ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN MINH CÔNG XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN BẮT NƠTRON NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 181 Ta(n,) 182 Ta LUẬN VĂN THẠC SỸ Hà Nội – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN MINH CÔNG XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN BẮT NƠTRON NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 181 Ta(n,) 182 Ta LUẬN VĂN THẠC SỸ Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số: 60440106 Người hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Đức Khuê Hà Nội – 2014 LỜI CẢM ƠN Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn là TS. Phạm Đức Khuê về sự chỉ dạy chuyên môn, giúp đỡ tận tình trong suốt quá trình học tập, làm việc và thực hiện bản luận văn. Em xin gửi lời cảm ơn tới cán bộ, giảng viên khoa Vật lý trường ĐH KHTN – ĐHQG HN đã tận tình chỉ dạy trong suốt thời gian học tập tại trường. Em xin chân thành cảm ơn cán bộ, giảng viên. phòng sau đại học Trường ĐHKHTN-ĐHQG HN, lãnh đạo Viện Vật lý, Trung tâm Vật lý Hạt nhân, cán bộ lãnh đạo Đoàn 871 Cục CT –BTTM, cán bộ lãnh đạo BTL Hóa học, Trường sỹ quan Phòng Hóa đã tạo mọi điều kiện thuận lợi đểhoàn thành bản luận văn này. Cuối cùng , em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình và người thân đã luôn động viên, ủng hộ tuyệt đối cả về vật chất và tinh thần để có thể yên tâm học tập, làm việc và hoàn thành bản luận văn này. Em xin cảm ơn và rất mong các thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp đóng góp ý kiến bổ sung để bản luận văn này ngày càng được hoàn thiện và có ý nghĩa thiết thực. Hà nội, Ngày……tháng ….năm 2014 Học viên Nguyễn Minh Công Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ TỪ KHÓA E e : Năng lượng của electron E  : Năng lượng tia gamma RF: Tần số radio (radio frequency) I  : Xác suất phát xạ hay cường độ tia gamma HPGe: Detector bán dẫn siêu tinh khiết Tiết diện: Cross section Thông lượng: Flux Suất lượng: Yield Lá dò: Foild Hệ làm chậm bằng nước: Water moderator Khối ốp bằng chì: Pb bricks MCA: Bộ phân tích đa kênh (Multi Channel Analyzer) ADC: Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự số (Analog to Digital Converter) 2 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Thông số va chạm của một số hạt nhân Bảng 1.2: Các thông số đối với một số chất làm chậm Bảng 2.1: Đặc trưng của các mẫu Ta, Au và In Bảng 2.2: Chế độ kích hoạt mẫu Bảng 2.3: Giá trị các hệ số làm khớp hàm đối với Detector HPGe(ORTEC) Bảng 3.1: Các thông số của phản ứng 115 181 Ta(n,)182Ta , 197Au(n,)198Au, và In(n,  ) 116m In Bảng 3.2: Các hệ số hiệu chỉnh chính được sử dụng để xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 181 Ta(n,  ) 182 Ta Bảng 3.3: Hệ số tự hấp thụ tia gamma trong mẫu Bảng 3.4: Hệ số hiệu chỉnh hiệu ứng cộng đỉnh tại vị trí cách detector 5 cm Bảng 3.5: Số liệu tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng đã được công 3 181 Ta(n,  ) 182 Ta Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ tán xạ đàn hồi của notron lên hạt nhân trong hệ tọa độ phòng thí nghiệm (a) và hệ tọa độ tâm quán tính (b) Hình 1.2. Sơ đồ tính ζ Hình 1.3. Sơ đồ phân rã hạt nhân của phản ứng bắt nơtron nhiệt Hình 1.4. Các mức năng lượng kích thích của hạt nhân hợp phần Hình 1.5. Tiết diện của phản ứng 181 Ta(n, ) 182 Ta theo năng lượng 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. Hình 2.3.Cấu tạo của bia Ta và hệ làm chậm nơtron Hình 2.4.Phân bố năng lượng nơtron ở bia Ta đối với làm chậm bằng nước, không làm chậm bằng nước và phân bố Maxwellian Hình 2.5. Sơ đồ làm việc của hệ phổ kế gamma với detector HPGe Hình 2.6. Bố trí thí nghiệm kích hoạt mẫu trên bề mặt hệ làm chậm nơtron bằng nước. Hình 2.7. Giao diện phần mềm GammaVision Hình 2.8. Đường cong hiệu suất ghi đỉnh quang điện của Detector bán dấn HPGe(ORTEC) sử dụng trong nghiên cứu Hình 2.9. Sự phụ thuộc của hoạt độ phóng xạ vào thời gian kích hoạt (ti), thời gian phân rã (td) và thời gian đo (tc). Hình 3.1. Phổ gamma đặc trưng của mẫu Ta được kích hoạt bởi các nơtron nhiệt với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi mẫu 2868phút, thời gian đo 240phút 4 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công Hình 3.2. Phổ gamma đặc trưng của mẫu Au được kích hoạt bởi các nơtron nhiệt với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi mẫu 8594 phút, thời gian đo 10 phút. Hình 3.3. Phổ gamma đặc trưng của In được kích hoạt bởi các nơtron nhiệt với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi mẫu 344 phút, thời gian đo mẫu 200 giây. Hình 3.4. biểu diễn sơ đồ phân rã đơn giản của đồng vị 182 Ta. Hình 3.5. Sự phụ thuộc hệ số tự chắn đối với nơtron nhiệt vào bề dày các mẫu Hình 3.6. tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 5 181 Ta(n,  ) 182 Ta. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................... 8 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG BẮT NƠTRON ............... 11 1.1. Tương tác của nơtron với vật chất ............................................ 11 1.2. Làm chậm nơtron .................................................................... 12 1.2.1. Nhiệt hóa nơtron ............................................................... 12 1.2.2. Cơ chế làm chậm nơtron .................................................... 13 1.3. Hạt nhân hợp phần, hạt nhân kích thích .................................... 18 1.3.1. Các cơ chế phản ứng hạt nhân ............................................ 18 1.3.2. Phản ứngbắt nơtron nhiệt ................................................... 20 1.3.3. Trạng thái kích thích ......................................................... 21 1.4. Tiết diện bắt nơtron nhiệt ........................................................ 23 1.4.1. Khái quát về tiết diện phản ứng .......................................... 23 1.4.2. Tiết diện bắt nơtron nhiệt .................................................. 24 1.5. Các nguồn nơtron chính ........................................................... 28 1.5.1. Nguồn nơtron đồng vị ........................................................ 28 1.5.2. Nguồn nơtron từ lò phản ứng ............................................. 29 1.5.3. Nguồn nơtron từ máy gia tốc .............................................. 30 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN BẮT NƠTRON NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG 181 Ta(n,) 182 Ta ........................................... 32 2.1. Thiết bị thí nghiệm.................................................................. 32 2.1.1. Máy gia tốc thẳng và nguồn nơtron xung trên máy gia tốc electrontuyến tính năng lượng 100 MeV ....................................... 32 2.1.2. Hệ phổ kế gamma .............................................................. 39 2.2. Thí nghiệm xác định tiết diện phản ứng 181 Ta(n,) 182 Ta .............. 41 2.2.1. Chuẩn bị mẫu nghiên cứu .................................................. 41 6 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công 2.2.2. Kích hoạt mẫu .................................................................. 43 2.2.3. Đo hoạt độ phóng xạ của các mẫu sau khi kích hoạt ............. 44 2.2.4. Phân tích phổ gamma ........................................................ 45 2.2.5. Xác định hiệu suất ghi của đêtectơ ..................................... 48 2.3. Phương pháp xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt ........................ 50 2.3.1. Xác định tốc độ phản ứng hạt nhân ..................................... 50 2.3.2. Xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt ..................................... 53 2.2.3. Một số hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác của kết quả .......... 54 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................... 56 3.1. Nhận diện đồng vị phóng xạ và các đặc trưng của phản ứng hạt nhân ............................................................................................. 56 3.2. Một số kết quả hiệu chỉnh ........................................................ 60 3.3. Kết quả xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 181 Ta(n,) 182 Ta. ............................................................................. 62 KẾT LUẬN ...................................................................................... 65 TÀI LIỆU KHAM KHẢO .................................................................. 66 PHỤ LỤC ........................................................................................ 70 7 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công MỞ ĐẦU Phản ứng hạt nhân là một trong những hướng quan trọng nhất trong lĩnh vực nghiên cứu hạt nhân. Trải qua nhiều thập niên nghiên cứu, cho đến nay sự hiểu biết về hạt nhân nguyên tử đã được mở rộng, tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề liên quan tới cấu trúc hạt nhân, các tính chất của hạt nhân và cơ chế của phản ứng hạt nhân vẫn chưa được làm sáng tỏ và cần tiếp tục được nghiên cứu. Bên cạnh việc đóng góp và lĩnh vực các nghiên cứu khoa học cơ bản, phản ứng hạt nhân còn có vai trò quan trọng trong các ứng dụng thực tiễn như năng lượng, y tế, công nghiệp, vũ trụ, an toàn bức xạ và hạt nhân,… Đặc trưng của mỗi phản ứng phụ thuộc vào từng hạt nhân nguyên tử, vào loại hạt tới và năng lượng của chúng. Các loại hạt/bức xạ quen thuộc như nơtron (n), proton (p), alpha (), gamma (),...Khi tương tác với một hạt nhân có thể diễn ra theo nhiều cơ chế khác nhau phụ thuộc vào năng lượng của chúng và tạo thành những sản phẩm phản ứng khác nhau. Trong nghiên cứu phản ứng hạt nhân và ứng dụng thì nơtron là một trong những loại bức xạ được sử dụng phổ biến nhất. Các phản ứng hạt nhân điển hình xảy ra do tương tác của nơtron như (n,α), (n,p), (n,γ),…với xác suất khác nhau ngay trên một đồng vị và phụ thuộc vào năng lượng của nơtron tới. Một trong những đại lượng đặc trưng quan trọng của phản ứng hạt nhân là tiết diện phản ứng. Tiết diện phản ứng là thước đo xác suất xảy ra phản ứng hạt nhân. Tiết diện của phản ứng nhân (n,) gây bởi nơtron nhiệt là loại số liệu hạt nhân quan trọng được sử dụng nhiều trong nghiên cứu cũng như ứng dụng trong các tính toán lò phản ứng hạt nhân, che chắn an toàn phóng xạ, đánh giá sự phá hủy vật liệu do bức xạ,… Trước đây các nghiên cứu phản ứng hạt nhân (n,) chủ yếu được thực hiện trên lò phản ứng hoặc trên các nguồn nơtron đồng vị. Ngày nay 8 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công với sự phát triển của kỹ thuật gia tốc có thể tạo ra các nguồn nơtron có thông lượng lớn từ các phản ứng hạt nhân (,xn), (p,xn),... Các nguồn nơtron trên máy gia tốc thường phát ra theo chế độ xung, do đó có thể sử dụng các kỹ thuật thực nghiệm khác nhau như kích hoạt phóng xạ và đo thời gian bay. Tantalum (Ta) là nguyên tố kim loại hiếm có mầu xanh xám, dẻo, cứng và khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn cao được sử dụng rộng rãi như một thành phần nhỏ trong hợp kim, các tính trơ về mặt hóa học của Talàm cho nó trở nên có giá trị cho các thiết bị phòng thí nghiệm thay thế cho bạch kim, Ngày nay,Ta cũng được sử dụng trong y tế để làm các đinh, nẹp trong chữa trị các bệnh về xương, Tađược sử dụng để chế tạo các thiết bị điện tử như tụ điện,… 181 Ta là đồng vị bềncó độ phổ biến đồng vị tới 99,98%. Cho tới nay đã có một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định tiết diện phản ứng hạt nhân 181 Ta(n,) 182 Ta tuy nhiên các số liệu vẫn còn có sự sai khác đáng kể, việc nghiên cứu về phản ứng này vẫn được tiếp tục bằng nhiều phương pháp khác nhau. Bản luận văn với đề tài “Xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân 181 Ta(n,) 182 Ta” nhằm mục đích nghiên cứu một số đặc trưng của phản ứng bắt nơtron và xác định bằng thực nghiệm tiết diện phản ứng bắt nơtron nhiệt 181 Ta(n,) 182 Ta với chùm nơtron xung đã được nhiệt hóa trên máy gia tốc electron tuyến tính. Mục tiêu nghiên cứu bên cạnh việc bổ sung số liệu hạt nhân, mở rộng sự hiểu biết về cơ chế phản ứng, còn nhằm tìm hiểu thêm về phương pháp, nâng cao kỹ năng thực nghiệm và phân tích số liệu. Trong thực nghiệm sử dụng phương pháp kích hoạt phóng xạ, đo gamma trễ với hệ phổ kế gamma bán dẫn HPGe. Tiết diện được xác định thông qua việc đo tỷ số Cadmium và sử dụng phản ứng 197 Au(n,) 198 Au làm phản ứng chuẩn. Nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả thực nghiệm luận văn đã thực hiện một số hiệu chỉnh các hiệu ứng gây ảnh 9 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công hưởng tới độ chính xác của kết quả như: phân bố thông lượng nơtron đối với các mẫu kích hoạt, hiệu ứng tự hấp thụ các tia gamma, hiệu ứng cộng đỉnh của các tia phân rã nối tầng, hiệu ứng tự chắn đối với nơtron nhiệt… Một số bước trong quy trình thực nghiệm của đề tài nghiên cứu này như kích hoạt mẫu và đo hoạt độ phóng xạ được thực hiện trên máy gia tốc electron tuyến tính tại Trung tâm gia tốc Pohang, POSTECH, Hàn Quốc. Các số liệu thực nghiệm gốc do đề tài nghiên cứu cơ bản thuộc Quỹ phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED), mã số 103.04- 2012.21 cung cấp. Việc xử lý số liệu thực nghiệm, tính toán kết quả và các hiệu chính được thực hiện tại Trung tâm Vật lý hạt nhân, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Bố cục của luận văn gồm 3 chương cùng với phần mở đầu, kết luận và phụ lục. Chương I là phần tổng quan về phản ứng bắt nơtron trình bày vắn tắt về cơ chế tương tác của nơtron với vật chất, cơ chế làm chậm nơtron, cơ chế phản ứng hạt nhân, phản ứng bắt nơtron, tiết diện của phản ứng bắt nơtron và các loại nguồn nơtron. Chương II trình bày về thiết bị thí nghiệm, thí nghiệm và phân tích số liệu nhằm xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 181 Ta(n,) 182 Ta. Chương III là kết quả thực nghiệm thu được về tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 181 Ta(n,) 182 Ta. Luận văn dài 62 trang có 20 hình vẽ và đồ thị, 10 bảng biểu và 36 tài liệu tham khảo.Bản luận văn được hoàn thành tại Trung tâm Vật lý Hạt nhân, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. 10 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG BẮT NƠTRON 1.1. Tương tác của nơtron với vật chất Do không mang điện tích nên khi đi vào môi trường vật chất thì nơtron tương tác rất yếu với các electron. Tương tác của nơtron chủ yếu là với hạt nhân. Tương tác của nơtron với vật chất thông qua 2 quá trình là tán xạ và hấp thụ, trong đó bao gồm các quá trình tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi và các phản ứng hạt nhân. Khi một hạt nơtron chuyển động tới và va chạm với một hạt nhân bia thì có sự trao đổi động năng giữa chúng tuân theo định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng. Nếu thế năng của hệ không thay đổi, thì động năng sẽ được bảo toàn trong suốt quá trình va chạm. Hiện tượng này được gọi là tán xạ đàn hồi. Tán xạ là không đàn hồi khi một trong số các hạt ở trạng thái kích thích sau va chạm. Trong suốt một quá trình va chạm không đàn hồi với 1 hạt nơtron bắn phá vào thì hạt nhân bia sẽ thể hiện một vài hiện tượng như sau [8,13]: 1. Hạt nhân bia bị kích thích tới một mức năng lượng cao hơn. Sau đó nó trở về trạng thái cơ bản bằng việc phát ra một hay nhiều photon. 2. Hạt nơtron tới bị bắt và hình thành hạt nhân hợp phần. Do khối lượng của hạt nhân hợp phần này nhỏ hơn tổng khối lượng của các hạt nhân ban đầu và hạt tới nên photon hay còn gọi là tia gamma tức thời được phát ra với năng lượng chính bằng tổng năng lượng liên kết của nơtron với động năng của nơtron tới, hiện tượng như vậy thường được gọi là hiện tượng bắt phóng xạ hay phản ứng (n,), hạt nhân con không bền và thường phân rã β. Đây chính là hiện tượng bắt nơtron. 3. Hạt tới bị bắt và năng lượng kích thích đủ lớn các hạt sơ cấp khác được phát ra như p, α, n với năng lượng nhỏ hơn…, đó là các phản ứng như (n,p), (n,α), (n,n’), (n,2n)… 11 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công 1.2. Làm chậm nơtron 1.2.1. Nhiệt hóa nơtron Nơtron có năng lượng 0 0.1 eV được gọi là nơtron trên nhiệt. - Đặc điểm của các nơtron nhiệt: Các nơtron nhiệt chuyển động trong trạng thái cân bằng nhiệt với các phân tử môi trường. Mật độ nơtron nhiệt phụ thuộc vào năng lượng nơtron theo quy luật Maxwell-Boltzmann: n(E)= e √ (1.1) trong đó, N=∫ n(E)dE; k=8,61×10 -5 eV/K là hằng số Boltmann và T là nhiệt độ môi trường. Do năng lượng E và vận tốc của nơtron liên hệ với nhau theo biểu thức E=mv 2 /2 nên biểu thức (1.1) có thể viết lại như sau: n(v)= Với n(v)=dN/dv; v T = ( √ ) / e là vận tốc có xác xuất lớn nhất. Theo phân bố (1.2), năng lượng có xác suất lớn nhất bình là (1.2) còn năng lượng trung . Tuy nhiên người ta coi năng lượng nhiệt là năng lượng ứng với vận tốc có xác suất lớn nhất theo biểu thức (1.1). Năng lượng này bằng kT và được coi là thông số của phân bố Maxwell theo năng lượng. Ở nhiệt độ phòng thí nghiệm T = 293 0 K thì v T = 2200m/sec và năng lượng nơtron nhiệt bằng E T = 0.025eV [3]. Tuy nhiên, thực tế năng lượng trung bình của nơtron nhiệt lớn hơn một ít so với năng lượng trung bình của chuyển động nhiệt của các phân tử môi trường. Điều đó có nghĩa rằng các nơtron thực tế không đạt được sự cân bằng nhiệt với môi trường. Đó là do sự hấp thụ liên tục của nơtron trong môi trường, sự hấp thụ càng mạnh khi vận tốc của nó càng thấp. 12 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công 1.2.2. Cơ chế làm chậm nơtron Khi tán xạ đàn hồi lên các hạt nhân chất làm chậm, nơtron truyền một phần năng lượng của mình cho các hạt nhân và mất dần vận tốc, nghĩa là được làm chậm. Quá trình làm chậm nơtron đóng vai trò quan trọng vì độ dày của chất làm chậm được sử dụng trong thí nghiệm [2,3]. Xét quá trình tán xạ đàn hồi của nơtron khối lượng 1, vận tốc v lên hạt nhân đứng yên có khối lượng A. Sau va chạm nơtron có vận tốc v' và hạt nhân có vận tốc V'. Trong hệ tâm quán tính (hình 1.1), nơtron và hạt nhân có vận tốc trước va chạm là v 1 và V 1 , sau va chạm là v 1 ' và V 1 '. Hình 1.1. Sơ đồ tán xạ đàn hồi của nơtron lên hạt nhân trong hệ tọa độ phòng thí nghiệm (a) và hệ tọa độ tâm quán tính (b) Vận tốc tâm quán tính là V c = , do đó vận tốc nơtron trước va chạm trong hệ tâm quán tính là: v 1 = v - Vc = v. Do tổng động lượng trong hệ tâm quán tính bằng 0 nên: v 1 = AV 1 , từ đó V 1 = v. Từ biểu thức bảo toàn năng lượng trong hệ tâm quán tính: 13 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công Ta có, v 1 '= + = + và v 1 '=AV 1 ' v và V1' = v Các vận tốc nơtron trong hệ tọa độ phòng thí nghiệm và hệ tọa độ tâm quán tính liên hệ với nhau theo biểu thức: ⃗′ = ⃗ + ⃗′ hay: v' 2 = + + 2V c v' 1 cosθ 1 trong đó θ 1 là góc bay của nơtron trong hệ tâm quán tính. = ( + 1) ( +2 + 1) Từ đó ta có tỷ số động năng nơtron sau va chạm so với trước va chạm như sau: ′ = = +2 +1 ( + 1) hay = + cosθ 1 (1.3) trong đó ε =( Khi θ 1 =0, cosθ 1 = 1 thì )2 (1.4) = 1, tức là nơtron không thay đổi năng lượng khi va chạm. Hay độ mất năng lượng của nơtron bằng 0. Khi θ 1 = π, cosθ 1 = -1 thì = ε, tức là nơtron thay đổi năng lượng khi va chạm từ E sang E'= εE. Độ mất năng lượng nơtron đạt cực đại và bằng E-E' = (1-ε) E. Như vậy, sau một va chạm đàn hồi, nơtron có năng lượng E' thỏa mãn điều kiện: ε E ≤ E' ≤ E 14 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công * Tham số va chạm ζ Để biểu diễn độ mất năng lượng khi va chạm đàn hồi, người ta dùng tham số va chạm hay độ mất năng lượng logarit trung bình trên một va chạm: ζ=ln (1.5) Ở đây, phần gạch ngang là ký hiệu việc lấy trung bình theo số các nơtron tham gia tán xạ. Giả sử có N nơtron tán xạ tai điểm P trong hệ tâm quán tính và tán xạ đẳng hướng (hình 1.2). Hình 1.2. Sơ đồ tính ζ Khi đó số nơtron tán xạ trong khoảng góc θ 1 đến θ 2 là: dN=2πN sinθ 1 dθ 1 (1.6) Theo định nghĩa của ζ ta có: ζ= ∫ ln dN = ∫ lnx dx, với x= do đó: ζ = 1 + Với A >>1 công thức (1.6) sẽ có dạng gần đúng như sau: ζ= (1.7) . ζ -1 = + 15 + (1.8) Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công Các biểu thức (1.7) - (1.8) cho thấy tham số làm chậm ζ không phụ thuộc vào năng lượng nơtron mà chỉ phụ thuộc vào đại lượng ε = ( )2 nghĩa là vào số khối lượng của hạt nhân chất làm chậm. * Lethargy: Mức độ làm chậm của nơtron Lethargy là hàm phụ thuộc năng lượng E của nơtron theo biểu thức sau: U(E)=ln (1.9) trong đó : E 0 là năng lượng ban đầu của nơtron sinh ra, E là năng lượng của nơtron sau khi được làm chậm, Lethargy tăng khi E giảm. * Số va chạm S Là số va chạm cần thiết để làm chậm nơtron từ năng lượng E 1 đến năng lượng E 2 là: S (E 1 , E 2 ) = ζ -1 ln (1.10) Nếu dùng khái niệm của lethargy ta được: S(E 1 , E 2 )= ζ -1 ×ln = ζ -1 ×(ln -ln ) (1.11) Từ các công thức (1.5), (1.7), (1.8), (1.9) và (1.10) ta thấy rằng khi khối lượng của các hạt nhân tăng thì ζ giảm và do đó số va chạm cần thiết để chuyển từ nơtron nhanh đến nơtron nhiệt tăng. Bởi vậy, ta thấy rằng các hạt nhân nhẹ có tác dụng làm chậm tốt hơn hạt nhân nặng[2,3]. Bảng 1.1 Thông số va chạm của một số hạt nhân Hạt nhân H1 D2 He 4 Be 9 C12 O16 Na 23 U 2 38 ε 0 0.111 0.357 0.640 0.716 0.779 0.840 0.983 ζ 1 0.726 0.425 0.207 0.158 0.120 0.0825 0.0083 14.5 20 43 70 92 121 171 1747 Số va chạm: 2MeV1eV 16 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công Tuy nhiên, để xét tính chất làm chậm của vật chất, cần tính đến tiết diện tán xạ và hấp thụ nơtron. Các tính chất trên được thể hiện qua các đại lượng sau đây: Khả năng làm chậm:ζ Σ s (1.12) Hệ số làm chậm: (1.13) ζ Σ s /Σ a trong đó: Σ s = Nσ s và Σ a =Nσ a là các tiết diện vĩ mô tán xạ và hấp thụ nơtron, N là mật độ các hạt nhân của chất làm chậm. Biểu thức (1.12) cho thấy khả năng làm chậm càng lớn khi ζ vàΣ s càng lớn, khi đó nơtron càng nhanh chóng được làm chậm. Mặt khác, vật chất càng ít hấp thụ nơtron, tức là Σ a càng bé thì nơtron được làm chậm mà ít hấp thụ trong quá trình làm chậm. Do đó, hệ số làm chậm ζ Σ s /Σ a đặc trưng cho tính chất làm chậm của môi trường. Đại lượng này càng lớn, chất làm chậm càng tốt. Trong bảng 1.2 dẫn ra các giá trị ζ Σ s và ζ Σ s /Σ a đối với một số chất làm chậm. Từ bảng này ta thấy nước nặng có hệ số làm chậm lớn nhất, đó là vật liệu làm chậm tốt nhất. Tuy nhiên, do giá thành cao nên nước nặng ít được sử dụng để làm chậm nơtron một cách đại trà, mà chỉ sử dụng trong những trường hợp cần thiết. Thực tế, người ta hay sử dụng nước (nước thường) để làm chậm nơtron, tuy nước không có hệ số làm chậm cao song giá thành rẻ, dễ sản xuất, dễ sử dụng và đồng thời đóng vai trò tải nhiệt. Bởi vậy, nước được sử dụng rộng rãi trong nhiều thí nghiệm vật lý nghiên cứu sử dụng nơtron làm chậm cũng như lò phản ứng. * Góc tán xạ trung bình của nơtron Góc tán xạ trung bình của nơtron lên chất làm chậm được tính bởi công thức: cosθ= (1.14) Với Hydro (A=1), xuất hiện sự tán xạ bất đẳng hướng về phía trước rõ rệt vì cosθ=0.666 và θ=48 0 [3]. 17 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công Bảng 1.2. Các thông số đối với một số chất làm chậm Chất Mật độ N (g/cm 3 ) 10 24 /cm 3 H2O 1 D2O làm ζ ST ζ Σs ζ Σ s /Σ a 0.0335 0.948 ~18.2 1.350 61 1.1 0.0331 0.570 31.8 0.188 5700 Be 1.85 0.1236 0.209 86 0.155 125 BeO 3 0.0728 0.173 105 0.120 170 C 1.6 0.0803 0.158 114 0.061 205 chậm * Độ dài làm chậm Độ dài làm chậm là độ dài quãng đường mà nơtron đi được trong chất làm chậm để năng lượng E 0 ban đầu của nơtron giảm xuống năng lượng E T , ta gọi τ T là tuổi nơtron nhiệt, thì đại lượng √τ được gọi là độ dài làm chậm. Đối với chất làm chậm là nước, năng lượng E 0 = 2MeV, E T =0.025 eV, τ T =27 cm 2 , suy ra độ dài làm chậm sẽ là: √τ = 5.2 cm [3]. 1.3. Hạt nhân hợp phần, hạt nhân kích thích 1.3.1. Các cơ chế phản ứng hạt nhân a. Các cơ chế phản ứng hạt nhân - Cơ chế phản ứng hạt nhân hợp phần: Đối với cơ chế phản ứng hạt nhân hợp phần, các hạt tham gia tương tác (a và A) tạo nên hạt nhân hợp phần C và sau đó hạt nhân hợp phần này phân rã thành các hạt thứ cấp (b và B). a+AC và Cb+B N.Bohr giả thuyết rằng, hai giai đoạn tạo nên hạt nhân hợp phần C và phân rã hạt nhân này là độc lập nhau. Khả năng phân rã hạt nhân hợp 18 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công phần không phụ thuộc cách tạo nên hạt nhân hợp phần mà chỉ phụ thuộc vào năng lượng, momen động lượng và tính chẵn lẻ của hạt nhân này. Điều này có thể minh họa bằng thời gian xảy ra phản ứng hạt nhân qua giai đoạn hạt nhân hợp phần. Nếu hạt nhân có kích thước 10 -12 cm và hạt bay qua hạt nhân với tốc độ 10 10 cm/s thì thời gian để hạt đó đi qua hạt nhân là 10 -12 /10 10 =10 -22 s. Thời gian này gọi là thời gian đặc trưng của hạt nhân. Đối với phản ứng hạt nhân hợp phần, hạt nhân hợp phần có thể tồn tại với thời gian lâu hơn hàng triệu hoặc hàng tỷ lần thời gian đặc trưng của hạt nhân trước khi phân rã thành các hạt thứ cấp. Chính vì vậy mà quá trình phân rã của hạt nhân hợp phần không phụ thuộc vào cách tạo ra nó [4]. - Cơ chế phản ứng hạt nhân trực tiếp: Trong cơ chế phản ứng hạt nhân trực tiếp, hạt a đi vào chỉ tương tác với một nucleon hoặc một số nucleon trong hạt nhân A và truyền trực tiếp năng lượng của mình cho các nucleon này và phản ứng hạt nhân xảy ra trong thời gian vào cỡ thời gian đặc trưng của hạt nhân (10 -22 s). Để có phản ứng hạt nhân trực tiếp thì năng lượng của hạt tới phải đủ lớn để bước sóng của nó nhỏ hơn kích thước hạt nhân [4]. Tiết diện phản ứng tăng theo năng lượng hạt tới và không có tính chất cộng hưởng. Hạt bay ra có phân bố góc không đẳng hướng, ưu tiên về phía trước, điều này khác với phản ứng hạt nhân theo cơ chế hợp phần, phân bố gần như đẳng hướng. Phân bố góc của sản phẩm phản ứng phụ thuộc mạnh vào sự truyền xung lượng và thay đổi độ chẵn lẻ trong quá trình phản ứng. - Cơ chế phản ứng hạt nhân trước cân bằng: Cơ chế phản ứng hạt nhân trước cân bằng có thể coi là cơ chế trung gian giữa cơ chế phản ứng hạt nhân hợp phần và cơ chế phản ứng hạt nhân trực tiếp. Đối với cơ chế phản ứng hạt nhân hợp phần, trước khi phân rã hạt nhân hợp phần phải đạt đến trạng thái cân bằng thống kê nên cần một thời gian rất lớn so với thời gian đặc trưng của hạt nhân. Trong 19 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công khoảng thời gian thiết lặp sự cân bằng hạt nhân hợp phần có thể phân rã ngay cả trước khi đạt được sự cân bằng hoàn toàn [4]. 1.3.2. Phản ứngbắt nơtron nhiệt Tương tác giữa các nucleon trong hạt nhân nguyên tử rất mạnh nên khi hấp thụ một nơtron thì năng lượng của hạt tới được phân bổ một cách nhanh chóng trong toàn hạt nhân. Hạt nhân sau đó trở thành trạng thái kích thích trong khoảng thời gian 10 -14 – 10 -15 s. Có thể nói hạt nhân đã bắt nơtron và trở thành hạt nhân hợp phần [8, 13]. Các hạt nhân hợp phần này bị kích thích mạnh do năng lượng liên kết của nơtron, cộng thêm động năng của nó. Năng lượng kích thích được giải phóng bằng cách phát ra các hạt như (p,n,2n,d,α…) hoặc bức xạ điện từ (γ). Mỗi quá trình có một xác suất nhất định và độc lập với sự hình thành nên hạt nhân hợp phần (do sự phân bố rất nhanh của năng lượng trên tất cả các nucleon), tuy nhiên xác suất đó lại phụ thuộc vào mức kích thích. Tổng quát: a  A  C* C *  B1  b1  Q1 Hay trong đó (1.15) * C  B 2  b2  Q 2 ... C* : Hạt nhân hợp phần, a, A : Hạt/bức xạ tới và hạt nhân bia, Q : Nhiệt lượng tỏa ra sau phản ứng Xác suất các phản ứng sau khi nơtron bị bắt là σ(n,α), σ(n,p),σ(n,γ),…Vậy σ(n,x) chính là xác suất của phản ứng bắt 1 nơtron và hạt nhân hợp phần phát ra hạt/bức xạ nào đó. Khi hạt nhân hấp thụ (bắt) nơtron nhiệt (năng lượng 0.025 eV) sẽ tạo thành hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích. Năng lượng kích thích bằng tổng năng lượng liên kết của nơtron và động năng của nơtron tới [1,8]: 20 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công E * = E n + ∆E (1.16) trong đó: E * : Năng lượng kích thích của hạt nhân hợp phần, E n : Động năng nơtron tới, ∆E : Năng lượng liên kết của nơtron với hạt nhân bia Hạt nhân hợp phần có thể phát ra một hoặc vài tia gamma có năng lượng cao (~7-8 MeV) để trở về trạng thái cơ bản như được mô tả trên hình 1.3. Các tia gamma này đặc trưng cho từng hạt nhân. Quá trình từ khi bắt nơtron tới khi phát ra tia gamma diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn (10 -18 - 10 -15 giây) nên bức xạ gamma này được gọi là bức xạ gamma tức thời. Sau khi phát bức xạ gamma tức thời, hạt nhân hợp phần có thể trở thành hạt nhân bền hoặc hạt nhân phóng xạ tiếp tục phân rã beta và phát ra các tia gamma trễ với chu kì bán rã xác định được. Trong nhiều trường hợp phương pháp kích hoạt thường đo các tia gamma trễ. Hình 1.3. Sơ đồ phân rã hạt nhân của phản ứng bắt nơtron nhiệt 1.3.3. Trạng thái kích thích Xem xét các mức kích thích của hạt nhân hợp phần có thể phân biệt được các trạng thái liên kết mà năng lượng của nó nhỏ hơn năng lượng liên kết của các nucleon liên kết yếu nhất và từ đó mà hiện tượng giải 21 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công phóng kích thích xảy ra khi phát ra tia gamma hay các nucleon. Cùng với sự tăng năng lượng kích thích thì mật độ mức cũng tăng. Bằng chứng thực nghiệm cho thấy các mức kích thích này được tìm thấy trong khi bắt nơtron của các nucleon. Hạt nhân hơp phần C* được hình thành có một mức năng lượng kích thích tương ứng với sự khác biệt về khối lượng của phản ứng a  A  C* cộng thêm động năng của các nơtron bị bắt (hình 1.4). Hình 1.4. Các mức năng lượng kích thích của hạt nhân hợp phần Năng lượng tổng trên có thể trùng khớp tuyệt đối với mức năng lượng đang có của hạt nhân hợp phần. Trong trường hợp này, phản ứng sẽ xảy ra với suất lượng cao (cộng hưởng).Từ năng lượng cộng hưởng này, có thể tính toán được các mức năng lượng hạt nhân. Như đã đề cập, giải phóng năng lượng kích thích từ một mức năng lượng đã biết có thể diễn ra theo một vài cách: phát ra hạt (p,n,α…) hoặc 22 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công một photon. Xác suất xảy ra của mỗi quá trình này có thể được biểu diễn như là các độ rộng mức riêng phần:  ,  p ,  n ,   ... (1.17)      p   n    ... Xác suất tương đối khi phát  , p , n,  ... là:  / ,  p / ,  n / ,   / ... (1.18) Xác suất tổng cộng  ( n, x) cho phản ứng (n, x) :  (n, x)   C  x /  (1.19) trong đó  C : xác suất tạo thành hạt nhân hợp phần, x /  : đã được định nghĩa ở công thức (1.18). 1.4. Tiết diện bắt nơtron nhiệt 1.4.1. Khái quát về tiết diện phản ứng Nếu hạt nhân bia A có N hạt nhân/cm 3 , mỗi hạt có diện tích hiệu dụng là [8,24]:   RA2 ( cm 2 ) (1.20) Một chùm nơtron có thông lượng  ( neutrons.cm 2 .s 1 ) bắn phá vào hạt nhân thì số va chạm có thể xảy ra là: Số va chạm/ cm3 / s   N (cm3.s 1 ) (1.21) Giả thiết rằng sự chồng chập về các diện tích hạt nhân là không đáng kể, bia phải là một lá kim loại rất mỏng. Công thức (1.21) chỉ ra rằng số va chạm tỷ lệ với thông lượng và số hạt nhân bia trong 1 cm3 . Hằng số tỷ lệ () chính là tiết diện của phản ứng hạt nhân. Từ đây suy ra:  col (cm2 )  so va cham(cm 3.s 1) )  (cm2 .s 1 ).N (cm3 ) (1.22) Tiết diện phản ứng hạt nhân có đơn vị là diện tích ( cm 2 ), đơn vị thường sử dụng là barn (b), 1b  1024 cm2 . 23 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công 1.4.2. Tiết diện bắt nơtron nhiệt Nơtron nhiệt là các nơtron có vận tốc v0 trong phân bố Maxwellian tại 20 0 C là 2200 m/s hay có năng lượng là 0.025 eV. a. Tiết diện phản ứng Thực nghiệm cho thấy, đối với Z < 88 thì tất cả các phản ứng xảy ra với tiết diện  ( n,  ) (trừ các trường hợp đã được định trước). Tốc độ phản ứng với thông lượng nhiệt nhất định có thể được rút ra từ tiết diện  0 tương ứng với vận tốc  0 trong điều kiện  ( ) 1 /  . Một số tác giả khác định nghĩa tiết diện phản ứng là tổng của tất cả các tiết diện của các tương tác, trừ tán xạ đàn hồi [8]. Tiết diện hấp thụ,  abs là tiết diện phản ứng đặc trưng được đo bằng cách quan sát chính phản ứng đó khi mà nơtron bị hấp thụ. Phương pháp chung được sử dụng trong việc tính tiết diện này đã được đề xuất bởi Hughes: Dao động chồng chập,sự chênh lệch   2 /   0t , một số phương pháp ngoại suy. Đối với phương pháp kích hoạt, tiết diện hấp thụ là đại lượng rất quan trọng để tính toán các hiệu ứng che chắn nơtron. Tiết diện kích hoạt  act , chủ yếu đối với nơtron nhiệt là  ( n,  ) , hoặc là  ( n, p ),  (n,  ),  ( n, f ) …được xác định thông qua hoạt độ của hạt nhân sản phẩm. Trong phương pháp kích hoạt, từ giá trị của  act có thể tính toán được hoạt độ tạo ra bởi các phản ứng hạt nhân cho trước. b. Tiết diện tán xạ Tiết diện tán xạ thường là không thay đổi trong vùng năng lượng nhiệt. Chúng đặc biệt quan trọng cho các hạt nhân nhẹ hoặc tại các nơtron năng lượng cao hơn. Về mặt vật lý, có thể chia ra làm một số loại tán xạ, tương ứng với tiết diện: tiết diện tán xạ liên kết (  coh ), tiết diện nguyên tử tự do (  fa ), 24 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công tiết diện tán xạ trung bình (  s ), tiết diện tán xạ vi phân ( d / d  ) đối với tán xạ ở 1 góc khối cho trước ( , ) [8]. c. Tiết diện toàn phần T Tiết diện toàn phần bao gồm cả tiết diện tán xạ và tiết diện hấp thụ [8,13,24] :  T   abs   s (1.23) Khi nơtron tương tác với mẫu thì một phần nơtron sẽ bị mất đi do tán xạ hay hấp thụ. Trong rất nhiều trường hợp, hạt nhân phóng xạ được hình thành do hấp thụ. Nếu phản ứng chỉ cho 1 đồng vị phóng xạ thì  act  abs (1.24) Trong trường hợp nguyên tố có nhiều đồng vị thì  abs không được xác định bởi các đồng vị tự nhiên riêng lẻ mà tuân theo công thức sau [24] :  abs   act  1act1   2 act 2   3act3  ... (1.25) với  là độ phổ cập đồng vị. Nếu nơtron bị bắt bởi các đồng vị bền thì  act   abs Nơtron nhiệt bị hấp thụ gần như hoàn toàn bởi 114 (1.26) 113 Cd trơ từ phản ứng ( n,  ) . Vì thế mà  act  abs d. Tiết diện vĩ mô Cd , hình thành (1.27)  Tất cả các tiết diện được định nghĩa ở trên gọi là các tiết diện vi mô khi ta đề cập tới các hạt nhân riêng lẻ. Tiết diện vĩ mô được định nghĩa như sau [8,13,24] :    N  trong đó:  NA (1.28) A  là mật độ khối lượng ( g.cm3 ) A là số khối của nguyên tử 25 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công N A là số Avogadro N là số nguyên tử trên cm3  là tiết diện vĩ mô ( cm 1 ) Tiết diện hấp thụ hay tán xạ vĩ mô cũng có thể được tính bằng công thức sau:     i Ni (1.29) i e. Các thông số cộng hưởng Một số tài liệu đã cho các bảng liệt kê về các thông số cộng hưởng và đường biểu diễn tiết diện nơtron. Thực vậy, tiết diện  phụ thuộc vào năng lượng và hiện tượng cộng hưởng có thể xảy ra tại một năng lượng nhất định. Số liệu cho trong các bảng bao gồm: Năng lượng cộng hưởng E0 ( Er , Tr ) , độ rộng mức toàn phần  và các độ rộng mức  ,   ,  ,  n ,  f … Đối với các hạt nhân nặng, cộng hưởng hầu như là từ phản ứng ( n,  ) . Tuy nhiên đối với các hạt nhân nhẹ, cộng hưởng chủ yếu là do tán xạ và đôi khi là từ phản ứng ( n,  ) hoặc ( n, p ) . f. Tiết diện bắt nơtron nhiệt và tích phân cộng hưởng Tiết diện bắt nơtron thường được chia làm 3 vùng (hình 1.5): Vùng năng lượng thấp, đối với hầu hết các hạt nhân, tiết diện bắt phát xạ phụ thuộc vào 1/ . Do tốc độ của nơtron tỷ lệ với , có thể rút ra tiết diện bắt nơtron nhiệt phụ thuộc vào 1/ trong đó  là vận tốc của nơtron tới. Tiết diện phản ứng bắt nơtron tại năng lượng nhiệt (0.025 eV) có xác xuất lớn nhất. Vùng năng lượng trên vùng 1/v được gọi là vùng cộng hưởng, tiết diện bắt nơtron của cộng hưởng riêng biệt trong vùng này có thể được biểu diễn theo công thức công thức Breit- Wigner [4, 22]: n,   2n g n  (E  E r )    2 2 26 2 (1.30) Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công trong đó E là năng lượng nơtron, E r là năng lượng cộng hưởng,  n là bước sóng của nơtron, n ,   là độ rộng riêng phần đối với nơtron và bức xạ gamma, =  n +  ;  là bước sóng của nơtron: = ℏ = . × , trong đó E n là năng lượng nơtron (MeV); g là hệ số thống kê, là thước đo xác xuất tạo thành trạng thái hợp phần. Các nơtron tới trên nhiệt làm cho hạt nhân bia đạt đến các trạng thái cộng hưởng và cuối cùng phân rã về trạng thái cơ bản. Tổng của tất cả các cộng hưởng này được gọi là tích phân cộng hưởng I. Đoạn đầu của các cộng hưởng này được tạo bởi các nơtron có năng lượng thấp hơn đóng góp vào tiết diện nơtron nhiệt  .Các cộng hưởng ở vùng sau các cộng hưởng riêng biệt thường chồng chập nhau rất phức tạp và khó có thể xác định được một cách riêng lẻ. Do đó người ta thường xác bằng giá trị tích phân cộng hưởng I. Ở vùng năng lượng nhiệt, tiết diện tỉ lệ nghịch với vận tốc  có thể được rút ra từ công thức Breit- Wigner (1.30). Vùng thứ ba, tiết diện bắt nơtron giảm rất nhanh theo năng lượng của nơtron. Hình 1.5 biểu diễn tiết diện bắt nơtron như là một hàm của năng lượng. Hình vẽ có thể chia làm 3 vùng tương ứng với dải năng lượng của nơtron nhiệt, nơtron trên nhiệt và nơtron nhanh. 27 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công Hình 1.5. Tiết diện của phản ứng 181 Ta(n, ) 182 Ta theo năng lượng 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 239 Pu, 241 Am, 252 Cf .vv.. phân rã ra hạt alpha, hạt alpha này lại cho tương tác với 9 Be tạo ra nơtron theo phản ứng: 4 He + 9 Be  n + 12 C + 5.7MeV Ngoài 9 Be 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 28 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công 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]  + 9 Be  n + 8 Be (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 124 Sb, 24 Na, 140 La, 72 Ga,...có năng lượng khoảng từ 2 – 3 MeV và thường chỉ sử dụng hai loại bia nhẹ là 9 Be và 2 H qua các phản ứng hạt nhân 9 Be(γ,n) 8 Be và 2 H(γ,n) 1 H. 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 môi trường vật chất nguồn. Suất lượng loại nguồn này khoảng 10 5 n/s. - Nguồn nơtron từ sự phân hạch của 252 Cf: Trong các nguồn nơtron đồng vị thì đây là nguồn thường được sử dụng hơn cả. Đồng vị 252 Cf 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: 252 Cf  140 Xe + 108 252 Cf  140 Cs + 109 Ru + 4n +Q. Tc + 3n +Q. Năng lượng trung bình của nơtron được phát ra từ nguồn này cõ 1.5MeV và suất lượng có thể lên tới 10 9 n/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 thông lượng lớn có thể đến10 15 n/cm 2 /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: n+ 92 U 235  56 Ba 137 + 36 Kr 97 +2n 29 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công 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 < E n  0.1eV - Nơtron trung gian 0.1eV < E n  100 keV - Nơtron nhanh 100 keV < E n  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 dòng 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 H(d, n) 3 He ; Q=3.268 MeV 3 H(d, n) 4 He ;Q=17.588 MeV Phản ứng 3 H(d,n) 4 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 2 H(d,n) 3 He cho nơtron năng lượng thấp (2-4 MeV), còn phản ứng 3 H(d,n) 4 He cho năng lượng cao (13-15 MeV). Suất lượng nơtron phụ thuộcvào năng lượng chùm đơteron. Năng lượng của nơtron phát ra trong 30 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công 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. 31 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN BẮT NƠTRON NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG 181 Ta(n,) 182 Ta 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. 2.1. Thiết bị thí nghiệm 2.1.1.Máy gia tốc thẳng và nguồn nơtron xung trên máy gia tốc electrontuyến tính năng lượng 100 MeV - Nguyên tắc hoạt động của máy gia tốc thẳng LINAC Nguyên lý chung của máy gia tốc linac là các hạt được đưa vào các ống gia tốc có chứa các điện cực và được gia tốc bởi điện trường xoay chiều có tần số cao đặt tại các trạm giữa các điện cực. Hạt chuyển động theo một đường thẳng. Các hạt chuyển động qua ống sẽ được gia tốc trong các khoảng trống giữa các điện cực nếu có sự phù hợp giữa pha của sóng điện từ và tốc độ hạt. Khoảng cách giữa các điện cực tăng dần dọc theo chiều dài của ống để đảm bảo sự phù hợp về pha.Để đảm bảo sự đồng bộ khi hạt 32 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công chuyển động trong các ống thì thời gian chúng chuyển động trong các ống phải bằng nhau. Độ dài các ống phải tăng dần vì năng lượng và tốc độ hạt tăng dần. Đây là nguyên lý gia tốc kiểu Alvarez được áp dụng chủ yếu với proton và các ion nặng. Đối với electron do tốc độ rất lớn, do đó cần phải tăng kích thước ống rất dài, điều này là khó có thể thực hiện được. Do chiều dài ống tỷ lệ với βλ, trong đó β là vận tốc tương đối, λ là bước sóng, nên có thể thu ngắn các ống bằng việc sử dụng có một nguồn siêu cao tần để gia tốc hạt.Pha của các tín hiệu ở mỗi trạm được điều chỉnh sao cho các electron có thể liên tục nhận được năng lượng từ sóng chuyển động và nó đạt tới vị trí đỉnh của sóng ở điểm cuối của những ống dẫn sóng, như vậy các electron liên tục được gia tốc.Việc hội tụ dòng electron được thực hiện bởi từ trường được tạo ra từ các nam châm điện bên ngoài ống dẫn sóng. Các electron chuyển động theo một đường thẳng. Các ống thường có cấu trúc đặc biệt để có thể gia tốc electron theo kiểu sóng chạy hoặc sóng đứng. Đối với gia tốc kiểu sóng đứng: các electron được phát ra từ một súng điện tử và được đưa vào ống gia tốc.Các điện tử chịu tác dụng của sóng siêu cao tần trong đó thành phần điện trường gia tốc chạy dọc theo trục của ống dẫn sóng. Các điện tử được phát thành chùm dưới dạng xung và cưỡi lên trên đỉnh sóng.Tốc độ điện tử phù hợp với tốc độ pha của sóng siêu cao tần để điện tử có thể liên tục nhận năng lượng từ điện trường sóng siêu cao tần. Nguyên lý gia tốc kiểu sóng đứng: Dựa trên nguyên tắc tạo sóng đứng do sự giao thoa giữa sóng tới và sóng phản xạ. Năng lượng được phản xạ trước và sau ở điểm cuối của hốc cộng hưởng. Để tạo ra sóng đứng người ta dùng các hốc đặt nối tiếp giữa các ống dẫn sóng để tạo độ lệch pha 180 0 giữa các hốc. 33 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công Kiểu gia tốc sóng chạy thường sử dụng đối với các hạt nhẹ gần với vận tốc ánh sáng. Kiểu gia tốc sóng đứng gia tốc các hạt tốc độ chậm hơn Thông thường máy gia tốc linac hoạt động với từ trường biến đổi dạng sin và được gọi là gia tốc RF (radio frequency). Trường gia tốc RF được tạo trong một thể tích giới hạn còn gọi hốc gia tốc (cavity).Sóng cao tần thường được phát ra từ một đèn Magnetron đối với các máy công suất nhỏ hoặc từ các Klystron với loại công suất lớn.RF linac hoạt động trong giải tần số từ vài MHz tới vài GHz. Chúng thích hợp cho việc gia tốc các hạt nhẹ như electron (giải tần GHz) cũng như các hạt nặng hơn như proton (giải tần MHz). Nguồn hạt: electron được phát ra từ các loại nguồn catôt lạnh, catôt nóng, catôt quang điện, nguồn RF… proton phát ra từ các loại nguồn ion khác nhau. -Nguồn nơtron xung trên máy gia tốc electrontuyến tính năng lượng 100 MeV Nguồn nơtron xung được sử dụng trong nghiên cứu được tạo ra trên máy gia tốc electron tuyến tính (linac) và qua hệ thống làm chậm bằng nước. Nguyên tắc tạo ra chùm nơtron từ các máy gia tốc điện tử như sau:trước hết, chùm electron đã được gia tốc bắn vào một bia hãm làm bằng kim loại nặng, nhiệt độ nóng chảy cao như Ta hoặc W để tạo ra bức xạ hãm. Bức xạ hãm sau khi được sinh ra sẽ tạo ra phản ứng quang hạt nhân (,xn) để giải phóng một hoặc nhiều nơtron. Các phản ứng quang hạt nhân là phản ứng ngưỡng. Vì vậy để có thể gây ra phản ứng chùm photon phải có năng lượng lớn hơn ngưỡng của phản ứng. Đối với các hạt nhân nặng, phản ứng (,n) đóng vai trò chính trong vùng cộng hưởng khổng lồ. Phần lớn các nơtron sinh ra theo cơ chế bay hơi, có năng lượng thấp và phân bố gần như đẳng hướng. Một tỷ lệ thấp và chủ yếu là các nơtron năng lượng cao được tạo ra từ các tương tác trực 34 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công tiếp của electron và photon hãm với các hạt nhân bia. Tiết diện tương tác của electron với hạt nhân nhỏ hơn 1/137 lần so với tương tác của photon với hạt nhân nên đóng vai trò 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 được đặt phía sau bia hãm sinh ra nơtron. Các vật liệu nặng, số Z lớn có năng lượng liên kết nơtron thấp và mật độ cao nên cho suất lượng phát nơtron lớn. Riêng trường hợp của Be và D, mặc dù số Z nhỏ nhưng năng lượng liên kết nơtron của chúng thấp một cách bất thường và năng lượng ngưỡng của các phản ứng (,n) thấp (1,67 MeV đối với Be và 2,22 MeV đối với D), nên cũng thường được sử dụng làm bia để tạo ra nguồn quang nơtron. Năng lượng của nơtron sinh ra từ các phản ứng quang hạt nhân (quang nơtron) phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng của bức xạ hãm và số khối của hạt nhân bia. F. Jallu đã đưa ra biểu thức tính gần đúng năng lượng của nơtron (E n )đối với các electron có động năng trong khoảng từ 5  25 MeV như sau:   2( A  1)( k  Es ( ,n ) )  A 1  k2 En  k  E s (  ,n )  k   A  1862( A  1)   931A3  1/ 2 cos  (2.3) trong đó, k là năng lượng của photon (MeV), A là số khối của bia, E s(,n) là năng lượng ngưỡng của phản ứng (MeV),  là góc phát xạ của các nơtron so với trục của chùm electron (độ). Từ biểu thức (2.3) ta thấy năng lượng của nơtron thay đổi chậm theo góc phát xạ, đặc biệt là với các nguyên tố nặng. Suất lượng phát nơtron (n/s) có thể biểu diễn bằng công thức dưới đây:  n ( E)  N0    t   T (E)   e M (2.4) trong đó M, , và t là khối lượng nguyên tử, mật độ và bề dày của bia, N 0 là số Avogadro,  e là thông lượng chùm electron tới (electron/s),  T là 35 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công 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 được tạo ra trên máy gia tốc electron tuyến tính có năng lượng 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 được gia tốc bởi điện trường tần số cao đặt tại các trạm trên ống gia tốc. Độ dài của các phần ống gia tốc liên tiếp được 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 được tạo ra dưới dạng xung từ các súng bắn điện tử (RF-gun). Pha của các tín hiệu ở mỗi trạm được điều chỉnh sao cho các electron có thể liên tục nhận được năng lượng từ sóng chuyển động và nó đạt tới vị trí đỉnh của sóng ở điểm cuối của những ống dẫn sóng, như vậy các electron liên tục được gia tốc. Việc hội tụ dòng electron được thực hiện bởi từ trường được tạo ra từ các nam châm điện bên ngoài ống dẫn sóng. Các electron chuyển động theo một đường thẳng. Máy gia tốc electron tuyến tính 100 MeV tại Trung tâm Gia tốc Pohang, Hàn quốc (xem hình 2.1), có sơ đồ nguyên lý cấu tạo như trên hình (2.2). Hình 2.1. Máy gia tốc electron tuyến tính 100 MeV tại Pohang,Hàn Quốc 36 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công Hình2.2.Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính 100 MeV. QD: Cặp đôi nam châm tứ cực; BTC: Bộ phận chuyển chùm tia thành dòng; FS: Bộ hội tụ điện từ; AC: Ống gia tốc; SC: Cuộn lái dòng; QT: Bộ ba nam châm tứ cực; ORT: Bộ chuyển đổi bức xạ quang; BPRM: Bộ phận ghi nhận giám sát chùmtia. Các bộ phận chính của máy gia tốc bao gồm: nguồn phát electron (RF-gun), một nam châm alpha, ba cặp đôi 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 dòng (beam analyzing magnet), một nam châm điều tiêu (focusing magnet), một bộ phát sóng cao tần và cung cấp năng lượng (klytron),… Toàn bộ máy gia tốc dài 15 mét. Máy gia tốc electron tuyến tính 100 MeV ở Pohang có thể gia tốc chùm electron tới năng lượng 100 MeV, dòng đạt 100 mA, độ rộng xung 1 4 s, tần số của xung 1015 Hz. Bán kính của chùm electron ở monitơ dòng trước bia là 20 mm. Bia tạo quang nơtron bao gồm 10 tấm Ta có đường kính 4.9 cm, dày 7.4 cm, giữa các tấm Ta là lớp nước dày 0.15 cm. Bia Tađược bọc trong ống làm bằng Titanium.Theo các tính toán bằng phương pháp Monte-Carlo với chương trình EGS4, ở chế độ làm việc với năng lượng electron 40 MeV, dòng 40 mA, suất lượng nơtron đạt được là 210 12 n.sec -1 .kW -1 .[31] 37 Luận văn Thạc sĩ Nguyễễn Minh Công Cơ chế tạo o chùm nơtron xung trên máy gia tốc t c electron tuy tuyến tính như sau:Khi đi vào môi trường trư vật chất, t, chùm electron năng lư lượng cao sẽ bị mất năng lượng chủ ủ yếu do hai quá trình là ion hóa do va ch chạm và phát bức xạ hãm. Sự phát bức b xạ hãm là kết quả của việcc các electron đư được gia tốc tương tác với trườ ờng Coulomb của các hạt nhân bia dẫnn đđến quỹ đạo của chúng bị thay đổii và bị b hãm lại. Các photon hãm tiếp tục tương tác với các hạt nhân bia Ta tạo ra chùm nơtron dạng xung. [31] Để tạo ra trường nơtron bia Ta đư được đặt ở chính giữa một hệ nhiệt hóa nơtron bằng nước tinh khiết,, có d dạng hình trụ được làm bằng ng nhôm (Al) có bbề dầy 0.5 cm, đường ng kính 30 cm và cao 30 cm (hình 2.3) . Các nghiên cứu u chi tiết ti về nguồn nơtron tạo ra trên máy gia tốcc cho biết bi nơtron được sinh ra ở vùng cộng ng hưởng hư lưỡng cực khổng lồ bao gồm một tỉ lệệ lớn các nơtron sinh ra do cơ chế bay hơi và m một phần nhỏ các nơtron với năng lượng ng cao đư được sinh ra trực tiếp p khi electron hay photon tương tác v với bia. Nơtron đượcc tạo t ra từ bia Ta khi không có hệ làm chậm m bằng b nước có dạng phân bố năng lượng ng Maxwellian. Ph Phổ nơtron đã được làm chậm m bằng b nước dịch chuyển về vùng năng lượng ng th thấp do hiệu ứng làm chậm của nướcc (hình 2.3). Để tăng số nơtron nhiệt, cần mựcc nư nước cao từ 3- 5 cm tính từ bề mặt củaa bia Ta. Trong nghiên cứu c này sử dụng cộtt nước nư cao 5 cm để làm chậm nơtron.Hình ình 5 cho biết bi phân bố của nơtron nhiệt trên bề m mặt của hệ làm chậm, nơi sẽ đặt các mẫu u kích ho hoạt được đo thông qua hoạt độ của phảản ứng hạt nhân 197 Au(n,)198Au. 38 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công Hình 2.3.Cấu tạo của bia Ta và hệ làm chậm nơtron Hình 2.4.Phân bố năng lượng nơtron ở bia Ta đối với làm chậm bằng nước, không làm chậm bằng nước và phân bố Maxwellian 2.1.2. Hệ phổ kế gamma Hệ phổ kế gamma bao gồm Detector và khối phân tích xử lý số liệu. Detector được dùng trong hệ phổ kế gamma thường là detector nhấp nháy hoặc detector bán dẫn. Đối với detector nhấp nháy có ưu điểm là hiệu suất ghi cao tuy nhiên phân giải năng lượng lại không bằng detector bán dẫn, do vậy với những hệ phổ kế gamma cần độ phân giải năng lượng cao thường dùng detector bán dẫn. Hiện nay cần ghi phổ với chất lượng cao thường dùng detector bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết (HPGe), (hình 2.5). 39 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công Hình 2.5. Sơ đồ làm việc của hệ phổ kế gamma với detector HPGe Nguồn cao thế cung cấp điện áp một chiều cho detector. Khi bức xạ gamma đi vào detector bán dẫn, tương tác của bức xạ gamma với vật chất sẽ tạo ra một cặp điện tử-lỗ trống, và dưới tác dụng của điện trường các điện tử, lỗ trống sẽ chuyển động có hướng về các điện cực và sẽ tạo nên một dòng điện dạng xung, độ lớn của xung dòng sẽ tỉ lệ với năng lượng của bức xạ gamma mất đi trong detector. Tín hiệu rất bé thu được từ detetor được khuếch đại một cách tỷ lệ qua bộ tiền khuếch đại. Khối phân tích bao gồm khuếch đại chính và khối phân tích đa kênh MCA (Multi Channel Analyzer). Tín hiệu lối ra tiền khuếch đại chỉ vào khoảng vài chục đến vài trăm mV. Vì vậy, tín hiệu lối ra tiền khuếch đại được đưa vào bộ khuếch đại chính để khuếch đại biên độ tín hiệu lên đến khoảng giá trị thích hợp cho việc tính toán dễ dàng và chính xác. Ngoài ra trong khối này còn có các mạch tạo dạng xung để cải thiện tỷ số tín hiệu/ồn (S/N) và ngăn ngừa sự chồng chập xung. Sau đó, tín hiệu được đưa qua bộ MCA để đo biên độ xung. Bộ MCA hoạt động dựa trên nguyên lý biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số tương đương. Khối chức năng cơ bản của bộ MCA là bộ biến đổi tín hiệu số ADC (Analog to Digital Converter) và bộ nhớ. Khi một xung được ADC chuyển từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, bộ phận điều khiển máy phân tích sẽ tìm tới vị 40 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công trí bộ nhớ tương ứng với biên độ đã được số hóa và dung lượng của vị trí đó sẽ được tăng thêm một đơn vị. Nếu các xung đi vào ADC trong lúc ADC đang bận số hóa tín hiệu trước đó thì cổng lối vào sẽ chặn các xung này, do đóc số xung này sẽ bị mất. Để xác định thời gian đo thực thì MCA dùng đồng hồ thời gian sống mà xung ở lối ra của nó được đưa tới sơ đồ khóa và được ghi lại tại kênh zezo trong bộ nhớ. Số xug đồng hồ bị mất bằng với số xung tín hiệu bị bỏ sót trong thời gian cổng lối vào đóng. Do đó không phải hiệu chỉnh thời gian chết khi xử lý kết quả đo. Khối xử lý gồm máy tính cá nhân đã cài đặt phần mềm phân tích phổ gamma để ghi nhận tín hiệu từ MCA. Kết quả cho ta hình ảnh phân bố xungtheo biên độ xung, tức là một phổ gamma theo năng lượng mà detector đã hấp thụ được. Trong nghiên cứu đã sử dụng hệ phổ kế gamma bao gồm các thành phần sau: Detector bán dẫn Germani siêu tinh khiết (HPGe), ORTEC-USA, Model GEM-20180-p, Serial No.39-TP21360A Tiền khuếch đại: ORTEC, Model 257P, Serial No.501 Khuếch đại tuyến tính: Amplifier 572 (ORTEC) Máy phân tích biên độ 8192 kênh: Spectrum Master 919 Nguồn cao áp +2kV, BIAS SUPPLY 659 Máy tính sử dụng phần mềm Gamma Vision. Độ phân giải năng lượng (FWHM) 1.8 keV tại đỉnh 1332 keV của 0 Co. 2.2. Thí nghiệm xác định tiết diện phản ứng 181 Ta(n,) 182 Ta 2.2.1. Chuẩn bị mẫu nghiên cứu Để thực hiên nghiên cứu này cần sử dụng 3 loại mẫu: Mẫu nghiên cứu (Ta), mẫu chuẩn (Au) và mẫu (In) dùng để hiệu chỉnh sự thay đổi thông lượng của nơtron nhiệt (monitor). 41 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công Trong nghiên cứu phản ứng hạt nhân sử dụng phương pháp kích hoạt phóng xạ thì chất lượng của các mẫu thực nghiệm rất quan trọng. Chất lượng của mẫu và mẫu chuẩn ảnh hưởng trực tiếp tới kết quả đo hoạt độ phóng xạ, tới việc xác định thông lượng của nơtron và những yếu tố này có liên quan trực tiếp tới chất lượng của kết quả nghiên cứu. Các tham số kỹ thuật cơ bản của mẫu là độ tinh khiết (độ sạch), độ chính xác của hàm lượng nguyên tố hoặc đồng vị, kích thước và trạng thái mẫu. Trong nghiên cứu này cả 3 loại mẫu nêu trên đều ở dạng lá kim loại có độ sạch và hàm lượng đồng vị cao.2 mẫu Ta, 2 mẫu Au và 4 mẫu In được cắt theo kích thước 12 mm x 12 mm từ các lá kim loại Ta, Au và In.Đặc trưng của cả 3 mẫu Ta, Au và In xem trong bảng 2.1. Bảng 2.1. Đặc trưng của các mẫu Ta, Au và In Kích thước Bề dầy (mm) (mm) Ta1 12x12 0.05 0.1138 99.9 Ta2 12x12 0.05 0.1139 99.9 Au1 12x12 0.03 0.0704 99.95 Au2 12x12 0.03 0.0692 99.95 In1 12x12 0.05 0.0509 99.95 In2 12x12 0.05 0.0483 99.95 In3 12x12 0.05 0.0511 99.95 In4 12x12 0.05 0.0500 99.95 In5 12x12 0.05 0.0511 99.95 In6 12x12 0.05 0.0500 99.95 Tên mẫu 42 Kh.lượng (g) Độ tinh khiết (%) Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công 2.2.2. Kích hoạt mẫu Như đã trình bày ở các phần trên, sau khi kích hoạt cần xác định hoạt độ phóng xạ của tất cả các mẫu. Do đó không những cần đo hoạt độ gamma của các mẫu mà còn phải xác định cả thông lượng của nơtron chiếu trên từng mẫu. Chính vì vậy trong thí nghiệm này đã chọn giải pháp (1) chiếu đồng thời cả 3 loại mẫu Ta, Au và In và (2) các mẫu kích hoạt được đặt xen kẽ nhau trên cơ sở đó căn cứ vào hoạt độ của các lá In có thể ngoại suy ra thông lượng nơtron chiếu trên các mẫu Ta và Au. Muốn xác định được cả tiết diện bắt nơtron nhiệt và tích phân cộng hưởng cần kích hoạt 2 mẫu nghiên cứu (Ta1 và Ta2) và 2 mẫu chuẩn Au1 và Au2), trong đó một mẫu chiếu trực tiếp (bare) còn mẫu thứ hai bọc lá Cadmium dày 0.5 mm. Để giám sát thông lượng nơtron đã sử dụng 4 mẫu In và đặt cạnh với các mẫu Au và Ta. Các mẫu kích hoạt được sắp xếp và đưa vào vị trí kích hoạt trên hệ làm chậm nơtron có thể xem trên hình 2.6. Chế độ kích hoạt mẫu được cho trong bảng 2.2 Hình 2.6. Bố trí thí nghiệm kích hoạt mẫu trên bề mặt hệ làm chậm nơtron bằng nước. Bảng 2.2. Chế độ kích hoạt mẫu 43 Luận văn Thạc sĩ Năng lượng chùm Nguyễn Minh Công Thời gian Dòng Độ rộng chiếu electron xung 160phút 65 mA 0.2µs electron 55 MeV Tốc độ lặp 15Hz 2.2.3. Đo hoạt độ phóng xạ của các mẫu sau khi kích hoạt Sau khi chiếu hoạt độ phóng xạ của các mẫu được đo trên hệ phổ kế gamma sử dụng đêtectơ bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết (HPGe). Đêtectơ HPGe với đường kính 59.2 mm, dày 30 mm được ghép nối với máy tính và hệ phân tích biên độ nhiều kênh để xác định diện tích đỉnh phổ của tia gamma thông qua chương trình Gamma vision. Độ phân giải năng lượng của đêtectơ là 1.8 keV tại đỉnh có năng lượng 1332.5 keV của 60 Co. Hiệu suất ghi tuyệt đối của đỉnh quang điện và hiệu suất toàn phần của Detector HPGe đã được xác định bằng việc sử dụng các nguồn chuẩn gamma.Việc ghi nhận và xử lý phổ gamma thông qua phần mềm Gamma vision. Phổ kế gamma đa kênh có ưu điểm hơn hẳn so với máy đếm đơn kênh. Nó không chỉ đơn thuần đếm số hạt bay đến detector mà còn phân biệt chúng theo năng lượng. Vì sản phẩm sau phản ứng gồm nhiều đồng vị khác nhau, phát ra các bức xạ gamma có năng lượng khác nhau, do đó việc sử dụng phổ kế gamma đa kênh giúp cho ta có thể nhận diện được các đồng vị tạo thành và xác định suất lượng của chúng. Phần mềm gammaVision (gamma Analysis for window) version 5.10 là phần mềm cài đặt trên máy tính được kết nối với bộ phân tích đa kênh (MCA) dùng để ghi đo, tính toán, phân tích phổ gamma. Sau khi kích hoạt, sẽ tiến hành đo hoạt độ của các mẫu In trước do đồng vị 116 In có thời gian bán rã ngắn hơn nhiều so 182 Ta và 198 Au có thời gian bán rã của là tương đối dài. Thời gian các phép đó có thể thay đổi từ vài chục phút tới vài giờ, phụ thuộc vào thống kê của đỉnh tia gamma 44 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công được quan tâm. Để giảm thiểu tới mức thấp nhất các sai số gây ra do quá trình chồng chập hay cộng đỉnh, trong các phép đo các mẫu được đặt ở các vị trí thích hợp từ 1 cm cho tới 10 cm tính từ bề mặt đêtectơ.Trong các phép đo, thời gian chết được hạn chế dưới 2 %. Trong thí nghiệm, các phổ gamma được đo nhiều lần với thời gian đo và thời gian phân rã khác nhau nhằm ghi nhận được các đồng vị có thời gian bán rã khác nhau và giảm thiểu các sai số thống kê cũng như sai số hình học đo. 2.2.4. Phân tích phổ gamma Phổ gamma ghi nhận bao gồm một số đỉnh hấp thụ toàn phần của vạch bức xạ gamma nằm trên một nền Compton liên tục. Đỉnh này là kết quả tương tác của bức xạ gamma với vật liệu đêtectơ. Mục đích chính của việc phân tích phổ gamma là xác định năng lượng và diện tích các đỉnh phổ làm cơ sở cho việc nhận diện nguyên tố và xác định hoạt độ phóng xạ. Trong thực nghiệm, năng lượng của bức xạ gamma ứng với các đỉnh hấp thụ toàn phần có thể xác định bằng việc chuẩn năng lượng. Hoạt độ phóng xạ được xác định dựa trên diện tích của các đỉnh phổ. Có hai phương pháp chính để xác định diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần phổ bức xạ gamma mà thiết bị ghi nhận được là phương pháp số và phương pháp làm khớp. Trong phương pháp làm khớp, diện tích đỉnh phổ gamma thường được xác định bằng việc làm khớp các số liệu đo được với một hàm giải tích thích hợp và tích phân hàm đó để tính diện tích đỉnh. Hàm này sẽ chứa các tham số tự do và chúng được tìm bmay ằng thuật toán làm khớp bình phương tối thiểu phi tuyến. Thông thường chọn dạng hàm Gauss để mô tả đỉnh hấp thụ toàn phần. Với một phổ lý tưởng đỉnh hấp thụ toàn phần có thể được biểu diễn một cách chính xác bởi hàm Gauss: f x  Y  e 45  x  X  2 2 2 (2.5) Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công trong đó Y là biên độ, X là vị trí tâm,  là độ lệch chuẩn của hàm Gauss (FWHM  2.35). Trong thực tế đỉnh có thể có đuôi chủ yếu ở phía năng lượng thấp của đỉnh, đặc biệt là khi tốc độ đếm lớn. Do đó hầu hết các hàm đều bao gồm phần chính có dạng Gauss cộng thêm số hạng hiệu chỉnh tính đến phần đuôi của đỉnh. Người ta thường sử dụng hàm e – mũ cho phần đuôi của đỉnh phổ. Các hàm biểu diễn dạng của phông thường được xây dựng với hai phần: phần thứ nhất thường là một đa thức bậc nhất mô tả phần phông bên trái năng lượng cao của đỉnh và nằm dưới toàn bộ vùng đỉnh; phần thứ hai là một hàm mô tả sự tăng dần xấp xỉ bước đối với bên năng lượng thấp của đỉnh. Phông nằm dưới chân đỉnh thường được mô tả bằng một đa thức bậc hai. Đối với trường hợp cần phân tích các đỉnh chập nhau, người ta thường dùng hàm khớp là tổng của các hàm với các giá trị khác nhau của các tham số. Ví dụ với trường hợp đỉnh chập đôi có dạng hai hàm Gauss đơn giản: f  x   Y1  e   x  X1  2 2 2  Y2  e  x  X 2  2 2 2 (2.6) trong đó Y 1 , Y 2 là biên độ, X 1 , X 2 là vị trí tâm của hai đỉnh phổ. Hiện nay, việc phân tích phổ thường được thực hiện với sự trợ giúp của các chương trình máy tính. Phân tích phổ sử dụng các chương trình máy tính có tốc độ xử lý nhanh, có thể nhận biết và xử lý hầu hết các đỉnh với chất lượng tốt. Các số liệu thu được cho biết đầy đủ thông tin về phổ gamma bao gồm vị trí năng lượng, diện tích, độ phân giải của các đỉnh gamma, số đếm phông cùng với các sai số phân tích, ngoài ra còn có các thông tin về thời gian đo, thời gian chết, các tham số chuẩn năng lượng, chuẩn hiệu suất ghi,… Tuy nhiên trong nhiều trường hợp, chúng ta vẫn cần thiết phải có những can thiệp trực tiếp như để phát hiện ra những bất thường của phổ, quyết định những phổ hoặc những đỉnh phổ cần xử lý, đối với những đỉnh chập cần phải có những xử lý đặc biệt,… Từ những lý do này mà các chương trình có rất nhiều cách tuỳ chọn, linh 46 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công hoạt và thích hợp với các yêu cầu đặt ra trong việc ghi nhận và phân tích phổ gamma. Trong nghiên cứu đã sử dụng Gamma Vision để xử lý phổ gamma của các mẫu đã kích hoạt, đây là phần mềm phân tích biên độ nhiều kênh chuyên dụng cho phổ bức xạ gamma, được cập nhật thư viện tổng hợp các đồng vị phát gamma có sẵn. Với hệ thống mở cho phép người dùng tự định nghĩa các thư viện khác tùy theo mục đích sử dụng. Về chức năng cơ bản của phần mềm bao gồm ghi nhận (Acquire) phổ gamma mới hoặc gọi một phổ gamma đã có, chức năng ) chuẩn năng lượng, chuẩn hiệu suất ghi (calibrate), chức năng tính toán (Caculate) thông tin đỉnh phổ, giải đếm, làm trơn phổ, tổng số đếm trên đỉnh phổ…, Chức năng phân tích (Analyze) cho phép cài đặt lựa chọn thiết bị dùng để ghi nhận phổ gamma, cài đặt hiệu suất ghi, số đếm phông…, tìm kiếm đỉnh phổ và suất thông tin báo cáo về phổ, phân tích tự động đỉnh phổ tìm được và hiển thị thông tin về đỉnh phổ… và một số chức năng khác. Một số ưu điểm của phần mềm như tự động hiệu chỉnh thời gian chết, tự động tìm vị trí các đỉnh (peak search) và tính diện tích các đỉnh hấp thụ toàn phần (interactive). Tuy nhiên đối với những đỉnh có cường độ nhỏ, chức năng này không sử dụng được, khi đó cần sự can thiệp trực tiếp từ người dùng để xác định vị trí đỉnh và diện tích đỉnh quan tâm. Hình 2.7 dưới là hình ảnh giao diện phần mềm gamma vision được dùng để ghi nhận và phân tích phổ gamma. 47 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công Hình 2.7. Giao diện phần mềm GammaVision 2.2.5. Xác định hiệu suất ghi của đêtectơ Hiệu suất ghi đỉnh quang điện của một hệ phổ kế gamma là một thông số rất quan trọng trong tính toán và phân tích số liệu thực nghiệm. Hiệu suất ghi đỉnh quang điện được định nghĩa như sau: n  E R  E  E  (2.7) trong đó n(E) là tốc độ đếm của đỉnh quang điện có năng lượng E, R(E) là tốc độ phát xạ gamma có năng lượng E từ nguồn. Có thể xác định hiệu suất ghi của đêtectơ bằng tính toán lý thuyết hoặc đo đạc thực nghiệm. Thông thường người ta sử dụng phương pháp thực nghiệm để xác định hiệu suất ghi của đêtectơ. Bằng phương pháp thực nghiệm thì hiệu suất ghi tuyệt đối của đêtectơ được xác định theo biểu thức dưới đây :  abs  E   N A.I  .t m (2.8) 48 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công trong đó N là diện tích đỉnh năng lượng E, A là hoạt độ phóng xạ của nguồn phát tia gamma, I là xác suất phát tia gamma, còn tm là thời gian đo tính bằng giây. Mục đích của việc xác định hiệu suất ghi là thiết lập công thức tính bán thực nghiệm mô tả đường cong hiệu suất trên toàn bộ vùng năng lượng mà chúng ta quan tâm, bằng cách làm khớp các kết quả thực nghiệm với một hàm toán học thích hợp. Với đêtectơ bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết HPGe trong dải năng lượng ghi nhận từ 50 keV tới 2500 keV người ta thường sử dụng hàm khớp có dạng sau : 5 ln    a n  ln  E E 0   n (2.9) n 0 trong đó  là hiệu suất ghi của detector, E là năng lượng tia gamma, E 0  1 keV, a n là các hệ số làm khớp. Hiệu suất ghi của đêtectơ đối với các tia gamma có năng lượng khác nhau được xác định bằng việc sử dụng các nguồn chuẩn keV), 152 2 41 Am (59.541 Eu (121.78 keV, 244.69 keV, 344.28 keV, 411.12 keV, 443.96 keV, 778. 90 keV, 867.38 keV, 964.08 keV, 1085.87 keV, 1112.07 keV, 1408.01 keV). Hình 2.8 biểu diễn đường cong hiệu suất ghi của detector bán dẫn HPGe(ORTEC)tại các vị trí đặt mẫu cách detector: pos1=1.0cm, pos2= 2.0 cm, pos3= 3.0 cm, pos5=5.0 cm 49 Photopeak efficiency (%) Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công Pos.1 Pos.2 Pos.3 Pos.5 10 1 0.1 100 1000 Gamma ray energy (keV) Hình 2.8. Đường cong hiệu suất ghi đỉnh quang điện của Detector bán dấn HPGe(ORTEC) sử dụng trong nghiên cứu Bảng 2.3. Giá trị các hệ số làm khớp hàm đối với Detector PGe(ORTEC) a0 a1 a2 a3 a4 a5 Pos.1 -608.03104 487.72981 -154.66089 24.37951 -1.91392 0.05984 Pos.2 -596.19546 476.26834 -150.46269 23.62523 -1.84735 0.05753 Pos.3 -608.83736 487.72981 -154.66089 24.37951 -1.91392 0.05984 Pos.5 -601.25285 480.25452 -152.01101 23.91494 -1.87357 0.05845 2.3. Phương pháp xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt 2.3.1. Xác định tốc độ phản ứng hạt nhân Trong nghiên cứu này đã sử dụng phương pháp kích hoạt nơtron để xác định tiết diện của phản ứng.Nguyên lý của phương pháp này là biến các đồng vị bền thành những đồng vị phóng xạ thông qua các phản ứng hạt nhân. Sau đó, trên cơ sở đo năng lượng của các tia gamma và chu kỳ bán rã của các đồng vị phóng xạ nói trên có thể nhận diện được các sản phẩm tạo thành sau phản ứng hạt nhân. Để nâng cao độ chính xác của kết quả nghiên cứu, trong thực nghiệm đã lựa chọn các giải pháp kỹ thuật 50 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công thích hợp liên quan tới vấn đề đo, phân tích số liệu và hiệu chỉnh các nguồn sai số. Trong thời gian kích hoạt đồng thời diễn ra hai quá trình sau [1] : 1. Quá trình tạo thành hạt nhân phóng xạ từ hạt nhân bền (hạt nhân bia), quá trình này làm tăng số hạt nhân phóng xạ trong thời gian phản ứng xảy ra hay quá trình chiếu. 2. Quá trình phân rã các hạt nhân phóng xạ làm giảm số hạt nhân phóng xạ có trong bia. Nếu gọi N 0 là số hạt nhân bia,  là thông lượng của bức xạ kích hoạt (n/cm 2 /s),  là tiết diện của phản ứng hạt nhân có thứ nguyên là diện tích (cm 2 ) và đơn vị là barn (b) trong đó 1b= 10 -24 cm 2 ,  là hằng số phân rã (  = 0.693/T 1/2 trong đó T 1/2 là chu kỳ bán rã) có thứ nguyên là (1/s) và N(t) là số hạt nhân phóng xạ tại thời điểm kích hoạt t thì có thể thiết lập được phương trình kích hoạt phóng xạ cơ bản sau đây [1,24]: dN (t ) = N 0f s - l N (t ) dt (2.10) Giải phương trình (2.10) với điều kiện ban đầu là nếu t=0 thì N (t=0) = 0 sẽ thu được nghiệm: N (t ) = N 0f s l (1 - e - l t ) (2.11) Từ phương trình (2.11) suy ra hoạt độ phóng xạ (phân rã/ s) là: A (t ) = l .N (t ) = N 0f s (1 - e - l t ) (2.12) Hoạt độ phóng xạ giảm theo quy luật hàm e-mũ. Do đó nếu gọi thời gian kích hoạt là t i thì hoạt độ phóng xạ tại thời điểm t > t i sẽ là: A (t i , t ) = N 0f s (1 - e - l ti )e- l t (2.13) Trong phương pháp kích hoạt cần phải xác định hoạt độ phóng xạ của mẫu sau khi ngừng chiếu mẫu. Hoạt độ phóng xạ thường được xác định theo phương pháp đo phổ gamma. Để xác định hoạt độ phóng xạ của 51 Luận văn Thạc sĩ Nguyễễn Minh Công mẫu, thường đo mẫu u trong một m khoảng thời gian từ t 1 đến t 2 , với t 2> t 1> t i (t i là thời gian chiếếu mẫu). Tổng hoạt độ phóng xạ hay hoạt ho độ phóng xạ tích phân từ thờii điểm đi t 1 đến t 2 ,N obs (t i ,t 1 ,t 2 ) được xác địịnh theo công thức sau [1,24] : N obs  t i , t1 ,t 2   N 0  1  eti e t d 1  e t c      (2.14) trong đó : N0 là số hạtt nhân bia  là thông lượng ng bbức xạ kích hoạt (n/cm2/giây)  là tiết diện của ủa ph phản ứng hạt nhân (cm2)  là hằng số phân rã (1/s). (1/ t d  t 1  t i là thời th gian nghỉ hay thời gian phơi mẫu u t c  t 2  t 1 là khoảng kho thời gian đo. Hoạt độ tích phân N obs (ti,t1 ,t2 ), chính là diện tích ứng vớ ới thời gian đo t c trên hình 2.9 [1] : Hình 2.9. Sự phụ thuộ ộc của hoạt độ phóng xạ vào thờii gian kích ho hoạt (ti), thờii gian phân rã (td) và thời th gian đo (tc). Sự có mặt của hạạt nhân phóng xạ được nhận diện dựaa vào đỉnh đ hấp thụ toàn phần của vạch ch bức b xạ gamma đặc trưng của hạtt nhân phóng xxạ và chu kỳ bán rã củaa nó. Số S hạt nhân đã phóng xạ N obs (t i ,t 1 ,t 2 ) trong thời gian đo được xác định nh dựa d vào diện tích đỉnh hấp thụ toàn ph phần của vạch bức xạ đặc trưng. Diệện tích đỉnh hấp thụ toàn phần của vạch ch đặc đ trưng tỷ lệ thuận với số hạtt nhân đã đ bị phân rã trong thờii gian đo t c hay trong 52 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công khoảng thời gian từ t 1 đến t 2 . Ngoài ra, diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần vạch bức xạ gamma đặc trưng phụ thuộc vào các đại lượng sau:  I là cường độ của vạch bức xạ đặc trưng hay là xác suất phát tia bức xạ đặc trưng, I 100% , được sử dụng để xác định hoạt độ của hạt nhân phóng xạ. Hiệu suất ghi  của đỉnh hấp thụ toàn phần của vạch bức xạ gamma đặc trưng, < 100%. Hiệu suất ghi thường được xác định dựa vào mẫu chuẩn đã biết trước hoạt độ phóng xạ.  Hệ số hiệu chỉnh F tính đến sự mất số đếm do các hiệu ứng thời gian chết, sự chồng chập xung, tự hấp thụ tia gamma trong mẫu,... Do đó tỉ lệ giữa số xung đo được và số xung thực F < 100%. Diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần được xác định theo công thức sau: N obs  N 0 ....I  .F  1 e  e 1 e   t i  t d  t c (2.15) Trong trường hợp kích hoạt ở chế độ xung, diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần như sau: N pulse obs  N 0 .  . I γ .F.(1  e  λτ )(1  e  λt i )e  λt w (1  e  λt c ) λ(1  e  λT p (2.16) ) trong đó T là chu kỳ xung,  là độ rộng của xung. Đối với nguồn nơtron xung thì tốc độ phản ứng Rx và Rx ,Cd lần lượt cho trường hợp mẫu trần và mẫu có bọc Cd là [30]: Rx hay R x ,Cd pulse N obs λ( 1  e  λTp )  N 0 εI γ ( 1  e  λτ )( 1  e  λti )e  λtd ( 1  e  λtc ) (2.17) 2.3.2. Xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt Tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân 181 Ta(n,γ) 182 Ta được xác định bằng phương pháp tương đối thông qua tiết diện đã biết của phản ứng hạt nhân 197 Au(n,)198Au [18]: , = , , ∗ , , ∗ , ∗ 53 , , ∗ (2.18) Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công trong đó :  0,Au là tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng R Ta 19 7 Au(n,) 198 Au, vàR Ta,Cd lần lượt là tốc độ phản ứng trên một hạt nhân nguyên tử của nguyên tố Ta trần hay bọc Cd, R Au vàR Au,Cd lần lượt là tốc độ phản ứng trên một hạt nhân nguyên tử của nguyên tố Au trần hay bọc Cd, F Ta,cd là hệ số hiệu chỉnh Cadmium cho mẫu Ta; F Au,cd là hệ số hiệu chỉnh Cadmium cho mẫu Au. G th,Ta là hệ số tự che chắn nơtron nhiệt cho mẫu Ta;G th,Au là hệ số tự che chắn nơtron nhiệt cho mẫu Au; g Ta là hệ số Westcott đối với mẫu Ta, g Au là hệ số Westcott đối với mẫu Au. 2.2.3. Một số hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác của kết quả a. Hệ số suy giảm tia γ, F g , tính theo công thức sau [18]: Fg  t 1  e   t , (2.19) trong đó  là hệ số suy giảm tuyến tính (cm-1), t là bề dày của mẫu ( cm) b. Hệ số hiệu chỉnh tự che chắn nơtron nhiệtcho tấm chắn mỏng được tính theo công thức sau [9]: 1  e   Gth  trong đó: (2.20)    2 /   0t , 0 là tiết diện bắt vĩ mô của các nơtron nhiệt (En= 0.0253 eV), t là độ dày của tấm chắn. c. Hiệu chỉnh cộng đỉnh Hiệu ứng cộng đỉnh (summing effect) xuất hiện khi đêtectơ không phân biệt được (về mặt thời gian) hai tia gamma độc lập hoặc hai tia gamma nối tầng (cascade). Đỉnh tổng có năng lượng bằng tổng năng lượng của hai tia gamma thành phần. Hiệu ứng cộng đỉnh làm giảm số xung ở các đỉnh thành phần phụ thuộc vào cường độ các bức xạ và góc 54 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công khối tạo bởi mẫu – đêtectơ. Việc hiệu chỉnh hiệu ứng này tương đối khó khăn, phụ thuộc vào từng nguồn gamma cụ thể vào hình học đo, vào sơ đồ phân rã… Giả sử với một sơ đồ phân rã đơn giản chỉ có hai tia gamma nối tầng γ 1 , γ 2 với năng lượng E 1 và E 2 phát ra trong thời gian phân giải của phổ kế. Hệ số hiệu chỉnh hiệu ứng cộng đỉnh được tính như sau: - Đối với tia  1 : C1  - Đối với tia  2 : C2  1 1  t 2 (2.21) 1 1  (I 1 / I  2 ) t1 (2.22) trong đó: I 1 , I  2 là xác xuất phát xạ của tia gamma  1 ,  2 ; còn  t1 ,  t2 là hiệu suất ghi toàn phần của tia gamma  1 ,  2 . Với những sơ đồ phân rã có nhiều tia gamma nối tầng, để hiệu chỉnh hiệu ứng cộng đỉnh cần phải có những tính toán rất phức tạp. Hiệu ứng cộng đỉnh còn có thể hiệu chỉnh được bằng cách so sánh đường cong hiệu suất ghi khi sử dụng các nguồn đơn năng tức là không có hiệu ứng cộng đỉnh với các điểm hiệu suất ghi khi sử dụng các nguồn đa năng có các tia gamma nối tầng, trong trường hợp đối với các nguồn đa năng sẽ có một số điểm lệch khỏi đường cong hiệu suất ghi được xây dựng với các nguồn đơn năng, từ độ lệch này ta có thể đánh giá được hệ số hiệu chỉnh trung bình của hiệu ứng cộng đỉnh. Phương pháp đơn giản có thể giảm bớt hiệu ứng này là đo các mẫu có hoạt độ lớn ở khoảng cách xa đêtectơ. Trong thực tế một đồng vị phóng xạ thường phát nhiều tia gamma khác nhau nên để tránh hiệu ứng cộng đỉnh, ta nên sử dụng những tia gamma không bị mất số đếm do hiệu ứng cộng đỉnh gây ra. 55 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nhận diện đồng vị phóng xạ và các đặc trưng của phản ứng hạt nhân Phổ gamma của các mẫu Ta, Au và In được xử lý bằng phần mềm phân tích phổ GammVision. Các số liệu quan tâm chính là năng lượng đỉnh phổ gamma, số đếm diện tích đỉnh phổ đã trừ phông. Các đồng vị phóng xạ tạo thành sau phản ứng hạt nhận được nhận diện căn cứ vào năng lượng của các đỉnh phổ gamma (E γ ) và thời gian bán rã (T 1/2 ). Quy trình nhận diện đồng vị và các số liệu hạt nhân được tham khảo từ bảng đồng vị "Table of Radioactive Isotopes"của phòng thí nghiệm Berkeley (BNL), USA(http://ie.lbl.gov/toi/). Hình 3.1, 3.2, 3.3 lần lượtbiểu diễn một phổ gamma đặc trưng của mẫu Ta, Au, Inđã được nhận diện các đỉnh gamma. Hình 3.1. Phổ gamma đặc trưng của mẫu Ta được kích hoạt bởi các nơtron nhiệt với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi mẫu 2868phút, thời gian đo 240phút 56 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công Hình 3.2. Phổ gamma đặc trưng của mẫu Au được kích hoạt bởi các nơtron nhiệt với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi mẫu 8594 phút, thời gian đo 10 phút. Hình 3.3. Phổ gamma đặc trưng của In được kích hoạt bởi các nơtron nhiệt với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi mẫu 344 phút, thời gian đo mẫu 200 giây. 57 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công Bảng 3.1 là đặc trưng của phản ứng hạt nhân và số liệu phân rã của đồng vị được nhận diện sau khi kích hoạt các mẫu trên trường nơtron từ máy gia tốc linac. Hình 3.4 biểu diễn sơ đồ phân rã đơn giản của đồng vị 182 Ta[26]. Bảng 3.1. Các thông số của phản ứng 181 Ta(n,)182Ta , 197Au(n,)198Au, và 115 In(n,  ) 116m In Phản ứng hạt Thời gian nhân bán rã, T 1/2 181 Ta(n,) 182 Ta 114.43 d 2.69517 d 197 Au(n,) 198 A Các tia gamma chính Năng lượng Cường độ (keV) (%) 67.750 41.2 100.106 14.1 152.43 6.93 222.108 7.49 1121.30 34.9 1189.05 16.23 1221.407 26.98 411.8 95.58 675.88 0.804 138.33 3.29 416.86 27.7 1097.326 56.2 1293.558 84.4 1507.67 10.3 2112.31 15.5 Độ phổ cập đồng vị (%) 99.9877 100 u 54.29 min 115 In(n,) 116m I n 58 95.7 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công 100% Hình 3.4.Biểu diễn sơ đồ phân rã đơn giản của đồng vị 182 Ta. Từ sơ đồ phân rã trên ta thấy các tia gamma với những năng lượng 67.750keV, 100.106keV, 1121.3keV,1189.05keV và 1221.470 keV có cường độ tương đối lớn được sử dụng để xác định tốc độ phản ứng hạt nhân 181 Ta(n,) 182 Ta. Tuy nhiên, với các tia gamma 67.75keV và 100.106keV có năng lượng nhỏ nên ảnh hưởng bởi can nhiễu lớn, mặt khác lại nối tầng cặp 3 với tia 1121.30keV nên gây ra sai số lớn. Bên cạnh đó tia 1221.407keV có nhiều lần cộng đỉnh cặp 2 nên cũng gây ra sai số lớn. Do vậy, tia 1189.05keV được sử dụng chủ yếu để xác định tốc độ phản ứng 181 Ta(n,) 182 Ta. 59 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công 3.2. Một số kết quả hiệu chỉnh Hệ số hiệu chỉnh Cadmium, F Cd, lần lượt cho phản ứng 181 Ta(n,) 182 Ta và phản ứng 197 Au(n,) 198 Au là: 1 và 1.009[10]. Hệ số Westcott, g, lần lượt cho phản ứng ứng 197 181 Ta(n,) 182 Ta và phản Au(n,) 198 Au là: 1.0041 và 1.006[7] . Hệ số tự chắn nơtron nhiệt(G th) đối với mẫu Au và mẫu Ta được tính theo công thức 2.20 với  0 là tiết diện bắt vĩ mô đối với nơtron nhiệt được tính theo công thức: Σ = , với là tiết diện bắt vi mô đối với nơtron nhiệt được tra cứu từ tài liệu[7,15]; N A : số Avogadro, : Mật độ độ khối lượng của mẫu (g/cm 3 ) tra cứu, A: Nguyên tử khối của mẫu. Hình 3.5 cho thấy sự phụ thuộc của hệ số tự chắn nơtron phụ thuộc vào bề dày mẫu. HÖ sè tù ch¾n ®èi víi n¬tron nhiÖt, Gth 1.2 Au Ta In 1.0 0.8 0.6 0.4 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 BÒ dµy mÉu (mm) Hình 3.5. Sự phụ thuộc hệ số tự chắn đối với nơtron nhiệt vào bề dày các mẫu Các hệ số hiệu chỉnh chính sử dụng để xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân 181 Ta(n,) 182 Ta đã được tra cứu và tính toán được liệt kê trong bảng 3.2. 60 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công Bảng 3.2 Các hệ số hiệu chỉnh chính được sử dụng để xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng Phản ứng hạt nhân 181 Ta(n,  ) 1 82 Ta Gth[17] G[7] FCd[10] Ta(n,)182Ta 0.997 1.0041 1 Au(n,)198Au 0.990 1.006 1.009 181 197 Hệ số tự hấp thụ tia gamma trong mẫu Au và mẫu Ta được tính từ công thức 2.19 với hệ số suy giảm tuyến tính  được tra cứu qua Website[14,34]. Bảng 3.3. Hệ số tự hấp thụ tia gamma trong mẫu Đồng vị 182 198 Ta Au E  (keV) f(%) 1121.30 0.9975 1189.05 0.9976 1221.407 0.9977 411.8 0.9940 Hệ số hiệu chỉnh cộng đỉnh của các tia gamma nối tầng được tính theo công thức 2.21 và 2.22 kết quả được cho bởi bảng 3.4 Bảng 3.4. Hệ số hiệu chỉnh hiệu ứng cộng đỉnh tại vị trí cách detector 5cm E (keV) Cường độ (%) Hệ số hiệu chỉnh  1 = 1189.05 16.23 C1 1.02  2 = 100.106 14.1 C2 1.00  1 = 67.75 41.2 C1 1.00 61 d = 5 cm Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công  2 = 1121.3 34.9 C2 1.01  1 = 1121.3 34.9 C1 1.02  2 = 100.106 14.1 C2 1.01  1 = 67.75 41.2 C1 1.00  2 = 1221.407 26.98 C2 1.01  1 = 152.43 6.93 C1 1.00  2 = 1221.407 26.98 C2 1.01 3.3. Kết quả xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 181 Ta(n,) 182 Ta. Tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 181 Ta(n,) 182 Ta đã được xác định thông qua việc đo tốc độ phản ứng của các phản ứng bắt nơtron 181 Ta(n,) 182 Ta và bắt nơtron 197 nhiệt Au(n,) 198 Au và sử dụng biểu thức (2.18).Tiết diện của phản ứng tham chiếu 197 Au(n,) 198 Au là  0(Au) =98.650.09 barn. Kết quả tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 181 Ta(n,) 182 Ta được xác định bằng: σ 0,Ta = 20.20.8 barn Giá trị tiết diện trên được so sánh với các kết quả đã được công bố bởi nhiều tác giả khác như trong bảng 3.5 dưới đây. Bảng3.5. Số liệu tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 181 Ta(n,  ) 182 Ta đã được công bố. Năm Tác giả 2014 Luận văn 62 σ(bar) Monitor 20.2±0.8 Au Sai khác% Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công 2013 Atlas [7] 20.5±0.5 - 1.5 2011 ENDF/B [7] 21.13 - -4.6 2011 JEFF [7] 20.68 - -2.38 2011 CENDL [7] 20.68 - -2.38 2010 JENDL [7] 20.68 - -2.38 2010 EAF[7] 21.14 - -4.65 2007 ROSFOND [7] 20.68 - -2.38 2006 S.F.Mughabghab [28] 20.5 - -1.5 19.1±1 - 5.4 1978 M.Takiue and H.Ishikawa [19] 19.8±0.5 Co-59 1.9 1976 E.M.Gryntakis[9] 21.5±1.38 Au-197 -11 1971 V.Markovic and A.Kocic[32] 24.7±0.2 Au-197 -22 1970 S.S.Malik et al. [28] 21.2±1 Au -5 1961 A.Sunyya and P.Axel [6] 21±0.23 - -3.9 28 Co59 -38 21±0.7 Au-197 -3.9 20.6 ±0.2 - -1.9 1984 R.E.Heft [25] 1960 W.S.Lyon [33] 1960 G.Wolf [12] 1947 L.Seren et al [16] Sai số của kết quả được đánh giá là 4%, bao gồm các nguồn sai số chính như sai số hiệu suất ghi đêtectơ, sai số thống kê, sai số tính diện tích đỉnh phổ, sai số hình học chiếu, hệ số tự chắn nơtron nhiệt, tự hấp thụ gamma trong mẫu, sai số của số liệu hạt nhân,... Đồ thị trên hình 3.6 biểu diễn tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 181 Ta(n,) 182 Ta của luận văn và một số tác giả khác. 63 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công Tiet dien bat notron nhiet (barn) 50 45 40 S.S.Malik et al L.Seren et al. W.S.Lyon A.Sunyar and P.Axer R.E.Heft ENDF/B JEFF JENDL ROSFOND CENDL EAF luan van E.M.Gryntakis M.Takiue and H.Ishikawa G.Wolf V.Markovic and A.Kocic S.F.Mughabghab 35 30 25 20 15 10 181 5 0 1940 182 Ta(n,) Ta 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 Nam Hình 3.6. tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 181 Ta(n,  ) 182 Ta. Từ bảng trên ta thấy rằng tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 181 Ta(n,) 182 Ta có giá trị thay đổi trong khoảng từ 19.128 barn. Sự chênh lệch lớn nhất giữa chúng xấp xỉ 46.6%. Giá trị tiết diện phản ứng thu được trong luận văn này σ 0,Ta = 20.20.8 barn, phù hợp với các giá trị trung bình của các kết quả đã được liệt kê trong bảng 3.5. Với các giá trị được tính toán từ ENDF/B(Mỹ), JEFF(Châu Âu), JENDL(Nhật Bản), ROSFOND(Nga), CENDL(Trung Quốc) và EAF(Hàn Quốc)…được công bố từ trung tâm dữ liệu hạt nhân, phòng thí nghiệm quốc gia Mỹ Brookhaven 11/10/2013(National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory, Upton, NY 11973-5000, USA), thì cho kết quả rất gần với kết quả được xác định từ luận văn, chênh lệch từ 1,5 4.6%. 64 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công KẾT LUẬN Bản luận văn trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân 181 Ta(n,) 182 Ta gây bởi chùm nơtron xung trên máy gia tốc electron tuyến tính. Các kết quả chính thu được gồm: Đã tìm hiểu cơ chế tương tác của nơtron với vật chất và cơ chế làm chậm nơtron. Tìm hiểu một số khái niệm cơ bản về phản ứng hạt nhân nói chung và phản ứng bắt nơtron nhiệt nói riêng. Tìm hiểu về các loại nguồn nơtron và thí nghiệm nghiên cứu phản ứng bắt nơtron nhiệt của phản ứng 181 Ta(n,) 182 Ta sử dụng nguồn nơtron xung tạo ra từ máy gia tốc electron tuyến tính và các kỹ thuật phân tích xử lý số liệu thực nghiệm. Xác 181 định được tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng Ta(n,) 182 Ta. Tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân 181 Ta(n,) 182 Ta đã được xác định bằng phương pháp kích hoạt với nguồn nơtron tạo ra từ máy gia tốc electron tuyến tính 100MeV tại Pohang Hàn Quốc và sử dụng phản ứng hạt nhân 197 Au(n, ) 198 Au làm phản ứng chuẩn. Để nâng cao độ chính xác của kết quả, một số hiệu chỉnh như hiệu chỉnh hệ số tự che chắn nơtron nhiệt, hiệu chỉnh hệ số Cadmium, hệ số Westcott, hệ số suy giảm gamma trong mẫu… đã được quan tâm thực hiện. Giá trị tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 181 Ta(n,) 182 Ta được xác định là σ 0,Ta = 20.20.8 barn. Kết quả này so với các kết quả thực nghiệm và đánh giá của nhiều tác giả khác là khá phù hợp. Sự sai khác giữa tiết diện bắt nơtron nhiệt thu được với giá trị Atlas(20.50.5 barn) là 1.5%. 65 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công TÀI LIỆU KHAM KHẢO Tài liệu tiếng việt: [1] Nguyễn Văn Đỗ (2004), Các phương pháp phân tích hạt nhân, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia, Hà Nội [2] Phạm Quốc Hùng, “ Lò phản ứng hạt nhân”. NXB ĐHQG HN [3] Ngô Quang Huy (2002), Vật lý lò phản ứng hạt nhân, NXB ĐHQG HN [4] Ngô Quang Huy (2006). Cơ sở vật lý hạt nhân. NXB. KH&KT Tài liệu tiếng anh [5] A. Trkov, G.ˇ Zerovnik, L. Snoj, M. Ravnik,“On the self-shielding factors in neutron activation analysis”,Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 610 (2009) 553–565. [6] A.Sunyar,P.Axer,” decay of 16-minute ta182m”, pr,121,1158,1961 [7] B. Pritychenko,S.F. Mughabghab.National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory, Upton, NY 11973-5000, USA,“Neutron Thermal Cross Sections, Westcott Factors, Resonance Integrals, Maxwellian Averaged Cross Sections and Astrophysical Reaction Rates Calculated from the ENDF/B-VII.1, JEFF-3.1.2, JENDL-4.0, ROSFOND-2010, CENDL-3.1 and EAF-2010 Evaluated Data Libraries”,aXiv:1208.2879v3[Astro-ph.SR] 11/9/2013. [8] D. De Soete, R. Gijbels, J. Hoste, Neutron Activation Analysis”, John Wiley & Sons Ltd, 1972. [9] E.M.Gryntakis,Examination of the dependence of the effectivecross section from the neutron temperature, measurements of the neutron temperature and etermination of some cross sections for neutron capture and neutron fission. [10] F. De Corte, A. Simonits, A. De Wispelaere, “ Comparative study of measured and critically evaluated resonace integral to thermal 66 Luận văn Thạc sĩ cross section Nguyễn Minh Công of ratios”,Journal Radioanalytical and Nuclear Chemistry,133(1989) 131-151. [11] F. De Corte “The updated NAA nuclear data library derived from the Y2K k0-database”,Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, Vol. 257, No. 3 (2003) 493-499 [12 ] G.Wolf,” the absolute calibration of desintegration rates throught the beta-gamma-coincidence method and it suse for measuring of the thermal activation cross sections of the nuclides na-23,sc-45,co-59 end ta-181 (in german)”,j,nuk,2,255,60. [13] Harald A. Enge, Introduction to nuclear physics, Addition- Wiley publishing company, 1983. [14] H. Hubbell and S. M. Seltzer, Tables of X-Ray Mass Attenuation Coefficients and Mass Energy-Absorption Coefficients, 1996. [15] Landolt-Börnstein,Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology, New Series/ Editor in Chief: W. Martienssen [16] L.Seren, H.N.Friedlander, S.H.Turkel, “Thermal Neutron Activation Cross Sections”, J,PR,72,888,1947 [17] M. Blaauw, “The confusing issue of the neutron capture crosssection to use in computations”,Nuclear thermal Instruments neutron and self- Methods shielding in Physics Research, A 356(1995) 403. [18] M. Karadag, H. Yucel, “Measurement of thermal neutron cross section and resonace integral for 186 W(n,γ) 187 W reaction by activation method using a single monitor”,Annals of nuclear energy vol.31(2004) 1285- 1297. [19] M.Takiue,H.Ishikawa,” Thermal neutron reaction cross section measurements for fourteen nuclides ith a liquid scintillation spectrometer”,J,NIM,148,(1),157,7801. 67 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công [20] Nguyen Van Do, Pham Duc Khue, Kim Tien Thanh, Le Truong Son, Guinyun Kim,Young Seok Lee, Youngdo Oh, Hee-Seok Lee, MooHyun Cho,In Soo Ko, Won Namkung,” Thermal neutron crosssection and resonance integral of 186 the W(n,) 187 W reaction”,Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 266 (2008) 863–871 [21] Nguyen Van Do, Pham Duc Khue, Kim Tien Thanh, Bui Van Loat, Md.S. Rahman, Kyung Sook Kim,Guinyun Kim, Youngdo Oh, HeeSeok Lee, Moo-Hyun Cho, In Soo Ko, Won Namkung,” Thermal neutron cross-section and resonance integral of the 98 Mo(n,) 99 Mo reaction”,Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 267 (2009) 462–468. [22] Nguyen Van Do, Pham Duc Khue, Kim Tien Thanh, Nguyen Thi Hien, Guinyun Kim, Sungchul Yang, Kyung Sook Kim, Sung Gyun Shin, Moo-Hyun Cho, Man Woo Lee, ” Measurement of thermal neutron cross section and resonance integral for the 170Er(n,)171Er reaction by using a gold monitor”,Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 310 (2013) 10–17. [23] Nguyen Van Do, Pham Duc Khue, Kim Tien Thanh, Guinyun Kim,Young Seok Lee, Youngdo Oh, Hee-Seok Lee, Moo-Hyun Cho,In Soo Ko, Won Namkung,” Thermal neutron cross-section and resonance integral of the 165 Ho(n,) 166g Mo reaction”,Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 269 (2011) 159– 166. [24] Paul Reuss, Neutron physics, EDP Sciences (August 15, 2008). [25] R.E.Heft, A consistent set of nuclear-parameter valuesfor absolute instrumental neutron activation analysis. C,78MAYAG,,495,197805 [26] Richard B. Firestone “Table Of Isotope” , 3/1996. 68 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công [27] S.E. Agbemava, B.J.B. Nyarko, J.J. Fletcher, R.B.M. Sogbadji, E. Mensimah, M. Asamoah,“Measurement of thermal neutron and resonance integral cross sections of the reaction 51 V(n,) 52 V using a 20 Ci Am–Be isotopic neutron source”,Annals of Nuclear Energy 38 (2011) 1616–1622 [28] S.F.Mughabghab,Atlas of neutron resonances resonance parameters and thermal Cross Sections Z=1-100, B,NEUT.RES,,2006. [29] S.S.Malik,G.Brunhart,F.J.Shore,V.L.Sailor,” Factors in the precision of slow neutron capture cross section measurements using a simple Moxon-Rae detector”,J,NIM,86,83,1970. [20] Van Do Nguyen and Duc Khue Pham, “Measurements of neutron and Photon distributions by using an Activation Technique at the Pohang Neutron Facility”, Journal of the Korean Physical Society,Vol. 48,No. 3,March 2006,pp. 382- 389. [31] Van DoNguyen and Duc Khue Pham, “ Neutron yields from thick Ta target bombarded by 65 MeV electron beam”, Communications in Physics, Vol.14, No.4(2004), pp. 209-214. [32] V.Markovic,A.Kocic,” Measurement of the thermal effective cross section and the effective resonance integral of copper and tantalum using the pile scillator method”,J,BKN,22,(1),1,1971. [33] W.S.Lyson,,” reactor neutron activation cross sections fora number of elements”,j, nse,8,378,60. [34] http://www.nist.gov/pml/data/xraycoef/ [35] http://en.wikipedia.org/wiki/Tantalum [36] http://ie.lbl.gov/toi/ 69 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công PHỤ LỤC Hình P.1. Đêtectơ HPGe (ORTEC) Hình P.2. Hệ điện tử và máy tính kết nối ghi nhân phổ gamma 70 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công Các chương trình sử dụng phần mềm Mathermatiaca để tính toán tiết diện của phản ứng hạt nhân 181 Ta(n,  ) 182 Ta. Chương trình tính hệ số tự chắn nơtron nhiệt G th : - Của Au: sigAu=98.65*10^(-24) 9.865×10-23 DAu=19.3 19.3 N0Au=(6.022*10^(23)*DAu)/196.97 5.90062×1022 Si=2/(Sqrt[3.14])*N0Au*sigAu*0.003 0.0197098 GthAu=(1-Exp[-Si])/Si 0.99021 - Của Ta: sigTa=20.5*10^(-24) 2.05×10-23 DTa=16.650 16.65 NoTa=(6.022*10^(23)*DTa)/181.85 5.51368×1022 Si=2/(Sqrt[3.14])*NoTa*sigTa*0.005 0.00637868 GthTa=(1-Exp[-Si])/Si 0.996817 71 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công Chương trình tính tốc độ phản ứng: - Tính tốc độ phản ứng của Au1:( E = 411.8 keV): Ig=96/100 24/25 e=0.855 0.855 ti=9600 9600 tw=5*3600+30*60+19 19819 tc=600 600 to=2.0*10^(-6) 2.×10-6 lamda=0.693/(2.6952*24*3600) 2.97597×10-6 tcp=1/15 1/15 n0=0.0704*0.9995*6.022*10^23/196.97 2.15128×1020 Nobs=(28640-240)*1 28400 TS=Nobs*lamda*(1-Exp[-lamda*tcp]) 1.67681×10-8 MS=n0*e*Ig*(1-Exp[-lamda*to])*(1-Exp[-lamda*ti])*Exp[-lamda*tw]*(1-Exp[lamda*tc]) 49782.6 R=TS/MS 3.36827×10-13 72 Luận văn Thạc sĩ - Nguyễn Minh Công Tốc độ phản ứng Au2 (E = 411.8 keV) Ig=96/100 24/25 e=0.855 0.855 ti=9600 9600 tw=5*3600+19*60+30 19170 tc=600 600 to=2.0*10^(-6) 2.×10-6 lamda=0.693/(2.6952*24*3600) 2.97597×10-6 tcp=1/15 1/15 n0=0.0692*0.9995*6.022*10^23/196.97 2.11461×1020 Nobs=(11138-140)*1.1 12097.8 TS=Nobs*lamda*(1-Exp[-lamda*tcp]) 7.14286×10-9 MS=n0*e*Ig*(1-Exp[-lamda*to])*(1-Exp[-lamda*ti])*Exp[-lamda*tw]*(1-Exp[lamda*tc]) 49028.6 R=TS/MS 1.45688×10-13 73 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công - Tốc độ phản ứng của Ta1(E=1189.05 keV ) Ig=16.23/100 0.1623 e=0.26 0.26 ti=9600 9600 tw=3*3600+17*60+27 11847 tc=3600 3600 to=2.0*10^(-6) 2.×10-6 lamda=0.693/(114.43*24*3600) 7.00938×10-8 tcp=1/15 1/15 n0=0.1138*0.999*6.022*10^23/181.95 3.76267×1020 Nobs=(202-37) 165 TS=Nobs*lamda*(1-Exp[-lamda*tcp]) 5.40445×10-14 MS=n0*e*Ig*(1-Exp[-lamda*to])*(1-Exp[-lamda*ti])*Exp[-lamda*tw]*(1-Exp[lamda*tc]) 0.377549 R=TS/MS 1.43146×10-13 74 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công - Tốc độ phản ứng của Ta2(E=1189.05 keV ) Ig=16.23/100 0.1623 e=0.26 0.26 ti=9600 9600 tw=3600+14*60+36 4476 tc=1800 1800 to=2.0*10^(-6) 2.×10-6 lamda=0.693/(114.43*24*3600) 7.00938×10-8 tcp=1/15 1/15 n0=0.1139*0.999*6.022*10^23/181.95 3.76598×1020 Nobs=(51-16) 35 TS=Nobs*lamda*(1-Exp[-lamda*tcp]) 1.1464×10-14 MS=n0*e*Ig*(1-Exp[-lamda*to])*(1-Exp[-lamda*ti])*Exp[-lamda*tw]*(1-Exp[lamda*tc]) 0.18905 R=TS/MS 6.064×10-14 75 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công Chương trình tính tiét diện của phản ứng hạt nhân 181Ta(n,)182Ta sigAu=98.65*10^(-24) 9.865×10-23 FCdAu=1.009 FCdTa=1 1.009 1 gcAu=1.006 gcTa=1.0041 1.006 1.0041 RAu1=3.3856028048484974`*^-13*1. 3.3856×10-13 RAu2=1.5258450633769767`*^-13*1.05 1.60214×10-13 RTa1=1.4916540267627225`*^-13 1.49165×10-13 RTa2=1.0754828182303976`*^-13*1.05 1.12926×10-13 GthAu=0.9902095445205094` 0.99021 GthTa=0.996817431152511` 0.996817 SigTa=sigAu*((RTa1-(FCdTa*RTa2))/(RAu1(FCdAu*RAu2)))*(GthAu/GthTa)*(gcAu/gcTa) 2.01129×10-23 76 [...]... NGHIỆM XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN BẮT NƠTRON NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG 181 Ta(n,) 182 Ta 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. .. đáng kể, việc nghiên cứu về phản ứng này vẫn được tiếp tục bằng nhiều phương pháp khác nhau Bản luận văn với đề tài Xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân 181 Ta(n,) 182 Ta” nhằm mục đích nghiên cứu một số đặc trưng của phản ứng bắt nơtron và xác định bằng thực nghiệm tiết diện phản ứng bắt nơtron nhiệt 181 Ta(n,) 182 Ta với chùm nơtron xung đã được nhiệt hóa trên máy gia tốc electron... : Nhiệt lượng tỏa ra sau phản ứng Xác suất các phản ứng sau khi nơtron bị bắt là σ(n,α), σ(n,p),σ(n,γ),…Vậy σ(n,x) chính là xác suất của phản ứng bắt 1 nơtron và hạt nhân hợp phần phát ra hạt/ bức xạ nào đó Khi hạt nhân hấp thụ (bắt) nơtron nhiệt (năng lượng 0.025 eV) sẽ tạo thành hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích Năng lượng kích thích bằng tổng năng lượng liên kết của nơtron và động năng của. .. tâm Vật lý hạt nhân, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Bố cục của luận văn gồm 3 chương cùng với phần mở đầu, kết luận và phụ lục Chương I là phần tổng quan về phản ứng bắt nơtron trình bày vắn tắt về cơ chế tương tác của nơtron với vật chất, cơ chế làm chậm nơtron, cơ chế phản ứng hạt nhân, phản ứng bắt nơtron, tiết diện của phản ứng bắt nơtron và các loại nguồn nơtron Chương... với phản ứng hạt nhân theo cơ chế hợp phần, phân bố gần như đẳng hướng Phân bố góc của sản phẩm phản ứng phụ thuộc mạnh vào sự truyền xung lượng và thay đổi độ chẵn lẻ trong quá trình phản ứng - Cơ chế phản ứng hạt nhân trước cân bằng: Cơ chế phản ứng hạt nhân trước cân bằng có thể coi là cơ chế trung gian giữa cơ chế phản ứng hạt nhân hợp phần và cơ chế phản ứng hạt nhân trực tiếp Đối với cơ chế phản. .. nucleon trong hạt nhân A và truyền trực tiếp năng lượng của mình cho các nucleon này và phản ứng hạt nhân xảy ra trong thời gian vào cỡ thời gian đặc trưng của hạt nhân (10 -22 s) Để có phản ứng hạt nhân trực tiếp thì năng lượng của hạt tới phải đủ lớn để bước sóng của nó nhỏ hơn kích thước hạt nhân [4] Tiết diện phản ứng tăng theo năng lượng hạt tới và không có tính chất cộng hưởng Hạt bay ra có phân... và tích phân cộng hưởng Tiết diện bắt nơtron thường được chia làm 3 vùng (hình 1.5): Vùng năng lượng thấp, đối với hầu hết các hạt nhân, tiết diện bắt phát xạ phụ thuộc vào 1/ Do tốc độ của nơtron tỷ lệ với , có thể rút ra tiết diện bắt nơtron nhiệt phụ thuộc vào 1/ trong đó  là vận tốc của nơtron tới Tiết diện phản ứng bắt nơtron tại năng lượng nhiệt (0.025 eV) có xác xuất lớn nhất Vùng năng lượng... 0.025 eV a Tiết diện phản ứng Thực nghiệm cho thấy, đối với Z < 88 thì tất cả các phản ứng xảy ra với tiết diện  ( n,  ) (trừ các trường hợp đã được định trước) Tốc độ phản ứng với thông lượng nhiệt nhất định có thể được rút ra từ tiết diện  0 tương ứng với vận tốc  0 trong điều kiện  ( ) 1 /  Một số tác giả khác định nghĩa tiết diện phản ứng là tổng của tất cả các tiết diện của các tương tác,...   Xác suất tương đối khi phát  , p , n,  là:  / ,  p / ,  n / ,   /  (1.18) Xác suất tổng cộng  ( n, x) cho phản ứng (n, x) :  (n, x)   C  x /  (1.19) trong đó  C : xác suất tạo thành hạt nhân hợp phần, x /  : đã được định nghĩa ở công thức (1.18) 1.4 Tiết diện bắt nơtron nhiệt 1.4.1 Khái quát về tiết diện phản ứng Nếu hạt nhân bia A có N hạt nhân/ cm 3 , mỗi hạt có diện tích... Các cơ chế phản ứng hạt nhân - Cơ chế phản ứng hạt nhân hợp phần: Đối với cơ chế phản ứng hạt nhân hợp phần, các hạt tham gia tương tác (a và A) tạo nên hạt nhân hợp phần C và sau đó hạt nhân hợp phần này phân rã thành các hạt thứ cấp (b và B) a+AC và Cb+B N.Bohr giả thuyết rằng, hai giai đoạn tạo nên hạt nhân hợp phần C và phân rã hạt nhân này là độc lập nhau Khả năng phân rã hạt nhân hợp 18 Luận ... trưng quan trọng phản ứng hạt nhân tiết diện phản ứng Tiết diện phản ứng thước đo xác suất xảy phản ứng hạt nhân Tiết diện phản ứng nhân (n,) gây nơtron nhiệt loại số liệu hạt nhân quan trọng... 2.2.5 Xác định hiệu suất ghi đêtectơ 48 2.3 Phương pháp xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt 50 2.3.1 Xác định tốc độ phản ứng hạt nhân 50 2.3.2 Xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt. .. [3] 1.3 Hạt nhân hợp phần, hạt nhân kích thích 1.3.1 Các chế phản ứng hạt nhân a Các chế phản ứng hạt nhân - Cơ chế phản ứng hạt nhân hợp phần: Đối với chế phản ứng hạt nhân hợp phần, hạt tham