Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của khoa học và kỹ thuật hạt nhân, việc nghiên cứu các phản ứng hạt nhân, đặc biệt là phản ứng bắt bức xạ nơtron, đóng vai trò then chốt trong nhiều lĩnh vực ứng dụng như y tế, công nghiệp, nông nghiệp và môi trường. Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt, với công suất 500 kW, là một trong những cơ sở nghiên cứu trọng điểm tại Việt Nam, cung cấp nguồn nơtron nhiệt và trên nhiệt chất lượng cao phục vụ cho các thí nghiệm vật lý hạt nhân thực nghiệm.

Luận văn tập trung nghiên cứu xác định tiết diện phản ứng bắt bức xạ nơtron nhiệt và tích phân cộng hưởng của phản ứng hạt nhân 186W(n,γ)187W, cùng với cường độ các tia gamma tức thời phát ra từ phản ứng này. Đây là những thông số quan trọng, có ý nghĩa thiết thực trong việc thiết kế, mô phỏng và đánh giá các thiết bị hạt nhân, cũng như trong các ứng dụng vật lý thiên văn và vật lý hạt nhân thực nghiệm.

Mục tiêu nghiên cứu là áp dụng phương pháp kích hoạt nơtron kết hợp đo phổ gamma tức thời bằng detector HPGe tại kênh ngang số 2 của lò phản ứng Đà Lạt để thu thập số liệu chính xác về tiết diện phản ứng và cường độ gamma. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mẫu tungsten tinh khiết 99,8% với kích thước chuẩn, trong điều kiện chiếu nơtron nhiệt và trên nhiệt, thời gian chiếu mẫu từ 1200 đến 3600 giây. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần hoàn thiện cơ sở dữ liệu hạt nhân trong nước mà còn nâng cao năng lực thực hành và xử lý số liệu trong lĩnh vực vật lý nguyên tử và hạt nhân.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên cơ sở lý thuyết phản ứng bắt bức xạ nơtron (n,γ), trong đó hạt nhân bia 186W hấp thụ một nơtron nhiệt hoặc trên nhiệt tạo thành hạt nhân 187W ở trạng thái kích thích, phát ra các tia gamma tức thời khi phân rã về trạng thái cơ bản. Phản ứng này chủ yếu diễn ra theo cơ chế hạt nhân hợp phần với thời gian sống trạng thái kích thích khoảng 10^-14 giây.

Ba miền phổ năng lượng nơtron được phân biệt rõ: nơtron nhiệt (0 - 0,5 eV), nơtron trên nhiệt (0,5 eV - 100 keV) và nơtron nhanh (> 100 keV). Tiết diện phản ứng bắt nơtron phụ thuộc mạnh vào năng lượng nơtron, đặc biệt có cấu trúc cộng hưởng trong vùng nơtron trên nhiệt. Đại lượng tích phân cộng hưởng I0 được xác định bằng tích phân tiết diện phản ứng trên phổ năng lượng nơtron, là tham số quan trọng trong mô phỏng và đánh giá phản ứng hạt nhân.

Ngoài ra, các hiệu ứng tương tác của gamma với vật chất như hấp thụ quang điện, tán xạ Compton và tạo cặp được xem xét để hiểu rõ quá trình đo phổ gamma và hiệu suất ghi của detector HPGe. Mô hình tính toán hệ số tự che chắn nơtron nhiệt (Gth) và trên nhiệt (Ge) được áp dụng dựa trên các phương pháp Monte-Carlo và mô hình đường cong khớp thực nghiệm, nhằm hiệu chỉnh chính xác các hiệu ứng tự che chắn trong mẫu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kích hoạt nơtron kết hợp đo phổ gamma tức thời (PGNA) tại kênh ngang số 2 của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Cỡ mẫu gồm các lá tungsten tinh khiết 99,8% kích thước 2 mm x 2 mm, độ dày 0,1 mm, được chiếu nơtron trong thời gian từ 1200 đến 3600 giây, với và không có vỏ bọc Cadmium để phân biệt thành phần nơtron nhiệt và trên nhiệt.

Hệ phổ kế gamma sử dụng detector HPGe siêu tinh khiết với hiệu suất ghi tương đối 72%, độ phân giải năng lượng cao, được chuẩn hóa kỹ lưỡng về năng lượng, độ phân giải và hiệu suất ghi tuyệt đối bằng các nguồn chuẩn như 60Co, 137Cs, 133Ba. Hiệu suất ghi được xác định tại các khoảng cách khác nhau (sát mặt detector, 5 cm, 10 cm) với sai số tương đối dưới 2%.

Phân tích số liệu thực nghiệm dựa trên công thức tính tiết diện bắt bức xạ nơtron so sánh tương đối với chuẩn 197Au(n,γ)198Au, đồng thời tính toán các hệ số hiệu chỉnh tự che chắn nơtron Gth và Ge bằng phần mềm MATSSF và mô phỏng Monte-Carlo MCNP5. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2021-2022, với các bước chuẩn bị mẫu, chiếu nơtron, đo phổ gamma và xử lý số liệu thống kê.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tiết diện bắt bức xạ nơtron nhiệt của 186W(n,γ)187W được xác định là khoảng 38,5 barn với sai số ước tính dưới 5%, nằm trong khoảng giá trị tham khảo quốc tế từ 33 đến 42,8 barn. Kết quả này được đo bằng phương pháp kích hoạt nơtron tại lò phản ứng Đà Lạt, sử dụng chuẩn vàng 197Au với tiết diện 98,65 barn.

  2. Tích phân cộng hưởng I0 của phản ứng được xác định khoảng 420 barn.eV, nằm giữa các giá trị công bố trước đây dao động từ 318 đến 534 barn.eV. Sai số tổng hợp của phép đo tích phân cộng hưởng ước tính dưới 7%, thể hiện độ chính xác cao hơn so với nhiều nghiên cứu trước.

  3. Cường độ các tia gamma tức thời phát ra từ hạt nhân 187W được đo trong dải năng lượng từ 0 đến 8 MeV, với các đỉnh gamma chính tại 478,7 keV có cường độ phát gamma khoảng 21,8%. Các giá trị này phù hợp với dữ liệu tham khảo và cho phép xác định chính xác phổ gamma tức thời phục vụ cho các ứng dụng thực nghiệm.

  4. Hiệu suất ghi của detector HPGe được chuẩn hóa chi tiết, với hiệu suất ghi đạt đỉnh tại năng lượng 276 keV và giảm dần ở vùng năng lượng cao hơn, phù hợp với các hiệu ứng hấp thụ và tán xạ gamma trong vật liệu detector và môi trường. Sai số hiệu suất ghi tại các vị trí đo khác nhau dưới 2%, đảm bảo độ tin cậy cho kết quả đo.

Thảo luận kết quả

Kết quả tiết diện bắt nơtron nhiệt và tích phân cộng hưởng của 186W(n,γ)187W cho thấy sự cải thiện đáng kể về độ chính xác so với các số liệu trước đây, nhờ vào việc sử dụng nguồn nơtron nhiệt chất lượng cao từ lò phản ứng Đà Lạt và hệ phổ kế gamma HPGe hiện đại. Sự khác biệt giữa các kết quả đo trong nước và quốc tế được giải thích bởi các yếu tố như phương pháp đo, hiệu chuẩn detector, và hiệu ứng tự che chắn nơtron trong mẫu.

Việc đo cường độ gamma tức thời cung cấp dữ liệu quan trọng cho việc mô phỏng và đánh giá các quá trình phân rã hạt nhân, đồng thời hỗ trợ phát triển các kỹ thuật đo phổ gamma trong nghiên cứu hạt nhân thực nghiệm. Các biểu đồ phổ gamma và bảng hiệu suất ghi được xây dựng chi tiết giúp minh họa rõ ràng sự phụ thuộc của hiệu suất detector theo năng lượng và khoảng cách, từ đó tối ưu hóa điều kiện đo trong các thí nghiệm tiếp theo.

Kết quả nghiên cứu góp phần hoàn thiện cơ sở dữ liệu hạt nhân cho tungsten, một vật liệu quan trọng trong công nghiệp hạt nhân và vật lý năng lượng cao, đồng thời nâng cao năng lực thực hành và xử lý số liệu trong lĩnh vực vật lý nguyên tử và hạt nhân tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường đầu tư thiết bị đo hiện đại như detector HPGe với hiệu suất cao và hệ thống đo phổ gamma đa kênh để nâng cao độ chính xác và khả năng phân tích phổ gamma tức thời trong các nghiên cứu phản ứng hạt nhân. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; chủ thể: Viện nghiên cứu hạt nhân và các trung tâm vật lý hạt nhân.

  2. Mở rộng nghiên cứu các phản ứng bắt nơtron trên các đồng vị khác của tungsten và các vật liệu cấu trúc tiềm năng nhằm xây dựng cơ sở dữ liệu đầy đủ, phục vụ thiết kế và mô phỏng lò phản ứng nhiệt hạch. Thời gian: 3 năm; chủ thể: các nhóm nghiên cứu vật lý hạt nhân tại các viện và trường đại học.

  3. Phát triển phần mềm mô phỏng Monte-Carlo tích hợp với dữ liệu thực nghiệm để tính toán chính xác các hệ số tự che chắn nơtron và hiệu chỉnh sai số trong các phép đo kích hoạt nơtron. Thời gian: 2 năm; chủ thể: nhóm công nghệ thông tin và vật lý hạt nhân.

  4. Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật đo phổ gamma và xử lý số liệu thống kê cho cán bộ nghiên cứu và sinh viên sau đại học nhằm nâng cao năng lực thực hành và phân tích dữ liệu. Thời gian: hàng năm; chủ thể: Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật lý hạt nhân và nguyên tử: Luận văn cung cấp số liệu thực nghiệm chính xác về phản ứng bắt nơtron và phổ gamma tức thời, hỗ trợ nghiên cứu cơ bản và ứng dụng trong vật lý hạt nhân.

  2. Kỹ sư và chuyên gia trong ngành năng lượng nguyên tử: Dữ liệu tiết diện phản ứng và cường độ gamma giúp thiết kế, mô phỏng và đánh giá hiệu quả, an toàn của các thiết bị hạt nhân, đặc biệt trong lò phản ứng nhiệt hạch.

  3. Giảng viên và sinh viên sau đại học chuyên ngành vật lý nguyên tử và hạt nhân: Nội dung luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp thực nghiệm, xử lý số liệu và chuẩn hóa thiết bị đo phổ gamma.

  4. Chuyên gia phát triển công nghệ đo lường và phân tích phổ gamma: Luận văn trình bày chi tiết quy trình chuẩn hóa detector HPGe và các phương pháp hiệu chỉnh sai số, hỗ trợ phát triển kỹ thuật đo lường hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tiết diện phản ứng bắt nơtron là gì và tại sao quan trọng?
    Tiết diện phản ứng bắt nơtron là xác suất xảy ra phản ứng khi nơtron va chạm với hạt nhân bia, phụ thuộc vào năng lượng nơtron và cấu trúc hạt nhân. Nó là thông số đầu vào thiết yếu trong thiết kế và mô phỏng các thiết bị hạt nhân, giúp đánh giá hiệu quả và an toàn.

  2. Phương pháp kích hoạt nơtron kết hợp đo phổ gamma tức thời có ưu điểm gì?
    Phương pháp này cho phép đo trực tiếp các tia gamma phát ra tức thời trong phản ứng, giúp xác định chính xác tiết diện phản ứng và cường độ gamma với độ nhạy cao, giảm sai số do thời gian sống ngắn của trạng thái kích thích.

  3. Tại sao cần sử dụng vỏ bọc Cadmium trong thí nghiệm?
    Vỏ bọc Cadmium hấp thụ mạnh nơtron nhiệt, giúp phân biệt thành phần nơtron trên nhiệt trong chùm nơtron. Qua đó, có thể xác định riêng biệt thông lượng nơtron nhiệt và trên nhiệt, nâng cao độ chính xác của phép đo.

  4. Hiệu suất ghi của detector HPGe ảnh hưởng thế nào đến kết quả đo?
    Hiệu suất ghi quyết định tỷ lệ tia gamma được detector ghi nhận so với số tia phát ra. Hiệu suất thay đổi theo năng lượng và khoảng cách nguồn-detector, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của hoạt độ và tiết diện phản ứng tính toán.

  5. Sai số trong đo tiết diện phản ứng được kiểm soát như thế nào?
    Sai số được kiểm soát qua chuẩn hóa hệ phổ kế gamma, hiệu chỉnh hiệu ứng tự che chắn nơtron, sử dụng chuẩn vàng 197Au có số liệu tin cậy, và phân tích thống kê kỹ lưỡng. Sai số tổng hợp trong nghiên cứu này được giữ dưới 7%.

Kết luận

  • Đã xác định chính xác tiết diện bắt bức xạ nơtron nhiệt của phản ứng 186W(n,γ)187W khoảng 38,5 barn với sai số dưới 5%.
  • Tích phân cộng hưởng I0 được đo là khoảng 420 barn.eV, cải thiện độ chính xác so với các số liệu trước đây.
  • Cường độ các tia gamma tức thời từ hạt nhân 187W được xác định trong dải năng lượng 0-8 MeV, hỗ trợ các ứng dụng vật lý hạt nhân thực nghiệm.
  • Phương pháp kích hoạt nơtron kết hợp đo phổ gamma tức thời và chuẩn hóa detector HPGe đã được triển khai thành công tại lò phản ứng Đà Lạt.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu, đầu tư thiết bị và đào tạo nhằm nâng cao năng lực nghiên cứu và ứng dụng khoa học hạt nhân trong nước.

Tiếp theo, cần triển khai các nghiên cứu mở rộng trên các đồng vị khác và phát triển phần mềm mô phỏng tích hợp dữ liệu thực nghiệm. Mời các nhà nghiên cứu và chuyên gia liên hệ để hợp tác phát triển và ứng dụng kết quả nghiên cứu.