nhau.
Bản luận văn với đề tài “Xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của
phản ứng hạt nhân
181
Ta(n,) 182 Ta” nhằm mục đích nghiên cứu một số đặc
trưng của phản ứng bắt nơtron và xác định bằng thực nghiệm tiết diện
phản ứng bắt nơtron nhiệt
181
Ta(n,) 182 Ta với chùm nơtron xung đã được
nhiệt hóa trên máy gia tốc electron tuyến tính. Mục tiêu nghiên cứu bên
cạnh việc bổ sung số liệu hạt nhân, mở rộng sự hiểu biết về cơ chế phản
ứng, còn nhằm tìm hiểu thêm về phương pháp, nâng cao kỹ năng thực
nghiệm và phân tích số liệu.
Trong thực nghiệm sử dụng phương pháp kích hoạt phóng xạ, đo
gamma trễ với hệ phổ kế gamma bán dẫn HPGe. Tiết diện được xác định
thông qua việc đo tỷ số Cadmium và sử dụng phản ứng
197
Au(n,) 198 Au
làm phản ứng chuẩn. Nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả thực
nghiệm luận văn đã thực hiện một số hiệu chỉnh các hiệu ứng gây ảnh
9
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
hưởng tới độ chính xác của kết quả như: phân bố thông lượng nơtron đối
với các mẫu kích hoạt, hiệu ứng tự hấp thụ các tia gamma, hiệu ứng cộng
đỉnh của các tia phân rã nối tầng, hiệu ứng tự chắn đối với nơtron nhiệt…
Một số bước trong quy trình thực nghiệm của đề tài nghiên cứu này như
kích hoạt mẫu và đo hoạt độ phóng xạ được thực hiện trên máy gia tốc electron tuyến
tính tại Trung tâm gia tốc Pohang, POSTECH, Hàn Quốc. Các số liệu thực nghiệm
gốc do đề tài nghiên cứu cơ bản thuộc Quỹ phát triển khoa học và công nghệ Quốc
gia (NAFOSTED), mã số 103.04- 2012.21 cung cấp. Việc xử lý số liệu thực nghiệm,
tính toán kết quả và các hiệu chính được thực hiện tại Trung tâm Vật lý hạt nhân,
Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Bố cục của luận văn gồm 3 chương cùng với phần mở đầu, kết luận
và phụ lục. Chương I là phần tổng quan về phản ứng bắt nơtron trình bày
vắn tắt về cơ chế tương tác của nơtron với vật chất, cơ chế làm chậm
nơtron, cơ chế phản ứng hạt nhân, phản ứng bắt nơtron, tiết diện của phản
ứng bắt nơtron và các loại nguồn nơtron. Chương II trình bày về thiết bị
thí nghiệm, thí nghiệm và phân tích số liệu nhằm xác định tiết diện bắt
nơtron nhiệt của phản ứng
181
Ta(n,) 182 Ta. Chương III là kết quả thực
nghiệm thu được về tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng
181
Ta(n,) 182 Ta.
Luận văn dài 62 trang có 20 hình vẽ và đồ thị, 10 bảng biểu và 36
tài liệu tham khảo.Bản luận văn được hoàn thành tại Trung tâm Vật lý
Hạt nhân, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
10
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG BẮT NƠTRON
1.1. Tương tác của nơtron với vật chất
Do không mang điện tích nên khi đi vào môi trường vật chất thì
nơtron tương tác rất yếu với các electron. Tương tác của nơtron chủ yếu
là với hạt nhân. Tương tác của nơtron với vật chất thông qua 2 quá trình
là tán xạ và hấp thụ, trong đó bao gồm các quá trình tán xạ đàn hồi, tán
xạ không đàn hồi và các phản ứng hạt nhân.
Khi một hạt nơtron chuyển động tới và va chạm với một hạt nhân
bia thì có sự trao đổi động năng giữa chúng tuân theo định luật bảo toàn
năng lượng và xung lượng. Nếu thế năng của hệ không thay đổi, thì động
năng sẽ được bảo toàn trong suốt quá trình va chạm. Hiện tượng này được
gọi là tán xạ đàn hồi.
Tán xạ là không đàn hồi khi một trong số các hạt ở trạng thái kích
thích sau va chạm. Trong suốt một quá trình va chạm không đàn hồi với 1
hạt nơtron bắn phá vào thì hạt nhân bia sẽ thể hiện một vài hiện tượng
như sau [8,13]:
1. Hạt nhân bia bị kích thích tới một mức năng lượng cao hơn. Sau
đó nó trở về trạng thái cơ bản bằng việc phát ra một hay nhiều photon.
2. Hạt nơtron tới bị bắt và hình thành hạt nhân hợp phần. Do khối
lượng của hạt nhân hợp phần này nhỏ hơn tổng khối lượng của các hạt
nhân ban đầu và hạt tới nên photon hay còn gọi là tia gamma tức thời
được phát ra với năng lượng chính bằng tổng năng lượng liên kết của
nơtron với động năng của nơtron tới, hiện tượng như vậy thường được gọi
là hiện tượng bắt phóng xạ hay phản ứng (n,), hạt nhân con không bền
và thường phân rã β. Đây chính là hiện tượng bắt nơtron.
3. Hạt tới bị bắt và năng lượng kích thích đủ lớn các hạt sơ cấp
khác được phát ra như p, α, n với năng lượng nhỏ hơn…, đó là các phản
ứng như (n,p), (n,α), (n,n’), (n,2n)…
11
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
1.2. Làm chậm nơtron
1.2.1. Nhiệt hóa nơtron
Nơtron có năng lượng 0 0.1 eV được gọi là nơtron trên nhiệt.
- Đặc điểm của các nơtron nhiệt:
Các nơtron nhiệt chuyển động trong trạng thái cân bằng nhiệt với
các phân tử môi trường. Mật độ nơtron nhiệt phụ thuộc vào năng lượng
nơtron theo quy luật Maxwell-Boltzmann:
n(E)=
e
√
(1.1)
trong đó, N=∫ n(E)dE; k=8,61×10 -5 eV/K là hằng số Boltmann và T là
nhiệt độ môi trường. Do năng lượng E và vận tốc của nơtron liên hệ với
nhau theo biểu thức E=mv 2 /2 nên biểu thức (1.1) có thể viết lại như sau:
n(v)=
Với n(v)=dN/dv; v T =
(
√
) /
e
là vận tốc có xác xuất lớn nhất. Theo
phân bố (1.2), năng lượng có xác suất lớn nhất
bình là
(1.2)
còn năng lượng trung
. Tuy nhiên người ta coi năng lượng nhiệt là năng lượng ứng
với vận tốc có xác suất lớn nhất theo biểu thức (1.1). Năng lượng này
bằng kT và được coi là thông số của phân bố Maxwell theo năng lượng. Ở
nhiệt độ phòng thí nghiệm T = 293 0 K thì v T = 2200m/sec và năng lượng
nơtron nhiệt bằng E T = 0.025eV [3].
Tuy nhiên, thực tế năng lượng trung bình của nơtron nhiệt lớn hơn
một ít so với năng lượng trung bình của chuyển động nhiệt của các phân
tử môi trường. Điều đó có nghĩa rằng các nơtron thực tế không đạt được
sự cân bằng nhiệt với môi trường. Đó là do sự hấp thụ liên tục của nơtron
trong môi trường, sự hấp thụ càng mạnh khi vận tốc của nó càng thấp.
12
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
1.2.2. Cơ chế làm chậm nơtron
Khi tán xạ đàn hồi lên các hạt nhân chất làm chậm, nơtron truyền
một phần năng lượng của mình cho các hạt nhân và mất dần vận tốc,
nghĩa là được làm chậm. Quá trình làm chậm nơtron đóng vai trò quan
trọng vì độ dày của chất làm chậm được sử dụng trong thí nghiệm [2,3].
Xét quá trình tán xạ đàn hồi của nơtron khối lượng 1, vận tốc v lên
hạt nhân đứng yên có khối lượng A. Sau va chạm nơtron có vận tốc v' và
hạt nhân có vận tốc V'. Trong hệ tâm quán tính (hình 1.1), nơtron và hạt
nhân có vận tốc trước va chạm là v 1 và V 1 , sau va chạm là v 1 ' và V 1 '.
Hình 1.1. Sơ đồ tán xạ đàn hồi của nơtron lên hạt nhân trong hệ tọa
độ phòng thí nghiệm (a) và hệ tọa độ tâm quán tính (b)
Vận tốc tâm quán tính là V c =
, do đó vận tốc nơtron trước va
chạm trong hệ tâm quán tính là:
v 1 = v - Vc =
v.
Do tổng động lượng trong hệ tâm quán tính bằng 0 nên:
v 1 = AV 1 , từ đó V 1 =
v.
Từ biểu thức bảo toàn năng lượng trong hệ tâm quán tính:
13
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
Ta có,
v 1 '=
+
=
+
và
v 1 '=AV 1 '
v
và
V1' =
v
Các vận tốc nơtron trong hệ tọa độ phòng thí nghiệm và hệ tọa độ
tâm quán tính liên hệ với nhau theo biểu thức:
⃗′ = ⃗ + ⃗′
hay: v' 2 =
+
+ 2V c v' 1 cosθ 1
trong đó θ 1 là góc bay của nơtron trong hệ tâm quán tính.
=
( + 1)
(
+2
+ 1)
Từ đó ta có tỷ số động năng nơtron sau va chạm so với trước va
chạm như sau:
′
=
=
+2
+1
( + 1)
hay
=
+
cosθ 1
(1.3)
trong đó
ε =(
Khi θ 1 =0, cosθ 1 = 1 thì
)2
(1.4)
= 1, tức là nơtron không thay đổi năng
lượng khi va chạm. Hay độ mất năng lượng của nơtron bằng 0.
Khi θ 1 = π, cosθ 1 = -1 thì
= ε, tức là nơtron thay đổi năng lượng
khi va chạm từ E sang E'= εE. Độ mất năng lượng nơtron đạt cực đại và
bằng E-E' = (1-ε) E.
Như vậy, sau một va chạm đàn hồi, nơtron có năng lượng E' thỏa
mãn điều kiện:
ε E ≤ E' ≤ E
14
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
* Tham số va chạm ζ
Để biểu diễn độ mất năng lượng khi va chạm đàn hồi, người ta dùng
tham số va chạm hay độ mất năng lượng logarit trung bình trên một va
chạm:
ζ=ln
(1.5)
Ở đây, phần gạch ngang là ký hiệu việc lấy trung bình theo số các
nơtron tham gia tán xạ. Giả sử có N nơtron tán xạ tai điểm P trong hệ tâm
quán tính và tán xạ đẳng hướng (hình 1.2).
Hình 1.2. Sơ đồ tính ζ
Khi đó số nơtron tán xạ trong khoảng góc θ 1 đến θ 2 là:
dN=2πN sinθ 1 dθ 1
(1.6)
Theo định nghĩa của ζ ta có:
ζ=
∫ ln dN =
∫ lnx dx, với x=
do đó: ζ = 1 +
Với A >>1 công thức (1.6) sẽ có dạng gần đúng như sau:
ζ=
(1.7)
.
ζ -1 =
+
15
+
(1.8)
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
Các biểu thức (1.7) - (1.8) cho thấy tham số làm chậm ζ không phụ
thuộc vào năng lượng nơtron mà chỉ phụ thuộc vào đại lượng ε = (
)2
nghĩa là vào số khối lượng của hạt nhân chất làm chậm.
* Lethargy: Mức độ làm chậm của nơtron
Lethargy là hàm phụ thuộc năng lượng E của nơtron theo biểu thức
sau:
U(E)=ln
(1.9)
trong đó : E 0 là năng lượng ban đầu của nơtron sinh ra,
E là năng lượng của nơtron sau khi được làm chậm,
Lethargy tăng khi E giảm.
* Số va chạm S
Là số va chạm cần thiết để làm chậm nơtron từ năng lượng E 1 đến
năng lượng E 2 là:
S (E 1 , E 2 ) = ζ -1 ln
(1.10)
Nếu dùng khái niệm của lethargy ta được:
S(E 1 , E 2 )= ζ -1 ×ln = ζ -1 ×(ln -ln )
(1.11)
Từ các công thức (1.5), (1.7), (1.8), (1.9) và (1.10) ta thấy rằng khi
khối lượng của các hạt nhân tăng thì ζ giảm và do đó số va chạm cần thiết
để chuyển từ nơtron nhanh đến nơtron nhiệt tăng. Bởi vậy, ta thấy rằng
các hạt nhân nhẹ có tác dụng làm chậm tốt hơn hạt nhân nặng[2,3].
Bảng 1.1 Thông số va chạm của một số hạt nhân
Hạt nhân
H1
D2
He 4
Be 9
C12
O16
Na 23
U 2 38
ε
0
0.111
0.357
0.640
0.716
0.779
0.840
0.983
ζ
1
0.726
0.425
0.207
0.158
0.120
0.0825
0.0083
14.5
20
43
70
92
121
171
1747
Số va chạm:
2MeV1eV
16
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
Tuy nhiên, để xét tính chất làm chậm của vật chất, cần tính đến tiết
diện tán xạ và hấp thụ nơtron. Các tính chất trên được thể hiện qua các
đại lượng sau đây:
Khả năng làm chậm:ζ Σ s
(1.12)
Hệ số làm chậm:
(1.13)
ζ Σ s /Σ a
trong đó: Σ s = Nσ s và Σ a =Nσ a là các tiết diện vĩ mô tán xạ và hấp thụ
nơtron, N là mật độ các hạt nhân của chất làm chậm. Biểu thức (1.12) cho
thấy khả năng làm chậm càng lớn khi ζ vàΣ s càng lớn, khi đó nơtron
càng nhanh chóng được làm chậm. Mặt khác, vật chất càng ít hấp thụ
nơtron, tức là Σ a càng bé thì nơtron được làm chậm mà ít hấp thụ trong
quá trình làm chậm. Do đó, hệ số làm chậm ζ Σ s /Σ a đặc trưng cho tính
chất làm chậm của môi trường. Đại lượng này càng lớn, chất làm chậm
càng tốt.
Trong bảng 1.2 dẫn ra các giá trị ζ Σ s và ζ Σ s /Σ a đối với một số chất
làm chậm. Từ bảng này ta thấy nước nặng có hệ số làm chậm lớn nhất, đó
là vật liệu làm chậm tốt nhất. Tuy nhiên, do giá thành cao nên nước nặng
ít được sử dụng để làm chậm nơtron một cách đại trà, mà chỉ sử dụng
trong những trường hợp cần thiết. Thực tế, người ta hay sử dụng nước
(nước thường) để làm chậm nơtron, tuy nước không có hệ số làm chậm
cao song giá thành rẻ, dễ sản xuất, dễ sử dụng và đồng thời đóng vai trò
tải nhiệt. Bởi vậy, nước được sử dụng rộng rãi trong nhiều thí nghiệm vật
lý nghiên cứu sử dụng nơtron làm chậm cũng như lò phản ứng.
* Góc tán xạ trung bình của nơtron
Góc tán xạ trung bình của nơtron lên chất làm chậm được tính bởi
công thức:
cosθ=
(1.14)
Với Hydro (A=1), xuất hiện sự tán xạ bất đẳng hướng về phía trước
rõ rệt vì cosθ=0.666 và θ=48 0 [3].
17
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
Bảng 1.2. Các thông số đối với một số chất làm chậm
Chất
Mật độ
N
(g/cm 3 )
10 24 /cm 3
H2O
1
D2O
làm
ζ
ST
ζ Σs
ζ Σ s /Σ a
0.0335
0.948
~18.2
1.350
61
1.1
0.0331
0.570
31.8
0.188
5700
Be
1.85
0.1236
0.209
86
0.155
125
BeO
3
0.0728
0.173
105
0.120
170
C
1.6
0.0803
0.158
114
0.061
205
chậm
* Độ dài làm chậm
Độ dài làm chậm là độ dài quãng đường mà nơtron đi được trong
chất làm chậm để năng lượng E 0 ban đầu của nơtron giảm xuống năng
lượng E T , ta gọi τ T là tuổi nơtron nhiệt, thì đại lượng √τ được gọi là độ
dài làm chậm.
Đối với chất làm chậm là nước, năng lượng E 0 = 2MeV, E T =0.025
eV, τ T =27 cm 2 , suy ra độ dài làm chậm sẽ là: √τ = 5.2 cm [3].
1.3. Hạt nhân hợp phần, hạt nhân kích thích
1.3.1. Các cơ chế phản ứng hạt nhân
a. Các cơ chế phản ứng hạt nhân
- Cơ chế phản ứng hạt nhân hợp phần:
Đối với cơ chế phản ứng hạt nhân hợp phần, các hạt tham gia tương
tác (a và A) tạo nên hạt nhân hợp phần C và sau đó hạt nhân hợp phần
này phân rã thành các hạt thứ cấp (b và B).
a+AC và Cb+B
N.Bohr giả thuyết rằng, hai giai đoạn tạo nên hạt nhân hợp phần C
và phân rã hạt nhân này là độc lập nhau. Khả năng phân rã hạt nhân hợp
18
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
phần không phụ thuộc cách tạo nên hạt nhân hợp phần mà chỉ phụ thuộc
vào năng lượng, momen động lượng và tính chẵn lẻ của hạt nhân này.
Điều này có thể minh họa bằng thời gian xảy ra phản ứng hạt nhân qua
giai đoạn hạt nhân hợp phần. Nếu hạt nhân có kích thước 10 -12 cm và hạt
bay qua hạt nhân với tốc độ 10 10 cm/s thì thời gian để hạt đó đi qua hạt
nhân là 10 -12 /10 10 =10 -22 s. Thời gian này gọi là thời gian đặc trưng của hạt
nhân. Đối với phản ứng hạt nhân hợp phần, hạt nhân hợp phần có thể tồn
tại với thời gian lâu hơn hàng triệu hoặc hàng tỷ lần thời gian đặc trưng
của hạt nhân trước khi phân rã thành các hạt thứ cấp. Chính vì vậy mà
quá trình phân rã của hạt nhân hợp phần không phụ thuộc vào cách tạo ra
nó [4].
- Cơ chế phản ứng hạt nhân trực tiếp:
Trong cơ chế phản ứng hạt nhân trực tiếp, hạt a đi vào chỉ tương
tác với một nucleon hoặc một số nucleon trong hạt nhân A và truyền trực
tiếp năng lượng của mình cho các nucleon này và phản ứng hạt nhân xảy
ra trong thời gian vào cỡ thời gian đặc trưng của hạt nhân (10 -22 s). Để có
phản ứng hạt nhân trực tiếp thì năng lượng của hạt tới phải đủ lớn để
bước sóng của nó nhỏ hơn kích thước hạt nhân [4]. Tiết diện phản ứng
tăng theo năng lượng hạt tới và không có tính chất cộng hưởng. Hạt bay
ra có phân bố góc không đẳng hướng, ưu tiên về phía trước, điều này
khác với phản ứng hạt nhân theo cơ chế hợp phần, phân bố gần như đẳng
hướng. Phân bố góc của sản phẩm phản ứng phụ thuộc mạnh vào sự
truyền xung lượng và thay đổi độ chẵn lẻ trong quá trình phản ứng.
- Cơ chế phản ứng hạt nhân trước cân bằng:
Cơ chế phản ứng hạt nhân trước cân bằng có thể coi là cơ chế trung
gian giữa cơ chế phản ứng hạt nhân hợp phần và cơ chế phản ứng hạt
nhân trực tiếp. Đối với cơ chế phản ứng hạt nhân hợp phần, trước khi
phân rã hạt nhân hợp phần phải đạt đến trạng thái cân bằng thống kê nên
cần một thời gian rất lớn so với thời gian đặc trưng của hạt nhân. Trong
19
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
khoảng thời gian thiết lặp sự cân bằng hạt nhân hợp phần có thể phân rã
ngay cả trước khi đạt được sự cân bằng hoàn toàn [4].
1.3.2. Phản ứngbắt nơtron nhiệt
Tương tác giữa các nucleon trong hạt nhân nguyên tử rất mạnh nên
khi hấp thụ một nơtron thì năng lượng của hạt tới được phân bổ một cách
nhanh chóng trong toàn hạt nhân. Hạt nhân sau đó trở thành trạng thái
kích thích trong khoảng thời gian 10 -14 – 10 -15 s. Có thể nói hạt nhân đã
bắt nơtron và trở thành hạt nhân hợp phần [8, 13].
Các hạt nhân hợp phần này bị kích thích mạnh do năng lượng liên
kết của nơtron, cộng thêm động năng của nó. Năng lượng kích thích được
giải phóng bằng cách phát ra các hạt như (p,n,2n,d,α…) hoặc bức xạ điện
từ (γ). Mỗi quá trình có một xác suất nhất định và độc lập với sự hình
thành nên hạt nhân hợp phần (do sự phân bố rất nhanh của năng lượng
trên tất cả các nucleon), tuy nhiên xác suất đó lại phụ thuộc vào mức kích
thích.
Tổng quát:
a A C*
C * B1 b1 Q1
Hay
trong đó
(1.15)
*
C B 2 b2 Q 2 ...
C* : Hạt nhân hợp phần,
a, A : Hạt/bức xạ tới và hạt nhân bia,
Q : Nhiệt lượng tỏa ra sau phản ứng
Xác suất các phản ứng sau khi nơtron bị bắt là σ(n,α),
σ(n,p),σ(n,γ),…Vậy σ(n,x) chính là xác suất của phản ứng bắt 1 nơtron và
hạt nhân hợp phần phát ra hạt/bức xạ nào đó.
Khi hạt nhân hấp thụ (bắt) nơtron nhiệt (năng lượng 0.025 eV) sẽ
tạo thành hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích. Năng lượng kích
thích bằng tổng năng lượng liên kết của nơtron và động năng của nơtron
tới [1,8]:
20
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
E * = E n + ∆E
(1.16)
trong đó: E * : Năng lượng kích thích của hạt nhân hợp phần,
E n : Động năng nơtron tới,
∆E : Năng lượng liên kết của nơtron với hạt nhân bia
Hạt nhân hợp phần có thể phát ra một hoặc vài tia gamma có năng
lượng cao (~7-8 MeV) để trở về trạng thái cơ bản như được mô tả trên
hình 1.3. Các tia gamma này đặc trưng cho từng hạt nhân. Quá trình từ
khi bắt nơtron tới khi phát ra tia gamma diễn ra trong khoảng thời gian
rất ngắn (10 -18 - 10 -15 giây) nên bức xạ gamma này được gọi là bức xạ
gamma tức thời.
Sau khi phát bức xạ gamma tức thời, hạt nhân hợp phần có thể trở
thành hạt nhân bền hoặc hạt nhân phóng xạ tiếp tục phân rã beta và phát
ra các tia gamma trễ với chu kì bán rã xác định được. Trong nhiều trường
hợp phương pháp kích hoạt thường đo các tia gamma trễ.
Hình 1.3. Sơ đồ phân rã hạt nhân của phản ứng bắt nơtron nhiệt
1.3.3. Trạng thái kích thích
Xem xét các mức kích thích của hạt nhân hợp phần có thể phân biệt
được các trạng thái liên kết mà năng lượng của nó nhỏ hơn năng lượng
liên kết của các nucleon liên kết yếu nhất và từ đó mà hiện tượng giải
21
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
phóng kích thích xảy ra khi phát ra tia gamma hay các nucleon. Cùng với
sự tăng năng lượng kích thích thì mật độ mức cũng tăng.
Bằng chứng thực nghiệm cho thấy các mức kích thích này được tìm
thấy trong khi bắt nơtron của các nucleon. Hạt nhân hơp phần C* được
hình thành có một mức năng lượng kích thích tương ứng với sự khác biệt
về khối lượng của phản ứng a A C* cộng thêm động năng của các
nơtron bị bắt (hình 1.4).
Hình 1.4. Các mức năng lượng kích thích của hạt nhân hợp phần
Năng lượng tổng trên có thể trùng khớp tuyệt đối với mức năng
lượng đang có của hạt nhân hợp phần. Trong trường hợp này, phản ứng sẽ
xảy ra với suất lượng cao (cộng hưởng).Từ năng lượng cộng hưởng này,
có thể tính toán được các mức năng lượng hạt nhân.
Như đã đề cập, giải phóng năng lượng kích thích từ một mức năng
lượng đã biết có thể diễn ra theo một vài cách: phát ra hạt (p,n,α…) hoặc
22
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
một photon. Xác suất xảy ra của mỗi quá trình này có thể được biểu diễn
như là các độ rộng mức riêng phần: , p , n , ...
(1.17)
p n ...
Xác suất tương đối khi phát , p , n, ... là:
/ , p / , n / , / ...
(1.18)
Xác suất tổng cộng ( n, x) cho phản ứng (n, x) :
(n, x) C x /
(1.19)
trong đó C : xác suất tạo thành hạt nhân hợp phần,
x / : đã được định nghĩa ở công thức (1.18).
1.4. Tiết diện bắt nơtron nhiệt
1.4.1. Khái quát về tiết diện phản ứng
Nếu hạt nhân bia A có N hạt nhân/cm 3 , mỗi hạt có diện tích hiệu
dụng là [8,24]:
RA2 ( cm 2 )
(1.20)
Một chùm nơtron có thông lượng ( neutrons.cm 2 .s 1 ) bắn phá vào
hạt nhân thì số va chạm có thể xảy ra là:
Số va chạm/ cm3 / s N (cm3.s 1 )
(1.21)
Giả thiết rằng sự chồng chập về các diện tích hạt nhân là không
đáng kể, bia phải là một lá kim loại rất mỏng.
Công thức (1.21) chỉ ra rằng số va chạm tỷ lệ với thông lượng và số
hạt nhân bia trong 1 cm3 . Hằng số tỷ lệ () chính là tiết diện của phản ứng
hạt nhân. Từ đây suy ra:
col (cm2 )
so va cham(cm 3.s 1) )
(cm2 .s 1 ).N (cm3 )
(1.22)
Tiết diện phản ứng hạt nhân có đơn vị là diện tích ( cm 2 ), đơn vị
thường sử dụng là barn (b), 1b 1024 cm2 .
23
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
1.4.2. Tiết diện bắt nơtron nhiệt
Nơtron nhiệt là các nơtron có vận tốc v0 trong phân bố Maxwellian
tại 20 0 C là 2200 m/s hay có năng lượng là 0.025 eV.
a. Tiết diện phản ứng
Thực nghiệm cho thấy, đối với Z < 88 thì tất cả các phản ứng xảy
ra với tiết diện ( n, ) (trừ các trường hợp đã được định trước). Tốc độ
phản ứng với thông lượng nhiệt nhất định có thể được rút ra từ tiết diện
0 tương ứng với vận tốc 0 trong điều kiện ( ) 1 / . Một số tác giả
khác định nghĩa tiết diện phản ứng là tổng của tất cả các tiết diện của các
tương tác, trừ tán xạ đàn hồi [8].
Tiết diện hấp thụ, abs là tiết diện phản ứng đặc trưng được đo bằng
cách quan sát chính phản ứng đó khi mà nơtron bị hấp thụ. Phương pháp
chung được sử dụng trong việc tính tiết diện này đã được đề xuất bởi
Hughes: Dao động chồng chập,sự chênh lệch 2 / 0t , một số phương
pháp ngoại suy. Đối với phương pháp kích hoạt, tiết diện hấp thụ là đại
lượng rất quan trọng để tính toán các hiệu ứng che chắn nơtron.
Tiết diện kích hoạt act , chủ yếu đối với nơtron nhiệt là ( n, ) ,
hoặc là ( n, p ), (n, ), ( n, f ) …được xác định thông qua hoạt độ của hạt
nhân sản phẩm. Trong phương pháp kích hoạt, từ giá trị của act có thể
tính toán được hoạt độ tạo ra bởi các phản ứng hạt nhân cho trước.
b. Tiết diện tán xạ
Tiết diện tán xạ thường là không thay đổi trong vùng năng lượng
nhiệt. Chúng đặc biệt quan trọng cho các hạt nhân nhẹ hoặc tại các
nơtron năng lượng cao hơn.
Về mặt vật lý, có thể chia ra làm một số loại tán xạ, tương ứng với
tiết diện: tiết diện tán xạ liên kết ( coh ), tiết diện nguyên tử tự do ( fa ),
24
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
tiết diện tán xạ trung bình ( s ), tiết diện tán xạ vi phân ( d / d ) đối với
tán xạ ở 1 góc khối cho trước ( , ) [8].
c. Tiết diện toàn phần T
Tiết diện toàn phần bao gồm cả tiết diện tán xạ và tiết diện hấp thụ
[8,13,24] :
T abs s
(1.23)
Khi nơtron tương tác với mẫu thì một phần nơtron sẽ bị mất đi do
tán xạ hay hấp thụ. Trong rất nhiều trường hợp, hạt nhân phóng xạ được
hình thành do hấp thụ.
Nếu phản ứng chỉ cho 1 đồng vị phóng xạ thì act abs (1.24)
Trong trường hợp nguyên tố có nhiều đồng vị thì abs không được
xác định bởi các đồng vị tự nhiên riêng lẻ mà tuân theo công thức sau
[24] :
abs act 1act1 2 act 2 3act3 ...
(1.25)
với là độ phổ cập đồng vị.
Nếu nơtron bị bắt bởi các đồng vị bền thì act abs
Nơtron nhiệt bị hấp thụ gần như hoàn toàn bởi
114
(1.26)
113
Cd trơ từ phản ứng ( n, ) . Vì thế mà act abs
d. Tiết diện vĩ mô
Cd , hình thành
(1.27)
Tất cả các tiết diện được định nghĩa ở trên gọi là các tiết diện vi
mô khi ta đề cập tới các hạt nhân riêng lẻ.
Tiết diện vĩ mô được định nghĩa như sau [8,13,24] :
N
trong đó:
NA
(1.28)
A
là mật độ khối lượng ( g.cm3 )
A là số khối của nguyên tử
25
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
N A là số Avogadro
N là số nguyên tử trên cm3
là tiết diện vĩ mô ( cm 1 )
Tiết diện hấp thụ hay tán xạ vĩ mô cũng có thể được tính bằng công
thức sau:
i Ni
(1.29)
i
e. Các thông số cộng hưởng
Một số tài liệu đã cho các bảng liệt kê về các thông số cộng hưởng
và đường biểu diễn tiết diện nơtron. Thực vậy, tiết diện phụ thuộc vào
năng lượng và hiện tượng cộng hưởng có thể xảy ra tại một năng lượng
nhất định. Số liệu cho trong các bảng bao gồm: Năng lượng cộng hưởng
E0 ( Er , Tr ) , độ rộng mức toàn phần và các độ rộng mức , , , n , f …
Đối với các hạt nhân nặng, cộng hưởng hầu như là từ phản ứng
( n, ) . Tuy nhiên đối với các hạt nhân nhẹ, cộng hưởng chủ yếu là do tán
xạ và đôi khi là từ phản ứng ( n, ) hoặc ( n, p ) .
f. Tiết diện bắt nơtron nhiệt và tích phân cộng hưởng
Tiết diện bắt nơtron thường được chia làm 3 vùng (hình 1.5):
Vùng năng lượng thấp, đối với hầu hết các hạt nhân, tiết diện bắt
phát xạ phụ thuộc vào 1/
. Do tốc độ của nơtron tỷ lệ với
, có thể
rút ra tiết diện bắt nơtron nhiệt phụ thuộc vào 1/ trong đó là vận tốc
của nơtron tới. Tiết diện phản ứng bắt nơtron tại năng lượng nhiệt (0.025
eV) có xác xuất lớn nhất.
Vùng năng lượng trên vùng 1/v được gọi là vùng cộng hưởng, tiết
diện bắt nơtron của cộng hưởng riêng biệt trong vùng này có thể được
biểu diễn theo công thức công thức Breit- Wigner [4, 22]:
n, 2n g
n
(E E r )
2
2
26
2
(1.30)
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
trong đó E là năng lượng nơtron, E r là năng lượng cộng hưởng, n là bước
sóng của nơtron, n , là độ rộng riêng phần đối với nơtron và bức xạ
gamma, = n + ; là bước sóng của nơtron:
=
ℏ
=
. ×
, trong
đó E n là năng lượng nơtron (MeV); g là hệ số thống kê, là thước đo xác
xuất tạo thành trạng thái hợp phần.
Các nơtron tới trên nhiệt làm cho hạt nhân bia đạt đến các trạng
thái cộng hưởng và cuối cùng phân rã về trạng thái cơ bản. Tổng của tất
cả các cộng hưởng này được gọi là tích phân cộng hưởng I. Đoạn đầu của
các cộng hưởng này được tạo bởi các nơtron có năng lượng thấp hơn
đóng góp vào tiết diện nơtron nhiệt .Các cộng hưởng ở vùng sau các
cộng hưởng riêng biệt thường chồng chập nhau rất phức tạp và khó có thể
xác định được một cách riêng lẻ. Do đó người ta thường xác bằng giá trị
tích phân cộng hưởng I. Ở vùng năng lượng nhiệt, tiết diện tỉ lệ nghịch
với vận tốc có thể được rút ra từ công thức Breit- Wigner (1.30).
Vùng thứ ba, tiết diện bắt nơtron giảm rất nhanh theo năng lượng
của nơtron.
Hình 1.5 biểu diễn tiết diện bắt nơtron như là một hàm của năng
lượng. Hình vẽ có thể chia làm 3 vùng tương ứng với dải năng lượng của
nơtron nhiệt, nơtron trên nhiệt và nơtron nhanh.
27
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
Hình 1.5. Tiết diện của phản ứng 181 Ta(n, ) 182 Ta theo năng lượng
1.5. Các nguồn nơtron chính
Các nguồn nơtron được tạo ra bằng nhiều phương pháp khác nhau
và có những đặc trưng về phân bố năng lượng, thông lượng khác
nhau.vv.. do vậy mà nó có những ưu nhược điểm khác nhau tùy thuộc vào
mục đích sử dụng.
1.5.1. Nguồn nơtron đồng vị
- Nguồn nơtron từ phản ứng(α,n): Các nguyên tố siêu Uran như
239
Pu,
241
Am,
252
Cf .vv.. phân rã ra hạt alpha, hạt alpha này lại cho tương
tác với 9 Be tạo ra nơtron theo phản ứng:
4
He + 9 Be n +
12
C + 5.7MeV
Ngoài 9 Be người ta cũng có thể dùng các nguyên tố nhẹ khác như
B,F,Li bằng cách trộn lẫn với Be ở dạng bột.
Do các hạt α có năng lượng khác nhau và năng lượng của chúng bị
suy giảm trong môi trường vật chất nguồn trước khi phản ứng xảy ra nên
28
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
phổ nơtron của nguồn đồng vị (α,n) là phổ liên tục từ vùng nhiệt tới
khoảng 10 MeV.
- Nguồn nơtron từ phản ứng (,n) (còn được gọi là nguồn quang
nơtron hay photonơtron):[15]
+ 9 Be n + 8 Be
(năng lượng ngưỡng 1.67MeV)
+2D n + H
(năng lượng ngưỡng 2.23MeV)
Đối với nguồn đồng vị (γ,n), các đồng vị phát bức xạ gamma thường
được sử dụng là
124
Sb,
24
Na,
140
La,
72
Ga,...có năng lượng khoảng từ 2 – 3
MeV và thường chỉ sử dụng hai loại bia nhẹ là 9 Be và 2 H qua các phản
ứng hạt nhân 9 Be(γ,n) 8 Be và 2 H(γ,n) 1 H. Nếu dùng tia gamma đơn năng có
năng lượng lớn hơn năng lượng ngưỡng của phản ứng (γ, n) thì nhận được
nơtron hầu như đơn năng do bức xạ gamma bị mất năng lượng rất ít trong
môi trường vật chất nguồn. Suất lượng loại nguồn này khoảng 10 5 n/s.
- Nguồn nơtron từ sự phân hạch của
252
Cf: Trong các nguồn nơtron
đồng vị thì đây là nguồn thường được sử dụng hơn cả. Đồng vị
252
Cf có
chu kỳ bán rã là 2.73 năm; có 3.2% phân rã bằng phân hạch tự phát, phát
ra 3.7 nơtron trong mỗi lần phân hạch theo các kênh sau:
252
Cf 140 Xe +
108
252
Cf 140 Cs +
109
Ru + 4n +Q.
Tc + 3n +Q.
Năng lượng trung bình của nơtron được phát ra từ nguồn này cõ
1.5MeV và suất lượng có thể lên tới 10 9 n/s.
1.5.2. Nguồn nơtron từ lò phản ứng
Các nơtron sinh ra trong lò phản ứng hạt nhân có năng lượng trong
khoảng 0 đến 20 MeV và có thông lượng lớn có thể đến10 15 n/cm 2 /s mà
các nguồn khác khó có thể đạt được. Quá trình phân hạch của các nguyên
tử trong lò phản ứng hạt nhân hoặc quá trình va chạm của các nguyên tố
nặng với proton đều sinh ra nơtrron:
n+
92 U
235
56 Ba 137 + 36 Kr 97 +2n
29
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
Nơtron sinh ra cùng với quá trình phân hạch được gọi là nơtron tức
thời và chiếm 99% trong tổng số nơtron, ngoài ra, một số sản phẩm phân
hạch phân rã betha và kèm theo phát ra nơtron, các nơtron này được gọi
là nơtron trễ và chỉ chiếm 1% trong tổng số nơtron.
Phân bố năng lượng trong các lò phản ứng hạt nhân được chia
thanh ba vùng năng lượng như sau:
- Nơtron nhiệt 0 < E n 0.1eV
- Nơtron trung gian 0.1eV < E n 100 keV
- Nơtron nhanh 100 keV < E n 20MeV
1.5.3. Nguồn nơtron từ máy gia tốc
Các nguồn nơtron tạo ra từ máy gia tốc có những ưu điểm rất lớn
như: có cường độ dòng nơtron đạt được lớn hơn vài bậc so với các nguồn
đồng vị. Bằng máy gia tốc có thể tạo ra được chùm nơtron đơn năng hoặc
có dải năng lượng rộng. Cũng có thể tạo ra chùm nơtron dạng xung. Có
nhiều loại máy gia tốc để tạo nguồn nơtron :
Có thể thu được nguồn nơtron đơn năng dựa trên phản ứng (d,d)
hoặc (d,t) từ các máy phát nơtron 14 MeV, hoặc các phản ứng (d,n), (p,n)
với chùm dơtron hay proton được gia tốc bằng máy gia tốc Van de Graff
hoặc với máy gia tốc hạt tròn để thay đổi năng lượng hạt tới để thu được
nơtron đơn năng. Nơtron được tạo ra theo các phản ứng sau:
2
H(d, n) 3 He ; Q=3.268 MeV
3
H(d, n) 4 He ;Q=17.588 MeV
Phản ứng 3 H(d,n) 4 He có tiết diện rất lớn, tại đỉnh cộng hưởng có thể
lên tới 5 barn, do đó tạo ra chùm nơtron nhanh với suất lượng lớn. Trong
phản ứng 2 H(d,n) 3 He cho nơtron năng lượng thấp (2-4 MeV), còn phản
ứng 3 H(d,n) 4 He cho năng lượng cao (13-15 MeV). Suất lượng nơtron phụ
thuộcvào năng lượng chùm đơteron. Năng lượng của nơtron phát ra trong
30
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
các phản ứng trênngoài phụ thuộc vào năng lượng đơteron bắn phá,còn
phụ thuộc vào góc phát xạ của nơtron tạo ra với hướng chùm đơteron tới.
Có thể thu được chùm nơtron rất mạnh bằng máy gia tốc electron thẳng dựa
trên phản ứng (,n). Máy gia tốc electron là một thiết bị có thể tạo các electron năng
lượng cao. Bằng cách sử dụng tương tác của eletron đã được gia tốc với vật chất để
tạo ra các nguồn bức xạ hãm có năng lượng cao và cường độ lớn. Các bức xạ hãm
được phát ra lại tiếp tục tương tác với vật chất bia hãm (trường hợp bia dày làm
bằng kim loại nặng) hoặc bia thứ cấp đặt phía sau bia hãm để tạo ra nơtron. Nơtron
có phổ liên tục. Phổ nơtron phát ra từ các bia trên các máy gia tốc electron có thể
chia làm 2 phần: phần thứ nhất có dạng tương tự phân bố Maxwell, các nơtron sinh
ra theo cơ chế bay hơi từ các phản ứng quang hạt nhân thông qua giai đoạn hợp
phần. Đây là phần nơtron năng lượng thấp, phát xạ gần như đẳng hướng và đóng
góp chính trong phổ nơtron. Phần thứ hai là các nơtron có năng lượng cao hơn sinh
ra từ các tương tác trực tiếp của electron và photon với hạt nhân bia, phân bố của
các nơtron không đẳng hướng và chiếm một tỷ lệ thấp trong phổ nơtron.
Một loại nguồn nơtron năng lượng lớn được tạo ra trên các máy gia
tốc hạt năng lượng cao như sychrotron , nowtron được tạo ra bằng cách
bắn phá chùm proton được gia tốc tới năng lượng GeV bào bia kim loại
nặng, năng lượng nơtron có thể lên đến hàng trăm MeV.
31
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN BẮT
NƠTRON NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG
181
Ta(n,) 182 Ta
Quá trình bắt nơtron đã đẩy các hạt nhân từ trạng thái bền lên trạng
thái kích thích và sau đó trở thành hạt nhân phóng xạ, đồng thời phát ra
các tia gamma. Dựa trên năng lượng của bức xạ gamma và xác định hoạt
độ phóng xạ của các hạt nhân sản phẩm là căn cứ để xác định tiết diện
phản ứng hạt nhân nghiên cứu.
Nghiên cứu phản ứng hạt nhân (n,) chủ yếu được thực hiện trên lò
phản ứng hạt nhân, trên nguồn nơtron đồng vị hoặc sử dụng nguồn nơtron
xung trên máy gia tốc.
Một số bước trong quy trình thực nghiệm của đề tài nghiên cứu này
như kích hoạt mẫu được thực hiện trên máy gia tốc electron tuyến tính tại
trung tâm Pohang, Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang
(POSTECH), Hàn Quốc.Đo hoạt độ phóng xạ bằng hệ phổ kế gamma bán
dẫn được xây dựng trên detecto gecmani siêu tinh khiết (HPGe) kết nối
với máy phân tích biên độ đa kênh. Thí nghiệm được thực hiện theo
phương pháp bia cố định.
2.1. Thiết bị thí nghiệm
2.1.1.Máy gia tốc thẳng và nguồn nơtron xung trên máy gia tốc
electrontuyến tính năng lượng 100 MeV
- Nguyên tắc hoạt động của máy gia tốc thẳng LINAC
Nguyên lý chung của máy gia tốc linac là các hạt được đưa vào các
ống gia tốc có chứa các điện cực và được gia tốc bởi điện trường xoay
chiều có tần số cao đặt tại các trạm giữa các điện cực. Hạt chuyển động
theo một đường thẳng.
Các hạt chuyển động qua ống sẽ được gia tốc trong các khoảng
trống giữa các điện cực nếu có sự phù hợp giữa pha của sóng điện từ và
tốc độ hạt. Khoảng cách giữa các điện cực tăng dần dọc theo chiều dài
của ống để đảm bảo sự phù hợp về pha.Để đảm bảo sự đồng bộ khi hạt
32
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
chuyển động trong các ống thì thời gian chúng chuyển động trong các
ống phải bằng nhau. Độ dài các ống phải tăng dần vì năng lượng và tốc
độ hạt tăng dần. Đây là nguyên lý gia tốc kiểu Alvarez được áp dụng chủ
yếu với proton và các ion nặng.
Đối với electron do tốc độ rất lớn, do đó cần phải tăng kích thước
ống rất dài, điều này là khó có thể thực hiện được. Do chiều dài ống tỷ lệ
với βλ, trong đó β là vận tốc tương đối, λ là bước sóng, nên có thể thu
ngắn các ống bằng việc sử dụng có một nguồn siêu cao tần để gia tốc
hạt.Pha của các tín hiệu ở mỗi trạm được điều chỉnh sao cho các electron
có thể liên tục nhận được năng lượng từ sóng chuyển động và nó đạt tới
vị trí đỉnh của sóng ở điểm cuối của những ống dẫn sóng, như vậy các
electron liên tục được gia tốc.Việc hội tụ dòng electron được thực hiện
bởi từ trường được tạo ra từ các nam châm điện bên ngoài ống dẫn sóng.
Các electron chuyển động theo một đường thẳng. Các ống thường có cấu
trúc đặc biệt để có thể gia tốc electron theo kiểu sóng chạy hoặc sóng
đứng.
Đối với gia tốc kiểu sóng đứng: các electron được phát ra từ một
súng điện tử và được đưa vào ống gia tốc.Các điện tử chịu tác dụng của
sóng siêu cao tần trong đó thành phần điện trường gia tốc chạy dọc theo
trục của ống dẫn sóng. Các điện tử được phát thành chùm dưới dạng xung
và cưỡi lên trên đỉnh sóng.Tốc độ điện tử phù hợp với tốc độ pha của
sóng siêu cao tần để điện tử có thể liên tục nhận năng lượng từ điện
trường sóng siêu cao tần.
Nguyên lý gia tốc kiểu sóng đứng: Dựa trên nguyên tắc tạo sóng
đứng do sự giao thoa giữa sóng tới và sóng phản xạ. Năng lượng được
phản xạ trước và sau ở điểm cuối của hốc cộng hưởng. Để tạo ra sóng
đứng người ta dùng các hốc đặt nối tiếp giữa các ống dẫn sóng để tạo độ
lệch pha 180 0 giữa các hốc.
33
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
Kiểu gia tốc sóng chạy thường sử dụng đối với các hạt nhẹ gần với
vận tốc ánh sáng. Kiểu gia tốc sóng đứng gia tốc các hạt tốc độ chậm hơn
Thông thường máy gia tốc linac hoạt động với từ trường biến đổi
dạng sin và được gọi là gia tốc RF (radio frequency). Trường gia tốc RF
được tạo trong một thể tích giới hạn còn gọi hốc gia tốc (cavity).Sóng
cao tần thường được phát ra từ một đèn Magnetron đối với các máy công
suất nhỏ hoặc từ các Klystron với loại công suất lớn.RF linac hoạt động
trong giải tần số từ vài MHz tới vài GHz. Chúng thích hợp cho việc gia
tốc các hạt nhẹ như electron (giải tần GHz) cũng như các hạt nặng hơn
như proton (giải tần MHz).
Nguồn hạt: electron được phát ra từ các loại nguồn catôt lạnh, catôt
nóng, catôt quang điện, nguồn RF… proton phát ra từ các loại nguồn ion
khác nhau.
-Nguồn nơtron xung trên máy gia tốc electrontuyến tính năng
lượng 100 MeV
Nguồn nơtron xung được sử dụng trong nghiên cứu được tạo ra trên
máy gia tốc electron tuyến tính (linac) và qua hệ thống làm chậm bằng
nước.
Nguyên tắc tạo ra chùm nơtron từ các máy gia tốc điện tử như
sau:trước hết, chùm electron đã được gia tốc bắn vào một bia hãm làm
bằng kim loại nặng, nhiệt độ nóng chảy cao như Ta hoặc W để tạo ra bức
xạ hãm. Bức xạ hãm sau khi được sinh ra sẽ tạo ra phản ứng quang hạt
nhân (,xn) để giải phóng một hoặc nhiều nơtron. Các phản ứng quang
hạt nhân là phản ứng ngưỡng. Vì vậy để có thể gây ra phản ứng chùm
photon phải có năng lượng lớn hơn ngưỡng của phản ứng.
Đối với các hạt nhân nặng, phản ứng (,n) đóng vai trò chính trong
vùng cộng hưởng khổng lồ. Phần lớn các nơtron sinh ra theo cơ chế bay
hơi, có năng lượng thấp và phân bố gần như đẳng hướng. Một tỷ lệ thấp
và chủ yếu là các nơtron năng lượng cao được tạo ra từ các tương tác trực
34
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
tiếp của electron và photon hãm với các hạt nhân bia. Tiết diện tương tác
của electron với hạt nhân nhỏ hơn 1/137 lần so với tương tác của photon
với hạt nhân nên đóng vai trò thứ yếu.
Các photon hãm trực tiếp gây phản ứng quang hạt nhân với các hạt
nhân của bia hãm hoặc các hạt nhân của bia thứ cấp được đặt phía sau bia
hãm sinh ra nơtron. Các vật liệu nặng, số Z lớn có năng lượng liên kết
nơtron thấp và mật độ cao nên cho suất lượng phát nơtron lớn. Riêng
trường hợp của Be và D, mặc dù số Z nhỏ nhưng năng lượng liên kết
nơtron của chúng thấp một cách bất thường và năng lượng ngưỡng của
các phản ứng (,n) thấp (1,67 MeV đối với Be và 2,22 MeV đối với D),
nên cũng thường được sử dụng làm bia để tạo ra nguồn quang nơtron.
Năng lượng của nơtron sinh ra từ các phản ứng quang hạt nhân
(quang nơtron) phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng của bức xạ hãm và số
khối của hạt nhân bia. F. Jallu đã đưa ra biểu thức tính gần đúng năng
lượng của nơtron (E n )đối với các electron có động năng trong khoảng từ 5
25 MeV như sau:
2( A 1)( k Es ( ,n ) )
A 1
k2
En
k E s ( ,n )
k
A
1862( A 1)
931A3
1/ 2
cos
(2.3)
trong đó, k là năng lượng của photon (MeV), A là số khối của bia,
E s(,n) là năng lượng ngưỡng của phản ứng (MeV), là góc phát xạ của các
nơtron so với trục của chùm electron (độ). Từ biểu thức (2.3) ta thấy
năng lượng của nơtron thay đổi chậm theo góc phát xạ, đặc biệt là với các
nguyên tố nặng.
Suất lượng phát nơtron (n/s) có thể biểu diễn bằng công thức dưới
đây:
n ( E)
N0
t T (E) e
M
(2.4)
trong đó M, , và t là khối lượng nguyên tử, mật độ và bề dày của bia, N 0
là số Avogadro, e là thông lượng chùm electron tới (electron/s), T là
35
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
tiết diện toàn phần bao gồm tổng tiết diện của tất cả các quá trình dẫn tới
phát xạ nơtron.
Nguồn nơtron xung sử dụng trong nghiên cứu này được tạo ra trên máy gia tốc
electron tuyến tính có năng lượng cực đại 100 MeV đặt tại Trung tâm gia tốc
Pohang, Hàn Quốc.
Nguyên lý chung của máy gia tốc electron tuyến tính là các electron được gia
tốc bởi điện trường tần số cao đặt tại các trạm trên ống gia tốc. Độ dài của các phần
ống gia tốc liên tiếp được điều chỉnh tăng dần theo tốc độ của hạt và đảm bảo sự
phù hợp giữa pha của sóng điện từ và tốc độ hạt. Các electron được tạo ra dưới dạng
xung từ các súng bắn điện tử (RF-gun). Pha của các tín hiệu ở mỗi trạm được điều
chỉnh sao cho các electron có thể liên tục nhận được năng lượng từ sóng chuyển
động và nó đạt tới vị trí đỉnh của sóng ở điểm cuối của những ống dẫn sóng, như
vậy các electron liên tục được gia tốc. Việc hội tụ dòng electron được thực hiện bởi
từ trường được tạo ra từ các nam châm điện bên ngoài ống dẫn sóng. Các electron
chuyển động theo một đường thẳng.
Máy gia tốc electron tuyến tính 100 MeV tại Trung tâm Gia tốc Pohang, Hàn
quốc (xem hình 2.1), có sơ đồ nguyên lý cấu tạo như trên hình (2.2).
Hình 2.1. Máy gia tốc electron tuyến tính 100 MeV tại Pohang,Hàn Quốc
36
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
Hình2.2.Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính 100 MeV.
QD: Cặp đôi nam châm tứ cực;
BTC: Bộ phận chuyển chùm tia thành dòng;
FS: Bộ hội tụ điện từ;
AC: Ống gia tốc;
SC: Cuộn lái dòng;
QT: Bộ ba nam châm tứ cực;
ORT: Bộ chuyển đổi bức xạ quang;
BPRM: Bộ phận ghi nhận giám sát chùmtia.
Các bộ phận chính của máy gia tốc bao gồm: nguồn phát electron (RF-gun),
một nam châm alpha, ba cặp đôi nam châm tứ cực (quadrupole doublet), hai đoạn
ống gia tốc, một bộ ba nam châm tứ cực (quadrupole triplet), một nam châm phân
tích dòng (beam analyzing magnet), một nam châm điều tiêu (focusing magnet),
một bộ phát sóng cao tần và cung cấp năng lượng (klytron),… Toàn bộ máy gia tốc
dài 15 mét.
Máy gia tốc electron tuyến tính 100 MeV ở Pohang có thể gia tốc chùm
electron tới năng lượng 100 MeV, dòng đạt 100 mA, độ rộng xung 1 4 s, tần số
của xung 1015 Hz. Bán kính của chùm electron ở monitơ dòng trước bia là 20
mm.
Bia tạo quang nơtron bao gồm 10 tấm Ta có đường kính 4.9 cm, dày
7.4 cm, giữa các tấm Ta là lớp nước dày 0.15 cm. Bia Tađược bọc trong ống
làm bằng Titanium.Theo các tính toán bằng phương pháp Monte-Carlo với
chương trình EGS4, ở chế độ làm việc với năng lượng electron 40 MeV,
dòng 40 mA, suất lượng nơtron đạt được là 210 12 n.sec -1 .kW -1 .[31]
37
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễễn Minh Công
Cơ chế tạo
o chùm nơtron xung trên máy gia tốc
t c electron tuy
tuyến tính
như sau:Khi đi vào môi trường
trư
vật chất,
t, chùm electron năng lư
lượng cao sẽ
bị mất năng lượng chủ
ủ yếu do hai quá trình là ion hóa do va ch
chạm và phát
bức xạ hãm. Sự phát bức
b xạ hãm là kết quả của việcc các electron đư
được gia
tốc tương tác với trườ
ờng Coulomb của các hạt nhân bia dẫnn đđến quỹ đạo
của chúng bị thay đổii và bị
b hãm lại. Các photon hãm tiếp tục tương tác
với các hạt nhân bia Ta tạo ra chùm nơtron dạng xung. [31]
Để tạo ra trường nơtron bia Ta đư
được đặt ở chính giữa một hệ nhiệt hóa nơtron
bằng nước tinh khiết,, có d
dạng hình trụ được làm bằng
ng nhôm (Al) có bbề dầy 0.5 cm,
đường
ng kính 30 cm và cao 30 cm (hình 2.3) .
Các nghiên cứu
u chi tiết
ti về nguồn nơtron tạo ra trên máy gia tốcc cho biết
bi nơtron
được sinh ra ở vùng cộng
ng hưởng
hư
lưỡng cực khổng lồ bao gồm một tỉ lệệ lớn các nơtron
sinh ra do cơ chế bay hơi và m
một phần nhỏ các nơtron với năng lượng
ng cao đư
được sinh
ra trực tiếp
p khi electron hay photon tương tác v
với bia. Nơtron đượcc tạo
t ra từ bia Ta
khi không có hệ làm chậm
m bằng
b
nước có dạng phân bố năng lượng
ng Maxwellian. Ph
Phổ
nơtron đã được làm chậm
m bằng
b
nước dịch chuyển về vùng năng lượng
ng th
thấp do hiệu
ứng làm chậm của nướcc (hình 2.3). Để tăng số nơtron nhiệt, cần mựcc nư
nước cao từ 3- 5
cm tính từ bề mặt củaa bia Ta. Trong nghiên cứu
c này sử dụng cộtt nước
nư cao 5 cm để
làm chậm nơtron.Hình
ình 5 cho biết
bi phân bố của nơtron nhiệt trên bề m
mặt của hệ làm
chậm, nơi sẽ đặt các mẫu
u kích ho
hoạt được đo thông qua hoạt độ của phảản ứng hạt nhân
197
Au(n,)198Au.
38
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
Hình 2.3.Cấu tạo của bia Ta và hệ làm chậm nơtron
Hình 2.4.Phân bố năng lượng nơtron ở bia Ta đối với làm chậm bằng
nước, không làm chậm bằng nước và phân bố Maxwellian
2.1.2. Hệ phổ kế gamma
Hệ phổ kế gamma bao gồm Detector và khối phân tích xử lý số
liệu.
Detector được dùng trong hệ phổ kế gamma thường là detector
nhấp nháy hoặc detector bán dẫn. Đối với detector nhấp nháy có ưu điểm
là hiệu suất ghi cao tuy nhiên phân giải năng lượng lại không bằng
detector bán dẫn, do vậy với những hệ phổ kế gamma cần độ phân giải
năng lượng cao thường dùng detector bán dẫn. Hiện nay cần ghi phổ với
chất lượng cao thường dùng detector bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết
(HPGe), (hình 2.5).
39
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
Hình 2.5. Sơ đồ làm việc của hệ phổ kế gamma với detector HPGe
Nguồn cao thế cung cấp điện áp một chiều cho detector. Khi bức xạ
gamma đi vào detector bán dẫn, tương tác của bức xạ gamma với vật chất
sẽ tạo ra một cặp điện tử-lỗ trống, và dưới tác dụng của điện trường các
điện tử, lỗ trống sẽ chuyển động có hướng về các điện cực và sẽ tạo nên
một dòng điện dạng xung, độ lớn của xung dòng sẽ tỉ lệ với năng lượng
của bức xạ gamma mất đi trong detector. Tín hiệu rất bé thu được từ
detetor được khuếch đại một cách tỷ lệ qua bộ tiền khuếch đại.
Khối phân tích bao gồm khuếch đại chính và khối phân tích đa
kênh MCA (Multi Channel Analyzer). Tín hiệu lối ra tiền khuếch đại chỉ
vào khoảng vài chục đến vài trăm mV. Vì vậy, tín hiệu lối ra tiền khuếch
đại được đưa vào bộ khuếch đại chính để khuếch đại biên độ tín hiệu lên
đến khoảng giá trị thích hợp cho việc tính toán dễ dàng và chính xác.
Ngoài ra trong khối này còn có các mạch tạo dạng xung để cải thiện tỷ số
tín hiệu/ồn (S/N) và ngăn ngừa sự chồng chập xung. Sau đó, tín hiệu
được đưa qua bộ MCA để đo biên độ xung. Bộ MCA hoạt động dựa trên
nguyên lý biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số tương đương. Khối
chức năng cơ bản của bộ MCA là bộ biến đổi tín hiệu số ADC (Analog to
Digital Converter) và bộ nhớ. Khi một xung được ADC chuyển từ tín hiệu
tương tự sang tín hiệu số, bộ phận điều khiển máy phân tích sẽ tìm tới vị
40
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
trí bộ nhớ tương ứng với biên độ đã được số hóa và dung lượng của vị trí
đó sẽ được tăng thêm một đơn vị. Nếu các xung đi vào ADC trong lúc
ADC đang bận số hóa tín hiệu trước đó thì cổng lối vào sẽ chặn các xung
này, do đóc số xung này sẽ bị mất. Để xác định thời gian đo thực thì
MCA dùng đồng hồ thời gian sống mà xung ở lối ra của nó được đưa tới
sơ đồ khóa và được ghi lại tại kênh zezo trong bộ nhớ. Số xug đồng hồ bị
mất bằng với số xung tín hiệu bị bỏ sót trong thời gian cổng lối vào đóng.
Do đó không phải hiệu chỉnh thời gian chết khi xử lý kết quả đo.
Khối xử lý gồm máy tính cá nhân đã cài đặt phần mềm phân tích
phổ gamma để ghi nhận tín hiệu từ MCA. Kết quả cho ta hình ảnh phân
bố xungtheo biên độ xung, tức là một phổ gamma theo năng lượng mà
detector đã hấp thụ được.
Trong nghiên cứu đã sử dụng hệ phổ kế gamma bao gồm các thành
phần sau:
Detector bán dẫn Germani siêu tinh khiết (HPGe), ORTEC-USA,
Model GEM-20180-p, Serial No.39-TP21360A
Tiền khuếch đại: ORTEC, Model 257P, Serial No.501
Khuếch đại tuyến tính: Amplifier 572 (ORTEC)
Máy phân tích biên độ 8192 kênh: Spectrum Master 919
Nguồn cao áp +2kV, BIAS SUPPLY 659
Máy tính sử dụng phần mềm Gamma Vision.
Độ phân giải năng lượng (FWHM) 1.8 keV tại đỉnh 1332 keV của
0
Co.
2.2. Thí nghiệm xác định tiết diện phản ứng
181
Ta(n,) 182 Ta
2.2.1. Chuẩn bị mẫu nghiên cứu
Để thực hiên nghiên cứu này cần sử dụng 3 loại mẫu: Mẫu nghiên
cứu (Ta), mẫu chuẩn (Au) và mẫu (In) dùng để hiệu chỉnh sự thay đổi
thông lượng của nơtron nhiệt (monitor).
41
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
Trong nghiên cứu phản ứng hạt nhân sử dụng phương pháp kích hoạt
phóng xạ thì chất lượng của các mẫu thực nghiệm rất quan trọng. Chất
lượng của mẫu và mẫu chuẩn ảnh hưởng trực tiếp tới kết quả đo hoạt độ
phóng xạ, tới việc xác định thông lượng của nơtron và những yếu tố này
có liên quan trực tiếp tới chất lượng của kết quả nghiên cứu. Các tham số
kỹ thuật cơ bản của mẫu là độ tinh khiết (độ sạch), độ chính xác của hàm
lượng nguyên tố hoặc đồng vị, kích thước và trạng thái mẫu.
Trong nghiên cứu này cả 3 loại mẫu nêu trên đều ở dạng lá kim loại
có độ sạch và hàm lượng đồng vị cao.2 mẫu Ta, 2 mẫu Au và 4 mẫu In
được cắt theo kích thước 12 mm x 12 mm từ các lá kim loại Ta, Au và
In.Đặc trưng của cả 3 mẫu Ta, Au và In xem trong bảng 2.1.
Bảng 2.1. Đặc trưng của các mẫu Ta, Au và In
Kích thước
Bề dầy
(mm)
(mm)
Ta1
12x12
0.05
0.1138
99.9
Ta2
12x12
0.05
0.1139
99.9
Au1
12x12
0.03
0.0704
99.95
Au2
12x12
0.03
0.0692
99.95
In1
12x12
0.05
0.0509
99.95
In2
12x12
0.05
0.0483
99.95
In3
12x12
0.05
0.0511
99.95
In4
12x12
0.05
0.0500
99.95
In5
12x12
0.05
0.0511
99.95
In6
12x12
0.05
0.0500
99.95
Tên mẫu
42
Kh.lượng (g)
Độ tinh
khiết (%)
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
2.2.2. Kích hoạt mẫu
Như đã trình bày ở các phần trên, sau khi kích hoạt cần xác định
hoạt độ phóng xạ của tất cả các mẫu. Do đó không những cần đo hoạt độ
gamma của các mẫu mà còn phải xác định cả thông lượng của nơtron
chiếu trên từng mẫu. Chính vì vậy trong thí nghiệm này đã chọn giải pháp
(1) chiếu đồng thời cả 3 loại mẫu Ta, Au và In và (2) các mẫu kích hoạt
được đặt xen kẽ nhau trên cơ sở đó căn cứ vào hoạt độ của các lá In có
thể ngoại suy ra thông lượng nơtron chiếu trên các mẫu Ta và Au.
Muốn xác định được cả tiết diện bắt nơtron nhiệt và tích phân cộng
hưởng cần kích hoạt 2 mẫu nghiên cứu (Ta1 và Ta2) và 2 mẫu chuẩn Au1
và Au2), trong đó một mẫu chiếu trực tiếp (bare) còn mẫu thứ hai bọc lá
Cadmium dày 0.5 mm. Để giám sát thông lượng nơtron đã sử dụng 4 mẫu
In và đặt cạnh với các mẫu Au và Ta. Các mẫu kích hoạt được sắp xếp và
đưa vào vị trí kích hoạt trên hệ làm chậm nơtron có thể xem trên hình
2.6. Chế độ kích hoạt mẫu được cho trong bảng 2.2
Hình 2.6. Bố trí thí nghiệm kích hoạt mẫu trên bề mặt hệ làm chậm
nơtron bằng nước.
Bảng 2.2. Chế độ kích hoạt mẫu
43
Luận văn Thạc sĩ
Năng lượng
chùm
Nguyễn Minh Công
Thời gian
Dòng
Độ rộng
chiếu
electron
xung
160phút
65 mA
0.2µs
electron
55 MeV
Tốc độ lặp
15Hz
2.2.3. Đo hoạt độ phóng xạ của các mẫu sau khi kích hoạt
Sau khi chiếu hoạt độ phóng xạ của các mẫu được đo trên hệ phổ kế
gamma sử dụng đêtectơ bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết (HPGe).
Đêtectơ HPGe với đường kính 59.2 mm, dày 30 mm được ghép nối
với máy tính và hệ phân tích biên độ nhiều kênh để xác định diện tích
đỉnh phổ của tia gamma thông qua chương trình Gamma vision. Độ phân
giải năng lượng của đêtectơ là 1.8 keV tại đỉnh có năng lượng 1332.5
keV của
60
Co. Hiệu suất ghi tuyệt đối của đỉnh quang điện và hiệu suất
toàn phần của Detector HPGe đã được xác định bằng việc sử dụng các
nguồn chuẩn gamma.Việc ghi nhận và xử lý phổ gamma thông qua phần
mềm Gamma vision.
Phổ kế gamma đa kênh có ưu điểm hơn hẳn so với máy đếm đơn
kênh. Nó không chỉ đơn thuần đếm số hạt bay đến detector mà còn phân
biệt chúng theo năng lượng. Vì sản phẩm sau phản ứng gồm nhiều đồng
vị khác nhau, phát ra các bức xạ gamma có năng lượng khác nhau, do đó
việc sử dụng phổ kế gamma đa kênh giúp cho ta có thể nhận diện được
các đồng vị tạo thành và xác định suất lượng của chúng.
Phần mềm gammaVision (gamma Analysis for window) version 5.10
là phần mềm cài đặt trên máy tính được kết nối với bộ phân tích đa kênh
(MCA) dùng để ghi đo, tính toán, phân tích phổ gamma.
Sau khi kích hoạt, sẽ tiến hành đo hoạt độ của các mẫu In trước do
đồng vị
116
In có thời gian bán rã ngắn hơn nhiều so
182
Ta và
198
Au có thời
gian bán rã của là tương đối dài. Thời gian các phép đó có thể thay đổi
từ vài chục phút tới vài giờ, phụ thuộc vào thống kê của đỉnh tia gamma
44
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
được quan tâm. Để giảm thiểu tới mức thấp nhất các sai số gây ra do quá
trình chồng chập hay cộng đỉnh, trong các phép đo các mẫu được đặt ở
các vị trí thích hợp từ 1 cm cho tới 10 cm tính từ bề mặt đêtectơ.Trong
các phép đo, thời gian chết được hạn chế dưới 2 %.
Trong thí nghiệm, các phổ gamma được đo nhiều lần với thời gian
đo và thời gian phân rã khác nhau nhằm ghi nhận được các đồng vị có
thời gian bán rã khác nhau và giảm thiểu các sai số thống kê cũng như sai
số hình học đo.
2.2.4. Phân tích phổ gamma
Phổ gamma ghi nhận bao gồm một số đỉnh hấp thụ toàn phần của
vạch bức xạ gamma nằm trên một nền Compton liên tục. Đỉnh này là kết
quả tương tác của bức xạ gamma với vật liệu đêtectơ. Mục đích chính của
việc phân tích phổ gamma là xác định năng lượng và diện tích các đỉnh
phổ làm cơ sở cho việc nhận diện nguyên tố và xác định hoạt độ phóng
xạ. Trong thực nghiệm, năng lượng của bức xạ gamma ứng với các đỉnh
hấp thụ toàn phần có thể xác định bằng việc chuẩn năng lượng. Hoạt độ
phóng xạ được xác định dựa trên diện tích của các đỉnh phổ. Có hai
phương pháp chính để xác định diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần phổ bức
xạ gamma mà thiết bị ghi nhận được là phương pháp số và phương pháp
làm khớp.
Trong phương pháp làm khớp, diện tích đỉnh phổ gamma thường
được xác định bằng việc làm khớp các số liệu đo được với một hàm giải
tích thích hợp và tích phân hàm đó để tính diện tích đỉnh. Hàm này sẽ
chứa các tham số tự do và chúng được tìm bmay ằng thuật toán làm khớp
bình phương tối thiểu phi tuyến. Thông thường chọn dạng hàm Gauss để
mô tả đỉnh hấp thụ toàn phần.
Với một phổ lý tưởng đỉnh hấp thụ toàn phần có thể được biểu diễn
một cách chính xác bởi hàm Gauss:
f x Y e
45
x X
2
2 2
(2.5)
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
trong đó Y là biên độ, X là vị trí tâm, là độ lệch chuẩn của hàm Gauss (FWHM
2.35).
Trong thực tế đỉnh có thể có đuôi chủ yếu ở phía năng lượng thấp của đỉnh, đặc
biệt là khi tốc độ đếm lớn. Do đó hầu hết các hàm đều bao gồm phần chính có dạng
Gauss cộng thêm số hạng hiệu chỉnh tính đến phần đuôi của đỉnh. Người ta thường sử
dụng hàm e – mũ cho phần đuôi của đỉnh phổ. Các hàm biểu diễn dạng của phông
thường được xây dựng với hai phần: phần thứ nhất thường là một đa thức bậc nhất
mô tả phần phông bên trái năng lượng cao của đỉnh và nằm dưới toàn bộ vùng đỉnh;
phần thứ hai là một hàm mô tả sự tăng dần xấp xỉ bước đối với bên năng lượng thấp
của đỉnh. Phông nằm dưới chân đỉnh thường được mô tả bằng một đa thức bậc hai.
Đối với trường hợp cần phân tích các đỉnh chập nhau, người ta
thường dùng hàm khớp là tổng của các hàm với các giá trị khác nhau của
các tham số. Ví dụ với trường hợp đỉnh chập đôi có dạng hai hàm Gauss
đơn giản:
f x Y1 e
x X1
2
2 2
Y2 e
x X 2
2
2 2
(2.6)
trong đó Y 1 , Y 2 là biên độ, X 1 , X 2 là vị trí tâm của hai đỉnh phổ.
Hiện nay, việc phân tích phổ thường được thực hiện với sự trợ giúp
của các chương trình máy tính. Phân tích phổ sử dụng các chương trình
máy tính có tốc độ xử lý nhanh, có thể nhận biết và xử lý hầu hết các
đỉnh với chất lượng tốt. Các số liệu thu được cho biết đầy đủ thông tin về
phổ gamma bao gồm vị trí năng lượng, diện tích, độ phân giải của các
đỉnh gamma, số đếm phông cùng với các sai số phân tích, ngoài ra còn có
các thông tin về thời gian đo, thời gian chết, các tham số chuẩn năng
lượng, chuẩn hiệu suất ghi,… Tuy nhiên trong nhiều trường hợp, chúng ta
vẫn cần thiết phải có những can thiệp trực tiếp như để phát hiện ra những
bất thường của phổ, quyết định những phổ hoặc những đỉnh phổ cần xử
lý, đối với những đỉnh chập cần phải có những xử lý đặc biệt,… Từ
những lý do này mà các chương trình có rất nhiều cách tuỳ chọn, linh
46
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
hoạt và thích hợp với các yêu cầu đặt ra trong việc ghi nhận và phân tích
phổ gamma.
Trong nghiên cứu đã sử dụng Gamma Vision để xử lý phổ gamma
của các mẫu đã kích hoạt, đây là phần mềm phân tích biên độ nhiều kênh
chuyên dụng cho phổ bức xạ gamma, được cập nhật thư viện tổng hợp các
đồng vị phát gamma có sẵn. Với hệ thống mở cho phép người dùng tự
định nghĩa các thư viện khác tùy theo mục đích sử dụng. Về chức năng cơ
bản của phần mềm bao gồm ghi nhận (Acquire) phổ gamma mới hoặc gọi
một phổ gamma đã có, chức năng ) chuẩn năng lượng, chuẩn hiệu suất
ghi (calibrate), chức năng tính toán (Caculate) thông tin đỉnh phổ, giải
đếm, làm trơn phổ, tổng số đếm trên đỉnh phổ…, Chức năng phân tích
(Analyze) cho phép cài đặt lựa chọn thiết bị dùng để ghi nhận phổ
gamma, cài đặt hiệu suất ghi, số đếm phông…, tìm kiếm đỉnh phổ và suất
thông tin báo cáo về phổ, phân tích tự động đỉnh phổ tìm được và hiển thị
thông tin về đỉnh phổ… và một số chức năng khác. Một số ưu điểm của
phần mềm như tự động hiệu chỉnh thời gian chết, tự động tìm vị trí các
đỉnh (peak search) và tính diện tích các đỉnh hấp thụ toàn phần
(interactive). Tuy nhiên đối với những đỉnh có cường độ nhỏ, chức năng
này không sử dụng được, khi đó cần sự can thiệp trực tiếp từ người dùng
để xác định vị trí đỉnh và diện tích đỉnh quan tâm.
Hình 2.7 dưới là hình ảnh giao diện phần mềm gamma vision được
dùng để ghi nhận và phân tích phổ gamma.
47
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
Hình 2.7. Giao diện phần mềm GammaVision
2.2.5. Xác định hiệu suất ghi của đêtectơ
Hiệu suất ghi đỉnh quang điện của một hệ phổ kế gamma là một
thông số rất quan trọng trong tính toán và phân tích số liệu thực nghiệm.
Hiệu suất ghi đỉnh quang điện được định nghĩa như sau:
n E
R E
E
(2.7)
trong đó n(E) là tốc độ đếm của đỉnh quang điện có năng lượng E, R(E) là
tốc độ phát xạ gamma có năng lượng E từ nguồn.
Có thể xác định hiệu suất ghi của đêtectơ bằng tính toán lý thuyết
hoặc đo đạc thực nghiệm. Thông thường người ta sử dụng phương pháp
thực nghiệm để xác định hiệu suất ghi của đêtectơ. Bằng phương pháp
thực nghiệm thì hiệu suất ghi tuyệt đối của đêtectơ được xác định theo
biểu thức dưới đây :
abs E
N
A.I .t m
(2.8)
48
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
trong đó N là diện tích đỉnh năng lượng E, A là hoạt độ phóng xạ của nguồn phát tia
gamma, I là xác suất phát tia gamma, còn tm là thời gian đo tính bằng giây.
Mục đích của việc xác định hiệu suất ghi là thiết lập công thức tính bán thực
nghiệm mô tả đường cong hiệu suất trên toàn bộ vùng năng lượng mà chúng ta quan
tâm, bằng cách làm khớp các kết quả thực nghiệm với một hàm toán học thích hợp.
Với đêtectơ bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết HPGe trong dải năng lượng ghi nhận từ
50 keV tới 2500 keV người ta thường sử dụng hàm khớp có dạng sau :
5
ln a n ln E E 0
n
(2.9)
n 0
trong đó
là hiệu suất ghi của detector,
E là năng lượng tia gamma,
E 0 1 keV, a n là các hệ số làm khớp.
Hiệu suất ghi của đêtectơ đối với các tia gamma có năng lượng khác
nhau được xác định bằng việc sử dụng các nguồn chuẩn
keV),
152
2 41
Am (59.541
Eu (121.78 keV, 244.69 keV, 344.28 keV, 411.12 keV, 443.96
keV, 778. 90 keV, 867.38 keV, 964.08 keV, 1085.87 keV, 1112.07 keV,
1408.01 keV).
Hình 2.8 biểu diễn đường cong hiệu suất ghi của detector bán dẫn
HPGe(ORTEC)tại các vị trí đặt mẫu cách detector: pos1=1.0cm, pos2=
2.0 cm, pos3= 3.0 cm, pos5=5.0 cm
49
Photopeak efficiency (%)
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
Pos.1
Pos.2
Pos.3
Pos.5
10
1
0.1
100
1000
Gamma ray energy (keV)
Hình 2.8. Đường cong hiệu suất ghi đỉnh quang điện của Detector bán
dấn HPGe(ORTEC) sử dụng trong nghiên cứu
Bảng 2.3. Giá trị các hệ số làm khớp hàm đối với Detector PGe(ORTEC)
a0
a1
a2
a3
a4
a5
Pos.1
-608.03104
487.72981
-154.66089
24.37951
-1.91392
0.05984
Pos.2
-596.19546
476.26834
-150.46269
23.62523
-1.84735
0.05753
Pos.3
-608.83736
487.72981
-154.66089
24.37951
-1.91392
0.05984
Pos.5
-601.25285
480.25452
-152.01101
23.91494
-1.87357
0.05845
2.3. Phương pháp xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt
2.3.1. Xác định tốc độ phản ứng hạt nhân
Trong nghiên cứu này đã sử dụng phương pháp kích hoạt nơtron để
xác định tiết diện của phản ứng.Nguyên lý của phương pháp này là biến
các đồng vị bền thành những đồng vị phóng xạ thông qua các phản ứng
hạt nhân. Sau đó, trên cơ sở đo năng lượng của các tia gamma và chu kỳ
bán rã của các đồng vị phóng xạ nói trên có thể nhận diện được các sản
phẩm tạo thành sau phản ứng hạt nhân. Để nâng cao độ chính xác của kết
quả nghiên cứu, trong thực nghiệm đã lựa chọn các giải pháp kỹ thuật
50
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
thích hợp liên quan tới vấn đề đo, phân tích số liệu và hiệu chỉnh các
nguồn sai số.
Trong thời gian kích hoạt đồng thời diễn ra hai quá trình sau [1] :
1. Quá trình tạo thành hạt nhân phóng xạ từ hạt nhân bền (hạt nhân
bia), quá trình này làm tăng số hạt nhân phóng xạ trong thời gian phản
ứng xảy ra hay quá trình chiếu.
2. Quá trình phân rã các hạt nhân phóng xạ làm giảm số hạt nhân
phóng xạ có trong bia.
Nếu gọi N 0 là số hạt nhân bia, là thông lượng của bức xạ kích hoạt
(n/cm 2 /s), là tiết diện của phản ứng hạt nhân có thứ nguyên là diện tích
(cm 2 ) và đơn vị là barn (b) trong đó 1b= 10 -24 cm 2 , là hằng số phân rã (
= 0.693/T 1/2 trong đó T 1/2 là chu kỳ bán rã) có thứ nguyên là (1/s) và
N(t) là số hạt nhân phóng xạ tại thời điểm kích hoạt t thì có thể thiết lập
được phương trình kích hoạt phóng xạ cơ bản sau đây [1,24]:
dN (t )
= N 0f s - l N (t )
dt
(2.10)
Giải phương trình (2.10) với điều kiện ban đầu là nếu t=0 thì N (t=0) =
0 sẽ thu được nghiệm:
N (t ) =
N 0f s
l
(1 - e - l t )
(2.11)
Từ phương trình (2.11) suy ra hoạt độ phóng xạ (phân rã/ s) là:
A (t ) = l .N (t ) = N 0f s (1 - e - l t )
(2.12)
Hoạt độ phóng xạ giảm theo quy luật hàm e-mũ. Do đó nếu gọi thời
gian kích hoạt là t i thì hoạt độ phóng xạ tại thời điểm t > t i sẽ là:
A (t i , t ) = N 0f s (1 - e
- l ti
)e- l t
(2.13)
Trong phương pháp kích hoạt cần phải xác định hoạt độ phóng xạ
của mẫu sau khi ngừng chiếu mẫu. Hoạt độ phóng xạ thường được xác
định theo phương pháp đo phổ gamma. Để xác định hoạt độ phóng xạ của
51
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễễn Minh Công
mẫu, thường đo mẫu
u trong một
m khoảng thời gian từ t 1 đến t 2 , với
t 2> t 1>
t i (t i là thời gian chiếếu mẫu). Tổng hoạt độ phóng xạ hay hoạt
ho độ phóng
xạ tích phân từ thờii điểm
đi
t 1 đến t 2 ,N obs (t i ,t 1 ,t 2 ) được xác địịnh theo công
thức sau [1,24] :
N obs t i , t1 ,t 2
N 0
1 eti e t d 1 e t c
(2.14)
trong đó : N0 là số hạtt nhân bia
là thông lượng
ng bbức xạ kích hoạt (n/cm2/giây)
là tiết diện của
ủa ph
phản ứng hạt nhân (cm2)
là hằng số phân rã (1/s).
(1/
t d t 1 t i là thời
th gian nghỉ hay thời gian phơi mẫu
u
t c t 2 t 1 là khoảng
kho
thời gian đo.
Hoạt độ tích phân N obs (ti,t1 ,t2 ), chính là diện tích ứng vớ
ới thời gian đo
t c trên hình 2.9 [1] :
Hình 2.9. Sự phụ thuộ
ộc của hoạt độ phóng xạ vào thờii gian kích ho
hoạt (ti),
thờii gian phân rã (td) và thời
th gian đo (tc).
Sự có mặt của hạạt nhân phóng xạ được nhận diện dựaa vào đỉnh
đ
hấp
thụ toàn phần của vạch
ch bức
b
xạ gamma đặc trưng của hạtt nhân phóng xxạ
và chu kỳ bán rã củaa nó. Số
S hạt nhân đã phóng xạ N obs (t i ,t 1 ,t 2 ) trong thời
gian đo được xác định
nh dựa
d vào diện tích đỉnh hấp thụ toàn ph
phần của vạch
bức xạ đặc trưng. Diệện tích đỉnh hấp thụ toàn phần của vạch
ch đặc
đ trưng tỷ
lệ thuận với số hạtt nhân đã
đ bị phân rã trong thờii gian đo t c hay trong
52
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
khoảng thời gian từ t 1 đến t 2 . Ngoài ra, diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần
vạch bức xạ gamma đặc trưng phụ thuộc vào các đại lượng sau:
I là cường độ của vạch bức xạ đặc trưng hay là xác suất phát tia bức xạ đặc
trưng, I 100% , được sử dụng để xác định hoạt độ của hạt nhân phóng xạ.
Hiệu suất ghi của đỉnh hấp thụ toàn phần của vạch bức xạ gamma
đặc trưng, < 100%. Hiệu suất ghi thường được xác định dựa vào mẫu
chuẩn đã biết trước hoạt độ phóng xạ.
Hệ số hiệu chỉnh F tính đến sự mất số đếm do các hiệu ứng thời
gian chết, sự chồng chập xung, tự hấp thụ tia gamma trong mẫu,... Do đó
tỉ lệ giữa số xung đo được và số xung thực F < 100%.
Diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần được xác định theo công thức sau:
N obs
N 0 ....I .F
1 e e 1 e
t i
t d
t c
(2.15)
Trong trường hợp kích hoạt ở chế độ xung, diện tích đỉnh hấp thụ
toàn phần như sau:
N
pulse
obs
N 0 . . I γ .F.(1 e λτ )(1 e λt i )e λt w (1 e λt c )
λ(1 e
λT p
(2.16)
)
trong đó T là chu kỳ xung, là độ rộng của xung.
Đối với nguồn nơtron xung thì tốc độ phản ứng Rx và Rx ,Cd lần lượt cho
trường hợp mẫu trần và mẫu có bọc Cd là [30]:
Rx
hay
R x ,Cd
pulse
N obs
λ( 1 e λTp )
N 0 εI γ ( 1 e λτ )( 1 e λti )e λtd ( 1 e λtc )
(2.17)
2.3.2. Xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt
Tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân
181
Ta(n,γ)
182
Ta được xác
định bằng phương pháp tương đối thông qua tiết diện đã biết của phản ứng hạt nhân
197
Au(n,)198Au [18]:
,
=
,
,
∗
,
,
∗
,
∗
53
,
,
∗
(2.18)
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
trong đó : 0,Au là tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng
R Ta
19 7
Au(n,) 198 Au,
vàR Ta,Cd lần lượt là tốc độ phản ứng trên một hạt nhân nguyên
tử của nguyên tố Ta trần hay bọc Cd,
R Au
vàR Au,Cd lần lượt là tốc độ phản ứng trên một hạt nhân nguyên
tử của nguyên tố Au trần hay bọc Cd,
F Ta,cd là hệ số hiệu chỉnh Cadmium cho mẫu Ta; F Au,cd là hệ số hiệu
chỉnh Cadmium cho mẫu Au.
G th,Ta là hệ số tự che chắn nơtron nhiệt cho mẫu Ta;G th,Au là hệ số tự
che chắn nơtron nhiệt cho mẫu Au; g Ta là hệ số Westcott đối với mẫu Ta,
g Au là hệ số Westcott đối với mẫu Au.
2.2.3. Một số hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác của kết quả
a. Hệ số suy giảm tia γ, F g , tính theo công thức sau [18]:
Fg
t
1 e t
,
(2.19)
trong đó là hệ số suy giảm tuyến tính (cm-1),
t là bề dày của mẫu ( cm)
b. Hệ số hiệu chỉnh tự che chắn nơtron nhiệtcho tấm chắn mỏng được
tính theo công thức sau [9]:
1 e
Gth
trong đó:
(2.20)
2 / 0t ,
0 là tiết diện bắt vĩ mô của các nơtron nhiệt (En= 0.0253 eV),
t là độ dày của tấm chắn.
c. Hiệu chỉnh cộng đỉnh
Hiệu ứng cộng đỉnh (summing effect) xuất hiện khi đêtectơ không
phân biệt được (về mặt thời gian) hai tia gamma độc lập hoặc hai tia
gamma nối tầng (cascade). Đỉnh tổng có năng lượng bằng tổng năng
lượng của hai tia gamma thành phần. Hiệu ứng cộng đỉnh làm giảm số
xung ở các đỉnh thành phần phụ thuộc vào cường độ các bức xạ và góc
54
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
khối tạo bởi mẫu – đêtectơ. Việc hiệu chỉnh hiệu ứng này tương đối khó
khăn, phụ thuộc vào từng nguồn gamma cụ thể vào hình học đo, vào sơ
đồ phân rã…
Giả sử với một sơ đồ phân rã đơn giản chỉ có hai tia gamma nối
tầng γ 1 , γ 2 với năng lượng E 1 và E 2 phát ra trong thời gian phân giải của
phổ kế. Hệ số hiệu chỉnh hiệu ứng cộng đỉnh được tính như sau:
- Đối với tia 1 :
C1
- Đối với tia 2 : C2
1
1 t 2
(2.21)
1
1 (I 1 / I 2 ) t1
(2.22)
trong đó: I 1 , I 2 là xác xuất phát xạ của tia gamma 1 , 2 ; còn t1 , t2 là
hiệu suất ghi toàn phần của tia gamma 1 , 2 . Với những sơ đồ phân rã có
nhiều tia gamma nối tầng, để hiệu chỉnh hiệu ứng cộng đỉnh cần phải có
những tính toán rất phức tạp.
Hiệu ứng cộng đỉnh còn có thể hiệu chỉnh được bằng cách so sánh
đường cong hiệu suất ghi khi sử dụng các nguồn đơn năng tức là không
có hiệu ứng cộng đỉnh với các điểm hiệu suất ghi khi sử dụng các nguồn
đa năng có các tia gamma nối tầng, trong trường hợp đối với các nguồn
đa năng sẽ có một số điểm lệch khỏi đường cong hiệu suất ghi được xây
dựng với các nguồn đơn năng, từ độ lệch này ta có thể đánh giá được hệ
số hiệu chỉnh trung bình của hiệu ứng cộng đỉnh.
Phương pháp đơn giản có thể giảm bớt hiệu ứng này là đo các mẫu
có hoạt độ lớn ở khoảng cách xa đêtectơ. Trong thực tế một đồng vị
phóng xạ thường phát nhiều tia gamma khác nhau nên để tránh hiệu ứng
cộng đỉnh, ta nên sử dụng những tia gamma không bị mất số đếm do hiệu
ứng cộng đỉnh gây ra.
55
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Nhận diện đồng vị phóng xạ và các đặc trưng của phản ứng hạt
nhân
Phổ gamma của các mẫu Ta, Au và In được xử lý bằng phần mềm
phân tích phổ GammVision. Các số liệu quan tâm chính là năng lượng
đỉnh phổ gamma, số đếm diện tích đỉnh phổ đã trừ phông.
Các đồng vị phóng xạ tạo thành sau phản ứng hạt nhận được nhận
diện căn cứ vào năng lượng của các đỉnh phổ gamma (E γ ) và thời gian
bán rã (T 1/2 ). Quy trình nhận diện đồng vị và các số liệu hạt nhân được
tham khảo từ bảng đồng vị "Table of Radioactive Isotopes"của phòng thí
nghiệm Berkeley (BNL), USA(http://ie.lbl.gov/toi/).
Hình 3.1, 3.2, 3.3 lần lượtbiểu diễn một phổ gamma đặc trưng của mẫu
Ta, Au, Inđã được nhận diện các đỉnh gamma.
Hình 3.1. Phổ gamma đặc trưng của mẫu Ta được kích hoạt bởi các
nơtron nhiệt với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi mẫu
2868phút, thời gian đo 240phút
56
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
Hình 3.2. Phổ gamma đặc trưng của mẫu Au được kích hoạt bởi các
nơtron nhiệt với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi mẫu 8594
phút, thời gian đo 10 phút.
Hình 3.3. Phổ gamma đặc trưng của In được kích hoạt bởi các nơtron
nhiệt với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi mẫu 344 phút, thời
gian đo mẫu 200 giây.
57
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
Bảng 3.1 là đặc trưng của phản ứng hạt nhân và số liệu phân rã của
đồng vị được nhận diện sau khi kích hoạt các mẫu trên trường nơtron từ
máy gia tốc linac. Hình 3.4 biểu diễn sơ đồ phân rã đơn giản của đồng vị
182
Ta[26].
Bảng 3.1. Các thông số của phản ứng 181 Ta(n,)182Ta , 197Au(n,)198Au, và
115
In(n, ) 116m In
Phản ứng hạt
Thời gian
nhân
bán rã, T 1/2
181
Ta(n,) 182 Ta
114.43 d
2.69517 d
197
Au(n,) 198 A
Các tia gamma chính
Năng lượng
Cường độ
(keV)
(%)
67.750
41.2
100.106
14.1
152.43
6.93
222.108
7.49
1121.30
34.9
1189.05
16.23
1221.407
26.98
411.8
95.58
675.88
0.804
138.33
3.29
416.86
27.7
1097.326
56.2
1293.558
84.4
1507.67
10.3
2112.31
15.5
Độ phổ cập
đồng vị (%)
99.9877
100
u
54.29 min
115
In(n,) 116m I
n
58
95.7
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
100%
Hình 3.4.Biểu diễn sơ đồ phân rã đơn giản của đồng vị
182
Ta.
Từ sơ đồ phân rã trên ta thấy các tia gamma với những năng lượng
67.750keV, 100.106keV, 1121.3keV,1189.05keV và 1221.470 keV có
cường độ tương đối lớn được sử dụng để xác định tốc độ phản ứng hạt
nhân
181
Ta(n,) 182 Ta. Tuy nhiên, với các tia gamma 67.75keV và
100.106keV có năng lượng nhỏ nên ảnh hưởng bởi can nhiễu lớn, mặt
khác lại nối tầng cặp 3 với tia 1121.30keV nên gây ra sai số lớn. Bên
cạnh đó tia 1221.407keV có nhiều lần cộng đỉnh cặp 2 nên cũng gây ra
sai số lớn. Do vậy, tia 1189.05keV được sử dụng chủ yếu để xác định tốc
độ phản ứng
181
Ta(n,) 182 Ta.
59
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
3.2. Một số kết quả hiệu chỉnh
Hệ số hiệu chỉnh Cadmium, F Cd, lần lượt cho phản ứng
181
Ta(n,) 182 Ta và phản ứng
197
Au(n,) 198 Au là: 1 và 1.009[10].
Hệ số Westcott, g, lần lượt cho phản ứng
ứng
197
181
Ta(n,) 182 Ta và phản
Au(n,) 198 Au là: 1.0041 và 1.006[7] .
Hệ số tự chắn nơtron nhiệt(G th) đối với mẫu Au và mẫu Ta được tính
theo công thức 2.20 với 0 là tiết diện bắt vĩ mô đối với nơtron nhiệt
được tính theo công thức: Σ =
, với
là tiết diện bắt vi mô đối
với nơtron nhiệt được tra cứu từ tài liệu[7,15]; N A : số Avogadro, : Mật
độ độ khối lượng của mẫu (g/cm 3 ) tra cứu, A: Nguyên tử khối của mẫu.
Hình 3.5 cho thấy sự phụ thuộc của hệ số tự chắn nơtron phụ thuộc vào
bề dày mẫu.
HÖ sè tù ch¾n ®èi víi n¬tron nhiÖt, Gth
1.2
Au
Ta
In
1.0
0.8
0.6
0.4
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
BÒ dµy mÉu (mm)
Hình 3.5. Sự phụ thuộc hệ số tự chắn đối với nơtron nhiệt vào bề dày các
mẫu
Các hệ số hiệu chỉnh chính sử dụng để xác định tiết diện bắt nơtron
nhiệt của phản ứng hạt nhân
181
Ta(n,) 182 Ta đã được tra cứu và tính toán
được liệt kê trong bảng 3.2.
60
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
Bảng 3.2 Các hệ số hiệu chỉnh chính được sử dụng để xác định tiết diện
bắt nơtron nhiệt của phản ứng
Phản ứng hạt nhân
181
Ta(n, ) 1 82 Ta
Gth[17]
G[7]
FCd[10]
Ta(n,)182Ta
0.997
1.0041
1
Au(n,)198Au
0.990
1.006
1.009
181
197
Hệ số tự hấp thụ tia gamma trong mẫu Au và mẫu Ta được tính từ
công thức 2.19 với hệ số suy giảm tuyến tính được tra cứu qua
Website[14,34].
Bảng 3.3. Hệ số tự hấp thụ tia gamma trong mẫu
Đồng vị
182
198
Ta
Au
E (keV)
f(%)
1121.30
0.9975
1189.05
0.9976
1221.407
0.9977
411.8
0.9940
Hệ số hiệu chỉnh cộng đỉnh của các tia gamma nối tầng được tính
theo công thức 2.21 và 2.22 kết quả được cho bởi bảng 3.4
Bảng 3.4. Hệ số hiệu chỉnh hiệu ứng cộng đỉnh tại vị trí cách detector
5cm
E (keV)
Cường độ (%)
Hệ số hiệu chỉnh
1 = 1189.05
16.23
C1
1.02
2 = 100.106
14.1
C2
1.00
1 = 67.75
41.2
C1
1.00
61
d = 5 cm
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
2 = 1121.3
34.9
C2
1.01
1 = 1121.3
34.9
C1
1.02
2 = 100.106
14.1
C2
1.01
1 = 67.75
41.2
C1
1.00
2 = 1221.407
26.98
C2
1.01
1 = 152.43
6.93
C1
1.00
2 = 1221.407
26.98
C2
1.01
3.3. Kết quả xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng
181
Ta(n,) 182 Ta.
Tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng
181
Ta(n,) 182 Ta đã được xác
định thông qua việc đo tốc độ phản ứng của các phản ứng bắt nơtron
181
Ta(n,) 182 Ta và
bắt
nơtron
197
nhiệt
Au(n,) 198 Au và sử dụng biểu thức (2.18).Tiết diện
của
phản
ứng
tham
chiếu 197 Au(n,) 198 Au
là
0(Au) =98.650.09 barn.
Kết quả tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng
181
Ta(n,) 182 Ta
được xác định bằng:
σ 0,Ta = 20.20.8 barn
Giá trị tiết diện trên được so sánh với các kết quả đã được công bố
bởi nhiều tác giả khác như trong bảng 3.5 dưới đây.
Bảng3.5. Số liệu tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng
181
Ta(n, ) 182 Ta
đã được công bố.
Năm
Tác giả
2014 Luận văn
62
σ(bar)
Monitor
20.2±0.8
Au
Sai
khác%
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
2013 Atlas [7]
20.5±0.5
-
1.5
2011 ENDF/B [7]
21.13
-
-4.6
2011 JEFF [7]
20.68
-
-2.38
2011 CENDL [7]
20.68
-
-2.38
2010 JENDL [7]
20.68
-
-2.38
2010 EAF[7]
21.14
-
-4.65
2007 ROSFOND [7]
20.68
-
-2.38
2006 S.F.Mughabghab [28]
20.5
-
-1.5
19.1±1
-
5.4
1978 M.Takiue and H.Ishikawa [19]
19.8±0.5
Co-59
1.9
1976 E.M.Gryntakis[9]
21.5±1.38
Au-197
-11
1971 V.Markovic and A.Kocic[32]
24.7±0.2
Au-197
-22
1970 S.S.Malik et al. [28]
21.2±1
Au
-5
1961 A.Sunyya and P.Axel [6]
21±0.23
-
-3.9
28
Co59
-38
21±0.7
Au-197
-3.9
20.6 ±0.2
-
-1.9
1984 R.E.Heft [25]
1960 W.S.Lyon [33]
1960 G.Wolf [12]
1947 L.Seren et al [16]
Sai số của kết quả được đánh giá là 4%, bao gồm các nguồn sai số
chính như sai số hiệu suất ghi đêtectơ, sai số thống kê, sai số tính diện
tích đỉnh phổ, sai số hình học chiếu, hệ số tự chắn nơtron nhiệt, tự hấp
thụ gamma trong mẫu, sai số của số liệu hạt nhân,...
Đồ thị trên hình 3.6 biểu diễn tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng
181
Ta(n,) 182 Ta của luận văn và một số tác giả khác.
63
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
Tiet dien bat notron nhiet (barn)
50
45
40
S.S.Malik et al
L.Seren et al.
W.S.Lyon
A.Sunyar and P.Axer
R.E.Heft
ENDF/B
JEFF
JENDL
ROSFOND
CENDL
EAF
luan van
E.M.Gryntakis
M.Takiue and H.Ishikawa
G.Wolf
V.Markovic and A.Kocic
S.F.Mughabghab
35
30
25
20
15
10
181
5
0
1940
182
Ta(n,) Ta
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
2020
Nam
Hình 3.6. tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng
181
Ta(n, ) 182 Ta.
Từ bảng trên ta thấy rằng tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng
181
Ta(n,) 182 Ta có giá trị thay đổi trong khoảng từ 19.128 barn. Sự
chênh lệch lớn nhất giữa chúng xấp xỉ 46.6%. Giá trị tiết diện phản ứng
thu được trong luận văn này σ 0,Ta = 20.20.8 barn, phù hợp với các giá trị
trung bình của các kết quả đã được liệt kê trong bảng 3.5. Với các giá trị
được tính toán từ ENDF/B(Mỹ), JEFF(Châu Âu), JENDL(Nhật Bản),
ROSFOND(Nga), CENDL(Trung Quốc) và EAF(Hàn Quốc)…được công
bố từ trung tâm dữ liệu hạt nhân, phòng thí nghiệm quốc gia Mỹ
Brookhaven 11/10/2013(National Nuclear Data Center, Brookhaven
National Laboratory, Upton, NY 11973-5000, USA), thì cho kết quả rất
gần với kết quả được xác định từ luận văn, chênh lệch từ 1,5 4.6%.
64
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
KẾT LUẬN
Bản luận văn trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm nhằm
xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân
181
Ta(n,) 182 Ta
gây bởi chùm nơtron xung trên máy gia tốc electron tuyến tính. Các kết
quả chính thu được gồm:
Đã tìm hiểu cơ chế tương tác của nơtron với vật chất và cơ chế làm
chậm nơtron.
Tìm hiểu một số khái niệm cơ bản về phản ứng hạt nhân nói chung
và phản ứng bắt nơtron nhiệt nói riêng.
Tìm hiểu về các loại nguồn nơtron và thí nghiệm nghiên cứu phản
ứng bắt nơtron nhiệt của phản ứng
181
Ta(n,) 182 Ta sử dụng nguồn nơtron
xung tạo ra từ máy gia tốc electron tuyến tính và các kỹ thuật phân tích
xử lý số liệu thực nghiệm.
Xác
181
định
được
tiết
diện bắt
nơtron nhiệt của phản ứng
Ta(n,) 182 Ta.
Tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân
181
Ta(n,) 182 Ta đã
được xác định bằng phương pháp kích hoạt với nguồn nơtron tạo ra từ
máy gia tốc electron tuyến tính 100MeV tại Pohang Hàn Quốc và sử dụng
phản ứng hạt nhân
197
Au(n, ) 198 Au làm phản ứng chuẩn. Để nâng cao độ
chính xác của kết quả, một số hiệu chỉnh như hiệu chỉnh hệ số tự che
chắn nơtron nhiệt, hiệu chỉnh hệ số Cadmium, hệ số Westcott, hệ số suy
giảm gamma trong mẫu… đã được quan tâm thực hiện. Giá trị tiết diện
bắt nơtron nhiệt của phản ứng
181
Ta(n,) 182 Ta được xác định là σ 0,Ta =
20.20.8 barn. Kết quả này so với các kết quả thực nghiệm và đánh giá
của nhiều tác giả khác là khá phù hợp. Sự sai khác giữa tiết diện bắt
nơtron nhiệt thu được với giá trị Atlas(20.50.5 barn) là 1.5%.
65
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
TÀI LIỆU KHAM KHẢO
Tài liệu tiếng việt:
[1]
Nguyễn Văn Đỗ (2004), Các phương pháp phân tích hạt nhân, Nhà
xuất bản Đại học Quốc gia, Hà Nội
[2]
Phạm Quốc Hùng, “ Lò phản ứng hạt nhân”. NXB ĐHQG HN
[3]
Ngô Quang Huy (2002), Vật lý lò phản ứng hạt nhân, NXB ĐHQG
HN
[4]
Ngô Quang Huy (2006). Cơ sở vật lý hạt nhân. NXB. KH&KT
Tài liệu tiếng anh
[5] A. Trkov, G.ˇ Zerovnik, L. Snoj, M. Ravnik,“On the self-shielding
factors in neutron activation analysis”,Nuclear Instruments and
Methods in Physics Research A 610 (2009) 553–565.
[6] A.Sunyar,P.Axer,” decay of 16-minute ta182m”, pr,121,1158,1961
[7] B. Pritychenko,S.F. Mughabghab.National Nuclear Data Center,
Brookhaven
National
Laboratory,
Upton,
NY
11973-5000,
USA,“Neutron Thermal Cross Sections, Westcott Factors, Resonance
Integrals, Maxwellian Averaged Cross Sections and Astrophysical
Reaction Rates Calculated from the ENDF/B-VII.1, JEFF-3.1.2,
JENDL-4.0, ROSFOND-2010, CENDL-3.1 and EAF-2010 Evaluated
Data Libraries”,aXiv:1208.2879v3[Astro-ph.SR] 11/9/2013.
[8] D. De Soete, R. Gijbels, J. Hoste, Neutron Activation Analysis”,
John Wiley & Sons Ltd, 1972.
[9] E.M.Gryntakis,Examination of the dependence of the effectivecross
section from the neutron temperature, measurements of the neutron
temperature and etermination of some cross sections for neutron
capture and neutron fission.
[10] F. De Corte, A. Simonits, A. De Wispelaere, “ Comparative study
of measured and critically evaluated resonace integral to thermal
66
Luận văn Thạc sĩ
cross
section
Nguyễn Minh Công
of
ratios”,Journal
Radioanalytical
and
Nuclear
Chemistry,133(1989) 131-151.
[11] F. De Corte “The updated NAA nuclear data library derived from the
Y2K
k0-database”,Journal
of
Radioanalytical
and
Nuclear
Chemistry, Vol. 257, No. 3 (2003) 493-499
[12 ] G.Wolf,” the absolute calibration of desintegration rates throught
the beta-gamma-coincidence method and it suse for measuring of the
thermal activation cross sections of the nuclides na-23,sc-45,co-59
end ta-181 (in german)”,j,nuk,2,255,60.
[13] Harald A. Enge, Introduction to nuclear physics, Addition- Wiley
publishing company, 1983.
[14] H. Hubbell and S. M. Seltzer, Tables of X-Ray Mass Attenuation
Coefficients and Mass Energy-Absorption Coefficients, 1996.
[15] Landolt-Börnstein,Numerical Data and Functional Relationships in
Science
and
Technology,
New
Series/
Editor
in
Chief:
W.
Martienssen
[16] L.Seren, H.N.Friedlander, S.H.Turkel, “Thermal Neutron Activation
Cross Sections”, J,PR,72,888,1947
[17] M. Blaauw, “The confusing issue of the neutron capture crosssection
to
use
in
computations”,Nuclear
thermal
Instruments
neutron
and
self-
Methods
shielding
in
Physics
Research, A 356(1995) 403.
[18] M. Karadag, H. Yucel, “Measurement of thermal neutron cross
section and resonace integral
for
186
W(n,γ) 187 W reaction by
activation method using a single monitor”,Annals of nuclear energy
vol.31(2004) 1285- 1297.
[19] M.Takiue,H.Ishikawa,” Thermal neutron reaction cross section
measurements for fourteen nuclides ith a liquid scintillation
spectrometer”,J,NIM,148,(1),157,7801.
67
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
[20] Nguyen Van Do, Pham Duc Khue, Kim Tien Thanh, Le Truong Son,
Guinyun Kim,Young Seok Lee, Youngdo Oh, Hee-Seok Lee, MooHyun Cho,In Soo Ko, Won Namkung,” Thermal neutron crosssection
and
resonance
integral
of
186
the
W(n,) 187 W
reaction”,Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B
266 (2008) 863–871
[21] Nguyen Van Do, Pham Duc Khue, Kim Tien Thanh, Bui Van Loat,
Md.S. Rahman, Kyung Sook Kim,Guinyun Kim, Youngdo Oh, HeeSeok Lee, Moo-Hyun Cho, In Soo Ko, Won Namkung,” Thermal
neutron cross-section and resonance integral of the
98
Mo(n,) 99 Mo
reaction”,Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B
267 (2009) 462–468.
[22] Nguyen Van Do, Pham Duc Khue, Kim Tien Thanh, Nguyen Thi
Hien, Guinyun Kim, Sungchul Yang, Kyung Sook Kim, Sung Gyun
Shin, Moo-Hyun Cho, Man Woo Lee, ” Measurement of thermal
neutron cross section and resonance integral for the 170Er(n,)171Er
reaction by using a gold monitor”,Nuclear Instruments and Methods
in Physics Research B 310 (2013) 10–17.
[23] Nguyen Van Do, Pham Duc Khue, Kim Tien Thanh, Guinyun
Kim,Young Seok Lee, Youngdo Oh, Hee-Seok Lee, Moo-Hyun
Cho,In Soo Ko, Won Namkung,” Thermal neutron cross-section and
resonance
integral
of
the
165
Ho(n,) 166g Mo
reaction”,Nuclear
Instruments and Methods in Physics Research B 269 (2011) 159–
166.
[24] Paul Reuss, Neutron physics, EDP Sciences (August 15, 2008).
[25] R.E.Heft, A consistent set of nuclear-parameter valuesfor absolute
instrumental neutron activation analysis. C,78MAYAG,,495,197805
[26] Richard B. Firestone “Table Of Isotope” , 3/1996.
68
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
[27] S.E. Agbemava, B.J.B. Nyarko, J.J. Fletcher, R.B.M. Sogbadji, E.
Mensimah, M. Asamoah,“Measurement of thermal neutron and
resonance integral cross sections of the reaction
51
V(n,) 52 V using a
20 Ci Am–Be isotopic neutron source”,Annals of Nuclear Energy 38
(2011) 1616–1622
[28] S.F.Mughabghab,Atlas of neutron resonances resonance parameters
and thermal Cross Sections Z=1-100, B,NEUT.RES,,2006.
[29] S.S.Malik,G.Brunhart,F.J.Shore,V.L.Sailor,” Factors in the precision
of slow neutron capture cross section measurements using a simple
Moxon-Rae detector”,J,NIM,86,83,1970.
[20] Van Do Nguyen and Duc Khue Pham, “Measurements of neutron and
Photon distributions by using an Activation Technique at the Pohang
Neutron Facility”, Journal of the Korean Physical Society,Vol.
48,No. 3,March 2006,pp. 382- 389.
[31] Van DoNguyen and Duc Khue Pham, “ Neutron yields from thick Ta
target bombarded by 65 MeV electron beam”, Communications in
Physics, Vol.14, No.4(2004), pp. 209-214.
[32] V.Markovic,A.Kocic,” Measurement of the thermal effective cross
section and the effective resonance integral of copper and tantalum
using the pile scillator method”,J,BKN,22,(1),1,1971.
[33] W.S.Lyson,,” reactor neutron activation cross sections fora number
of elements”,j, nse,8,378,60.
[34] http://www.nist.gov/pml/data/xraycoef/
[35] http://en.wikipedia.org/wiki/Tantalum
[36] http://ie.lbl.gov/toi/
69
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
PHỤ LỤC
Hình P.1. Đêtectơ HPGe (ORTEC)
Hình P.2. Hệ điện tử và máy tính kết nối ghi nhân phổ gamma
70
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
Các chương trình sử dụng phần mềm Mathermatiaca để tính toán tiết
diện của phản ứng hạt nhân
181
Ta(n, ) 182 Ta.
Chương trình tính hệ số tự chắn nơtron nhiệt G th :
-
Của Au:
sigAu=98.65*10^(-24)
9.865×10-23
DAu=19.3
19.3
N0Au=(6.022*10^(23)*DAu)/196.97
5.90062×1022
Si=2/(Sqrt[3.14])*N0Au*sigAu*0.003
0.0197098
GthAu=(1-Exp[-Si])/Si
0.99021
- Của Ta:
sigTa=20.5*10^(-24)
2.05×10-23
DTa=16.650
16.65
NoTa=(6.022*10^(23)*DTa)/181.85
5.51368×1022
Si=2/(Sqrt[3.14])*NoTa*sigTa*0.005
0.00637868
GthTa=(1-Exp[-Si])/Si
0.996817
71
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
Chương trình tính tốc độ phản ứng:
-
Tính tốc độ phản ứng của Au1:( E = 411.8 keV):
Ig=96/100
24/25
e=0.855
0.855
ti=9600
9600
tw=5*3600+30*60+19
19819
tc=600
600
to=2.0*10^(-6)
2.×10-6
lamda=0.693/(2.6952*24*3600)
2.97597×10-6
tcp=1/15
1/15
n0=0.0704*0.9995*6.022*10^23/196.97
2.15128×1020
Nobs=(28640-240)*1
28400
TS=Nobs*lamda*(1-Exp[-lamda*tcp])
1.67681×10-8
MS=n0*e*Ig*(1-Exp[-lamda*to])*(1-Exp[-lamda*ti])*Exp[-lamda*tw]*(1-Exp[lamda*tc])
49782.6
R=TS/MS
3.36827×10-13
72
Luận văn Thạc sĩ
-
Nguyễn Minh Công
Tốc độ phản ứng Au2 (E = 411.8 keV)
Ig=96/100
24/25
e=0.855
0.855
ti=9600
9600
tw=5*3600+19*60+30
19170
tc=600
600
to=2.0*10^(-6)
2.×10-6
lamda=0.693/(2.6952*24*3600)
2.97597×10-6
tcp=1/15
1/15
n0=0.0692*0.9995*6.022*10^23/196.97
2.11461×1020
Nobs=(11138-140)*1.1
12097.8
TS=Nobs*lamda*(1-Exp[-lamda*tcp])
7.14286×10-9
MS=n0*e*Ig*(1-Exp[-lamda*to])*(1-Exp[-lamda*ti])*Exp[-lamda*tw]*(1-Exp[lamda*tc])
49028.6
R=TS/MS
1.45688×10-13
73
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
- Tốc độ phản ứng của Ta1(E=1189.05 keV )
Ig=16.23/100
0.1623
e=0.26
0.26
ti=9600
9600
tw=3*3600+17*60+27
11847
tc=3600
3600
to=2.0*10^(-6)
2.×10-6
lamda=0.693/(114.43*24*3600)
7.00938×10-8
tcp=1/15
1/15
n0=0.1138*0.999*6.022*10^23/181.95
3.76267×1020
Nobs=(202-37)
165
TS=Nobs*lamda*(1-Exp[-lamda*tcp])
5.40445×10-14
MS=n0*e*Ig*(1-Exp[-lamda*to])*(1-Exp[-lamda*ti])*Exp[-lamda*tw]*(1-Exp[lamda*tc])
0.377549
R=TS/MS
1.43146×10-13
74
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
- Tốc độ phản ứng của Ta2(E=1189.05 keV )
Ig=16.23/100
0.1623
e=0.26
0.26
ti=9600
9600
tw=3600+14*60+36
4476
tc=1800
1800
to=2.0*10^(-6)
2.×10-6
lamda=0.693/(114.43*24*3600)
7.00938×10-8
tcp=1/15
1/15
n0=0.1139*0.999*6.022*10^23/181.95
3.76598×1020
Nobs=(51-16)
35
TS=Nobs*lamda*(1-Exp[-lamda*tcp])
1.1464×10-14
MS=n0*e*Ig*(1-Exp[-lamda*to])*(1-Exp[-lamda*ti])*Exp[-lamda*tw]*(1-Exp[lamda*tc])
0.18905
R=TS/MS
6.064×10-14
75
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Minh Công
Chương trình tính tiét diện của phản ứng hạt nhân 181Ta(n,)182Ta
sigAu=98.65*10^(-24)
9.865×10-23
FCdAu=1.009
FCdTa=1
1.009
1
gcAu=1.006
gcTa=1.0041
1.006
1.0041
RAu1=3.3856028048484974`*^-13*1.
3.3856×10-13
RAu2=1.5258450633769767`*^-13*1.05
1.60214×10-13
RTa1=1.4916540267627225`*^-13
1.49165×10-13
RTa2=1.0754828182303976`*^-13*1.05
1.12926×10-13
GthAu=0.9902095445205094`
0.99021
GthTa=0.996817431152511`
0.996817
SigTa=sigAu*((RTa1-(FCdTa*RTa2))/(RAu1(FCdAu*RAu2)))*(GthAu/GthTa)*(gcAu/gcTa)
2.01129×10-23
76
[...]... NGHIỆM XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN BẮT NƠTRON NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG 181 Ta(n,) 182 Ta Quá trình bắt nơtron đã đẩy các hạt nhân từ trạng thái bền lên trạng thái kích thích và sau đó trở thành hạt nhân phóng xạ, đồng thời phát ra các tia gamma Dựa trên năng lượng của bức xạ gamma và xác định hoạt độ phóng xạ của các hạt nhân sản phẩm là căn cứ để xác định tiết diện phản ứng hạt nhân nghiên cứu Nghiên cứu phản ứng hạt. .. đáng kể, việc nghiên cứu về phản ứng này vẫn được tiếp tục bằng nhiều phương pháp khác nhau Bản luận văn với đề tài Xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân 181 Ta(n,) 182 Ta” nhằm mục đích nghiên cứu một số đặc trưng của phản ứng bắt nơtron và xác định bằng thực nghiệm tiết diện phản ứng bắt nơtron nhiệt 181 Ta(n,) 182 Ta với chùm nơtron xung đã được nhiệt hóa trên máy gia tốc electron... : Nhiệt lượng tỏa ra sau phản ứng Xác suất các phản ứng sau khi nơtron bị bắt là σ(n,α), σ(n,p),σ(n,γ),…Vậy σ(n,x) chính là xác suất của phản ứng bắt 1 nơtron và hạt nhân hợp phần phát ra hạt/ bức xạ nào đó Khi hạt nhân hấp thụ (bắt) nơtron nhiệt (năng lượng 0.025 eV) sẽ tạo thành hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích Năng lượng kích thích bằng tổng năng lượng liên kết của nơtron và động năng của. .. tâm Vật lý hạt nhân, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Bố cục của luận văn gồm 3 chương cùng với phần mở đầu, kết luận và phụ lục Chương I là phần tổng quan về phản ứng bắt nơtron trình bày vắn tắt về cơ chế tương tác của nơtron với vật chất, cơ chế làm chậm nơtron, cơ chế phản ứng hạt nhân, phản ứng bắt nơtron, tiết diện của phản ứng bắt nơtron và các loại nguồn nơtron Chương... với phản ứng hạt nhân theo cơ chế hợp phần, phân bố gần như đẳng hướng Phân bố góc của sản phẩm phản ứng phụ thuộc mạnh vào sự truyền xung lượng và thay đổi độ chẵn lẻ trong quá trình phản ứng - Cơ chế phản ứng hạt nhân trước cân bằng: Cơ chế phản ứng hạt nhân trước cân bằng có thể coi là cơ chế trung gian giữa cơ chế phản ứng hạt nhân hợp phần và cơ chế phản ứng hạt nhân trực tiếp Đối với cơ chế phản. .. nucleon trong hạt nhân A và truyền trực tiếp năng lượng của mình cho các nucleon này và phản ứng hạt nhân xảy ra trong thời gian vào cỡ thời gian đặc trưng của hạt nhân (10 -22 s) Để có phản ứng hạt nhân trực tiếp thì năng lượng của hạt tới phải đủ lớn để bước sóng của nó nhỏ hơn kích thước hạt nhân [4] Tiết diện phản ứng tăng theo năng lượng hạt tới và không có tính chất cộng hưởng Hạt bay ra có phân... và tích phân cộng hưởng Tiết diện bắt nơtron thường được chia làm 3 vùng (hình 1.5): Vùng năng lượng thấp, đối với hầu hết các hạt nhân, tiết diện bắt phát xạ phụ thuộc vào 1/ Do tốc độ của nơtron tỷ lệ với , có thể rút ra tiết diện bắt nơtron nhiệt phụ thuộc vào 1/ trong đó là vận tốc của nơtron tới Tiết diện phản ứng bắt nơtron tại năng lượng nhiệt (0.025 eV) có xác xuất lớn nhất Vùng năng lượng... 0.025 eV a Tiết diện phản ứng Thực nghiệm cho thấy, đối với Z < 88 thì tất cả các phản ứng xảy ra với tiết diện ( n, ) (trừ các trường hợp đã được định trước) Tốc độ phản ứng với thông lượng nhiệt nhất định có thể được rút ra từ tiết diện 0 tương ứng với vận tốc 0 trong điều kiện ( ) 1 / Một số tác giả khác định nghĩa tiết diện phản ứng là tổng của tất cả các tiết diện của các tương tác,... Xác suất tương đối khi phát , p , n, là: / , p / , n / , / (1.18) Xác suất tổng cộng ( n, x) cho phản ứng (n, x) : (n, x) C x / (1.19) trong đó C : xác suất tạo thành hạt nhân hợp phần, x / : đã được định nghĩa ở công thức (1.18) 1.4 Tiết diện bắt nơtron nhiệt 1.4.1 Khái quát về tiết diện phản ứng Nếu hạt nhân bia A có N hạt nhân/ cm 3 , mỗi hạt có diện tích... Các cơ chế phản ứng hạt nhân - Cơ chế phản ứng hạt nhân hợp phần: Đối với cơ chế phản ứng hạt nhân hợp phần, các hạt tham gia tương tác (a và A) tạo nên hạt nhân hợp phần C và sau đó hạt nhân hợp phần này phân rã thành các hạt thứ cấp (b và B) a+AC và Cb+B N.Bohr giả thuyết rằng, hai giai đoạn tạo nên hạt nhân hợp phần C và phân rã hạt nhân này là độc lập nhau Khả năng phân rã hạt nhân hợp 18 Luận ... trưng quan trọng phản ứng hạt nhân tiết diện phản ứng Tiết diện phản ứng thước đo xác suất xảy phản ứng hạt nhân Tiết diện phản ứng nhân (n,) gây nơtron nhiệt loại số liệu hạt nhân quan trọng... 2.2.5 Xác định hiệu suất ghi đêtectơ 48 2.3 Phương pháp xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt 50 2.3.1 Xác định tốc độ phản ứng hạt nhân 50 2.3.2 Xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt. .. [3] 1.3 Hạt nhân hợp phần, hạt nhân kích thích 1.3.1 Các chế phản ứng hạt nhân a Các chế phản ứng hạt nhân - Cơ chế phản ứng hạt nhân hợp phần: Đối với chế phản ứng hạt nhân hợp phần, hạt tham