Nghiên cứu một số đặc trưng và ứng dụng của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hus nghiên cứu một số đặc trưng và ứng dụng của nguồn nơtron đồng vị pu be, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện

• Tác giả: Nguyễn Thị Nga
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Đức Khuê
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử hạt nhân và năng lượng cao
• Đề tài: Nghiên cứu một số đặc trưng và ứng dụng của nguồn nơtron đồng vị 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 TƯƠNG TÁC CỦA NƠTRON VỚI VẬT CHẤT
• 1.1. Một số đặc trưng 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. Tương 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
• 2.1. Phương pháp xác định thông lượng nơtron từ nguồn Pu-Be
• 2.2. Phương pháp kích hoạt phóng xạ
• 2.3. Xác định thông lượng nơtron nhiệt và nơtron cộng hưởng
• 2.4. Xác định thông lượng nơtron nhanh
• 2.5. Ghi nhận và phân tích phổ gamma
• 2.6. Xác định hiệu suất ghi của hệ phổ kế gamma HPGe
• 2.7. Một số phép hiệu chỉnh cần thiết
• 2.8. Thí nghiệm nghiên cứu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả đo phân bố của nơtron nhiệt trong chất làm chậm
• 3.2. Kết quả nghiên cứu phản ứng hạt nhân gây bởi nơtron
• 3.3. Kết quả xác định thông lượng nơtron từ nguồn Pu-Be
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về nguồn nơtron đồng vị Pu Be Đặc điểm và ứng dụng

Nguồn nơtron đồng vị Pu-Be là một trong những nguồn nơtron phổ biến trong nghiên cứu và ứng dụng. Nguồn này được tạo ra từ phản ứng hạt nhân giữa Plutonium và Beryllium, mang lại nhiều lợi ích trong các lĩnh vực như y học, vật lý hạt nhân và nghiên cứu vật liệu. Đặc điểm nổi bật của nguồn nơtron Pu-Be là suất lượng nơtron ổn định và khả năng phát nơtron với năng lượng cao, giúp cho việc nghiên cứu và ứng dụng trở nên hiệu quả hơn.

1.1. Đặc trưng của nguồn nơtron đồng vị Pu Be

Nguồn nơtron Pu-Be có đặc trưng nổi bật về suất lượng phát nơtron, phổ năng lượng và thời gian sống của đồng vị. Năng lượng nơtron trung bình khoảng 4.5 MeV, với suất lượng phát nơtron đạt khoảng 10^6 n/s. Điều này giúp nguồn nơtron Pu-Be trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng trong nghiên cứu hạt nhân.

1.2. Các loại nguồn nơtron đồng vị phổ biến

Ngoài nguồn nơtron Pu-Be, còn có nhiều loại nguồn nơtron đồng vị khác như Am-Be, Ra-Be. Mỗi loại nguồn có những đặc điểm riêng biệt, phù hợp với các ứng dụng khác nhau trong nghiên cứu và công nghiệp. Việc hiểu rõ về các loại nguồn này giúp tối ưu hóa việc sử dụng trong thực tiễn.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu nguồn nơtron Pu Be

Mặc dù nguồn nơtron Pu-Be mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số thách thức trong việc nghiên cứu và ứng dụng. Các vấn đề như an toàn phóng xạ, chi phí bảo trì và hiệu suất phát nơtron cần được xem xét kỹ lưỡng. Việc giải quyết những thách thức này là cần thiết để tối ưu hóa việc sử dụng nguồn nơtron trong các lĩnh vực khác nhau.

2.1. An toàn phóng xạ trong sử dụng nguồn nơtron

An toàn phóng xạ là một trong những vấn đề quan trọng khi sử dụng nguồn nơtron Pu-Be. Cần có các biện pháp bảo vệ và quy trình an toàn để đảm bảo không gây hại cho người sử dụng và môi trường xung quanh. Việc tuân thủ các quy định về an toàn phóng xạ là rất cần thiết.

2.2. Chi phí và hiệu suất phát nơtron

Chi phí bảo trì và hiệu suất phát nơtron cũng là những yếu tố cần được xem xét. Việc tối ưu hóa chi phí trong quá trình vận hành và bảo trì nguồn nơtron sẽ giúp nâng cao hiệu quả sử dụng và giảm thiểu rủi ro trong nghiên cứu.

III. Phương pháp nghiên cứu nguồn nơtron đồng vị Pu Be hiệu quả

Để nghiên cứu nguồn nơtron Pu-Be một cách hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp khoa học hiện đại. Các phương pháp như kích hoạt phóng xạ, ghi nhận phổ gamma và phân tích số liệu là những công cụ quan trọng trong việc xác định thông lượng nơtron và các đặc trưng khác của nguồn nơtron.

3.1. Phương pháp kích hoạt phóng xạ

Phương pháp kích hoạt phóng xạ là một trong những kỹ thuật chính để xác định thông lượng nơtron từ nguồn Pu-Be. Kỹ thuật này cho phép ghi nhận các phản ứng hạt nhân xảy ra khi nơtron tương tác với các mẫu vật liệu, từ đó xác định được thông lượng nơtron một cách chính xác.

3.2. Ghi nhận phổ gamma và phân tích số liệu

Ghi nhận phổ gamma từ các mẫu sau khi kích hoạt là bước quan trọng trong nghiên cứu. Sử dụng hệ phổ kế gamma HPGe giúp phân tích các bức xạ gamma phát ra, từ đó rút ra các thông tin cần thiết về nguồn nơtron và các phản ứng hạt nhân liên quan.

IV. Ứng dụng thực tiễn của nguồn nơtron đồng vị Pu Be

Nguồn nơtron Pu-Be được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y học, nghiên cứu vật liệu và kiểm tra chất lượng. Việc sử dụng nguồn nơtron trong y học giúp cải thiện các phương pháp điều trị và chẩn đoán bệnh. Trong nghiên cứu vật liệu, nguồn nơtron hỗ trợ phân tích cấu trúc và tính chất của vật liệu.

4.1. Ứng dụng trong y học

Trong y học, nguồn nơtron Pu-Be được sử dụng trong các phương pháp điều trị ung thư và chẩn đoán hình ảnh. Năng lượng nơtron giúp tiêu diệt tế bào ung thư một cách hiệu quả, đồng thời giảm thiểu tác động đến các tế bào khỏe mạnh.

4.2. Ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu

Nguồn nơtron cũng được sử dụng trong nghiên cứu vật liệu để phân tích cấu trúc và tính chất của các vật liệu mới. Việc sử dụng nơtron giúp hiểu rõ hơn về các quá trình vật lý và hóa học diễn ra trong vật liệu, từ đó phát triển các ứng dụng công nghệ mới.

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

Nghiên cứu nguồn nơtron đồng vị Pu-Be không chỉ mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn mà còn mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới. Tương lai của nguồn nơtron Pu-Be hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển với các công nghệ mới, giúp nâng cao hiệu quả và an toàn trong sử dụng.

5.1. Tương lai của nguồn nơtron trong nghiên cứu

Tương lai của nguồn nơtron Pu-Be sẽ được định hình bởi sự phát triển của công nghệ và các phương pháp nghiên cứu mới. Việc cải tiến các thiết bị và kỹ thuật sẽ giúp nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn nơtron trong nghiên cứu và ứng dụng.

5.2. Định hướng nghiên cứu tiếp theo

Định hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa các phương pháp sử dụng nguồn nơtron, đồng thời nghiên cứu các ứng dụng mới trong các lĩnh vực khác nhau. Việc phát triển các nguồn nơtron mới và cải tiến nguồn hiện tại sẽ là mục tiêu quan trọng trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nghiên cứu về bức xạ nơtron và các nguồn phát nơtron đồng vị đóng vai trò then chốt trong vật lý hạt nhân thực nghiệm, y học phóng xạ và kiểm tra cấu trúc vật liệu không phá hủy. Nguồn nơtron đồng vị Plutoni-Beryli (Pu-Be) là một trong những nguồn phóng xạ tiêu chuẩn được ứng dụng rộng rãi nhờ tính ổn định cao, kích thước gọn nhẹ với đường kính khoảng 2,6 cm, chiều cao 3,0 cm và suất lượng phát xạ đạt khoảng 10^6 đến 10^7 nơtron/giây. Năng lượng trung bình của nơtron phát ra đạt xấp xỉ 4,5 MeV và dải năng lượng cực đại có thể lên tới 10,5 MeV. Tuy nhiên, phổ nơtron phát ra từ phản ứng hạt nhân trong nguồn là phổ liên tục, chứa chủ yếu các nơtron nhanh, trong khi phần lớn các ứng dụng phân tích kích hoạt hạt nhân lại đòi hỏi thông lượng nơtron nhiệt ở dải năng lượng thấp khoảng 0,025 eV.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn là khảo sát các đặc trưng vật lý của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be, xác định chính xác thông lượng nơtron ở các vùng năng lượng khác nhau và tối ưu hóa quá trình nhiệt hóa nơtron thông qua các môi trường chất làm chậm giàu hydro. Mục tiêu cụ thể là khảo sát quy luật phân bố thông lượng nơtron nhiệt theo bề dày của hai loại vật liệu làm chậm phổ biến là paraffin và thủy tinh hữu cơ (polymethyl methacrylate), đồng thời kiểm chứng khả năng kích hoạt phản ứng hạt nhân trên các bia kim loại mỏng.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn từ năm 2011 đến năm 2014 tại Trung tâm Vật lý Hạt nhân, Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc nâng cao hiệu suất nhiệt hóa nơtron lên 1,4 lần (tăng khoảng 40%) đối với paraffin tại bề dày tối ưu 2,0 cm, cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác cho các nghiên cứu trắc lượng bức xạ và kỹ thuật phân tích kích hoạt nơtron tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng hệ thống lý thuyết tương tác nơtron với vật chất và động học phân rã phóng xạ, tập trung vào hai khung lý thuyết cốt lõi:

Thứ nhất là lý thuyết phản ứng hạt nhân nguồn đồng vị loại (alpha, n) và cơ chế nhiệt hóa nơtron. Nguồn Pu-Be tạo ra nơtron thông qua phản ứng giữa hạt alpha phát ra từ đồng vị Plutoni-239 (chu kỳ bán rã 24.110 năm, năng lượng hạt alpha khoảng 5,15 MeV) bắn phá hạt nhân bia Beryli-9, tạo thành Cacbon-12 ở trạng thái kích thích kèm theo một nơtron và giải phóng năng lượng xấp xỉ 5,71 MeV. Quá trình làm chậm nơtron nhanh về vùng nhiệt được mô tả qua lý thuyết tán xạ đàn hồi với độ giảm năng lượng loga trung bình, năng suất làm chậm vĩ mô (MSDP) và tỷ số làm chậm (MR). Các chất giàu nguyên tử hydro nhẹ mang lại hiệu suất trao đổi động năng cao nhất sau mỗi lần va chạm.

Thứ hai là lý thuyết kích hoạt nơtron và phương trình tích phân hoạt độ phóng xạ. Khi hạt nhân bia hấp thụ một nơtron nhiệt, phản ứng bắt bức xạ (n, gamma) diễn ra tạo thành hạt nhân hợp phần phóng xạ. Tốc độ biến đổi số lượng hạt nhân phóng xạ được xác định thông qua phương trình vi phân cân bằng giữa tốc độ tạo thành và tốc độ phân rã tự nhiên.

Các khái niệm chính được chuẩn hóa trong nghiên cứu bao gồm: tiết diện bắt nơtron nhiệt (đo bằng đơn vị barn, với 1 barn = 10^-24 cm^2), tích phân cộng hưởng (I), tỷ số Cadmi (CR) nhằm phân tách phần đóng góp của nơtron nhiệt và nơtron trên nhiệt, và hiệu suất ghi quang điện tuyệt đối của đầu dò bán dẫn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ các phép đo chiếu xạ kích hoạt trực tiếp trên hệ phổ kế gamma độ phân giải cao. Mẫu nghiên cứu gồm 4 loại lá kim loại mỏng có độ tinh khiết cao: Indium (In, độ tinh khiết 99,96%, kích thước 20x20 mm, dày 0,1 mm), Vàng (Au, độ tinh khiết 99,99%, đường kính 12,0 mm, dày 0,05 mm), Vonfram (W, độ tinh khiết 99,95%) và Đồng (Cu, độ tinh khiết 99,9%).

Phương pháp chọn mẫu có chủ đích dạng lá kim loại siêu mỏng (bề dày dưới 0,1 mm) được lựa chọn nhằm giảm thiểu tối đa hiện tượng tự che chắn nơtron nhiệt và hiện tượng tự hấp thụ bức xạ gamma bên trong cấu trúc mẫu. Phương pháp phân tích kích hoạt nơtron kết hợp đo phổ gamma bằng đầu dò bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết (HPGe model GEM20P4-70 của hãng ORTEC, đường kính tinh thể 59,2 mm, bề dày 30 mm, độ phân giải năng lượng đạt 1,8 keV tại đỉnh 1332,2 keV của đồng vị Coban-60) được ưu tiên sử dụng. Lý do lựa chọn hệ phổ kế HPGe là nhờ khả năng phân giải năng lượng vượt trội, cho phép tách biệt rõ ràng các đỉnh năng lượng gamma kế cận nhau trên nền tán xạ Compton.

Quá trình phân tích số liệu phổ gamma sử dụng phần mềm chuyên dụng GammaVision và MAESTRO với thuật toán làm khớp phi tuyến hàm Gauss kết hợp hàm mũ hiệu chỉnh đuôi pic. Toàn bộ chuỗi thí nghiệm được tiến hành với thời gian chiếu xạ dao động linh hoạt từ 5 giờ (đối với mẫu Indium) đến 115 giờ (đối với mẫu Vàng) và 121,5 giờ (đối với mẫu Vonfram), sau đó thực hiện đo phổ và hiệu chỉnh các sai số hình học, thời gian chết, hiện tượng cộng đỉnh phân rã thác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phát hiện thứ nhất: Phân bố thông lượng nơtron nhiệt phụ thuộc phi tuyến vào bề dày của môi trường làm chậm. Dữ liệu thực nghiệm xác định rằng thông lượng nơtron nhiệt đạt giá trị cực đại khi bề dày chất làm chậm đạt chính xác khoảng 2,0 cm. Khi sử dụng paraffin, thông lượng nơtron nhiệt tăng gấp 1,4 lần (tương đương mức tăng 40%) so với khi không có chất làm chậm. Đối với thủy tinh hữu cơ, giá trị cực đại đạt mức tăng 1,3 lần (tăng 30%). Khi vượt quá bề dày 2,0 cm, thông lượng nơtron nhiệt suy giảm dần do quá trình hấp thụ nơtron trong môi trường chiếm ưu thế so với quá trình tán xạ làm chậm.

Phát hiện thứ hai: Xác thực đồng thời hai kênh phản ứng hạt nhân trên bia Indium tự nhiên. Phổ gamma ghi nhận rõ ràng phản ứng bắt nơtron nhiệt In-115(n, gamma)In-116m có chu kỳ bán rã 54,29 phút với các đỉnh năng lượng gamma đặc trưng tại 416,9 keV, 1097,3 keV và 1293,6 keV, đồng thời ghi nhận phản ứng nơtron nhanh In-115(n, n')In-115m có năng lượng ngưỡng 0,5 MeV, chu kỳ bán rã 4,486 giờ và đỉnh gamma tại 336,2 keV.

Phát hiện thứ ba: Khảo sát phản ứng hạt nhân trên bia Vàng và đo chu kỳ bán rã đồng vị Au-198. Phản ứng Au-197(n, gamma)Au-198 phát ra bức xạ gamma đơn năng mạnh tại 411,8 keV. Phép đo động học phân rã theo thời gian thực đã xác định chu kỳ bán rã của Au-198 đạt 2,70 ngày, hoàn toàn trùng khớp với giá trị lý thuyết chuẩn quốc tế là 2,695 ngày với độ lệch tương đối dưới 0,4%. Đồng thời, phản ứng nơtron nhanh năng lượng cao Au-197(n, 2n)Au-196 có năng lượng ngưỡng 8,1 MeV cũng được nhận diện thông qua đỉnh gamma 355,7 keV.

Phát hiện thứ tư: Nhận diện thành công các sản phẩm kích hoạt trên bia Vonfram và bia Đồng trong trường nơtron nhiệt hóa tối ưu. Đồng vị W-187 (tạo thành từ phản ứng bắt nơtron trên W-186 có độ giàu tự nhiên 28,6%) được nhận diện qua hai đỉnh gamma tại 479,5 keV và 685,8 keV với chu kỳ bán rã 24,0 giờ. Đối với bia Đồng, phản ứng Cu-63(n, gamma)Cu-64 (độ giàu tự nhiên 69,15%) được xác nhận qua đỉnh hủy hạt bức xạ 511,0 keV và đỉnh gamma 1345,8 keV với chu kỳ bán rã 12,7 giờ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp paraffin thể hiện hiệu suất nhiệt hóa vượt trội hơn thủy tinh hữu cơ khoảng 7,7% xuất phát từ cấu trúc hóa học. Paraffin (C30H62) sở hữu mật độ nguyên tử hydro cao hơn trên một đơn vị thể tích so với polymethyl methacrylate, giúp tăng năng suất làm chậm vĩ mô và giảm quãng đường tự do trung bình của nơtron nhanh trong quá trình tán xạ đàn hồi.

Khi so sánh với các nghiên cứu quốc tế về nguồn nơtron đồng vị Americi-Beryli (Am-Be) và Californi-252 (Cf-252), nguồn Pu-Be thể hiện ưu điểm vượt trội về độ ổn định thông lượng theo thời gian nhờ chu kỳ bán rã của Pu-239 lên tới 24.110 năm, trong khi Cf-252 bị suy giảm nhanh chóng sau chu kỳ 2,645 năm.

Dữ liệu phân bố nơtron nhiệt trong luận văn được mô hình hóa tối ưu thông qua các biểu đồ hàm đa thức khớp bậc cao, thể hiện rõ mối tương quan giữa bề dày chất làm chậm (trục hoành từ 0 đến 8 cm) và mật độ thông lượng nơtron tương đối (trục tung). Phổ gamma năng lượng được trực quan hóa trên các biểu đồ đa kênh với các đỉnh hấp thụ toàn phần nhọn, tỷ số đỉnh trên phông cao, phản ánh độ chính xác và độ tin cậy tuyệt đối của hệ đo lường HPGe.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuẩn hóa thiết kế hình học khối làm chậm nơtron. Các cơ sở nghiên cứu và phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân cần gia công khối làm chậm paraffin dạng hình trụ hoặc bán cầu với bề dày thành đạt chuẩn 2,0 cm đến 2,2 cm bao quanh nguồn Pu-Be. Giải pháp này giúp tối đa hóa thông lượng nơtron nhiệt tăng thêm 40%, hoàn thành lắp đặt và chuẩn hóa trong thời gian 3 đến 6 tháng tới.

Thứ hai, áp dụng kỹ thuật lá bọc Cadmi để phân tách trường nơtron. Các kỹ sư trắc lượng bức xạ nên sử dụng các lá chắn Cadmi có bề dày tiêu chuẩn từ 0,5 mm đến 1,0 mm trong các phép đo kích hoạt. Việc xác định chính xác tỷ số Cadmi (CR) sẽ giúp triệt tiêu hoàn toàn thành phần nơtron nhiệt dưới ngưỡng 0,5 eV, đưa sai số xác định thông lượng nơtron cộng hưởng về dưới 5% trong giai đoạn 2024 - 2025.

Thứ ba, nâng cấp thuật toán hiệu chỉnh phổ gamma tự động. Cán bộ phân tích phổ tại các trung tâm đo lường hạt nhân cần tích hợp các mô-đun phần mềm tính toán tự động hệ số tự hấp thụ tia gamma (Fg), hệ số tự chắn nơtron nhiệt (Gth) và hiệu ứng cộng đỉnh phân rã thác cho các mẫu phân tích có bề dày lớn hơn 0,1 mm, hoàn thành cập nhật quy trình trong vòng 6 tháng.

Thứ tư, mở rộng ứng dụng phân tích kích hoạt nơtron hiện trường (NAA). Các viện nghiên cứu địa chất và khoáng sản nên tận dụng tính cơ động của nguồn Pu-Be kết hợp đầu dò bán dẫn xách tay để triển khai phân tích định lượng hàm lượng vết của các kim loại quý và đất hiếm (như Vàng, Vonfram, Đồng) trong mẫu quặng địa chất với giới hạn phát hiện dưới 50 ppm trong kế hoạch 12 tháng tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Vật lý hạt nhân, Vật lý năng lượng cao: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết chuẩn xác và phương pháp thực nghiệm bài bản về kỹ thuật phân tích kích hoạt nơtron (NAA), quy trình xây dựng đường cong hiệu suất đầu dò bán dẫn HPGe và xử lý phổ bức xạ phức tạp.

Kỹ sư an toàn bức xạ và cán bộ quản lý nguồn phóng xạ: Luận văn cung cấp số liệu chi tiết về đặc trưng phát xạ nơtron và phổ gamma đi kèm của nguồn Pu-Be, phục vụ trực tiếp cho công tác tính toán che chắn an toàn, thiết kế cấu trúc làm chậm và đánh giá liều bức xạ môi trường.

Chuyên viên phân tích tại các phòng thí nghiệm kiểm định vật liệu và địa chất: Nắm bắt quy trình thực nghiệm kích hoạt không phá hủy trên các bia kim loại mỏng (In, Au, W, Cu), từ đó xây dựng các phép thử định tính và định lượng thành phần nguyên tố trong mẫu vật liệu công nghiệp.

Giảng viên đại học và nghiên cứu viên tại các viện nghiên cứu chuyên ngành: Sử dụng làm tài liệu tham khảo giảng dạy trong các học phần thực hành vật lý hạt nhân thực nghiệm, kỹ thuật ghi nhận bức xạ và phân tích dữ liệu hạt nhân đa kênh.

Câu hỏi thường gặp

Nguồn nơtron đồng vị Pu-Be có ưu điểm gì nổi bật so với lò phản ứng hạt nhân và máy gia tốc? Nguồn Pu-Be có kích thước nhỏ gọn khoảng 2,6 cm x 3,0 cm, chi phí vận hành thấp, không đòi hỏi hệ thống làm mát phức tạp và cung cấp thông lượng phát xạ cực kỳ ổn định nhờ chu kỳ bán rã của Pu-239 lên tới 24.110 năm, rất thuận tiện cho các ứng dụng đo đạc hiện trường.

Tại sao paraffin lại có khả năng làm chậm nơtron tốt hơn thủy tinh hữu cơ? Paraffin (C30H62) có tỷ lệ mật độ nguyên tử hydro trên thể tích cao hơn so với thủy tinh hữu cơ. Do khối lượng của hạt nhân hydro (proton) xấp xỉ bằng khối lượng của nơtron, quá trình va chạm đàn hồi trực diện trong paraffin giúp nơtron mất năng lượng nhanh nhất sau số lần va chạm ít nhất.

Bề dày tối ưu của lớp làm chậm để thu được thông lượng nơtron nhiệt cực đại là bao nhiêu? Kết quả đo đạc thực nghiệm trên cả paraffin và thủy tinh hữu cơ đều khẳng định bề dày tối ưu là 2,0 cm. Tại vị trí này, thông lượng nơtron nhiệt tăng từ 30% đến 40% so với khi không có chất làm chậm trước khi suy giảm do hiện tượng hấp thụ.

Phương pháp tỷ số Cadmi (Cadmium Ratio) được sử dụng nhằm mục đích gì? Lá kim loại Cadmi dày khoảng 0,51 mm có khả năng hấp thụ gần như 100% nơtron nhiệt có năng lượng dưới 0,5 eV nhưng cho nơtron trên nhiệt (cộng hưởng) đi qua. Việc so sánh hoạt độ phóng xạ của mẫu khi không bọc và có bọc Cadmi giúp tách biệt chính xác hai thành phần thông lượng này.

Làm thế nào để hạn chế sai số tự hấp thụ tia gamma khi đo phổ các mẫu kim loại? Nghiên cứu áp dụng phương pháp chế tạo mẫu kim loại ở dạng lá siêu mỏng (từ 0,05 mm đến 0,1 mm) kết hợp sử dụng công thức giải tích hiệu chỉnh hệ số suy giảm tuyến tính Fg, đảm bảo sai số tự hấp thụ gamma trong mẫu được kiểm soát ở mức tối thiểu.

Kết luận

Nghiên cứu đã thực hiện các đóng góp khoa học và thực tiễn quan trọng:

• Xác định toàn diện các đặc trưng vật lý và thông lượng nơtron phát ra từ nguồn đồng vị Pu-Be tại Trung tâm Vật lý Hạt nhân với suất lượng đạt khoảng 10^6 nơtron/giây.
• Thiết lập quy luật phân bố không gian của nơtron nhiệt trong hai môi trường làm chậm phổ biến, chỉ ra bề dày tối ưu 2,0 cm giúp gia tăng thông lượng nơtron nhiệt lên 1,4 lần đối với paraffin và 1,3 lần đối với thủy tinh hữu cơ.
• Đoán nhận và xác thực thành công các phản ứng hạt nhân nơtron nhiệt và nơtron nhanh trên 4 bia kim loại tiêu chuẩn gồm Indium, Vàng, Vonfram và Đồng.
• Đo đạc chính xác chu kỳ bán rã của đồng vị Au-198 đạt 2,70 ngày bằng hệ phổ kế HPGe với độ sai lệch so với chuẩn quốc tế dưới 0,4%.
• Xây dựng hoàn chỉnh quy trình thực nghiệm phân tích kích hoạt nơtron kết hợp các thuật toán hiệu chỉnh sai số tự che chắn, tự hấp thụ và cộng đỉnh phân rã thác.

Trong giai đoạn 12 tháng tiếp theo, các đơn vị nghiên cứu cần tiếp tục ứng dụng bộ thông số này để mở rộng phân tích các nguyên tố đất hiếm và khoáng sản phức tạp. Hãy liên hệ với các trung tâm nghiên cứu hạt nhân chuyên ngành để tiếp cận quy trình chuẩn hóa và khai thác hiệu quả nguồn nơtron đồng vị trong phân tích thực nghiệm.

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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga Khi hạt nhân hấp thụ nơtron nhiệt (năng lượng 0.