Xác định mật độ thông lượng nơtron ở tâm các quả cầu làm chậm bằng parafin có đường kính khác nhau

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH : VẬT LÝ KỸ THUẬT XÁC ĐỊNH MẬT ĐỘ THÔNG LƯỢNG NƠTRON Ở TÂM CÁC QUẢ CẦU LÀM CHẬM BẰNG PARAFIN CĨ ĐƯỜNG KÍNH KHÁC NHAU NGUYỄN TẤT THẮNG HÀ NỘI 2006 MỞ ĐẦU Kể từ phát nơtron năm 1932, nghiên cứu ứng dụng nơtron ngày phát triển trở thành lĩnh vực riêng như: vật lý nơtron, nhà máy điện nguyên tử… Cùng với phát triển vấn đề ghi nhận bảo vệ an toàn xạ nơtron ngày quan tâm Trong thực tế, việc xác định mật độ thông lượng nơtron vấn đề quan trọng nghiên cứu trường nơtron Mật độ thơng lượng nơtron sử dụng tính tốn lị phản ứng, phân tích kích hoạt, xác định liều lượng tính tốn bảo vệ an tồn… Do có điện tích khơng nên nơtron có độ xun sâu mạnh ghi nhận trực ngun tắc ion hóa Có hai loại đầu dị nơtron: Loại thứ ghi nhận hạt có điện tích phát phản ứng (n,p), (n,α),… đầu dò chứa B, 6Li hay 3He Loại thứ hai ghi nhận độ 10 phóng xạ cảm ứng đồng vị sau bị chiếu xạ nơtron Loại đầu dò thứ hai tiện lợi việc đo thơng lượng nơtron vào độ kích hoạt đầu dị mà khơng bị ảnh hưởng xạ γ kèm theo Phương pháp cịn áp dụng đo nơtron dải lượng rộng, thông lượng lớn, đầu dị có kích thước nhỏ nên xác định thông lượng nơtron khu vực nhỏ Ngồi dùng nhiều loại dị với tiết diện kích hoạt khác phụ thuộc vào lượng nơtron ta xác định phân bố nơtron theo lượng Trên giới có số loại máy đo liều lượng xạ nơtron dựa hiệu ứng làm chậm nơtron [1,3] Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế đưa cầu chuẩn kích thước 30 cm để đo liều nơtron với chất làm chậm vật liệu tương đương tổ chức thể[1,12,13] Tuy nhiên, vật liệu dụng cụ thường đắt tiền[1,3] Ở nước ta nay, việc ứng dụng xạ hạt nhân nói chung xạ nơtron nói riêng ngày phát triển Việc xác định liều lượng xạ nơtron ngày trở nên cần thiết Xuất phát từ tình hình thực tế vậy, em giao nhiệm vụ: “Xác định mật độ thông lượng nơtrôn tâm cầu làm chậm paraphin có đường kính khác nhau” Nội dung đề tài luận văn tốt nghiệp em gồm vấn đề sau đây: Xác định mật độ thông lượng nơtrôn tâm cầu paraphin đường kính khác Thể mối liên hệ mật độ thông lượng nơtron nhiệt nhiệt tâm cầu bán kính cầu, cầu bị chiếu xạ bề mặt Phương pháp ghi nhận nơtron sử dụng đề tài phương pháp kích hoạt Luận văn gồm chương phụ lục sau: Chương 1: Cơ sở vật lý phương pháp kích hoạt nơtron, trình bày tổng quan tương tác nơtron với vật chất, phương trình kích hoạt nơtron Chương 2: Xác định mật độ thông lượng nơtron phương pháp kích hoạt, trình bày bước chuẩn bị tiến hành thực nghiệm, phương pháp ghi nhận xử lý phổ gamma, xử lý số liệu đánh giá sai số sinh trình tiến hành thực nghiệm Chương 3: Kết thực nghiệm xác định mật độ thông lượng nơtron tâm cầu làm chậm parafin, trình bày kết đạt trình thực nghiệm, đánh giá kết đạt số kết luận Phần phụ lục: trình bày điều kiện đo phổ gamma đo ứng với cầu làm chậm có đường kính khác dùng hai nguồn nơtron 239Pu-Be 241Am-Be Trong luận văn sử dụng hệ đo phổ gamma Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) viện trợ cho Bộ môn Kỹ thuật Hạt nhân Vật lý Môi trường (Trường Đại học Bách Khoa Hà nội) theo dự án hợp tác kỹ thuật IAEA – TC VIE – – 010 (2003 – 2005) Kết nghiên cứu xác định mật độ thông lượng nơtrôn tâm cầu làm chậm paraphin sử dụng hai nguồn nơtron đồng vị 239 Pu-Be Am-Be mang ý nghĩa thực tế định: 241 - Tạo sở bước đầu cho việc nghiên cứu phân bố mật độ thông lượng nơtron chất làm chậm có hình cầu Bộ mơn Kỹ thuật Hạt nhân Vật lý Môi trường, Trường Đại học Bách Khoa Hà nội - Đề tài tiếp tục nghiên cứu mở rộng vật liệu khác nhau, nguồn nơtron khác nhau, từ đưa liên hệ phân bố liều bề mặt độ sâu khác môi trường làm chậm, giúp cho việc đo liều lượng bảo vệ an toàn xạ nơtron tốt - Đề tài tiến tới nghiên cứu hỗ trợ chẩn đoán điều trị xạ nơtron quan có hình dạng cầu gần cầu Trong trình học tập làm luận văn tốt nghiệp, em nhận ủng hộ, quan tâm sâu sắc từ thành viên Bộ môn Kỹ thuật Hạt nhân Vật lý Môi trường, Viện Vật lý Kỹ thuật, đồng nghiệp bạn Viện Vật lý Kỹ thuật, người thân gia đình Em xin bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Phùng Văn Duân, người hướng dẫn, bảo tạo điều kiện cho em suốt trình học tập làm luận văn tốt nghiệp Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô anh, em Bộ môn Kỹ thuật Hạt nhân Vật lý Mơi trường có dẫn, giúp đỡ quý báu thời gian vừa qua, xin cảm ơn anh Lê Văn Xuân, người giúp đỡ em nhiều suốt trình làm thực nghiệm Tuy có nhiều cố gắng thời gian nghiên cứu vấn đề lý thuyết thực nghiệm cịn chưa dài, nên luận văn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đóng góp tất người nội dung luận văn Hà nội, tháng 10 – 2006 Nguyễn Tất Thắng MỤC LỤC Mở đầu Mục lục trang Chương 1: Cơ sở vật lý phương pháp kích hoạt nơtron 1.1 Tương tác nơtron với vật chất 1.1.1 Tán xạ đàn hồi 1.1.2 Tán xạ không đàn hồi 1.1.3 Sự làm chậm nơtron 1.1.4 Phản ứng (n,γ) 1.1.5 Các phản ứng hạt nhân khác 1.2.5.1 Phản ứng (n,p) (n,α) 1.1.5.2 Phản ứng tạo hai hay nhiều nucleon 1.1.5.3 Các phản ứng phân chia hạt nhân 1.2 Phương pháp kích hoạt nơtron 1.3 Dụng cụ đo liều xạ nơtron sử dụng hiệu ứng làm chậm Chương II: Xác định mật độ thơng lượng nơtron phương pháp kích hoạt 2.1 Bố trí thí nghiệm 2.1.1 Giới thiệu nguồn nơtron 2.1.1.1.Các đặc trưng nguồn nơtron 2.1.1.2 Các nguồn nơtron sử dụng trình thực nghiệm 2.1.2 Mơi trường làm chậm 2.1.3 Mơ hình thí nghiệm 2.1.4 Chọn vật liệu mẫu kích hoạt 2.2 Các bước thực nghiệm 2.2.1 Kích hoạt mẫu 2.2.2 Đo hoạt độ phóng xạ gamma mẫu In 2.2.3 Xử lý số liệu 2.2.3.1 Phương pháp xử lý số liệu 2.2.3.2.Đánh giá nguồn sai số 2.2.3.3.Kết xử lý số liệu Chương III: Kết thực nghiệm xác định mật độ thông lượng nơtron tâm cầu làm chậm parafin 3.1 Kết thu kích hoạt nguồn Pu – Be 3.2 Kết thu kích hoạt nguồn Am – Be 3.3 So sánh kết đo thông lượng tương đối hai nguồn Kết luận 5 7 10 11 13 13 13 14 15 15 18 20 20 20 20 20 23 23 25 28 28 30 37 37 41 43 47 47 53 59 61 Tài liệu tham khảo 62 Phụ lục Kết thực nghiệm kích hoạt nguồn Pu – Be pl1 = 64 Phụ lục Kết thực nghiệm kích hoạt nguồn Am – Be pl21 Bảng – 1: Một số đặc trưng nguồn 239Pu – Be sử dụng thí nghiệm Bảng – 2: Một số đặc trưng nguồn 241Am – Be sử dụng thí nghiệm Bảng – 3: Đặc trưng số đầu dị thường dùng kích hoạt Bảng - : Đặc trưng phản ứng kích hoạt bia In với nơtron Bảng – Điều kiện thực nghiệm sử dụng nguồn nơtron Pu – Be Bảng – Điều kiện thực nghiệm sử dụng nguồn nơtron Am – Be Bảng – Số liệu phân rã nguồn chuẩn lượng Bảng 3.1 Kết thực nghiệm xác định mật độ thông lượng nơtron sử dụng nguồn Pu – Be kích hoạt với mẫu In khơng bọc Cd Bảng 3.2 Kết thực nghiệm xác định mật độ thông lượng nơtron sử dụng nguồn Pu – Be kích hoạt với mẫu In bọc Cd Bảng 3.3 Kết thực nghiệm xác định mật độ thông lượng nơtron sử dụng nguồn Am – Be kích hoạt với mẫu In không bọc Cd Bảng 3.4 Kết thực nghiệm xác định mật độ thông lượng nơtron sử dụng nguồn Am – Be kích hoạt với mẫu In bọc Cd Hình 1.1: Sơ đồ tán xạ đàn hồi nơtron tương tác với hạt nhân Hình 1.2 Sự phụ thuộc hoạt độ phóng xạ vào thời gian kích hoạt (t b ), thời gian phân rã (t d ) thời gian đo (t m ) Hình 1.3 Phân bố nơtrơn nhiệt theo độ sâu kể từ bề mặt khối paraphin Hình 2.1: Cấu tạo loại nguồn (α,n) hai lớp vỏ Hình 2.2 Phổ phân bố lượng nguồn nơtron 239Pu – Be Hình 2.3.Phổ lượng nơtron nguồn 241Am-Be Hình 2.4 Mơ hình mơi trường làm chậm Hình 2.5 Mơ hình kích hoạt nơtron Hình 2.6 Bố trí vị trí nguồn nơtron khối cầu làm chậm Hình 2.7 : Sơ đồ khối hệ đo gamma sử dụng đầu dò nháp nháy NaI (Tl) Hình 2.8: Bố trí hình học đo mẫu kích hoạt Hình 2.9a: Kết đo phổ với nguồn 133Ba Hình 2.9b: Kết đo phổ với nguồn 137Cs Hình 2.9c: Kết đo phổ với nguồn 152Eu Hình 2.9d: Kết đo phổ với nguồn 60Co Hình 2.10: Đường chuẩn lượng đầu dò nhấp nháy NaI (Tl) Hình 2.11a: Kết đo với cầu đường kính 15 cm ngày 18/7/2006 Hình 2.11b: Kết đo với cầu đường kính 15 cm ngày 12/9/2006 Hình 2.12 Phơng mơi trường đo đầu dị nhấp nháy, ngày 13/12/2003 Hình 2.13: Diện tích đỉnh phổ tính phương pháp TPA Hình 2.14: Diện tích đỉnh phổ tính phương pháp Covell Hình 2.15: Diện tích đỉnh phổ tính phương pháp Wasson Hình 3.1: Đồ thị (mật độ thơng lượng × hiệu suất) mẫu chưa bọc Cd Hình 3.2: Đồ thị mật độ thông lượng nơtron tương đối mẫu chưa bọc Cd Hình 3.3: Đồ thị (mật độ thơng lượng × hiệu suất) mẫu bọc Cd Hình 3.4: Đồ thị mật độ thông lượng nơtron tương đối mẫu bọc Cd Hình 3.5: Đồ thị (mật độ thơng lượng nơtron nhiệt × hiệu suất) 22 22 25 27 29 29 32 48 48 54 55 18 19 21 22 22 23 24 28 31 32 33 33 34 34 35 36 36 37 38 38 39 50 50 51 51 52 Hình 3.6: Đồ thị mật độ thơng lượng nơtron nhiệt tương đối Hình 3.7: Đồ thị (mật độ thơng lượng × hiệu suất) mẫu khơng bọc Cd Hình 3.8: Đồ thị mật độ thơng lượng nơtron tương đối mẫu khơng bọc Cd Hình 3.9: Đồ thị (mật độ thơng lượng × hiệu suất) mẫu bọc Cd Hình 3.10: Đồ thị mật độ thơng lượng tương đối mẫu bọc Cd Hình 3.11: Đồ thị (mật độ thơng lượng nơtron nhiệt × hiệu suất) Hình 3.12: Đồ thị mật độ thông lượng nơtron nhiệt tương đối Hình 3.13 So sánh kết thu dùng nguồn Pu – Be Am – Be 53 56 56 57 57 58 58 59 CHƯƠNG I: CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP KÍCH HOẠT BẰNG NƠTRON 1.1 Tương tác nơtron với vật chất Nơtron phát năm 1932, nhà vật lý người Anh Charwich lặp lại thí nghiệm cho hạt alpha bắn phá hạt nhân Berili Phản ứng hai loại hạt tạo loại hạt có độ xuyên sâu cao kết luận lượng tử gamma có lượng lớn Charwich giả thiết rằng, lượng tử gamma mà loại hạt hồn tồn mới, khơng mang điện, có khối lượng gần giống khối lượng proton Ông gọi hạt nơtron Nơtron có số đặc trưng sau [4,6,8,9]: - Khối lượng: m n = 1,674953.10-24g - Nơtron tự khơng bền, phân rã thành proton, electron nơtrino với chu kỳ rã nửa T 1/2 = 11,7 ± 0,3 phút theo phương trình: n → p + β- + ν~ - Nơtron có spin s n = ẵ, mụmen t n = -1,91315à h với µ h manheton hạt nhân - Nơtron coi trung hòa điện Khả tương tác nơtron với hạt nhân phụ thuộc cách phức tạp vào lượng nơtron cấu trúc loại hạt nhân đồng vị Khả tương tác khác nhiều chí hạt nhân đồng vị khác nguyên tố, nơtron có động Để thuận tiện, người ta thường phân loại nơtron theo nhóm có lượng khác nhau, tuỳ thuộc lĩnh vực nghiên cứu đặc điểm tương tác nơtrôn với loại đối tượng cụ thể Ranh giới nhóm có tính chất quy ước để tiện sử dụng nghiên cứu Trong vùng lượng nơtron từ 0,025eV tới 10 MeV chia nơtron thành hai nhóm lớn: nơtron nhanh nơtron chậm (Ở đây, khái niệm nhanh chậm nơtron tương đối chí với nơtron lượng 0,025eV vận tốc nơtron khoảng km/s) Các nơtron chậm lại xếp thành nhóm nhỏ như: nơtron siêu lạnh, nơtron lạnh, nơtron nhiệt, nơtron cộng hưởng: [9] - Nơtron siêu lạnh nơtron có lượng E n < 3.10-7 eV - Nơtron lạnh nơtron lượng từ 3.10-7 eV ÷ 0,025 eV - Nơtron nhiệt nơtron có lượng từ 0,025 eV ÷ 0,5 eV - Nơtron với lượng từ 0,5 eV ÷ 1keV gọi nơtron cộng hưởng - Nhóm nơtron lượng trung gian có lượng từ keV ÷ 100 keV Các nơtron nhanh nơtron có lượng khoảng từ 100 keV đến 14 MeV Các nơtron nhanh có lượng lớn 14MeV (ngồi cách phân loại người ta cịn chia nơtron thành nhóm: nơtron nhiệt (E n 10MeV)[1,6] Khi nơtron vào môi trường vật chất tương tác với mơi trường chủ yếu lực hạt nhân gây nên Sự biến đổi lượng nơtron diễn kiện tương tác với hạt nhân nguyên tử môi trường Khi qua môi trường, nơtron tham gia vào loại tương tác như: tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi, phản ứng (n,γ), phản ứng tạo hạt có điện tích, phản ứng phân chia hạt nhân Xác suất xảy trình phụ thuộc vào động nơtrôn loại hạt nhân đồng vị tham gia tương tác Dưới ta xét đặc điểm trình 1.1.1 Tán xạ đàn hồi Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV Bọc Cd Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV - Quả cầu làm chậm đường kính 10cm: Khơng bọc Cd 90 Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV Bọc Cd Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV - Quả cầu làm chậm đường kính 11cm: Khơng bọc Cd 91 Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV Bọc Cd Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV - Quả cầu làm chậm đường kính 12cm: Khơng bọc Cd 92 Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV Bọc Cd Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV - Quả cầu làm chậm đường kính 13cm: Khơng bọc Cd 93 Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV Bọc Cd Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV - Quả cầu làm chậm đường kính 14cm: Khơng bọc Cd 94 Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV Bọc Cd Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV - Quả cầu làm chậm đường kính 15cm: Khơng bọc Cd 95 Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV Bọc Cd Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV - Quả cầu làm chậm đường kính 16cm: Khơng bọc Cd 96 Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV Bọc Cd Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV - Quả cầu làm chậm đường kính 17cm: Khơng bọc Cd 97 Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV Bọc Cd Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV - Quả cầu làm chậm đường kính 18cm: Khơng bọc Cd 98 Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV Bọc Cd Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV - Quả cầu làm chậm đường kính 20cm: Khơng bọc Cd 99 Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV Bọc Cd Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV - Quả cầu làm chậm đường kính 22cm: Khơng bọc Cd 100 Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV Bọc Cd Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV - Quả cầu làm chậm đường kính 24cm: Khơng bọc Cd 101 Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV Bọc Cd Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV - Quả cầu làm chậm đường kính 26cm: Khơng bọc Cd 102 Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV Bọc Cd Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV - Quả cầu làm chậm đường kính 28cm: Khơng bọc Cd 103 Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV Bọc Cd Eγ ≈ 480 KeV Eγ = 1294 KeV 104 ... mật độ thơng lượng nơtron theo đường kính cầu parafin Các bảng số liệu kết đồ thị cho chương III 47 CHƯƠNG III KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MẬT ĐỘ THÔNG LƯỢNG NƠTRON TẠI TÂM CÁC QUẢ CẦU LÀM CHẬM... đây: Xác định mật độ thông lượng nơtrôn tâm cầu paraphin đường kính khác Thể mối liên hệ mật độ thông lượng nơtron nhiệt nhiệt tâm cầu bán kính cầu, cầu bị chiếu xạ bề mặt Phương pháp ghi nhận nơtron. .. Việc xác định liều lượng xạ nơtron ngày trở nên cần thiết Xuất phát từ tình hình thực tế vậy, em giao nhiệm vụ: ? ?Xác định mật độ thông lượng nơtrôn tâm cầu làm chậm paraphin có đường kính khác nhau? ??