√ , trong đó En là năng lƣợng nơtron
2.1. Nguồn nơtron ung t rn má gia tốc electron tu ến tính năng lƣợng 1 Me
Nơtron đƣợc sử dụng trong nghiên cứu này đƣợc tạo ra trên máy gia tốc electron tuyến tính (linac) phát ra theo chế độ xung và đƣợc nhiệt hóa bằng nƣớc.
Nguyên tắc tạo ra chùm nơtron từ các máy gia tốc điện tử nhƣ sau: trƣớc hết, chùm electron đã đƣợc gia tốc bắn vào một bia kim loại nặng hay còn gọi là bia hãm đƣợc làm bằng Ta hoặc W có nhiệt độ nóng chảy cao để tạo ra bức xạ hãm. Sau khi đƣợc 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 ngƣỡng, vì vậy chỉ những photon có năng lƣợng lớn hơn hơn ngƣỡng mới có thể gây ra phản ứng. Đối với các hạt nhân nặng, phản ứng (,n) đóng vai trị chính trong vùng cộng hƣởng khổng lồ. Phần lớn các nơtron sinh ra theo cơ chế bay hơi, có năng lƣợng thấp và phân bố gần nhƣ đẳng hƣớng. Một tỷ lệ nhỏ và trong đó chủ yếu là các nơtron năng lƣợng cao đƣợc tạo ra do tƣơng tác trực tiếp của electron và photon với các hạt nhân của bia hãm. Tiết diện tƣơng tác của electron với hạt nhân nhỏ hơn 1/137 lần so với tƣơng tác của photon với hạt nhân nên chỉ đóng vai trị 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 đƣợc đặt phía sau bia hãm sinh ra nơtron.
Các vật liệu nặng, số Z lớn có năng lƣợng liên kết nơtron thấp và mật độ cao nên cho suất lƣợng phát nơtron lớn. Riêng trƣờng hợp của Be và D, mặc dù số Z nhỏ nhƣng
năng lƣợng liên kết nơtron của chúng thấp một cách bất thƣờng và năng lƣợng ngƣỡng của các phản ứng (,n) thấp (1,67 MeV đối với Be và 2,22 MeV đối với D), nên cũng thƣờng đƣợc sử dụng làm bia để tạo ra nguồn quang nơtron.
Năng lƣợng của nơtron sinh ra từ các phản ứng quang hạt nhân (quang nơtron) phụ thuộc chủ yếu vào năng lƣợng của bức xạ hãm và số khối của hạt nhân bia. F. Jallu đã đƣa ra biểu thức tính gần đúng năng lƣợng của nơtron (En) đối với các electron có động năng trong khoảng từ 5 25 MeV nhƣ sau [16]:
q cos 931 ) )( 1 ( 2 ) 1 ( 1862 1 1/2 3 ) , ( 2 ) , ( A E k A k A k E k A A En s n s n (2.1)
Trong đó: k là năng lƣợng của photon (MeV), A là số khối của bia, Es(,n) là năng
lƣợng ngƣỡng 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 lƣợng của nơtron thay đổi chậm theo góc phát xạ, đặc
biệt là với các nguyên tố nặng.
Suất lƣợng phát nơtron (n/s) có thể biểu diễn bằng cơng thức 2.2 dƣới đây [16]:
e T 0 n t (E) M N ) E ( (2.2) Trong đó M, , và t là khối lƣợng nguyên tử, mật độ và bề dày của bia, N0 là số Avogadro, e là thông lƣợng 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 đƣợc tạo ra trên máy gia tốc electron tuyến tính có năng lƣợng 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 đƣợc gia tốc bởi điện trƣờng tần số cao đặt tại các trạm trên ống gia tốc. Độ dài của các phần ống gia tốc liên tiếp đƣợc 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 đƣợc tạo ra dƣới dạng xung từ các súng bắn điện tử (RF-gun). Pha của các tín hiệu ở mỗi trạm đƣợc điều chỉnh sao cho các electron có thể liên tục nhận đƣợc năng lƣợng từ sóng chuyển động và nó đạt tới vị trí đỉnh của sóng ở điểm cuối của những ống dẫn sóng, nhƣ vậy các electron liên tục đƣợc gia tốc. Việc hội tụ dòng electron đƣợc thực hiện bởi từ trƣờng đƣợc tạo ra từ các nam châm điện bên ngồi ống dẫn sóng. Các electron chuyển động theo một đƣờng thẳng.
Máy gia tốc electron tuyến tính 100 MeV tại Trung tâm Gia tốc Pohang, Hàn quốc (xem hình 2.1), có sơ đồ ngun lý cấu tạo nhƣ trên hình 2.2.
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 ; 2: Nam châm alpha; 7: Nam châm phân tích dịng; 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 dịng (beam analyzing magnet), một nam châm điều tiêu (focusing magnet), một bộ phát sóng cao tần và cung cấp năng lƣợng (klytron)… Tồn 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 lƣợng từ 40 MeV tới 100 MeV, với dòng electron 100 mA, độ rộng xung 1 4 s, tần số của xung 1015 Hz. Bán kính của chùm electron tại vị trí monito dòng trƣớc bia là 20 mm.
1
2 4 6 5 3 7 8 9
Bia hãm chùm electron đồng thời cũng là bia để tạo ra chùm nơtron là Ta kim loại, bao gồm 10 tấm Ta có đƣờng kính 4.9 cm, dày 7.4 cm, giữa các tấm Ta là lớp nƣớc dày 0.15 cm. Bia Ta đƣợc bọc trong ống làm bằng Titanium. Theo các tính tốn bằng phƣơng pháp Monte-Carlo với chƣơng trình EGS4, ở chế độ làm việc với năng lƣợng electron 40 MeV, dòng 40 mA, suất lƣợng nơtron đạt đƣợc là 21012
n.sec-1.kW-1. Cơ chế sinh ra nơtron trên máy gia tốc electron tuyến tính có thể tóm tắt nhƣ sau: Khi chùm electron xung đã đƣợc gia tốc bắn vào bia Ta nó sẽ bị mất năng lƣợng do hai q trình chính là ion hóa do va chạm và phát bức xạ hãm. Sự phát bức xạ hãm là kết quả của quá trình tƣơng tác giữa chùm electron với trƣờng Coulomb của các hạt nhân bia. Các photon hãm đƣợc sinh ra lại trực tiếp tƣơng tác với các hạt nhân của bia Ta để gây ra phản ứng quang hạt nhân (,xn) và sinh ra nơtron xung.
Để nhiệt hóa nơtron, bia Ta đƣợc đặt ở chính giữa một bể nƣớc hình trụ, chứa nƣớc tinh khiết, đƣợc làm bằng nhơm (Al) có bề dầy 0.5 cm, đƣờng kính 30 cm và cao 30 cm (hình 2.3) [20, tr8].
Hình 2.3.Cấu tạo của bia Ta và hệ làm chậm nơtron
Các nghiên cứu chi tiết về nguồn nơtron xung trên máy gia tốc electron cho biết nơtron đƣợc sinh ra từ phản ứng quang hạt ( ) có tiết diện lớn nhất trong vùng năng lƣợng cộng hƣởng lƣỡng cực khổng lồ, từ 7 MeV tới 20 MeV. Phần lớn nơtron đƣợc sinh ra trong vùng năng lƣợng này diễn ra theo cơ chế bay hơi và chỉ một phần nhỏ là theo cơ chế phản ứng trực tiếp, chủ yếu xảy ra với các photon năng lƣợng cao hơn. Nơtron đƣợc sinh ra theo cơ chế bay hơi có dạng phân bố Maxellian:
N(E) = exp ( )
Trong đó là nhiệt độ hạt nhân.
Phổ năng lƣợng nơtron đƣợc sinh ra ở bện trong của bia Ta (nhƣ đã mơ tả trên hình 2.3) khi có và khơng có nƣớc làm mát đã đƣợc nghiên cứu và kết quả đƣợc chỉ ra trên hình 2.4. Từ hình 2.4 nhận thấy nơtron năng lƣợng cao đã đƣợc làm chậm bằng nƣớc làm mát ở ngay bên trong của bia Ta. Do đó, phổ nơtron của bia Ta đƣợc làm mát bằng nƣớc dịch chuyển về vùng năng lƣợng thấp so với trƣờng hợp không làm mát bằng nƣớc. Nghiên cứu thực nghiệm cho biết thông lƣợng nơtron nhiệt đo tại bề mặt bể nƣớc làm chậm đạt giá trị cực đại ở mực nƣớc cao 5 cm tính từ bề mặt của bia Ta. Trong nghiên cứu này nơtron cũng đƣợc nhiệt hóa với bề dày nƣớc 5 cm.
Hình 2.4. Phân bố năng lượng nơtron đối với bia Ta có và khơng đượclàm mát bằng nước, và so sánh với phân bố Maxwellian tại nhiệt độ hạt nhân = 0.45 MeV