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
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
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
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
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
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
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
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:
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.
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)
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
(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
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
1747
Số va chạm:
2MeV1eV
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
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
125
BeO
3
0.0728
0.173
105
0.120
170
C
1.6
0.0803
0.158
114
0.061
205
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
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 1.4. 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 /
Tiết diện phản ứng hạt nhân có đơn vị là diện tích ( cm 2 ), đơn vị
thường sử dụng là barn (b), 1b 1024 cm2 .
23
Copyright: Tài liệu đại học ©