CHƯƠNG I: CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP KÍCH HOẠT BẰNG NƠTRON 1. Tương tác của nơtron với vật chất. Nơtron được phát hiện năm 1932, khi nhà vật lý người Anh là Charwich lặp lại thí nghiệm cho hạt alpha bắn phá hạt nhân Berili. Phản ứng giữa hai loại hạt này tạo ra một loại hạt có độ xuyên sâu cao và được kết luận là lượng tử gamma có năng lượng lớn.
Charwich đã giả thiết rằng, đây không phải là lượng tử gamma mà là một loại hạt hoàn toàn mới, không mang điện, có khối lượng gần giống khối lượng của proton. Ông gọi hạt mới này là nơtron. Nơtron có một số đặc trưng như sau [4,6,8,9]: - Khối lượng: m n = 1,674953. - Nơtron tự do không bền, nó có thể phân rã thành proton, electron và nơtrino với chu kỳ rã nửa T 1/2 = 11,7 ± 0,3 phút theo phương trình: n → p + β- + ν~ - Nơtron có spin sn = ½, mômen từ µ n = -1,91315µ h với µh là manheton hạt nhân.
- Nơtron được coi là trung hòa về điện. Khả năng tương tác của nơtron với hạt nhân phụ thuộc một cách phức tạp vào năng lượng nơtron và cấu trúc của từng loại hạt nhân đồng vị. Khả năng tương tác này có thể khác nhau rất nhiều thậm chí đối với hạt nhân của các đồng vị khác nhau của cùng một nguyên tố, khi nơtron có động năng như nhau. Để thuận tiện, người ta thường phân loại nơtron theo các nhóm có năng lượng khác nhau, tuỳ thuộc lĩnh vực nghiên cứu hoặc đặc điểm tương tác của nơtrôn với các loại đối tượng cụ thể.
Ranh giới giữa các nhóm chỉ có tính chất quy ước để tiện sử dụng hoặc nghiên cứu. Trong vùng năng lượng của nơtron từ 0,025eV tới 10 MeV có thể chia nơtron thành hai nhóm lớn: các nơtron 8 nhanh và các nơtron chậm. (Ở đây, khái niệm nhanh và chậm đối với nơtron chỉ là tương đối vì thậm chí với nơtron năng lượng 0,025eV thì vận tốc của nơtron cũng khoảng 2 km/s) Các nơtron chậm lại được xếp thành mấy nhóm nhỏ như: nơtron siêu lạnh, nơtron lạnh, nơtron nhiệt, và nơtron cộng hưởng: [9] - Nơtron siêu lạnh là những nơtron có năng lượng E n < 3. - Nơtron lạnh là những nơtron năng lượng từ 3.
- Nơtron nhiệt là những nơtron có năng lượng từ 0,025 eV ÷ 0,5 eV. - Nơtron với năng lượng từ 0,5 eV ÷ 1keV được gọi là nơtron cộng hưởng. - Nhóm nơtron năng lượng trung gian có năng lượng từ 1 keV ÷ 100 keV. Các nơtron nhanh là những nơtron có năng lượng trong khoảng từ 100 keV đến 14 MeV.
Các nơtron rất nhanh có năng lượng lớn hơn 14MeV. Khi nơtron đi vào môi trường vật chất thì tương tác của nó với môi trường chủ yếu là do lực hạt nhân gây nên. Sự biến đổi năng lượng của nơtron diễn ra trong mỗi sự kiện tương tác của nó với hạt nhân nguyên tử của môi trường. Khi đi qua môi trường, nơtron có thể tham gia vào các loại tương tác như: tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi, phản ứng (n,γ), phản ứng tạo các hạt có điện tích, phản ứng phân chia hạt nhân.
Xác suất xảy ra mỗi quá trình này phụ thuộc vào động năng của nơtrôn và loại hạt nhân đồng vị tham gia tương tác. Dưới đây ta xét đặc điểm của từng quá trình trên. Tán xạ đàn hồi. 9 Quá trình tán xạ đàn hồi của nơtron trong môi trường tương tự như hiện tượng va chạm giữa hai quả cầu đàn hồi: động năng được phân bố lại giữa các hạt tương tác, đồng thời tổng động năng của hệ vẫn được giữ nguyên như động năng ban đầu trong hệ tọa độ Tâm – Khối lượng.
Sơ đồ tương tác như trên hình 1. (A,Z) n tán xạ n tới θ ϕ (A,Z) Hạt nhân lùi Hình 1.1: Sơ đồ tán xạ đàn hồi khi nơtron tương tác với hạt nhân Trong mçi sù kiÖn t¸n x¹ ®µn håi, h¹t nh©n ®−îc n¬tr«n truyÒn cho mét ®éng n¨ng cã gi¸ trÞ E A b»ng:[1,9,11] 2 E A = α En0 Cos ϕ (1 - 1) víi E n0 - ®éng n¨ng cña n¬tr«n tr−íc khi x¶y ra sù kiÖn t¸n x¹; m n - khèi l−îng cña n¬tr«n; M A - khèi l−îng cña h¹t nh©n; ϕ - gãc bay ra cña h¹t nh©n so víi h−íng chuyÓn ®éng ban ®Çu cña n¬tr«n; A - sè khèi cña h¹t nh©n. Trong biÓu thøc (1 - 1) ®· coi tû sè M A /mn = A (víi sai sè kho¶ng (0,5÷1)%). TÝnh trung b×nh, trong mçi sù kiÖn t¸n x¹ ®µn håi th× ®éng n¨ng cña n¬tr«n bÞ gi¶m mÊt mét l−îng b»ng: (1 - 2) §éng n¨ng lín nhÊt mµ h¹t nh©n cã thÓ thu ®−îc tõ mét sù kiÖn va ch¹m ®µn håi víi n¬tr«n cã gi¸ trÞ b»ng:[1,9,11] 10 (1 - 3) §èi víi n¬tr«n cã ®éng n¨ng kh«ng lín qu¸ 5 -7 Mev, th× t¸n x¹ ®µn håi cã tÝnh ®èi xøng cÇu trong hÖ to¹ ®é T©m Khèi l−îng.
Do ®ã x¸c suÊt t¹o h¹t nh©n lïi víi ®éng n¨ng E A trong kho¶ng (0; E A, max ) lµ b»ng nhau, vµ ®éng n¨ng trung b×nh cña c¸c h¹t nh©n lïi thu ®−îc trong mçi sù kiÖn t¸n x¹ sÏ cã gi¸ trÞ b»ng: (1 - 4) H¹t nh©n cµng nhÑ th× phÇn ®éng n¨ng mµ nã thu ®−îc trong mçi sù kiÖn t¸n x¹ ®µn håi cña n¬tr«n sÏ cµng lín. Với E n0 và ϕ xác định, năng lượng của hạt nhân lùi sẽ lớn nhất khi nơtron tương tác với vật chất có trọng lượng nguyên tử nhỏ nhất, nghĩa là với hiđro. Trong trường hợp đó, năng lượng của proton lùi E p = E n0. Đây là cơ chế chủ yếu làm giảm năng lượng nơtron nhanh và được dùng khá nhiều để ghi nhận nơtron nhanh bằng cách ghi nhận các vết của hạt nhân lùi trong các dụng cụ ghi vết.
Loại tán xạ này cũng được sử dụng để ghi các hạt nhân lùi bằng phương pháp ion hóa. Tán xạ không đàn hồi. Khi tương tác với hạt nhân, các nơtron nhanh có thể bị tán xạ không đàn hồi. Trong tán xạ không đàn hồi, một phần năng lượng của nơtron tiêu tốn để kích thích hạt nhân:[5,7] A A (1 - 5) X + n → Z X * + n' Z ( ) trong đó: Z – nguyên tử số của nguyên tố.
Tán xạ không đàn hồi là một loại tương tác có ngưỡng. Để xảy ra tán xạ không đàn hồi, năng lượng của nơtron phải lớn hơn năng lượng của mức kích thích đầu tiên của hạt nhân. Năng lượng kích thích này phụ thuộc vào số khối 11 của hạt nhân (giảm từ một vài MeV xuống dưới 100KeV theo chiều tăng của số khối A). Khi hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản sẽ phát ra các lượng tử gamma.[8,9] Tiết diện hiệu dụng của tán xạ không đàn hồi chỉ lớn hơn 0 khi năng lượng của nơtron E n không nhỏ hơn một giá trị năng lượng ngưỡng Eng nào đó.
Giá trị của năng lượng ngưỡng được cho bởi công thức sau: A+1 E ng =. W1 (1 - 6) A trong đó: W 1 – năng lượng của mức kích thích đầu tiên của hạt nhân. Sự làm chậm nơtron. Nơtron sinh ra do các phản ứng khác nhau thường có năng lượng rất lớn so với năng lượng chuyển động nhiệt của môi trường.
Vì vậy, khi nơtron va chạm với các hạt nhân nguyên tử của môi trường, chúng bị mất dần năng lượng và chuyển động chậm dần. Quá trình này được gọi là quá trình làm chậm và là một quá trình quan trọng trong vật lý và kỹ thuật hạt nhân. Trong môi trường hạt nhân nặng, các nơtron nhanh được làm chậm chủ yếu do va chạm không đàn hồi với hạt nhân của môi trường tới khi năng năng lượng còn khoảng 0,1 ÷ 0,4 MeV. Đối với hạt nhân nặng, hiệu ứng làm chậm do tán xạ đàn hồi là không đáng kể vì trong hiệu ứng này các nơtron nhanh chỉ truyền một phần nhỏ năng lượng cho hạt nhân.
Trong môi trường hạt nhân nhẹ, các nơtron được làm chậm rất nhanh do va chạm đàn hồi với các hạt nhân nguyên tử của môi trường. Sau một số lần va chạm, các nơtron nhanh truyền hầu hết năng lượng của mình và đạt tới năng lượng của nơtron nhiệt, tiếp đó nó có thể tham gia các phản ứng hạt nhân hoặc bị hấp thụ.[7] Cần chú ý rằng sự làm chậm nơtron trong môi trường có chất hấp thụ nơtron và không có chất hấp thụ nơtron xảy ra khác nhau. Khi môi trường có 12 chất hấp thụ nơtron thì mật độ nơtron giảm dần, nơtron trong vùng năng lượng cộng hưởng bị hấp thụ cộng hưởng có thể làm ảnh hưởng đáng kể đến hiệu ứng làm chậm. Tóm lại, chúng ta cần chú ý tới hai điểm của sự làm chậm nơtron trong vùng năng lượng thấp và cao như sau: [8] 1.
Trong trường hợp chung, nơtron có thể bị làm chậm theo cả hai cơ chế: tán xạ đàn hồi và tán xạ đàn hồi. Tán xạ không đàn hồi chỉ có thể xảy ra khi động năng của nơtron lớn hơn năng lượng của mức kích thích thứ nhất của hạt nhân tán xạ. Đối với hạt nhân nhẹ, mức kích thích này thường cao vài MeV trong khi năng lượng phân hạch trung bình khoảng 2MeV đối với hạt nhân nhẹ[8], do đó hiệu ứng tán xạ không đàn hồi không cần phải quan tâm. Đối với hạt nhân nặng, do mức kích thích thứ nhất chỉ khoảng vài trăm KeV nên xác suất tán xạ không đàn hồi là rất lớn.
Tuy nhiên, hiệu ứng này cũng chỉ đóng vai trò chủ yếu trong một vài va chạm đầu tiên, đến khi năng lượng của nơtron không còn đủ để kích thích hạt nhân, quá trình tán xạ đàn hồi sẽ thay thế tán xạ không đàn hồi. Khi năng lượng của nơtron giảm xuống chỉ còn bằng năng lượng của liên kết hóa học trong nguyên tử (cỡ 1eV) thì tốc độ làm chậm và phân bố góc tán xạ thay đổi. Nguyên nhân chủ yếu của hiện tượng này chủ yếu là do sự tăng khối lượng hiệu dụng của hạt nhân va chạm với nơtron. Đối với nguyên tử hiđro, mặc dù năng lượng liên kết của nguyên tử hiđro trong phân tử xấp xỉ 1eV (ví dụ nước), việc tách hiđro ra khỏi phân tử không thể xảy ra với nơtron có động năng 1eV, mà chỉ có thể tăng mức dao động của hiđro trong phân tử.
Với năng lượng E n < 1eV, nơtron tán xạ đàn hồi trên phân tử chứa hiđro giống như hạt nhân nặng. Như vậy, độ hụt khối của nơtron và proton là gấp đôi. Điều này dẫn đến sự thay đổi tiết diện tán xạ, nghĩa là tổn hao năng lượng do va chạm và góc 13 tán xạ thay đổi.