I. Tổng Quan Về Phản Ứng Bắt Neutron Nhiệt Nghiên Cứu Cơ Bản
Phản ứng hạt nhân, đặc biệt là phản ứng bắt neutron nhiệt, đóng vai trò then chốt trong nghiên cứu hạt nhân. Dù đã có nhiều thập kỷ nghiên cứu, vẫn còn nhiều bí ẩn về cấu trúc hạt nhân và cơ chế phản ứng cần được khám phá. Phản ứng hạt nhân không chỉ quan trọng trong nghiên cứu cơ bản mà còn có ứng dụng rộng rãi trong năng lượng, y tế, công nghiệp và an toàn bức xạ. Đặc trưng của mỗi phản ứng phụ thuộc vào hạt nhân, loại hạt tới và năng lượng của chúng. Trong số các hạt, neutron là một trong những loại bức xạ được sử dụng phổ biến nhất. Các phản ứng điển hình do tương tác của neutron bao gồm (n,α), (n,p), (n,γ),... với xác suất khác nhau tùy thuộc vào năng lượng của neutron tới. Tiết diện phản ứng là một đại lượng quan trọng, đo lường xác suất xảy ra phản ứng hạt nhân.
1.1. Tương Tác Của Neutron Với Vật Chất Cơ Chế Chi Tiết
Do không mang điện tích, neutron tương tác yếu với electron, chủ yếu tương tác với hạt nhân. Tương tác này diễn ra qua hai quá trình chính: tán xạ và hấp thụ. Tán xạ bao gồm tán xạ đàn hồi và không đàn hồi, trong khi hấp thụ dẫn đến các phản ứng hạt nhân. Khi neutron va chạm với hạt nhân bia, động năng được trao đổi tuân theo định luật bảo toàn. Tán xạ đàn hồi bảo toàn động năng, còn tán xạ không đàn hồi làm hạt nhân ở trạng thái kích thích. Theo tài liệu gốc, khi một hạt neutron bắn phá vào hạt nhân bia sẽ thể hiện một vài hiện tượng như sau [8,13]: 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.
1.2. Phản Ứng Bắt Neutron Nhiệt n γ Định Nghĩa và Đặc Điểm
Phản ứng bắt neutron nhiệt, hay (n,γ), là quá trình neutron bị hạt nhân hấp thụ, tạo thành hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích. Hạt nhân này sau đó giải phóng năng lượng bằng cách phát ra bức xạ gamma. Đây là một loại phản ứng hạt nhân quan trọng, đặc biệt trong các lò phản ứng hạt nhân và các ứng dụng liên quan đến vật liệu hấp thụ neutron. Hạt 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.
II. Thách Thức Đo Tiết Diện Bắt Neutron Nhiệt 181Ta n γ 182Ta
Việc xác định chính xác tiết diện bắt neutron nhiệt của phản ứng 181Ta(n,γ)182Ta đối mặt với nhiều thách thức. Các kết quả nghiên cứu trước đây còn có sự sai khác đáng kể, đòi hỏi các phương pháp đo lường và hiệu chỉnh chính xác hơn. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác bao gồm: phân bố thông lượng neutron, hiệu ứng tự hấp thụ tia gamma, hiệu ứng cộng đỉnh và hiệu ứng tự chắn đối với neutron nhiệt. Tantalum (Ta) là nguyên tố kim loại hiếm có mầu xanh xám, dẻo, cứng và khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn cao được sử dụng rộng rãi như một thành phần nhỏ trong hợp kim, các tính trơ về mặt hóa học của Talàm cho nó trở nên có giá trị cho các thiết bị phòng thí nghiệm thay thế cho bạch kim, Ngày nay,Ta cũng được sử dụng trong y tế để làm các đinh, nẹp trong chữa trị các bệnh về xương, Tađược sử dụng để chế tạo các thiết bị điện tử như tụ điện,…
2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Độ Chính Xác Đo Lường
Độ chính xác của phép đo tiết diện bắt neutron bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm: sự không đồng nhất của thông lượng neutron trên mẫu, sự hấp thụ tia gamma trong mẫu, hiệu ứng cộng đỉnh trong detector, và sự tự chắn của neutron trong mẫu. Việc hiệu chỉnh các yếu tố này là rất quan trọng để đạt được kết quả chính xác. Nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả thực nghiệm luận văn đã thực hiện một số hiệu chỉnh các hiệu ứng gây ảnh hưởng tới độ chính xác của kết quả như: phân bố thông lượng nơtron đối với các mẫu kích hoạt, hiệu ứng tự hấp thụ các tia gamma, hiệu ứng cộng đỉnh của các tia phân rã nối tầng, hiệu ứng tự chắn đối với nơtron nhiệt…
2.2. Sai Số Trong Các Nghiên Cứu Trước Đây Phân Tích Chi Tiết
Các nghiên cứu trước đây về tiết diện bắt neutron nhiệt của 181Ta(n,γ)182Ta cho thấy sự khác biệt đáng kể giữa các kết quả. Điều này có thể do sự khác biệt trong phương pháp đo, hiệu chỉnh và nguồn neutron sử dụng. Việc phân tích chi tiết các sai số trong các nghiên cứu này là cần thiết để cải thiện độ chính xác của các phép đo trong tương lai. Cho tới nay đã có một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định tiết diện phản ứng hạt nhân 181 Ta(n,) 182 Ta tuy nhiên các số liệu vẫn còn có sự sai khác đáng kể, việc nghiên cứu về phản ứng này vẫn được tiếp tục bằng nhiều phương pháp khác nhau.
III. Phương Pháp Kích Hoạt Phóng Xạ Đo Tiết Diện 181Ta n γ 182Ta
Luận văn này sử dụng phương pháp kích hoạt phóng xạ để xác định tiết diện bắt neutron nhiệt của phản ứng 181Ta(n,γ)182Ta. Phương pháp này bao gồm việc chiếu xạ mẫu tantalum bằng neutron nhiệt, sau đó đo hoạt độ phóng xạ của đồng vị 182Ta được tạo ra. Tiết diện được xác định thông qua việc đo tỷ số Cadmium và sử dụng phản ứng 197Au(n,γ)198Au làm phản ứng chuẩn. Trong thực nghiệm sử dụng phương pháp kích hoạt phóng xạ, đo gamma trễ với hệ phổ kế gamma bán dẫn HPGe. Tiết diện được xác định thông qua việc đo tỷ số Cadmium và sử dụng phản ứng 197 Au(n,) 198 Au làm phản ứng chuẩn.
3.1. Chiếu Xạ Mẫu Tantalum Bằng Neutron Nhiệt Quy Trình
Mẫu tantalum được chiếu xạ bằng neutron nhiệt trong một thời gian xác định. Thông lượng neutron và thời gian chiếu xạ phải được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo độ chính xác của phép đo. Một số bước trong quy trình thực nghiệm của đề tài nghiên cứu này như kích hoạt mẫu và đo hoạt độ phóng xạ được thực hiện trên máy gia tốc electron tuyến tính tại Trung tâm gia tốc Pohang, POSTECH, Hàn Quốc.
3.2. Đo Hoạt Độ Phóng Xạ Của Đồng Vị 182Ta Sử Dụng Detector HPGe
Sau khi chiếu xạ, hoạt độ phóng xạ của đồng vị 182Ta được đo bằng detector HPGe (Germanium siêu tinh khiết). Detector này có độ phân giải năng lượng cao, cho phép xác định chính xác năng lượng và cường độ của các tia gamma phát ra từ 182Ta. Các số liệu thực nghiệm gốc do đề tài nghiên cứu cơ bản thuộc Quỹ phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED), mã số 103. Việc xử lý số liệu thực nghiệm, tính toán kết quả và các hiệu chính được thực hiện tại Trung tâm Vật lý hạt nhân, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
3.3. Phản Ứng Chuẩn 197Au n γ 198Au Vai Trò và Ứng Dụng
Phản ứng 197Au(n,γ)198Au được sử dụng làm phản ứng chuẩn để xác định thông lượng neutron. Tiết diện của phản ứng này đã được biết đến với độ chính xác cao, cho phép xác định thông lượng neutron một cách chính xác. Nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả thực nghiệm luận văn đã thực hiện một số hiệu chỉnh các hiệu ứng gây ảnh hưởng tới độ chính xác của kết quả như: phân bố thông lượng nơtron đối với các mẫu kích hoạt, hiệu ứng tự hấp thụ các tia gamma, hiệu ứng cộng đỉnh của các tia phân rã nối tầng, hiệu ứng tự chắn đối với nơtron nhiệt…
IV. Hiệu Chỉnh và Phân Tích Nâng Cao Độ Chính Xác Tiết Diện
Để nâng cao độ chính xác của kết quả, luận văn thực hiện một số hiệu chỉnh quan trọng. Các hiệu chỉnh này bao gồm: hiệu chỉnh phân bố thông lượng neutron, hiệu chỉnh hiệu ứng tự hấp thụ tia gamma, hiệu chỉnh hiệu ứng cộng đỉnh và hiệu chỉnh hiệu ứng tự chắn đối với neutron nhiệt. Việc phân tích thống kê cũng được thực hiện để đánh giá độ bất định của kết quả. Nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả thực nghiệm luận văn đã thực hiện một số hiệu chỉnh các hiệu ứng gây ảnh hưởng tới độ chính xác của kết quả như: phân bố thông lượng nơtron đối với các mẫu kích hoạt, hiệu ứng tự hấp thụ các tia gamma, hiệu ứng cộng đỉnh của các tia phân rã nối tầng, hiệu ứng tự chắn đối với nơtron nhiệt…
4.1. Hiệu Chỉnh Phân Bố Thông Lượng Neutron Phương Pháp
Phân bố thông lượng neutron không đồng nhất trên mẫu có thể dẫn đến sai số trong phép đo tiết diện. Để hiệu chỉnh, cần xác định phân bố thông lượng neutron bằng phương pháp mô phỏng hoặc đo thực nghiệm. Nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả thực nghiệm luận văn đã thực hiện một số hiệu chỉnh các hiệu ứng gây ảnh hưởng tới độ chính xác của kết quả như: phân bố thông lượng nơtron đối với các mẫu kích hoạt, hiệu ứng tự hấp thụ các tia gamma, hiệu ứng cộng đỉnh của các tia phân rã nối tầng, hiệu ứng tự chắn đối với nơtron nhiệt…
4.2. Hiệu Chỉnh Hiệu Ứng Tự Hấp Thụ Tia Gamma Tính Toán
Tia gamma phát ra từ 182Ta có thể bị hấp thụ trong mẫu, làm giảm số lượng tia gamma đến detector. Hiệu ứng tự hấp thụ này phụ thuộc vào năng lượng tia gamma và thành phần của mẫu. Cần tính toán và hiệu chỉnh hiệu ứng này để có kết quả chính xác. Nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả thực nghiệm luận văn đã thực hiện một số hiệu chỉnh các hiệu ứng gây ảnh hưởng tới độ chính xác của kết quả như: phân bố thông lượng nơtron đối với các mẫu kích hoạt, hiệu ứng tự hấp thụ các tia gamma, hiệu ứng cộng đỉnh của các tia phân rã nối tầng, hiệu ứng tự chắn đối với nơtron nhiệt…
V. Kết Quả Đo Tiết Diện Bắt Neutron Nhiệt 181Ta n γ 182Ta
Luận văn trình bày kết quả đo tiết diện bắt neutron nhiệt của phản ứng 181Ta(n,γ)182Ta bằng phương pháp kích hoạt phóng xạ. Kết quả này được so sánh với các kết quả nghiên cứu trước đây và các giá trị trong cơ sở dữ liệu hạt nhân. Sự khác biệt giữa các kết quả được thảo luận và giải thích. Bản luận văn với đề tài “Xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân 181 Ta(n,) 182 Ta” nhằm mục đích nghiên cứu một số đặc trưng của phản ứng bắt nơtron và xác định bằng thực nghiệm tiết diện phản ứng bắt nơtron nhiệt 181 Ta(n,) 182 Ta với chùm nơtron xung đã được nhiệt hóa trên máy gia tốc electron tuyến tính.
5.1. So Sánh Với Các Nghiên Cứu Trước Đây Phân Tích
Kết quả đo tiết diện bắt neutron nhiệt được so sánh với các kết quả nghiên cứu trước đây. Sự khác biệt giữa các kết quả được phân tích và giải thích dựa trên sự khác biệt trong phương pháp đo, hiệu chỉnh và nguồn neutron sử dụng. Cho tới nay đã có một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định tiết diện phản ứng hạt nhân 181 Ta(n,) 182 Ta tuy nhiên các số liệu vẫn còn có sự sai khác đáng kể, việc nghiên cứu về phản ứng này vẫn được tiếp tục bằng nhiều phương pháp khác nhau.
5.2. Đánh Giá Độ Bất Định Của Kết Quả Thống Kê
Độ bất định của kết quả đo tiết diện bắt neutron nhiệt được đánh giá bằng phương pháp thống kê. Các nguồn sai số khác nhau được xem xét và kết hợp để xác định độ bất định tổng thể. Nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả thực nghiệm luận văn đã thực hiện một số hiệu chỉnh các hiệu ứng gây ảnh hưởng tới độ chính xác của kết quả như: phân bố thông lượng nơtron đối với các mẫu kích hoạt, hiệu ứng tự hấp thụ các tia gamma, hiệu ứng cộng đỉnh của các tia phân rã nối tầng, hiệu ứng tự chắn đối với nơtron nhiệt…
VI. Ứng Dụng và Tương Lai Nghiên Cứu Tiết Diện Bắt Neutron Nhiệt
Nghiên cứu về tiết diện bắt neutron nhiệt của phản ứng 181Ta(n,γ)182Ta có nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực như: thiết kế lò phản ứng hạt nhân, che chắn an toàn phóng xạ và đánh giá sự phá hủy vật liệu do bức xạ. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc cải thiện độ chính xác của phép đo và mở rộng phạm vi năng lượng neutron. Đặc trưng của mỗi phản ứng phụ thuộc vào từng hạt nhân nguyên tử, vào loại hạt tới và năng lượng của chúng. Các loại hạt/bức xạ quen thuộc như nơtron (n), proton (p), alpha (), gamma (),.Khi tương tác với một hạt nhân có thể diễn ra theo nhiều cơ chế khác nhau phụ thuộc vào năng lượng của chúng và tạo thành những sản phẩm phản ứng khác nhau.
6.1. Ứng Dụng Trong Thiết Kế Lò Phản Ứng Hạt Nhân Vai Trò
Tiết diện bắt neutron nhiệt là một thông số quan trọng trong thiết kế lò phản ứng hạt nhân. Nó ảnh hưởng đến hiệu suất và an toàn của lò phản ứng. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc cải thiện độ chính xác của phép đo và mở rộng phạm vi năng lượng neutron.
6.2. Che Chắn An Toàn Phóng Xạ Sử Dụng Dữ Liệu Tiết Diện
Dữ liệu về tiết diện bắt neutron nhiệt được sử dụng để thiết kế các hệ thống che chắn an toàn phóng xạ. Các hệ thống này giúp bảo vệ con người và môi trường khỏi tác hại của bức xạ. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc cải thiện độ chính xác của phép đo và mở rộng phạm vi năng lượng neutron.
