Nghiên cứu xác định tiết diện phản ứng hạt nhân trên bia ag gây bởi chùm nơtron nhiệt hóa của máy gia tốc electron tuyến tính

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---  --- MAI VĂN DIỆN NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN PHẢN ỨNG HẠT NHÂN TRÊN BIA Ag GÂY BỞI CHÙM NƠTRON NHIỆT HÓA CỦA MÁY GIA TỐC ELECTRON TUYẾN TÍNH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-  -

MAI VĂN DIỆN

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN PHẢN ỨNG HẠT NHÂN TRÊN BIA Ag GÂY BỞI CHÙM NƠTRON NHIỆT HÓA CỦA MÁY

GIA TỐC ELECTRON TUYẾN TÍNH

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội  2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-  -

MAI VĂN DIỆN

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN PHẢN ỨNG HẠT NHÂN TRÊN BIA Ag GÂY BỞI CHÙM NƠTRON NHIỆT HÓA CỦA MÁY

GIA TỐC ELECTRON TUYẾN TÍNH

Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử và hạt nhân

Mã số: 8440130.04

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Phạm Đức Khuê

PGS.TS Bùi Văn Loát

Hà Nội  2020

Trước hết, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Phạm Đức Khuê và PGS.TS Bùi Văn Loát về sự chỉ dạy chuyên môn, giúp đỡ tận tình trong suốt quá trình học tập, làm việc và thực hiện bản luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn Trung tâm Kỹ thuật Hạt nhân-Viện Khoa học và

Kỹ thuật Hạt nhân và Khoa vật lý-Trường đại học Khoa học tự nhiên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tác giả hoàn thành bản luận văn này

Tác giả xin cảm ơn Đề tài Nghiên cứu cơ bản do Quỹ Nafosted tài trợ, mã số: 103.04-2018.314, chủ nhiệm: GS.TS Nguyễn Văn Đỗ đã cung cấp các dữ liệu thí nghiệm và giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận văn

Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, người thân đã luôn dành cho tác giả sự ủng hộ tuyệt đối cả về vật chất và tinh thần để tác giả có thể yên tâm làm việc và hoàn thành bản luận văn này

Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo, bạn bè

và những người quan tâm

Hà nội, ngày ….tháng… năm 2020 Học viên

Mai Văn Diện

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu 3

1.2 Các nguồn nơtron 4

1.3 Phản ứng hạt nhân (n, ) 7

1.4 Tiết diện phản ứng hạt nhân 9

1.4.1 Khái niệm về tiết diện phản ứng hạt nhân 9

1.4.2 Tiết diện phản ứng với nơtron 10

1.4.3 Tiết diện bắt nơtron nhiệt và tích phân cộng hưởng 11

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU 13

2.1 Mô tả thí nghiệm xác định tiết diện phản ứng hạt nhân 109Ag(n, )110mAg 13

2.1.1 Nguồn nơtron trên máy gia tốc electron tuyến tính 13

2.1.2 Bố trí thí nghiệm 15

2.1.3 Kích hoạt mẫu và đo hoạt độ phóng xạ 17

2.2 Phương pháp xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt và tích phân cộng hưởng 18

2.2.1 Xác định tốc độ phản ứng 18

2.2.2 Xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt và tích phân cộng hưởng 20

2.2.3 Các hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác của kết quả đo 23

2.3 Xây dựng chương trình xử lý số liệu dựa trên ngôn ngữ lập trình MATLAB 25

2.3.1 Chương trình xử lý phổ gamma 25

2.3.2 Chương trình xác định hiệu suất ghi của hệ phổ kế gamma HPGe 31

2.3.3 Chương trình tính toán tốc độ phản ứng, tiết diện bắt nơtron nhiệt và tích phân cộng hưởng 33

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34

3.1 Kết quả phân tích phổ gamma 34

3.2 Một số kết quả hiệu chỉnh 38

3.3 Kết quả xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 109Ag(n, )110mAg 40

3.4 Kết quả xác định tích phân cộng hưởng của phản ứng 109Ag(n, )110mAg 42

KẾT LUẬN 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

PHỤ LỤC 50

Phụ lục A: Chương trình phân tích phổ gamma 50

Phụ lục B: Chương trình tính toán hiệu suất ghi 59

Phụ lục C: Chương trình tính toán tốc độ phản ứng 61

Phụ lục D: Chương trình tính toán tiết diện bắt nơtron nhiệt 62

Phụ lục E: Chương trình tính tích phân cộng hưởng Io 63

DANH MỤC BẢNG BIỂU HÌNH VẼ

A Danh mục hình vẽ

Hình 1.1: Tương tác của nơtron với vật chất 8

Hình 1.2: Sơ đồ minh họa cơ chế của phản ứng bắt nơtron (n, γ) 9

Hình 2.1: Máy gia tốc electron tuyến tính 100 MeV tại Pohang, Hàn Quốc 13

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của hệ thống gia tốc 13

Hình 2.3: Cấu tạo của hệ làm chậm nơtron 14

Hình 2.4: Phổ phân bố thông lượng nơtron trong trường hợp làm chậm bằng nước và không làm chậm bằng nước 15

Hình 2.5: Sơ đồ bố trí thí nghiệm kích hoạt mẫu 16

Hình 2.6: Đầu dò HPGe và hệ điện tử xử lý tín hiệu 17

Hình 2.7: Giao diện của phần mềm ghi nhận phổ GammaVision 18

Hình 2.8: Sự thay đổi của hoạt độ phóng xạ theo thời gian 19

Hình 2.9: Lưu đồ xử lý của thuật toán SA-SNIP 28

Hình 2.10: Kết quả tính toán ước lượng phông nền cho mẫu Ag1C ứng với các tham số mở rộng khác nhau (t=1, 2, 3) 29

Hình 2.11: Đường cong hiệu suất ghi của đầu dò bán dẫn HPGE tại các vị trí đặt mẫu khác nhau 32

Hình 3.1: Phổ gamma của mẫu Ag2C, thời gian kích hoạt 4 giờ, thời gian phơi mẫu 143,55 giờ, thời gian đo 15 giờ 35

Hình 3.2: Phổ gamma của mẫu Au2, thời gian kích hoạt 4 giờ, thời gian phơi mẫu 3,42 giờ, thời gian đo 104 giây 35

Hình 3.3: Phổ gamma của mẫu In1, thời gian kích hoạt 4 giờ, thời gian phơi mẫu 3,5 ngày, thời gian đo 111giây 36

Hình 3.4: Giao diện xử lý phổ gamma của chương trình Matlab cho mẫu Ag1C 36

Hình 3.5: Sự phụ thuộc của hệ số tự che chắn nơtron nhiệt vào bề dày mẫu 38

Hình 3.6: Sự phụ thuộc hệ số tự che chắn nơtron cộng hưởng vào bề dày mẫu 39

Hình 3.7: Tập hợp các kết quả xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 109Ag(n, )110mAg 42

Hình 3.8: Tập hợp các kết quả xác định tích phân cộng hưởng (I0) của phản ứng 109 Ag(n, )110mAg 44

B Danh mục bảng biểu

Bảng 1.1: Một số nguồn nơtron đồng vị (α, n): 5

Bảng 2.1: Các thông số đặc trưng của các mẫu Ag, Au và In 16

Bảng 2.2: Các hệ số của hàm khớp hiệu suất ghi 32

Bảng 3.1: Các thông số của phản ứng bắt nơtron 34

Bảng 3.2: Kết quả phân tích mẫu Ag1C (Cd) 37

Bảng 3.3: Kết quả phân tích mẫu Ag2C (không bọc Cd) 37

Bảng 3.4: Kết quả phân tích mẫu Au1(Cd) 37

Bảng 3.5: Kết quả phân tích mẫu Au2 (không bọc Cd) 38

Bảng 3.6: Tập hợp các hệ số hiệu chỉnh được sử dụng để xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt và tích phân cộng hưởng 39

Bảng 3.7: Số liệu sử dụng để xác định hệ số dạng phổ α 39

Bảng 3.8: Hệ số hiệu chỉnh hiệu ứng cộng đỉnh tại vị trí cách đầu dò 3 cm 40

Bảng 3.9: Tập hợp số liệu tiết diện bắt nơtron nhiệt của các nghiên cứu đã công bố 41

Bảng 3.10: Tập hợp các số liệu về tiết diện cộng hưởng của một số nghiên cứu đã được công bố 43

MỞ ĐẦU

Phản ứng hạt nhân làm biến đổi hạt nhân nguyên tử và phát ra các loại hạt/bức

xạ khác nhau, mang theo những thông tin liên quan tới các đặc trưng của hạt nhân cũng như quá trình tương tác của nó với các hạt/bức xạ tới Phân tích các thông tin thu được từ phản ứng hạt nhân có thể nhận biết về cấu trúc và các tính chất của hạt nhân, về nguồn gốc của năng lượng hạt nhân và các đồng vị phóng xạ cũng như khả năng ứng dụng của chúng Chính vì vậy mà từ lâu phản ứng hạt nhân đã trở thành một trong những hướng nghiên cứu quan trọng được sử dụng để khám phá hạt nhân nguyên tử Cùng với sự phát triển của hệ thống máy gia tốc năng lượng cao, các nghiên cứu về phản ứng hạt nhân và cấu trúc hạt nhân ngày càng nhận được sự quan tâm của cộng đồng vật lý hạt nhân trên thế giới

Các nghiên cứu về phản ứng hạt nhân (n, ) được tiếp cận ngay từ những năm

1940 Bên cạnh ý nghĩa góp phần làm sáng tỏ các cơ chế phản ứng hạt nhân, các kết quả nghiên cứu còn gắn liền với các ứng dụng thực tiễn quan trọng, đặc biệt trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân Mặc dù, cho đến nay các dữ liệu về tiết diện bắt nơtron nhiệt và tích phân cộng hưởng đã khá phong phú, tuy nhiên các số liệu đã được công bố còn có nhiều sự khác biệt đáng kể

Để góp phần thêm vào sự phong phú của các dữ liệu về tiết diện phản ứng hạt

nhân gây bởi nơtron, luận văn được xây dựng với chủ đề “Nghiên cứu xác định tiết

diện phản ứng hạt nhân trên bia Ag gây bởi chùm nơtron nhiệt hóa của máy gia tốc electron tuyến tính” với hai mục tiêu chính bao gồm:

- Xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt và tích phân cộng hưởng của phản ứng

109Ag(n, )110mAg

- Xây dựng chương trình phân tích dữ liệu dựa trên ngôn ngữ lập trình Matlab nhằm đáp ứng nhu cầu xử lý nhanh các dữ liệu thực nghiệm đã được tiến hành trên máy gia tốc electron tuyến tính 100 MeV tại Pohang, Hàn Quốc Phương pháp sử dụng trong nghiên cứu là kích hoạt phóng xạ với chùm nơtron xung tạo ra bởi máy gia tốc electron tuyến tính và đo hoạt độ phóng xạ của các hạt nhân sản phẩm trên hệ phổ kế gamma bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết (HPGe) Tiết diện bắt nơtron nhiệt và tiết diện cộng hưởng của phản ứng 109Ag(n, )110mAg được

xác định dựa trên phương pháp tương đối sử dụng 197Au(n, )198Au làm phản ứng chuẩn Việc phân tích phổ gamma và xử lý số liệu thực nghiệm được tiến hành bằng các chương trình tính toán được viết trên ngôn ngữ lập trình Matlab Nhằm nâng cao

độ chính xác của kết quả đo, một số phép hiệu chỉnh cũng được thực hiện bao gồm: hiệu chỉnh dạng phổ nơtron, hiệu chỉnh các hiệu ứng cộng đỉnh của các tia gamma nối tầng, hiệu chỉnh sự tự che chắn của chùm nơtron nhiệt và nơtron cộng hưởng,… Nội dung chính của luận văn gồm 3 chương:

- Chương 1: Nghiên cứu tổng quan

- Chương 2: Thực nghiệm và phân tích số liệu

- Chương 3: Kết quả và thảo luận

Trong đó, nội dung chương 1 trình bày về lý thuyết tổng quan của phản ứng (n, ), bao gồm các vấn đề liên quan tới tiết diện bắt nơtron và tiết diện cộng hưởng của phản ứng hạt nhân Chương 2 mô tả chi tiết các quy trình đo đạc, phương pháp tính toán và xây dựng chương trình xử lý số liệu đi kèm Chương 3 trình bày các kết quả thu được từ việc nghiên cứu, xác định tiết diện phản ứng hạt nhân và so sánh với các kết quả nghiên cứu đã được công bố

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu

Tại Việt Nam, trong những năm gần đây hướng nghiên cứu về cấu trúc hạt nhân và phản ứng hạt nhân đang ngày càng được phát triển Trong đó, tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt, hướng nghiên cứu cấu trúc hạt nhân bằng thực nghiệm đã đạt được những thành công nhất định Hiện tại, Trung tâm Vật lý và Điện tử hạt nhân đã đưa vào khai thác ba d ng nơtron cho các thí nghiệm đo đạc phản ứng (n, γ) bao gồm: kênh ngang số 2 sử dụng để đo đạc tiết diện hạt nhân và phân tích nguyên tố dựa trên phương pháp kích hoạt nơtron, kênh ngang số 3 được thiết lập một hệ phổ kế để đo các mức năng lượng mới của một số hạt nhân như Cl,

Yb, Sm,…, kênh ngang số 4 được sử dụng để đo nơtron truyền qua và khảo sát tiết diện toàn phần của phản ứng (n, γ) [1] Ngoài ra, các nghiên cứu về phản ứng hạt nhân c n được tiến hành trên hệ thống máy gia tốc điện tử Microtron MT-17 và máy phát nơtron 14 MeV của Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu thuộc trung tâm Vật lý Hạt nhân đã phối hợp cùng các nhóm nghiên cứu ngoài nước để tiến hành khảo sát một số phản ứng hạt nhân trên

hệ thống máy gia tốc năng lượng cao đặt tại Trung tâm Gia tốc Pohang, Đại học POSTECH, Hàn Quốc

Các nghiên cứu điển hình đã được triển khai bao gồm: xác định tiết diện bắt bức xạ trung bình trên chùm nơtron phin lọc [1], nghiên cứu xác định tiết diện của một số phản ứng hạt nhân: 108Pd(n, γ)109Pd [2], 152Sm(n, γ)153Sm [3], 181Ta(n, γ)

Các dữ liệu về tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 109Ag(n, )110mAg đã được công bố có giá trị tương đối khác nhau và dao động trong khoảng từ 4% đến 16% Các kết quả nghiên cứu xác định tích phân cộng hưởng của phản ứng 109Ag(n,

)110mAg còn có nhiều sự khác biệt đáng kể Vì vậy việc xác định thêm những số liệu tiết diện mới để bổ sung vào thư viện số liệu hạt nhân của phản ứng 109Ag(n,

)110mAg có ý nghĩa khoa học và thực tiễn nhất định

1.2 Các nguồn nơtron

Nơtron là hạt không mang điện, có khối lượng bằng 1,675 x 10-27

kg Ở trạng thái tự do, nơtron phân rã β với thời gian sống là 881,5 giây Căn cứ vào năng -lượng, nơtron có thể được chia thành 3 loại chính bao gồm: nơtron nhiệt (0 – 0,1 eV), nơtron trên nhiệt (0,1 eV – 100 keV) và nơtron nhanh (100 keV – 10 MeV) [11]

Các nguồn phát nơtron được tạo ra bằng nhiều phương pháp khác nhau với đặc trưng về phân bố năng lượng và thông lượng khác nhau Một số nguồn phát nơtron thường gặp bao gồm: nguồn nơtron đồng vị, máy phát nơtron, lò phản ứng hạt nhân và các máy gia tốc hạt

- Nguồn nơtron đồng vị

Về nguyên tắc, các hạt nhân kích thích ở mức năng lượng cao hơn năng lượng liên kết của nơtron thì có thể phát nơtron Tuy nhiên, các quá trình phân rã hạt nhân thông thường rất khó để tạo ra các trạng thái kích thích cao này Nguồn phân hạch

tự phát phổ biến nhất là 252Cf với thời gian bán rã 2,65 năm Một số hạt nhân khác (ví dụ như: 87Br) mặc dù có thể thỏa mãn điều kiện trên Tuy nhiên, chúng thường

có thời gian phân rã ngắn và không phù hợp cho các ứng dụng thực tiễn Các nguồn nơtron đồng vị đang được sử dụng phổ biến hiện nay chủ yếu là nguồn nơtron nhân

tạo được hình thành từ các phản ứng (α, n) và (γ, n) [12]

Nguồn (α, n) được chế tạo bằng cách pha trộn đồng vị phát α với các vật liệu thích hợp Các đồng vị phát α thường được sử dụng là 226Ra , 239Pu , 241Am và một

số nguyên tố thuộc nhóm Actini Các chất được sử dụng làm bia là B và Be Trong

đó, nguồn Ra-Be có suất ra bằng 1,7.107

nơtron/(Ci Ra.s), là suất ra lớn nhất trong

số các nguồn nơtron Tuy nhiên, nhược điểm của nguồn Ra-Be là phát tia gamma với cường độ lớn, tạo nên nguồn phông lớn khi sử dụng Bảng 1.1 liệt kê một số

nguồn đồng vị (α, n) điển hình [13]

Bảng 1.1: Một số nguồn nơtron đồng vị (α, n):

Nguồn nơtron Năng lượng trung

bình (MeV) Thời gian bán rã

vị (γ, n) là 9Be và 2H Phản ứng (γ, n)được sử dụng để tạo ra các trường nơtron đơn năng Tuy nhiên, loại nguồn này thường có suất lượng thấp (khoảng 105

n/s)

- Nguồn nơtron từ lò phản ứng hạt nhân

Các nơtron sinh ra trong l phản ứng hạt nhân có năng lượng trong khoảng 0 đến 20 MeV và có thông lượng lớn (lên tới 1015 n/cm2/s) mà các nguồn khác khó có thể đạt được Quá trình phân hạch của các nguyên tử trong lò phản ứng hạt nhân hoặc quá trình va chạm của các nguyên tố nặng với proton đều sinh ra nơtron

Nơtron tạo ra trong lò phản ứng hạt nhân gồm 2 loại: nơtron tức thời sinh ra tại thời điểm phân hạch và các nơtron trễ sinh ra muộn hơn so với thời điểm phân

hạch Trong đó, nơtron tức thời chiếm 99 % số lượng nơtron tạo thành Các nơtron trễ chỉ chiếm khoảng 1 % nhưng đóng vai tr rất quan trọng trong việc điều khiển quá trình phản ứng dây chuyền

- Nguồn nơtron từ máy phát nơtron

Máy phát nơtron hoạt động dựa trên các phản ứng hạt nhân mà hạt tới là Deuteron (D) bắn vào bia Deuteron hoặc Triton (T) để tạo nơtron theo phản ứng:

Trong đó, phản ứng 3 H(d,n) He có tiết diện tương tác tương đối lớn tại đỉnh 4

cộng hưởng (5 barn), do đó chùm nơtron nhanh tạo ra có suất lượng cao Các phản ứng D-D tạo ra chùm nơtron năng lượng thấp (2 - 4 MeV), còn phản ứng D-T có thể tạo ra chùm bức xạ có năng lượng cao hơn (13 - 15 MeV) Máy phát nơtron thường được dùng để tạo ra chùm nơtron đơn năng có năng lượng và cường độ lớn Suất lượng nơtron và năng lượng nơtron phát ra phụ thuộc vào năng lượng chùm tia tới Thông thường, các máy phát nơtron thường hoạt động dưới điện áp khoảng vài trăm

kV

- Nguồn nơtron từ máy gia tốc electron

Máy gia tốc electron cũng là một thiết bị có thể được sử dụng để tạo ra các trường nơtron có năng lượng khác nhau Thiết bị hoạt động dựa trên cơ chế của

phản ứng quang hạt nhân (γ, xn) Quá trình tạo nơtron trên máy gia tốc được thực

hiện qua hai giai đoạn:

(1) Chùm electron được gia tốc bắn vào một bia kim loại nặng để tạo ra chùm bức xạ hãm

(2) Các bức xạ hãm tiếp tục tương tác gây phản ứng quang hạt nhân (γ, xn) với

các hạt nhân bia để giải phóng một hoặc nhiều nơtron

Năng lượng của nơtron sinh ra từ các phản ứng quang hạt nhân phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng của bức xạ hãm và số khối của hạt nhân bia.Thông thường, phổ nơtron phát ra trên các máy gia tốc electron có thể chia làm 2 thành phần:

- Phần thứ nhất có dạng tương tự phân bố Maxwell do 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 do các tương tác trực tiếp của electron và photon với hạt nhân bia Các nơtron sinh ra trong vùng này thường có phân bố không đẳng hướng và chiếm một phần nhỏ trong phổ nơtron

1.3 Phản ứng hạt nhân (n, )

Khi đi trong môi trường vật chất, nơtron chủ yếu tương tác với hạt nhân của nguyên tử môi trường thông qua 2 quá trình là tán xạ và hấp thụ nơtron (hình 1.1) Trong đó, quá trình tán xạ của nơtron trên hạt nhân bia làm cho nơtron thay đổi hướng chuyển động và mất dần năng lượng Đối với quá trình tán xạ đàn hồi, động năng tổng cộng của các hạt tương tác là không thay đổi trước và sau khi va chạm Đối với tán xạ không đàn hồi, một phần động năng chuyển thành năng lượng kích thích của hạt nhân sau va chạm Trong trường hợp này tổng động năng của nơtron và của hạt nhân sau tán xạ sẽ nhỏ hơn động năng ban đầu của nơtron tới do một phần động năng của nơtron đã tham gia vào quá trình kích thích hạt nhân bia Năng lượng bị mất đi của nơtron tới tùy thuộc rất nhiều vào các yếu tố khác nhau như phân mức năng lượng trong hạt nhân và loại bức xạ phát ra Trong trường hợp trạng thái năng lượng kích thích của hạt nhân quá lớn so với năng lượng của nơtron tới thì tán xạ phản đàn hồi không thể xảy ra [12, 13]

Quá trình hấp thụ nơtron dẫn tới sự xắp xếp lại cấu trúc bên trong của hạt nhân bia Hệ quả của quá trình này làm phát ra các bức xạ gamma đặc trưng hoặc tạo thành các hạt tích điện như proton, deuteron, alpha Bên cạnh đó, hạt nhân cũng có thể giải phóng các nơtron thừa Nếu hơn một nơtron được phát ra sau phản ứng khi

đó số nơtron sau phản ứng sẽ lớn hơn số nơtron trước phản ứng Quá trình này có thể dẫn tới hiện tượng phân hạch hạt nhân

Hình 1.1: Tương tác của nơtron với vật chất

Đối với phản ứng bắt bức xạ (n,), quá trình tương tác của nơtron với hạt nhân

bia sẽ tạo ra hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích Năng lượng kích thích của hạt nhân hợp phần được xác định bằng tổng năng lượng liên kết của nơtron với hạt nhân và động năng của nơtron tham gia phản ứng Trạng thái kích thích của hạt nhân hợp phần tồn tại trong khoảng thời gian ngắn (khoảng 10-14 giây) và trở về trạng thái cân bằng thông qua việc phát ra các tia gamma tức thời Trong nhiều trường hợp, hạt nhân sản phẩm thường không bền và có tính phóng xạ beta Quá trình phân rã phóng xạ phát ra một hoặc nhiều bức xạ gamma trễ có năng lượng xác định và đặc trưng cho hạt nhân đó Bằng việc ghi nhận các bức xạ gamma đặc trưng

ta có thể xác định được các dữ liệu hạt nhân cần quan tâm từ phản ứng Hình 1.2 mô

(n, n’)

Sinh bức xạ điện từ

(n, γ)

Sinh hạt mang điện

(n, p) (n, α) (n, d)

…

Sinh ra nơtron

(n, 2n) (n, 3n)

…

Sinh ra mảnh phân hạch

Hình 1.2: Sơ đồ minh họa cơ chế của phản ứng bắt nơtron (n, γ)

1.4 Tiết diện phản ứng hạt nhân

1.4.1 Khái niệm về tiết diện phản ứng hạt nhân

Tiết diện phản ứng là đại lƣợng đặc trƣng cho xác suất xảy ra phản ứng trên

một hạt nhân bia trong một đơn vị thời gian khi thông lƣợng hạt tới là 1 hạt/cm2.s

Xét một bia có N hạt nhân/cm3, mỗi hạt nhân có bán kính là R (cm) thì diện

tích hiệu dụng của hạt nhân là: [14, 15]

  R2 ( 2

cm ) (1.2) Nếu một chùm nơtron có thông lƣợng  (nơtron.cm-2.s-1) bắn vào bia thì số va

chạm có thể xảy ra là:

so va cham cm sN cm s (1.3) Công thức (1.3) chỉ ra rằng số va chạm tỷ lệ với thông lƣợng và số hạt nhân

bia trong 1 cm3 Hằng số tỷ lệ (σ) chính là tiết diện của phản ứng hạt nhân Từ đây

suy ra:

3 1) 2

(b), 1b = 10 cm-24 2

1.4.2 Tiết diện phản ứng với nơtron

a Tiết diện phản ứng với nơtron nhiệt

Các nơtron nhiệt có năng lượng cỡ 0,025 eV, trên thực tế chúng có thể nằm trong khoảng từ 0 đến 0,1 eV [11]

Thực nghiệm cho thấy, đối với các nguyên tố có Z < 88 thì tiết diện bắt (n, γ)

chiếm ưu thế Tốc độ phản ứng với nơtron nhiệt có thể được tính toán từ tiết diện 0

 tương ứng với vận tốc 0 từ điều kiện ( v ) ~ / v1 [14]

Tiết diện hấp thụ (abs) là tiết diện phản ứng đặc trưng cho quá trình hấp thụ nơtron Phương pháp chung được sử dụng trong việc tính tiết diện này được đề xuất bởi Huges: sự chênh lệch giữa tiết diện toàn phần và tiết diện tán xạ, 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) đối với nơtron nhiệt chủ yếu là ( , )n  hoặc là

σ(n, p), σ(n,α), σ(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

c Tiết diện toàn phần

Tiết diện toàn phần (σT) được định nghĩa là tổng của tiết diện tán xạ và tiết

diện hấp thụ nơtron [14, 16, 17]:

   (1.5)

Đối với trường hợp nguyên tố có nhiều đồng vị thìabskhông được xác định bởi các đồng vị tự nhiên riêng lẻ mà được tính toán theo công thức sau [17]:

abs act      1act 1 2act 2 3act 3 (1.6)Với  là độ phổ cập đồng vị

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 [14, 16, 17]:

A

N N

cm )

1.4.3 Tiết diện bắt nơtron nhiệt và tích phân cộng hưởng

Tiết diện bắt nơtron thường được chia làm 3 vùng:

Tại vùng năng lượng thấp, đối với hầu hết các hạt nhân, tiết diện bắt phát xạ sẽ

tỉ lệ với 1 / E Trong đó, tiết diện phản ứng bắt nơtron tại năng lượng nhiệt (E = 0,025 eV) có xác suất lớn nhất Do tốc độ của nơtron tỷ lệ với E nên tiết diện bắt nơtron nhiệt phụ thuộc vào 1/v (với v là vận tốc của nơtron tới)

Tại vùng năng lượng cao hơn, tiết diện tương tác có thể có các đỉnh chồng chập lên nhau tạo thành vùng cộng hưởng Đối với các hạt nhân nhẹ, đỉnh cộng hưởng chỉ xuất hiện trong dải năng lượng cỡ MeV Các hạt nhân có khối lượng trung bình (như Cd, Fe, Ni) thường có đỉnh cộng hưởng xuất hiện dưới 1 keV Tiết diện bắt nơtron của cộng hưởng riêng biệt trong vùng này có thể được biểu diễn theo công thức Breit- Wigner [14, 17]:

Các cộng hưởng trong vùng trên nhiệt thường rất phức tạp và không thể xác định một cách riêng lẻ Chúng được xác định bằng cách lấy tổng gọi là tích phân cộng hưởng

Đối với các nơtron có năng lượng trên vùng cộng hưởng, tiết diện bắt nơtron nhiệt có xu hướng giảm nhanh theo năng lượng của nơtron tới

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU

2.1 Mô tả thí nghiệm xác định tiết diện phản ứng hạt nhân 109 Ag(n, ) 110m Ag 2.1.1 Nguồn nơtron trên máy gia tốc electron tuyến tính

Thực nghiệm xác định tiết diện của phản ứng hạt nhân 109Ag(n, )110mAg được tiến hành với nguồn nơtron xung tạo ra bởi hệ thống máy gia tốc electron tuyến tính Linac Thiết bị có khả năng gia tốc chùm electron tới năng lượng cực đại 100 MeV,

d ng đạt 100 mA với độ rộng xung 14 s và tần số từ 1015 Hz Hình ảnh và sơ

đồ nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc được mô tả trong Hình 2.1 và Hình 2.2

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 hệ thống gia tốc

1: Nguồn phát electron 5: Ống gia tốc thứ hai

2: Nam châm alpha 6: Bộ ba nam châm tứ cực

3: Nam châm tứ cực 7: Nam châm phân tích d ng

4: Ống gia tốc thứ nhất 8: Nam châm điều tiêu

9: Bia Tantalum

Các bộ phận chính của máy gia tốc bao gồm: nguồn phát electron (RF-gun), một nam châm alpha, hai cặp 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

d ng (beam analyzing magnet), một nam châm điều tiêu (focusing magnet), một bộ phát sóng cao tần và cung cấp năng lượng (klytron)

Hệ thống gia tốc hoạt động theo nguyên lý: đầu tiên các electron phát ra từ cathode sẽ được hội tụ và 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 sẽ liên tiếp được điều chỉnh tăng dần theo tốc độ của hạt và đảm bảo sự phù hợp giữa pha của sóng điện từ với tốc độ hạt Pha của các tín hiệu ở mỗi trạm được điều chỉnh sao cho các electron có thể nhận được năng lượng từ sóng chuyển động và liên tục được gia tốc

Cấu trúc bia được thiết kế gồm 10 tấm Tantalum (Ta) có đường kính 4,9 cm, dày 7,4 cm, ở giữa là lớp nước dày 0,15 cm Các electron tương tác với bia sẽ tạo ra chùm bức xạ hãm năng lượng cao và sinh ra một hoặc nhiều nơtron theo cơ chế của

phản ứng quang hạt nhân (γ, xn) Ở năng lượng 40 MeV, d ng 40 mA, suất lượng

Trường nơtron tạo bởi máy gia tốc có phân bố năng lượng trong khoảng từ 0,01

eV tới 10 MeV Hình 2.4 mô tả phổ năng lượng của chùm nơtron trên máy gia tốc electron tuyến tính trong trường hợp được làm chậm và không được làm chậm bằng nước [4]

Hình 2.4: Phổ phân bố thông lượng nơtron trong trường hợp làm chậm bằng nước

Do chất lượng mẫu chuẩn và mẫu nghiên cứu sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới kết quả đo đạc nên hầu hết các mẫu được lựa chọn đều ở dạng lá kim loại với độ tinh khiết cao (> 99,99 %) Trong đó, độ phổ cập đồng vị đối với 109Ag là 48,16 % và độ phổ cập đồng vị của 197Au là xấp xỉ 100 % Các tham số về kích thước, độ dày, khối lượng và độ tinh khiết của các mẫu được liệt kê trong Bảng 2.1

Bảng 2.1: Các thông số đặc trƣng của các mẫu Ag, Au và In

(mm)

Bề dày (mm)

Khối lƣợng (g)

Độ tinh khiết (%)

Hình 2.5: Sơ đồ bố trí thí nghiệm kích hoạt mẫu

2.1.3 Kích hoạt mẫu và đo hoạt độ phóng xạ

Các tham số kích hoạt mẫu bao gồm:

- Thời gian chiếu mẫu: 4 giờ

- Năng lượng chùm electron: 55 MeV

đo được biểu diễn trong hình Hình 2.6

Hình 2.6: Đầu dò HPGe và hệ điện tử xử lý tín hiệu

Các thành phần chính của hệ điện tử ghi nhận và xử lý tín hiệu bao gồm: khối cao áp (Bias supply 659), tiền khuếch đại (ORTEC 257P), khuếch đại tuyến tính (ORTEC 527), MCA 8192 kênh (Spec.Master 919)

Trong đó đầu d HPGe có kích thước 59,2 x 30 (mm) với độ phân giải năng lượng là 1,8 keV tại đỉnh 1332 keV của 60Co Tiền khuếch đại có nhiệm vụ thu góp điện tích, chuyển đổi xung dòng thành xung thế và nâng cao tỉ số tín hiệu trên tạp

âm (SNR) của tín hiệu lối ra Các tín hiệu này sau đó sẽ được khuếch đại và định dạng bởi khối khuếch đại tuyến tính Các xung sau khi khuếch đại được ghi nhận bởi hệ phân tích biên độ nhiều kênh (MCA 8192 kênh) Các dữ liệu sau khi xử lý sẽ được truyền tới máy tính và ghi nhận bởi phần mềm GammaVision Hình 2.7 mô tả giao diện của phần mềm ghi nhận phổ

Hình 2.7: Giao diện của phần mềm ghi nhận phổ GammaVision

Trong quá trình thực hiện, các mẫu In sẽ được tiến hành đo trước do đồng vị

116

In có thời gian bán rã ngắn hơn nhiều so với 110mAg và 198Au Nhằm giảm thiểu các sai số thống kê cũng như sai số hình học đo, các mẫu sẽ được đo lặp lại nhiều lần Thời gian của mỗi ph p đo có thể thay đổi từ vài chục phút tới vài giờ tùy thuộc vào thống kê của đỉnh tia gamma được quan tâm Để giảm thiểu tới mức thấp nhất các sai số gây ra do quá trình chồng chập hay cộng đỉnh, các mẫu sẽ được đặt tại các vị trí cách bề mặt đầu dò từ 0,5 cm cho tới 10 cm Thời gian chết ghi nhận được trong hầu hết các ph p đo là dưới 2 %

2.2 Phương pháp xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt và tích phân cộng hưởng 2.2.1 Xác định tốc độ phản ứng

Tốc độ phản ứng, R, được định nghĩa là số phản ứng xảy ra trên một hạt nhân

bia trong một đơn vị thời gian và được xác định bởi công thức sau:

R . (2.1) trong đó  và  lần lượt là tiết diện của phản ứng (cm2) và thông lượng của chùm nơtron tới (n.cm-2.s-1)

Quá trình kích hoạt nơtron biến các đồng vị bền thành đồng vị phóng xạ thông

qua các phản ứng hạt nhân Giả sử N 0 là số hạt nhân bia, là hằng số phân rã và

N( t )là số hạt nhân phóng xạ tại thời điểm kích hoạt t, ta có thể biểu diễn sự thay

đổi của số hạt nhân phóng xạ trong mẫu theo thời gian theo công thức:

0

dN( t )

N N( t )

dt    (2.2) Giải phương trình (2.2) với điều kiện ban đầu N(t = 0)= 0 ta được:

N N( t )  ( e  )

mũ Gọi thời gian kích hoạt mẫu là t i, thì hoạt độ phóng xạ trong mẫu tại thời điểm

i

t t được xác định bởi công thức:

AN( e )e (2.5) Trong bài toán kích hoạt nơtron, nếu thời gian phơi mẫu là t d, thời gian đo mẫu là t cthì sự thay đổi hoạt độ phóng xạ trong mẫu theo thời gian được mô tả như

Hình 2.8 dưới đây:

Hình 2.8: Sự thay đổi của hoạt độ phóng xạ theo thời gian

Trong trường hợp này, tổng số hạt nhân đã phân rã trong khoảng thời gian đo mẫu t c

Giá trị này tỉ lệ thuận với diện tích của các đỉnh gamma đặc trưng mà hệ đo ghi nhận được Vì diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần của các vạch gamma đặc trưng phụ thuộc vào các đại lượng sau:

- Xác suất phát của bức xạ gamma đặc trưng (hệ số phân nhánh I ) γ

- Hiệu suất ghi của đỉnh hấp thụ toàn phần của vạch bức xạ gamma đặc trưng

- Hệ số hiệu chỉnh F tính đến sự mất số đếm do các hiệu ứng thời gian chết, sự chồng chập xung, tự hấp thụ tia gamma trong mẫu (F < 1)

Do đó, diện tích đỉnh hấp thu toàn phần, N c, sẽ được xác định theo công thức sau:

Đối với nguồn nơtron xung từ máy gia tốc, giả sử xung có độ rộng là  , chu

kỳ xung là T thì diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần, p N c pulse, sẽ được viết lại như sau:

Từ phương trình (2.1) và (2.8), giá trị của tốc độ phản ứng với nguồn ở chế

độ xung được tính theo công thức dưới đây:

c

N ( e ) R

Với N A 6 022 10, 23, m là khối lượng mẫu (g), M là số khối

2.2.2 Xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt và tích phân cộng hưởng

a Tiết diện bắt nơtron nhiệt

Trường nơtron sử dụng trong đo đạc thực nghiệm bao gồm thành phần nơtron nhiệt và thành phần nơtron trên nhiệt Do đó, tốc độ phản ứng ghi nhận được (R tot)

sẽ bằng tổng giá trị của tốc độ phản ứng gây bởi thành phần nơtron nhiệt (R th) và tốc độ phản ứng gây bởi thành phần nơtron trên nhiệt (R ): epi

R R R (2.10)

Các thành phần nơtron nhiệt và nơtron trên nhiệt sẽ được phân tách bởi việc sử

dụng một lớp Cadimi có bề dày 0,5 mm Tuy nhiên, do lớp Cd cũng hấp thụ một

phần nơtron trên nhiệt, do đó khi tính toán tốc độ phản ứng cần đưa thêm vào hệ số

hiệu chỉnh sự truyền qua Cadimi của nơtron trên nhiệt (F cd):

F R / R (2.11) Với R cd là tốc độ phản ứng của mẫu bọc 0,5 mm Cd

Tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 109Ag(n, )110mAg được xác định bằng

phương pháp tương đối, trên cơ sở so sánh với tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản

R và R X ,Cd lần lượt là tốc độ phản ứng trên một nguyên tử của nguyên tố X để trần

hay bọc Cd ( X có thể là Ag hay Au),

g là hệ số Westcott đối với mẫu X, hay số đo độ lệch của tiết diện so với định luật

1/v trong vùng năng lượng nhiệt

b Tích phân cộng hưởng

Tích phân cộng hưởng của phản ứng (n, γ) đối với phổ nơtron trên nhiệt lý

tưởng có dạng 1/E được định nghĩa như sau [18, 19]:

E cd là năng lượng cắt ngưỡng Cadimi (0,55 eV)

Tích phân cộng hưởng, I0(), cho phổ nơtron trên nhiệt thực có dạng 1

/

1 E

được xác định bởi [18]:

dE E

eV E I

với α là hệ số dạng phổ nơtron trên nhiệt và được xác định thông qua thực nghiệm

bằng cách sử dụng tỷ số Cd xác định từ hai phản ứng 197Au(n, )198Au và phản ứng

186

W(n, )187W Giá trị của hệ số dạng phổ α được xác định thông qua công thức

thực nghiệm đề xuất bởi Y.Haluk [19]:

Với E rlà năng lượng cộng hưởng hiệu dụng (eV)

Giá trị của tích phân cộng hưởng I 0,Ag (α) của phản ứng 109Ag(n, )110mAg được xác định thông qua phương pháp tương đối sử dụng phản ứng 197Au(n, )198Au làm phản ứng chuẩn:

I (α) và I 0,Ag (α) lần lượt là tích phân cộng hưởng của các phản ứng 197Au(n,

)198Au, 109Ag(n, )110mAg

G th ,Xvà G epi ,Xlần lượt là hệ số tự che chắn nơtron trên nhiệt và nơtron nhiệt của Ag (hoặc Au)

CR = (R / R ) là tỷ số Cd của Au và Ag

2.2.3 Các hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác của kết quả đo

Một số hiệu chỉnh được tiến hành nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả phân tích bao gồm: xác định hệ số dạng phổ nơtron, tính toán hệ số tự che chắn nơtron nhiệt và nơtron trên nhiệt, hệ số truyền qua Cadimi, hệ số Westcott, hiệu chỉnh sự cộng đỉnh của các tia gamma nối tầng, hiệu chỉnh sự không đồng đều của thông lượng nơtron tại các vị trí chiếu mẫu khác nhau,…

a Hiệu chỉnh dạng phổ nơtron

Trường nơtron tạo trên máy gia tốc electron tuyến tính được nhiệt hóa bao gồm hai thành phần: vùng nơtron nhiệt có đỉnh tuân theo phân bố Maxwell và vùng nơtron trên nhiệt có dạng phân bố tuân theo quy luật 1/E1+α Trong đó α là hệ số hiệu chỉnh độ lệch của phổ thực so với dạng phổ lý tưởng Giá trị của α có thể âm hoặc dương tùy thuộc vào cấu hình của hệ thống chiếu xạ và được xác định thông qua hệ thức (2.15)

b Xác định hệ số tự che chắn nơtron nhiệt và nơtron trên nhiệt

Tại các vùng năng lượng nơtron nhiệt và trên nhiệt, phản ứng hấp thụ nơtron xảy ra mạnh do sự hiện diện của các đỉnh cộng hưởng trong cấu trúc tiết diện phản ứng của hạt nhân Hiện tượng này dẫn đến sự bất đồng đều về mật độ thông lượng nơtron tại các vị trí bề dày khác nhau trong không gian mẫu và gây nên các sai số hệ thống trong ph p đo xác định tốc độ phản ứng bắt bức xạ nơtron Để nâng cao độ chính xác của kết quả đo, trong quá trình tính toán cần phải đưa vào các tham số hiệu chỉnh tự che chắn của nơtron nhiệt và trên nhiệt của các mẫu

Hệ số hiệu chỉnh tự che chắn nơtron nhiệt được xác định theo công thức [14]:

th

e G

0 là tiết diện bắt vĩ mô của các nơtron nhiệt

t là độ dày của tấm Cd

Hệ số tự che chắn nơtron trên nhiệt được tính theo công thức [20]:

1 ( /2.70) 0.06

94.0

82

Eres là tiết diện vi mô tại E res

t là độ dày của lá kim loại

số xung ở các đỉnh thành phần tùy thuộc vào cường độ gamma và góc khối tạo bởi mẫu phân tích và đầu d

Giả sử một sơ đồ phân rã đơn giản chỉ có hai tia gamma nối tầng γ1, γ2 với năng lượng E1 và E2 phát ra trong thời gian phân giải của phổ kế thì các hệ số hiệu

2.3 Xây dựng chương trình xử lý số liệu dựa trên ngôn ngữ lập trình MATLAB

MATLAB là một chương trình tính toán số được phát triển bởi công ty MathWorks Đây là một ngôn ngữ hiệu năng cao với nhiều ưu điểm như: dễ dàng

sử dụng, hỗ trợ ngôn ngữ đồ họa trực quan (GUI) và có khả năng liên kết với các ngôn ngữ lập trình khác như Visual studio, LABVIEW, Python, thông qua việc chia sẻ các thư viện động (DLL) Matlab thường được ứng dụng nhiều trong các ngành vật lý kỹ thuật do có một thư viện người dùng phong phú [21]

Trong nghiên cứu này, chương trình xử lý số liệu được xây dựng nhằm tính toán tiết diện bắt nơtron và tích phân cộng hưởng của phản ứng 109Ag(n, )110mAg với độ chính xác cao và khả năng linh hoạt trong quá trình tính toán Các chương trình được viết có thể liên kết với nhau thông qua các dữ liệu đầu ra mà không cần phải khai báo lại dữ liệu tính toán đầu vào

2.3.1 Chương trình xử lý phổ gamma

Các chức năng xử lý của chương trình bao gồm: chuẩn năng lượng (tùy chọn), làm trơn phổ, loại trừ phông bằng thuật toán SA-SNIP, tìm đỉnh tự động, tách đỉnh chồng chập và xác định diện tích của các đỉnh gamma đặc trưng

a Chuẩn năng lượng

Đường chuẩn năng lượng là đường mô tả sự phụ thuộc của số kênh mà hệ thống ghi nhận được vào năng lượng của bức xạ tới Thông thường, đường chuẩn năng lượng thường có dạng bậc nhất hoặc bậc 2:

Ea.kb (2.22) Hoặc Ea.k2b.kc

trong đó E là năng lượng, k là số kênh tương ứng; a, b, c là các hệ số khớp hàm thu

được bằng phương pháp bình phương tối thiểu

Độ tuyến tính của năng lượng và số kênh sẽ phụ thuộc vào độ tuyến tính của hệ

thống khuếch đại tín hiệu và độ chính xác của biến đổi ADC Đối với các hệ thống

ghi nhận bức xạ sự thăng giáng lớn nhất thường xảy ra ở các kênh đầu và kênh cuối

của ADC Để chuẩn năng lượng cho hệ đo cần sử dụng các nguồn chuẩn đã biết

trước thông tin về năng lượng phát ra của nguồn Các nguồn chuẩn được lựa chọn

thường là các nguồn đơn năng, bộ nguồn chuẩn được sử dụng cần có tập hợp năng

lượng phân bố trong toàn dải đo Trong trường hợp này, đường chuẩn năng lượng

được xây dựng trên các đỉnh gamma đặc trưng của các nguồn 241Am và 152Eu

b Làm trơn phổ

Do bản chất thống kê của quá trình phân rã phóng xạ và quá trình ghi nhận

lượng tử gamma nên số sự kiện mà máy phân tích biên độ ghi được tại một kênh sẽ

là đại lượng ngẫu nhiên thăng giáng xung quanh giá trị trung bình Những thăng

giáng này là một trong những yếu tố ảnh hưởng tới kết quả đánh giá và phân tích

phổ

Thăng giáng về số đếm từ các kênh của phổ gamma có thể xem như là một

dạng nhiễu ảnh hưởng đến các tín hiệu thật và do đó có thể sử dụng ảnh Fourier của

phổ để loại trừ Phương pháp này rất giống với việc dùng bộ phin lọc Fourier điện

tử để loại bỏ những tín hiệu có tần số khác với tần số quan tâm Bên cạnh đó cũng

có thể sử dụng các thuật toán lọc thích hợp để làm trơn phổ Tuy nhiên, dạng của

các bộ lọc số này cần phải được điều chỉnh hợp lý đối với từng loại phổ khác nhau

Trong nghiên cứu này, chương trình xử lý phổ sẽ áp dụng kỹ thuật làm trơn

dựa trên thuật toán của bộ lọc Savitzky-Golay Ở đó mỗi đoạn phổ ngắn có thể xem

là một đa thức toán học và giá trị đạo hàm của nó có thể xem như là một hàm của số

đếm trong mỗi kênh và được xác định theo công thức (2.23) [22]:

trong đó: Y ( i )là đạo hàm bậc n của phổ đã được làm trơn tại kênh thứ i; n ,m và

ghi nhận tại kênh thứ (i+k)

Việc chọn số điểm thực nghiệm để làm trơn phổ tùy thuộc vào phổ ghi nhận được của từng phổ kế Trong trường hợp số điểm thực nghiệm được lựa chọn quá lớn sẽ gây ra sự sai lệch đáng kể so với phổ ban đầu Ngược lại, nếu số điểm thực nghiệm được lựa chọn là nhỏ thì quá trình làm trơn sẽ không hiệu quả Giá trị sai số của số liệu làm trơn có thể tính bởi công thức sau:

n,m n,m

Y ( i ) y( i )

   (2.24) Với số điểm thực nghiệm được lấy bằng 5 Sai số của số liệu thực nghiệm sau khi làm trơn được tính toán bởi công thức 2.24 cho kết quả sai khác nhỏ hơn 1,5% so với phổ ban đầu

c Thuật toán loại trừ phông

Nền phông của phổ gamma chủ yếu sinh ra do đóng góp của nhiễu điện tử và miền compton liên tục sinh ra do quá trình tương tác của bức xạ gamma với tinh thể của đầu dò Thông thường, để loại trừ phông ta có thể sử dụng một số phương pháp như: phương pháp khớp hàm đa thức (Polynomial fitting method [15]), phương pháp biến đổi Fourier (Fourier-transform method [23, 24]), phương pháp biến đổi wavelet rời rạc (Wavelet-transform method [25]) và thuật toán SNIP (statistics-sensitive nonlinear interactive peak-clipping) [26] Trong đó, thuật toán SNIP là phương pháp xử lý hiệu quả với nhiều ưu điểm như tốc độ xử lý nhanh và thủ tục đơn giản Phương pháp này được đề xuất từ năm 1988 bởi Ryan và các cộng sự [26] nhằm áp dụng để xử lý các phổ một chiều hoặc đa chiều với nền liên tục và phức tạp Tuy nhiên độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc mạnh vào khả năng xác định đỉnh tự động và vùng cửa sổ lấy mẫu của chương trình tính toán Để khắc phục điều này, năm 2017 Ruishi đã cải tiến phương pháp SNIP truyền thống thành phương pháp SA-SNIP với việc đưa thêm các tham số liên quan tới độ rộng nửa chiều cao của đỉnh hấp thụ toàn phần và hệ số mở rộng đỉnh nhằm xác định chính xác vùng cửa sổ lấy mẫu [27]

Bản chất của phương pháp là áp dụng toán tử LLS (log-log square) với thuật toán lặp nhiều lần Giả sử: y i là số đếm tại kênh thứ i, ( n )

B là tổng diện tích phông

nền bên trong và bên ngoài của đỉnh phổ, t là hệ số mở rộng (t = 1, 2, 3, ) Chu

trình xử lý của thuật toán SA-SNIP sẽ được tóm tắt theo lưu đồ dưới đây:

Hình 2.9: Lưu đồ xử lý của thuật toán SA-SNIP

Hình 2.10 trình bày các kết quả xử lý minh họa với phổ gamma của đồng vị

110mAg (mẫu Ag1C) với các hệ số mở rộng khác nhau (t=1, 2, 3) Trong đó, với hệ

số mở rộng bằng 1, khả năng loại trừ phông của chương trình tính toán là tốt nhất

Phổ đã trừ phông = phổ gốc - y

Đúng

Sai