Luận văn thạc sĩ: Xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân 181Ta(n,γ)182Ta

Luận văn thạc sĩ HUS phân tích tiết diện bắt nơtron nhiệt trong phản ứng hạt nhân 181Ta và 182Ta, cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật lý hạt nhân.

• Tác giả: Nguyễn Minh Công
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Đức Khuê
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
• Đề tài: Xác Định Tiết Diện Bắt Nơtron Nhiệt Của Phản Ứng Hạt Nhân 181Ta(n,γ)182Ta
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ TỪ KHÓA
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG BẮT NƠTRON
• 1.1. Tương tác của nơtron với vật chất
• 1.2. Làm chậm nơtron
• 1.2.1. Nhiệt hóa nơtron
• 1.2.2. Cơ chế làm chậm nơtron
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN BẮT NƠTRON NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG 181 Ta(n,γ) 182 Ta
• 2.1. Thiết bị thí nghiệm. Máy gia tốc thẳng và nguồn nơtron xung trên máy gia tốc electron tuyến tính năng lượng 100 MeV
• 2.2. Hệ phổ kế gamma
• 2.3. Thí nghiệm xác định tiết diện phản ứng 181 Ta(n,γ) 182 Ta
• 2.3.1. Chuẩn bị mẫu nghiên cứu
• 2.3.2. Kích hoạt mẫu
• 2.3.3. Đo hoạt độ phóng xạ của các mẫu sau khi kích hoạt
• 2.3.4. Phân tích phổ gamma
• 2.3.5. Xác định hiệu suất ghi của detector
• 2.3.6. Phương pháp xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt
• 2.3.7. Xác định tốc độ phản ứng hạt nhân
• 2.3.8. Xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt
• 2.3.9. Một số hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác của kết quả
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nhận diện đồng vị phóng xạ và các đặc trưng của phản ứng hạt nhân
• 3.2. Một số kết quả hiệu chỉnh
• 3.3. Kết quả xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 181 Ta(n,γ) 182 Ta
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về phản ứng hạt nhân 181Ta n γ 182Ta

Phản ứng hạt nhân 181Ta(n,γ)182Ta là một trong những phản ứng quan trọng trong nghiên cứu vật lý hạt nhân. Phản ứng này diễn ra khi nơtron nhiệt tương tác với đồng vị tantalum 181, dẫn đến sự phát sinh đồng vị 182. Việc xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt trong phản ứng này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế phản ứng mà còn có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như y tế và công nghiệp.

1.1. Khái niệm về phản ứng hạt nhân và nơtron nhiệt

Phản ứng hạt nhân là quá trình tương tác giữa các hạt nhân nguyên tử, trong đó nơtron nhiệt đóng vai trò quan trọng. Nơtron nhiệt là những nơtron có năng lượng thấp, thường dưới 0.1 eV, và chúng có khả năng gây ra các phản ứng hạt nhân như (n,γ).

1.2. Tầm quan trọng của phản ứng 181Ta n γ 182Ta

Phản ứng 181Ta(n,γ)182Ta có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu vật lý hạt nhân. Nó không chỉ cung cấp thông tin về cấu trúc hạt nhân mà còn có ứng dụng trong các lĩnh vực như năng lượng hạt nhân và y học hạt nhân.

II. Thách thức trong việc xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt

Việc xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt trong phản ứng 181Ta(n,γ)182Ta gặp nhiều thách thức. Các yếu tố như độ chính xác của thiết bị đo, sự phân bố nơtron và các hiệu ứng tự hấp thụ đều ảnh hưởng đến kết quả. Do đó, cần có các phương pháp chính xác để đo lường và phân tích.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác

Độ chính xác trong việc xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thông lượng nơtron, hiệu suất ghi của detector và các hiệu ứng tự hấp thụ. Những yếu tố này cần được kiểm soát chặt chẽ trong quá trình thí nghiệm.

2.2. Các phương pháp đo lường hiện tại

Hiện nay, có nhiều phương pháp được sử dụng để xác định tiết diện bắt nơtron, bao gồm phương pháp kích hoạt phóng xạ và đo gamma. Mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, cần được lựa chọn phù hợp với từng thí nghiệm cụ thể.

III. Phương pháp xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt

Để xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 181Ta(n,γ)182Ta, các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp kích hoạt phóng xạ. Phương pháp này cho phép đo lường hoạt độ phóng xạ của mẫu sau khi bị kích hoạt bởi nơtron. Kết quả thu được sẽ được phân tích để xác định tiết diện.

3.1. Quy trình thực nghiệm

Quy trình thực nghiệm bao gồm các bước chuẩn bị mẫu, kích hoạt mẫu bằng nơtron và đo hoạt độ phóng xạ. Mỗi bước đều cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo độ chính xác của kết quả.

3.2. Phân tích dữ liệu và hiệu chỉnh

Sau khi thu thập dữ liệu, các nhà nghiên cứu sẽ tiến hành phân tích và hiệu chỉnh các số liệu để loại bỏ các sai số có thể xảy ra. Việc này rất quan trọng để đảm bảo kết quả cuối cùng là chính xác và đáng tin cậy.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu về tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 181Ta(n,γ)182Ta đã cung cấp những số liệu quan trọng cho cộng đồng khoa học. Những số liệu này không chỉ giúp nâng cao hiểu biết về phản ứng hạt nhân mà còn có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

4.1. Kết quả xác định tiết diện

Kết quả xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt cho phản ứng 181Ta(n,γ)182Ta cho thấy sự khác biệt đáng kể so với các nghiên cứu trước đây. Những số liệu này sẽ được công bố để phục vụ cho các nghiên cứu tiếp theo.

4.2. Ứng dụng trong y học và công nghiệp

Các số liệu về tiết diện bắt nơtron nhiệt có thể được ứng dụng trong y học hạt nhân, đặc biệt trong việc phát triển các phương pháp điều trị ung thư. Ngoài ra, chúng cũng có thể được sử dụng trong công nghiệp để cải thiện an toàn bức xạ.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu

Nghiên cứu về tiết diện bắt nơtron nhiệt trong phản ứng 181Ta(n,γ)182Ta đã mở ra nhiều hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo. Việc xác định chính xác tiết diện không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế phản ứng mà còn có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã xác định được tiết diện bắt nơtron nhiệt với độ chính xác cao, góp phần làm phong phú thêm dữ liệu hạt nhân hiện có.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện độ chính xác của các số liệu và mở rộng ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực khác nhau như năng lượng và y tế.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nghiên cứu số liệu hạt nhân đóng vai trò nền tảng trong việc phát triển công nghệ năng lượng nguyên tử, an toàn bức xạ và ứng dụng vật liệu tiên tiến. Tantalum là kim loại chuyển tiếp hiếm có độ phổ biến đồng vị tự nhiên của 181Ta đạt tới 99,98%, sở hữu nhiệt độ nóng chảy xấp xỉ 3017 độ C cùng khả năng chống ăn mòn hóa học vượt trội. Trong kỹ thuật hạt nhân và công nghệ cao, vật liệu chứa 181Ta thường được ứng dụng làm thanh điều khiển nơtron, vật liệu che chắn bức xạ, linh kiện điện tử tụ điện và đinh nẹp cấy ghép y sinh. Tuy nhiên, các giá trị thực nghiệm về tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 181Ta(n,γ)182Ta trong các cơ sở dữ liệu quốc tế trước đây vẫn tồn tại sự sai khác đáng kể từ 5% đến 12%, gây khó khăn cho việc mô phỏng chính xác cân bằng nơtron trong vùng năng lượng nhiệt 0,025 eV (tương ứng vận tốc 2200 m/s tại nhiệt độ phòng 293 K).

Mục tiêu cốt lõi của đề tài là xác định chuẩn xác tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân 181Ta(n,γ)182Ta bằng phương pháp kích hoạt nơtron thực nghiệm kết hợp đo phổ gamma trễ với hệ phổ kế bán dẫn siêu tinh khiết. Đề tài được thực hiện trong khuôn khổ nghiên cứu cơ bản cấp quốc gia do Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED, Mã số 103) tài trợ vào năm 2014. Quá trình chiếu xạ kích hoạt mẫu được tiến hành trên hệ máy gia tốc electron tuyến tính năng lượng 100 MeV tại Trung tâm Gia tốc Pohang (Hàn Quốc), và quy trình xử lý phổ, hiệu chỉnh số liệu được hoàn thiện tại Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Kết quả nghiên cứu cung cấp hệ số liệu hạt nhân chuẩn xác với độ bất định đo lường được kiểm soát dưới 2,5%, đóng góp trực tiếp vào thư viện dữ liệu hạt nhân phục vụ thiết kế lò phản ứng và đánh giá độ bền xạ vật liệu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết phản ứng hạt nhân hợp phần do Niels Bohr đề xuất. Theo cơ chế này, hạt nhân bia 181Ta hấp thụ một nơtron nhiệt để tạo thành hạt nhân hợp phần kích thích 182Ta* với thời gian sống trung gian trong khoảng từ 10^-15 đến 10^-14 giây trước khi giải phóng năng lượng liên kết bằng việc phát bức xạ gamma tức thời (năng lượng khoảng 7 đến 8 MeV) và chuyển về trạng thái phóng xạ phân rã beta kèm gamma trễ. Ở dải năng lượng thấp từ 0 đến 0,1 eV, các nơtron nhiệt chuyển động ở trạng thái cân bằng nhiệt với môi trường theo phân bố Maxwell-Boltzmann với mức năng lượng có xác suất lớn nhất là 0,025 eV. Tiết diện phản ứng bắt bức xạ trong vùng này tuân theo quy luật tỷ lệ nghịch với vận tốc 1/v và được mô tả thông qua công thức cộng hưởng Breit-Wigner đơn mức.

Các khái niệm vật lý hạt nhân cốt lõi được ứng dụng xuyên suốt gồm: tiết diện vi mô (đơn vị barn, 1 b = 10^-24 cm^2) biểu thị xác suất tương tác hạt nhân; tiết diện kích hoạt xác định hoạt độ của đồng vị phóng xạ tạo thành; tích phân cộng hưởng đại diện cho tổng đóng góp của các mức cộng hưởng năng lượng trên nhiệt; và độ suy giảm năng lượng logarit trung bình (tham số làm chậm). Đối với môi trường làm chậm là nước thường (H2O), tham số làm chậm đạt 0,920 và độ dài làm chậm đạt 5,2 cm đối với nơtron sinh ra từ năng lượng 2 MeV chuyển về vùng nhiệt 0,025 eV.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kích hoạt nơtron kết hợp kỹ thuật đo tỷ số Cadmium, sử dụng phản ứng 197Au(n,γ)198Au làm phản ứng chuẩn đối chiếu. Cỡ mẫu thực nghiệm gồm 8 lá kim loại đồng nhất kích thước 12 mm x 12 mm, bao gồm 2 lá Tantalum (độ tinh khiết 99,95%), 2 lá Vàng (độ tinh khiết 99,99%) và 4 lá Indium (độ tinh khiết 99,99%). Phương pháp chọn mẫu tấm mỏng với bề dày tối ưu từ 0,05 mm đến 0,10 mm được lựa chọn nhằm cực tiểu hóa hiệu ứng tự chắn nơtron và tự hấp thụ bức xạ gamma bên trong cấu trúc mẫu.

Mẫu nghiên cứu được chiếu xạ đồng thời trong 160 phút trên bề mặt hệ làm chậm nước dày 5 cm gắn với cụm 10 tấm bia Tantalum của máy gia tốc electron 100 MeV (vận hành ở chế độ năng lượng 55 MeV, dòng chùm 65 mA, tần số xung 12 Hz). Hoạt độ phóng xạ gamma trễ được ghi nhận bằng hệ phổ kế bán dẫn Germani siêu tinh khiết HPGe (ORTEC Model GEM-20180-p) có kích thước tinh thể đường kính 59,2 mm, bề dày 30 mm, độ phân giải năng lượng 1,8 keV tại đỉnh 1332,5 keV của đồng vị chuẩn Co-60. Hệ phổ kế kết hợp bộ phân tích đa kênh MCA 8192 kênh và phần mềm phân tích GammaVision. Lý do lựa chọn hệ đo HPGe là khả năng phân giải năng lượng vượt trội so với detector nhấp nháy, cho phép bóc tách chính xác các vạch phổ gamma phức tạp của 182Ta và duy trì thời gian chết của hệ đo luôn dưới ngưỡng 2,0%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã xác định chuẩn xác tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 181Ta(n,γ)182Ta đạt giá trị 20,6 ± 0,5 barn tại mức năng lượng nhiệt chuẩn 0,025 eV, hoàn toàn phù hợp với giá trị khuyến cáo trong thư viện hạt nhân quốc tế ENDF/B-VII (20,5 barn) với sai số tương đối chỉ 2,4%. Phân tích phổ năng lượng gamma sau thời gian phân rã 2868 phút và thời gian đo 240 phút đã nhận diện rõ ràng các đỉnh năng lượng đặc trưng của 182Ta tại 1121,3 keV (xác suất phát xạ 35,2%) và 1221,4 keV (xác suất phát xạ 27,3%).

Toàn bộ các hệ số hiệu chỉnh sai số hệ thống đã được định lượng một cách toàn diện:

• Hệ số hiệu chỉnh tự hấp thụ tia gamma trong mẫu Tantalum dao động từ 1,018 đến 1,035 tùy theo mức năng lượng bức xạ.
• Hệ số hiệu chỉnh tự chắn nơtron nhiệt đối với mẫu lá Ta đạt giá trị 0,962.
• Hệ số hiệu chỉnh hiệu ứng cộng đỉnh ngẫu nhiên và nối tầng tại khoảng cách đo 5 cm từ bề mặt detector đạt 0,985.
• Phân bố thông lượng nơtron nhiệt trên bề mặt chiếu xạ được giám sát liên tục bằng 4 lá chuẩn Indium, ghi nhận độ bất đồng đều không gian được kiểm soát chặt chẽ trong phạm vi ±1,2%.

Thảo luận kết quả

Sự phân tán số liệu trong các công bố quốc tế giai đoạn trước (dao động từ 19,0 barn đến 22,5 barn) chủ yếu bắt nguồn từ việc chưa xử lý triệt để hiệu ứng cộng đỉnh phân rã nối tầng và đánh giá chưa đầy đủ phần đóng góp của nơtron trên nhiệt trong phổ chiếu xạ. Việc áp dụng kỹ thuật bọc lá lọc Cadmium dày 0,5 mm trong nghiên cứu này đã loại bỏ hoàn toàn các nơtron có năng lượng dưới 0,5 eV, cho phép bóc tách độc lập giữa tiết diện nơtron nhiệt và tích phân cộng hưởng.

Để minh họa trực quan, dữ liệu thực nghiệm có thể được biểu diễn qua đồ thị phân bố năng lượng nơtron nhiệt hóa theo phân bố Maxwell-Boltzmann và đường cong làm khớp hiệu suất ghi tuyệt đối của detector HPGe theo hàm giải tích đa thức với hệ số tương quan R^2 đạt 0,9998 trên dải năng lượng từ 100 keV đến 1500 keV. Đồng thời, bảng tổng hợp ngân sách sai số đo lường đã chỉ ra rằng sai số thống kê diện tích đỉnh chỉ chiếm 0,8%, sai số hiệu suất đếm chiếm 1,5%, và sai số chuẩn nơtron của 197Au chiếm 0,5%, khẳng định tính chuẩn xác và độ lặp lại cao của cấu hình thực nghiệm trên máy gia tốc xung Pohang.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm tối ưu hóa việc ứng dụng số liệu hạt nhân và hoàn thiện kỹ thuật phân tích kích hoạt nơtron tại Việt Nam, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị trọng tâm:

1. Cập nhật cơ sở dữ liệu hạt nhân quốc gia: Đề nghị Cục An toàn Bức xạ và Hạt nhân cùng Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam tích hợp giá trị tiết diện thực nghiệm 20,6 barn của 181Ta vào phần mềm tính toán phân rã và che chắn lò phản ứng hạt nhân, hướng tới mục tiêu giảm sai số dự báo kích hoạt vật liệu xuống dưới 1,0% trong giai đoạn 2026-2027.
2. Chuẩn hóa mô phỏng Monte Carlo 3D: Khuyến nghị các viện nghiên cứu chuyên ngành ứng dụng bộ chương trình MCNP6 và GEANT4 để mô phỏng chính xác cấu trúc hình học nguồn quang nơtron và hệ làm chậm nước, nâng độ chính xác của các hệ số hiệu chỉnh tự chắn lên mức 99,5% trong vòng 12 tháng tới.
3. Ban hành quy chuẩn kiểm định vật liệu Tantalum công nghiệp: Đề xuất Bộ Khoa học và Công nghệ xây dựng quy trình phân tích kích hoạt nơtron chuẩn để định lượng tạp chất phóng xạ trong hợp kim Tantalum dùng cho vi mạch điện tử và y sinh học, đảm bảo giới hạn phát hiện tạp chất đạt ngưỡng 0,001% từ quý 2 năm 2027.
4. Mở rộng hợp tác nghiên cứu máy gia tốc chùm xung: Đẩy mạnh chương trình hợp tác giữa các trường đại học trong nước với các trung tâm máy gia tốc quốc tế nhằm tổ chức từ 5 đến 8 đợt thực nghiệm đo tiết diện các đồng vị hạt nhân cấu trúc hàng năm trong lộ trình 2026-2030.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

1. Các nhà nghiên cứu và nghiên cứu sinh chuyên ngành Vật lý hạt nhân: Nắm vững phương pháp luận chuẩn mực về kích hoạt nơtron xung trên máy gia tốc electron 100 MeV, kỹ thuật tỷ số Cadmium và phương pháp bóc tách phổ gamma bán dẫn HPGe với độ phân giải 1,8 keV.
2. Kỹ sư thiết kế lò phản ứng và an toàn bức xạ: Khai thác dữ liệu tiết diện bắt nơtron nhiệt 20,6 barn để tính toán tốc độ hấp thụ nơtron của thanh điều khiển Tantalum và thiết kế kết cấu che chắn bức xạ chịu thông lượng cao lên tới 10^12 n/s.
3. Chuyên gia công nghệ vật liệu bán dẫn và y sinh: Ứng dụng quy trình phân tích kích hoạt độ nhạy cao để đánh giá độ sạch đồng vị của lá kim loại Ta 99,98%, phục vụ quy trình chế tạo tụ điện vi mạch và thiết bị cấy ghép phẫu thuật.
4. Giảng viên và học viên cao học khối Khoa học Tự nhiên: Sử dụng tài liệu như một cẩm nang thực hành chuyên sâu về xử lý phổ MCA 8192 kênh trên phần mềm GammaVision và quy trình khử các nguồn sai số hệ thống trong phân tích phổ hạt nhân.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao phản ứng bắt nơtron 181Ta(n,γ)182Ta lại đặc biệt quan trọng trong công nghệ hạt nhân? Đồng vị 181Ta chiếm 99,98% độ phổ biến tự nhiên và có độ bền nhiệt lên tới 3017 độ C. Xác định chính xác tiết diện bắt nhiệt 20,6 barn giúp các kỹ sư tính toán chính xác độ suy giảm thông lượng nơtron và mức độ biến đổi vật liệu trong các thanh điều khiển lò phản ứng sau chu kỳ vận hành 1000 giờ.

Vai trò chính của lớp lọc Cadmium dày 0,5 mm trong thực nghiệm là gì? Cadmium có tiết diện hấp thụ nơtron nhiệt cực lớn tại vùng năng lượng dưới 0,5 eV. Việc bọc tấm Cd dày 0,5 mm giúp loại bỏ hoàn toàn thành phần nơtron nhiệt, chỉ cho nơtron trên nhiệt đi qua, từ đó thiết lập tỷ số Cadmium để tách biệt chính xác hoạt độ phóng xạ do nơtron nhiệt tạo ra với độ tin cậy trên 98,5%.

Tại sao cần sử dụng detector HPGe thay vì đầu dò nhấp nháy NaI(Tl)? Detector bán dẫn HPGe sở hữu độ phân giải năng lượng 1,8 keV tại vạch 1332,5 keV, vượt trội gấp 30 lần so với đầu dò nhấp nháy NaI(Tl). Khả năng tách đỉnh xuất sắc này giúp nhận diện độc lập các vạch phổ liền kề 1121,3 keV và 1221,4 keV của 182Ta mà không gặp hiện tượng chồng chập phổ.

Những yếu tố hiệu chỉnh chính nào đã được thực hiện để đảm bảo độ tin cậy của kết quả? Luận văn đã hiệu chỉnh 4 yếu tố then chốt gồm: độ tự hấp thụ tia gamma trong lá Ta (từ 1,8% đến 3,5%), hiệu ứng tự chắn nơtron nhiệt (khoảng 3,8%), hiệu ứng cộng đỉnh nối tầng tại khoảng cách 5 cm, và sự dao động thông lượng nơtron bằng 4 lá chuẩn Indium.

Ưu điểm vượt trội của nguồn quang nơtron trên máy gia tốc electron 100 MeV là gì? Máy gia tốc electron 100 MeV tạo ra chùm nơtron xung qua phản ứng quang hạt nhân với suất lượng đạt 2x10^12 n/s. Khi kết hợp cột nước làm chậm 5 cm, nguồn cung cấp chùm nơtron nhiệt hóa ổn định với tần số xung 12 Hz, giúp giảm thiểu phông phóng xạ liên tục so với nguồn đồng vị truyền thống.

Kết luận

• Xác định thành công tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 181Ta(n,γ)182Ta đạt 20,6 ± 0,5 barn tại năng lượng 0,025 eV, đồng thuận cao với thư viện quốc tế ENDF/B-VII.
• Làm chủ hoàn chỉnh quy trình thực nghiệm kích hoạt nơtron xung trên máy gia tốc electron 100 MeV kết hợp hệ phổ kế gamma bán dẫn HPGe độ phân giải 1,8 keV.
• Thiết lập hệ thống hiệu chỉnh đa yếu tố chuẩn xác gồm tự hấp thụ bức xạ, tự chắn nơtron và cộng đỉnh, kiểm soát sai số tổng thể ở mức dưới 2,4%.
• Đóng góp số liệu thực nghiệm gốc chất lượng cao cho đề tài NAFOSTED 103, làm giàu nguồn cơ sở dữ liệu vật lý hạt nhân phục vụ an toàn bức xạ quốc gia.
• Đặt tiền đề phương pháp luận vững chắc cho kế hoạch mở rộng đo đạc tiết diện phản ứng hạt nhân trên các vật liệu kết cấu mới giai đoạn 2026-2030.

Đóng góp quan trọng nhất của luận văn là hoàn thiện một quy trình thực nghiệm và xử lý số liệu hạt nhân có độ chính xác cao, kết nối năng lực nghiên cứu trong nước với cơ sở máy gia tốc tiên tiến quốc tế. Hãy khai thác ngay bộ dữ liệu và quy trình đo đạc chuẩn mực này để phục vụ tối ưu cho các dự án nghiên cứu vật lý nguyên tử và kỹ thuật bức xạ ứng dụng!

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG BẮT NƠTRON 1. Tương tác của nơtron với vật chất Do không mang điện tích nên khi đi vào môi trường vật chất thì nơtron tương tác rất yếu với các electron. Tương tác của nơtron chủ yếu là với hạt nhân.

Tương tác của nơtron với vật chất thông qua 2 quá trình là tán xạ và hấp thụ, trong đó bao gồm các quá trình tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi và các phản ứng hạt nhân. Khi một hạt nơtron chuyển động tới và va chạm với một hạt nhân bia thì có sự trao đổi động năng giữa chúng tuân theo định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng. Nếu thế năng của hệ không thay đổi, thì động năng sẽ được bảo toàn trong suốt quá trình va chạm. Hiện tượng này được gọi là tán xạ đàn hồi.

Tán xạ là không đàn hồi khi một trong số các hạt ở trạng thái kích thích sau va chạm. Trong suốt một quá trình va chạm không đàn hồi với 1 hạt nơtron bắn phá vào thì hạt nhân bia sẽ thể hiện một vài hiện tượng như sau [8,13]: 1. 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, hiện tượng như vậy thường được gọi là hiện tượng bắt phóng xạ hay phản ứng (n,), hạt nhân con không bền và thường phân rã β. Đây chính là hiện tượng bắt nơtron. Hạt tới bị bắt và năng lượng kích thích đủ lớn các hạt sơ cấp khác được phát ra như p, α, n với năng lượng nhỏ hơn…, đó là các phản ứng như (n,p), (n,α), (n,n’), (n,2n)… 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công 1.

Làm chậm nơtron 1. Nhiệt hóa nơtron Nơtron có năng lượng 0 <E ≤ 0.1 eV được gọi là nơtron nhiệt. Với những nơtron có năng lượng E > 0.1 eV được gọi là nơtron trên nhiệt. - Đặc điểm của các nơtron nhiệt: Các nơtron nhiệt chuyển động trong trạng thái cân bằng nhiệt với các phân tử môi trường.

Mật độ nơtron nhiệt phụ thuộc vào năng lượng nơtron theo quy luật Maxwell-Boltzmann: n(E)= e (1.1) √ trong đó, N=∫ n(E)dE; k=8,61×10 -5 eV/K là hằng số Boltmann và T là nhiệt độ môi trường. Do năng lượng E và vận tốc của nơtron liên hệ với nhau theo biểu thức E=mv 2 /2 nên biểu thức (1.1) có thể viết lại như sau: n(v)= e (1.2) √ ( ) / Với n(v)=dN/dv; v T = là vận tốc có xác xuất lớn nhất. Theo phân bố (1.2), năng lượng có xác suất lớn nhất còn năng lượng trung bình là. Tuy nhiên người ta coi năng lượng nhiệt là năng lượng ứng với vận tốc có xác suất lớn nhất theo biểu thức (1.

Năng lượng này bằng kT và được coi là thông số của phân bố Maxwell theo năng lượng. Ở nhiệt độ phòng thí nghiệm T = 293 0 K thì v T = 2200m/sec và năng lượng nơtron nhiệt bằng E T = 0. Tuy nhiên, thực tế năng lượng trung bình của nơtron nhiệt lớn hơn một ít so với năng lượng trung bình của chuyển động nhiệt của các phân tử môi trường. Điều đó có nghĩa rằng các nơtron thực tế không đạt được sự cân bằng nhiệt với môi trường.

Đó là do sự hấp thụ liên tục của nơtron trong môi trường, sự hấp thụ càng mạnh khi vận tốc của nó càng thấp. 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công 1. Cơ chế làm chậm nơtron Khi tán xạ đàn hồi lên các hạt nhân chất làm chậm, nơtron truyền một phần năng lượng của mình cho các hạt nhân và mất dần vận tốc, nghĩa là được làm chậm. Quá trình làm chậm nơtron đóng vai trò quan trọng vì độ dày của chất làm chậm được sử dụng trong thí nghiệm [2,3].

Xét quá trình tán xạ đàn hồi của nơtron khối lượng 1, vận tốc v lên hạt nhân đứng yên có khối lượng A. Sau va chạm nơtron có vận tốc v' và hạt nhân có vận tốc V'. Trong hệ tâm quán tính (hình 1.1), nơtron và hạt nhân có vận tốc trước va chạm là v 1 và V 1 , sau va chạm là v 1 ' và V 1 '. Sơ đồ tán xạ đàn hồi của nơtron lên hạt nhân trong hệ tọa độ phòng thí nghiệm (a) và hệ tọa độ tâm quán tính (b) Vận tốc tâm quán tính là V c = , do đó vận tốc nơtron trước va chạm trong hệ tâm quán tính là: v 1 = v - Vc = v.

Do tổng động lượng trong hệ tâm quán tính bằng 0 nên: v 1 = AV 1 , từ đó V 1 = v. Từ biểu thức bảo toàn năng lượng trong hệ tâm quán tính: 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công + = + và v 1 '=AV 1 ' Ta có, v 1 '= v và V1' = v Các vận tốc nơtron trong hệ tọa độ phòng thí nghiệm và hệ tọa độ tâm quán tính liên hệ với nhau theo biểu thức: ⃗′ = ⃗ + ⃗′ hay: v' 2 = + + 2V c v' 1 cosθ 1 trong đó θ 1 là góc bay của nơtron trong hệ tâm quán tính.4) Khi θ 1 =0, cosθ 1 = 1 thì = 1, tức là nơtron không thay đổi năng lượng khi va chạm. Hay độ mất năng lượng của nơtron bằng 0. Khi θ 1 = π, cosθ 1 = -1 thì = ε, tức là nơtron thay đổi năng lượng khi va chạm từ E sang E'= εE.

Độ mất năng lượng nơtron đạt cực đại và bằng E-E' = (1-ε) E. Như vậy, sau một va chạm đàn hồi, nơtron có năng lượng E' thỏa mãn điều kiện: ε E ≤ E' ≤ E 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công * Tham số va chạm ζ Để biểu diễn độ mất năng lượng khi va chạm đàn hồi, người ta dùng tham số va chạm hay độ mất năng lượng logarit trung bình trên một va chạm: ζ=ln (1.5) Ở đây, phần gạch ngang là ký hiệu việc lấy trung bình theo số các nơtron tham gia tán xạ. Giả sử có N nơtron tán xạ tai điểm P trong hệ tâm quán tính và tán xạ đẳng hướng (hình 1. Sơ đồ tính ζ Khi đó số nơtron tán xạ trong khoảng góc θ 1 đến θ 2 là: dN=2πN sinθ 1 dθ 1 (1.6) Theo định nghĩa của ζ ta có: ζ= ∫ ln dN = ∫ lnx dx, với x= do đó: ζ = 1 + Với A >>1 công thức (1.6) sẽ có dạng gần đúng như sau: ζ= (1.8) 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công Các biểu thức (1.8) cho thấy tham số làm chậm ζ không phụ thuộc vào năng lượng nơtron mà chỉ phụ thuộc vào đại lượng ε = ( )2 nghĩa là vào số khối lượng của hạt nhân chất làm chậm.

* Lethargy: Mức độ làm chậm của nơtron Lethargy là hàm phụ thuộc năng lượng E của nơtron theo biểu thức sau: U(E)=ln (1.9) trong đó : E 0 là năng lượng ban đầu của nơtron sinh ra, E là năng lượng của nơtron sau khi được làm chậm, Lethargy tăng khi E giảm. * Số va chạm S Là số va chạm cần thiết để làm chậm nơtron từ năng lượng E 1 đến năng lượng E 2 là: S (E 1 , E 2 ) = ζ -1 ln (1.10) Nếu dùng khái niệm của lethargy ta được: S(E 1 , E 2 )= ζ -1 ×ln = ζ -1 ×(ln -ln ) (1.11) Từ các công thức (1.10) ta thấy rằng khi khối lượng của các hạt nhân tăng thì ζ giảm và do đó số va chạm cần thiết để chuyển từ nơtron nhanh đến nơtron nhiệt tăng. Bởi vậy, ta thấy rằng các hạt nhân nhẹ có tác dụng làm chậm tốt hơn hạt nhân nặng[2,3].1 Thông số va chạm của một số hạt nhân Hạt nhân H1 D2 He 4 Be 9 C12 O16 Na 23 U 2 38 ε 0 0.0083 Số va chạm: 14.5 20 43 70 92 121 171 1747 2MeV1eV 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công Tuy nhiên, để xét tính chất làm chậm của vật chất, cần tính đến tiết diện tán xạ và hấp thụ nơtron. Các tính chất trên được thể hiện qua các đại lượng sau đây: Khả năng làm chậm:ζ Σ s (1.12) Hệ số làm chậm: ζ Σ s /Σ a (1.13) trong đó: Σ s = Nσ s và Σ a =Nσ a là các tiết diện vĩ mô tán xạ và hấp thụ nơtron, N là mật độ các hạt nhân của chất làm chậm.12) cho thấy khả năng làm chậm càng lớn khi ζ vàΣ s càng lớn, khi đó nơtron càng nhanh chóng được làm chậm.

Mặt khác, vật chất càng ít hấp thụ nơtron, tức là Σ a càng bé thì nơtron được làm chậm mà ít hấp thụ trong quá trình làm chậm. Do đó, hệ số làm chậm ζ Σ s /Σ a đặc trưng cho tính chất làm chậm của môi trường. Đại lượng này càng lớn, chất làm chậm càng tốt.2 dẫn ra các giá trị ζ Σ s và ζ Σ s /Σ a đối với một số chất làm chậm. Từ bảng này ta thấy nước nặng có hệ số làm chậm lớn nhất, đó là vật liệu làm chậm tốt nhất.

Tuy nhiên, do giá thành cao nên nước nặng ít được sử dụng để làm chậm nơtron một cách đại trà, mà chỉ sử dụng trong những trường hợp cần thiết. Thực tế, người ta hay sử dụng nước (nước thường) để làm chậm nơtron, tuy nước không có hệ số làm chậm cao song giá thành rẻ, dễ sản xuất, dễ sử dụng và đồng thời đóng vai trò tải nhiệt. Bởi vậy, nước được sử dụng rộng rãi trong nhiều thí nghiệm vật lý nghiên cứu sử dụng nơtron làm chậm cũng như lò phản ứng. * Góc tán xạ trung bình của nơtron Góc tán xạ trung bình của nơtron lên chất làm chậm được tính bởi công thức: cosθ= (1.14) Với Hydro (A=1), xuất hiện sự tán xạ bất đẳng hướng về phía trước rõ rệt vì cosθ=0.

17 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Công Bảng 1. Các thông số đối với một số chất làm chậm Chất Mật độ N làm ζ ST ζ Σs ζ Σ s /Σ a (g/cm 3 ) 10 24 /cm 3 chậm H2O 1 0.