Tương tác của neutron với vật chất

Trang 1

MỤC LỤC

1 TƯƠNG TÁC CỦA NEUTRON VỚI VẬT CHẤT 2

1.1 Sự suy giảm chùm neutron khi đi qua vật chất 2

1.2 Sự làm chậm neutron do tán xạ đàn hồi 2

1.2.1 Tham số va chạm ξ 4

1.2.2 Số va chạm S 5

1.3 Hấp thụ neutron 6

2 ĐẶC TRƯNG CỦA TRƯỜNG NEUTRON 7

2.1 Thông lượng ,mật độ và dòng neutron 7

2.2 Độ dài làm chậm và độ dài khuếch tán neutron 10

2.2.1 Độ dài làm chậm 10

2.2.2 Độ dài khuếch tán 11

3 MỘT SỐ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN KHÁC 12

3.1 Phản ứng chiếm phóng xạ 12

3.2 Phản ứng sinh proton 13

3.3 Phản ứng sinh alpha 13

3.4 Phản ứng phân hạch 14

3.5 Phản ứng sinh nhiều hạt 14

4 TÀI LIỆU THAM KHẢO 15

Trang 2

1 TƯƠNG TÁC CỦA NEUTRON VỚI VẬT CHẤT

1.1 Sự suy giảm chùm neutron khi đi qua vật chất

Sự tương tác của neutron với vật chất chủ yếu là tương tác với hạt nhân nguyên tử Khi neutron va chạm với hạt nhân thường xảy ra các quá trình tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi và phản ứng hạt nhân

Để xem xét sự tương tác của neutron với vật chất, người ta chia các neutron theo năng lượng của chúng, thành các neutron nhiệt (năng lượng neutron En từ 0 đến 0.5eV), các neutron trên nhiệt (En từ 0.5eV đến 10keV), các neutron nhanh (En từ 10keV đến 10MeV) và các neutron rất nhanh (En lớn hơn 10MeV) Tương tác của neutron với hạt nhân phụ thuộc rất mạnh vào năng lượng của nó

Tất cả các neutron khi sinh ra đều là neutron nhanh Các neutron nhanh mất năng lượng khi va chạm đàn hồi với các hạt nhân môi trường trở thành neutron nhiệt hoặc trên nhiệt và cuối cùng bị hấp thụ trong môi trường Có nhiều loại phản ứng của neutron với vật chất nhưng từ quan điểm an toàn bức xạ, các tương tác chính của neutron được quan tâm là quá trình tán xạ đàn hồi và quá trình neutron sinh ra các photon hay các hạt khác

Khi chùm hẹp các hạt neutron đi qua môi trường, cũng giống như tia gamma, cường độ chùm tia cũng giảm đi theo hàm số mũ Ở đây thay cho việc sử dụng hệ số hấp thụ tuyến tính hay hệ số hấp thụ khối người ta dùng tiết diện vĩ mô Σ=σN, trong đó: σ là tiết diện hấp thụ vi mô của môi trường; N là số các hạt nhân hấp thụ của môi trường trong 1cm3 Khi đó cường độ chùm neutron I sau bản hấp thụ dày t liên hệ với cường độ chùm neutron I0 trước bản hấp thụ như sau:

I=I0e- Σ t= I0e- σ Nt

(1.1)

1.2 Sự làm chậm neutron do tán xạ đàn hồi

Tán xạ đàn hồi là quá trình phổ biến nhất khi neutron tương tác với các hạt nhân môi trường có số nguyên tử bé Do tán xạ đàn hồi, năng lượng neutron giảm dần

Trang 3

khi đi qua môi trường, ta gọi là neutron bị làm chậm và môi trường như vậy gọi là chất làm chậm

Quá trình tán xạ đàn hồi giữa neutron nhanh với hạt nhân môi trường giống như sự va chạm đàn hồi giữa hai viên bi, trong đó hạt neutron có khối lượng bằng 1, động năng ban đầu E, còn hạt nhân đứng yên có khối lượng A Sau tán xạ neutron có năng lượng E’ Do quy luật bảo toàn động năng và động lượng của quá trình tán xạ đàn hồi, ta có:

εE ≤ E’ ≤ E (1.2) Trong đó:

2

1 1

A A

Trong công thức (1.2):

E’=E khi neutron tán xạ về phía trước

E’=εE khi neutron tán xạ giật lùi về phía sau, tức là va chạm chạm trán

Theo công thức (1.3) trong va chạm với hạt nhân hydrogen thì ε=0, do đó theo công thức (1.2) neutron truyền toàn bộ động năng của mình cho hydrogen khi va chạm chạm trán Tuy nhiên, đối với các hạt nhân nặng hơn, do ε≠0 nên neutron không thể truyền toàn bộ động năng của mình trong một va chạm Chẳng hạn, đối với tán xạ đàn hồi giữa neutron và hạt nhân oxygen thì ε=0,778, do đó phần động năng của neutron được truyền cho hạt nhân oxygen trong một va chạm chạm trán là:

(E-E’)/E=1-ε=1-0.778=0.222, tức là 22,2%

Như vậy, hạt nhân với khối lượng bé làm chậm neutron có hiệu quả hơn hạt nhân có khối lượng lớn

Trang 4

1.2.1 Tham số va chạm ξ

Để biểu thị độ mất năng lượng khi neutron va chạm đàn hồi, người ta dùng tham số va chạm hay độ mất năng lượng logarit trung bình:

ln '

E E

Trong đó dấu gạch ngang ký hiệu việc lấy trung bình theo số các neutron tham gia tán xạ và theo các góc tán xạ Thực hiện phép lấy trung bình ta được:

ln 1 1

ε ε ξ

ε

= +

Trong trường hợp môi trường làm chậm chứa n loại hạt nhân và mỗi loại có tiết diện tán xạ vi mô là σsi và tham số va chạm ξi thì giá trị trung bình của tham số va chạm của môi trường là:

1

n

si i i i

n

si i i

N N

ξ

σ

=

= ∑

Do ln

'

E E

ξ = nên E '

e E

ξ

−

= , hay phần năng lượng trung bình của neutron vào được truyền cho hạt nhân bia trong một va chạm là:

'

1 E 1

E

ξ

−

Theo công thức (1.7), đối với hydrogen thì ξ=1 nên phần năng lượng trung bình của neutron nhanh truyền cho hạt nhân hydrogen trong một va chạm là f=63%, còn đối với carbon thì ξ=0.159 nên f=14.7%

Trang 5

1.2.2 Số va chạm S

Số va chạm cần thiết để làm chậm neutron từ năng lượng E1 đến năng lượng

E2 là:

1 2

2

1 , ln E

S E E

E

ξ

Như vậy số va chạm cần thiết để chuyển từ neutron nhanh có năng lượng

E0=2 MeV đến neutron nhiệt có năng lượng ET=0.025eV là:

ST=S(E0ET)=18.2/ξ (1.9)

Từ bảng 1 dẫn ra các giá trị ξ và ST đối với một số chất làm chậm

Bảng 1: Các thông số đối với một số chất làm chậm

Chất

làm

chậm

Mật độ

γ(g/cm3)

N 1024/cm3 ξ ST τ( )E1 cm L (cm) D (cm-1)

H2O 1 0.0335 0.948 ∼18.2 5.75 2.88 0.16

D2O 1.1 0.0331 0.570 31.8 11 171 0.87

Be 1.85 0.1236 0.209 86 9.9 24 0.50

C 1.6 0.0803 0.158 114 17.3 50 0.84

Từ các biểu thức (1.3), (1.5), (1.8) và (1.9) và bảng 1 thấy rằng khi số khối lượng của các hạt nhân tăng thì ξ giảm và do đó số va chạm cần thiết để chuyển từ neutron nhanh đến neutron nhiệt tăng Điều này cho thấy rằng các hạt nhân nhẹ có tác dụng làm chậm tốt hơn các hạt nhân nặng

Trang 6

1.3 Hấp thụ neutron

Trong quá trình neutron nhanh được làm chậm thành neutron trên nhiệt hay neutron nhiệt trong môi trường, xác suất hấp thụ chúng tăng dần Tiết diện hấp thụ của nhiều hạt nhân đối với neutron ở miền năng lượng nhiệt tuân theo quy luật một trên v như sau:

v E

Chẳng hạn đối với B10, quy luật này đúng trong miền năng lượng từ 0.001eV đến 1000eV Tiết diện neutron có giá trị cao nhất σT tại năng lượng nhiệt ET=0.025eV Khi đó quy luật (1.10) có thể viết thành:

σ σ= =σ

Các phản ứng hấp thụ neutron nhiệt được quan tâm trong an toàn bức xạ như

H1(n,γ)H2 với σT=0.33 barns; N14(n,p)C14 với σT=1.70 barns; B10(n,α)Li7 với σT= 4.01

× 103barns và Cd113(n,γ)Cd114 với σT=2.1×104 barns Các phản ứng H1(n,γ)H2 và

N14(n,p)C14 được quan tâm trong an toàn bức xạ do H và N là các nguyên tố chủ yếu trong mô sinh học còn các phản ứng B10(n,α)Li7 và Cd113(n,γ)Cd114 được quan tâm khi che chắn neutron Thông thường, khi che chắn neutron nhanh , người ta dùng hai loại vật liệu kết hợp với nhau, vật liệu nhẹ như nước, paraphin để làm chậm neutron và vật liệu hấp thụ mạnh neutron nhiệt như B10 hay Cd113 để hấp thụ neutron nhiệt

Trang 7

2 ĐẶC TRƯNG CỦA TRƯỜNG NEUTRON

2.1 Thông lượng ,mật độ và dòng neutron

Ta hãy khảo sát yếu tố thể tích dV=dxdydz trong môi trường tán xạ theo hướng vecto r Trong thể tích đó có số neutron là n(r,Ω,E)drdΩdE với hướng bay được xác định bởi vector đơn vị Ω trong vùng góc dΩ quanh Ω và trong khoảng động năng E và E+dE n(r, Ω,E) (cm-3 steradian-1eV-1) là: Mật độ neutron có động năng E bay quanh góc Ω Khi tính cho tất cả của năng lượng neutron ta có:

0

∞

Ta có n(r, Ω) là vector mật độ: nó chính là n(r, Ω,E) khi E không đổi Nếu lấy tích phân theo tất cả hướng bay thì chúng ta nhận được tổng số neutron trong yếu

tố thể tích tại điểm r:

∞

Ω Ω = ∫ Ω Ω = ∫ ∫ Ω Ω (2.2)

Trong đó: n(r) là mật độ neutron tại điểm r

Ta gọi thông lượng dòng neutron vi phân là:

F(r, Ω,E)dΩdE = n(r, Ω,E)vdΩDE (2.3)

Trong đó: v= 2E m là vận tốc neutron

Trang 8

Thông lượng dòng neutron vi phân là số neutron tại điểm r với năng lượng trong khoảng E→ E+ dE bay trong vi phân góc khối dΩ quanh góc Ω xuyên qua diện tích 1cm2 vuông góc với Ω trong một giây

Tích phân thông lượng vi phân F(r, Ω,E) theo năng lượng ta sẽ được vector thông lượng:

0

∞

Ω =∫ Ω

là số neutron xuyên qua một diện tích 1cm2 vuông góc với hướng Ω trong vi phân góc khối dΩ trong mỗi giây Cuối cùng ta có:

4

,

π

là thông lượng neutron Trong trường đơn năng, v đơn giản chỉ là vận tốc, còn trong trường đa năng v sẽ là trung bình vận tốc trên phổ năng lượng của mật độ

−Hãy khảo sát một đĩa tròn diện tích πR2 = 1cm2 tâm cố định tại r

F(r, Ω)dΩ là số neutron xuyên qua đĩa qua yếu tố góc khối dΩ quanh hướng Ω mỗi giây Hình 2.1 mô tả sự hình thành thông lượng Đĩa quay quanh tâm

cố định tạo thành một hình cầu có tiết diện πR2=1cm2 và có bề mặt 4πR2 = 4cm2 Như vậy, thông lượng Φ có thể hình dung như số neutron xuyên qua hình cầu này theo tất

cả các hướng Theo đó, trong một trường đẳng hướng, tức là trong một trường mà tất

cả các hướng bay đều bằng nhau thì Φ/2 neutron xuyên qua một bề mặt 1cm2 trong một giây Từ đó, nhìn chung có 2Φ neutron xuyên qua 4cm2 trong mỗi giây (mỗi neutron xuyên qua một lần từ ngoài vào trong và một lần từ trong ra phía ngoài), Φ/2 neutron xuyên qua 1cm2 mỗi giây Kết luận này vẫn đúng cho trường hợp các trường neutron bất đẳng hướng yếu

−Trong đa số các trường hợp thì F có thể được trình bày như là hàm số của chỉ một góc θ; góc này được đo từ một sự “đối xứng trục” Đối với nó, trường được

Trang 9

khảo sát là đối xứng đều đặn.Trong trường hợp như vây ta luôn có thể khai triển đại lượng F(r,Φ) trong dạng đa thức Legendre

0

1

4 l

π

∞

=

Bốn đa thức đầu tiên là:

P0 = 1 P1 = cosθ

P2 = 1/2(3cos2θ-1) P3 = ½(5cos3θ- 3cos2θ)

Hình 2.1: Định nghĩa về vector thông lượng và thông lượng

Ta có phương trình:

1 1

0 ( ) 2 ( , ) ( os )sin

π

Đúng cho đại lượng F1(r)

Cụ thể có:

0

( ) 2 ( , )sin ( , ) ( )

π

dΩ Ω

r

πR2=1cm2

Trang 10

Ta đưa vào đại lượng mật độ dòng j theo hướng phân bố trục Độ lớn của vector này là số:

2

( ) ( , ) os 2 ( , ) os sin

π

Neutron xuyên qua bề mặt 1cm2 vuông góc với trục phân bố theo mỗi giây

So sánh với (2.6) thấy rằng : J(r) = F1(r) Như vậy, hai số hạng đầu tiên của (2.5) có thể viết:

F(r,Ω) = ¼ πφ(r) + ¾ πJ(r)cosθ (2.9)

Trong nhiều trường hợp vector thông lượng F(r, Ω) có thể được tính gần đúng bởi hai số hạng đầu tiên này với độ chính xác khá cao

2.2 Độ dài làm chậm và độ dài khuếch tán neutron

2.2.1 Độ dài làm chậm

Sau một số trung bình và chạm của neutron nhanh trong môi trường như trình bày trên bảng 1, neutron nhanh trở thành neutron nhiệt Quãng đường mà neutron nhanh đi được trong môi trường cho đến khi trở thành neutron nhiệt được gọi là độ dài làm chậm Độ dài làm chậm bằng căn bậc hai của tuổi Fermi τ(E), được xác định như sau:

0

E

E dE

E

λ λ λ λ τ

Trong đó E0=2 MeV là năng lượng neutron nhanh, E là năng lượng neutron trong quá trình làm chậm, λs và λtr là các độ dài tán xạ và độ dài dịch chuyển của neutron trong môi trường Độ dài dịch chuyển được xác định như sau:

Trang 11

1 cos

s tr

λ λ

θ

=

3A

Là trung bình cosin của góc bay của neutron sau tán xạ

Với E=ET=0.025eV thì τ(ET) là tuổi neutron nhiệt còn τ(E T) là độ dài làm

chậm Bảng 1 trình bày độ dài làm chậm đối với một số chất làm chậm

2.2.2 Độ dài khuếch tán

Sau khi trở thành neutron nhiệt, các neutron khuếch tán trong môi trường cho đến lúc bị hấp thụ Độ dài khuếch tán L là quãng đường mà neutron đi được từ khi trở thành neutron nhiệt đến lúc bị hấp thụ và được xác định như sau:

3

a tr

Trong đó λa là độ dài hấp thụ neutron nhiệt của môi trường Với môi trường có độ dài khuếch tán L thì chùm tia neutron nhiệt bị suy giảm khi đi qua môi trường có bề dày t được xác định như sau:

I=I0e-t/L (2.14)

Các neutron khuếch tán với hệ số khuếch tán D được xác định qua độ dài dịch chuyển như sau:

Trang 12

Đối với một nguồn điểm S neutron nhiệt trong 1 giây đặt trong một quả cầu làm chậm bán kính R với độ dài khuếch tán L, hệ số khuếch tán D, thì mật độ thông lượng neutron nhiệt thoát khỏi bề mặt quả cầu là:

/

4

R L

Se RD

π

−

Bảng 1 dẫn ra các giá trị độ dài khuếch tán L và hệ số khuếch tán D đối với một số môi trường làm chậm

3 MỘT SỐ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN KHÁC

Trong mục 1.3 đã nêu một số quá trình hấp thụ neutron Đó chính là các phản ứng hạt nhân với sự tham gia của neutron Trong phần này sẽ trình bày ngắn gọn một số phản ứng hạt nhân tiêu biểu

3.1 Phản ứng chiếm phóng xạ

Trong phản ứng chiếm phóng xạ hạt nhân hấp thụ neutron và phát ra tia gamma, ký hiệu là phản ứng (n,γ):

n+ZXA→ZXA+1+γ (3.1)

Hạt nhân ZXA+1 thường là hạt nhân phóng xạ beta và phân rã theo kênh:

ZXA+1→Z+1YA+1+e-+γ (3.2)

Phản ứng chiếm phóng xạ thường xảy ra với năng lượng neutron từ 0 đến 500keV Chẳng hạn, neutron năng lượng 1.46KeV tương tác với Indium như sau:

n+49In115→49In116 + γ (3.3)

Trang 13

Đồng vị phóng xạ 49In116 phân rã beta với thời gian bán rã T1/2=54 phút:

49In →β− 50Sn (3.4)

3.2 Phản ứng sinh proton

Trong phản ứng sinh proton hạt nhân hấp thụ neutron và phát ra hạt proton, ký hiệu là phản ứng (n,p):

n + ZXA →Z-1YA + p (3.4’) Ví dụ phản ứng sau đây khi neutron có năng lượng 0.92 MeV:

n + 16S32 →15P32 + p (3.5) và đối với neutron nhiệt:

n + 7N14 →6C14 + p (3.6)

3.3 Phản ứng sinh alpha

Trong phản ứng sinh alpha hạt nhân hấp thụ neutron và phát ra hạt alpha, ký hiệu là phản ứng (n,α):

n + ZXA →Z-2YA-3 + 2He4 (3.7) ví dụ phản ứng sau đây khi neutron có năng lượng 0.28 MeV:

n +7N14→5B11 + 2He4 (3.8) và đối với neutron nhiệt:

Trang 14

n + 3Li6→1H3 + 2He4 (3.9)

n + 5B10→3Li7 + 2He4 (3.10)

3.4 Phản ứng phân hạch

Trong phản ứng phân hạch hạt nhân, các hạt nhân nặng như Uranium , thorium và plutonium hấp thụ neutron và bị neutron này phân chia thành 2 mãnh vỡ với khối lượng gần theo tỉ lệ 2:3, ký hiệu là phản ứng (n,f):

n + ZXA →Z1YA1 + Z2ZA2 (3.11) với Z1 + Z2 = Z và A1 + A2 = A + 1

phản ứng phân hạch còn sinh ra các hạt neutron, gamma, beta.v.v…

và tỏa ra nhiệt lượng gấp hàng triệu lần nhiệt lượng của các phản ứng hóa học Phản ứng phân hạch được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân và các phản ứng hạt nhân

3.5 Phản ứng sinh nhiều hạt

Trong phản ứng sinh nhiều hạt, hạt nhân hấp thụ neutron và phát ra 2 hạt neutron, ký hiệu là phản ứng (n, 2n), hạt neutron và proton, ký hiệu là phản ứng (n,np), 3 hạt neutron, ký hiệu là phản ứng (n,3n) v.v…Ví dụ:

n+6C12→6C11+2n (3.12) n+29Cu63→29Cu62+2n (3.13)

Các phản ứng sinh nhiều hạt thường xảy ra với neutron có năng lượng rất cao

Định dạng
Số trang	15
Dung lượng	197 KB