Đang tải... (xem toàn văn)
Tiết diện phản ứng của các nguyên tố có một vị thế quan trọng trong phân tích kích hoạt neutron. Các tiết diện thường được tra từ các bảng số liệu hạt nhân đo bằng thực nghiệm tại lò phản ứng hạt nhân. Tuy nhiên, để kích hoạt neutron bằng nguồn đồng vị Am – Be thì việc xác định tiết diện phản ứng neutron của các nguyên tố là cần thiết. Trong khuôn khổ luận văn này chúng tôi tiến hành “Phép đo tiết diện trung bình phản ứng 54Fe(n, p)54Mn và 56Fe(n, p)56Mn bằng kích họat neutron trên nguồn Am – Be”
MỤC LỤC LIỆT KÊ CÁC KÝ HIỆU i DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC BẢNG BIỂU iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 - LÝ THUYẾT VỀ PHÂN TÍCH KÍ CH HOẠT NEUTRON (NAA) 3 1.1. Giới thiệu phương phá p phân tích kích hoạt neutron 3 1.2. Nguyên tắc của phương pháp NAA 4 1.3. Các phản ứng gây bởi neutron 5 1.3.1. Phản ứng (n, γ ) 6 1.3.2. Phản ứng (n, p ), (n, α ), (n, 2n) 6 1.3.3. Ngưỡng phản ứng 6 1.4. Thiết bị chiếu xạ 7 1.4.1. Nguồn ne utron đồng vị 7 1.4.2. Máy phát neutron 9 1.4.3. Lò phản ứng hạt nhân 9 1.4.4. Các đơn vị hoạt độ của nguồn 10 1.5. Tốc độ phản ứng 11 1.6. Thông lượng neutron 12 1.7. Phương trình kích hoạt 15 1.8. Các phương pháp chuẩn hóa NAA 17 1.8.1. Phương pháp chuẩn hóa t uyệt đối 18 1.8.2. Phương pháp chuẩn hóa tương đối 19 1.8.3. Phương pháp chuẩn hóa đơn nguyê n tố 19 1.8.4. Phương pháp chuẩn hóa k 0 20 1.9. Các kĩ thuật được sử dụng trong NAA 22 1.9.1. Kích hoạt nhanh do nhân sống ngắn 22 1.9.2. Kích thích lặp vòng 22 1.9.3. Kích hoạt ne utron trên nhiệt 23 1.9.4. Kích hoạt đo neutron trễ 23 1.10. Tổng kết chương 1 24 CHƯƠNG 2 - TIẾT DIỆN PHẢN ỨNG VỚI NEUTRON 25 2.1. Tiết diện phản ứng của neutron 25 2.2. Các tiết diện phản ứng của neutron nhiệt 26 2.2.1. Tiết diện phản ứng 27 2.2.2. Tiết diện tán xạ 27 2.2.3. Tiết diện toà n phần 28 2.2.4. Tiết diện vĩ mô Σ 28 2.3. Các thông số cộng hưởng. 28 2.4. Đư ờng cong tiết diện phản ứng ( ) E σ 29 2.5. Tốc độ phản ứng đối với chiếu xạ bằng lò phản ứng và m áy gia tốc 30 2.5.1. Các neutron nhiệt và trên nhiệt trong lò phản ứng 30 2.5.1.1. Khảo sát chung 30 2.5.1.2. Tính toán kích hoạt nhiệt (“ quy luật 1/v”) 30 2.5.1.3. Sự hấp thu nhiệt 31 2.5.2. Neutron có năng lượng trung bình trong lò phản ứng 33 2.5.2.1. Khảo sát chung 33 2.5.2.2 Tiết diện tích phân cộng hưởng 33 2.5.2.3. Tính toán tốc độ phản ứng cho việc chiếu xạ lò phản ứng 35 2.5.3. Neutron nhanh (có năng lượng > 1MeV) 37 2.5.3.1. Tiết diện toàn phần σ T 38 2.5.3.2. Tiết diện phản ứng σ(n, γ) 39 2.5.3.3. Tiết diện phản ứng σ(n, 2n) 39 2.5.3.4. Tiết diện phản ứng σ(n, p) và σ(n, α) 40 2.5.3.5. Các phản ứng khác 41 2.5.3.6. Tính toán tốc độ phản ứng của máy chiếu xạ gia tốc 41 2.5.4. Phân hạch ne utron trong lò phản ứng 41 2.5.4.1. Định nghĩa tiết diện trung bình cho thông lượng neutron phân hạch 41 2.5.4.2. Các phản ứng (n, p) và (n, α) 43 2.5.4.3. Các phản ứng (n, 2n) 44 2.5.4.4. Các phản ứng tán xạ không đàn hồi (n, n’) 44 2.5.5. Hàm phản ứng của các ngưỡng phản ứng tr ong phân hạch phổ neutron 45 2.5.6. Tính toán tốc độ phản ứng trong phổ neutron 45 2.6. Sai số 46 2.6.1. Sai số hệ thống 46 2.6.1.1. Các phản ứng nhiễu 46 2.6.1.2. Sai số do độ phổ cập hoặc do thông lượng neutron 47 2.6.2. Sai số thống kê 47 2.7. Tổng kết chương 2 48 CHƯƠNG 3 - THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN PHẢN ỨNG 54 Fe(n, p) 54 Mn VÀ 56 Fe(n, p) 56 Mn 48 3.1. Các bước chuẩn bị mẫu dùng cho thực nghiệm 48 3.2. Giới thiệu các thiết bị dùng cho t hực nghiệm 49 3.2.1. Các thiết bị chiếu mẫu 49 3.2.1.1. Hệ vận c huyển mẫu MTA – 1527 49 3.2.1.2. Nguồn neutron đồng vị Am – Be 50 3.2.1.3. Máy vi tính điều khiển thiết bị chiếu 51 3.2.1.4. Máy vi tính điều khiển thiết bị đo 51 3.2.2. Các thiết bị chuẩn bị mẫu 52 3.3. Thực nghiệm xác định tiết diện phản ứng 54 Fe(n, p) 54 Mn và 56 Fe(n, p) 56 Mn 53 3.3.1. Chuẩn bị mẫu 53 3.3.2. Phân rã mẫu 55 3.3.3. Đo mẫu 57 3.3.4. Phổ của mẫu Fe 2 O 3 sau khi chiếu xạ 58 3.3.5. Phép đo tiết diện phản ứng 54 Fe(n, p) 54 Mn và 56 Fe(n, p) 56 Mn 59 3.3.5.1. Phương pháp tuyệt đối 60 3.3.5.2. Phương pháp tương đối 63 3.3.6. So sánh và nhận xét 64 3.4. Tổng kết chương 3 66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 i LIỆT KÊ CÁC KÝ HIỆU A sp : Hoạt độ riêng của nguyên tố phân tích, (phân rã.s –1 .g –1 ). A sp * : Hoạt độ riêng của nguyên tố chuẩn, (phân rã.s –1 .g –1 ). b : Đơn vị tiết diện hạt nhân. C : Hệ số hiệu chỉnh thời gian đo đếm. D : Hệ số hiệu chỉnh thời gian phân rã. E : Năng lượng neutron. E Cd : Năng lượng ngưỡng cadmi, (E Cd = 0,55 eV). E γ : Năng lượng tia gamma. r E : Năng lượng cộng hưởng hiệu dụng trung bình. f : Tỉ số thông lượng neutron nhiệt trên thông lượng neutron trên nhiệt. F Cd : Hệ số hiệu chỉnh cho độ truyền qua Cd của neutron nhiệt. G e : Hệ số hiệu chỉnh tự che chắn neutron trên nhiệt. G th : Hệ số hiệu chỉnh tự che chắn neutron nhiệt. HPGe : Detector germanium siêu tinh khuyết. I 0 : Tiết diện tích phân cộng hưởng của phân bố thông lượng neutron trên nhiệt Tuân theo quy luật 1/E. I 0 (α) : Tiết diện tích phân cộng hưởng của phân bố thông lượng neutron trên nhiệt không tuân theo quy luật 1/E, (cm 2 ). M : Khối lượng nguyên tử của nguyên tố bia, (g.mol –1 ). N p : Số đếm trong vùng đỉnh năng lượng toàn phần. N p /t m : Tốc độ xung đo được của đỉnh tia γ quan tâm đã hiệu chỉnh cho thời gian chết và các hiệu ứng ngẫu nhiên cũng như trùng phùng thật, (s –1 ). n(v) : Mật độ neutron ở vận tốc neutron v. Q 0 : Tỉ số tiết diện tích phân cộng hưởng trên tiết diện ở vận tốc neutron 2200 m.s –1 . Q 0 (α) : Tỉ số tiết diện tích phân cộng hưởng trên tiết diện với phổ neutron trên nhiệt. ii t i : Thời gian chiếu, (s). t m : Thời gian đo, (s). T 1/2 : Chu kỳ bán rã, (s). w : Khối lượng mẫu, (g). W : Khối lượng nguyên tố, (g). α : Hệ số độ lệch phổ neutron trên nhiệt. I γ : Xác suất phát tia gamma cần đo. ε p : Hiệu suất ghi tại đỉnh năng lượng tia gamma. θ : Độ phổ cập đồng vị (%). λ : Hằng số phân rã. σ(E) : Tiết diện phản ứng (n, γ) ở năng lượng neutron E, (cm 2 ). φ th : Thông lượng neutron nhiệt, (n.cm –2 .s –1 ). φ(v) : Thông lượng neutron ở vận tốc v, (n.cm –2 s –1 ); φ(v) = n(v).v φ f (E) : Thông lượng neutron ở năng lượng E, (n.cm –2 s –1 ). σ(v) : Tiết diện phản ứng (n, γ) ở vận tốc neutron v, (cm 2 ). σ(E) : Tiết diện phản ứng (n, γ) ở năng lượng neutron E, (cm 2 ). S a : Spin của hạt nhân tới. S b : Spin của hạt nhân bia. J : Spin ở trạng thái kích thích. Γ : Bề rộng mức năng lượng toàn phần. Σ : Tiết diện vĩ mô. iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt INAA Instrumental Neutron Activation Analysis Phân tích kích hoạt neutron dụng cụ. MCA Multi Channel Analyzer Máy phân tích đa kênh. NAA Neutron Activation Analysis Phân tích kích hoạt neutron. EANDC European American Nuclear Data Committee Ủy ban dữ liệu hạt nhân Âu – Mỹ. HPGe High Purity Germanium Đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết. iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Số thứ tự Chỉ số bảng Nội dung Trang 1 1.1 Nguồn neutron đồng vị và các đặc trưng của chúng. 8 2 1.2 Những nguyên tố được xác định bởi máy phát neutron. 9 3 1.3 Sai số ước lượng của phương pháp k 0 – INAA. 21 4 2.1 Năng lượng cộng hưởng và bề rộng mức năng lượng. 29 5 2.2 Năng lượng ngưỡng hiệu dụng E Cd theo quy luật 1/v (eV). 34 6 3.1 Khối lượng của các mẫu Fe 2 O 3 . 55 7 3.2 Số liệu đo của mẫu Fe 2 O 3 . 57 8 3.3 Các thông số cần thiết cho phép đo. 58 9 3.4 Số liệu đo diện tích đỉnh của mẫu Fe 2 O 3 ứng với các mức năng lượng. 61 10 3.5 Tiết diện trung bình phản ứng 54 Fe(n, p) 54 Mn và 56 Fe(n, p) 56 Mn. 62 11 3.6 Các số liệu về khối lượng, thời gian chiếu, thời gian rã, thời gian đo của nguyên tố nhôm . 64 12 3.7 Các dữ liệu hạt nhân của phản ứng 27 Al(n, p) 27 Mg. 64 13 3.8 Bảng so sánh giữa kết quả theo phương pháp tuyệt đối và kết quả tham khảo. 65 14 3.9 Bảng so sánh giữa kết quả theo phương pháp tương đối và kết quả tham khảo 65 v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số thứ tự Chỉ số hình Nội dung Trang 1 1.1 Sơ đồ phản ứng hạt nhân với neutron. 5 2 1.2 Thông lượng neutron biểu biễn theo năng lượng neutron. 13 3 1.3 Phổ neutron trên nhiệt φ e ~ 1/E 1+α 14 4 2.1 Tiết diện phản ứng của neutron. 25 5 3.1 Hệ vận chuyển mẫu MTA – 1527. 50 6 3.2 Sơ đồ cấu tạo nguồn neutron đồng vị Am – Be. 51 7 3.3 Hệ phổ kế gamma và detector HPGe. 52 8 3.4 Cân điện tử. 53 9 3.5 Ống chứa mẫu chiếu xạ. 53 10 3.6 Mẫu bột Fe 2 O 3 (a) và ống nén (b). 54 11 3.7 Mặt cắt ngang của ống nén mẫu. 54 12 3.8 Vị trí đo mẫu. 55 13 3.9 Phổ của mẫu Fe 2 O 3 sau khi chiếu xạ và được đo ở vị trí 0 59 14 3.10 Phổ của mẫu Fe 2 O 3 sau khi chiếu xạ và được đo ở vị trí 1 59 15 3.11 Biểu đồ tiết diện phản ứng (n, p) thực nghiệm, tham khảo [11] và so với nhôm. 66 vi TÓM TẮT NỘI DUNG Trong luận văn này, chúng tôi tiến hành đo đạc tiết diện phản ứng (n, p) của hai phản ứng 54 Fe(n, p) 54 Mn và 56 Fe(n, p) 56 Mn. Có 8 mẫu Fe 2 O 3 dùng làm thí nghiệm. Các mẫu được chiếu tại kênh nhanh của nguồn neutron đồng vị Am – Be tai bộ môn Vật lý Hạt nhân Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh với thông lượng trung bình 1,3.10 6 21 n.cm .s − − , năng lượng trung bình neutron khoảng 5,7 MeV và được đo bằng hệ phổ kế gamma với detector bán dẫn HPGe. Các dữ liệu hạt nhân được thu thập qua máy tình bằng chương trình GENT 2000 của hãng CANBERRA. Sau đó, các kết quả được mang so sánh với tài liệu tham khảo thấy khá phù hợp. [...]... kích hoạt neutron như các loại neutron, nguồn phát neutron, phương trình cơ bản trong phân tích hàm lượng nguyên tố, các phương pháp chuẩn hóa trong phân tích kích hoạt neutron và các hệ số liên quan, các kĩ thuật sử dụng trong kích hoạt neutron 25 CHƯƠNG 2 TIẾT DIỆN PHẢN ỨNG VỚI NEUTRON 2.1 Tiết diện phản ứng của neutron [3], [11] Tiết diện phản ứng của neutron là độ ( xác suất”) của phản ứng hạt nhân... Tốc độ phản ứng Khi đặt hạt nhân trong trường neutron số phản ứng xảy ra trong một giây gọi là tốc độ phản ứng R và được cho bởi [2]: ∞ ∞ 0 0 R = ∫ φ(v).σ(v).dv = ∫ φ(E).σ(E).dE Ở đây: σ(v) : tiết diện phản ứng (n, γ) ở vận tốc neutron v, (cm2) σ(E) : tiết diện phản ứng (n, γ) ở năng lượng neutron E, (cm2) φ(v) : thông lượng neutron ở vận tốc v; ϕ(v) = n(v).v với n(v) : mật độ neutron ở vận tốc neutron. .. Be Tiết diện phản ứng của các nguyên tố có một vị thế quan trọng trong phân tích kích hoạt neutron Các tiết diện thường được tra từ các bảng số liệu hạt nhân đo bằng thực nghiệm tại lò phản ứng hạt nhân Tuy nhiên, để kích hoạt neutron bằng nguồn đồng vị Am – Be thì việc xác định tiết diện phản ứng neutron của các nguyên tố là cần thiết Trong khuôn khổ luận văn này chúng tôi tiến hành “Phép đo tiết diện. .. hạch khi bắt neutron nhiệt, ví dụ 235 U , thì xảy ra phản ứng phân hạch hạt nhân (n, f) tạo ra sản phẩm phân hạch và những neutron nhanh Nếu phản ứng hạt nhân xảy ra bởi neutron thì hoạt độ phóng xạ của đồng vị được khảo sát phụ thuộc vào thông lượng neutron và tiết diện phản ứng Chiếu mẫu có N hạt nhân bằng chùm neutron có thông lượng φ ( n.cm -2s -1 ), mỗi nhân bia có tiết diện phản ứng σ ( cm 2... < 0 thì phản ứng thu nhiệt Do đó, neutron tới phải có năng lượng đủ lớn để phản ứng xảy ra Với phản ứng thu nhiệt thì có một năng lượng tối thiểu để phản ứng xảy ra, tức là ngưỡng phản ứng, ET Năng lượng ngưỡng được xác định: E T (MeV) = Q(MeV) ma + mA mA (1.4) Trong phản ứng (n, p) và (n, α) các hạt phát ra mang điện tích dương và có đủ năng lượng để vượt qua rào cản Coulomb trước khi phản ứng xảy... p)60mCo 10,5 phút 1.4.3 Lò phản ứng hạt nhân Một số nguồn neutron dùng trong NAA như lò phản ứng hạt nhân, máy gia tốc, nguồn neutron đồng vị Trong đó, lò phản ứng hạt nhân có khả năng kích hoạt mạnh nhất Phần lớn lò phản ứng hạt nhân cho thông lượng neutron có thông lượng từ 1011 – 10 1012 n.cm-2.s-1 [6] Đối với lò phản ứng lớn hơn thì thông lượng đạt đến 1015 n.cm-2.s-1 Một lò phản ứng hạt nhân có nhiều... nhiều photon • Hạt neutron tới bị bắt và một “hợp chất hạt nhân” được hình thành Tùy theo năng lượng neutron tới mà các phản ứng sẽ xảy ra khác nhau 6 1.3.1 Phản ứng (n, γ) Phát bức xạ gamma và xuất hiện đồng vị của hạt nhân ban đầu nặng hơn một đơn vị khối lượng, phản ứng này chủ yếu xảy ra với neutron nhiệt và neutron trên nhiệt Với neutron trên nhiệt, tiết diện tác dụng của phản ứng (n, γ) phụ thuộc... che chắn neutron nhiệt và trên nhiệt 1.6 Thông lượng neutron Khi chiếu với neutron nhiệt và trên nhiệt thì chủ yếu xảy ra phản ứng (n, γ) Đối với neutron nhanh thì xảy ra phản ứng (n, p)… Tùy thuộc vào mức năng lượng neutron mà loại bức xạ hay các hạt phóng xạ ra khác nhau Do đó, khi phân tích kích hoạt cần chú ý đến năng lượng neutron trong các nguồn neutron [11] Đối với lò phản ứng hạt nhân, neutron. .. đắt Chất phản xạ có nhiệm vụ làm tăng số lượng các neutron trong vùng phản ứng, không cho các hạt neutron bắn ra ngoài Trong lò phản ứng hạt nhân năng lượng được giải phóng qua phản ứng dây chuyền Dưới tác dụng của neutron, hạt nhân nặng được phân chia thành hai mảnh có khối lượng gần bằng nhau Trong một lần phân chia, trung bình có 2,5 neutron được phát ra, các neutron này lại tiếp tục phản ứng phân... Phần lớn các phản ứng này là phản ứng thu nhiệt tức là các phản ứng này chỉ xảy ra khi neutron có mức năng lượng tối thiểu xác định nào đó gọi là năng lượng ngưỡng 1.3.3 Ngưỡng phản ứng • Giá trị ngưỡng: được xác định theo công thức: ⎛ Q=⎜ ⎜ ⎝ ∑ mi − i ∑ p ⎞ m p ⎟.c 2 ⎟ ⎠ (1.2) Thay c2 = 931 MeV/u vào (1.2) ta được ⎛ Q( MeV ) = 931.⎜ ⎜ ⎝ + Phản ứng tỏa nhiệt nếu Q > 0 + Phản úng thu nhiệt nếu Q < 0