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
NƠTRON ĐỒNG VỊ PU-BE
Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử hạtnhân và năng lượng cao
Mã số: 60440106
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Phạm Đức Khuê
Hà Nội 2014
2
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Thị Nga
LỜI CẢM ƠN
Luận văn này là kết quả của quá trình hai năm học tập của em trong
trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội với sự giúp đỡ, động viên của
các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn là học viên Cao học ngành Vật lý
Nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao khóa 2011 - 2013.
Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn vô cùng sâu sắc đến TS.
Phạm Đức Khuê, Viện Vật lý – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam, đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức chuyên ngành và
những những bài học về thực nghiệm trong nghiên cứu khoa học vô cùng
quý báu để em có thể hoàn thành bản luận văn này. Đồng thời, em cũng
xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các cán bộ Trung tâm Vật lý Hạt nhân,
Viện Vật lý đã động viên, giúp đỡ và tạo môi trường làm việc thân thiện
trong suốt thời gian em học tập tại đây. Nhờ đó mà em có thể thực hiện và
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
1.2.1. Phân loại nơtron theo năng lượng ........................................ 17
1.2.2. Tương tác của nơtron với vật chất ....................................... 18
1.2.3. Phản ứng bắt nơtron nhiệt (n,) ........................................... 19
1.3. Làm chậm nơtron .................................................................... 22
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU ............... 25
2.1. Phƣơng pháp xác định thông lƣợng nơtron từ nguồn Pu-Be. .. 25
2.1.1. Phương pháp kích hoạt phóng xạ ......................................... 25
2.1.2. Xác định thông lượng nơtron nhiệt và nơtron cộng hưởng .... 28
2.1.3. Xác định thông lượng nơtron nhanh. .................................... 29
2.2. Ghi nhận và phân tích phổ gamma .......................................... 30
2.3. Xác định hiệu suất ghi của hệ phổ kế gamma HPGe ............... 34
2.4. Một số phép hiệu chỉnh cần thiết ............................................ 36
2.5. Thí nghiệm nghiên cứu ............................................................ 38
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................ 43
3.1. Kết quả đo phân bố của nơtron nhiệt trong chất làm chậm .... 43
3.2. Kết quả nghiên cứu phản ứng hạt nhân gây bởi nơtron .......... 45
3.3. Kết quả xác định thông lƣợng nơtron từ nguồn Pu-Be ............ 51
KẾT LUẬN ........................................................................................ 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................. 55
4
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Thị Nga
PHỤ LỤC .......................................................................................... 57
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Phổ nơtron của một số nguồn đồng vị loại 9 Be( ,n).
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.
5
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Thị Nga
Hình 2.7: Sơ đồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu phân bố thông lượng nơtron
nhiệt từ nguồn nơtron đồng vị Pu-Be.
Hình 2.8: Hình ảnh các khối Paraffin với bề dày khác nhau.
Hình 2.9: Hình ảnh các khối thủy tinh hữu cơ với bề dày khác nhau.
Hình 3.1: Phân bố của nơtron nhiệt trong chất làm chậm paraffin.
Hình 3.2: Phân bố của nơtron nhiệt trong chất làm chậm thủy tinh hữu cơ.
Hình 3.3: Phổ gamma của mẫu In kích hoạt trên nguồn nơtron đồng vị
Pu-Be.
Hình 3.4: Phổ gamma của mẫu Au kích hoạt trên nguồn nơtron đồng vị
Pu-Be.
Hình 3.5: Xác định thời gian bán rã của đồng vị
198
Au.
Hình 3.6: Phổ gamma của mẫu W kích hoạt trên nguồn nơtron đồng vị PuBe.
Hình 3.7: Phổ gamma của mẫu Cu kích hoạt trên nguồn nơtron đồng vị
Pu-Be.
Hình P.1: Hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe.
Hình P.2:Giao diện phần mềm xử lý phổ Gamma ision.
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.
7
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Thị Nga
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ TỪ KHÓA
E α : Năng lượng của hạt α.
E th : Năng lượng ngưỡng của phản ứng hạt nhân.
E γ : Năng lượng tia gamma.
E n : Năng lượng nơtron.
T 1/2 : Thời gian bán rã của đồng vị phóng xạ.
I γ : Xác suất phát xạ hay cường độ tia gamma.
: Tiết diện bắt nơtron nhiệt.
I: Tiết diện tích phân cộng hưởng.
ADC: Bộ biến đổi tương tự số.
MCA: Máy tính phân tích biên độ nhiều kênh.
HPGeĐêtectơ bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết.
Thermalization: Sự nhiệt hóa.
Moderator: Chất làm chậm.
MSDP (Macroscopic Slowing Down Power): Năng suất làm chậm vĩ mô.
MR (Moderating Ratio): Tỷ số làm chậm.
CR (Cadimium Ratio): Tỷ số cadmi.
8
Luận văn Thạc sĩ
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,
244
Cm,… Phổ
nơtron từ loại nguồn này có dạng khá phức tạp, năng lượng liên tục từ
vùng nhiệt tới khoảng 13 MeV, năng lượng trung bình khoảng 4 - 5 MeV.
Suất lượng phát nơtron khoảng 10 6 -10 7 n/s. Phổ nơtron bị biến dạng mạnh
khi đi qua các môi trường vật chất. Khi va chạm với các hạt nhân nguyên
tử, nơtron bị mất một phần năng lượng và thay đổi hướng chuyển động.
Nơtron bị mất năng lượng nhiều khi va chạm với các hạt nhân nhẹ, sau một
số lần va chạm, nơtron bị nhiệt hóa, năng lương của chúng tương đương
với chuyển động nhiệt (0.025 eV). Các chất có khả năng làm chậm nơtron
tốt là các vật liệu chứa nhiều hydro như nước, paraffin, polime,...
Nơtron là hạt không mang điện nên việc ghi nhận nơtron thường
gián tiếp thông qua các phản ứng hạt nhân gây bởi nơtron tạo ra các hạt
tích điện hoặc các đồng vị phóng xạ. Việc ghi nhận nơtron thông qua các
đồng vị phóng xạ tạo thành từ phản ứng hạt nhân còn được gọi là phương
pháp kích hoạt, đetectơ là các lá kim loại mỏng có tiết diện phản ứng lớn
đối với nơtron.
Luận văn với đề tài “Nghiên cứu một số đặc trưng và ứng dụng của
nguồn nơtron đồng vị Pu-Be” tập trung nghiên cứu xác định thông lượng
9
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Thị Nga
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
với các nguồn nơtron đồng vị là suất lượng phát nơtron, phổ năng lượng
nơtron, năng lượng các bức xạ , , thời gian sống của đồng vị,...
Đối với loại nguồn (,n), một số đồng vị phóng xạ có đặc tính phân
rã , các hạt gây ra phản ứng hạt nhân (,n) tạo ra nơtron. Đây chính là
cơ sở vật lý để chế tạo các nguồn nơtron đồng vị bằng cách hòa trộn đồng
vị phát hạt và các vật liệu thích hợp. Những đồng vị phát thường được
sử dụng là
226
239
Ra,
Pu,
241
Am,... Be thường được chọn làm bia và cho suất
lượng nơtron lớn nhất. Nơtron được tạo ra chủ yếu từ phản ứng hạt nhân
sau:
4
2
He 49Be 126C n 5.71 MeV
Ngoài ra một phần ít nơtron còn được tạo thành từ các phản ứng hạt
nhân khác như:
9
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
Nguyễn Thị Nga
nguồn đồng vị loại 9 Be(,n). Hình 1.2 là một số phổ nơtron với các bia
khác nhau[10].
Bảng 1.1 và 1.2 là đặc trưng cơ bản của một số nguồn
nơtron đồng vị loại (,n) [14].
Hình 1.1: Phổ nơtron của một số nguồn đồng vị loại 9 Be( ,n).
Hình 1.2: Phổ nơtron từ phản ứng (n, ) đối với một số bia khác.
12
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Thị Nga
Bảng 1.1: Một số nguồn nơtron đồng vị ( ,n).
Nguồn nơtron
Năng lượng trung bình
Thời gian bán rã
của nơtron (MeV)
210
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
241
AmBe
4.0
432.2 năm
242
CmBe
5.0
162.8 ngày
210
226
226
239
Bảng 1.2: Một số đặc trưng của nguồn nơtron 9 Be( ,n).
Nguồn
Kiểu pha trộn
E (MeV)
E n. ma x (MeV)
Tốc độ phát xạ
(n/s/Ci)
241
AmBe
Viên hỗn hợp
5.48
11.0
2.710 6
oxit Am +Be
239
PuBe
Hợp kim Pu+Be
5.15
10.7
2.210 6
226
RaBe
Hỗn hợp nén cơ
4.78-7.69
13.1
2.010 6
6.11
11.8
7.0 10 6
học Ra+Be
242
Cm
Viên hỗn hợp
oxit Cm +Be
Đối với loại nguồn đồng vị (,n), các đồng vị phát bức xạ gamma
thường được sử dụng là
124
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
phân chia và trong quá trình phân hạch tự phát sinh ra nơtron. Nguồn phân
hạch tự phát được sử dụng nhiều nhất là
152
Cf.
152
Cf và hầu hết các nguồn
nơtron phân hạch khác được chế tạo bằng cách chiếu xạ urani hoặc các
nguyên tố siêu urani khác bởi nơtron trong lò phản ứng. Phổ nơtron từ loại
nguồn này có dạng gần như phổ nơtron phân hạch trong lò phản ứng, năng
lượng trung bình khoảng 1.5 MeV (hình 1.3 [10]). Suất lượng của nguồn
nơtron
152
Cf có thể lên tới 10 9 n/s. Tuy nhiên thời gian bán rã chỉ 2.645
năm, đây cũng là một hạn chế khi sử dụng loại nguồn này.
Hình 1.3: Phổ nơtron của nguồn
152
Cf.
1.1.2. Một số đặc trưng của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be.
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
ra còn có bức xạ hãm do các electron thứ cấp, bức xạ gamma từ các phản
ứng hạt nhân (n,x) xảy ra với các vật liệu xung quanh nguồn. Tuy nhiên
các bức xạ gamma từ nguồn Pu-Be yếu hơn so với một số loại nguồn khác
như nguồn Ra-Be, mặt khác do thời gian sống rất dài nên nguồn nơtron PuBe được sử dụng khá phổ biến.
Năng lượng và cường độ của hạt là: 5105.5 keV (11.94%);
5144.31 keV (7.11%); 5156.59 (keV) (70.77%). Năng lư ợng nơtron trung
bình khoảng 4.5 MeV, năng lượng cực đại 10.7 MeV. Một nguồn Pu-Be
loại hình trụ với đường kính khoảng 2 cm và chiều cao 3 cm cho suất
lượng nơtron khoảng 10 6 n/s. Hình 1.4 là hình ảnh cấu tạo của nguồn
nơtron đồng vị Pu-Be [10]. Hình 1.5 là hình ảnh thực tế của một nguồn
nơtron đồng vị Pu-Be. Hình 1.6 là phổ nơtron của nguồn Pu-Be được xác
định bởi các tác giả khác nhau [10,11]. Hình 1.7 là các phổ của gamma từ
các nguồn nơtron đồng vị Pu-Be, Am-Be và phông gamma của môi trường
[5].
Hình 1.4: Nguyên lý cấu tạo của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be
15
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Thị Nga
Hình 1.5: Hình ảnh của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be
Hình 1.6: Phổ nơtron của nguồn Pu-Be.
16
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
lớn hơn 0.5 eV.
8. Nơtron nhanh năng lượng lớn hơn 1 eV, 0.1 MeV hoặc 1 MeV đến
20 MeV(tùy theo định nghĩa).
9. Nơtron siêu nhanh (tương đối tính) năng lượng lớn hơn 20 MeV.
10. Nơtron phân hạch được tạo ra từ quá trình phân hạch hạt nhân,
năng lượng từ khoảng 100 eV đến 15 MeV, xác suất lớn nhất 0.8
MeV, trung bình khoảng 2 MeV.
11. Nơtron trong lò phản ứng năng lượng khoảng từ 0.001 eV tới 15
MeV.
1.2.2. Tương tác của nơtron với vật chất
Do không mang điện tích nên khi đi vào môi trường vật chất nơtron
tương tác rất yếu với các electron. Tương tác của nơtron chủ yếu là với hạt
nhân.
Quá trình tương tác của nơtron với vật chất thông qua hai hiện tượng
chính là tán xạ và hấp thụ, bao gồm các quá trình tán xạ đàn hồi, tán xạ
không đàn hồi và các phản ứng hạt nhân.
Khi nơtron va chạm với hạt nhân bia, nếu thế năng của hệ giữ
nguyên còn động năng của hệ có thể biến đổi thì gọi là tán xạ đàn hồi. Khi
va chạm đàn hồi với hạt nhân bia, nơtron bị mất năng lượng và thay đổi
hướng chuyển động. Giữa nơtron và hạt nhân xảy ra sự trao đổi động năng
còn trạng thái hạt nhân thì không đổi. Nơtron bị mất năng lượng nhiều khi
va chạm với hạt nhân nhẹ.
Cơ chế tán xạ không đàn hồi là khi nơtron tương tác với vật chất nó
truyền cho hạt nhân nguyên tử một phần năng lượng. Hạt nhân sau khi
18
Luận văn Thạc sĩ
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 - ,
(Z, A+1) ---> (Z+1, A+1) +e - + ~
19
(1.2)
Luận văn Thạc sĩ
Nguyễn Thị Nga
Khi hạt nhân hấp thụ 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:
E * = E n + ∆E
(1.3)
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 1.8. 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 [8].
Hình 1.8:Sơ đồ phân rã hạt nhân của phản ứng bắt nơtron.
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
- Xem thêm -