Thực nghiệm xác định năng lượng cộng hưởng hiệu dụng của một số đồng vị

Thực nghiệm xác định năng lượng cộng hưởng hiệu dụng của một số đồng vị Thực nghiệm xác định năng lượng cộng hưởng hiệu dụng của một số đồng vị Thực nghiệm xác định năng lượng cộng hưởng hiệu dụng của một số đồng vị Thực nghiệm xác định năng lượng cộng hưởng hiệu dụng của một số đồng vị Thực nghiệm xác định năng lượng cộng hưởng hiệu dụng của một số đồng vị Thực nghiệm xác định năng lượng cộng hưởng hiệu dụng của một số đồng vị Thực nghiệm xác định năng lượng cộng hưởng hiệu dụng của một số đồng vị Thực nghiệm xác định năng lượng cộng hưởng hiệu dụng của một số đồng vị Thực nghiệm xác định năng lượng cộng hưởng hiệu dụng của một số đồng vị Thực nghiệm xác định năng lượng cộng hưởng hiệu dụng của một số đồng vị Thực nghiệm xác định năng lượng cộng hưởng hiệu dụng của một số đồng vị

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN - - KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH NĂNG LƢỢNG CỘNG HƢỞNG HIỆU DỤNG CỦA MỘT SỐ ĐỒNG VỊ BẰNG PHƢƠNG PHÁP TỶ SỐ CADMIUM SVTH : Nguyễn Bá Minh Tâm CBHD : TS Huỳnh Trúc Phƣơng CBPB : ThS Đoàn Thị Hiền TP HỒ CHÍ MINH - 06/2012 LỜI CÁM ƠN Những ngày tháng sinh viên chúng em đƣợc học tập tìm hiểu ghế giảng đƣờng qua Thấm thoát năm đại học qua nhƣng không ngắn để sinh viên chúng em chuẩn bị hành trang vào đời Giờ đây, em xin phép đƣợc thƣa lên lời tri ân Con xin cảm ơn bố mẹ anh chị điểm tựa cho suốt quãng đời qua Cảm ơn bố mẹ ln bên dìu dắt thành ngƣời Em xin cảm ơn Quý Thầy Cô khoa Vật Lý nói chung mơn Vật lý Hạt nhân nói riêng Q Thầy Cơ trao cho chúng em khơng kiến thức mà học làm ngƣời Đặc biệt em xin cám ơn Thầy: TS Huỳnh Trúc Phƣơng tận tình hƣớng dẫn em hồn thành khóa luận thời gian qua Em xin chân thành cám ơn Cơ: ThS Đồn Thị Hiền nhận giúp em phản biện khóa luận Một lần em xin vô tri ơn Quý Thầy Cô dìu dắt em Mặc dù cố gắng để hồn thành khóa luận nhƣng chắn khơng tránh khỏi thiếu xót Rất mong nhận đƣợc góp ý chân tình Q Thầy Cơ bạn bè TP Hồ Chí Minh, Tháng 06 Năm 2012 Sinh viên: Nguyễn Bá Minh Tâm Mục Lục Trang LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC LIỆT KÊ KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 10 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT 12 1.1 Giới thiệu 12 1.2 Phƣơng pháp phân tích kích hoạt neutron 12 1.2.1 Giới thiệu 12 1.2.2 Nguyên lý 13 1.2.3 Các phƣơng pháp kích hoạt neutron thƣờng dùng 13 1.2.4 Ứng dụng 14 1.3 Tiết diện phản ứng 14 1.3.1 Định nghĩa 14 1.3.2 Tiết diện neutron nhiệt nhiệt 15 1.3.2.1 Tiết diện phản ứng 15 1.3.2.2 Tiết diện tán xạ 16 1.3.2.3 Tiết diện tích phân cộng hƣởng 16 1.3.3 Tiết diện phản ứng neutron nhanh 17 1.4 Thông lƣợng neutron 18 1.4.1 Neutron nhiệt (Thermal neutron) 19 1.4.2 Neutron nhiệt (Epithermal neutron) 19 1.4.3 Neutron nhanh (Fast neutron) 20 1.5 Thiết bị chiếu 20 1.5.1 Lò phản ứng hạt nhân 20 1.5.2 Máy phát neutron 20 1.5.3 Nguồn neutron đồng vị 21 1.6 Phƣơng trình phân tích kích hoạt 22 1.7 Các phƣơng pháp chuẩn hóa 23 1.7.1 Phƣơng pháp chuẩn hóa tuyệt đối 23 1.7.2 Phƣơng pháp chuẩn hóa tƣơng đối 24 1.7.3 Phƣơng pháp chuẩn hóa đơn nguyên tố 25 1.7.4 Phƣơng pháp chuẩn hóa K0 25 CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ PHỔ NEUTRON VÀ NĂNG LƢỢNG CỘNG HƢỞNG HIỆU DỤNG 27 2.1 Tỷ số Cadmium 27 2.2 Phƣơng pháp thực nghiệm xác định thông số phổ neutron 28 2.2.1 Xác định hệ số lệch phổ α 28 2.2.1.1 Phƣơng pháp bọc Cadmium cho đa dò 29 2.2.1.2 Phƣơng pháp tỷ số Cadmium cho đa dò 30 2.2.1.3 Phƣơng pháp chiếu đa dò chiếu trần 31 2.2.2 Thực nghiệm xác định hệ số f (quy ƣớc Hogdalf) 33 2.2.2.1 Phƣơng pháp tỷ số Cadmium 33 2.2.2.2 Phƣơng pháp ba dò chiếu trần 33 2.2.3 Thực nghiệm xác định Qo(α) 33 2.3 Xác định giá trị ̅̅̅ 33 2.3.1 Thực nghiệm xác định giá trị ̅̅̅ 34 2.3.2 Tính tốn lý thuyết giá trị ̅̅̅ 36 CHƢƠNG 3: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH NĂNG LƢỢNG CỘNG HƢỞNG CỦA MỘT SỐ ĐỒNG VỊ 38 3.1 Tóm tắt 38 3.2 Thiết bị 39 3.3 Nguồn neutron dùng thực nghiệm 39 3.4 Chuẩn bị mẫu 41 3.5 Chiếu đo 44 3.6 Kết tính tốn giá trị lƣợng cộng hƣởng hiệu dụng ̅ 45 3.6.1 Kết tính tốn lý thuyết 45 3.6.2 Kết thực nghiệm xác định lƣợng cộng hƣởng hiệu dụng 46 3.6.2.1 Kết tính tỷ số Cadmium 46 3.6.2.2 Kết thực nghiệm tính hệ số α f 47 3.6.2.3 Kết thực nghiệm tính giá trị ̅̅̅ 48 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 50 4.1 So sánh kết ̅ 50 4.2 So sánh độ lệch 51 4.3 Thảo luận 51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 PHỤ LỤC I : SAI SỐ 57 PHỤ LỤC II: HÌNH PHỔ CÁC NGUYÊN TỐ 60 LIỆT KÊ CÁC KÝ HIỆU o : Tiết diện phản ứng (n, ) vận tốc neutron 2200 m/s  th : Thông lƣợng neutron nhiệt e : Thông lƣợng neutron nhiệt N : Số nhân bia A : Số khối : Hoạt độ riêng hạt nhân chiếu trần : Hoạt độ riêng hạt nhân chiếu bọc Cadmium b : Đơn vị tiết diện hạt nhân (barn) E : Năng lƣợng neutron ECd : Năng lƣợng ngƣỡng Cadmium E : Năng lƣợng tia gamma Er : Năng lƣợng cộng hƣởng hiệu dụng f : Tỉ số thông lƣợng neutron nhiệt/ nhiệt FCd : Hệ số hiệu chỉnh cho độ truyền qua Cd neutron nhiệt Ge : Hệ số hiệu chỉnh tự che chắn neutron nhiệt Gth : Hệ số hiệu chỉnh tự che chắn neutron nhiệt HPGe : Detector Germanium siêu tinh khiết I0 : Tích phân cộng hƣởng cho phổ neutron 1/E I0(α) : Tích phân cộng hƣởng cho phổ neutron 1/E1+α k : Hằng số Boltzmann M : Khối lƣợng nguyên tử nth : Mật độ neutron nhiệt NA : Hằng số Avogadro Np : Diện tích đỉnh lƣợng tồn phần tia gamma Q0 : Tỷ số tiết diện tích phân cộng hƣởng 1/E với vận tốc 2200 ms-1 Q0(α) : Tỷ số tiết diện tích phân cộng hƣởng 1/E1+α với vận tốc 2200 ms-1 RCd : Tỷ số Cadmium S  t : Hệ số hiệu chỉnh thời gian chiếu xạ [S =  e i ] C : Hệ số hiệu chỉnh thời gian đo C D : Hệ số hiệu chỉnh thời gian phân rã [  e td ] td : Thời gian phân rã ti : Thời gian chiếu tm : Thời gian đo T1/2 : Chu kỳ bán hủy w : Khối lƣợng nguyên tố W : Khối lƣợng mẫu α : Độ lệch phổ neutron nhiệt p : Hiệu suất ghi đỉnh lƣợng  : Độ phổ cập đồng vị w : Hàm lƣợng  : Cƣờng độ tuyệt đối tia gamma  1  e / t   t m DANH MỤC CÁC BẢNG m Bảng 3.1 : Khối lƣợng mẫu chiếu 42 Bảng 3.2 : Số liệu hạt nhân đồng vị sử dụng để tính tỷ số Cadmium 43 Bảng 3.3 : Các thông số thực nghiệm cho mẫu chiếu trần 44 Bảng 3.4 : Các thông số thực nghiệm cho mẫu chiếu bọc Cd 45 Bảng 3.5 : Kết tính tốn lý thuyết ̅ 46 Bảng 3.6 : Kết giá trị tỷ số Cadmium 47 Bảng 3.7 : Kết tính hệ số α f phƣơng pháp tỷ số Cadmium 48 Bảng 3.8 : Kết tính hệ số α f phƣơng pháp ba dò chiếu trần 48 Bảng 3.9 : Kết thực nghiệm lƣợng cộng hƣởng hiệu dụng ̅ 49 Bảng 4.1 : So sánh kết ̅ 50 Bảng 4.2 : Sai số phƣơng pháp thực nghiệm lý thuyết so với [7] 51 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 : Mơ hình kích hoạt nhân bia tạo nhân phóng xạ 13 Hình 1.2 : Phân bố thơng lƣợng neutron lò phản ứng 18 Hình 1.3 : Cấu trúc máy phát neutron 21 Hình 2.1 : Phổ neutron nhiệt 28 Hình 3.1 : Cấu hình nguồn Am-Be dùng kích hoạt neutron 39 Hình 3.2 : Hệ phổ kế gamma với detector HPGe 41 ~ MỞ ĐẦU Trong thập niên gần đây, ngành Vật lý Hạt nhân chiếm vị trí quan trọng nhiều lãnh vực đƣợc ứng dụng nhiều nghành Công nghiệp, 51 4.2 So sánh độ lệch Sau tính tốn giá trị ̅ từ phƣơng pháp thực nghiệm(công thức (2.27)) phƣơng pháp tính tốn lý thuyết(cơng thức (2.30) (2.32)), tiến hành so sánh độ lệch kết so với giá trị ̅ có có tài liệu tham khảo [7] Bảng 4.2 trình bày kết so sánh: Bảng 4.2: Độ lệch phƣơng pháp thực nghiệm lý thuyết so với [7] Lý thuyết Đồng vị Thực nghiệm Công thức (2.30) Công thức (2.32) Br81 3,26% 32,07% 32,07% Zr94 2,03% 6,27% 6,27% Zr96 1,42% 3,68% 3,68% Mo98 15,84% 22,07% 22,07% Zn68 2,86% 2,55% 2,31% In115 1,92% 0,64% 0,64% 4.3 Thảo luận Giá trị hệ số lệch phổ (α) đƣợc tính tốn khóa luận qua hai phƣơng pháp “Tỷ số Cadmium” “Ba dò chiếu trần” Kết tính tốn từ hai phƣơng pháp có chênh lệch đáng kể Cụ thể, giá trị α đƣợc tính nhờ phƣơng pháp “Ba dò chiếu trần” chênh lệch khoảng 34% so với phƣơng pháp “Tỷ số Cadmium” Vì phƣơng pháp “Ba dò chiếu trần” neutron nhiệt neutron nhiệt đƣợc kích hoạt xảy phản ứng Nên tƣợng cộng hƣởng không đƣợc thể cách rõ nét Trong phƣơng pháp “Tỷ số Cadmium”, neutron nhiệt neutron nhiệt đƣợc tách biệt nhờ hấp thụ neutron nhiệt 52 lớp bọc Cadmium Nên phƣơng pháp “Tỷ số Cadmium” có độ xác cao trƣờng hợp xác định lƣợng cộng hƣởng hiệu dụng ̅ Giá trị ̅ đƣợc tính từ phƣơng pháp thực nghiệm phƣơng pháp lý thuyết có chênh lệch đáng kể từ 1,28% – 28,81% Kết thực nghiệm có độ tin cậy cao lệ thuộc vào liệu cộng hƣởng hạt nhân mà sử dụng trực tiếp kết đo đƣợc Hay nói cách khác, kết thực nghiệm dựa vào đặc tính hạt nhân đồng vị (là dựa vào trình phản ứng), hạt neutron (hạt bản) ứng dụng phân rã phóng xạ Trong đó, phƣơng pháp lý thuyết phụ thuộc vào độ tin cậy số lƣợng liệu hạt nhân có sẵn Thí dụ, Br81 có liệu hạt nhân cộng hƣởng nên kết tính toán lý thuyết bị sai lệch tới 32,7% 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ   Kết luận Khóa luận đạt đƣợc mục tiêu nhƣ sau:  Tổng quan lý thuyết phân tích kích hoạt neutron phƣơng pháp xác định thực nghiệm hệ số lệch phổ α, tỷ số f phƣơng pháp “Tỷ số Cadmium” “Ba dò chiếu trần”  Trình bày phƣơng pháp “Thực nghiệm xác định lượng cộng hưởng hiệu dụng số đồng vị phương pháp tỷ số cadmium” Đặc biệt mở phƣơng hƣớng xác định giá trị ̅ nguồn neutron đồng vị thay lò phản ứng hạt nhân nhƣ  Kết ̅ thực nghiệm thu đƣợc phân tích kích hoạt neutron nguồn đồng vị ̅ = 156,948 ± 17,468 (eV); ̅ ̅ = 342,800 ± 38,273 (eV); ̅ ̅ = 573,102 ± 67,094 (eV); ̅ Am-Be Bộ môn Vật lý Hạt nhân nhƣ sau: = 6386,908 ± 713,997 (eV); = 202,832 ± 22,373 (eV); = 1,534 ± 0,182 (eV)  Sai số phƣơng pháp thực nghiệm là: Zn64(11,7%), Br81(11,1%), Zr94(11,2%), Zr96(11,2%), Mo98(11%), In115(11,9%)  Độ lệch phƣơng pháp thực nghiệm so với [7] cao phƣơng pháp lý thuyết so với [7] từ 1,28 – 28,81%  Kiến nghị Đề tài “xác định định thực nghiệm lƣợng cộng hƣởng hiệu dụng ̅ tỷ số Cadmium” chƣa đƣợc nghiên cứu nhiều Bộ mơn Vật lý Hạt nhân Chính vậy, để đề tài hoàn thiện phát triển hơn, hy vọng ngƣời thực 54 ý tới chuẩn xác khâu chuẩn bị, hạn chế sai số phép đo xác định đƣợc nhiều nguyên tố Đặc biệt, đề tài sau nên kiểm chứng phƣơng pháp nhiều lần để kết có xác khách quan 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] N.L Karakin, K.N.Búxtrôv, P.X Kirêêv (1978), Sách tra cứu tóm tắt vật lý, NXB KH&KT, Hà Nội [2] Phạm Thị Thùy Linh (2011), Xác định tiết diện tích phân cộng hưởng số đồng vị dựa kích hoạt neutron nguồn đồng vị Am-Be, khóa luận tốt nghiệp đại học, Đại học Khoa học Tự nhiên [3] Huỳnh Trúc Phƣơng (2001), Giáo trình phân tích kích hoạt, Đại học Khoa học Tự nhiên, lƣu hành nội [4] Huỳnh Trúc Phƣơng, Mai an Nhơn, Văn thị Thu Trang (2009), Xác định ko số chất kích hoạt neutron từ nguồn đồng vị Am-Be, tạp chí phát triển KH&CN, tập 12, số 12-2009 [5] Huỳnh Trúc Phƣơng (2010), Phát triển phương pháp chuẩn hóa ko INAA phân tích kích hoạt neutron cho nguồn Am-Be môn vật lý hạt nhân, đề tài KHCN cấp ĐHQG, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên [6] Trần Đức Thiệp (2002), Máy Gia tốc, Nhà XB KH & KT, Hà Nội Tiếng Anh [7] F De Corte, The ko-standardization Method: A Move To The Optimization Of Neutron Activation Analysis, PhD Thesis, GENT, 1987 [8] M.G.Budak, H.Yuăcel, M Karadag, M Tan (2008), Experimental determination of effective resonance energies for the (n,γ) reactions of 75 As, 16 4Dy, 170 71 Ga, Er by the cadmium ratio method”, ScienceDirect, www.sciencedirect.com 56 [9] S.F.Mughbghab, M.Divadeenam, N.E.Holden (1981), Neutron cross sections, Volume 1_ neutron resonance parameters and thermal cross sections, Part A (z=1-60), National Nuclear Data Center – Brookhaven National Laboratory – Upton, New York Website [10] http://nucleardata.nuclear.lu.se/nucleardata/toi/radSearch.asp [11] http://www-nds.iaea.org/reports-new/indc-reports/indc-nds/indc-nds-0440.pdf [12] http://www.nist.gov/pml/data/comp.cfm [13] www.nsl.hcmus.edu.vn/greenstone/collect/tiensifu/index/ /4.pdf 57 PHỤ LỤC I CÁCH TÍNH SAI SỐ Tính sai số ̅ (  E ) r Áp dụng phƣơng pháp truyền sai số để tính sai số lƣợng cộng hƣởng hiệu dụng ̅ công thức (2.26) nhƣ sau:  Er ,x   a  0, 429.(2  2Ln0,55  Ln0,55).a          (2  1) 0,55.b    b.( FCd , x RCd , x  1)  2 f   f a 2RCd ,x    ( RCd , x  1) b  với (I.1) a  (Q0, x  0, 429)1/  1/ 1   f b     C ( )  R   Cd , x   C ( )  0, 429 (2  1)0,55 Trong trƣờng hợp công thức (I.1), giả sử tham số α, f, RCd độc lập với Để tìm đƣợc sai số lƣợng cộng hƣởng hiệu dụng cần tính sai số tham số thành phần nhƣ sau: Tính sai số tỷ số Cadmium (  RCd ) Từ cơng thức (2.1) ta có: RCd   wSDC    A  N p / tm  Cd Asp  sp  N p / tm     wSDC  Bare Áp dụng phƣơng pháp truyền sai số để tính  R nhƣ sau: Cd (I.2) 58  RCd , x  N p  wSDC   N p / tm        N p  N p / tm  Cd  wSDC  Bare 2  wSDC   N p / tm       N p / tm  Cd  wSDC  Bare (I.3) Chú ý rằng, bỏ qua sai số thành phần tm, w, S, D, C cơng thức (I.2) Tính sai số hệ số lệch phổ α (σα) Từ công thức (2.12) ta có: (1/ 2)  RCd ,2  (I.4) RCd ,1  0, 429   Q0,1  0, 429   Er ,1  (2  1) E  Cd Hay (1 / 2)  0, 429   Q0,2  0, 429   Er ,2  (2  1) E  Cd (I.5) Do khơng có cơng thức trực tiếp để tính hệ số α, mà phải tính phƣơng pháp lặp từ cơng thức (I.5) Nên chúng tơi tính sai số α thơng qua sai số Ω  Sai số Ω (σΩ): Áp dụng phƣơng pháp truyền sai số để tính σΩ nhờ công thức (I.4)    RCd ,2       RCd ,1  RCd ,1  1  RCd ,2      ( RCd ,1  1)  (I.6)  Sai số α (σα): Áp dụng phƣơng pháp truyền sai số tính σΩ nhờ công thức (I.5) nhƣ sau:                    Nên ta có: 2  2 /   (I.7) (I.8) 59 Với    0,429        C2 E r ,2  0,429   C1.E r ,1 LnE r ,1  d  C1.E r ,1    C2 E r ,2 LnE r ,2  d      (2   1)0,55 (2   1)0,55              0,429 C E r ,2   (2  1)0,55  (I.9) Trong đó: Ci  (Q0,i  0, 429) d  0, 429 2.0,55  (2  1)0,55.Ln0,55 (2  1) 0,55 Chú ý, chúng tơi dùng monitor để tính tốn giá trị α Au197 (1) Mn55 (2) Tính sai số f (σf) Từ cơng thức (2.19) ta có: f   FCd ,r RCd ,r  1 Q0 ()Ge,r / Gth,r Q (I.10)  Hay f   0,r   FCd ,r RCd ,r  1 (2  1)0, 55   E r ,r  0, 429 (I.11) Áp dụng phƣơng pháp truyền sai số ta có:      E r ,r LnE r ,r 2.0,55  (2  1)0,55 Ln0,55   2   f    FCd ,r RCd ,r  1   Q0,r  0, 429   0, 429    (2  1)2 0,55  E r , r    (I.12)   Q  0, 429 0, 429   2RCd ,r  FCd ,r  0,r   (2  1)0,55   E r ,r   Với ký hiệu “r” công thức (I.10), (I.11), (I.12) ký hiệu cho monitor 60 PHỤ LỤC II HÌNH PHỔ CÁC NGUYÊN TỐ Hình II.1: Phổ Au-In chiếu bọc Cadmium Hình II.2: Phổ Au-In chiếu trần 61 Hình II.3: Phổ Br chiếu bọc Cd Hình II.4: Phổ Br chiếu trần 62 Hình II.5: Phổ Mn chiếu bọc Cd Hình II.6: Phổ Mn chiếu trần 63 Hình II.7: Phổ Mo chiếu bọc Cd Hình II.8: Phổ Mo chiếu trần 64 Hình II.9: Phổ Zn chiếu bọc Cd Hình II.10: Phổ Zr chiếu bọc Cd 65 Hình II.11: Phổ Zr chiếu trần ... THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ PHỔ NEUTRON VÀ NĂNG LƢỢNG CỘNG HƢỞNG HIỆU DỤNG 2.1 Tỷ số Cadmium [3] Việc xác định thực nghiệm giá trị lƣợng cộng hƣởng hiệu dụng số đồng vị khóa luận dựa việc xác. .. pháp thực nghiệm xác định thông số phổ neutron lƣợng cộng hƣởng hiệu dụng  Chƣơng 3: Thực nghiệm xác định lƣợng cộng hƣởng số đồng vị  Chƣơng 4: Kết thảo luận Mặc dù có nhiều cố gắng thực khóa... (Q0(α)) Đây 28 thông số quan trọng để xác định thực nghiệm lƣợng cộng hƣởng hiệu dụng ( ̅ ) 2.2 Phƣơng pháp xác định thực nghiệm thông số phổ neutron [3][13] 2.2.1 Xác định hệ số lệch phổ α Sự phân