Khảo sát một số phản ứng hạt nhân 209bi(n,xn)210 xbi với các nguồn nơtron được tạo bởi chùm electron năng lượng 2,5 gev

Tr-ờng đại học vinh Khoa vật lý - - Đề tài Khảo sát phản ứng hạt nhân 209Bi(n,xn)210-xBi với nguồn nơtron đ-ợc tạo chùm electron l-ợng 2,5 GeV Nghành cử nhân khoa học Vật lý Giáo viên h-ớng dẫn : TS Nguyễn Thành Sinh viên thực : Lớp : Tống Văn Hòa 47B Vật Lý Công Tr-ờng ®¹i häc vinh Khoa vËt lý - - Đề tài Khảo sát phản ứng hạt nhân 209Bi(n,xn)210-xBi với nguồn nơtron đ-ợc tạo chùm electron l-ợng 2,5 GeV Nghành cử nhân khoa học Vật lý Giáo viên h-ớng dẫn : TS Nguyễn Thành Sinh viên thực : Lớp : Tống Văn Hòa 47B Vật Lý Công Vinh, 5/2010 Vinh, 5/ Để thực khoá luận này, em xin chân thành biết ơn thầy giáo, TS Nguyễn Thành Công, ng-ời đà trực tiếp tận tình h-ớng dẫn, bảo giúp đỡ em suốt trình hoàn thành khoá luận Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo khoa Vật Lý đà bồi d-ỡng mặt kiến thức, kỹ suốt thời gian em sinh hoạt học tập tr-ờng Cuối em xin chân thành cảm ơn gia đình, ng-ời thân, bạn sinh viên khoa Vật Lý đà động viên, cổ vũ cho em hoàn thành khoá luận Vinh, tháng 05 năm 2010 Tống Văn Hoà Mở đầu Cho tới xạ nơtron sử dụng lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng chủ yếu lấy từ loại nguồn nơtron đồng vị, máy phát nơtron lò phản ứng hạt nhân Nhìn chung loại nguồn nơtron có l-ợng t-ơng đối thấp, phổ biến d-ới 15 MeV Thực tế đà giúp mở nhiều h-ớng nghiên cứu lĩnh vực ứng dụng, tr-ớc hết lĩnh vực hạt nhân Máy gia tốc electron tuyến tính l-ợng 2,5 GeV đ-ợc sử dụng chủ yếu vào mục đích tạo nguồn xạ Synchrotron, nh-ng cịng cã thĨ t¹o bøc x¹ h·m nơtron l-ợng cao để nghiên cứu phổ hạt nhân, số liệu hạt nhân, phản ứng hạt nhân che chắn phóng xạ Bản khoá luận đề cập tới việc khai thác nguồn nơtron l-ợng cao tạo máy gia tốc electron 2,5 GeV để xác định suất l-ợng phản ứng hạt nhân (n,xn) đồng vị 209 Bi Các kết thu đ-ợc sử dụng vào mục đích nghiên cứu chế sinh nơtron l-ợng cao, xác định phân bố góc nguồn nơtron từ bia Pb thiết kế che chắn phóng xạ Bố cục khóa luận Khảo sát số phản ứng hạt nhân 209 Bi(n,xn)210-xBi với nguồn nơtron đ-ợc tạo chùm electron l-ợng 2,5 GeV gồm ba phần: Phần mở đầu, phần nội dung phần kết luận Phần nội dung đ-ợc chia làm ch-ơng: Ch-ơng I : Nguồn nơtron, nêu đặc tr-ng nơtron phân loại nguồn nơtron Ch-ơng II : Cơ sở lý thuyết v thực nghiệm xác định suất lượng phn ứng hạt nhân, nêu sở lý thuyết, ph-ơng pháp kĩ thuật thực nghiệm sử dụng nghiên cứu Ch-ơng III : Quy trình thực nghiệm xác định suất lượng phản ứng hạt nhân 209 Bi(n,xn)210-xBi, nêu b-ớc thực từ bố trí thí nghiệm đến kích hoạt mẫu, đo hoạt độ phóng xạ, phân tích số liệu thu thập, đánh giá kết thu đ-ợc suất l-ợng hoạt độ phóng xạ sản phẩm thu đ-ợc từ phản ứng hạt nhân 209Bi(n,xn)210-xBi Việt Nam lĩnh vực ứng dụng xạ hạt nhân ch-a đ-ợc phát triển khai thác với tiềm to lớn Đối với đa số sinh viên, lĩnh vực mẻ xa lạ hiểu biết lĩnh vực hạn chế, chủ yếu qua lý thuyết, đ-ợc tiếp xúc thực tế Vì vấn đề trình bày khoá luận nµy mong r»ng sÏ cung cÊp mét sè kiÕn thøc để bạn tham khảo, gần gũi với lý thuyết nguyên tử hạt nhân hiểu rõ khả ứng dụng to lớn Mặc dù đà cố gắng để hoàn thành khoá luận, nh-ng thời gian trình độ hạn chế nên chắn khoá luận không tránh khỏi thiếu xót Rất mong nhận đ-ợc ý kiến đóng góp quý thầy cô bạn để khoá luận ngày hoàn thiện Vinh, tháng 05 năm 2010 Tống Văn Hoà Ch-ơng I Nguồn nơtron 1.1 Các đặc tr-ng nơtron Nơtron hạt trung hòa điện tích, có khối l-ợng: mn = 1,0086 u mn = 939,56 MeV/c2 có số spin 1/2[] Nơtron hạt tuân theo thống kê Fermi - Dirac Nơtron tự phân rà theo sơ đồ : n p e  e víi thêi gian sèng   887,0  1,6s [5] Bảng 1.1 Phân loại nơtron theo l-ợng [5] Nhóm nơtron Nơtron chậm Nơtron d-ới lạnh Nơtron lạnh Nơtron nhiệt Nơtron nhiệt Năng l-ợng [eV] < 5.10-7 < 0,005 0,005  0,1 0,1  1  104 > 105 N¬tron céng h-ëng N¬tron nhanh 1.2 Mét sè ngn n¬tron phỉ biÕn 1.2.1 Ngn n¬tron đồng vị Một số nguồn nơtron đồng vị đ-ợc sử dụng t-ơng đối phổ biến Am-Be, Pu-Be Cơ chế phát nơtron nguồn thông qua phản ứng hạt nhân (,n): 241 He 94 Be 12 Cn Am cã thêi gian sèng 433 năm, phát hạt alpha với l-ợng 5,48 MeV Nguồn Am-Be có suất l-ợng nơtron khoảng 82/106 hạt alpha [5,11] T-ơng tự nh- nguồn Am-Be, nguồn Pu-Be tạo nơtron phản ứng (,n), với hạt alpha phát từ Pu l-ợng 5,14 MeV Hình 1.1 biểu diễn phổ l-ợng nơtron phát từ nguồn đồng vị Pu-Be Hình 1.2 biểu diễn suất l-ợng nơtron bia Be phụ thuộc vào l-ợng hạt Các nguồn đồng vị phóng xạ có -u điểm dễ sử dụng, thông l-ợng không thay đổi theo thời gian, nh-ng có l-ợng suất l-ợng Suất l-ợng nơtron Y n [(106 hạt g(a)) -1] nơtron thấp (~106 107 n/s) phổ l-ợng liên tục Số nơtron Nn [MeV-1] Pu-Be Năng l-ợng hạt E [MeV] Năng l-ợng nơtron En [MeV] Hình 1.1 Phổ l-ợng nơtron nguồn Pu-Be Hình 1.2 Suất l-ợng nơtron phụ thuộc vào l-ợng hạt 1.1.2 Nguồn nơtron phân hạch tự phát Một số hạt nhân nặng có khả phân hạch tự phát Trong số nguồn nơtron phân hạch tự ph¸t hiƯn cã 252Cf víi thêi gian sèng 2,65 năm, đ-ợc sử dụng phổ biến Suất l-ợng nơtron nguồn 0,116 n/s Hầu hết nơtron có l-ợng từ 0,5 đến MeV (hình 1.3) [11] 10 C-ờng độ (đơn vị t-ơng đối) 10 10 0 Năng l-ợng nơtron (MeV) Hình 1.3 Phổ l-ợng nơtron nguồn phân hạch tự phát 252Cf 1.2.3 Máy phát nơtron Máy phát nơtron thiết bị gia tốc chùm ion đơtêri ( 12 H ) tới l-ợng cần thiết ( ng-ỡng phản ứng), sau cho chúng đập vào bia đơtêri ( 12 H ) để sinh nơtron với l-ợng En MeV bia triti ( 13 H ) sinh nơtron với l-ợng En 14 MeV [11] Các ph-ơng trình phản ứng tạo nơtron cụ thể nh- sau: H 12 H 13 He 10 n  Q(3,26 MeV), E n  MeV (1.1) H 13 H 14 He 10 n  Q(17,6 MeV), E n 14 MeV (1.2) Muốn tạo nơtron 14 MeV cần gia tốc đơtêri với l-ợng 100 KeV Máy phát nơtron NA-3 Viện Vật lý Điện tử có khả gia tốc ion đơtêri tới l-ợng 120 KeV Kết khảo sát cho biết với c-ờng độ chùm đơtêri mA tạo 109 n/s bia đơtêri dày 1011 n/s bia triti [1,12] 1.3 Nguồn nơtron từ máy gia tốc electron Gần máy gia tốc electron đ-ợc sư dơng rÊt réng r·i nhiỊu lÜnh vùc nghiªn cứu ứng dụng Trong nghiên cứu phản ứng hạt nhân số liệu hạt nhân máy gia tốc electron đóng vai trò nh- nguồn cung cấp xạ hÃm nơtron quan trọng Tại Trung tâm Vật lý hạt nhân, Viện Vật lý Điện tử từ năm 1982 đà đ-a máy gia tốc electron Microtron MT-17 với l-ợng electron 15 MeV vào hoạt động Chùm xạ hÃm l-ợng cực đại 15 MeV chùm nơtron sinh từ phản ứng hạt nhân (,n) (,f) máy gia tốc MT-17 đà đ-ợc sử dụng có hiệu lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng nhnghiên cứu phản ứng hạt nhân, số liệu hạt nhân phân tích kích hoạt Trong thời gian gần với việc khai thác chùm nơtron phôton máy gia tèc MT-17, người ta cßn sư dơng chïm bøc xạ nơtron phôton tạo máy gia tốc electron tuyến tính để tiến hành số nghiên cứu Trong phạm vi khoá luận này, nguồn nơtron sử dụng c tạo thành từ chùm electron l-ợng 2,5 GeV 1.3.1 Cơ chế phát xạ hÃm Khi chùm electron đ-ợc gia tốc tới l-ợng cao đập vào bia nặng phát chùm xạ hÃm nơtron Electron l-ợng chủ yếu chế phát xạ hÃm ion hóa Tốc độ l-ợng toàn phần electron positron vật chất thông qua hai trình chủ yếu sau:  dE   dE   dE         dx  tot  dx  rad  dx  col (1.3) đó: (dE/dx)tot, (dE/dx)rad (dE/dx)col tốc độ l-ợng toàn phần, l-ợng phát xạ l-ợng ion hóa va chạm Sự l-ợng electron trình phát xạ ion hóa bia đồng (Cu) đ-ợc minh họa hình 1.4 104 dE/dx (MeV.cm2/g) 103 102 101 100 10-1 10-1 100 101 102 103 104 105 Năng l-ợng electron (MeV) Hình 1.4 Sự mát l-ợng ion hóa phát xạ electron Cu Năng suất hÃm phụ thuộc mạnh vào l-ợng electron, nguyên tố nặng theo biểu thức gần đúng: PE 82 E 20.63 (1.4) Trong đó, P(E) suất hÃm (rad.m2/mA.min), E0 l-ợng electron Phổ xạ liên tục l-ợng đạt giá trị cực đại động chùm electron tới Phân bố góc xạ hÃm t-ơng tác sơ cấp tuân theo phân bố Gauss: [7] E  E2  H  exp  22 (1.5) đó, E động electron, = mc2 = 0,511 MeV Phân bố góc electron sau qua lớp vật chất có bề dày tr có dạng Gauss: Ft, e    E 2e  E2  exp  440 t r 440 t  r (1.6) Trung bình bình ph-ơng góc tán xạ electron qua lớp cửa sổ nhôm có bề dày tAl đ-ợc xác định: e 440 t Al E2 Phân bố góc xạ hÃm từ bia có bề dày tr có dạng:   E  E 2 E 2 R()   Ei  (1.7)    Ei  2 2  440    440(t r  t Al  2 e E )   2(  220 t Al   e E )  ex dx x x đó, Ei hàm Euler có dạng:  Ei(x)   10 H×nh 3.3 Phỉ gamma cđa mẫu 209Bi đ-ợc chiếu chùm nơtron máy gia tèc tuyÕn tÝnh 2,5 GeV, ë gãc 00 víi thêi gian chiÕu ti = 184 phót, thêi gian ph¬i td = 65,53 phút thời gian đo tm = 30 phút 45 Hình 3.4 Phổ gamma mẫu 209Bi đ-ợc chiếu chùm nơtron máy gia tốc tuyến tính 2,5 GeV, ë gãc 9,20 víi thêi gian chiÕu ti = 184 phót, thêi gian ph¬i td = 90,35 thời gian đo tm = 30 phút 46 Hình 3.5 Phổ gamma mẫu 209Bi đ-ợc chiếu chùm nơtron máy gia tốc tuyến tính 2,5 GeV, gãc 420 víi thêi gian chiÕu ti = 184 phót, thời gian phơi td = 123,1 phút thời gian ®o tm = 30 47 H×nh 3.6 Phỉ gamma mẫu 209Bi đ-ợc chiếu chùm nơtron máy gia tèc tuyÕn tÝnh 2,5 GeV, ë gãc 900 víi thêi gian chiÕu ti = 184 phót, thêi gian ph¬i td = 229,5 phút thời gian đo tm = 480 phút 3.3 Xác định suất l-ợng hoạt độ phản ứng hạt nhân 209Bi(n,xn)210-x Bi Căn vào ph-ơng trình kích hoạt phóng xạ (2.9) xác tính đ-ợc suất l-ợng phản ứng hạt nhân sau đo phân tích phổ gamma đồng vị phóng xạ (là sản phẩm ph¶n øng) nh- sau: Y  N 0  C I  f 1  exp(1  t i )exp( t d )1  exp( t m ) (3.1) ®ã: C lµ diƯn tÝch cđa ®Ønh gamma, I lµ c-ờng độ tia gamma, hiệu suất đêtectơ, f hằng, số (