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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 5.710 6 oxit Am +Be 239 PuBe Hợp kim Pu+Be 5.210 6 226 RaBe Hỗn hợp nén cơ 4.010 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga Khi hạt nhân hấp thụ nơtron nhiệt (năng lượng 0.