Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Thị Nga

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------------  ---------------

NGUYỄN THỊ NGA

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG VÀ ỨNG DỤNG CỦA NGUỒN
NƠTRON ĐỒNG VỊ PU-BE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội Năm 2014

1


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Thị Nga

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------------  ---------------

NGUYỄN THỊ NGA

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG VÀ ỨNG DỤNG CỦA NGUỒN

hoàn thành đề tài này.
Với tình cảm chân thành, em xin gửi cảm ơn tới các thầy cô tham gia
giảng dạy lớp Cao học Vật lý, khóa học 2011 – 2013, đã giảng dạy cho
chúng em trong suốt quãng thời gian chúng em học tập.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã luôn bên
cạnh em, động viên, giúp em vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành được
đề tài này.
Mặc dù đã rất nỗ lực cố gắng, song, chắc chắn luận văn không tránh
khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, bổ sung
của thầy cô, các anh chị và các bạn.
Hà Nội, tháng 03 năm 2014
Học viên

Nguyễn Thị Nga

3


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Thị Nga

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.............................................................................................. 6
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NƠTRON ĐỒNG VỊ VÀ
TƢƠNG TÁC CỦA NƠTRON VỚI VẬT CHẤT ................................ 11
1.1.Một số đặc trƣng của nguồn nơtron đồng vị ............................ 11
1.1.1. Các loại nguồn nơtron đồng vị ............................................ 11
1.1.2. Một số đặc trưng của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be. .............. 14
1.2.Tƣơng tác của nơtron với vật chất. .......................................... 17

Hình 1.2: Phổ nơtron từ phản ứng (n,  ) đối với một số bia khác.
Hình 1.3: Phổ nơtron của nguồn

152

Cf.

Hình 1.4: Nguyên lý cấu tạo của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be.
Hình 1.5: Hình ảnh của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be.
Hình 1.6: Phổ nơtron của nguồn Pu-Be.
Hình 1.7: Phổ gamma từ của nguồn nơtron Pu-Be, Am-Be và phông.
Hình 1.8: Sơ đồ phân rã hạt nhân của phản ứng bắt nơtron.
Hình 1.9: Tiết diện của phản ứng bắt nơtron

115

In(n,  ) 116m In.

Hình 1.10: Sự phụ thuộc của tiết diện kích hoạt trung bình vào bề dày
chất làm chậm paraffin.
Hình 2.1: Sự phụ thuộc của hoạt độ phóng xạ vào thời gian kích hoạt (t i ),
thời gian phân rã (t d ) và thời gian đo (t m ).
Hình 2.2: Sơ đồ hệ phổ kế gamma.
Hình 2.3: Phổ gamma của mẫu Indium kích hoạt trên nguồn nơtron đồng
vị Pu-Be.
Hình 2.4: Đường chuẩn hiệu suất ghi tương đối của hệ phổ kế gamma
HPGe(ORTEC) sử dụng trong nghiên cứu.
Hình 2.5: Hình ảnh nguồn nơtron Pu-Be tại Trung tâm Vật lý hạt nhân,
Viện Vật lý.
Hình 2.6: Hình ảnh các mẫu được sử dụng trong nghiên cứu.

6


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Thị Nga

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Một số nguồn nơtron đồng vị (  ,n).
Bảng 1.2: Một số đặc trưng của nguồn nơtron 9 Be(  ,n).
Bảng 1.3: Tính chất của một số vật liệu làm chậm nơtron.
Bảng 2.1: Giá trị các hệ số làm khớp hiệu suất ghi của đetectơ HPGe
(ORTEC).
Bảng 2.2: Đặc trưng của các mẫu được sử dụng.
Bảng 3.1: Đặc trưng của phản ứng hạt nhân sử dụng để xác định phân bố
thông lượng nơtron nhiệt.
Bảng 3.2: Các phản ứng hạt nhân với nơtron đã được ghi nhận trên mẫuIn.
Bảng 3.3: Các phản ứng hạt nhân với nơtron đã được ghi nhận trên mẫu Au.
Bảng 3.4: Đặc trưng phản ứng hạt nhân với nơtron đã đượcghi nhận trên
mẫu W.
Bảng 3.5: Đặc trưng phản ứng hạt nhân với nơtron đã được ghi nhận trên
mẫu Cu.
Bảng 3.6: Kết quả xác định thông lượng nơtron.
Bảng P.1: Hiệu suất ghi của hệ phổ kế HPGe (ORTEC) tại vị trí sát bề mặt
đetectơ.
Bảng P.2: Hệ số tự hấp thụ tia gamma trong mẫu.
Bảng P.3: Hệ số chắn nơtron nhiệt và nơtron cộng hưởng.
Bảng P.4:Kết quả xử lý phổ gamma của mẫu In.
Bảng P.5: Kết quả xử lý phổ gamma của mẫu Au.
Bảng P.6: Kết quả xử lý phổ gamma của mẫu W.


Nguyễn Thị Nga

MỞ ĐẦU
Nơtron đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu cơ bản cũng như
ứng dụng. Nơtron chủ yếu được tạo ra từ nguồn đồng vị, lò phản ứng và
máy gia tốc hạt,....So với lò phản ứng và máy gia tốc, nguồn nơtron đồng
vị có suất lượng thấp hơn nhưng lại có ưu điểm là giá thành rẻ, thông
lượng nơtron ổn định, kích thước nhỏ gọn, thuận lợi cho việc vận hành
cũng như che chắn an toàn phóng xạ. Chính vì vậy nguồn nơtron đồng vị
vẫn đang được tiếp tục quan tâm khai thác, đặc biệt là các nghiên cứu ứng
dụng ngoài hiện trường.
Các nguồn nơtron đồng vị được sử dụng phổ biến là loại 9 Be(,n),
các đồng vị phát hạt  thường là

241

Am,

239

Pu,

226

Ra,

210

Po,

của nơtron nhiệt, nơtron trên nhiệt và nơtron nhanh phát ra từ nguồn
nơtron đồng vị Pu-Be và phân bố nơtron nhiệt theo bề dày các chất làm
chậm nhẹ như parafin và thủy tinh hữu cơ, đồng thời khảo sát một số phản
ứng hạt nhân gây bởi nơtron sử dụng nguồn nơtron này.
Trong nghiên cứu thực nghiệm đã sử dụng phương pháp kích hoạt phóng xạ.
Các mẫu kim loại mỏng (còn gọi là các lá dò hay đêtectơ kích hoạt) có độ tinh khiết
cao được sử dụng để đo gián tiếp nơtron. Phổ gamma của các mẫu sau khi đã kích
hoạt nơtron được ghi nhận bằng đêtectơ bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết HPGe có độ
phân giải năng lượng cao. Thí nghiệm được thực hiện trên nguồn nơtron đồng vị PuBe và hệ phổ kế gamma HPGe (ORTEC) 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, ngoài phần mở đầu, kết luận và phụ lục, được
chia làm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về nguồn nơtron đồng vị và tương tác của
nơtron với vật chất.
Chương 2: Thực nghiệm và phân tích số liệu
Chương 3: Kết quả và thảo luận.

10


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Thị Nga

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NƠTRON ĐỒNG VỊ VÀ
TƢƠNG TÁC CỦA NƠTRON VỚI VẬT CHẤT
1.1.Một số đặc trƣng của nguồn nơtron đồng vị
1.1.1. Các loại nguồn nơtron đồng vị
Nguồn nơtron đồng vị bao gồm ba loại chính là: nguồn dùng phản ứng
(,n), (,n) và nguồn phân hạch tự phát (f,n). Các tham số quan trọng đối


Be(,') 9 Be * ---> 8 Be + n;

9

Be(, 8 Be) 5 He ---> 4 He + n;

và 9 Be(,n)3
10

B,

11

B,

13

C, 7 Li,.. cũng là những đồng vị thường được sử dụng như

là các bia tạo nơtron thông qua phản ứng (,n).
Trong nguồn đồng vị (,n) do các hạt  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. Do đó phổ nơtron của nguồn đồng vị (,n) là phổ liên
tục từ vùng nhiệt tới khoảng 10 MeV. Hình 1.1 là phổ nơtron của một số

11


Luận văn Thạc sĩ


PoBe

4.2

138 ngày

PoB

2.5

138 ngày

RaBe

3.9

1600 năm

RaB

3.0

1600 năm

PuBe

4.5

24110 năm

E n. ma x (MeV)

Tốc độ phát xạ
(n/s/Ci)

241

AmBe

Viên hỗn hợp

5.48

11.0

2.710 6

oxit Am +Be
239

PuBe

Hợp kim Pu+Be

5.15

10.7

2.210 6



Sb,

24

Na,

140

La,

72

Ga,...có năng lượng đến

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(,n) 8 Be và 2 H(,n) 1 H. Ưu điểm của loại
nguồn này là nếu dùng tia gamma đơn năng có năng lư ợng lớn hơn ngưỡng
phản ứng (,n) thì nhận được nơtron hầu như đơn năng do bức xạ gamma

13


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Thị Nga

bị mất năng lượng rất ít trong môi trường vật chất nguồn. Suất lượng của
loại nguồn này chỉ khoảng 10 5 n/s.
Nguồn đồng vị phân hạch tự phát do một số hạt nhân nặng tự động

Plutonium được pha trộn với Be với mật độ khoảng 3.7 g/cm 3 ,

239

Pu

phát hạt  năng lượng trung bình 5.15 MeV, thời gian sống 24110 năm,
kiểu phân rã  (100%). Nguồn Pu-Be còn phát kèm các bức xạ gamma có

14


Luận văn Thạc sĩ

nguồn gốc từ phân rã của

Nguyễn Thị Nga

239

Pu và

241

Am cũng như phân rã của

12

C. Ngoài



Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Thị Nga

Hình 1.7: Phổ gamma của nguồn nơtron Pu-Be, Am-Be và phông.

1.2.Tƣơng tác của nơtron với vật chất.
1.2.1. Phân loại nơtron theo năng lượng
Căn cứ vào năng lượng, nơtron có thể được phân chia thành các loại
sau:
1. Nơtron lạnh năng lượng từ 0 tới 0.025 eV.
2. Nơtron nhiệt: cân bằng nhiệt với môi trường xung quanh, năng
lượng có xác suất lớn nhất ở 20 0 C: 0.025 eV, phân bố Maxwellian
mở rộng tới khoảng 0.2 eV.
3. Nơtron trên nhiệt: năng lượng lớn hơn nhiệt từ 0.025 eV tới 1 eV.
4. Nơtron cộng hưởng từ 0.1 eV tới 300 eV.

17


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Thị Nga

5. Nơtron chậm năng lượng thường từ nhỏ hơn 1 eV tới 10 eV, đôi khi
tới 1keV (tùy theo định nghĩa).
6. Nơtron trung gian nằm giữa nơtron chậm và nơtron nhanh, vài trăm
eV tới 0.5 MeV.
7. Nơtron trên Cadmium là các nơtron ít bị hấp thụ bởi Cd, năng lượng

Nguyễn Thị Nga

nhận năng lượng sẽ nhảy lên trạng thái kích thích và sau đó sẽ phát ra bức
xạ gamma hoặc các bức xạ khác để trở về trạng thái cơ bản. Tán xạ không
đàn hồi hầu như chỉ xảy ra với những nơtron năng lượng cao (1MeV) và
có tiết diện lớn với các hạt nhân nặng.
Hấp thụ nơtron là quá trình xảy ra các phản ứng hạt nhân của nơtron
với hạt nhân bia, hạt nhân bia sẽ thể hiện một vài hiện tượng như sau:
- 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.
- 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. Đây chính là hiện tượng bắt nơtron.
- Hạt tới bị bắt và các hạt sơ cấp khác được phát ra, đó là các phản
ứng: phản ứng tạo proton (n,p), phản ứng tạo hạt alpha (n,), Phản ứng tạo
hai hay nhiều nơtron (n,2n), (n,2p), (n,3n),... Các ph ản ứng này xảy ra với
xác suất lớn với các nơtron nhanh.
- Phản ứng phân hạch hạt nhân (n,f), phản ứng này thường xảy ra với
các hạt nhân siêu Uran như U, Th, Pu, khi tương tác v ới nơtron các hạt
nhân bị phân chia làm 2 mảnh có khối lượng tương đương nhau.
1.2.3. Phản ứng bắt nơtron nhiệt (n,  )
Nơtron tương tác với hạt nhân bia bị bắt và hình thành hạt nhân hợp
phần.
n+(Z,A) ---> + (Z, A+1)

(1.1)

Hạt nhân sản phẩm ở trạng thái kích thích sẽ phân rã  - ,

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

20


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Thị Nga

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.
Tiết diện bắt nơtron nhiệt đặc trưng cho sự hấp thụ nơtron trong dải
năng lượng nhiệt của hạt nhân. Đối với các nơtron trong vùng năng lượng
này, tiết diện tỉ lệ với 1/v trong đó v là vận tốc của nơtron tới. 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. Hình 1.9 là tiết diện của phản ứng
bắt nơtron

115

In(n,) 116m In [17].

Hình 1.9: Tiết diện của phản ứng bắt nơtron

21

115


2A
 A 1

(1.4)

trong đó E 0 là năng lượng ban đầu của nơtron,
E n là năng lượng nơtron sau va chạm.
Độ giảm năng lượng trung bình  là một hằng số và là đại lượng đặc
trưng cho khả năng làm chậm nơtron của mỗi vật liệu.
Giá trị  đối với một số vật liệu nhẹ thường được liệt kê thành bảng
số liệu (Bảng 1.3). Đối với các chất có số khối A lớn hơn 10, có thể sử
dụng biểu thức xấp xấp xỉ để tính giá trị  như sau:



2
2
A
3

(1.5)

Số va chạm cần thiết để giảm năng lượng nơtron từ năng lượng E 0
đến năng lượng E n có thể tính được bằng biểu thức sau [4]:

22


Luận văn Thạc sĩ



(MR)

Hydro

1

18

66

H2O

0.927

19

67

Đơtron

0.725

25

>5820

D2O

0.51


0.120

150

487

Năng suất làm chậm vĩ mô (Macroscopic slowing down power):
Mặc dù độ giảm năng lượng loga trung bình là thước đo khả năng
làm chậm nơtron của vật liệu, nhưng nó không thể đánh giá được tất cả các
tính chất cần thiết của chất làm chậm. Một đại lượng thường được sử dụng
đề đánh giá khả năng của chất làm chậm là n
ăng suất làm chậm vĩ mô (MSDP) là tích của độ giảm năng lượng loga
trung bình  và tiết diện tán xạ vĩ mô,  s , đối với vật liệu [4]:

MSDP  s

23

(1.7)


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Thị Nga

Tỷ số làm chậm (Moderating ratio):
Năng suất làm chậm vĩ mô cho biết tốc độ làm chậm nơtron trong
vật liệu, nhưng vẫn chưa lý giải đầy đủ hiệu suất làm chậm của vật liệu. Ví
dụ Boron là nguyên tố có độ giảm năng lượng loga và năng suất làm chậm

Vật lý, nghiên cứu phân bố của nơtron nhiệt trong các môi trường chất làm
chậm paraffin và thủy tinh hữu cơ, đồng thời khảo sát một số phản ứng hạt
nhân gây bởi nơtron trên các bia In, Au, W, Cu sử dụng nguồn nơtron PuBe này.
2.1. Phƣơng pháp xác định thông lƣợng nơtron từ nguồn Pu-Be.
2.1.1. Phương pháp kích hoạt phóng xạ
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 của nguyên tố cần phân tích 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 thích hợp liên quan tới vấn đề đo, phân tích số liệu
và hiệu chỉnh các nguồn sai số [1].
Trong thời gian kích hoạt đồng thời diễn ra hai quá trình sau:
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 /giây),  là tiết diện của phản ứng hạt nhân có thứ nguyên là diện

25