Khảo sát một số phản ứng hạt nhân 209bi(n,xn)210 xbi với các nguồn nơtron được tạo bởi chùm electron năng lượng 2,5 gev

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình, ng-ời thân, các bạn sinh viên trong khoa Vật Lý đã động viên, cổ vũ cho Máy gia tốc electron tuyến tính năng l-ợng 2,5 GeV hiện nay đ-ợc sử

Tr-ờng đại học vinh Khoa vật lý



Đề tài Khảo sát phản ứng hạt nhân 209Bi(n,xn)210-xBi với các nguồn nơtron đ-ợc tạo bởi chùm electron năng l-ợng 2,5 GeV Nghành cử nhân khoa học Vật lý Giáo viên h-ớng dẫn : TS Nguyễn Thành Công

Sinh viên thực hiện : Tống Văn Hòa

Lớp : 47B – Vật Lý

Tr-ờng đại học vinh Khoa vật lý



Đề tài Khảo sát phản ứng hạt nhân 209Bi(n,xn)210-xBi với các nguồn nơtron đ-ợc tạo bởi chùm electron năng l-ợng 2,5 GeV Nghành cử nhân khoa học Vật lý Giáo viên h-ớng dẫn : TS Nguyễn Thành Công

Sinh viên thực hiện : Tống Văn Hòa

Lớp : 47B – Vật Lý

Vinh, 5/2010

Để thực hiện khoá luận này, em xin chân thành biết ơn thầy giáo, TS Nguyễn Thành Công, ng-ời đã trực tiếp tận tình h-ớng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ em trong suốt quá trình hoàn thành khoá luận này

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Vật Lý đã bồi d-ỡng về mặt kiến thức, kỹ năng trong suốt thời gian em sinh hoạt và học tập tại tr-ờng

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình, ng-ời thân, các bạn sinh viên trong khoa Vật Lý đã động viên, cổ vũ cho

Máy gia tốc electron tuyến tính năng l-ợng 2,5 GeV hiện nay đ-ợc sử dụng chủ yếu vào mục đích tạo ra nguồn bức xạ Synchrotron, nh-ng cũng có thể tạo ra bức xạ hãm và nơtron năng l-ợng cao để nghiên cứu về năng phổ hạt

nhân, số liệu hạt nhân, phản ứng hạt nhân và che chắn phóng xạ Bản khoá luận này sẽ đề cập tới việc khai thác nguồn nơtron năng l-ợng cao tạo ra trên máy gia tốc electron 2,5 GeV để xác định suất l-ợng của các phản ứng hạt nhân (n,xn) trên đồng vị 209Bi Các kết quả thu đ-ợc có thể sử dụng vào mục

đích nghiên cứu cơ chế sinh nơtron năng l-ợng cao, xác định phân bố góc của nguồn nơtron từ bia Pb và thiết kế che chắn phóng xạ

Bố cục của bản khóa luận “Khảo sát một số phản ứng hạt nhân

209Bi(n,xn)210-xBi với nguồn nơtron đ-ợc tạo bởi chùm electron năng l-ợng 2,5 GeV” gồm ba phần: Phần mở đầu, phần nội dung và phần kết luận

Phần nội dung đ-ợc chia ra làm 3 ch-ơng:

Ch-ơng I : “Nguồn nơtron“, nêu các đặc tr-ng của nơtron và phân loại

các nguồn nơtron

Ch-ơng II : “Cơ sở lý thuyết v¯ thực nghiệm xác định suất lượng ph°n ứng hạt nhân“, nêu cơ sở lý thuyết, ph-ơng pháp và kĩ thuật thực

nghiệm sử dụng trong nghiên cứu

Ch-ơng III : “Quy trình thực nghiệm xác định suất lượng của các phản ứng hạt nhân 209 Bi(n,xn) 210-x Bi“, nêu các b-ớc thực hiện từ bố trí thí

nghiệm đến kích hoạt mẫu, đo hoạt độ phóng xạ, phân tích số liệu và thu thập,

đánh giá kết quả thu đ-ợc về suất l-ợng và hoạt độ phóng xạ của các sản phẩm thu đ-ợc từ các phản ứng hạt nhân 209Bi(n,xn)210-xBi

ở Việt Nam các lĩnh vực ứng dụng bức xạ hạt nhân ch-a đ-ợc phát triển

và khai thác đúng với tiềm năng to lớn của nó Đối với đa số sinh viên, đây là lĩnh vực còn khá mới mẻ và xa lạ do những hiểu biết về lĩnh vực này còn hạn chế, chủ yếu là qua lý thuyết, ít đ-ợc tiếp xúc thực tế Vì vậy những vấn đề trình bày trong bản khoá luận này mong rằng sẽ cung cấp một số kiến thức cơ bản để các bạn tham khảo, gần gũi hơn với lý thuyết nguyên tử hạt nhân và hiểu rõ hơn khả năng ứng dụng hết sức to lớn của nó

Mặc dù đã rất cố gắng để hoàn thành khoá luận, nh-ng do thời gian và trình độ còn hạn chế nên chắc chắn khoá luận này không tránh khỏi thiếu xót

Rất mong nhận đ-ợc ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn để khoá luận ngày càng hoàn thiện hơn

Vinh, tháng 05 năm 2010

Tống Văn Hoà

Ch-ơng I Nguồn nơtron 1.1 Các đặc tr-ng cơ bản của nơtron

Nơtron là hạt trung hòa về điện tích, có khối l-ợng: mn = 1,0086 u hoặc

mn = 939,56 MeV/c2 và có số spin là 1/2[]

Nơtron là hạt tuân theo thống kê Fermi - Dirac Nơtron tự do phân rã theo sơ đồ : npe e

với thời gian sống  887,01,6s [5]

Bảng 1.1 Phân loại nơtron theo năng l-ợng [5]

Nhóm nơtron Năng l-ợng [eV]

Nơtron chậm Nơtron d-ới lạnh Nơtron lạnh Nơtron nhiệt Nơtron trên nhiệt

≤ 1

< 5.10-7

< 0,005 0,005  0,1 0,1  1 Nơtron cộng h-ởng 1  104

nCBe

Các nguồn đồng vị phóng xạ có -u điểm là dễ sử dụng, thông l-ợng không hoặc ít thay đổi theo thời gian, nh-ng có năng l-ợng và suất l-ợng nơtron thấp (~106  107 n/s) và phổ năng l-ợng liên tục

đ-ợc sử dụng rất phổ biến Suất l-ợng nơtron của nguồn này là 0,116 n/s Hầu hết nơtron có năng l-ợng từ 0,5 đến 1 MeV (hình 1.3) [11]

Cf

Hình 1.1 Phổ năng l-ợng

nơtron của nguồn Pu-Be

Hình 1.2 Suất l-ợng của nơtron phụ thuộc

10 0

1.2.3 Máy phát nơtron

Máy phát nơtron là một thiết bị gia tốc chùm ion đơtêri ( H12 ) tới năng l-ợng cần thiết (≥ ng-ỡng phản ứng), sau đó cho chúng đập vào bia đơtêri ( H12 ) để sinh ra nơtron với năng l-ợng En  3 MeV hoặc bia triti ( H31 ) sinh ra nơtron với năng l-ợng En  14 MeV [11]

Các ph-ơng trình phản ứng tạo nơtron cụ thể nh- sau:

MeV3E),MeV26,3(QnHeH

2

MeV14E

),MeV6,17(QnHeH

1.3 Nguồn nơtron từ máy gia tốc electron

Gần đây các máy gia tốc electron đ-ợc sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu cơ bản và ứng dụng Trong nghiên cứu phản ứng hạt nhân

và số liệu hạt nhân thì máy gia tốc electron đóng vai trò nh- là một nguồn cung cấp bức xạ hãm và nơtron quan trọng

Tại Trung tâm Vật lý hạt nhân, Viện Vật lý và Điện tử từ năm 1982 đã

đ-a máy gia tốc electron Microtron MT-17 với năng l-ợng electron 15 MeV vào hoạt động Chùm bức xạ hãm năng l-ợng cực đại 15 MeV và chùm nơtron sinh ra từ các phản ứng hạt nhân (,n) và (,f) của máy gia tốc MT-17 đã đ-ợc

sử dụng có hiệu quả trong các lĩnh vực nghiên cứu cơ bản và ứng dụng nh- nghiên cứu phản ứng hạt nhân, số liệu hạt nhân và phân tích kích hoạt

Trong thời gian gần đây cùng với việc khai thác chùm nơtron và phôton trên máy gia tốc MT-17, người ta còn sử dụng chùm bức xạ nơtron và phôton tạo ra trên máy gia tốc electron tuyến tính để tiến hành một số nghiên cứu

Trong phạm vi của bản khoá luận này, nguồn nơtron sử dụng được tạo thành

từ chùm electron năng l-ợng 2,5 GeV

1.3.1 Cơ chế phát bức xạ hãm

Khi chùm electron đ-ợc gia tốc tới năng l-ợng cao đập vào bia nặng sẽ phát ra chùm bức xạ hãm và nơtron Electron mất năng l-ợng chủ yếu do cơ chế phát bức xạ hãm và ion hóa

Tốc độ mất năng l-ợng toàn phần của electron và positron trong vật chất thông qua hai quá trình chủ yếu sau:

col rad

dEdx

dEdx

Hình 1.4 Sự mất mát năng l-ợng do ion hóa và phát bức xạ của electron trong Cu

Năng suất hãm phụ thuộc mạnh vào năng l-ợng của electron, đối với các nguyên tố nặng theo biểu thức gần đúng:

  2 63

0

E82E

Phổ bức xạ là liên tục và năng l-ợng đạt giá trị cực đại đúng bằng động năng của chùm electron tới

Phân bố góc của bức xạ hãm ở các t-ơng tác sơ cấp tuân theo phân bố Gauss: [7]

2

E

trong đó, E là động năng của electron,  = mc2 = 0,511 MeV

Phân bố góc của electron sau khi đi qua lớp vật chất có bề dày tr cũng có dạng Gauss:

2 e

t440

Eexpt440

E,

220(

2

EEi

)E2tt(440

EEi

2 2 2

2 e Al r

2 2 2

e)x(

1 2

o

10 o 0

10 -1

10-2

mẫu Đồng mẫu Các bon

Hình 1.5 Phân bố góc của bức xạ hãm từ bia Pb đ-ờng kính 55 mm, dày 35 cm 1- Trực

tiếp từ bia Pb; 2- Qua chất làm chậm n-ớc

Phân bố góc của bức xạ hãm th-ờng đ-ợc mô tả bằng các số liệu thực nghiệm Hình 1.5 biểu diễn phân bố góc của bức xạ hãm từ bia Pb đ-ợc đo với các đêtectơ kích hoạt bằng Cu (E > 10,8 MeV) và C (E > 18,6 MeV) [7]

1.3.2 T-ơng tác của bức xạ gamma với vật chất

Do các tia gamma là sóng điện từ không mang điện tích nên khi đi vào vật chất không xảy ra nhiều va chạm không đàn hồi nh- các hạt mang điện Các t-ơng tác chủ yếu của tia gamma với vật chất là: hiệu ứng hấp thụ quang

điện, hiệu ứng Compton, hiệu ứng tạo cặp [3,11,12]

a) Hiệu ứng hấp thụ quang điện

Các phôton có năng l-ợng lớn hơn năng l-ợng liên kết của các electron trong nguyên tử chất hấp thụ khi t-ơng tác với electron của nguyên tử sẽ bị hấp thụ hoàn toàn Nguyên tử chất hấp thụ bị ion hóa và phát ra một electron quang điện, t-ơng ứng với nó là một lỗ trống trong vỏ nguyên tử Lỗ trống này nhanh chóng bị lấp đầy nhờ chiếm một electron tự do từ môi tr-ờng hoặc sắp xếp lại các electron trong vỏ nguyên tử chất hấp thụ Trong quá trình này nguyên tử giải phóng năng l-ợng đặc tr-ng d-ới dạng tia X hoặc các electron Auger

Năng l-ợng của điện tử phát ra là: [3,11]

trong đó, E là năng l-ợng của phôton, Ii là thế ion hóa ở vỏ thứ i của nguyên

tử chất hấp thụ

Quá trình hấp thụ quang điện chiếm -u thế trong t-ơng tác của bức xạ gamma năng l-ợng thấp với vật chất, đặc biệt là các chất hấp thụ có số nguyên

tử lớn Một cách gần đúng, tiết diện hấp thụ quang điện đối với vành K có thể

đ-ợc biểu diễn nh- sau: [7,11]

(phot)K = 1,09.10-16Z5[13,61/h]7/2 đối với h nhỏ (1.9) (phot)K = 1,34.10-33[Z5/h] đối với h ≥ mec2 (1.10) trong đó h là năng l-ợng phôton, Z là số nguyên tử của chất hấp thụ

Ta có thể suy ra tiết diện hấp thụ quang điện đối với các lớp vỏ khác của nguyên tử thông qua tỷ số: L/K 1/5 và M/K 1/20

b) Tán xạ Compton

Tán xạ Compton là quá trình tán xạ của các phôton trên các electron tự

do hoặc liên kết yếu với hạt nhân Trong tán xạ Compton, các phôton tới sẽ bị lệch so với ph-ơng ban đầu của nó và bị mất một phần năng l-ợng

Xác suất của tán xạ Compton phụ thuộc vào năng l-ợng phôton (h) và

số electron tự do Tiết diện tán xạ Compton đ-ợc biểu diễn bằng công thức sau: [3,12]

31)21ln(

2

1)21ln(

121

)1(21

Xác suất xảy ra hiện t-ợng tạo cặp chiếm -u thế khi năng l-ợng của phôton lớn hơn hẳn điều kiện của quá trình tạo cặp Positron là hạt không bền khi chuyển động trong vật chất, động năng của nó giảm dần, sẽ bị hủy khi liên kết với một electron và tạo thành hai phôton có năng l-ợng bằng 0,511 MeV [3,12]

Tiết diện tạo cặp toàn phần đ-ợc biểu diễn nh- sau: [3,12]

- Tr-ờng hợp không có sự che chắn (no screening) với mec2 << h << 137mec2Z-1/3 :

m

h2ln9

28r137

Z

2 e

2 e

9

28r137

quang điện

Đối với bức xạ hãm, quá trình tạo cặp cũng có thể xảy ra trong tr-ờng của điện tử trong nguyên tử, nh-ng khi đó tiết diện tạo cặp sẽ nhỏ hơn Khi

đó, các công thức trên cần thay thế Z2 bằng Z(Z+1) [3,12]

1.3.3 Nguồn nơtron sinh ra từ máy gia tốc electron

a) Phản ứng quang hạt nhân sinh nơtron

Bức xạ gamma năng l-ợng cao t-ơng tác với vật chất sẽ gây ra các phản ứng quang hạt nhân Các phản ứng quang hạt nhân (,xn) tạo ra nguồn nơtron quan trọng Phản ứng quang hạt nhân là sự hấp thụ phôton dẫn đến hình thành trạng thái hạt nhân hợp phần, các hạt nhân này có thể phân rã theo nhiều cách, ngoài nơtron còn có thể là proton hoặc các loại hạt khác, thí dụ nh- các phản ứng sau đây: (,n), (,2n), (,p), (,f),… Đây là các phản ứng ng-ỡng, vì vậy chỉ có các chùm phôton có năng l-ợng và c-ờng độ đủ lớn mới gây ra phản ứng Thông th-ờng các chùm phôton nh- vậy đ-ợc tạo ra từ máy gia tốc Hình 1.7 biểu diễn mối liên hệ giữa tiết diện phản ứng quang hạt nhân và năng l-ợng của phôton [3,7]

Hình 1.7 Sự phụ thuộc của tiết diện phản ứng quang hạt nhân vào năng l-ợng phôton

Trong vùng (I) năng l-ợng phôton d-ới ng-ỡng của phản ứng (,n) do đó chỉ có các tán xạ đàn hồi và không đàn hồi của phôton, đ-ờng cong tiết diện

đôi khi có một số cực đại là do sự dịch chuyển giữa các mức của hạt nhân bia Vùng (II) t-ơng ứng với vùng có sự chồng chập các mức của hạt nhân hợp phần Trong vùng này, tiết diện phản ứng quang hạt nhân đạt cực đại và độ rộng có dạng hình Gauss đ-ợc gọi là cộng h-ởng khổng lồ (giant resonance)

với năng l-ợng phôton xấp xỉ từ 5 đến 35 MeV Tiết diện đạt cực đại ở vùng

cỡ 24 MeV đối với hạt nhân nhẹ nhất và cỡ 12 MeV đối với các hạt nhân nặng nhất Với phôton năng l-ợng hàng trăm MeV sẽ xuất hiện các hiệu ứng phức tạp nh- hiệu ứng quasi-deutron, phát xạ các photomeson, pion và các hạt cơ bản khác

Hiện t-ợng cộng h-ởng khổng lồ đ-ợc giải thích theo các quan điểm sau: Goldhaber và Teller giả thiết nơtron và proton của hạt nhân nh- là hai chất lỏng riêng biệt, hạt nhân nhận năng l-ợng do hấp thụ các phôton tạo ra sự dao

động của hai loại chất lỏng này Hiện t-ợng cộng h-ởng khổng lồ t-ơng ứng với tần số cực đại của dao động Sau đó Wikinson xem cộng h-ởng khổng lồ nh- là siêu vị trí do sự đóng góp của tất cả các nucleon riêng rẻ Mỗi một ncleon nhận một phần năng l-ợng từ sự hấp thụ phôton Cộng h-ởng khổng lồ

là tổng tất cả các cộng h-ởng nhỏ đó [3]

Tiết diện phản ứng của cộng h-ởng khổng lồ th-ờng đ-ợc biểu diễn gần

đúng bằng đ-ờng cong Lorent: [7]

2 2

0 2

2 0

)E()EE(

)E(

Sự tách của cộng h-ởng khổng lồ thể hiện các hạt nhân bị biến dạng t-ơng ứng với sự kích thích dọc và ngang qua trục đối xứng của hạt nhân Các tính toán lý thuyết về sự dịch chuyển l-ỡng cực của các hạt nhân chỉ ra rằng tiết diện tích phân của phản ứng quang hạt nhân thỏa mãn hệ thức Levinger - Bethe:

A/NZ06,0dE)E(thr

Bằng sự so sánh tiết diện hấp thụ quang hạt nhân toàn phần quan sát

đ-ợc và các tiên đoán lý thuyết đã cho thấy sự hấp thụ l-ỡng cực đóng vai trò chính trong vùng cộng h-ởng khổng lồ [7]

- Các loại phản ứng quang hạt nhân sinh nơtron:

Ek)(

1A(2k)1A(1862

kE

kA

1

A

E

2 / 1

3

) n , ( s 2

) n , ( s

trong đó, k là năng l-ợng của phôton (MeV), A là số khối của hạt nhân bia,

Es( ,n) là năng l-ợng ng-ỡng của phản ứng (MeV),  là góc phản xạ của các nơtron so với trục của chùm điện tử tới (độ) Từ ph-ơng trình (1.16) ta thấy năng l-ợng của nơtron thay đổi chậm theo góc phản xạ, đặc biệt là với các nguyên tố nặng

Các vật liệu có số Z lớn do năng l-ợng liên kết nơtron thấp nên th-ờng cho suất l-ợng phát nơtron lớn Trừ tr-ờng hợp của D và Be, mặc dù số Z nhỏ nh-ng năng l-ợng liên kết nơtron của chúng thấp một cách bất th-ờng nên cũng th-ờng đ-ợc dùng làm bia để tạo nguồn nơtron Để tạo nơtron, ng-ời ta th-ờng bắn phá trực tiếp các bia bởi các electron nhanh hoặc dùng chùm bức xạ hãm bắn phá vào một bia thứ cấp ở sát gần bia tạo bức xạ hãm Suất l-ợng phát nơtron (n/s) có thể nhận đ-ợc từ biểu thức:

e T

0

M

N)E

trong đó, M,  và t là khối l-ợng nguyên tử, mật độ và bề dày của bia; N0 là số Avogadro, e là thông l-ợng chùm điện tử tới (điện tử/s), T là tiết diện toàn phần bao gồm tổng tiết diện của tất cả các quá trình dẫn tới phát xạ nơtron [3] Phổ quang nơtron có dạng t-ơng tự nh- phổ phân hạch và có phân bố góc gần nh- đẳng h-ớng, điều này có nghĩa là các phản ứng hạt nhân thông qua giai đoạn tạo thành các hạt nhân hợp phần hay cơ chế bay hơi nơtron Một cách gần đúng, phổ quang nơtron có thể mô tả bởi công thức đối với mẫu bay hơi nơtron: [3]

Hình 1.9 là phân bố góc của nơtron phát ra từ các bia Pb có hình dạng và kích th-ớc khác nhau [5]

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

Hình 1.9 Phân bố góc của nơtron phát ra từ các bia Pb

Khi sử dụng các bia khác nhau có thể cho các dạng phổ nơtron nhanh khác nhau Be và D là những hạt nhân nhẹ có năng l-ợng liên kết thấp, suất l-ợng nơtron trên một điện tử lớn hơn các hạt nhân nhẹ khác, và cho thông l-ợng nơtron nhiệt lớn hơn Tuy nhiên, các bia nặng lại cho mật độ thông l-ợng nơtron lớn nhất, điều này có thẻ giải thích là do tiết diện phản ứng của các hạt nhân nhẹ thấp hơn do bán kính hạt nhân nhỏ hơn, ngoài ra tiết diện hấp thụ đối với các hạt nhân nặng cao hơn các hạt nhân nhẹ, nghĩa là quảng chạy của chúng trong Pb nhỏ hơn trong Be Do đó các bia đối với các hạt nhân nhẹ th-ờng đ-ợc thiết kế dày hơn Hình 1.10 là phân bố góc của nơtron phát

ra từ bia Pb và Be [5]

Sự hiện diện của các phôton bức xạ hãm trên các máy gia tốc điện tử tạo nguồn nơtron là nguyên nhân gây ra phông can nhiễu trong các thí nghiệm với nơtron Để khắc phục vấn đề này, ta có thể giảm năng l-ợng điện tử, điều này

có thể thực hiện dễ dàng với các máy gia tốc, mặc dù suất l-ợng nơtron phụ thuộc khá mạnh vào năng l-ợng của electron nh-ng do công suất dòng có thể giữ ổn định khi thay đổi năng l-ợng nên việc giảm suất l-ợng nơtron là không

nhiều Ví dụ, khi thay đổi năng l-ợng điện tử từ 30 MeV xuống 15 MeV, suất l-ợng nơtron chỉ giảm đi 1,5 lần Thông l-ợng nơtron tăng lên khi tăng công suất trung bình của chùm hạt gia tốc Đối với máy gia tốc microtron, với công suất dòng điện tử cỡ 10 kW cho thông l-ợng nơtron nhiệt cỡ 1010 n.cm-2.s-1 khi

sử dụng bia Pb Nh-ng khi tăng công suất dòng, một vấn đề nảy sinh là sự tăng nhiệt độ, điều này có thể giải quyết nhờ các hệ thống làm nguội [7]

Chiều dài bia (mm)

Hình 1.10 Phân bố nơtron nhanh dọc theo bia Pb và bia Be

b) Nguồn nơtron năng l-ợng cao tạo thành từ chùm electron năng l-ợng GeV

Gần đây các máy gia tốc electron năng l-ợng cao đ-ợc sử dụng khá phổ biến để tạo ra nguồn bức xạ synchrotron, bức xạ hãm và nơtron năng l-ợng cao Thực tế này đòi hỏi phải nghiên cứu không những nhằm mục đích khai thác nguồn phóng xạ mà còn nhằm thiết kế che chắn để đảm bảo an toàn phóng xạ

Khi electron năng l-ợng cao bắn vào các bia nặng sẽ bứt ra một số electron có năng l-ợng cao Loại phản ứng hạt nhân này đ-ợc gọi là phản ứng tóe (spallation) Mặt khác, bia nặng cũng sẽ hãm các electron và tạo ra bức xạ hãm (bremsstrahlung) Các phản ứng quang hạt nhân (,xn) sinh ra trong bia hãm cũng đồng thời tạo ra một nguồn nơtron quan trọng

Thực tế cho đến nay có rất ít nghiên cứu thực nghiệm đo thông l-ợng và phổ nơtron ở vùng năng l-ợng cao sinh ra từ máy gia tốc electron năng l-ợng GeV Gần đây, đã đo phổ nơtron trong giải năng l-ợng từ 10 MeV đến 200

MeV trên máy gia tốc electron tuyến tính sinh ra trên các bia Sn, Al, Cu và Pb

đ-ợc bắn bởi chùm electron 2,04 GeV [6]

Hình 1.11 Bố trí thí nghiệm đo phổ nơtron sử dụng chùm electron 2,04 GeV

Trong thí nghiệm đo phổ nơtron đã sử dụng chùm electron 2,04 GeV của máy gia tốc electron tuyến tính bắn vào bia Pb dày 5 cm  5 cm  5,5 cm và nơtron sinh ra đ-ợc đo bằng kĩ thuật thời gian bay Sơ đồ bố trí thí nghiệm

đ-ợc mô tả trên hình 1.11 [6]

Hình 1.12 là phổ suất l-ợng nơtron đo tại góc 900 đối với các bia Sn, Al,

Cu và Pb đ-ợc chiếu bởi chùm electron 2,04 GeV

Ch-ơng II Cơ sở lý thuyết và thực nghiệm xác định suất

l-ợng phản ứng hạt nhân

Trong ch-ơng này sẽ trình bày tóm tắt về phản ứng hạt nhân, ph-ơng pháp và kĩ thuật đo hoạt độ phóng xạ, làm cơ sở cho việc xác định suất l-ợng của các phản ứng hạt nhân

2.1 Phản ứng hạt nhân

2.1.1 Các loại t-ơng tác chủ yếu của nơtron với vật chất

T-ơng tác của nơtron với vật chất là một trong những loại t-ơng tác đặc biệt quan trọng, vì cùng với phôton, nơtron là hạt không mang điện tích nên nơtron có thể t-ơng tác với hạt nhân nguyên tử ở năng l-ợng rất thấp (năng l-ợng nhiệt) do nơtron không t-ơng tác với hàng rào thế Culông hạt nhân Nơtron có thể di chuyển tự do vài centimet trong vật chất T-ơng tác của nơtron thông qua t-ơng tác mạnh với hạt nhân (t-ơng tác gần) Các quá trình chủ yếu khi nơtron t-ơng tác với vật chất bao gồm:

- Tán xạ đàn hồi từ hạt nhân, A(n,n)A Đây là cơ chế chủ yếu trong sự mất mát năng l-ợng của electron trong vùng MeV

- Tán xạ không đàn hồi, A(n,n’)A*; A(n,2n’)B Kết quả của quá trình này là các hạt nhân ở trạng thái kích thích sau đó phân rã gamma hoặc phát các loại bức xạ khác Tán xạ không đàn hồi th-ờng xảy ra với nơtron có năng l-ợng cỡ 1 MeV hoặc lớn hơn [3]

- Phản ứng bắt nơtron phát bức xạ: n + (Z,A)   + (Z,A+1) Tiết diện phản ứng bắt nơtron xấp xỉ 1/v, v là vận tốc nơtron, do đó xảy ra với các nơtron năng l-ợng thấp (nơtron nhiệt) Tùy thuộc vào nguyên tố, có thể có các

đỉnh cộng h-ởng sau vùng 1/v, ở vùng này xác suất bắt nơtron là rất lớn

- Các phản ứng khác nh- (n,p), (n,); (n,d), (n,t),… nơtron bị hấp thụ và phát ra các hạt tích điện, xảy ra trong giải năng l-ợng rộng kể từ keV tới MeV [3,12]

Với E1 = E01 + T1 và E2 = E02 + T2, trong đó E01 và E02 là năng l-ợng nghỉ tổng cộng của các hạt tr-ớc và sau phản ứng, E01 = (MA + ma)c2 và E02= (MB+

mbc2; T1 và T2 là động năng tổng cộng của các hạt tr-ớc và sau phản ứng, T1 =

TA + Ta và T2 = TB + Tb

Nói chung, E01  E02 và hiệu E01 - E02 = Q đ-ợc gọi là năng l-ợng phản ứng Nếu phản ứng có Q < 0, đ-ợc gọi là phản ứng thu năng l-ợng Phản ứng loại này chỉ xảy ra khi năng l-ợng của hạt tới đủ lớn, với T1 = Q + T2 >

Q

Năng l-ợng cần thiết để phản ứng có thể xảy ra đ-ợc gọi là ng-ỡng năng l-ợng phản ứng Ng-ỡng phản ứng đ-ợc tính dựa trên cơ chế phản ứng hạt nhân qua giai đoạn trung gian là hạt nhân hợp phần

a A

a A

a A

a A min

mM

mQ

QM

mQQM

mM)

Ph¶n øng lo¹i 209Bi(n,xn)210-xBi, x = 3, …, 12 thuéc lo¹i ph¶n øng ng-ìng Ng-ìng ph¶n øng cña c¸c ph¶n øng nµy ®-îc chØ ra ë b¶ng 2.1 [9]

B¶ng 2.1 §Æc tr-ng ph¶n øng cña n¬tron víi 209 Bi

H×nh 2.1 TiÕt diÖn cña ph¶n øng

H×nh 2.5 TiÕt diÖn cña ph¶n øng

Hình 2.9 Tiết diện của phản ứng

Trong khi kích hoạt, đồng thời diễn ra hai quá trình sau đây:

- Sự tạo thành các hạt nhân phóng xạ từ những hạt nhân bền sau các phản ứng hạt nhân

- Sự phân rã của các hạt nhân phóng xạ mới tạo thành

Nếu gọi N0 là số hạt nhân bia,  là thông l-ợng bức xạ kích hoạt (n/cm2/s),  là tiết diện của phản ứng hạt nhân có thứ nguyên là diện tích (cm2) hoặc là barn (b), trong đó 1 b = 10-24 cm2,  là hằng số phân rã ( = 0,693/T1/2, trong đó T1/2 là chu kỳ bán rã có thứ nguyên là (1/s) và N(t) là số hạt nhân phóng xạ tại thời điểm t) thì có thể thiết lập đ-ợc ph-ơng trình kích hoạt phóng xạ cơ bản sau đây:

)t(NN

dt

)t(dN

0

Giải ph-ơng trình (2.4) với điều kiện ban đầu t = 0 thì N(t = 0) = 0, sẽ thu đ-ợc nghiệm:

)e1(

N)t(

A(ti,t) = N0(1 – et)et

(2.7) Trong ph-ơng pháp kích hoạt phóng xạ cần phải đo mẫu sau khi kích hoạt Tổng hoạt độ phóng xạ hay hoạt độ phóng xạ tích phân là:

t,t(

i m

trong đó: td gọi là thời gian phân rã đ-ợc tính từ lúc dừng chiếu tới lúc bắt đầu

đo và tm là thời gian đo

Tổng hoạt độ phóng xạ đo đ-ợc (Cexp) luôn nhỏ hơn số hạt nhân phóng xạ

đã phân rã, vì hiệu suất ghi bức xạ của đêtectơ  < 100%, và c-ờng độ t-ơng

đối của bức xạ cần đo (tỷ số phân nhánh) I< 100% Ngoài ra, còn có một số tia gamma bị hấp thụ ngay ở trong mẫu (tự hấp thụ), một phần số đếm bị mất

do hiệu ứng thời gian chết, hiệu ứng cộng đỉnh, hiệu ứng chồng chập xung,…

Do đó, tỷ lệ giữa số xung đo đ-ợc và số xung thực, f  100% Nh- vậy, ph-ơng trình (2.8) có thể viết lại theo kết quả đo thực tế nh- sau:

fI)e1(e)e1(

Hình 2.11 Sự phụ thuộc của hoạt độ phóng xạ vào thời gian kích hoạt (ti), thời

2.3 Phổ kế gamma

Trong các loại bức xạ hạt nhân thì bức xạ gamma đ-ợc quan tâm nhiều nhất vì nó phát ra từ hầu hết các hạt nhân phóng xạ, và ngày nay, với sự phát triển của kĩ thuật năng phổ, cho phép xác định năng l-ợng và c-ờng độ tia gamma một cách chính xác

Hiện nay, việc ghi, đo bức xạ gamma chủ yếu sử dụng các hệ phổ kế gamma nhiều kênh với các đêtectơ nhấp nháy (NaI(Tl)) đêtectơ bán dẫn (Ge siêu tinh khiết)

Một hệ phổ kế hiện đại bao gồm: đêtectơ bán dẫn siêu tinh khiết (HPGe), các khối điện tử: tiền khuếch đại, khuếch đại tuyến tính, MCA,… Hệ phổ kế th-ờng đ-ợc nối với máy vi tính và việc ghi, đo bức xạ và xử lý số liệu đ-ợc thực hiện tự động hoặc bán tự động, sử dụng các phần mềm chuyên dụng (ví dụ: Ginie 2000) Hình 2.12 biểu diễn sơ đồ cấu tạo của một hệ phổ kế th-ờng dùng hiện nay

Hình 2.12 Sơ đồ khối của một hệ phổ kế thông dụng