IV.1. Cỏc phương phỏp tạo chựm nơtron đơn năng
Việc tạo ra chựm nơtron cú năng lượng và kớch thước cần thiết là rất quan trọng để nghiờn cứu phản ứng hạt nhõn. Cú rất nhiều phương phỏp để tạo ra chựm nơtron cú năng lượng và kớch thước khỏc nhau. Tất nhiờn, mỗi phương phỏp cú một ưu thế trong một phạm vi nhất định. Việc lựa chọn phương phỏp tạo chựm nơtron tựy thuộc vào định hướng nghiờn cứu, khả năng kinh phớ và cả khụng gian bố trớ thiết bị. Cỏc phộp tạo chựm nơtron kinh điển như sau:
- Phương phỏp nhiễu xạ đơn tinh thể, - Phương phỏp phin lọc đa tinh thể, - Phương phỏp ngắt cơ học,
- Phương phỏp phổ kế thời gian bay.
Mỗi phương phỏp đều cú những ưu nhược điểm riờng của mỡnh, do tớnh chất thớ nghiệm và thiết bị ở Lũ phản ứng Hạt nhõn Đà lạt nờn ở đõy chỳng tụi xin trỡnh bày một số vấn đề liờn quan đến tạo chựm nơtron đơn năng bằng kỹ thuật phin lọc.
IV.2. Phương phỏp phin lọc
Trờn thế giới khoảng gầ 40 năm về trước đĩ phỏt triển cỏc nguồn nơtron chuẩn đơn năng bằng kĩ thuật phin lọc dựng trong nghiờn cứu vật lớ nơtron, y học hạt nhõn, sinh học phúng xạ và trong nghiờn cứu về xỏc định liều. Mặc dự khả năng phõn giải khụng phải là thế mạnh của cỏc phin lọc nơtron, nhưng cỏc chựm nơtron đơn năng này cú phụng thấp từ cỏc nơtron năng lượng khỏc và từ gamma. Ở Lũ phản ứng Đà Lạt, với mật độ thụng lượng nơtron cao ở lối ra của cỏc kờnh thực nghiệm nằm ngang (106-108 n/cm2/s ) và phổ năng lượng đa dạng của chỳng, việc ỏp dụng kĩ thuật phin lọc nơtron sẽ cho phộp đơn năng húa cỏc chựm nơtron từ lũ phản ứng và mở ra nhiều triển vọng trong việc sử dụng cỏc chựm này như trong phõn tớch kớch hoạt gamma tức thời,
chụp ảnh nơtron, nghiờn cứu liều lượng học về phúng xạ, đo đạc số liệu hạt nhõn, nghiờn cứu cấu trỳc hạt nhõn và phản ứng hạt nhõn,... Trờn kờnh tiếp tuyến (kờnh số 3) sau những thành cụng đạt được trong Chương trỡnh 50A (Đề tài 50A-01-03) đĩ được tiếp tục phỏt triển cỏc nghiờn cứu ứng dụng như phõn tớch kớch hoạt gamma tức thời, nghiờn cứu phản ứng hạt nhõn (n,2γ). Trờn kờnh xuyờn tõm (kờnh số 4) với thụng lượng cao của cỏc nơtron trung gian sẽ sử dụng cỏc loại phin lọc khỏc nhau để đơn sắc húa chựm nơtron từ lũ phản ứng dựng trong nghiờn cứu về liều quang học phúng xạ, đo đạc số liệu hạt nhõn, nghiờn cứu cấu trỳc hạt nhõn và phản ứng hạt nhõn, nghiờn cứu biện phỏp làm tăng độ nhạy của phương phỏp phõn tớch kớch hoạt gamma tức thời.
IV.2.1. Kỹ thuật phin lọc nơtron
Theo lý thuyết đo truyền qua chỳng ta cú mật độ nơtron đi qua phin ở năng lượng E sẽ được biểu diễn như sau:
)( ( exp[ ). ( ) (E I0 E N E I ti i i σ ∑ − = (39) Hỡnh 16. Tiết diện nơtron tồn phần của Sc-45.
Ở đõy I0(E) là cường độ của chựm nơtron ở năng lượng E tới trờn phin, Ni là độ dày mẫu đối với hạt nhõn loại i (HN/cm2), σti(E) là tiết diện tồn phần của hạt nhõn i ở năng lượng E. Tiết diện nơtron tồn phần cú thể mụ tả bằng hỡnh thức luận nhiều mức Wigner-Eisenbad hoặc R-matrix hoặc hỡnh thức luận
nhiều mức Breit-Wigner. Tuy nhiờn phần lớn cỏc phin được sử dụng là cỏc vật liệu cú cỏc cộng hưởng súng s cụ lập mạnh, cho nờn cú thể sử dụng cụng thức một mức Breit-Weigner. Tiết diện tồn phần trong trường hợp này được cho như sau:
+− − − Γ + Γ + − Γ Γ = 2 0 0 2 2 2 0 2 (2 '/ )/[( ) ( /2) ] 2 (2 '/ )( )/[( ) ) (E g n Cos R E E g nSin R E E E E t πλ λ πλ λ σ (40) ) /' ( 4 ) 2 / (Γ 2+ πλ2Sin2 R λ
ở đõy g là trọng số thống kờ, λ là độ dài bước súng De Broglie, Γn là độ rộng nơtron cộng hưởng, Γ là độ rộng tồn phần, R’ là bỏn kớnh tỏn xạ thế, E0 là năng lượng cộng hưởng, g=(2J+1)/2/(2I+1), J là mụ men gúc tổng cộng của cộng hưởng, I là spin của hạt nhõn bia.
Số hạng thứ nhất trong biểu thức trờn là tiết diện tạo hạt nhõn hợp phần, số hạng thứ ba là tiết diện tỏn xạ thế, số hạng thứ hai mụ tả sự giao thoa giữa tỏn xạ thế và tỏn xạ cộng hưởng. Ở năng lượng dưới 0.5 MeV gúc pha tỏn xạ thế R’/λ là nhỏ, cho nờn số hạng giao thoa là õm ở dưới năng lượng cộng hưởng E0 và phần đúng gúp õm này sẽ đưa đến cực tiểu trong tiết diện nơtron tồn phần.
Hỡnh 17. Phổ nơtron nhận được sau phin
Sc-45 với cỏc độ dày khỏc nhau. 1: 16 cm 2: 36 cm 3: 56 cm 4: 96 cm 10 15 20 25 30 0 0.2 0. 4 0. 6 0.8
Ở năng lượng cao hơn khi dịch chuyển pha của tỏn xạ thế R’/λ=900 tiết diện cú thể trở nờn cực tiểu ở năng lượng cộng hưởng E0. Loại giao thoa này được quan sỏt trong O2 ở 2,35 MeV ở đú tiết diện giảm cũn 130 mb ở cộng hưởng. Để cú được cực tiểu sõu trong tiết diện tồn phần, cộng hưởng cần phải cú độ
rộng nơtron tương đối lớn sao cho ưu thế là cộng hưởng tỏn xạ. Tiết diện tồn phần cú cực tiểu thấp nhất quan sỏt được ở hạt nhõn cú spin 0 với độ rộng nơtron bằng với độ rộng tồn phần với cộng hưởng súng s. Vớ dụ Fe56 (I=0) cú cực tiểu trong tiết diện ở 24,3 keV (σt,min=7,5±4,2 mb) tạo bởi cộng hưởng súng s ở 27,7 keV. Đối với cỏc hạt nhõn với spin khỏc 0 thỡ quan trọng là cỏc cực tiểu của cỏc cộng hưởng của cả hai trạng thỏi spin I+1/2 và I-1/2 phải trựng nhau và tạo ra cực tiểu sõu trong tiết diện tồn phần, vớ dụ như trường hợp của Sc45 cú cực tiểu 2 keV.
Độ dày của phin lọc ảnh hưởng đến dạng của phổ. Độ rộng của phổ nơtron phin lọc giảm với sự tăng của độ dày, đồng thời cường độ cũng giảm theo. Vỡ vậy trong thực nghiệm tựy theo mục đớch thớ nghiệm mà cần phải cú phương ỏn lựa chọn tối ưu độ dày của phin lọc.
Như đĩ núi ở trờn phần lớn cỏc hạt nhõn cú nhiều hơn một cộng hưởng súng s mạnh trong miền cộng hưởng và điều này sẽ dẫn đến cú nhiều cực tiểu giao thoa, tức là nhiều năng lượng của chựm lọc. Vớ dụ Fe với độ dày từ 35,6 đến 50,8 cm cho cỏc đỉnh sau của chựm lọc: 24,3; 81; 104; 128; 136; 167; 183; 271; 307; 350; 374; 464 và 640 keV. Do đú sẽ xuất hiện phụng bậc cao của chựm lọc. Để loại đường phụng bậc cao này phải dựng phin phức hợp gồm một hay một số lồi vật liệu đặt trong chựm cú tiết diện nhỏ gần năng lượng quan tõm và cú tiết diện lớn gần cỏc cực tiểu khỏc. Vớ dụ như phin lọc Al+S+Fe cho nơtron 24,3 keV; Ti+Co+Sc cho nơtron 2,0 keV; S+Si cho nơtron 55 keV. Cỏc nhiễu bậc cao cú thể được giảm xuống nhỏ hơn 1% so với cường độ của chựm lọc, tuy nhiờn cường độ chựm lọc cũng bị giảm đi một phần. Ngồi ra cú thể sử dụng cỏc chất tỏn xạ cộng hưởng đặt bờn trong kờnh, vớ dụ như ở lũ NBS của Mĩ (The National Bureau of Standards) Mn tỏn xạ được dựng kết hợp với Sc+Ti cho 97% nơtron 2 keV; Mg dựng với phin S cho nơtron 75 keV; Ti hay Ni60 dựng với phin Fe58 cho nơtron 14 keV; Co dựng
với phin Ni60+Fe54 sẽ cho nơtron 4,5 keV; Zn68 dựng với phin Sr86 sẽ cho nơtron 500 eV; Nd144 dựng với phin Zn68 sẽ cho nơtron 400 eV.
IV.2.2. Cỏc tiờu chuẩn chế tạo phin lọc nơtron
Cỏc phin lọc nơtron lần đầu tiờn được phỏt triển ở cỏc lũ phản ứng nghiờn cứu. Phần lớn cỏc lũ này sử dụng nước làm chậm và tạo ra nơtron trong dải năng lượng 0,001 eV đến 10 MeV. Tuy nhiờn trong thực nghiệm chỳng ta lại cần chựm nơtron ở trong dải năng lượng hẹp gần năng lượng nào đú. Vỡ vậy kĩ thuật phin lọc nơtron đỏp ứng yờu cầu này. Khi sử dụng kỹ thuật phin lọc trờn lũ phản ứng thường sử dụng hai kiểu bố trớ tương ứng với hai kiểu cấu hỡnh kờnh ngang của lũ là cấu hỡnh kờnh xuyờn tõm và cấu hỡnh kờnh tiếp tuyến. Trong hai cấu hỡnh này thụng thường phin lọc được đặt ở giữa đường từ vựng hoạt và mộp ngồi của kờnh. Trong cấu hỡnh kờnh tiếp tuyến để tăng cường độ của chựm nơtron phin lọc người ta sử dụng thờm chất phản xạ để phản xạ cỏc nơtron phỏt ra từ vựng hoạt vào trong kờnh.
Thụng thường là mong muốn cú dũng cực đại của cỏc nơtron đơn năng ở vị trớ chiếu mẫu, cho nờn chuẩn trực gúc hẹp là khụng mong muốn. Như vậy phin sẽ được thiết kế đối với đường kớnh lớn nhất cú thể được và vật liệu phin lọc đủ rộng để cho cỏc nơtron từ mọi điểm của nguồn hay chất phản xạ đều cú thể đi qua vật liệu phin lọc được. Nếu chuẩn trực gúc là đũi hỏi đối với thớ nghiệm thỡ nú cú thể gắn vào sau phin. Nếu như vật liệu phin lọc đặt quỏ gần lừi lũ, thỡ nhiều nơtron cú năng lượng khụng mong muốn sẽ tỏn xạ ngược vào chựm sau phin lọc và tạo nờn phụng khụng mong muốn. Nếu vật liệu lọc ở quỏ gần hay bờn ngồi bảo vệ sinh học của lũ thỡ cỏc nơtron tỏn xạ một lần sẽ khụng bị làm chậm và bị bắt trong bảo vệ sinh học, nhưng cú thể đi vào phũng thớ nghiệm tạo nờn phụng. Như vậy vật liệu lọc tốt nhất nờn đặt ở giữa nguồn và mặt ngồi của bảo vệ sinh học.
Yờu cầu của vật liệu làm phin lọc là cú tiết diện ở cực tiểu chớnh bằng 1/5 lần tiết diện trung bỡnh ở cỏc năng lượng khỏc. Độ dày của phin được chọn sao cho hệ số truyền qua sẽ là 0,1 đối với cỏc nơtron cú năng lượng tương ứng với cực tiểu chớnh. Khi đú với cỏc nơtron khỏc thỡ tỉ số truyền qua sẽ là T=10-5. Tuy nhiờn cỏc nơtron năng lượng khỏc tạo thành phần rộng hơn nhiều so với cỏc nơtron cú năng lượng tương ứng với cực tiểu chớnh của tiết diện tồn phần. Thụng thường dải năng lượng của cực tiểu chớnh chỉ chiếm khoảng 1/200 so với độ rộng phổ nơtron tổng cộng. Vỡ vậy nếu tỉ số tiết diện là 1/5 thỡ độ sạch của chựm sẽ là 0,98.
Cỏc vật liệu làm phin sẽ được gắn với nhau và với che chắn đảm bảo ngăn ngừa sự dũ qua chỗ trống mà nú cú thể tạo nờn phụng. Ngồi ra cần phải bổ sung thờm một số loại vật liệu lọc thứ cấp để làm tăng độ sạch của chựm nơtron phin lọc như đĩ núi ở trờn. Cỏc vật liệu làm phin lọc phải an tồn và dễ dàng trong thao tỏc bằng tay, chỳng phải bền và khụng bị phỏ hủy trong trường nơtron và gamma. Hơn nữa cần phải nhớ rằng vật liệu làm phin sẽ trở thành chất phúng xạ khi sử dụng lõu trong lũ, nhưng mức độ phúng xạ cú thể giữ đủ thấp để cho cú thể thao tỏc bằng tay khụng hề nguy hại. Bởi vỡ phần lớn hoạt độ phúng xạ của vật liệu làm phin lọc gõy nờn bởi nơtron nhiệt, cho nờn Li, Bo hay Cd sẽ được sử dụng để che tồn bộ vật liệu phin lọc với mục đớch làm giảm độ phúng xạ. Ngồi việc giảm phụng nơtron khụng mong muốn, để giảm phụng gamma cú trong chựm từ lũ cú thể đưa vào phin cỏc nguyờn tố nặng như Bi (~200 g/cm2) hay cỏc nguyờn tố nhẹ (~500 g/cm2) giống như Si.
IV.2.3. Thay đổi phin lọc
Về cơ cấu thay đổi phin cú thể làm theo hai cỏch. Cỏch đơn giản là phải ngừng lũ như trường hợp của Lũ phản ứng Đà lạt, mỗi đợt chạy lũ chỉ cú thể sử dụng một loại phin lọc. Cỏch phức tạp hơn sử dụng cơ cấu quay thỡ khụng
phải dừng lũ, cho nờn cú thể thay đổi cỏc loại phin khỏc nhau trong khi lũ chạy, tuy nhiờn cỏch này sẽ phức tạp và tốn kộm, thụng thường cơ cấu như vậy là được thiết kế ngay khi xõy dựng lũ phản ứng như một số lũ của Mĩ, Liờn xụ cũ, Tõy Đức,...
B. Lề PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT VÀ CÁC KấNH NGANG THỰC NGHIỆM