II.1. Lị phản ứng hạt nhân Đà Lạt
LPƯHNĐL là loại lị làm việc bằng nơtron nhiệt, chất làm chậm và chất tải nhiệt là nước thường. Lị được xây dựng trên cơ sở lị phản ứng TRIGA MARKII, cơng suất lị được nâng từ 250 kW lên 500 kW. Lần nạp nhiên liệu đầu tiên ngày 1/11/1983 và bắt đầu làm việc ở cơng suất danh định vào đầu tháng 2/1984. Cho đến nay cấu hình các bĩ nhiên liệu trong vùng hoạt của lị đã được thay đổi nhiều lần. Hình 2.1 và hình 2.2 là mặt cắt đứng và mặt cắt ngang của lị phản ứng. 1. Nắp đậy 2. Thùng nhơm 3. Giá đỡ 4. Giếng hút 5. Cột nhiệt 6. Vùng hoạt 7. Vành phản xạ Graphite 8. Bể chứa thanh nhiên liệu Bê tơng Graphite ∅1,98 m 2 3,65 m 1 5 4 3 8 6 7 Hình 2.1: Sơđồ mặt cắt đứng của LPƯHNĐL.
Lị gồm một thùng nhơm chứa nước cao 6 m, đường kính 1,98 m. Tồn bộ thùng nhơm được đặt vào giữa khối bê tơng bảo vệ sinh học cĩ tiết diện cắt
ngang dạng tám cạnh như hình 2.2. Độ dày bê tơng ở nửa dưới cỡ 2,5 m và nửa trên cỡ 0,9 m. Kênh số 4 Kênh số 3 Kênh số 1 Kênh số 2 Thùng lị Bể chứa nhiên liệu đã cháy Cột nhiệt Tường bê tơng bảo vệ Cửa cột nhiệt Vùng hoạt Vành phản xạ graphite Hình 2.2: Sơđồ mặt cắt ngang của LPƯHNĐL.
Vùng hoạt của lị cĩ dạng hình trụ chiều cao 0,6 m, đường kính 0,4 m đặt vào trong vành phản xạ và gắn liền với một giếng hút cao 2 m, đường kính 0,5 m. Giếng hút được treo trên một giá đỡ cao 3 m, đường kính khung 2 m. Giá đỡ tạo sự thuận lợi khi lắp ráp các hệ thống cơng nghệ trong lị với điều kiện phĩng xạ cao. Giếng hút cĩ tác dụng tăng cường sự đối lưu của nước làm nguội vùng hoạt theo cơ chế đối lưu tự nhiên. Trong bể lị cịn cĩ các ống cấp và hút nước của hệ thống đối lưu nước vịng 1, hệ thống dẫn các thanh điều khiển, hệ thống các buồng ion hĩa ghi đo nơtron. Lị được đậy bằng một nắp thép dày 20 cm, nhằm đảm bảo an tồn cho người làm việc. Trên nắp lị cĩ cửa sổ bằng kính thủy tinh hữu cơ để nhìn và một cửa sổ để thao tác nghiệp vụ.
Lị cĩ 4 kênh ngang với đường kính 0,152 m dài cỡ 3 m và một cột nhiệt bằng graphite với kích thước 1 × 1,2 × 1,2 m3. Trong các kênh ngang cĩ 3 kênh xuyên tâm và 1 kênh tiếp tuyến. Đến thời điểm hiện nay, chỉ mới cĩ kênh ngang số 3 và số 4 được khai thác.
II.2. Nâng cao chất lượng của chùm nơtron
II.2.1. Kênh thực nghiệm nơtron số 3 và các thiết bị dẫn dịng, che chắn bức xạ
Kênh nơtron số 3 là kênh tiếp tuyến với vùng hoạt của lị phản ứng, do đĩ cĩ tỉ số cadmi cao hơn và suất liều gamma thấp hơn so với các kênh xuyên tâm. Từ năm 2004, kênh được sử dụng để bố trí hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng, sử dụng cho mục đích nghiên cứu phân rã gamma nối tầng của hạt nhân sau khi bắt nơtron nhiệt. Các thiết bị chuẩn trực, che chắn bức xạ được thiết kế, bố trí lại cho phù hợp như các hình 2.3 và hình 2.4. Phương pháp Monte Carlo đã được sử dụng để hỗ trợ cho cơng việc thiết kế.
II.2.2. Các khối chuẩn trực và hệ thống đĩng mở kênh
Hình 2.3: Sơđồ mặt cắt ngang kênh nơtron số 3.
315 cm152 mm 152 mm Ống dẫn nước vào/ra Khơng khí Si H2O Bo + Paraphin Graphite Chì 150 cm 80 mm Ống dẫn nước ra Bê tơng
Các khối chuẩn trực, dẫn dịng gồm hai loại cĩ lỗ với đường kính 8 mm và 10 mm, được chế tạo bằng các vật liệu cĩ tiết diện hấp thụ nơtron lớn như B,
Paraphin, Li, Cd… Ngồi ra cịn cĩ các khối chuẩn trực bằng chì để giảm các tác động của phơng gamma từ phía lị phản ứng đi vào các đetectơ làm tăng các trùng phùng γ-γ của phơng, hoặc của mẫu với phơng làm tăng sai số của phép đo và làm phức tạp thêm quá trình xử lý.
Chùm nơtron được đĩng mở nhờ bơm nước, ống dẫn và các bình chứa đặt ở trong và ngồi kênh. Để tăng chất lượng của chùm nơtron nhiệt, phin lọc Si đã được sử dụng.
II.2.3. Hệ giá đỡ và che chắn bức xạ cho các đetectơ
Hệ giá đỡ và che chắn phơng bức xạ cho các đetectơ cĩ thiết kế và cấu tạo như trên hình 2.4.
Hình 2.4: Hệ giá đỡ và che chắn bảo vệ cho các đetectơ.
Thiết kế này giúp tối ưu việc bố trí thí nghiệm trong khơng gian hẹp, các đetectơ được bố trí trên khung giá đỡ bằng thép, tồn bộ hệ thống cĩ thể di chuyển trên hệ thống ray dẫn hướng song song với chùm nơtron. Phần tinh thể và tiền khuếch đại của các đetectơ được đặt trong các buồng chì kích thước 30 × 25 × 20 cm, để giảm tác động của phơng bức xạ gamma. Để tránh ảnh hưởng của nơtron tán xạ từ mẫu vào các đetectơ, các vật liệu Li2CO3
được nén với mật độ 1,4 g/cm3 và B4C được sử dụng để che chắn bổ sung ở bên ngồi buồng chì và phía mặt đối diện với mẫu của đetectơ.
II.2.4. Các giá trị về thơng lượng và suất liều
Với cấu hình che chắn và nhiệt hố được sử dụng, giá trị thơng lượng nơtron tại vị trí đặt mẫu đạt 1,02 × 106 n.cm-2.s-1, tỉ số Cd ~ 900 (sử dụng hộp Cd dày 1 mm) và kích thước đường kính chùm nơtron tại vị trí đặt mẫu là 1,5 cm.
Hình 2.5: Ảnh chụp chùm nơtron tại vị trí đặt mẫu.
Suất liều bức xạ gamma và nơtron trong khơng gian kênh số 3 được xác định tại các vị trí liên quan đến người thí nghiệm và bố trí thiết bị như trên hình 2.6. Số liệu đo được trình bày trong bảng 2.1 cập nhật năm 2007.
Bảng 2.1: Giá trị suất liều gamma (
µ
Sv/h) và nơtron (µ
Sv/h) ở các vị trí trên hình 2.6.Độ cao 0,5 m Độ cao 1,0 m Độ cao 1,5 m Vị
trí gamma nơtron gamma nơtron gamma nơtron 1 1,70 0,40 0,70 0,40 0,70 0,40 2 1,80 3,00 2,60 0,40 1,90 0,40 3 4,40 0,50 3,70 0,60 3,90 0,60 4 7,50 2,60 8,00 3,10 9,00 2,10 5 3,90 2,00 4,30 2,50 6,90 2,20 6 3,00 1,10 4,00 0,70 4,90 1,10 7 4,50 0,70 6,00 1,00 9,50 0,90 8 10,00 1,30 8,00 1,30 10,00 1,30 9 17,00 1,20 10,50 1,20 18,50 1,20 10 24,00 1,10 26,00 1,10 23,00 1,10 11 18,50 0,10 26,80 0,10 26,00 0,00 12 1,90 0,00 2,20 0,10 2,90 0,10 13 0,65 0,10 1,25 0,10 0,78 0,10 14 0,65 0,10 0,55 0,10 0,82 0,10 15 0,45 0,20 0,45 0,20 0,41 0,20 16 0,45 0,20 0,65 0,30 0,60 0,20 17 0,50 0,30 0,60 0,30 0,45 0,30
Ghi chú: Các vị trí 1, 2, 3 được xác định ở trung tâm; các vị trí cịn lại được xác định ở sát vách tường. Số liệu được đo bằng máy đo liều FH40F2 của hãng Eberline và Dineutron 362 của hãng Eurisys Measures.
Từ kết quả đo đạc thu được trong bảng 2.1, ta thấy suất liều ở các khu vực liên quan đến người làm thí nghiệm khi kênh mở cĩ giá trị từ 2 ÷ 20 µSv/h Khi tiến hành thí nghiệm, người làm việc chỉ đứng ở vị trí đặt các khối điện tử (vị trí số 3), hoặc thay mẫu với thời gian vài phút nên giá trị này hồn tồn chấp nhận được theo các tiêu chuẩn an tồn bức xạ hiện hành (TCVN 6866:2001) để cĩ thể tiến hành nghiên cứu thực nghiệm.
Hình 2.7a: Phổ phơng của kênh đo thứ 1, đo khi kênh mở và lị hoạt động ở
cơng suất 500 kW.
Hình 2.7b: Phổ phơng của kênh đo thứ 2, đo khi kênh mở và lị hoạt động ở
Từ các phổ thu được trên hình 2.7, cĩ thể thấy giá trị tích phân của số đếm phơng trong dải năng lượng từ 200 keV đến hơn 8 MeV, đo với đetectơ GC2018 khi kênh mở và lị hoạt động ở cơng suất 500 kW cĩ giá trị từ 300 ÷ 400 số đếm/ giây đối với mỗi kênh đo của hệ phổ kế. Giá trị phơng này khi khơng cĩ giá để mẫu đảm bảo cho trùng phùng ngẫu nhiên của hệ khơng vượt quá 0,5 sự kiện trùng phùng/ giây khi sử dụng TAC với dải 500 ns (nếu chọn cửa sổ thời gian là 50 ns thì tốc độ trùng phùng ngẫu nhiên sẽ là 0,05 sự kiện trong 1 giây), là một trong những yếu tố quan trọng quyết định sự thành cơng của thực nghiệm.
II.3. Xây dựng hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng
Hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng được sử dụng trong thí nghiệm gồm hai cấu hình cơ bản, trong đĩ mỗi cấu hình tương ứng với một giai đoạn phát triển của việc triển khai phương pháp SACP tại LPƯHNĐL. Các khối điện tử chức năng của hệ đo được bắt đầu kiểm tra và lắp đặt vào hệ thống từ giữa tháng 7/2005. Các kiểm tra đánh giá hệ thống được tiến hành với máy phát xung, với các nguồn đồng vị và với bia đồng vị 35Cl trong điều kiện hoạt động thực. Các kiểm tra với máy phát xung giúp đánh giá hoạt động của từng khối, các kiểm tra với nguồn đồng vị giúp đánh giá thuật tốn làm việc và các kiểm tra với bia đồng vị giúp đánh giá hệ trong điều kiện hoạt động thực. Một số kết quả kiểm tra, lắp đặt hệ thống đã được trình bày trong một số các tài liệu và báo cáo [3,8].
II.3.1. Cấu hình thứ nhất của hệ phổ kế
Cấu hình thứ nhất của hệ phổ kế SACP cĩ cấu hình như trên hình 2.8. Hệ được xây dựng dựa trên các kết quả của đề tài nghiên cứu KC08 năm 1995 [5,7]. Khác biệt chính trong cấu hình này so với cấu hình trước đĩ ở chỗ các khối điện tử được đặt mua từ nước ngồi và khối giao diện được ghép nối với
máy tính qua cổng USB cùng chương trình thu nhận số liệu trong mơi trường Windows. So với hệ đo trùng phùng gamma-gamma nguyên thủy thì hệ đo cĩ cấu trúc đơn giản hơn nhiều nhưng vẫn đáp ứng được các yêu cầu của một hệ trùng phùng nhanh chậm.
Hình 2.8: Cấu hình thứ nhất của hệ phổ kếđược sử dụng trong nghiên cứu.
8713572A 572A
Trong đĩ:
- GC 2018: Đetectơ bán dẫn HPGe kiểu GC2018 của hãng Canberra,
- 572A: Khuếch đại phổ kiểu 572A của hãng Ortec,
- 8713: ADC 8713 của hãng Canberra,
- 414A: Khối trùng phùng nhanh 414A của hãng Ortec,
- 474: Khối khuếch đại nhanh kiểu 474 của hãng Ortec,
- 584: Khối phân biệt ngưỡng nhanh kiểu 584 của hãng Ortec,
- 660: Khối cao thế kiểu 660 của hãng Ortec,
- GIAO DIEN: Khối giao diện điều khiển quá trình đo do nhĩm nghiên cứu tự thiết kế chế tạo,
- PC: Máy tính Pentium IV.
Từ sơ đồ trên hình 2.8, cĩ thể thấy nguyên tắc hoạt động của hệ như sau: Các tín hiệu xuất hiện ở lối ra E (Energy) từ hai đetectơ được đưa tới lối vào của hai khuếch đại phổ. Đồng thời tín hiệu từ hai lối ra T (Timing) cũng được đưa vào
G C 2 01 8 474 572A 584 8713 474 G C 2 01 8 584 414 A G A O I D I E N PC 660
hai khối khuếch đại lọc lựa thời gian nhanh. Tín hiệu ở lối ra của hai khối khuếch đại lọc lựa thời gian nhanh được tiếp tục đưa vào hai khối phân biệt ngưỡng nhanh. Tín hiệu ở lối ra của hai khối phân biệt ngưỡng nhanh được đưa đến hai lối vào của khối trùng phùng. Trong trường hợp hai tín hiệu ở lối vào của khối trùng phùng cĩ sai khác về mặt thời điểm xuất hiện nằm trong cửa sổ trùng phùng thì ở lối ra khối trùng phùng sẽ cĩ một xung. Xung này sẽ tác động vào Gate để cho phép hai ADC nhận và biến đổi tín hiệu xung ở lối vào ADC thành các giá trị code biên độ. Máy tính ghi hai giá trị này nhờ thiết bị giao diện kết nối giữa các ADC và máy tính.
Sau khi máy tính ghi xong số liệu, hai ADC trở về trạng thái chờ biến đổi ứng với sự kiện trùng phùng tiếp theo. Hai ADC sẽ khơng làm việc khi chưa cĩ xung trùng phùng tác động vào Gate cho dù cĩ xung tác động ở lối vào của ADC. Số liệu đo được ghi thành hai cột E1(n) và E2(n) tương ứng với biên độ của các cặp xung trùng phùng. Trong đĩ các giá trị E1(n) và E2(n) lần lượt là các code biên độ của hai xung tới từ các đetectơ 1 và đetectơ 2 tương ứng, n là số thứ tự của các cặp sự kiện trùng phùng tính từ thời điểm bắt đầu đo. Từ các số liệu (code biên độ) thu được, xử lý thống kê đa biến để thu được thơng tin về năng lượng, cường độ dịch chuyển và sơ đồ phân rã của hạt nhân nghiên cứu. Thời gian chết của hệ được tính là khoảng thời gian ngắn nhất giữa hai cặp code biên độ liên tiếp được phổ kế ghi nhận. Khoảng thời gian chết của hệ thống tùy thuộc vào tốc độ làm việc của ADC và giao diện. Nếu ADC và giao diện làm việc chậm thì thời gian chết dài và ngược lại. Nhưng để khỏi mất dữ liệu thì thời gian chết càng ngắn càng tốt vì đây là một trong những nguyên nhân ảnh hưởng đến hiệu suất ghi.
Trong đĩ: τ1 độ trễ của khuếch đại phổ, τ2 thời gian hình thành xung (shaping time), τ3 thời gian biến đổi của ADC, τ4 thời gian đọc và lưu trữ số liệu của giao diện.
Kết quả lắp đặt và kiểm tra:
Hệ sau khi lắp đặt được kiểm tra, đánh giá trên nguồn đồng vị và sau đĩ được đo thử nghiệm trên kênh với bia đồng vị 35Cl. Để đánh giá sự hoạt động của hệ, đã thực hiện thí nghiệm kiểm chứng như sau:
Nguồn 60Co cĩ hai tia gamma phân rã nối tầng cĩ năng lượng là 1173 keV và 1332 keV. Nếu hệ đo làm việc đúng với thiết kế thì sẽ xảy ra các trường hợp trùng phùng sau:
- 1173 keV trùng phùng với 1332 keV,
- 1173 keV trùng phùng với tán xạ compton của 1332 keV,
- 1332 keV trùng phùng với tán xạ compton của 1173 keV,
- Các xung ứng với tán xạ compton 1173 và 1332 keV trùng phùng với nhau. Hình 2.9 là phổ tổng thu được khi đo với nguồn 60Co.
Hình 2.9: Phổ tổng đo với nguồn 60Co.
Các trường hợp sai hỏng do đọc dữ liệu (khơng xĩa dữ liệu trong ADC sau khi đã đọc) thì sẽ xuất hiện thêm các đỉnh tổng:
- 2346 keV (1173 keV + 1173 keV),
- 2664 keV (1332 keV + 1332 keV).
Nếu biểu diễn trong khơng gian hai chiều, trong phổ tổng sẽ xuất hiện thêm các đỉnh tương ứng với năng lượng 2346 keV và 2664 keV ngồi đỉnh 2505 keV, nếu biểu diễn trong khơng gian ba chiều sẽ tương ứng với xuất hiện thêm hai đỉnh cĩ toạ độ (1173, 1173) keV và (1332, 1332) keV.
Để kiểm tra khả năng tác động của phơng hoặc các phân rã gamma khơng nối tầng, nguồn 137Cs và nguồn 22Na được sử dụng để thêm vào quá trình đo đạc. Trong trường hợp này, nếu thiết bị hoạt động đúng yêu cầu thì trong phổ tổng chỉ xuất hiện 3 đỉnh tương ứng các tổng 1173 + 1332 (keV), 511 + 1274 (keV) và 511 + 511 (keV). Hình phổ tổng thu được khi đo đồng thời cả ba nguồn 60Co, 22Na và 137Cs.
Hình 2.10: Phổ tổng đo với các nguồn 60Co, 22Na và 137Cs.
Từ các kết quả phổ học thu được trên hình 2.9 và hình 2.10 cho thấy hệ phổ kế cấu hình thứ nhất đã hoạt động đúng nguyên tắc thiết kế. Trên phổ chỉ xuất hiện các đỉnh ứng tổng ứng với các trường hợp cĩ phân rã gamma nối tầng. Để đánh giá hệ trong tình trạng hoạt động thực, bia đồng vị được chiếu trên chùm nơtron của kênh dẫn dịng nơtron số 3 cĩ thơng lượng tại vị trí đặt mẫu
vào khoảng 106 n.cm-2.s-1 để thay cho nguồn đồng vị. Hai đetectơ được bố trí
