XÁC ĐỊNH THỰC NGHIỆM CƯỜNG ĐỘ CÁC TIA GAMMA TỨC THỜI TỪ PHẢN ỨNG BẮT NƠTRON NHIỆT 51V (n, γ) V5

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN ĐỖ NGỌC MẾN XÁC ĐỊNH THỰC NGHIỆM CƯỜNG ĐỘ CÁC TIA GAMMA TỨC THỜI TỪ PHẢN ỨNG BẮT NƠTRON NHIỆT 51V (n, γ) V52 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN LÂM ĐỒNG, 2017 TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN ĐỖ NGỌC MẾN – 1310542 XÁC ĐỊNH THỰC NGHIỆM CƯỜNG ĐỘ CÁC TIA GAMMA TỨC THỜI TỪ PHẢN ỨNG BẮT NƠTRON NHIỆT 51V (n, γ) V52 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS PHẠM NGỌC SƠN KHÓA 2013 – 2018 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình thực khóa luận tốt nghiệp này, tơi nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ nhiệt tình tâm huyết thầy Viện nghiên cứu Hạt nhân thầy cô Trường Đại học Đà Lạt Lời đầu tiền, xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc dành tình cảm q mến, kính trọng đến người thầy TS Phạm Ngọc Sơn hướng dẫn thực nội dung cơng việc khóa luận Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ban Giám Hiệu, quý Thầy Cô khoa Kỹ Thuật Hạt Nhân, Trường Đại học Đà Lạt truyền đạt cho kiến thức, đam mê học tập nghiên cứu trường Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn biết ơn đến Ban Lãnh đạo Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt, Trung tâm Vật lý Điện tử hạt nhân tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình làm thực nghiệm khóa luận lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt Đồng thời, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè người thân yêu bên cạnh ủng hộ, động viên, tin tưởng, tạo điều kiện thuận lợi cho suốt năm học Đại học vừa qua Xin chân thành cảm ơn Đỗ Ngọc Mến i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi người hướng dẫn khoa học TS Phạm Ngọc Sơn công tác Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt Các số liệu kết thực nghiệm đo khóa luận hồn tồn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Ngồi ra, khóa luận khơng có chép bất kì đề tài, khóa luận nhờ người khác làm thay Các số liệu, công thức thơng tin sử dụng khóa luận có ghi nguồn trích dẫn từ tài liệu tham khảo Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung trình bày khóa luận Đà Lạt, ngày 19 tháng 12 năm 2017 Người cam đoan Đỗ Ngọc Mến ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .v DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN .3 1.1 Môt số đặc trưng nguyên tố Vanadium .3 1.2 Phương pháp kích hoạt nơtron đo gamma tức thời 1.3 Phương trình tốc độ phản ứng (n,) 1.4 Hệ PGNAA số nước giới 1.4.1 Trên giới .7 1.4.2 Hệ thiết bị PGNAA lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt 1.5 Kênh ngang số lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt 10 1.5.1 Giới thiệu kênh ngang số 10 1.5.2 Hệ phở kế gamma dùng đầu dò HPGe 14 1.6 Tổng kết chương 16 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM .17 2.1 Hiệu chuẩn hệ phổ kế 17 2.1.1 Chuẩn lượng hệ phổ kế 17 2.1.2 Chuẩn hiệu suất ghi 18 2.2 Thực nghiệm xác định cường độ tia gamma tức thời từ phản ứng bắt nơtron nhiệt 59V(n,)60V 26 2.2.1 Chuẩn bị mẫu 26 2.2.2 Chiếu đo mẫu 27 2.3 Tổng kết chương 29 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30 3.1 Kết thực nghiệm 30 iii 3.3 Tổng kết chương 35 KẾT LUẬN 36 KIẾN NGHỊ .37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt HPGe Tiếng Anh High Purity Germanium Tiếng Việt Đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết IEA International Atomic Energy Agency PGNAA Prompt gamma nơtron activation analysis Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế Phân tích kích hoạt nơtron đo gamma tức thời GELINA Geel Linear Accelerator Máy gia tốc điện tử tuyến tính Geel, Bỉ CERN BNC Conseil Européen pour la Tổ chức Nghiên cứu Recherche Nucléaire Nguyên tử Châu Âu Budapest Nơtron Centre Phương pháp thời gian bay n-TOF Time of Flight ILL International Laue Langevin PTFE Trung tâm nơtron Budapest Viện Laue Langevin Grenoble, Pháp Polytetrafloetylen Vật liệu để làm hộp chiếu mẫu cho phương pháp PGNAA v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Các đặc điểm số hệ phân tích PGNAA số nước giới Bảng Các đặc điểm hệ phân tích PGNAA Đà Lạt 10 Bảng Số liệu hạt nhân số nguồn chuẩn 19 Bảng Số liệu hiệu suất ghi cho vị trí nguồn cách đầu dò 38.5 cm 21 Bảng Số liệu tính toán sai số hiệu suất ghi 24 Bảng Hiệu suất ghi tương ứng vơi các mức lượng hạt nhân 51V 33 Bảng Cường độ tia gamma tức thời hạt nhân 51V các đỉnh lượng khác 34 vi 48 Ti 1498.7 3.176 -2.427 -2.422 0.01383 48 Ti 1585.9 3.200 -2.446 -2.440 0.01426 Cl 1600.8 3.204 -2.449 -2.443 0.01432 Ti 1762.0 3.246 -2.480 -2.474 0.01462 35 Cl 1950.9 3.290 -2.513 -2.507 0.01438 35 Cl 1959.1 3.292 -2.514 -2.508 0.01436 35 Cl 2676.0 3.428 -2.615 -2.611 0.01008 35 Cl 2863.9 3.457 -2.637 -2.634 0.00855 35 Cl 3061.7 3.486 -2.659 -2.656 0.00690 35 Cl 5715.3 3.757 -2.861 -2.864 0.00554 Ti 6418.6 3.807 -2.899 -2.901 0.00395 35 Cl 6977.7 3.844 -2.926 -2.927 0.00110 35 Cl 7790.2 3.892 -2.962 -2.959 0.00547 35 48 48 Dựa vào Bảng ta thấy rằng số liệu hiệu suất ghi có xu hướng giảm dần theo lượng Nguyên nhân lượng lớn thì xác suất tia gamma thoát khỏi vùng nhạy đầu dò cao, nghĩa xác suất ghi nhận đầu dò thấp làm cho hiệu suất ghi giảm lượng tăng Với đường cong hiệu suất xây dựng, hiệu suất ghi cho các giá trị lượng khác thực nghiệm đo phở 59Co 51V có thể tính [8]  Sai số hiệu suất ghi:  eff      A   N  Sai số độ lệch  TN  fit :         fit TN  n  TN  = 1.58% n(n  1) k p  Sai số hoạt độ nguồn: 25 (2.7) A    Am  2412   Ba 133   Eu 152   Cs 137   Co 60 n 3.8  3.12  3.2  3.12  3.3  1.48% (2.8)  Sai số thống kê (diện tích đỉnh) [9]:  Np   k n  Np n(n  1) =0.27% (2.9) Vậy sai số hiệu suất ghi đầu dò:  eff      A   N p = 58  48  27 = 2.23% (2.10) 2.2 Thực nghiệm xác định cường độ tia gamma tức thời từ phản ứng bắt nơtron nhiệt 59V(n,)60V 2.2.1 Chuẩn bị mẫu  Đối với hạt nhân 35Cl: Trong phương pháp phân tích kích hoạt nơtron gamma tức thời (PGNAA), tia gamma tức thời có lượng cao từ phản ứng 35 Cl(n,)36Cl sử dụng chuẩn thứ cấp để chuẩn lượng hiệu suất ghi cho hệ phở kế gamma Quy trình chuẩn bị mẫu:  Vanadium lá dò kim loại độ tinh khiết 99,99% đường kính 12,7 mm, bề dày(lá) 0,05 mm, khối lượng 0,0925 g  Chlorine hợp chất NH 4Cl dạng bột có độ tinh khiết 99,9% nén lại thành dạng đĩa, đường kính 20 mm, dày mm đóng gói túi Polyethylene 26 Hình Lá dò V tinh khiết 99,99% 2.2.2 Chiếu đo mẫu Cấu hình thực nghiệm hệ PGNAA bố trí chùm nơtron phin lọc nhiệt, kênh ngang số Thông lượng nơtron nhiệt vị trí chiếu mẫu 1.6×106 n.cm 2 s 1 tỉ số Cd 420 Tại lối chùm nơtron, bố trí buồng đo bên lót Polyethylene mật độ cao (HDPE) có pha 5% Li để che chắn các nơtron tán xạ Bên buồng đo giá đỡ mẫu làm bằng vật liệu PTFE có tác dụng cố định mẫu vị trí suốt quá trình chiếu-đo Mẫu đặt góc 450 khoảng cách từ mẫu đến đầu dò 38.5 cm Để xác định cường độ tia gamma tức thời mẫu 51V chiếu kênh ngang số lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt Các bước thực nghiệm + Xác định hiệu suất ghi tuyệt đối đầu dò từ đường cong hiệu suất, + Đo phổ phông gamma, + Chiếu mẫu đo phổ gamma tức thời từ phản ứng (n,), + Xử lí số liệu thực nghiêm tính toán xác định cường độ tuyệt đối I  , + Tính toán đánh giá sai số Kết đo phổ gamma số nguồn chuẩn Hình 10, 11 12 đây: 27 51 Vvà 35 Cl mô tả Hình 10 Thực nghiệm phở gamma nguồn chuẩn 51V đo trực tiếp kênh ngang số Hình 11 Phổ gamma nguồn chuẩn 51V đo trực tiếp kênh ngang số 28 Hình 12 Phở gamma nguồn chuẩn 35Cl đo trực tiếp kênh ngang số lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt 2.3 Tởng kết chương Chương mô tả chi tiết phương pháp thực nghiệm xác định cường độ tia gamma tức thời sử dụng khóa luận bao gồm:  Hiệu chuẩn hệ phổ kế gamma bao gồm việc chuẩn lượng chuẩn hiệu suất ghi theo cấu hình đo thực tế  Phương pháp đo phổ phát xạ gamma từ phản ứng bắt nơtron nhiệt từ đó xác định cường độ tuyệt đối tia gamma tức thời  Đối tượng mẫu nghiên cứu khóa luận bao gồm V, Cl, số nguồn chuẩn Thực nghiệm xác định cường độ tia gamma tức thời từ phản ứng bắt nơtron nhiệt hạt nhân 51 V 29 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Nội dung chương xác định kết các đại lượng cần đo, đánh giá sai số 3.1 Kết thực nghiệm Để xác định cường độ tia gamma tức thời từ phản ứng bắt nơtron nhiệt mẫu 51V, các bước thực nghiệm tiến hành kênh ngang số Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt Các bước tiến hành sau:  Chiếu đo mẫu 51V thời gian 11688.23 giây  Đo phổ phông thời gian 62466 giây  Xác định hiệu suất ghi đầu dò các đỉnh lượng gamma quan tâm sử dụng đường cong hiệu suất thiết lập chương sau: y = 0.06212 x -0.94525 x +5.77391 x -17.7538 x +26.80813 x –17.35874 Trong đó: y = log hiệu suất ghi đầu dò x = logE lượng đỉnh gamma Trong phép đo xác định cường độ tia gamma tức thời từ phản ứng bắt nơtron nhiệt việc xác định xác hiệu suất ghi tuyệt đối đầu dò quan trọng cần thiết Phổ gamma tức thời thu sau tiến hành thực nghiệm đo trực tiếp kênh ngang số Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt phân tích loại trừ ảnh hưởng từ phở phơng 30 Hình 13 Phở gamma tức thời mẫu Vanadium phổ phông gamma thu đo trực tiếp kênh ngang số lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt Hình 14 Phở gamma tức thời mẫu Vanadium phổ phông gamma thu đo trực tiếp kênh ngang số lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt 31 Hình 15 Phở gamma tức thời mẫu Vanadi thu vùng lượng từ 80- 4000 keV Hình 16 Phổ gamma tức thời mẫu Vanadi thu khoảng lượng từ 4000-8000 keV 32 Kết thực nghiệm xác định cường độ tương đối tia gamma tức thời từ phản ứng (n,) hạt nhân 51 V xác định bằng phương pháp thực nghiệm các bước tính toán các mức lượng mô tả Bảng Bảng Bảng Hiệu suất ghi tương ứng vơi các mức lượng hạt nhân 51V Diện tích đỉnh hạt nhân (số đếm) Sai số diện tích đỉnh % 124.5 5406 125.03 Diện tích phơng (số đếm) Sai số diện tích phơng % Diện tích đỉnh thực (số đêm) Hiệu suất ghi  8.10 5406 8.33E-04 39591 0.90 39591 8.33E-04 147.8 5339 4.70 5339 8.05E-04 436.61 5610 7.04 4656 4.86E-04 645.69 9358 3.00 9358 3.69E-04 823.19 3760 5.30 3760 3.06E-04 1558.79 3000 8.00 5167 21.00 2033 1.80E-04 1709.78 8134 5.60 37159 3.80 1181 1.66E-04 1777.91 12300 2.95 59060 1.00 1249 1.61E-04 1952.92 576 23.00 824 422 1.48E-04 2145.84 1369 11.50 3640 688 1.36E-04 5142.28 606 30.00 606 6.39E-05 5515.76 1694 13.67 833 6.03E-05 5752.03 710 20.90 710 5.82E-05 6464.84 798 13.00 798 5.29E-05 Năng lượng E (keV) 5098 4600 33 1.40 25.00 11.70 6517.26 1501 7.10 1501 5.25E-05 6874.12 876 13.00 876 5.03E-05 7162.84 1008 10.00 1008 4.87E-05 7310.66 448 18 448 4.79E-05 Bảng Cường độ tia gamma tức thời hạt nhân 51V các đỉnh lượng khác Cường độ tức Năng lượng E (keV) thời (lấy đỉnh 645.69 làm Sai số cường độ phát % Cường độ phát theo lý thuyết % Độ lệch thực nghiệm lý thuyết % chuẩn 100%) 124.5 25.60 8.64 32.74 21.81 125.03 187.64 3.13 217.86 13.87 147.8 26.17 5.58 38.14 31.37 436.61 37.83 7.78 41.09 7.92 645.69 100.00 3.00 100.00 823.19 48.42 6.09 46.51 4.10 1558.79 44.52 22.53 51.94 14.28 1777.91 30.66 4.32 31.78 3.54 1952.92 11.23 23.19 10.85 3.52 2145.84 19.90 27.68 25.74 22.70 5142.28 37.40 30.15 29.92 24.99 5515.76 54.55 18.24 61.32 11.05 5752.03 48.13 21.11 58.22 17.33 34 6464.84 59.57 13.34 69.46 14.24 6517.26 112.78 7.71 127.91 11.82 6874.12 68.74 13.34 80.62 14.74 7162.84 81.77 10.44 98.45 16.94 7310.66 36.95 18.64 38.91 5.06 Kết đo có sai số trung bình < 13% Nguồn đóng góp dẫn đến sai số phép đo bao gồm: sai số thống kê diện tích đỉnh trung bình (2-5%), sai số hiệu suất ghi tuyệt đối đầu dò (2.23%) sai số các hằng số hạt nhân sử dụng tính toán, thời gian đo phở Vanadi khơng đủ lớn nên số đỉnh Vanadi thu không nhiều dẫn đến sai số thống kê có thể lớn, đỉnh lượng có số đếm thống kê đủ lớn ghi nhận bảng Dựa vào liệu thư viện vật lý hạt nhân, kết cường độ phát gamma hạt nhân 51V thực nghiệm lý thuyết có chênh lệch