CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNGBẮT NƠTRON
1.5. Các nguồn nơtron chính
Các nguồn nơtron được tạo ra bằng nhiều phương pháp khác nhau và có những đặc trưng về phân bố năng lượng, thông lượng khác nhau.vv.. do vậy mà nó có những ưu nhược điểm khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng.
1.5.1. Nguồn nơtron đồng vị
- Nguồn nơtron từ phản ứng(α,n): Các nguyên tố siêu Uran như
23 9
Pu, 2 41Am, 25 2Cf .vv.. phân rã ra hạt alpha, hạt alpha này lại cho tương tác với 9Be tạo ra nơtron theo phản ứng:
4
He + 9Be n + 12C + 5.7MeV
Ngoài 9Be người ta cũng có thể dùng các nguyên tố nhẹ khác như B,F,Li bằng cách trộn lẫn với Be ở dạng bột.
Do các hạt α có năng lượng khác nhau và năng lượng của chúng bị suy giảm trong môi trường vật chất nguồn trước khi phản ứng xảy ra nên
phổ nơtron của nguồn đồng vị (α,n) là phổ liên tục từ vùng nhiệt tới khoảng 10 MeV.
- Nguồn nơtron từ phản ứng (,n) (còn được gọi là nguồn quang nơtron hay photonơtron):[15]
+ 9Be n +8Be (năng lượng ngưỡng 1.67MeV) +2D n + H (năng lượng ngưỡng 2.23MeV)
Đối với nguồn đồng vị (γ,n), các đồng vị phát bức xạ gamma thường được sử dụng là 1 24Sb, 24Na, 1 40La, 72Ga,...có năng lượng khoảng từ 2 – 3 MeV và thường chỉ sử dụng hai loại bia nhẹ là 9Be và 2H qua các phản ứng hạt nhân 9Be(γ,n)8Be và 2H(γ,n)1H. Nếu dùng tia gamma đơn năng có năng lượng lớn hơn năng lượng ngưỡng của phản ứng (γ, n) thì nhận được nơtron hầu như đơn năng do bức xạ gamma bị mất năng lượng rất ít trong mơi trường vật chất nguồn. Suất lượng loại nguồn này khoảng 105 n/s.
- Nguồn nơtron từ sự phân hạch của 25 2Cf: Trong các nguồn nơtron đồng vị thì đây là nguồn thường được sử dụng hơn cả. Đồng vị 25 2Cf có chu kỳ bán rã là 2.73 năm; có 3.2% phân rã bằng phân hạch tự phát, phát ra 3.7 nơtron trong mỗi lần phân hạch theo các kênh sau:
2 52
Cf 14 0Xe + 10 8Ru + 4n +Q.
2 52
Cf 14 0Cs + 10 9Tc + 3n +Q.
Năng lượng trung bình của nơtron được phát ra từ nguồn này cõ 1.5MeV và suất lượng có thể lên tới 109n/s.
1.5.2. Nguồn nơtron từ lò phản ứng
Các nơtron sinh ra trong lò phản ứng hạt nhân có năng lượng trong khoảng 0 đến 20 MeV và có thơng lượng lớn có thể đến101 5n/cm2/s mà các nguồn khác khó có thể đạt được. Quá trình phân hạch của các nguyên tử trong lò phản ứng hạt nhân hoặc quá trình va chạm của các nguyên tố nặng với proton đều sinh ra nơtrron:
Nơtron sinh ra cùng với quá trình phân hạch được gọi là nơtron tức thời và chiếm 99% trong tổng số nơtron, ngoài ra, một số sản phẩm phân hạch phân rã betha và kèm theo phát ra nơtron, các nơtron này được gọi là nơtron trễ và chỉ chiếm 1% trong tổng số nơtron.
Phân bố năng lượng trong các lò phản ứng hạt nhân được chia thanh ba vùng năng lượng như sau:
- Nơtron nhiệt 0 < En 0.1eV
- Nơtron trung gian 0.1eV < En 100 keV - Nơtron nhanh 100 keV < En 20MeV
1.5.3. Nguồn nơtron từ máy gia tốc
Các nguồn nơtron tạo ra từ máy gia tốc có những ưu điểm rất lớn như: có cường độ dịng nơtron đạt được lớn hơn vài bậc so với các nguồn đồng vị. Bằng máy gia tốc có thể tạo ra được chùm nơtron đơn năng hoặc có dải năng lượng rộng. Cũng có thể tạo ra chùm nơtron dạng xung. Có nhiều loại máy gia tốc để tạo nguồn nơtron :
Có thể thu được nguồn nơtron đơn năng dựa trên phản ứng (d,d) hoặc (d,t) từ các máy phát nơtron 14 MeV, hoặc các phản ứng (d,n), (p,n) với chùm dơtron hay proton được gia tốc bằng máy gia tốc Van de Graff hoặc với máy gia tốc hạt tròn để thay đổi năng lượng hạt tới để thu được nơtron đơn năng. Nơtron được tạo ra theo các phản ứng sau:
2 3
H(d, n) He ; Q=3.268 MeV
3 4
H(d, n) He ;Q=17.588 MeV
Phản ứng 3 4
H(d, n) He có tiết diện rất lớn, tại đỉnh cộng hưởng có thể
lên tới 5 barn, do đó tạo ra chùm nơtron nhanh với suất lượng lớn. Trong phản ứng 2H(d,n)3He cho nơtron năng lượng thấp (2-4 MeV), còn phản ứng 3H(d,n)4He cho năng lượng cao (13-15 MeV). Suất lượng nơtron phụ thuộcvào năng lượng chùm đơteron. Năng lượng của nơtron phát ra trong
các phản ứng trênngoài phụ thuộc vào năng lượng đơteron bắn phá,còn phụ thuộc vào góc phát xạ của nơtron tạo ra với hướng chùm đơteron tới.
Có thể thu được chùm nơtron rất mạnh bằng máy gia tốc electron thẳng dựa trên phản ứng (,n). Máy gia tốc electron là một thiết bị có thể tạo các electron năng lượng cao. Bằng cách sử dụng tương tác của eletron đã được gia tốc với vật chất để tạo ra các nguồn bức xạ hãm có năng lượng cao và cường độ lớn. Các bức xạ hãm được phát ra lại tiếp tục tương tác với vật chất bia hãm (trường hợp bia dày làm bằng kim loại nặng) hoặc bia thứ cấp đặt phía sau bia hãm để tạo ra nơtron. Nơtron có phổ liên tục. Phổ nơtron phát ra từ các bia trên các máy gia tốc electron có thể chia làm 2 phần: phần thứ nhất có dạng tương tự phân bố Maxwell, các nơtron sinh ra theo cơ chế bay hơi từ các phản ứng quang hạt nhân thông qua giai đoạn hợp phần. Đây là phần nơtron năng lượng thấp, phát xạ gần như đẳng hướng và đóng góp chính trong phổ nơtron. Phần thứ hai là các nơtron có năng lượng cao hơn sinh ra từ các tương tác trực tiếp của electron và photon với hạt nhân bia, phân bố của các nơtron không đẳng hướng và chiếm một tỷ lệ thấp trong phổ nơtron.
Một loại nguồn nơtron năng lượng lớn được tạo ra trên các máy gia tốc hạt năng lượng cao như sychrotron , nowtron được tạo ra bằng cách bắn phá chùm proton được gia tốc tới năng lượng GeV bào bia kim loại nặng, năng lượng nơtron có thể lên đến hàng trăm MeV.
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN BẮT NƠTRON NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG 1 81Ta(n,)182Ta
Quá trình bắt nơtron đã đẩy các hạt nhân từ trạng thái bền lên trạng thái kích thích và sau đó trở thành hạt nhân phóng xạ, đồng thời phát ra các tia gamma. Dựa trên năng lượng của bức xạ gamma và xác định hoạt độ phóng xạ của các hạt nhân sản phẩm là căn cứ để xác định tiết diện phản ứng hạt nhân nghiên cứu.
Nghiên cứu phản ứng hạt nhân (n,) chủ yếu được thực hiện trên lò phản ứng hạt nhân, trên nguồn nơtron đồng vị hoặc sử dụng nguồn nơtron xung trên máy gia tốc.
Một số bước trong quy trình thực nghiệm của đề tài nghiên cứu này như kích hoạt mẫu được thực hiện trên máy gia tốc electron tuyến tính tại trung tâm Pohang, Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang (POSTECH), Hàn Quốc.Đo hoạt độ phóng xạ bằng hệ phổ kế gamma bán dẫn được xây dựng trên detecto gecmani siêu tinh khiết (HPGe) kết nối với máy phân tích biên độ đa kênh. Thí nghiệm được thực hiện theo phương pháp bia cố định.