DSpace at VNU: Xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân 181Ta(n,g)182Ta

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 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS Phạm Đức Khuê Hà Nội – 2014 LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy hƣớng dẫn TS Phạm Đức Khuê dạy chuyên môn, giúp đỡ tận tình suốt trình học tập, làm việc thực luận văn Em xin gửi lời cảm ơn tới cán bộ, giảng viên khoa Vật lý trƣờng ĐH KHTN – ĐHQG HN tận tình dạy suốt thời gian học tập trƣờng Em xin chân thành cảm ơn cán bộ, giảng viên phòng sau đại học Trƣờng ĐHKHTN-ĐHQG HN, lãnh đạo Viện Vật lý, Trung tâm Vật lý Hạt nhân, cán lãnh đạo Đoàn 871 Cục CT –BTTM, cán lãnh đạo BTL Hóa học, Trƣờng sỹ quan Phòng Hóa tạo điều kiện thuận lợi đểhoàn thành luận văn Cuối , em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình ngƣời thân ln động viên, ủng hộ tuyệt đối vật chất tinh thần để yên tâm học tập, làm việc hoàn thành luận văn Em xin cảm ơn mong thầy cô, bạn bè đồng nghiệp đóng góp ý kiến bổ sung để luận văn ngày đƣợc hoàn thiện 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 lƣợng electron E  : Năng lƣợng tia gamma RF: Tần số radio (radio frequency) I  : Xác suất phát xạ hay cƣờng độ tia gamma HPGe: Detector bán dẫn siêu tinh khiết Tiết diện: Cross section Thông lƣợng: Flux Suất lƣợng: Yield Lá dò: Foild Hệ làm chậm nƣớc: Water moderator Khối ốp chì: Pb bricks MCA: Bộ phân tích đa kênh (Multi Channel Analyzer) ADC: Bộ chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự số (Analog to Digital Converter) Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Thông số va chạm số hạt nhân Bảng 1.2: Các thông số số chất làm chậm Bảng 2.1: Đặc trưng mẫu Ta, Au In Bảng 2.2: Chế độ kích hoạt mẫu Bảng 2.3: Giá trị hệ số làm khớp hàm Detector HPGe(ORTEC) Bảng 3.1: Các thông số phản ứng 115 181 Ta(n,)182Ta , 197Au(n,)198Au, In(n,  ) 116m In Bảng 3.2: Các hệ số hiệu chỉnh sử dụng để xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt phản ứng 181 Ta(n,  ) 182 Ta Bảng 3.3: Hệ số tự hấp thụ tia gamma mẫu Bảng 3.4: Hệ số hiệu chỉnh hiệu ứng cộng đỉnh vị trí cách detector cm Bảng 3.5: Số liệu tiết diện bắt nơtron nhiệt phản ứng công 181 Ta(n,  ) 182 Ta Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Cơng DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ tán xạ đàn hồi notron lên hạt nhân hệ tọa độ phòng thí nghiệm (a) hệ tọa độ tâm qn tính (b) Hình 1.2 Sơ đồ tính ζ Hình 1.3 Sơ đồ phân rã hạt nhân phản ứng bắt nơtron nhiệt Hình 1.4 Các mức lượng kích thích hạt nhân hợp phần Hình 1.5 Tiết diện phản ứng 181 Ta(n, 𝛾 ) 182 Ta theo lượng Hình 2.1 Máy gia tốc electron tuyến tính 100 MeV Pohang,Hàn Quốc Hình 2.2.Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy gia tốc tuyến tính 100 MeV Hình 2.3.Cấu tạo bia Ta hệ làm chậm nơtron Hình 2.4.Phân bố lượng nơtron bia Ta làm chậm nước, không làm chậm nước phân bố Maxwellian Hình 2.5 Sơ đồ làm việc hệ phổ kế gamma với detector HPGe Hình 2.6 Bớ trí thí nghiê ̣m kích ho ạt mẫu bề mặt h ệ làm chậm nơtron bằ ng nước Hình 2.7 Giao diện phần mềm GammaVision Hình 2.8 Đường cong hiệu suất ghi đỉnh quang điện Detector bán dấn HPGe(ORTEC) sử dụng nghiên cứu Hình 2.9 Sự phụ thuộc hoạt độ phóng xạ vào thời gian kích hoạt (ti), thời gian phân rã (td) thời gian đo (tc) Hình 3.1 Phổ gamma đặc trưng mẫu Ta kích hoạt nơtron nhiệt với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi mẫu 2868phút, thời gian đo 240phút Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công Hình 3.2 Phổ gamma đặc trưng mẫu Au kích hoạt 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 In kích hoạt 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 đồng vị 182 Ta Hình 3.5 Sự phụ thuộc hệ số tự chắn nơtron nhiệt vào bề dày mẫu Hình 3.6 tiết diện bắt nơtron nhiệt phản ứng 181 Ta(n,  ) 82 Ta Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG BẮT NƠTRONError! Bookmark not 1.1 Tƣơng tác nơtron với vật chất Error! Bookmark not defined 1.2 Làm chậm nơtron Error! Bookmark not defined 1.2.1 Nhiệt hóa nơtron Error! Bookmark not defined 1.2.2 Cơ chế làm chậm nơtron Error! Bookmark not defined 1.3 Hạt nhân hợp phần, hạt nhân kích thích Error! Bookmark not defined 1.3.1 Các chế phản ứng hạt nhân Error! Bookmark not defined 1.3.2 Phản ứngbắt nơtron nhiệt Error! Bookmark not defined 1.3.3 Trạng thái kích thích Error! Bookmark not defined 1.4 Tiết diện bắt nơtron nhiệt Error! Bookmark not defined 1.4.1 Khái quát tiết diện phản ứng Error! Bookmark not defined 1.4.2 Tiết diện bắt nơtron nhiệt Error! Bookmark not defined 1.5 Các nguồn nơtron Error! Bookmark not defined 1.5.1 Nguồn nơtron đồng vị Error! Bookmark not defined 1.5.2 Nguồn nơtron từ lò phản ứng Error! Bookmark not defined 1.5.3 Nguồn nơtron từ máy gia tốc Error! Bookmark not defined CHƢƠNG THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN BẮT NƠTRON NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG 181 Ta(n,) 182 Ta Error! Bookmark not defined 2.1 Thiết bị thí nghiệm Error! Bookmark not defined 2.1.1 Máy gia tốc thẳng nguồn nơtron xung máy gia tốc electrontuyế n tính lƣ ợng 100 MeV Error! Bookmark not defined 2.1.2 Hệ phổ kế gamma Error! Bookmark not defined Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công 2.2 Thí nghi ệm xác định tiết diện phản ứng 181 Ta(n,) 182 Ta Error! Bookmark not defined 2.2.1 Chuẩn bị mẫu nghiên cứu Error! Bookmark not defined 2.2.2 Kích hoạt mẫu Error! Bookmark not defined 2.2.3 Đo hoạt độ phóng xạ mẫu sau kích hoạt Error! Bookmark not defined 2.2.4 Phân tích phổ gamma Error! Bookmark not defined 2.2.5 Xác định hiệu suất ghi đêtectơ Error! Bookmark not defined 2.3 Phƣơng pháp xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt Error! Bookmark not defined 2.3.1 Xác định tốc độ phản ứng hạt nhân Error! Bookmark not defined 2.3.2 Xác định ti ết diện bắt nơtron nhiệt Error! Bookmark not defined 2.2.3 Một số hiệu chỉnh nâng cao độ xác kết Error! Bookmark not defined CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬNError! Bookmark not defined 3.1 Nhận diện đồng vị phóng xạ đặc trƣng phản ứng hạt nhân Error! Bookmark not defined 3.2 Một số kết hiệu chỉnh Error! Bookmark not defined 3.3 Kết xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt phản ứng 181 Ta(n,) 182 Ta Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU KHAM KHẢO 10 PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công MỞ ĐẦU Phản ứng hạt nhân hƣớng quan trọng lĩnh vực nghiên cứu hạt nhân Trải qua nhiều thập niên nghiên cứu, hiểu biết hạt nhân nguyên tử đƣợc mở rộng, nhiên nhiều vấn đề liên quan tới cấu trúc hạt nhân, tính chất hạt nhân chế phản ứng hạt nhân chƣa đƣợc làm sáng tỏ cần tiếp tục đƣợc nghiên cứu Bên cạnh việc đóng góp lĩnh vực nghiên cứu khoa học bản, phản ứng hạt nhân có vai trò quan trọng ứng dụng thực tiễn nhƣ lƣợng, y tế, cơng nghiệp, vũ trụ, an tồn xạ hạt nhân,… Đặc trƣng phản ứng phụ thuộc vào hạt nhân nguyên tử, vào loại hạt tới lƣợng chúng Các loại hạt/bức xạ quen thuộc nhƣ nơtron (n), proton (p), alpha ( ), gamma (), Khi tƣơng tác với hạt nhân diễn theo nhiều chế khác phụ thuộc vào lƣợng chúng tạo thành sản phẩm phản ứng khác Trong nghiên cứu phản ứng hạt nhân ứng dụng nơtron loại xạ đƣợc sử dụng phổ biến Các phản ứng hạt nhân điển hình xảy tƣơng tác nơtron nhƣ (n,α), (n,p), (n,γ),…với xác suất khác đồng vị phụ thuộc vào lƣợng nơtron tới Một đại lƣợng đặc trƣng quan trọng phản ứng hạt nhân tiết diện phản ứng Tiết diện phản ứng thƣớc đo xác suất xảy phản ứng hạt nhân Tiết diện phản ứng nhân (n,) gây nơtron nhiệt loại số liệu hạt nhân quan trọng đƣợc sử dụng nhiều nghiên cứu nhƣ ứng dụng tính tốn lò phản ứng hạt nhân, che chắn an tồn phóng xạ, đánh giá phá hủy vật liệu xạ,… Trƣớc nghiên cứu phản ứng hạt nhân (n,) chủ yếu đƣợc thực lò phản ứng nguồn nơtron đồng vị Ngày Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công với phát triển kỹ thuật gia tốc tạo nguồn nơtron có thơng lƣợng lớn từ phản ứng hạt nhân (,xn), (p,xn), Các nguồn nơtron máy gia tốc thƣờng phát theo chế độ xung, sử dụng kỹ thuật thực nghiệm khác nhƣ kích hoạt phóng xạ đo thời gian bay 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 Đại học Quốc gia, Hà Nội [2] Phạm Quốc Hùng, “ Lò phản ứng hạt nhân” NXB ĐHQG HN [3] Ngơ 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 10 Luận văn Thạc sĩ cross section Nguyễn Minh Công ratios”,Journal of 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 (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 cross section 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 11 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, Hee Seok 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 12 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/ 13 ... Tiết diện phản ứng thƣớc đo xác suất xảy phản ứng hạt nhân Tiết diện phản ứng nhân (n,) gây nơtron nhiệt loại số liệu hạt nhân quan trọng đƣợc sử dụng nhiều nghiên cứu nhƣ ứng dụng tính tốn lò phản. .. defined 2.2.5 Xác định hiệu suất ghi đêtectơ Error! Bookmark not defined 2.3 Phƣơng pháp xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt Error! Bookmark not defined 2.3.1 Xác định tốc độ phản ứng hạt nhân Error!... Nhận diện đồng vị phóng xạ đặc trƣng phản ứng hạt nhân Error! Bookmark not defined 3.2 Một số kết hiệu chỉnh Error! Bookmark not defined 3.3 Kết xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt phản ứng