Khoa học và công nghệ hạt nhân đã được nghiên cứu phát triển và ứng dụng vào thực tiễn ở nhiều quốc gia trên thế giới từ những năm 1940 cho đến nay và đã đạt được nhiều thành tựu to lớn, đóng góp vào sự phát triển của nền kinh tế xã hội của quốc tế nói chung và đối với nhiều Quốc gia nói riêng như: Mỹ, Nhật Bản, Nga, Ấn Độ 11. Trong những năm gần đây, Việt Nam cũng đặc biệt quan tâm đến nghiên cứu về số liệu hạt nhân cơ bản và ứng dụng kĩ thuật hạt nhân trong công nghiệp và nông nghiệp và đã có nhiều tiến bộ quả nhất định.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠTKHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN
Trang 2TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠTKHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN
ĐỖ NGỌC MẾN – 1310542
XÁC ĐỊNH THỰC NGHIỆM CƯỜNG ĐỘ CÁC TIA GAMMA TỨC THỜI TỪ PHẢN ỨNG BẮT NƠTRON NHIỆT 51V (n, γ) V) V52
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
TS PHẠM NGỌC SƠN
KHÓA 2013 – 2018
Trang 3NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Trang 4
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Trang 5
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp này, tôi đã nhậnđược rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ hết sức nhiệt tình và tâm huyết của các thầy côtrong Viện nghiên cứu Hạt nhân và các thầy cô Trường Đại học Đà Lạt
Lời đầu tiền, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc và dành những tìnhcảm quý mến, kính trọng đến người thầy TS Phạm Ngọc Sơn đã hướng dẫn thựchiện các nội dung công việc trong khóa luận
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ban Giám Hiệu, quý Thầy Cô khoa KỹThuật Hạt Nhân, Trường Đại học Đà Lạt đã truyền đạt cho tôi những kiến thức, đam
mê trong học tập và nghiên cứu tại trường
Tôi cũng xin được bày tỏ lời cảm ơn biết ơn đến Ban Lãnh đạo Viện Nghiêncứu hạt nhân Đà Lạt, Trung tâm Vật lý và Điện tử hạt nhân đã tạo mọi điều kiệnthuận lợi cho tôi trong quá trình làm thực nghiệm khóa luận tại lò phản ứng hạtnhân Đà Lạt
Đồng thời, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè và ngườithân yêu đã luôn bên cạnh ủng hộ, động viên, tin tưởng, tạo mọi điều kiện thuận lợinhất cho tôi trong suốt những năm học Đại học vừa qua
Xin chân thành cảm ơn
Đỗ Ngọc Mến
Trang 6LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và người hướng dẫnkhoa học là TS Phạm Ngọc Sơn đang công tác tại Viện Nghiên cứu hạt nhân ĐàLạt Các số liệu và kết quả thực nghiệm đo được trong khóa luận này là hoàn toàntrung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác Ngoài ra,trong khóa luận không có sự sao chép bất kì đề tài, khóa luận hoặc nhờ người kháclàm thay Các số liệu, công thức và thông tin sử dụng trong khóa luận đều có ghinguồn trích dẫn từ tài liệu tham khảo Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về các nộidung trình bày trong khóa luận này
Đà Lạt, ngày 19 tháng 12 năm
2017Người cam đoan
Đỗ Ngọc Mến
Trang 7MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN i
LỜI CAM ĐOAN ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v
DANH MỤC CÁC BẢNG vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii
LỜI MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3
1.1 Môt số đặc trưng của nguyên tố Vanadium 3
1.2 Phương pháp kích hoạt nơtron đo gamma tức thời 3
1.3 Phương trình tốc độ phản ứng (n, ) .6
1.4 Hệ PGNAA ở một số nước trên thế giới 7
1.4.1 Trên thế giới 7
1.4.2 Hệ thiết bị PGNAA tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt 9
1.5 Kênh ngang số 2 tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt 10
1.5.1 Giới thiệu kênh ngang số 2 10
1.5.2 Hệ phổ kế gamma dùng đầu dò HPGe 14
1.6 Tổng kết chương 1 16
CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 17
2.1 Hiệu chuẩn hệ phổ kế 17
2.1.1 Chuẩn năng lượng của hệ phổ kế 17
2.1.2 Chuẩn hiệu suất ghi 18
2.2 Thực nghiệm xác định cường độ các tia gamma tức thời từ phản ứng bắt nơtron nhiệt 59 V(n, ) 60 V .26
2.2.1 Chuẩn bị mẫu 26
2.2.2 Chiếu và đo mẫu 27
2.3 Tổng kết chương 2 29
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30
Trang 83.3 Tổng kết chương 3 35
KẾT LUẬN 36
KIẾN NGHỊ 37
TÀI LIỆU THAM KHẢO 38
Trang 9DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
siêu tinh khiết
activation analysis kích hoạt nơtron đo
gamma tức thờiGELINA Geel Linear Accelerator Máy gia tốc điện tử tuyến tính
tại Geel, Bỉ
chiếu mẫu cho phương pháp
PGNAA
Trang 10DANH MỤC CÁC BẢNG
thế giới 8
Bảng 2 Các đặc điểm chính của hệ phân tích PGNAA Đà Lạt 10
Bảng 3 Số liệu hạt nhân của một số nguồn chuẩn 19
Bảng 4 Số liệu hiệu suất ghi cho vị trí nguồn cách đầu dò 38.5 cm 21
Bảng 5 Số liệu trong tính toán sai số hiệu suất ghi 24
Bảng 6 Hiệu suất ghi tương ứng vơi các mức năng lượng của hạt nhân 51 V .33
Bảng 7 Cường độ các tia gamma tức thời của hạt nhân 51 V tại các đỉnh năng lượng khác nhau 34
Trang 11DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1 Quá trình bắt nơtron của hạt nhân bia kèm phát xạ gamma 4
Hình 2 Mô tả vị trí lắp đặt hệ thống dẫn dòng nơtron và kín nước vào bên trong kênh ngang số 2 11
Hình 3 Hệ thiết bị dòng nơtron phin lọc kênh ngang số 2 12
Hình 4 Bản vẽ thiết kế hệ dẫn dòng nơtron bằng kĩ thuật phin lọc tại kênh số 2 13
Hình 5 Sơ đồ khối hệ gamma ở chế độ đo đơn 15
Hình 6 Hệ phổ kế gamma dùng đầu dò HPGe và các khối điện tử 15
Hình 7 Đường chuẩn năng lượng của đầu dò HPGe 18
Hình 8 Đường cong hiệu suất ghi tại vị trí nguồn cách đầu dò 38.5 cm 23
Hình 9 Lá dò V tinh khiết 99,99% 27
Hình 10 Thực nghiệm phổ gamma của nguồn chuẩn 51V đo trực tiếp tại kênh ngang số 2 28
Hình 11 Phổ gamma của nguồn chuẩn V đo trực tiếp tại kênh ngang số51 2 28
Hình 12 Phổ gamma của nguồn chuẩn Cl đo trực tiếp tại kênh ngang số35 2 29
Hình 13 Phổ gamma tức thời của mẫu Vanadium và phổ phông gamma thu được khi đo trực tiếp tại kênh ngang số 2 của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt 31
Hình 14 Phổ gamma tức thời của mẫu Vanadium và phổ phông gamma thu được khi đo trực tiếp tại kênh ngang số 2 của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt 31
Hình 15 Phổ gamma tức thời của mẫu Vanadi thu được trong vùng năng lượng từ 80- 4000 keV 32
Hình 16 Phổ gamma tức thời của mẫu Vanadi thu được trong khoảng năng lượng từ 4000-8000 keV 32
Trang 12LỜI MỞ ĐẦU
Khoa học và công nghệ hạt nhân đã được nghiên cứu phát triển và ứng dụngvào thực tiễn ở nhiều quốc gia trên thế giới từ những năm 1940 cho đến nay và đãđạt được nhiều thành tựu to lớn, đóng góp vào sự phát triển của nền kinh tế xã hộicủa quốc tế nói chung và đối với nhiều Quốc gia nói riêng như: Mỹ, Nhật Bản, Nga,
Ấn Độ [11] Trong những năm gần đây, Việt Nam cũng đặc biệt quan tâm đếnnghiên cứu về số liệu hạt nhân cơ bản và ứng dụng kĩ thuật hạt nhân trong côngnghiệp và nông nghiệp và đã có nhiều tiến bộ quả nhất định
Tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt, hướng nghiên cứu cấu trúc hạt nhânbằng thực nghiệm đã được triển khai và thu được những thành công nhất định [1].Hiện tại, Trung tâm Vật lý và điện tử hạt nhân đã đưa vào khai thác ba dòng nơtroncho thí nghiệm đo đạc phản ứng (n, γ) bao gồm kênh nganh số 2 đo đạc tiết diện hạt) bao gồm kênh nganh số 2 đo đạc tiết diện hạtnhân và phân tích nguyên tố bằng phương pháp kích hoạt nơtron đo gamma tứcthời, kênh nganh số 3 bao gồm hệ phổ kế đo các mức năng lượng mới trong sơ đồgiải thích thích của một số hạt nhân như Clo, Yb, Sm, … Và tại dòng nơtron kênhngang số 4, phục vụ cho phép đo nơtron truyền qua, đo tiết diện toàn phần của phảnứng (n, γ) bao gồm kênh nganh số 2 đo đạc tiết diện hạt) Kĩ thuật để đạt được dòng nơtron đơn sắc và nơtron nhiệt bằng phươngpháp sử dụng phin lọc nơtron Tại dòng nơtron kênh số 2, dòng nơtron thuần nhiệt
đã được chế tạo thành công đã và đang được đưa vào khai thác trong đo đạc tiếtdiện nơtron nhiệt cho một vài hạt nhân cũng như phân tích hàm lượng các nguyên tốbằng phương pháp kích hoạt nơtron đo gamma tức thời Một hệ phổ kế triệtcompton được lắp đặt gồm một đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe, độ phân giải2.0 keV và 12 đầu dò nhấp nháy loại BGO bao bọc xung quanh đầu dò bán dẫn [2]
Nguyên tố Vanadi và các đồng vị của nó được sử dụng nhiều trong khoa học
và công nghệ hạt nhân, số liệu về cường độ các tia gamma tức thời của hạt nhân hợpphần 51V từ phản ứng (n,) thường được sử dụng như là số liệu chuẩn trong cácphép phân tích kích hoạt nơtron đo gamma tức thời (Prompt gamma nơtronactivation analysis – PGNAA) và các phép đo số liệu hạt nhân [3] Ngoài ra, xácđịnh cường độ các tia gamma tức thời là rất quan trọng trong các nghiên cứu tínhtoán che chắn an toàn bức xạ Cùng với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật hạtnhân, các yêu cầu về độ chính xác và độ tin cậy của các số liệu về cường độ các tiagamma tức thời luôn được đặt ra
Trang 13Do vậy, tiến hành đo thực nghiệm cường độ các tia gamma tức thời từ phảnứng 51V(n,)52V Với mục tiêu đã đưa ra ở trên, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu
của khóa luận là: "Xác định thực nghiệm cường độ các tia gamma tức thời từ
dụng hệ phổ kế gamma đầu dò bán dẫn HPGe và dòng nơtron phin lọc tại kênhngang số 2 của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt
Ngoài phần mở đầu và kết luận, bố cục của khóa luận được trình bày thành 3chương bao gồm:
Chương 1 - Tổng quan: Trình bày tổng quan các khái niệm, phương pháp và
hệ thiết bị liên quan đến phương pháp kích hoạt nơtron đo gamma tức thời(PGNAA)
Chương 2 - Thực nghiệm: Trình bày nội dung thực nghiệm và xử lí số liệu đểxác định cường độ các tia gamma tức thời từ phản ứng bắt nơtron nhiệt 51V(n,)52V
Chương 3 - Kết quả và thảo luận: Trình bày kết quả tính toán và thảo luận
Do còn hạn chế về thời gian đo thực nghiệm cũng như đây là lần đầu làmthực nghiệm vật lý hạt nhân nên khóa luận sẽ khó tránh khỏi những thiếu sót nhấtđịnh về cả nội dung và hình thức trình bày Kính mong nhận được ý kiến đóng gópcủa Quý Thầy/Cô và các bạn giúp khóa luận hoàn thiện hơn
Đà Lạt, tháng 12/2017.Sinh viên thực hiện,
Đỗ Ngọc Mến
Trang 14CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
Chương này trình bày tổng quan về đặc trưng của nguyên tố Vanadi, trìnhbày phương pháp kích hoạt nơtron đo gamma tức thời và các khái niệm, phươngpháp và hệ thiết bị đo gamma tức thời tại kênh thí nghiệm nơtron số 2
1.1 Môt số đặc trưng của nguyên tố Vanadium
Năm 1801, Andrés Manuel del Río trong khi tách nguyên tố từ mẫu quặng “chìđen” Mexicô đã phát hiện ra một nguyên tố mới và gọi là Vanadium [11] Vanadium làmột kim loại hiếm, mềm và dễ kéo thành sợi, là thành phần được tìm thấy trong nhiềukhoáng chất, có khả năng chống ăn mòn tốt, bền với các loại chất kiềm, axít sulfuric vàaxít clohiđric Sau khi được phát hiện đến nay thì vanadium được dùng để sản xuất một
số hợp kim, trong tự nhiên vanadium bao gồm các đồng vị phân bố từ 43V đến 61Vtrong đó đồng vị bền 51V là nhiều nhất chiếm tới 99.75% 51V có tiết diện bắt nơtronnhiệt là 4.93 barn, có spin và chẳn lẻ là 72− Đồng vị 52V có thể được tạo thành từ cácphản ứng 51V(d,p)52V hoặc 51V(n,γ) bao gồm kênh nganh số 2 đo đạc tiết diện hạt)52V, là hạt nhân không bền với chu kỳ bán hủy 1 =3.75 phút, có spin và chẳn lẻ ở trạng thái bền là
2
3+ [11] Hạt nhân 52V có ba proton và một nơtron ở ngoài của lõi lấp đầy, lõi có cấutrúc hai lần magic như hạt nhân 48Ca Trong phản ứng bắt nơtron nhiệt 51V(n,γ) bao gồm kênh nganh số 2 đo đạc tiết diện hạt)52V, hạtnhân 52V ở trạng thái kích thích có khả năng liên kết neuton B-n=7311.24 keV, phát racác bức xạ gamma để chuyển về trạng thái cơ bản, các dịch chuyển này có thể là trựctiếp từ năng lượng liên kết Bn hoặc qua các mức trung gian khác nhau như: 3733.13keV, 2855.28 keV, 2479.59 keV, 2168 keV,…., 22.76 keV, 17.13
keV [16]
1.2 Phương pháp kích hoạt nơtron đo gamma tức thời
Để xem xét sự tương tác của nơtron với vật chất, người ta chia các nơtrontheo năng lượng của chúng, thành các nơtron nhiệt (năng lượng nơtron En từ 0 đến0.5 eV), các nơtron trên nhiệt (En từ 0.5 eV đến 10 keV), các nơtron nhanh (En từ 10keV đến 10MeV) và các nơtron rất nhanh (En lớn hơn 10 MeV) Tương tác củanơtron với hạt nhân bia phụ thuộc rất mạnh vào năng lượng của nó Tùy thuộc vàonăng lượng hạt tới và tính chất của hạt nhân bia mà các phản ứng có khả năng xảy
ra là: phản ứng bắt bức xạ (n,), tán xạ đàn hồi (n,n), tán xạ không đàn hồi (n,n’) vàphản ứng phân hạch (n,f) Đối với phản ứng bắt bức xạ, một hạt nhân hợp phầntrung gian ở trạng thái kích thích được tạo ra Năng lượng kích thích của hạt nhân
3
Trang 15hợp phần bằng tổng của năng lượng liên kết của nơtron với hạt nhân và động năngcủa hạt nơtron tham gia phản ứng Trạng thái kích thích của hạt nhân hợp phần tồntại trong khoảng thời gian sống rất ngắn 10-14 giây và phân rã về trạng thái cân bằnghoặc trạng thái giả bền bằng cách phát ra các tia gamma tức thời đặc trưng Trongnhiều trường hợp, hạt nhân sản phẩm (có số khối bằng A+1) thường không bền và
có tính phóng xạ beta kèm theo bức xạ một hoặc nhiều tia gamma trễ đặc trưng Cáctia bức xạ gamma có thể đo được bằng hệ phổ kế đa kênh dùng đầu dò bán dẫn siêutinh khiết HPGe có độ phân giải năng lượng cao [4]
Trạng thái kích thích của hạt nhân hợp phần tạo thành trong quá trình phảnứng (n,) với thời gian sống khoảng 10-14 giây sẽ phân rã về các mức năng lượngthấp hơn và phát ra phổ các tia gamma tức thời Với thời gian sống ngắn như vậy,các phép đo cần phải được tiến hành đồng thời với phép chiếu mẫu, kĩ thuật đo thựcnghiệm này được gọi là phương pháp kích hoạt nơtron đo gamma tức thời(PGNAA)
Hình 1 Quá trình bắt nơtron của hạt nhân bia kèm phát xạ gamma [6]
Dựa trên phản ứng bắt nơtron của các hạt nhân bia mẫu, các nhân hợp phầnđược tạo ra ở trạng thái kích thích cao và các nhân hợp phần giải kích thích thôngqua phát các tia gamma tức thời, chúng được ghi nhận bằng hệ phổ kế gamma đakênh, phổ gamma thu được theo dạng số đếm theo năng lượng, từ đó có thể xácđịnh các dữ liệu hạt nhân cần quan tâm từ phản ứng [8]
Trang 16Phổ năng lượng các tia gamma tức thời từphản ứng bắt nơtron (n, ) ứngdụng trong nghiên cứu vật lý hạt nhân cơ bản (xác định tiết diện phản ứng, cường
độ phát tia gamma, cấu trúc hạt nhân, hàm lực gamma, nguyên tử khối, v.v ),phương pháp phân tích kích hoạt PGNAA (phân tích thành phần các nguyên tốtrong mẫu môi trường, sinh học, địa chất, v.v ), nghiên cứu sự ảnh hưởng của bức
xạ lên vật chất, v.v Trong khóa luận này, chúng tôi nghiên cứu xác định cường độcác tia gamma tức thời từ phản ứng bắt nơtron nhiệt của hạt nhân 51V bằng phươngpháp thực nghiệm đo phổ gamma tức thời (Neutron captured prompt gamma-rays)
sử dụng hệ phổ kế PGNAA tại kênh ngang số 2 lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt
Tùy theo năng lượng của hạt nơtron tới, tính chất tương tác của hạt nhân biađối với nơtron có thể được mô tả qua ba cơ chế chính là: phản ứng hạt nhân hợpphần, phản ứng trực tiếp và phản ứng tiền cân bằng Trong phạm vi của khóa luận làtập trung nghiên cứu đối với nơtron nhiệt có năng lượng là 0.0253 eV, do đó phảnứng hạt nhân (n,) chủ yếu xảy ra theo cơ chế hạt nhân hợp phần
Phản ứng hạt nhân hợp phần được biểu diễn qua hai giai đoạn như được miêu
tả như trong sơ đồ sau [7]:
n + A (A+1)* (A+1) + -raysprompt
là tia gamma tức thời
Giai đoạn hình thành hạt nhân hợp phần: Hạt nhân bia hấp thụ hạt nơtron tớitạo thành hạt nhân hợp phần với số khối là (A+1)* và tồn tại ở trạng thái kích thích.Mức năng lượng kích thích tương ứng với tổng năng lượng liên kết của hạt nhân bia
và động năng của hạt nơtron tới
Giai đoạn tạo thành hạt nhân sản phẩm sau phản ứng là giai đoạn trong đócác trạng thái kích thích của hạt nhân hợp phần phân rã về trạng thái cơ bản hoặctrạng thái giả bền tạo thành hạt nhân sản phẩm của phản ứng đồng thời giải phóngnăng lượng kích thích dưới dạng các tia gamma tức thời Phổ năng lượng các tia
Trang 17gamma tức thời phụ thuộc mạnh vào các đặc trưng cấu trúc hạt nhân, năng lượng,momen động lượng, tính chẵn lẻ của hạt nhân.
Phản ứng bắt nơtron (n,) của hạt nhân cũng có thể được mô tả như sau:
Với A: số khối của hạt nhân bia
Z: số điện tích của hạt nhân bia
Kí hiệu (*) biểu diễn cho hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích [3]
1.3 Phương trình tốc độ phản ứng (n,)
Kết hợp việc kích hoạt sử dụng chùm nơtron từ kênh ngang của lò phản ứngđồng thời đo phổ gamma tức thời từ phản ứng (n,) bằng một hệ phổ kế đa kênhdùng đầu dò bán dẫn HPGe, ta có mối quan hệ giữa tốc độ phản ứng (R) đối với mộthạt nhân bia và số đếm ghi được ( N p ) của đỉnh gamma quan tâm như sau [7]:
t m là thời gian đo,
w là khối lượng mẫu được chiếu (g),
θ là độ phổ cập đồng vị (%),
M là khối lượng nguyên tử của nguyên tố bia (g/mol),
Iγ) bao gồm kênh nganh số 2 đo đạc tiết diện hạt là cường độ gamma tuyệt đối (xác suất phát gamma)
εp là hiệu suất ghi đỉnh (%)
Trang 18Thay N vào phương trình (1.1) ta có:
N p /t m
(1.2)R=
w
N A θ.I γ) bao gồm kênh nganh số 2 đo đạc tiết diện hạt ε p /M
Khi đặt hạt nhân trong chùm nơtron đơn năng E n , có thông lượng n , tốc độphản ứng được tính bởi công thức:
R n (E n ) (1.3)Với (E) là tiết diện phản ứng (n,) của hạt nhân bia đối với hạt nơtron tới cónăng lượng nơtron E
Từ các phương trình kích hoạt trên, có thể xác định được tiết diện bắt nơtronnhiệt, cường độ phát tia gamma, độ phổ biến của đồng vị, v.v
1.4 Hệ PGNAA ở một số nước trên thế giới
Sự ra đời và phát triển của các phương pháp phân tích hạt nhân gắn liền vớinhững thành tựu của vật lý và kỹ thuật hạt nhân hiện đại Phương pháp PGNAA cónhững ưu điểm rất cơ bản như độ nhạy và độ chính xác cao, tốc độ phân tích nhanh,mẫu phân tích không bị phá hủy và có thể tiến hành phân tích đồng thời nhiềunguyên tố Có thể tự động hóa được toàn bộ quy trình phân tích Do đó, hệ phân tíchPGNAA luôn được quan tâm nâng cấp nhằm nâng cao độ nhạy và độ chính xác của
hệ đo Dưới đây là đặc điểm chính của một số hệ phân tích PGNAA trên thế giới vàtrong nước
1.4.1 Trên thế giới
Một trong những đặc trưng quan trọng nhất của hệ thiết bị PGNAA là độnhạy phân tích Đó là kết quả tổng hợp của các đặc trưng khác như thông lượngnơtron, tỷ số cadmium, phông gamma của hệ đo, hiệu suất ghi của hệ đo, Bảng 1nêu ra các đặc điểm chính của một số hệ phân tích PGNAA ở một số nước
Trang 19Bảng 1 Các đặc điểm chính của một số hệ phân tích PGNAA ở một số nước trên
thế giới[12,13,14]
SNU – KAERI - Nguồn nơtron nhiệt: graphite
(Hàn Quốc) - Thông lượng chùm nơtron: 8.2x107n.cm-2.s-1
- Kích thước chùm: 2x2 cm2
- Tỉ số cadmium R = 266 (đối với Au)
- Độ nhạy tại Ti (1382 keV): 2020 c/s/g
- Hệ phổ kế: hệ bán dẫn siêu tinh khiết HPGeJEARI - Nguồn nơtron nhiệt dẫn dòng bằng phản xạ gương Ni
(Nhật Bản) - Thông lượng chùm nơtron: 2.4x107 n.cm-2.s-1
- Kích thước chùm: 2x2 cm2
- Hệ phổ kế gamma sử dụng detector bán dẫn siêu tinh khiếtHPGe 23.8%, độ phân giải (FWHM) 1.75 keV tại đỉnh 1332keV của 60Co
NIST - Nguồn nơtron nhiệt: Phin lọc (sapphire)
(Mỹ) - Thông lượng chùm nơtron: 3.0x108 n.cm-2.s-1
- Kích thước chùm: 2 cm hoặc nhỏ hơn
- Tỉ số cadmium R = 166 (đối với Au)
- Độ nhạy tại Ti (1382 keV): 890 c/s/g
- Hệ phổ kế: Hệ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe và hệ triệtCompton
-Nguồn nơtron lạnh: Phin lọc (Be, Bi) và phản xạ gương
Trang 20- Thông lượng chùm nơtron: 9.5x108 n.cm-2.s-1.
- Kích thước chùm: 2 cm hoặc nhỏ hơn
- Độ nhạy tại Ti (1382 keV): 7700 c/s/g
- Hệ phổ kế: Hệ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe và hệ triệt
BARC - Nguồn nơtron nhiệt: phản xạ gương
(Ấn Độ) - Thông lượng chùm nơtron: 1.4x107n.cm-2.s-1
- Kích thước chùm: 2.5x10 cm2
- Tỉ số cadmium R = 3.4x104 (đối với In)
- Hệ phổ kế: Hệ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe
- Nguồn nơtron nhiệt: graphite
- Thông lượng chùm nơtron: 1.6x106n.cm-2.s-1
- Kích thước chùm: 2.5x3.5 cm2
- Tỉ số cadmium R = 3.4x104 (đối với In) - Hệ phổ kế: Hệ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe
1.4.2 Hệ thiết bị PGNAA tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt
Các đặc trưng chính của hệ PGNAA tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt đượcchỉ ra ở Bảng 2
Trang 21Bảng 2 Các đặc điểm chính của hệ phân tích PGNAA Đà Lạt [1]
Kênh nơtron số - Nguồn nơtron nhiệt: phin lọc 98 cm Si + 35g/cm2S + 1 cm Ti
4 - Thông lượng chùm nơtron: 1.25x107 n.cm-2.s-1
- Đường kính chùm: 3 cm - Tỉ số cadmium R = 112 (đối vớiAu) - Hệ phổ kế gamma sử dụng detector bán dẫn siêu tinhkhiết HPGe 58%, độ phân giải (FWHM) 1.9 keV tại đỉnh 1332keV của 60Co
Kênh nơtron số - Nguồn nơtron nhiệt: phin lọc 80cm Si + 6cm Bi
2 - Thông lượng chùm nơtron: 1.03x106 n.cm-2.s-1
- Đường kính chùm: 3cm - Tỉ số cadmium R = 230 (đối vớiAu) - Hệ phổ kế gamma sử dụng detector bán dẫn siêu tinhkhiết HPGe 70%, độ phân giải (FWHM) 2.0 keV tại đỉnh 1332keV của 60Co
1.5 Kênh ngang số 2 tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt
1.5.1 Giới thiệu kênh ngang số 2
Lò phản ứng hạt nhân Đà lạt có 4 kênh nơtron phục vụ cho các mục đíchnghiên cứu với đường kính kênh là 15.2 cm, trong đó có 3 kênh xuyên tâm và 1kênh tiếp tuyến Cho đến nay đã có 3 kênh ngang được đưa vào sử dụng là kênh tiếptuyến số 3, kênh xuyên tâm số 2 và 4 Các dòng nơtron phin lọc từ kênh ngang số 3
và số 4 đã được đưa vào sử dụng từ những năm 1990 phục vụ các nghiên cứu cơbản và ứng dụng Năm 1990 kỹ thuật phin lọc nơtron được phát triển ở lò phản ứnghạt nhân Đà Lạt cho phép nhận được các chùm nơtron chuẩn đơn năng với thônglượng từ 104-106 n/cm2/s thích hợp cho các nghiên cứu số liệu phản ứng hạt nhânvới nơtron [2]
Năm 2011, kênh nơtron số 2 được đưa vào khai thác Dòng nơtron nhiệt tại kênhngang số 2 được tạo ra từ một tổ hợp 2 loại phin lọc nơtron bao gồm phin lọc đơn tinhthể Si có chiều dài 80cm và đơn tinh thể Bismuth có chiều dài 3 cm, thông lượngnơtron nhiệt đạt 1.6×106 n.cm 2 s1 và tỉ số Cadmi là 420 [2] Với đặc thù cấu trúc
Trang 22nơtron và gamma giảm đáng kể Bên cạnh đó, hệ phổ kế gamma với đầu dò HPGe
có hiệu suất ghi tương đối 72% và có chức năng triệt phông Compton đã được lắpđặt hoàn chỉnh và đưa vào ứng dụng để đo số liệu hạt nhân và phân tích nguyên tốbằng phương pháp đo phổ gamma tức thời [1]
Dòng nơtron phin lọc trên kênh ngang số 2 của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt: có dạng hình trụ, tổng chiều dài 153 cm, đường kính trong 9.4 cm Ống đựng
phin lọc là một ống làm bằng nhôm dài 141.8 cm, đường kính ngoài 9.0 cm, đườngkính trong 8.4 cm Ống đựng phin lọc có tác dụng tạo ra sự liên kết đồng trục chocác phin lọc nơtron và là cơ cấu lắp hoặc tháo phin lọc và hệ dẫn dòng một cách dễdàng, giảm thiểu được tối đa thời gian thao tác trên kênh khi lắp hoặc thay đổi cấuhình phin lọc nơtron Chiều dài tổng cộng của các phin lọc có thể lắp được là140cm ngoài ra ống đựng phin lọc còn sử dụng để lắp các nút chắn nơtron vàgamma bảo đảm được an toàn bức xạ khi thực hiện các thao tác kiểm tra và bảodưỡng [2]
Hình 2 Mô tả vị trí lắp đặt hệ thống dẫn dòng nơtron và kín nước vào
bên trong kênh ngang số 2[1]
1: Hệ dẫn dòng nơtron, 2: Các phin lọc nơtron, 3: Vỏ nhôm của hệ dẫn dòng, 4: Khối cản chắn bức xạ bằng thép, 5: Ống chuẩn trực nơtron và gamma, 6: Các khối che chắn bức xạ gamma và nơtron, 7: Hệ bảo đảm kín nước, 8: Khối cản xạ của kênh ngang số 2, 9: Cửa sắt của kênh ngang số 2, 10: Thành bê tông lò phản ứng.
Trang 23Hình 3 Hệ thiết bị dòng nơtron phin lọc kênh ngang số 2 [1]
Trong đo số liệu hạt nhân (tiết diện phản ứng, cường độ dịch chuyển, v.v ),mức độ đơn năng của dòng nơtron là yếu tố đầu tiên quyết định đến độ chính xáccủa kết quả nghiên cứu Các nguồn nơtron đơn năng trong vùng năng lượng từ vàikeV đến vài MeV có thể thu được từ lò phản ứng hạt nhân, máy gia tốc hoặc cácnguồn đồng vị Tuy nhiên, lò phản ứng hạt nhân vẫn là một trong những nguồnnơtron quan trọng để tạo ra các dòng nơtron chuẩn đơn năng Từ phổ nơtron banđầu của lò phản ứng, có thể sử dụng các kĩ thuật như: kĩ thuật nơtron phin lọc, kĩthuật tán xạ tinh thể, phương pháp thời gian bay, v.v…để tạo ra các dòng nơtronchuẩn đơn năng Một trong những kĩ thuật tạo dòng nơtron đơn năng hiệu quảnhưng chi phí thấp là kĩ thuật nơtron phin lọc đã được phát triển và áp dụng ở nhiềunước trên thế giới như Ukraina, Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc và Việt Nam Riêng tạiViệt Nam, kĩ thuật nơtron phin lọc đã được nghiên cứu phát triển và ứng dụng, trên
cơ sở các kênh ngang của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt Hiện nay, tại Viện nghiêncứu hạt nhân Đà Lạt đã tạo ra được các dòng nơtron đơn năng như: 0.0253 eV, 2keV, 24 keV, 54 keV, 59 keV, 133 keV và 148 keV [2] Các dòng nơtron này đangđược ứng dụng để đo số liệu tiết diện bắt bức xạ nơtron, tiết diện hấp thụ nơtrontoàn phần, nghiên cứu phản ứng (n,) và phát triển phương pháp phân tích PGNAA.Kĩ thuật phin lọc nơtron có ưu điểm là cường độ mạnh, độ phân giải năng lượng cao
và phông gamma thấp [1]
Trang 24Kĩ thuật phin lọc nơtron thuần nhiệt: Cơ sở kĩ thuật phin lọc nơtron dựa
trên sự suy giảm cường độ chùm nơtron tại các năng lượng không mong muốnnhưng vẫn thu được cường độ cao tại đỉnh năng lượng quan tâm, khi đi qua vật liệulàm phin lọc có một bề dày d đủ lớn Vì vậy, khi chùm nơtron từ lò phản ứng cónăng lượng phân bố từ nơtron nhiệt đến nơtron nhanh, truyền qua vật liệu có độ dàythích hợp sẽ tương tác với vật liệu này giống như lọc nơtron Các cực tiểu tiết diệnnơtron toàn phần tạo ra do sự tán xạ thế và tán xạ cộng hưởng của các song nơtronnên các cực tiểu này thường có giá trị rất nhỏ Vật liệu làm phin lọc bằng silicon, có
độ dày đủ lơn (khoảng 60 cm đến 100 cm) sẽ cho chùm nơtron sau phin lọc tạothành các chùm nơ tron chuẩn đơn năng có năng lượng tương ứng là nơtron nhiệt 54keV và 148 keV [2] Do đó, đối tượng sử dụng là nơtron nhiệt thì cần thiết bổ sungcác phin lọc phụ bằng các vật liệu như: Bismuth hoặc Titan và lưu huỳnh để hạn chếcác đỉnh nơtron năng lượng cao Ngược lại, nếu đối tượng quan tâm là các đỉnhnăng lượng cao như 54 keV hoặc 148 keV thì cần thiết sử dụng các phin lọc phụnhư Boron (mật độ 0.2 g/cm2), Cadmi để giảm tối đa thành phần nơtron nhiệt [2],[3]
Hình 4 Bản vẽ thiết kế hệ dẫn dòng nơtron bằng kĩ thuật phin lọc tại kênh số 2 [2]
Ưu điểm của chùm nơtron phin lọc từ lò phản ứng: thông lượng dòng nơtron cao(thông lượng nơtron cỡ 106108 n.cm 2 s1 ), độ phân giải năng lượng cao, phông
Trang 25nền gamma thấp và được chuẩn trực tốt (đường kính của dòng cỡ 4 – 40 mm) Dòngnơtron truyền qua phin lọc có bề dày đủ lớn nên thành phần bức xạ gamma từ lòphản ứng cũng được hấp thụ đáng kể khi truyền qua phin lọc Thành phần đơn tinhthể Si có chức năng chính là cho phép thành phần nơtron nhiệt truyền qua với tỉ sốtruyền qua cao và phân bố năng lượng nơtron nhiệt vẫn bảo toàn theo phân bốMaxell Bên cạnh đó, phin lọc Si với tổng chiều dài tương đối lớn nên cũng có tácdụng hạn chế đáng kể phông bức xạ gamma từ vùng hoạt của lò phản ứng Phin lọcBismuth có chức năng giảm thiểu thành phần bức xạ gamma từ vùng hoạt lò phảnứng và phông gamma do tương tác của nơtron với các vật liệu cấu trúc kênh và hệdẫn dòng Ngoài ra, phin lọc Bismuth còn có tác dụng cắt các thành phần nơtronnhanh.
Trong khóa luận này, chúng tôi sử dụng hệ phổ kế gamma dùng đầu dòHPGe và dòng nơtron phin lọc trên kênh ngang số 2 của lò phản ứng hạt nhân ĐàLạt để đo thực nghiệm phổ phát xạ gamma tức thời, từ đó xác định cường độ các tiagamma tức thời từ phản ứng bắt nơtron nhiệt 51V(n,)52V
1.5.2 Hệ phổ kế gamma dùng đầu dò HPGe
Trong vật lý hạt nhân cơ bản và vật lý hạt nhân ứng dụng hiện nay thường
sử dụng các loại đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết, đầu dò HPGe là một trọng nhữngđầu dò dùng để ghi nhận gamma phổ biến nhất hiện nay vì có ưu điểm là có độ phângiải cao, có khả năng phân tích các phổ gamma phức tạp có nhiều đỉnh Trong khóaluận này, chúng tôi sử dụng hệ phổ kế gamma bao gồm một đầu dò bán dẫn siêutinh khiết HPGe GR7023 đồng trục loại n của hãng Canberra với hiệu suất ghitương đối là 72%, năng lượng của tia gamma có thể được ghi nhận với độ phân giải0.1%, được bao bọc bởi một buồng chì, phía trước mặt buồng chì lót một lớp 6LiFđể hạn chế nơtron tán xạ ảnh hưởng đến tinh thể Ge của đầu dò Phía sau buồng chìlắp hai vành khuyên chì để che chắn phông gamma tán xạ từ các vật liệu che chắn.Cao thế 3106D 06 kV và những tín hiệu từ đầu dò sẽ được ghi nhận và xử lí bởi
các khối điện tử: khối khuếch đại Amplifier 2026, bộ biến đổi tín hiệu số Multi-port
II được tích hợp bởi ADC16K và MCA, sử dụng phần mềm điều khiển Genie 2000, tất cả đều do hãng Canberra (Mỹ) sản xuất