Xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân 181ta(n,g)182ta

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, c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN MINH CÔNG

XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN BẮT NƠTRON NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG

HẠT NHÂN 181Ta(n,)182Ta

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Hà Nội – 2014

NGUYỄN MINH CÔNG

XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN BẮT NƠTRON NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG

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

2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ TỪ KHÓA

Ee : 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)

3

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 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 1 81 Ta(n,) 182 Ta

đã được công

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 1 81 Ta(n, ) 1 82 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

5

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 18 1 Ta(n,) 18 2 Ta

6

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 181Ta(n,)18 2Ta 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 18 1Ta(n,)18 2Ta 41

2.2.1 Chuẩn bị mẫu nghiên cứu 41

7

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 18 1 Ta(n,)1 82Ta 62

KẾT LUẬN 65

TÀI LIỆU KHAM KHẢO 66

PHỤ LỤC 70

8

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

9

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,…18 1Ta 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 1 81Ta(n,)1 82Ta 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 18 1Ta(n,)18 2Ta” 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 18 1Ta(n,)1 82Ta 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 19 7Au(n,)19 8Au 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

10

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 18 1Ta(n,)18 2Ta Chương III là kết quả thực nghiệm thu được về tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng

1 81

Ta(n,)182Ta

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

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)…

12

1.2 Làm chậm nơtron

1.2.1 Nhiệt hóa nơtron

Nơtron có năng lượng 0 <E ≤ 0.1 eV được gọi là nơtron nhiệt Với những nơtron có năng lượng E > 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)=

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=mv2/2 nên biểu thức (1.1) có thể viết lại như sau:

n(v)=

√ ( ) / e (1.2) Với n(v)=dN/dv; vT= là vận tốc có xác xuất lớn nhất Theo phân bố (1.2), năng lượng có xác suất lớn nhất còn năng lượng trung bình là 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 = 2930K thì vT = 2200m/sec và năng lượng nơtron nhiệt bằng ET = 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

13

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 v1 và V1, sau va chạm là v1' và V1'

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 Vc= , do đó vận tốc nơtron trước va chạm trong hệ tâm quán tính là:

⃗′ = ⃗ + ⃗′

hay: v'2= + + 2Vc v'1 cosθ1trong đó θ1 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:

′

( + 1)hay

Như vậy, sau một va chạm đàn hồi, nơtron có năng lượng E' thỏa mãn điều kiện:

ε E ≤ E' ≤ E

15

* 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:

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 θ1 đến θ2 là:

dN=2πN sinθ1 dθ1 (1.6) Theo định nghĩa của ζ ta có:

16

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 = ( )2nghĩa 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:

trong đó : E0 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 E1 đến năng lượng E2 là:

S (E1, E2) = ζ-1ln (1.10) Nếu dùng khái niệm của lethargy ta được:

17

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 Σs (1.12)

Hệ số làm chậm: ζ Σs/Σa (1.13)

trong đó: Σs = Nσs và Σa =Nσa 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 vàΣs càng lớn, khi đó nơtron càng nhanh chóng được làm chậm Mặt khác, vật chất càng ít hấp thụ nơtron, tức là Σa càng bé thì nơtron được làm chậm mà ít hấp thụ trong quá trình làm chậm Do đó, hệ số làm chậm ζ Σs/Σa 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 Σs và ζ Σs/Σa 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=480

[3]

C 1.6 0.0803 0.158 114 0.061 205

* Độ dài làm chậm

Độ dài làm chậm là độ dài quãng đường mà nơtron đi được trong chất làm chậm để năng lượng E0 ban đầu của nơtron giảm xuống năng lượng ET, ta gọi τT là tuổi nơtron nhiệt, thì đại lượng √τ được gọi là độ dài làm chậm

Đối với chất làm chậm là nước, năng lượng E0= 2MeV, ET=0.025

eV, τT=27 cm2, suy ra độ dài làm chậm sẽ là: √τ = 5.2 cm [3]

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

19

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 10-1 2cm và hạt bay qua hạt nhân với tốc độ 1010cm/s thì thời gian để hạt đó đi qua hạt nhân là 10-12/101 0=10-2 2s 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 (10-22s) 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

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

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]:

21

E*= En + ∆E (1.16) trong đó: E* : Năng lượng kích thích của hạt nhân hợp phần,

En : 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- 10-1 5 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

22

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

     (1.19)trong đó  : xác suất tạo thành hạt nhân hợp phần, C

/

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/cm3, mỗi hạt có diện tích hiệu dụng là [8,24]:

2

A R

3 1) 2

cm ), đơn vị thường sử dụng là barn (b),1b1024cm2

24

1.4.2 Tiết diện bắt nơtron nhiệt

Nơtron nhiệt là các nơtron có vận tốc v0 trong phân bố Maxwellian tại 200C 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  trong điều kiện 0  ( ) 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),

25

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] :

1 1 2 2 3 3

abs act act act act

         (1.25)với  là độ phổ cập đồng vị

Nếu nơtron bị bắt bởi các đồng vị bền thì actabs (1.26)

Nơtron nhiệt bị hấp thụ gần như hoàn toàn bởi 113

Cd, hình thành

114Cd trơ từ phản ứng ( , )n Vì thế mà actabs (1.27)

d Tiết diện vĩ mô 

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] :

A N N

i i i N



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

0( r, )r

E E T , 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 2

2 r

g(E E )

27

trong đó E là năng lượng nơtron, Er 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 En 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

28

Hình 1.5 Tiết diện của phản ứng 18 1 Ta(n, ) 1 82 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

 + 9Be  n +8Be (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 1 24Sb, 24Na, 1 40La, 72Ga, có năng lượng khoảng từ 2 – 3 MeV và thường chỉ sử dụng hai loại bia nhẹ là 9Be và 2H qua các phản ứng hạt nhân 9Be(γ,n)8Be và 2H(γ,n)1H 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 105 n/s

- Nguồn nơtron từ sự phân hạch của 25 2Cf: Trong các nguồn nơtron đồng vị thì đây là nguồn thường được sử dụng hơn cả Đồng vị 25 2Cf 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:

tử trong lò phản ứng hạt nhân hoặc quá trình va chạm của các nguyên tố nặng với proton đều sinh ra nơtrron:

n+ 92U23556Ba1 37 +36Kr9 7 +2n

30

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 < En 0.1eV

- Nơtron trung gian 0.1eV < En 100 keV

- Nơtron nhanh 100 keV < En 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:

H(d, n) He ; Q=3.268 MeV

H(d, n) He ;Q=17.588 MeV Phản ứng 3 4

lên tới 5 barn, do đó tạo ra chùm nơtron nhanh với suất lượng lớn Trong phản ứng 2H(d,n)3He cho nơtron năng lượng thấp (2-4 MeV), còn phản ứng 3H(d,n)4He cho năng lượng cao (13-15 MeV) Suất lượng nơtron phụ thuộcvào năng lượng chùm đơteron Năng lượng của nơtron phát ra trong

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

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

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 1800 giữa các hốc

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

35

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 (En)đối với các electron có động năng trong khoảng từ 5

 25 MeV như sau:

1(2)

1(1862

3 ) , ( 2

) ,

k E

trong đó, k là năng lượng của photon (MeV), A là số khối của bia,

Es( , 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:

e T

0

M

N)E(    

trong đó M, , và t là khối lượng nguyên tử, mật độ và bề dày của bia, N0

là số Avogadro, e là thông lượng chùm electron tới (electron/s), T là

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

37

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1012 n.sec-1.kW-1.[31]