Luận văn thạc sĩ Vật lý nguyên tử, Phản ứng hạt nhân, Vật lý, Nhiệt hóa nơtron

Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.3 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 13 Hình 2.4 Phân bố n

Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LÊ VĂN HẢI

NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 108Pd(n,γ)109

Pd GÂY BỞI NƠTRON NHIỆT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LÊ VĂN HẢI

NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 108Pd(n,γ)109

Pd GÂY BỞI NƠTRON NHIỆT

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử

Mã số: 60440106

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS NGUYỄN VĂN ĐỖ

Hà Nội – 2015

Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải

LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình học tập và làm việc để hoàn thành được bản luận văn thạc sĩ ngành Vật lý hạt nhân tại Trung tâm Vật lý hạt nhân, Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam, em xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến GS.TS Nguyễn Văn Đỗ Nhờ sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của Thầy mà em đã học hỏi được nhiều kiến thức về lý thuyết Vật lý hạt nhân cũng như Vật lý hạt nhân thực nghiệm

Em xin gửi lời cám ơn đến TS Phạm Đức Khuê và các cán bộ của Trung tâm Vật

lý hạt nhân đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu để thực hiện luận văn này

Em xin chân thành cám ơn đề tài nghiên cứu cơ bản NAFOSTED, mã số 2012.21 do GS.TS Nguyễn Văn Đỗ làm chủ nghiệm đã cho phép sử dụng các số liệu thực nghiệm để thực hiện luận văn

103.04-Em xin cám ơn thầy cô thuộc bộ môn Vật lý hạt nhân cũng như khoa Vật lý - Trường ĐHKHTN - ĐHQG Hà Nội, đã dạỵ bảo em trong quá trình học tập tại trường

Cuối cùng em xin được dành tất cả những thành quả trong học tập của mình dâng tặng những người thân yêu trong gia đình, những người luôn bên cạnh động viên và giúp

đỡ em vượt qua mọi khó khăn

Hà Nội, tháng năm 2015

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

LÊ VĂN HẢI

Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.3

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) 13

Hình 2.4

Phân bố năng lượng nơtron đối với bia Ta có và không được làm

mát bằng nước, và so sánh với phân bố Maxwellian tại nhiệt độ

Hình 3.1

Phổ gamma đặc trưng của mẫu Pd được kích hoạt bởi nơtron nhiệt

với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi 376 phút, thời gian

đo 30 phút

44

Hình 3.2

Phổ gamma đặc trưng của mẫu Au được kích hoạt bởi nơtron nhiệt

với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi 330 phút, thời gian

đo 10 phút

45

Hình 3.3

Phổ gamma đặc trưng của mẫu In được kích hoạt bởi nơtron nhiệt

với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi 344 phút, thời gian

đo 200 giây

45

Hình 3.5 Tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 108Pd(n,γ)109

Pd biểu diễn

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 1 Error! Bookmark not defined TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG (n,γ) VÀ NHIỆT HÓA NƠTRON Error! Bookmark

not defined.

1.1 Phản ứng hạt nhân Error! Bookmark not defined 1.1.1 Khái niệm về phản ứng hạt nhân Error! Bookmark not defined 1.1.2 Các loại phản ứng hạt nhân cơ bản Error! Bookmark not defined 1.1.3 Các định luật bảo toàn trong phản ứng Error! Bookmark not defined 1.1.4 Năng lượng của phản ứng Error! Bookmark not defined 1.1.5 Động học của phản ứng Error! Bookmark not defined 1.2 Hạt nhân hợp phần, hạt nhân kích thích Error! Bookmark not defined 1.2.1 Phản ứng hạt nhân- Hạt nhân hợp phần Error! Bookmark not defined 1.2.2 Trạng thái kích thích Error! Bookmark not defined 1.3 Nhiệt hóa Nơtron Error! Bookmark not defined 1.3.1 Nơtron Error! Bookmark not defined 1.3.2 Đặc điểm của các nơtron nhiệt Error! Bookmark not defined 1.3.3 Cơ chế làm chậm nơtron Error! Bookmark not defined 1.3.4 Tương tác của nơtron với vật chất Error! Bookmark not defined 1.4 Tiết diện bắt nơtron nhiệt Error! Bookmark not defined 1.4.1 Khái quát về tiết diện phản ứng Error! Bookmark not defined 1.4.2 Tiết diện bắt nơtron nhiệt Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN BẮT NƠTRON NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG 108Pd(n,)109Pd Error! Bookmark not defined 2.1 Nguồn nơtron xung trên máy gia tốc electron tuyến tính năng lượng 100 MeV Error!

Bookmark not defined.

2.2 Thí nghiệm xác định tiết diện phản ứng 108Pd(n,)109Pd 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 của các mẫu sau khi kích hoạt Error! Bookmark not

defined.

2.2.4 Phân tích phổ gamma Error! Bookmark not defined

Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải

2.2.5 Xác định hiệu suất ghi của detector Error! Bookmark not defined 2.3 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 tiết diện bắt nơtron nhiệt Error! Bookmark not defined 2.4 Một số hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác của kết quả Error! Bookmark not

defined.

2.4.2 Hiệu chỉnh hiệu ứng tự che chắn đối với nơtron nhiệt Error! Bookmark not

defined.

2.4.3 Hiệu chỉnh hiệu ứng cộng đỉnh Error! Bookmark not defined 2.4.4 Hiệu chỉnh thông lượng nơtron nhiệt Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1 Nhận diện đồng vị phóng xạ và các đặc trưng của phản ứng hạt nhân Error!

Bookmark not defined.

3.2 Một số kết quả hiệu chỉnh Error! Bookmark not defined

3.3 Kết quả xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 108Pd(n,)109Pd Error!

Bookmark not defined.

KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined

MỞ ĐẦU

Phản ứng hạt nhân làm biến đổi sâu sắc hạt nhân nguyên tử và phát ra các loại hạt/bức xạ khác nhau, mang theo những thông tin liên quan tới các đặc trưng của hạt nhân cũng như quá trình tương tác của nó với các hạt/bức xạ tới Phân tích các thông tin thu được từ phản ứng hạt nhân có thể nhận biết về cấu trúc và các tính chất của hạt nhân, về nguồn gốc của năng lượng hạt nhân và các đồng vị phóng xạ cũng như khả năng ứng dụng của chúng Chính vì vậy mà từ lâu phản ứng hạt nhân đã trở thành một trong những hướng nghiên cứu quan trọng được sử dụng để khám phá hạt nhân nguyên tử

Phản ứng hạt nhân xảy ra do tương tác của các loại hạt, bức xạ khác nhau như alpha (), proton (p), nơtron (n), photon () với hạt nhân nguyên tử Trong thực tế

Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải

nghiên cứu và ứng dụng đến nay cho thấy phản ứng hạt nhân với nơtron là phổ biến nhất mà một trong những lý do quan trọng đó là nơtron trung hòa về điện tích nên có thể tương tác với các loại hạt nhân nguyên tử có số khối từ nhỏ tới lớn mà không chịu tác dụng của lực đẩy culong Ngoài ra, nguồn phát nơtron cũng phổ biến hơn nhiều so với những nguồn phát ra các loại hạt, bức xạ khác Ngày nay nơtron không những chỉ được tạo ra từ các nguồn nơtron đồng vị, từ lò phản ứng hạt nhân mà còn từ nhiều loại máy gia tốc hạt khác nhau, có khả năng tạo ra nơtron trong giải năng lượng rộng, thông lượng lớn, cho phép tiến hành nghiên cứu nhiều phản ứng hạt nhân với nơtron

Trong luận văn này tác giả đã chọn phản ứng bắt nơtron (n,) để nghiên cứu Cho tới nay phản ứng hạt nhân (n,) đã được nghiên cứu trên nhiều hạt nhân/đồng vị khác nhau Các kết quả nghiên cứu đã giúp mở rộng sự hiểu biết về những bí mật của hạt nhân nguyên tử cũng như về cơ chế của phản ứng, đồng thời đã cung cấp nhiều số liệu hạt nhân có giá trị phục vụ nghiên cứu cơ bản và các lĩnh vực ứng dụng có ý nghĩa khoa học và kinh tế như tính toán thiết kế lò phản ứng hạt nhân, che chắn an toàn phóng xạ, chế tạo đồng vị phóng xạ, đánh giá sự phá hủy vật liệu do bức xạ, phân tích kích hoạt xác định hàm lượng các nguyên tố,…Tuy nhiên, đối tượng nghiên cứu và nhu cầu hiểu biết về hạt nhân nguyên tử, về cơ chế phản ứng cùng khả năng ứng dụng của phản ứng hạt nhân nói chung và phản ứng bắt nơtron nói riêng là không

có giới hạn, độ chính xác của các số liệu hạt nhân đòi hỏi ngày càng cao Ngoài ra, phản ứng bắt nơtron còn là một kênh quan trọng tổng hợp các hạt nhân từ sau các nguyên tố sắt (Fe) và niken (Ni) Chính vì vậy mà phản ứng bắt nơtron vẫn luôn thu hút sự quan tâm nghiên cứu cả ở trong và ngoài nước

Bản luận văn “Nghiên cứu phản ứng hạt nhân 108Pd(n,)109Pd gây bởi nơtron nhiệt” sẽ tập trung xác định bằng thực nghiệm tiết diện của phản ứng Trong tự nhiên Palladium (Pd) là một kim loại hiếm có màu trắng bạc, bóng, mềm và dễ uốn, có khả năng hấp thụ Hydro tới 900 lần thể tích ở nhiệt độ phòng, chống xỉn màu, dẫn điện ổn định, chống ăn mòn hóa học cao cùng chịu nhiệt tốt Do những tính chất đặc biệt của Palladium (Pd) nên kim loại này là vật liệu quan trọng trong việc chế tạo bộ chuyển đổi xúc tác để xử lý các loại khí độc hại trong khói của ô tô, sản xuất linh kiện điện

tử, công nghệ sản xuất và lưu trữ Hydro Ngoài ra Palladium còn được sử dụng trong ngành nha khoa và y học Đồng vị 109Pd được sinh ra từ phản ứng

108

Pd(n,)109Pd với chu kỳ bán dã 13.7 h có tiềm năng ứng dụng trong y học phóng

xạ

Cho tới nay đã có một số tác giả xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng

108

Pd(n,)109Pd Tuy nhiên, các số liệu đã công bố khác nhau tương đối lớn, nằm trong khoảng từ 5.95±0.08 barn đến 14±2 barn, chênh lệch lên tới  135% Do đó, khó có thể đánh giá và tìm ra được một số liệu tốt nhất để sử dụng Vì vậy việc xác định thêm những số liệu tiết diện mới để bổ xung vào thư viện số liệu hạt nhân đối với phản ứng hạt nhân 108Pd(n,)109Pd là rất cần thiết

Cho tới nay hầu hết các nghiên cứu về phản ứng hạt nhân 108Pd(n,)109Pd đều sử dụng nơtron phát ra theo chế độ liên tục từ các nguồn nơtron đồng vị hoặc lò phản ứng phân hạch Trong nghiên cứu này sẽ sử dụng nơtron được phát ra theo chế độ xung từ máy gia tốc electron tuyến tính, năng lượng cực đại 100 MeV Tiết diện của phản ứng hạt nhân 108Pd(n,)109Pd được xác định bằng phương pháp kích hoạt kết hợp với kỹ thuật năng phổ gamma Hoạt độ của đồng vị phóng xạ 109Pd được đo bằng phổ phổ kế gamma bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết, HPGe Tiết diện phản ứng được xác định bằng phương pháp tương đối, nghĩa là so sánh với tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân 197Au(n,)198Au đã biết là o,Au = 98.650.09 barn Nhằm nâng cao

độ chính xác của kết quả nghiên cứu đã thực hiện một số hiệu chính nhằm giảm sai số gây bởi hiệu ứng tự hấp thụ của các tia gamma, hiệu ứng cộng đỉnh của các tia gamma trùng phùng thác và hiệu ứng tự chắn của chùm nơtron nhiệt Tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân 108Pd(n,γ)109Pd thu được trong luận văn là 8.57±0.79 barn Kết quả này sẽ được phân tích và đánh giá trong chương 3

Bản luận văn gồm 3 chương cùng với phần mở đầu, kết luận và phụ lục Chương

1 trình bày tóm tắt về phản ứng hạt nhân, nhiệt hóa nơtron và tiết diện bắt nơtron nhiệt Trong phản ứng hạt nhân đi sâu vào phản ứng bắt nơtron cùng với các quá trình vật lý đi k m Chương 2 trình bày thí nghiệm và phân tích số liệu nhằm xác định tiết diện bắt nơtron của phản ứng hạt nhân 108 Pd(n,γ) 109

Pd Chương 3 trình bày kết quả

thực nghiệm xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân 108 Pd(n,γ) 109

Pd

cùng với các ý kiến đánh giá, bình luận về kết quả

Bản luận văn dài 59 trang, có 20 hình vẽ và đồ thị, 10 bảng biểu và 40 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

Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG (n,γ) VÀ NHIỆT HÓA NƠTRON

1.1 Phản ứng hạt nhân

1.1.1 Khái niệm về phản ứng hạt nhân

Phản ứng hạt nhân nhân tạo đầu tiên được tạo ra từ phòng thí nghiệm của Rutherford năm 1919 khi bắn chùm hạt alpha () từ nguồn đồng vị vào hạt nhân Nitơ (N) tạo ra 17O và Proton (p)

 + 14N → 17

O + p Ngày nay, có thể gây ra rất nhiều loại phản ứng hạt nhân khác nhau do sự đa dạng của các chùm hạt/bức xạ tới được tạo ra từ lò phản ứng và các máy gia tốc khác nhau Một phản ứng hạt nhân thường được viết như sau:

Trong đó a là hạt/bức xạ tới, A là hạt nhân bia tham gia phản ứng, B và b là các sản phẩm của phản ứng Sau phản ứng hạt nhân cũng có thể xuất hiện nhiều hơn 2 hạt và bay ra theo các phương khác nhau [2]

Phản ứng hạt nhân xảy ra khi một chùm hạt hoặc bức xạ tương tác với hạt nhân ở khoảng cách gần (cỡ 1013cm) và sau phản ứng hạt nhân có sự phân bố lại năng

lượng, xung lượng và phát ra một hoặc nhiều hạt, bức xạ Hạt hoặc bức xạ kích thích hạt nhân (hạt/bức xạ tới) gây ra phản ứng có thể là alpha (), proton (p), nơtron (n), bức xạ gamma (),…

Trong quá trình xảy ra phản ứng hạt nhân thì trạng thái tương tác ban đầu a + A còn được gọi là kênh lối vào và trạng thái cuối b + B còn gọi là kênh lối ra Một phản ứng hạt nhân cũng thường được viết dưới dạng rút gọn như sau:

A(a,b)B

Ký hiệu này tiện lợi vì ta có thể dùng nó để phân loại các phản ứng dựa vào những tính chất chung, ví dụ: phản ứng (,n) hoặc phản ứng (,n) Các phản ứng hạt nhân sinh nhiều hạt thường được ký hiệu dựa vào những đặc trưng riêng của mỗi loại phản

ứng, ví dụ: (n,2n), (n,np), (,2n), (,2np), (, xnyp), (p,xnyp),

1.1.2 Các loại phản ứng hạt nhân cơ bản

Phản ứng hạt nhân hay quá trình tương tác hạt nhân xảy ra giữa hạt tới a và hạt nhân bia A thông thường xảy ra theo một trong các quá trình sau đây:

a Tán xạ đàn hồi

Tán xạ đàn hồi là quá trình xảy ra được mô tả như sau:

Trong quá trình tán xạ đàn hồi thì nhận dạng và trạng thái nội tại của hạt tới và bia không thay đổi, nhưng động năng và tốc độ của các hạt tới thay đổi, hạt có thể thay đổi hướng chuyển động Sản phẩm của phản ứng là hạt tới và hạt nhân bia vẫn ở trạng thái cơ bản

Ví dụ: n+208Pb  n+208Pb hay 208Pb(n,n)208Pb

b Tán xạ không đàn hồi

Tán xạ không đàn hồi là quá trình xảy ra có dạng như sau:

Trong quá trình tán xạ không đàn hồi thì nhận dạng các hạt không đổi Tuy nhiên, quá trình này thay đổi trạng thái nội tại với hạt nhân bia chuyển lên trạng thái kích thích và hạt tới a thường phát ra với năng lượng giảm, ký hiệu là a'

Ví dụ: α +40Ca  α' +40Ca* hay 40Ca(α,α')40

Ca*

Nếu hạt tới a là một hạt nhân phức tạp (ion nặng) thì nó có thể chuyển sang trạng thái kích thích thay cho hạt nhân bia hoặc cả hạt tới và hạt nhân bia đều bị kích thích

Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải

Ví dụ 12C +208Pb  12

C*+208Pb* hay 208Pb(12C,12C*)208Pb*

c Phản ứng biến đổi hạt nhân

Phản ứng biến đổi hạt nhân hay còn gọi là phản ứng hạt nhân thực sự là quá trình tương tác tạo ra các hạt ở kênh ra khác các hạt ở kênh vào, nghĩa là các hạt sau phản ứng b và B khác các hạt trước phản ứng a và A:

Nhiều trường hợp cùng một kênh vào có các kênh ra phản ứng khác nhau hoặc kênh vào khác nhau nhưng có cùng sản phẩm phản ứng

Ví dụ: p + 7Li  7

Be + n và p + 7Li  2α hoặc p + 63Cu 63Zn + n và α + 60

Ni 63

Zn + n Trong thực tế có nhiều loại phản ứng biến đổi hạt nhân như: phản ứng với hạt tích điện, phản ứng với ion nặng, phản ứng bắt nơtron, phản ứng chuyển đổi, phản ứng quang hạt nhân, Bởi vậy tên gọi “phản ứng hạt nhân” dành cho cả quá trình tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi và quá trình phản ứng thực sự

1.1.3 Các định luật bảo toàn trong phản ứng

Phản ứng hạt nhân a+A  b + B tuân thủ các định luật bảo toàn sau đây:

a Bảo toàn điện tích

Định luật bảo toàn điện tích yêu cầu tổng số điện tích trước phản ứng phải bằng tổng số điện tích sau phản ứng, tức là:

Trong đó Za , ZA , Zb , ZB lần lượt là điện tích của các hạt a, A, b, B

b Bảo toàn số nucleon

Định luật bảo toàn số nucleon yêu cầu tổng số các nucleon trước và sau phản ứng phải bằng nhau

Trong đó Aa , AA , Ab , AB lần lượt là số nucleon của các hạt a, A, b, B

c Bảo toàn năng lượng

Định luật bảo toàn năng lượng yêu cầu tổng số năng lượng của các thành phần trước phản ứng phải bằng tổng số năng lượng của các thành phần sau phản ứng

(mac2+ Ea) + (mAc2 + EA) = (mbc2 + Eb) + (mBc2 + EB) (1.7) Trong đó ma, mA, mb, mB; mac2, mAc2, mbc2, mBc2 và Ea, EA, Eb, EB lần lượt là khối lượng, năng lượng tĩnh và động năng của các hạt a, A, b, B

d Bảo toàn động lượng

Định luật bảo toàn động lượng yêu cầu tổng số động lượng của các thành phần trước phản ứng phải bằng tổng số động lượng của các thành phần sau phản ứng

(1.10) Kết hợp với (1.9), biểu thức tính Q được viết dưới dạng khác:

(1.11) Nếu Q > 0, phản ứng (1.1) là phản ứng tỏa nhiệt (tỏa năng lượng): năng lượng nghỉ

và năng lượng liên kết của các hạt nhân ban đầu chuyển thành động năng của sản phẩm

Nếu Q < 0, phản ứng (1.1) là phản ứng thu nhiệt (thu năng lượng): động năng ban đầu của hạt tới chuyển thành năng lượng nghỉ và năng lượng liên kết của các sản phẩm

Nếu Q  0, phản ứng (1.1) là quá trình tán xạ đàn hồi: năng lượng nghỉ (hay khối lượng của các hạt) cũng như tổng động năng trước và sau phản ứng được bảo toàn

1.1.5 Động học của phản ứng

Xét phản ứng (1.1) trong hệ tọa độ phòng thí nghiệm Hạt nhân bia (hạt nhân A) coi như đứng yên (năng lượng chuyển động nhiệt rất nhỏ so với các năng lượng khác trong phản ứng hạt nhân) Gọi mặt phẳng phản ứng là mặt phẳng tạo bởi đường đi của hạt tới và của một sản phẩm Theo định luật bảo toàn xung lượng thì pa  pB + pb, như vậy đường đi của sản phẩm còn lại cũng sẽ nằm trong mặt phẳng này (Hình 1.1)

Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải

Hình 1.1 Định luật bảo toàn xung lượng trong phản ứng a + A  b +B

Dựa vào định lý hàm số cosin trong tam giác, định luật bảo toàn xung lượng có thể viết lại như sau:

Phương trình (1.13) cũng có thể viết lại được dưới dạng phương trình bậc hai của b

Biểu thức (1.15) cho ta giá trị động năng của hạt b phát ra theo góc q Biểu thức này cũng có thể áp dụng cho hạt nhân dư B bằng cách thay chỉ số b bằng chỉ số B Để biểu thức dưới dấu căn của (1.15) có nghĩa thì:

N Bohr giả thuyết rằng, 2 giai đoạn tạo nên hạt nhân hợp phần C và phân rã hạt nhân này là độc lập với nhau Khả năng phân rã hạt nhân hợp phần không phụ thuộc vào cách tạo nên hạt nhân hợp phần mà chỉ phụ thuộc vào năng lượng, mômen 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 cỡ

Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải

10-12 cm và hạt vào bay qua hạt nhân với tốc độ 1010 cm/s thì thời gian để hạt đó đi qua hạt nhân là 10-12 /1010 = 10-22 sec 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 hàng triệu hay hàng tỷ lần lâu hơn thời gian đặc trưng nói trên trước khi phân rã thành các hạt thứ cấp Chính vì vậy mà hạt nhân hợp phần, khi phân rã, “quên” mất cách mình được tạo nên [2; tr80]

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 gian10-14-10-15

s Có thể nói hạt nhân đã bắt neutron và trở thành hạt nhân hợp phần [13, tr3]

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 tới trên tất cả các nucleon), tuy nhiên xác suất đó lại phụ thuộc vào mức kích thích

Ta có thể viết một cách tổng quát như sau:

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

1.2.2 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 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 1.3)

Hình 1.2 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 một photon Xác suất xảy ra của mỗi quá trình này có thể được biểu diễn như là các độ rộng mức riêng phần:

Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải

Hạt nhân nguyên tử được tạo nên bởi các proton và nơtron Trong đó, A là

số khối (A=Z+N), Z là số proton và N là số nơtron Tổng số khối A là số khối lượng, gần bằng khối lượng hạt nhân được biểu thị trong đơn vị khối lượng nguyên tử 1.660×10-27 kg Proton là hạt mang điện tích dương đơn vị bằng +1.6×10-19 C và có khối lượng là 1.6726×10-27 kg hay 938.279 MeV Nơtron không có điện tích, khối lượng của nó bằng 1.675×10-17

kg hay 989.573 MeV, tức là lớn hơn khối lượng của proton

Proton là hạt cơ bản bền còn nơtron chỉ bền trong hạt nhân bền vững Quá trình phân rã của nơtron trong hạt nhân bền vững bị cấm về mặt năng lượng vì khi phân rã cần thắng năng lượng liên kết trong hạt nhân Ở trạng thái tự do, nơtron phân rã với thời gian bán rã là 11.7 phút theo sơ đồ phân rã β như sau:

n→ p + e- + ̅ trong đó e- là electron còn ̅ là phản notrino Tuy nhiên, sự không bền của nơtron tự

do không đóng vai trò quan trong khi nghiên cứu các quá trình vật lý của nơtron

1.3.2 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:

Trong đó, N=∫ ( ) ; 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=mv2/2 nên biểu thức (1.26) có thể viết lại như sau:

n(E)=

√ ( ) ( ) (1.27)

Với vT=√ là vận tốc có xác xuất lớn nhất Theo phân bố (1.26), năng lượng có xác suất lớn nhất

còn năng lượng trung bình là Tuy nhiên người ta coi năng lượng nhiệt là năng lượng ứng với vận tốc có xác suất lớn nhất theo biểu thức (1.27) 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 = 2930K thì vT = 2200m/sec và năng lượng nơtron nhiệt bằng ET = 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

1.3.3 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 [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 1.3), nơtron và hạt nhân có vận tốc trước va chạm là v1

Hình 1.3 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 Vc = , do đó vận tốc nơtron trước va chạm trong

Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải

cosθ1 (1.28) Trong đó

(1.29)

Khi θ1=0, cosθ1= 1 thì = 1, tức là nơtron không thay đổi năng lƣợng khi va chạm Hay độ mất năng lƣợng của nơtron bằng 0

Khi θ1= π, cosθ1= -1 thì = ε, tức là nơtron thay đổi năng lƣợng khi va chạm từ

E sang E'= εE Độ mất năng lƣợng nơtron đạt cực đại và bằng E-E' = (1-ε) E

Nhƣ vậy, sau khi va chạm đàn hồi, nơtron có năng lƣợng E' thỏa mãn điều kiện:

ε E ≤ E' ≤ E

* Tham số va chạm δ

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:

Khi đó số nơtron tán xạ trong khoảng góc θ1 đến θ2 là:

dN=2πN sinθ1 dθ1 Theo định nghĩa của δ ta có:

Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải

U(E)=ln (1.34)

E0 là năng lượng ban đầu của nơtron sinh ra

E là năng lượng của nơtron sau khi được làm chậm

Trong thí nghiệm xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của 108Pd đã sử dụng chùm nơtron được tạo ra trên máy gia tốc electron tuyến tính và được nhiệt hóa trong cột nước cao 5 cm Giả sử năng lượng của nơtron sinh ra là E0=2 MeV và được làm chậm đến nơtron nhiệt có năng lượng là ET=0.025 eV, thông số δ= 0.948 thì số va chạm cần thiết ST là:

Khả năng làm chậm: δ Σs (1.37)

Hệ số làm chậm: δ Σs/Σa (1.38) Trong đó, Σs = Nσs và Σa =Nσa 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 (1.37) cho thấy khả năng làm chậm càng lớn khi δ và Σs càng lớn, khi đó nơtron càng nhanh chóng được làm chậm Mặt khác, vật chất càng ít hấp thụ nơtron, tức là Σa càng bé thì nơtron được làm chậm mà

ít hấp thụ trong quá trình làm chậm Do đó, hệ số làm chậm δ Σs/Σa đặc trưng cho tính chất làm chậm của môi trường Đại lượng này càng lớn, chất làm chậm càng tốt Trong bảng 1.1 dẫn ra các giá trị δ Σs và δ Σs/Σa đối với một số chất làm chậm Từ bảng này ta thấy rằng 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:

Đối với chất làm chậm là nước, năng lượng E0= 2MeV, ET=0,025 eV, τT=27 cm2, suy ra độ dài làm chậm sẽ là: √ [3, tr62]

1.3.4 Tương tác của nơtron với vật chất

Do nơtron không mang điện tích nên khi đi vào môi trường vật chất, nơtron tương tác rất yếu với các electron Tương tác của nơtron chủ yếu 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

Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải

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 nơtron tới tương tác và bị bắt bởi hạt nhân bia sau đó hạt nhân bia trở thành hạt nhân hợp phần hay 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 [13, tr3]:

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 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 Đây chính là hiện tượng bắt nơtron

3 Nơtron tới bị bắt và các hạt sơ cấp khác được phát ra…đó là các phản ứng như (n,p), (n,α), (n,n’), (n,2n)…

Phản ứng bắt nơtron

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, tr2]:

E*= En + ∆E (1.40) trong đó: E* : Năng lượng kích thích của hạt nhân hợp phần,

En : 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 1.5 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 1.5 Sơ đồ phân rã hạt nhân của phản ứng bắt nơtron

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/cm3, mỗi hạt có diện tích hiệu dụng là [13, tr4]:

σ=π (cm2) (1.41) Một chùm nơtron có thông lượng 𝜙(neutrons, cm-2

1.4.2 Tiết diện bắt nơtron nhiệt

Nơtron nhiệt có vận tốc v 0 trong phân bố Maxwellian tại nhiệt độ 200C là 2200 m/s hay có năng lượng là 0.025 eV

Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải

a Tiết diện phản ứng

Thực nghiệm cho thấy, đối với Z < 88 thì tất cả các phản ứng xảy ra với tiết diện

σ(n,γ) (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 σ 0 tương ứng với vận tốc v 0 trong điều

kiện σ(v)~1/v 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 [13]

Tiết diện hấp thụ, σ 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 σ T - ̅ , 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 σ act , chủ yếu đối với nơtron nhiệt là σ(n,γ), hoặc là σ(n,p),

σ(n,α), σ(n f)…được xác định thông qua hoạt độ phóng xạ của hạt nhân sản phẩm

Trong phương pháp kích hoạt, từ giá trị của σ 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 (σ coh ), tiết diện nguyên tử tự do (σ fa ), tiết diện tán xạ trung bình

( ̅ ), tiết diện tán xạ vi phân (dσ/dΩ) đối với tán xạ ở 1 góc khối cho trước(φ, θ) [13]

c Tiết diện toàn phần σ T

Tiết diện toàn phần bao gồm cả tiết diện tán xạ và tiết diện hấp thụ [13,3,4]:

σT= σabs +̅ (1.44) 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 σ act = σ abs (1.45)

Trong trường hợp nguyên tố có nhiều đồng vị thì σ abs không được xác định bởi các đồng vị tự nhiên riêng lẻ mà tuân theo công thức sau [31]:

1 1 2 2 3 3

   q  q  q   (1.46)

d Tiết diện vĩ mô Σ

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 [13,3,4]:

Σ 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:

Σ= Σiσi N i (1.50)

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 σ phụ thuộc vào năng lượng và hiện tượng cộng hưởng có thể xảy ra tại một giá trị năng lượng nhất định Số liệu cho

trong các bảng bao gồm: Năng lượng cộng hưởng E 0 (E γ ,T γ ), độ rộng mức toàn phần Г

và các độ rộng mức Г α, Гβ, Гγ, Гn, Гf

Đối với các hạt nhân nặng, cộng hưởng hầu như là từ phản ứng (n,γ) Tuy

nhiên đối với các hạt nhân nhẹ, cộng hưởng chủ yếu là do tán xạ và đôi khi là từ phản

ứng (n,α) hoặc (n,p)

f Tiết diện bắt nơtron nhiệt

Tiết diện bắt nơtron thường được chia làm 3 vùng (hình 1.6):

Vùng năng lượng thấp, đối với hầu hết các hạt nhân, tiết diện bắt phát xạ phụ thuộc vào √ Do tốc độ của nơtron tỷ lệ với √ , có thể rút ra tiết diện bắt

Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải

nơtron nhiệt phụ thuộc vào 1/v trong đó v 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:

n 2

2 r

g(E E )

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 định 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 (1.51)

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

Hình 1.6 Sự phụ thuộc của tiết diện bắt nơtron vào năng lƣợng

Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN BẮT NƠTRON

NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG 108

Pd(n,) 109 Pd

2.1 Nguồn nơtron ung tr n má gia tốc electron tu ến tính năng lượng 1 MeV

Nơtron được sử dụng trong nghiên cứu này được tạo ra trên máy gia tốc

electron tuyến tính (linac) phát ra theo chế độ xung và được nhiệt hóa 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 kim loại nặng hay còn gọi là bia hãm

được làm bằng Ta hoặc W có nhiệt độ nóng chảy cao để tạo ra bức xạ hãm Sau khi

được sinh ra, bức xạ hãm gây phản ứng quang hạt nhân (,xn) với chính các hạt nhân

bia để phát ra nơtron

Các phản ứng quang hạt nhân là phản ứng ngưỡng, vì vậy chỉ những photon có

năng lượng lớn hơn hơn ngưỡng mới có thể gây ra 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 nhỏ và trong đó chủ yếu là các nơtron năng lượng cao được tạo ra

do tương tác trực tiếp của electron và photon với các hạt nhân của bia hãm Tiết diện

tương tác của electron với hạt nhân nhỏ hơn 1/137 lần so với tương tác của photon

với hạt nhân nên chỉ 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 (En) đối với các

electron có động năng trong khoảng từ 5  25 MeV như sau [16]:

1(2)

1(1862

3 ) , ( 2

) ,

k E

k A

A

(2.1)

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), q là góc phát xạ của các nơtron so với trục của

chùm electron (độ)

Từ biểu thức 2.1 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 2.2 dưới đây [16]:

e T

0

M

N)E(    



Trong đó M, , và t là khối lượng nguyên tử, mật độ và bề dày của bia, N0 là số

Avogadro, e là thông lượng chùm electron tới (electron/s), T là 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

Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải

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

1: Nguồn phát electron; 6: Bộ ba nam châm tứ cực ;

3: Cặp đôi nam châm tứ cực ; 8: Nam châm điều tiêu;

4: Ống gia tốc thứ nhất; 9: Bia Ta

5: Ống gia tốc thứ hai;

Các bộ phận chính của máy gia tốc bao gồm: nguồn phát electron (RF-gun), một nam châm alpha, hai cặp 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 tại trung tâm gia tốc Pohang có thể gia tốc chùm electron năng lượng từ 40 MeV tới 100 MeV, với dòng electron 100 mA, độ rộng xung 1 4 s, tần số của xung 1015 Hz Bán kính của chùm electron tại vị trí monito dòng trước bia là 20 mm

1

3