Nghiên cứu đặc trưng và ứng dụng của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be tại Đại học Quốc gia Hà Nội

Nghiên cứu đặc trưng và ứng dụng của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be trong luận văn thạc sĩ, góp phần phát triển khoa học và công nghệ.

• Tác giả: Nguyễn Thị Nga
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Đức Khuê
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử hạt nhân và năng lượng cao
• Đề tài: Đặc Trưng Và Ứng Dụng Nguồn Nơtron Pu-Be
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NƠTRON ĐỒNG VỊ VÀ TƢƠNG TÁC CỦA NƠTRON VỚI VẬT CHẤT
• 1.1. Một số đặc trƣng của nguồn nơtron đồng vị
• 1.2. Các loại nguồn nơtron đồng vị
• 1.3. Một số đặc trưng của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be
• 1.4. TƢơng tác của nơtron với vật chất
• 1.4.1. Phân loại nơtron theo năng lượng
• 1.4.2. Tương tác của nơtron với vật chất
• 1.4.3. Phản ứng bắt nơtron nhiệt (n, γ)
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về nguồn nơtron Pu Be và đặc trưng của nó

Nguồn nơtron Pu-Be là một trong những nguồn nơtron đồng vị phổ biến nhất trong nghiên cứu và ứng dụng. Nguồn này được tạo ra từ phản ứng hạt nhân giữa plutonium và beryllium, cho phép phát ra nơtron với năng lượng và cường độ ổn định. Đặc trưng của nguồn nơtron Pu-Be bao gồm suất lượng phát nơtron cao, phổ năng lượng đa dạng và khả năng tương tác tốt với vật chất. Nguồn nơtron này có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ nghiên cứu vật lý hạt nhân đến ứng dụng trong y học.

1.1. Đặc trưng vật lý của nguồn nơtron Pu Be

Nguồn nơtron Pu-Be có năng lượng nơtron trung bình khoảng 4.5 MeV và suất lượng phát nơtron khoảng 10^6 n/s. Nguồn này phát ra nơtron từ phản ứng hạt nhân giữa hạt alpha từ plutonium và beryllium. Đặc biệt, nguồn Pu-Be còn phát ra bức xạ gamma từ các phản ứng hạt nhân khác, mặc dù cường độ bức xạ gamma này thấp hơn so với một số nguồn khác.

1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của nguồn nơtron Pu Be

Nguồn nơtron Pu-Be thường có hình dạng trụ với đường kính khoảng 2 cm và chiều cao 3 cm. Nguyên lý hoạt động của nguồn này dựa trên phản ứng (α,n) giữa hạt alpha và beryllium, tạo ra nơtron. Nguồn này được thiết kế để dễ dàng vận hành và bảo trì, đồng thời đảm bảo an toàn khi sử dụng.

II. Vấn đề và thách thức trong việc sử dụng nguồn nơtron Pu Be

Mặc dù nguồn nơtron Pu-Be có nhiều ưu điểm, nhưng cũng tồn tại một số thách thức trong việc sử dụng. Các vấn đề liên quan đến an toàn phóng xạ, chi phí bảo trì và hiệu suất phát nơtron là những yếu tố cần được xem xét. Việc đảm bảo an toàn khi sử dụng nguồn nơtron này là rất quan trọng, đặc biệt trong các ứng dụng y học và nghiên cứu.

2.1. An toàn khi sử dụng nguồn nơtron Pu Be

An toàn khi sử dụng nguồn nơtron Pu-Be là một trong những vấn đề hàng đầu. Cần có các biện pháp bảo vệ và che chắn phù hợp để giảm thiểu nguy cơ phơi nhiễm bức xạ. Việc đào tạo nhân viên và thực hiện các quy trình an toàn là rất cần thiết để đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng.

2.2. Chi phí và hiệu suất của nguồn nơtron Pu Be

Chi phí bảo trì nguồn nơtron Pu-Be có thể cao do yêu cầu về thiết bị và quy trình an toàn. Tuy nhiên, hiệu suất phát nơtron ổn định và khả năng ứng dụng rộng rãi giúp bù đắp cho chi phí này. Việc tối ưu hóa quy trình sử dụng và bảo trì có thể giúp giảm thiểu chi phí.

III. Phương pháp nghiên cứu và ứng dụng nguồn nơtron Pu Be

Nghiên cứu về nguồn nơtron Pu-Be thường sử dụng các phương pháp kích hoạt phóng xạ để xác định thông lượng nơtron. Các mẫu kim loại mỏng được sử dụng để đo gián tiếp nơtron, cho phép phân tích chính xác hơn về các phản ứng hạt nhân xảy ra. Ứng dụng của nguồn nơtron Pu-Be rất đa dạng, từ nghiên cứu vật lý đến y học.

3.1. Phương pháp kích hoạt phóng xạ trong nghiên cứu

Phương pháp kích hoạt phóng xạ là một kỹ thuật quan trọng trong nghiên cứu nguồn nơtron Pu-Be. Các mẫu kim loại được kích hoạt bởi nơtron, sau đó phát ra bức xạ gamma có thể được ghi nhận và phân tích. Kỹ thuật này cho phép xác định thông lượng nơtron và các phản ứng hạt nhân một cách chính xác.

3.2. Ứng dụng nguồn nơtron Pu Be trong y học

Nguồn nơtron Pu-Be được sử dụng trong y học để điều trị một số loại ung thư và trong các phương pháp chẩn đoán. Nơtron có khả năng tương tác mạnh với tế bào ung thư, giúp tiêu diệt chúng mà không gây hại nhiều cho các tế bào khỏe mạnh. Việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng này đang được tiếp tục mở rộng.

IV. Kết quả nghiên cứu và thảo luận về nguồn nơtron Pu Be

Kết quả nghiên cứu cho thấy nguồn nơtron Pu-Be có khả năng phát nơtron ổn định và hiệu quả trong nhiều ứng dụng. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng thông lượng nơtron từ nguồn này có thể được tối ưu hóa thông qua việc điều chỉnh các yếu tố như bề dày chất làm chậm. Thảo luận về các kết quả này giúp hiểu rõ hơn về tiềm năng của nguồn nơtron Pu-Be.

4.1. Kết quả đo thông lượng nơtron từ nguồn Pu Be

Các thí nghiệm đo thông lượng nơtron từ nguồn Pu-Be cho thấy rằng thông lượng nơtron nhiệt và nơtron nhanh có thể đạt được mức cao. Việc sử dụng các chất làm chậm như paraffin và thủy tinh hữu cơ đã giúp tối ưu hóa thông lượng nơtron, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong nghiên cứu và y học.

4.2. Thảo luận về ứng dụng thực tiễn của nguồn nơtron Pu Be

Ứng dụng thực tiễn của nguồn nơtron Pu-Be rất đa dạng, từ nghiên cứu vật lý hạt nhân đến y học. Việc phát triển các ứng dụng mới và cải tiến quy trình sử dụng nguồn nơtron này sẽ giúp nâng cao hiệu quả và an toàn trong các lĩnh vực liên quan.

V. Kết luận và tương lai của nguồn nơtron Pu Be

Nguồn nơtron Pu-Be có tiềm năng lớn trong nghiên cứu và ứng dụng. Mặc dù còn một số thách thức cần giải quyết, nhưng với những ưu điểm vượt trội, nguồn nơtron này sẽ tiếp tục được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong tương lai. Việc nghiên cứu sâu hơn về các đặc trưng và ứng dụng của nguồn nơtron Pu-Be sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong khoa học và công nghệ.

5.1. Tương lai của nghiên cứu nguồn nơtron Pu Be

Nghiên cứu về nguồn nơtron Pu-Be sẽ tiếp tục được mở rộng, với mục tiêu tối ưu hóa hiệu suất và an toàn. Các nghiên cứu mới sẽ tập trung vào việc phát triển các ứng dụng trong y học và công nghiệp, đồng thời cải thiện quy trình sử dụng và bảo trì nguồn nơtron này.

5.2. Định hướng phát triển ứng dụng nguồn nơtron Pu Be

Định hướng phát triển ứng dụng nguồn nơtron Pu-Be sẽ tập trung vào việc nâng cao hiệu quả và an toàn trong các lĩnh vực nghiên cứu và y học. Việc hợp tác giữa các nhà nghiên cứu và các tổ chức y tế sẽ giúp thúc đẩy sự phát triển của nguồn nơtron này trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nguồn nơtron đồng vị đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu vật lý hạt nhân và các ứng dụng thực tiễn như đo lường, kiểm tra vật liệu và y học hạt nhân. Theo ước tính, suất lượng nơtron của các nguồn đồng vị loại 9Be(α,n) dao động trong khoảng từ 10^6 đến 10^7 n/s, với phổ năng lượng liên tục từ vùng nhiệt đến khoảng 13 MeV, năng lượng trung bình khoảng 4-5 MeV. Nguồn nơtron đồng vị Pu-Be được sử dụng phổ biến nhờ ưu điểm kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp, thông lượng ổn định và thời gian sống dài (hơn 24.000 năm). Tuy nhiên, phổ nơtron từ nguồn này bị biến dạng khi đi qua các môi trường vật chất do tương tác với hạt nhân nguyên tử, đặc biệt là các chất làm chậm như paraffin và thủy tinh hữu cơ.

Luận văn tập trung nghiên cứu một số đặc trưng của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be, bao gồm xác định thông lượng nơtron nhiệt, nơtron trên nhiệt và nơtron nhanh phát ra từ nguồn, phân bố nơtron nhiệt theo bề dày các chất làm chậm nhẹ, đồng thời khảo sát các phản ứng hạt nhân gây bởi nơtron trên các mẫu kim loại In, Au, W, Cu. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2011-2013 tại Trung tâm Vật lý hạt nhân, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn nơtron đồng vị trong các ứng dụng thực nghiệm và công nghiệp, đồng thời góp phần phát triển kỹ thuật đo lường nơtron chính xác.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình vật lý hạt nhân liên quan đến nguồn nơtron đồng vị và tương tác của nơtron với vật chất:

• Nguồn nơtron đồng vị (α,n): Nơtron được tạo ra từ phản ứng hạt nhân giữa hạt α phát ra từ đồng vị phóng xạ (như 239Pu) và hạt nhân Be, với phản ứng chính là $^4_2He + ^9_4Be \rightarrow ^{12}_6C + n + 5.71 \text{ MeV}$. Phổ nơtron liên tục từ nhiệt đến khoảng 10 MeV.
• Phân loại nơtron theo năng lượng: Bao gồm nơtron lạnh (0-0.005 eV), nơtron nhiệt (~0.025 eV), nơtron trên nhiệt (0.025 eV - 1 eV), nơtron cộng hưởng (0.1 eV - 300 eV), nơtron nhanh (>1 MeV).
• Tương tác nơtron với vật chất: Bao gồm tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi và hấp thụ nơtron (phản ứng bắt nơtron nhiệt (n,γ), phản ứng tạo hạt khác như (n,p), (n,α), phân hạch (n,f)). Quá trình làm chậm nơtron (thermalization) trong các chất làm chậm như paraffin và thủy tinh hữu cơ được mô tả qua các đại lượng như độ giảm năng lượng loga trung bình (ξ), năng suất làm chậm vĩ mô (MSDP), và tỷ số làm chậm (MR).
• Phương pháp kích hoạt phóng xạ: Sử dụng các lá kim loại mỏng làm đêtectơ kích hoạt để ghi nhận gián tiếp nơtron thông qua các phản ứng hạt nhân gây ra đồng vị phóng xạ, đo phổ gamma đặc trưng bằng đêtectơ HPGe.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thí nghiệm được thực hiện tại Trung tâm Vật lý hạt nhân, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, sử dụng nguồn nơtron đồng vị Pu-Be có suất lượng khoảng 10^6 n/s, kích thước 2.6 cm đường kính, 3 cm chiều cao.
• Mẫu nghiên cứu: Các lá kim loại mỏng In, Au, W, Cu có độ tinh khiết cao, kích thước khoảng 20x20 mm, bề dày dưới 1 mm, dùng làm đêtectơ kích hoạt.
• Phương pháp phân tích: Phương pháp kích hoạt phóng xạ kết hợp đo phổ gamma bằng đêtectơ bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết HPGe (ORTEC) với độ phân giải năng lượng cao (1.8 keV tại 1332.2 keV). Phân tích phổ gamma sử dụng phần mềm GammaVision và MEASTRO, hiệu chỉnh các sai số như hiệu suất ghi, tự hấp thụ, hiệu ứng cộng đỉnh.
• Timeline nghiên cứu: Thời gian chiếu mẫu từ vài giờ đến hơn 100 giờ tùy phản ứng, thời gian phơi và đo phổ gamma được tính toán dựa trên chu kỳ bán rã của đồng vị phóng xạ tạo thành nhằm tối ưu độ chính xác.
• Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn các đồng vị có tiết diện bắt nơtron lớn và phổ biến trong nghiên cứu vật lý hạt nhân để làm đêtectơ kích hoạt, đảm bảo độ nhạy và độ chính xác cao trong đo lường thông lượng nơtron.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Phân bố thông lượng nơtron nhiệt trong chất làm chậm:
   Thông lượng nơtron nhiệt đạt cực đại tại bề dày khoảng 2 cm đối với cả paraffin và thủy tinh hữu cơ. Cụ thể, thông lượng nơtron tăng khoảng 1.4 lần với paraffin và 1.3 lần với thủy tinh hữu cơ so với không có chất làm chậm. Điều này chứng tỏ paraffin có khả năng làm chậm nơtron hiệu quả hơn thủy tinh hữu cơ.

2. Xác định thông lượng nơtron nhiệt và nơtron cộng hưởng:
   Sử dụng phản ứng bắt nơtron 115In(n,γ)116mIn để đo nơtron nhiệt và phản ứng trên mẫu bọc Cd để phân biệt nơtron cộng hưởng. Tỷ số Cd (CR) được xác định chính xác, cho phép phân tách thông lượng nơtron nhiệt và cộng hưởng với sai số nhỏ.

3. Phản ứng hạt nhân gây bởi nơtron trên các mẫu In, Au, W, Cu:

   • Mẫu In ghi nhận hai phản ứng chính: 115In(n,γ)116mIn (nơtron nhiệt) và 115In(n,n')115mIn (nơtron nhanh).
   • Mẫu Au ghi nhận phản ứng 197Au(n,γ)198Au (nơtron nhiệt) và 197Au(n,2n)196Au (nơtron nhanh, ngưỡng 8 MeV). Thời gian bán rã của 198Au xác định là 2.73 ngày, phù hợp với giá trị công bố.
   • Mẫu W chỉ ghi nhận phản ứng 186W(n,γ)187W với tiết diện nhỏ (38.5 barn) và độ giàu đồng vị 28%.
   • Mẫu Cu ghi nhận phản ứng 63Cu(n,γ)64Cu với chu kỳ bán rã 12.5 giờ.
     Các kết quả này chứng minh khả năng sử dụng các đêtectơ kích hoạt để xác định thông lượng và phổ năng lượng nơtron từ nguồn Pu-Be.

4. Hiệu suất ghi của hệ phổ kế gamma HPGe:
   Đường chuẩn hiệu suất ghi được xây dựng trong dải năng lượng 50-2500 keV với hệ số R² = 0.999, đảm bảo độ chính xác cao trong phân tích phổ gamma.

Thảo luận kết quả

Kết quả phân bố thông lượng nơtron nhiệt cho thấy sự tăng thông lượng tại bề dày khoảng 2 cm của chất làm chậm do hiệu ứng làm chậm và hấp thụ cân bằng. So với các nghiên cứu trước, kết quả này phù hợp với mô hình lý thuyết về thermalization của nơtron trong vật liệu giàu hydro. Việc paraffin thể hiện hiệu quả làm chậm tốt hơn thủy tinh hữu cơ có thể giải thích do mật độ hydro và tiết diện tán xạ đàn hồi lớn hơn.

Phản ứng hạt nhân ghi nhận trên các mẫu kim loại cho thấy phổ năng lượng nơtron từ nguồn Pu-Be bao gồm cả nơtron nhiệt và nơtron nhanh, phù hợp với đặc trưng phổ liên tục của nguồn (α,n). Việc xác định chính xác chu kỳ bán rã của đồng vị phóng xạ 198Au cũng khẳng định độ tin cậy của phương pháp kích hoạt phóng xạ kết hợp phổ gamma.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phân bố thông lượng nơtron theo bề dày chất làm chậm, phổ gamma của các mẫu kích hoạt, và đồ thị xác định chu kỳ bán rã, giúp minh họa rõ ràng các phát hiện chính.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường sử dụng chất làm chậm paraffin trong các ứng dụng nguồn nơtron đồng vị:
   Đề xuất áp dụng paraffin với bề dày khoảng 2 cm để tối ưu hóa thông lượng nơtron nhiệt, nâng cao hiệu quả các thí nghiệm và ứng dụng thực tế. Thời gian thực hiện: ngay lập tức; Chủ thể: các trung tâm nghiên cứu và ứng dụng nơtron.

2. Phát triển hệ thống đêtectơ kích hoạt đa dạng:
   Khuyến nghị mở rộng sử dụng các lá kim loại mỏng khác nhau để đo phổ năng lượng nơtron rộng hơn, nâng cao độ chính xác và khả năng phân tích phổ nơtron. Thời gian: 1-2 năm; Chủ thể: viện nghiên cứu và phòng thí nghiệm.

3. Cải tiến kỹ thuật phân tích phổ gamma:
   Áp dụng các phần mềm phân tích phổ hiện đại, kết hợp hiệu chỉnh hiệu ứng cộng đỉnh và tự hấp thụ để giảm sai số, nâng cao độ tin cậy kết quả. Thời gian: 6-12 tháng; Chủ thể: nhóm nghiên cứu và kỹ thuật viên phòng thí nghiệm.

4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng nguồn Pu-Be trong kiểm tra vật liệu và y học hạt nhân:
   Khuyến nghị khảo sát thêm các ứng dụng thực tiễn của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be trong kiểm tra không phá hủy và điều trị y học, tận dụng ưu điểm kích thước nhỏ gọn và thông lượng ổn định. Thời gian: 2-3 năm; Chủ thể: các viện nghiên cứu ứng dụng và bệnh viện chuyên khoa.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật lý hạt nhân:
   Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phương pháp phân tích chi tiết về nguồn nơtron đồng vị Pu-Be, hỗ trợ nghiên cứu cơ bản và phát triển kỹ thuật đo lường nơtron.

2. Kỹ sư và chuyên gia trong lĩnh vực kiểm tra không phá hủy:
   Thông tin về phân bố nơtron và hiệu quả làm chậm giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống kiểm tra vật liệu sử dụng nguồn nơtron đồng vị.

3. Chuyên gia y học hạt nhân:
   Nghiên cứu về phổ nơtron và phản ứng hạt nhân hỗ trợ phát triển các kỹ thuật điều trị và chẩn đoán sử dụng nơtron.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành vật lý nguyên tử, hạt nhân:
   Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp thực nghiệm, phân tích số liệu và ứng dụng nguồn nơtron đồng vị trong nghiên cứu khoa học.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguồn nơtron đồng vị Pu-Be có ưu điểm gì so với các nguồn khác?
   Nguồn Pu-Be có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp, thông lượng nơtron ổn định khoảng 10^6 n/s và thời gian sống dài hơn 24.000 năm, thuận lợi cho vận hành và che chắn an toàn.

2. Phương pháp kích hoạt phóng xạ được sử dụng như thế nào để đo thông lượng nơtron?
   Phương pháp này biến các đồng vị bền thành đồng vị phóng xạ qua phản ứng hạt nhân, sau đó đo phổ gamma đặc trưng bằng đêtectơ HPGe để xác định hoạt độ và tính toán thông lượng nơtron.

3. Tại sao cần sử dụng chất làm chậm nơtron như paraffin và thủy tinh hữu cơ?
   Chất làm chậm giúp giảm năng lượng nơtron nhanh xuống mức nhiệt, tăng tỷ lệ nơtron nhiệt có ích cho các phản ứng hạt nhân và ứng dụng thực nghiệm.

4. Làm thế nào để phân biệt nơtron nhiệt và nơtron cộng hưởng trong thí nghiệm?
   Sử dụng mẫu bọc Cadmium (Cd) để hấp thụ nơtron nhiệt, chỉ cho phép nơtron cộng hưởng gây phản ứng, từ đó tính toán tỷ số Cd và phân tách thông lượng.

5. Phản ứng hạt nhân nào được sử dụng để đo nơtron nhanh trong nghiên cứu?
   Phản ứng 115In(n,n')115mIn với ngưỡng năng lượng 0.5 MeV được sử dụng để xác định thông lượng nơtron nhanh từ nguồn Pu-Be.

Kết luận

• Nguồn nơtron đồng vị Pu-Be có phổ năng lượng liên tục, thông lượng ổn định khoảng 10^6 n/s, phù hợp cho nhiều ứng dụng nghiên cứu và thực nghiệm.
• Phân bố thông lượng nơtron nhiệt đạt cực đại tại bề dày khoảng 2 cm của chất làm chậm paraffin và thủy tinh hữu cơ, với paraffin hiệu quả hơn khoảng 1.4 lần.
• Phương pháp kích hoạt phóng xạ kết hợp phổ gamma HPGe cho phép xác định chính xác thông lượng nơtron nhiệt, nơtron cộng hưởng và nơtron nhanh.
• Các phản ứng hạt nhân trên mẫu In, Au, W, Cu được ghi nhận rõ ràng, chứng minh tính khả thi của phương pháp và nguồn nơtron Pu-Be.
• Đề xuất áp dụng các giải pháp nâng cao hiệu quả làm chậm, phát triển đêtectơ kích hoạt và cải tiến kỹ thuật phân tích phổ gamma để mở rộng ứng dụng nguồn nơtron đồng vị.

Next steps: Triển khai các giải pháp đề xuất, mở rộng nghiên cứu ứng dụng nguồn Pu-Be trong kiểm tra vật liệu và y học hạt nhân.

Các nhà nghiên cứu và kỹ thuật viên trong lĩnh vực vật lý hạt nhân và ứng dụng nơtron nên tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả công tác và phát triển khoa học công nghệ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về nguồn nơtron đồng vị và tương tác của nơtron với vật chất. Chương 2: Thực nghiệm và phân tích số liệu Chương 3: Kết quả và thảo luận. 10 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NƠTRON ĐỒNG VỊ VÀ TƢƠNG TÁC CỦA NƠTRON VỚI VẬT CHẤT 1.Một số đặc trƣng của nguồn nơtron đồng vị 1. Các loại nguồn nơtron đồng vị Nguồn nơtron đồng vị bao gồm ba loại chính là: nguồn dùng phản ứng (,n), (,n) và nguồn phân hạch tự phát (f,n).

Các tham số quan trọng đối với các nguồn nơtron đồng vị là suất lượng phát nơtron, phổ năng lượng nơtron, năng lượng các bức xạ , , thời gian sống của đồng vị,. Đối với loại nguồn (,n), một số đồng vị phóng xạ có đặc tính phân rã , các hạt  gây ra phản ứng hạt nhân (,n) tạo ra nơtron. Đây chính là cơ sở vật lý để chế tạo các nguồn nơtron đồng vị bằng cách hòa trộn đồng vị phát hạt  và các vật liệu thích hợp. Những đồng vị phát  thường được sử dụng là 226 Ra, 239 Pu, 241 Am,.

Be thường được chọn làm bia và cho suất lượng nơtron lớn nhất. Nơtron được tạo ra chủ yếu từ phản ứng hạt nhân sau: 4 2 He  49Be  126C  n  5.71 MeV Ngoài ra một phần ít nơtron còn được tạo thành từ các phản ứng hạt nhân khác như: 9 Be(,') 9 Be * ---> 8 Be + n; 9 Be(, 8 Be) 5 He ---> 4 He + n; và 9 Be(,n)3 10 B, 11 B, 13 C, 7 Li,. cũng là những đồng vị thường được sử dụng như là các bia tạo nơtron thông qua phản ứng (,n). Trong nguồn đồng vị (,n) do các hạt  có năng lượng khác nhau và năng lượng của chúng bị suy giảm trong môi trường vật chất nguồn trước khi phản ứng xảy ra.

Do đó phổ nơtron của nguồn đồng vị (,n) là phổ liên tục từ vùng nhiệt tới khoảng 10 MeV.1 là phổ nơtron của một số 11 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga nguồn đồng vị loại 9 Be(,n).2 là một số phổ nơtron với các bia khác nhau[10].2 là đặc trưng cơ bản của một số nguồn nơtron đồng vị loại (,n) [14].1: Phổ nơtron của một số nguồn đồng vị loại 9 Be(  ,n).2: Phổ nơtron từ phản ứng (n,  ) đối với một số bia khác. 12 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga Bảng 1.1: Một số nguồn nơtron đồng vị (  ,n). Nguồn nơtron Năng lượng trung bình Thời gian bán rã của nơtron (MeV) 210 PoBe 4.2: Một số đặc trưng của nguồn nơtron 9 Be(  ,n). Nguồn Kiểu pha trộn E  (MeV) E n.

ma x (MeV) Tốc độ phát xạ (n/s/Ci) 241 AmBe Viên hỗn hợp 5.710 6 oxit Am +Be 239 PuBe Hợp kim Pu+Be 5.210 6 226 RaBe Hỗn hợp nén cơ 4.010 6 học Ra+Be 7.0 10 6 242 Cm Viên hỗn hợp 6.8 oxit Cm +Be Đối với loại nguồn đồng vị (,n), các đồng vị phát bức xạ gamma thường được sử dụng là 124 Sb, 24 Na, 140 La, 72 Ga,.có năng lượng đến khoảng từ 2- 3 MeV và thường chỉ sử dụng hai loại bia nhẹ là 9 Be và 2 H qua các phản ứng hạt nhân: 9 Be(,n) 8 Be và 2 H(,n) 1 H. Ưu điểm của loại nguồn này là nếu dùng tia gamma đơn năng có năng lư ợng lớn hơn ngưỡng phản ứng (,n) thì nhận được nơtron hầu như đơn năng do bức xạ gamma 13 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga bị mất năng lượng rất ít trong môi trường vật chất nguồn. Suất lượng của loại nguồn này chỉ khoảng 10 5 n/s. Nguồn đồng vị phân hạch tự phát do một số hạt nhân nặng tự động phân chia và trong quá trình phân hạch tự phát sinh ra nơtron.

Nguồn phân hạch tự phát được sử dụng nhiều nhất là 152 Cf. 152 Cf và hầu hết các nguồn nơtron phân hạch khác được chế tạo bằng cách chiếu xạ urani hoặc các nguyên tố siêu urani khác bởi nơtron trong lò phản ứng. Phổ nơtron từ loại nguồn này có dạng gần như phổ nơtron phân hạch trong lò phản ứng, năng lượng trung bình khoảng 1. Suất lượng của nguồn nơtron 152 Cf có thể lên tới 10 9 n/s.

Tuy nhiên thời gian bán rã chỉ 2.645 năm, đây cũng là một hạn chế khi sử dụng loại nguồn này.3: Phổ nơtron của nguồn 152 Cf. Một số đặc trưng của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be. Plutonium được pha trộn với Be với mật độ khoảng 3.7 g/cm 3 , 239 Pu phát hạt  năng lượng trung bình 5.15 MeV, thời gian sống 24110 năm, kiểu phân rã  (100%). Nguồn Pu-Be còn phát kèm các bức xạ gamma có 14 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga nguồn gốc từ phân rã của 239 Pu và 241 Am cũng như phân rã của 12 C.

Ngoài ra còn có bức xạ hãm do các electron thứ cấp, bức xạ gamma từ các phản ứng hạt nhân (n,x) xảy ra với các vật liệu xung quanh nguồn. Tuy nhiên các bức xạ gamma từ nguồn Pu-Be yếu hơn so với một số loại nguồn khác như nguồn Ra-Be, mặt khác do thời gian sống rất dài nên nguồn nơtron Pu- Be được sử dụng khá phổ biến. Năng lượng và cường độ của hạt  là: 5105. Năng lư ợng nơtron trung bình khoảng 4.5 MeV, năng lượng cực đại 10.

Một nguồn Pu-Be loại hình trụ với đường kính khoảng 2 cm và chiều cao 3 cm cho suất lượng nơtron khoảng 10 6 n/s.4 là hình ảnh cấu tạo của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be [10].5 là hình ảnh thực tế của một nguồn nơtron đồng vị Pu-Be.6 là phổ nơtron của nguồn Pu-Be được xác định bởi các tác giả khác nhau [10,11].7 là các phổ của gamma từ các nguồn nơtron đồng vị Pu-Be, Am-Be và phông gamma của môi trường [5].4: Nguyên lý cấu tạo của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be 15 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga Hình 1.5: Hình ảnh của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be Hình 1.6: Phổ nơtron của nguồn Pu-Be. 16 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga Hình 1.7: Phổ gamma của nguồn nơtron Pu-Be, Am-Be và phông.Tƣơng tác của nơtron với vật chất. Phân loại nơtron theo năng lượng Căn cứ vào năng lượng, nơtron có thể được phân chia thành các loại sau: 1. Nơtron lạnh năng lượng từ 0 tới 0.

Nơtron nhiệt: cân bằng nhiệt với môi trường xung quanh, năng lượng có xác suất lớn nhất ở 20 0 C: 0.025 eV, phân bố Maxwellian mở rộng tới khoảng 0. Nơtron trên nhiệt: năng lượng lớn hơn nhiệt từ 0.025 eV tới 1 eV. Nơtron cộng hưởng từ 0.1 eV tới 300 eV. 17 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga 5.

Nơtron chậm năng lượng thường từ nhỏ hơn 1 eV tới 10 eV, đôi khi tới 1keV (tùy theo định nghĩa). Nơtron trung gian nằm giữa nơtron chậm và nơtron nhanh, vài trăm eV tới 0. Nơtron trên Cadmium là các nơtron ít bị hấp thụ bởi Cd, năng lượng lớn hơn 0. Nơtron nhanh năng lượng lớn hơn 1 eV, 0.1 MeV hoặc 1 MeV đến 20 MeV(tùy theo định nghĩa).

Nơtron siêu nhanh (tương đối tính) năng lượng lớn hơn 20 MeV. Nơtron phân hạch được tạo ra từ quá trình phân hạch hạt nhân, năng lượng từ khoảng 100 eV đến 15 MeV, xác suất lớn nhất 0.8 MeV, trung bình khoảng 2 MeV. Nơtron trong lò phản ứng năng lượng khoảng từ 0.001 eV tới 15 MeV. Tương tác của nơtron với vật chất Do không mang điện tích nên khi đi vào môi trường vật chất nơtron tương tác rất yếu với các electron.

Tương tác của nơtron chủ yếu là với hạt nhân. Quá trình tương tác của nơtron với vật chất thông qua hai hiện tượng chính là tán xạ và hấp thụ, bao gồm các quá trình tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi và các phản ứng hạt nhân. Khi nơtron va chạm với hạt nhân bia, nếu thế năng của hệ giữ nguyên còn động năng của hệ có thể biến đổi thì gọi là tán xạ đàn hồi. Khi va chạm đàn hồi với hạt nhân bia, nơtron bị mất năng lượng và thay đổi hướng chuyển động.

Giữa nơtron và hạt nhân xảy ra sự trao đổi động năng còn trạng thái hạt nhân thì không đổi. Nơtron bị mất năng lượng nhiều khi va chạm với hạt nhân nhẹ. Cơ chế tán xạ không đàn hồi là khi nơtron tương tác với vật chất nó truyền cho hạt nhân nguyên tử một phần năng lượng. Hạt nhân sau khi 18 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga nhận năng lượng sẽ nhảy lên trạng thái kích thích và sau đó sẽ phát ra bức xạ gamma hoặc các bức xạ khác để trở về trạng thái cơ bản.

Tán xạ không đàn hồi hầu như chỉ xảy ra với những nơtron năng lượng cao (1MeV) và có tiết diện lớn với các hạt nhân nặng. Hấp thụ nơtron là quá trình xảy ra các phản ứng hạt nhân của nơtron với hạt nhân bia, hạt nhân bia sẽ thể hiện một vài hiện tượng như sau: - Hạt nhân bia bị kích thích tới một mức năng lượng cao hơn. Sau đó nó trở về trạng thái cơ bản bằng việc phát ra một hay nhiều photon. - Hạt nơtron tới bị bắt và hình thành hạt nhân hợp phần.

Do khối lượng của hạt nhân hợp phần này nhỏ hơn tổng khối lượng của các hạt nhân ban đầu và hạt tới nên photon hay còn gọi là tia gamma tức thời được phát ra với năng lượng chính bằng tổng năng lượng liên kết của nơtron với động năng của nơtron tới. Đây chính là hiện tượng bắt nơtron. - Hạt tới bị bắt và các hạt sơ cấp khác được phát ra, đó là các phản ứng: phản ứng tạo proton (n,p), phản ứng tạo hạt alpha (n,), Phản ứng tạo hai hay nhiều nơtron (n,2n), (n,2p), (n,3n),. Các ph ản ứng này xảy ra với xác suất lớn với các nơtron nhanh.

- Phản ứng phân hạch hạt nhân (n,f), phản ứng này thường xảy ra với các hạt nhân siêu Uran như U, Th, Pu, khi tương tác v ới nơtron các hạt nhân bị phân chia làm 2 mảnh có khối lượng tương đương nhau. Phản ứng bắt nơtron nhiệt (n,  ) Nơtron tương tác với hạt nhân bia bị bắt và hình thành hạt nhân hợp phần.1) Hạt nhân sản phẩm ở trạng thái kích thích sẽ phân rã  - , (Z, A+1) ---> (Z+1, A+1) +e - + ~ (1.2) 19 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga Khi hạt nhân hấp thụ nơtron nhiệt (năng lượng 0.025 eV) sẽ tạo thành hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích.