Xác định Tiết Diện Bắt Nơtron Nhiệt của Phản Ứng Hạt Nhân 181Ta(n,γ)182Ta

• Tác giả: Nguyễn Minh Công
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Đức Khuê
• Trường học: 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 sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

• 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
• 1.3. Hạt nhân hợp phần, hạt nhân kích thích
• 1.3.1. Các cơ chế phản ứng hạt nhân
• 1.4. Phản ứng bắt nơtron nhiệt
• 1.5. Trạng thái kích thích
• 1.6. Tiết diện bắt nơtron nhiệt
• 1.7. Khái quát về tiết diện phản ứng
• 1.8. Các nguồn nơtron chính
• 1.8.1. Nguồn nơtron đồng vị
• 1.8.2. Nguồn nơtron từ lò phản ứng
• 1.8.3. Nguồn nơtron từ máy gia tốc
• 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

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.

Tổng quan nghiên cứu

Phản ứng hạt nhân bắt nơtron nhiệt là một trong những lĩnh vực nghiên cứu trọng điểm trong vật lý hạt nhân, đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng thực tiễn như năng lượng hạt nhân, y tế, công nghiệp và an toàn bức xạ. Tiết diện bắt nơtron nhiệt là đại lượng đặc trưng xác suất xảy ra phản ứng hạt nhân khi nơtron có năng lượng thấp (khoảng 0.025 eV) tương tác với hạt nhân mục tiêu. Việc xác định chính xác tiết diện này giúp nâng cao hiệu quả tính toán trong lò phản ứng, thiết kế vật liệu chịu bức xạ và phát triển các kỹ thuật đo lường hạt nhân.

Luận văn tập trung nghiên cứu phản ứng bắt nơtron nhiệt của đồng vị 181Ta theo phản ứng 181Ta(n,γ)182Ta, sử dụng nguồn nơtron xung được nhiệt hóa trên máy gia tốc electron tuyến tính 100 MeV tại Trung tâm Gia tốc Pohang, Hàn Quốc. Mục tiêu chính là xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng này bằng phương pháp kích hoạt phóng xạ và đo phổ gamma trễ với detector HPGe. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thời gian kích hoạt mẫu 160 phút, thời gian phơi mẫu lên đến vài nghìn phút, đảm bảo độ chính xác cao trong đo đạc.

Việc xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của 181Ta có ý nghĩa quan trọng trong việc bổ sung số liệu hạt nhân, mở rộng hiểu biết về cơ chế phản ứng hạt nhân, đồng thời nâng cao kỹ năng thực nghiệm và phân tích số liệu trong lĩnh vực vật lý nguyên tử. Kết quả nghiên cứu góp phần hoàn thiện cơ sở dữ liệu hạt nhân phục vụ cho các ứng dụng khoa học và công nghiệp liên quan đến tantalum và các vật liệu liên quan.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Cơ chế phản ứng hạt nhân hợp phần: Phản ứng xảy ra qua giai đoạn tạo hạt nhân hợp phần C* ở trạng thái kích thích, sau đó phân rã phát ra các hạt hoặc bức xạ gamma. Thời gian tồn tại của hạt nhân hợp phần dài hơn nhiều so với thời gian đặc trưng của hạt nhân (khoảng 10^-22 s), cho phép phân tích độc lập giữa giai đoạn tạo và phân rã.

• Phân bố Maxwell-Boltzmann của nơtron nhiệt: Nơtron nhiệt có năng lượng phân bố theo quy luật Maxwell-Boltzmann, với vận tốc trung bình khoảng 2200 m/s ở nhiệt độ phòng (293 K), tương ứng năng lượng khoảng 0.025 eV.

• Tiết diện bắt nơtron nhiệt: Được mô tả bằng công thức Breit-Wigner, phụ thuộc vào năng lượng nơtron và các thông số cộng hưởng như năng lượng cộng hưởng, độ rộng mức toàn phần và độ rộng mức riêng phần. Tiết diện phản ứng tỷ lệ nghịch với vận tốc nơtron trong vùng năng lượng thấp.

• Hiệu ứng làm chậm nơtron: Quá trình tán xạ đàn hồi của nơtron trên các hạt nhân chất làm chậm (như nước) làm giảm năng lượng nơtron từ mức cao xuống mức nhiệt, được mô tả qua tham số va chạm ζ và số va chạm cần thiết để làm chậm nơtron.

• Phương pháp kích hoạt phóng xạ: Dựa trên việc kích hoạt mẫu bằng nơtron nhiệt, sau đó đo hoạt độ phóng xạ của các đồng vị sản phẩm bằng phổ gamma để xác định tiết diện phản ứng.

Các khái niệm chính bao gồm: tiết diện vi mô và vĩ mô, phân bố năng lượng nơtron, hiệu suất ghi của detector HPGe, hiệu chỉnh các hiệu ứng tự hấp thụ và cộng đỉnh trong phổ gamma.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Sử dụng nguồn nơtron xung được tạo ra trên máy gia tốc electron tuyến tính 100 MeV tại Trung tâm Gia tốc Pohang, Hàn Quốc. Mẫu nghiên cứu gồm lá kim loại tantalum (Ta), mẫu chuẩn vàng (Au) và mẫu hiệu chuẩn indium (In) với kích thước 12 mm x 12 mm, độ tinh khiết cao.

• Phương pháp phân tích: Phương pháp kích hoạt phóng xạ kết hợp đo phổ gamma trễ bằng detector bán dẫn Germani siêu tinh khiết (HPGe) với độ phân giải năng lượng 1.8 keV tại đỉnh 1332 keV của 60Co. Phân tích phổ gamma sử dụng phần mềm Gamma Vision để xác định diện tích đỉnh phổ, từ đó tính hoạt độ phóng xạ và tiết diện bắt nơtron.

• Timeline nghiên cứu: Thời gian kích hoạt mẫu là 160 phút, thời gian phơi mẫu từ vài trăm đến vài nghìn phút tùy loại mẫu, thời gian đo phổ gamma từ vài phút đến vài giờ nhằm đảm bảo độ chính xác và giảm thiểu sai số thống kê.

• Hiệu chỉnh số liệu: Thực hiện các hiệu chỉnh về phân bố thông lượng nơtron trên mẫu, hiệu ứng tự hấp thụ tia gamma trong mẫu, hiệu ứng cộng đỉnh của các tia phân rã nối tầng, và hiệu ứng tự chắn nơtron nhiệt nhằm nâng cao độ chính xác kết quả.

• Chọn mẫu và bố trí thí nghiệm: Các mẫu Ta, Au và In được đặt xen kẽ trên hệ làm chậm nơtron bằng nước dày 5 cm để đảm bảo nơtron được nhiệt hóa hiệu quả. Mẫu chuẩn Au dùng để chuẩn hóa tiết diện, mẫu In dùng để giám sát thông lượng nơtron.

• Phương pháp chọn mẫu và cỡ mẫu: Sử dụng 2 mẫu Ta, 2 mẫu Au và 4 mẫu In, kích thước đồng nhất, đảm bảo tính đồng nhất và độ tin cậy trong đo đạc.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 181Ta(n,γ)182Ta: Kết quả thực nghiệm cho thấy tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng này đạt khoảng giá trị trong khoảng 20-25 barn, phù hợp với các số liệu tham khảo trong ngành. Sự sai khác giữa các mẫu Ta1 và Ta2 dưới 5%, cho thấy tính ổn định của phương pháp.

2. Ảnh hưởng của hệ làm chậm nước: Phân bố năng lượng nơtron trên bề mặt bia Ta khi làm chậm bằng nước dày 5 cm cho thấy sự dịch chuyển phổ nơtron về vùng năng lượng thấp, tăng mật độ nơtron nhiệt lên khoảng 30% so với không làm chậm. Điều này làm tăng hiệu quả kích hoạt mẫu và độ chính xác của phép đo.

3. Hiệu suất ghi của detector HPGe: Đã xác định hiệu suất ghi đỉnh quang điện tuyệt đối của detector với các nguồn chuẩn gamma, đạt giá trị khoảng 1-2% tại năng lượng 1332 keV, đảm bảo độ nhạy cao trong đo phổ gamma.

4. Hiệu chỉnh các hiệu ứng gây sai số: Sau khi thực hiện các hiệu chỉnh về tự hấp thụ gamma, cộng đỉnh và tự chắn nơtron, sai số tổng thể của kết quả tiết diện giảm xuống dưới 7%, nâng cao độ tin cậy của số liệu.

Thảo luận kết quả

Kết quả tiết diện bắt nơtron nhiệt của 181Ta(n,γ)182Ta thu được phù hợp với các nghiên cứu trước đây, tuy có sự khác biệt nhỏ do phương pháp và điều kiện thí nghiệm khác nhau. Việc sử dụng nguồn nơtron xung trên máy gia tốc electron tuyến tính cho phép tạo ra chùm nơtron có thông lượng lớn và phổ năng lượng được kiểm soát tốt, giúp nâng cao độ chính xác của phép đo so với các nguồn nơtron đồng vị truyền thống.

Phân bố năng lượng nơtron được làm chậm bằng nước giúp tăng mật độ nơtron nhiệt, từ đó tăng hiệu quả kích hoạt mẫu. Điều này được minh họa rõ qua biểu đồ phân bố năng lượng nơtron trên bề mặt bia Ta, thể hiện sự dịch chuyển phổ về vùng năng lượng thấp.

Việc sử dụng detector HPGe với độ phân giải cao và phần mềm phân tích phổ gamma hiện đại giúp nhận diện chính xác các đồng vị phóng xạ và tính toán hoạt độ với sai số thấp. Các hiệu chỉnh nâng cao như tự hấp thụ và cộng đỉnh là cần thiết để giảm thiểu sai số hệ thống, đặc biệt khi đo các đỉnh gamma có cường độ thấp hoặc chồng chập.

Kết quả nghiên cứu không chỉ bổ sung số liệu hạt nhân quan trọng cho đồng vị 181Ta mà còn khẳng định tính khả thi và hiệu quả của phương pháp kích hoạt phóng xạ kết hợp nguồn nơtron xung trên máy gia tốc electron tuyến tính trong nghiên cứu phản ứng hạt nhân.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường sử dụng nguồn nơtron xung trên máy gia tốc electron tuyến tính: Khuyến nghị các trung tâm nghiên cứu hạt nhân áp dụng nguồn nơtron xung để nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong xác định tiết diện phản ứng hạt nhân, đặc biệt với các đồng vị khó nghiên cứu.

2. Mở rộng nghiên cứu với các đồng vị khác của tantalum và các nguyên tố liên quan: Đề xuất thực hiện các thí nghiệm tương tự với các đồng vị khác để hoàn thiện cơ sở dữ liệu hạt nhân phục vụ ứng dụng trong công nghiệp và y tế.

3. Phát triển hệ thống làm chậm nơtron đa dạng: Khuyến nghị nghiên cứu và ứng dụng các vật liệu làm chậm khác ngoài nước để tối ưu hóa phổ nơtron nhiệt, từ đó nâng cao hiệu quả kích hoạt mẫu và giảm sai số.

4. Nâng cao kỹ thuật phân tích phổ gamma: Đề xuất cải tiến phần mềm phân tích phổ gamma, tích hợp các thuật toán xử lý đỉnh chồng chập và tự động hiệu chỉnh sai số để tăng độ chính xác và giảm thời gian xử lý số liệu.

5. Đào tạo và phát triển nguồn nhân lực chuyên sâu: Khuyến khích đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật thực nghiệm và phân tích số liệu trong lĩnh vực vật lý hạt nhân nhằm nâng cao năng lực nghiên cứu và ứng dụng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật lý hạt nhân: Luận văn cung cấp số liệu thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu chi tiết, hỗ trợ phát triển các nghiên cứu về phản ứng hạt nhân và cơ chế tương tác nơtron.

2. Kỹ sư và chuyên gia trong ngành năng lượng hạt nhân: Thông tin về tiết diện bắt nơtron nhiệt giúp cải tiến thiết kế lò phản ứng và vật liệu chịu bức xạ, nâng cao hiệu quả và an toàn vận hành.

3. Giảng viên và sinh viên chuyên ngành vật lý nguyên tử: Tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp thực nghiệm, phân tích phổ gamma và ứng dụng máy gia tốc electron trong nghiên cứu hạt nhân.

4. Chuyên gia phát triển thiết bị đo lường hạt nhân: Cung cấp kiến thức về hiệu suất detector HPGe và các hiệu chỉnh cần thiết, hỗ trợ thiết kế và cải tiến thiết bị đo phổ gamma.

Câu hỏi thường gặp

1. Phản ứng 181Ta(n,γ)182Ta có ý nghĩa gì trong nghiên cứu hạt nhân?
   Phản ứng này giúp xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của tantalum, một đồng vị quan trọng trong vật liệu chịu bức xạ và ứng dụng y tế. Số liệu này hỗ trợ tính toán lò phản ứng và đánh giá tác động bức xạ.

2. Tại sao sử dụng máy gia tốc electron tuyến tính để tạo nguồn nơtron?
   Máy gia tốc electron tuyến tính tạo ra chùm nơtron xung có thông lượng lớn, phổ năng lượng có thể điều chỉnh và dạng xung giúp áp dụng các kỹ thuật đo lường chính xác như kích hoạt phóng xạ và đo thời gian bay.

3. Phương pháp kích hoạt phóng xạ hoạt động như thế nào?
   Mẫu được kích hoạt bằng nơtron nhiệt, tạo ra đồng vị phóng xạ phát ra tia gamma đặc trưng. Đo phổ gamma trễ giúp xác định hoạt độ và từ đó tính tiết diện phản ứng hạt nhân.

4. Làm thế nào để hiệu chỉnh sai số trong đo phổ gamma?
   Các hiệu chỉnh bao gồm tự hấp thụ tia gamma trong mẫu, hiệu ứng cộng đỉnh do các tia phân rã nối tầng, và hiệu ứng tự chắn nơtron nhiệt nhằm giảm sai số hệ thống và nâng cao độ chính xác kết quả.

5. Hiệu suất ghi của detector HPGe ảnh hưởng thế nào đến kết quả?
   Hiệu suất ghi quyết định khả năng phát hiện và đo chính xác các tia gamma. Hiệu suất cao giúp giảm sai số thống kê và tăng độ nhạy, đặc biệt quan trọng khi đo các đồng vị có cường độ gamma thấp.

Kết luận

• Đã xác định thành công tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 181Ta(n,γ)182Ta với độ chính xác cao, giá trị phù hợp với các số liệu tham khảo.
• Sử dụng nguồn nơtron xung trên máy gia tốc electron tuyến tính kết hợp hệ làm chậm nước giúp tăng mật độ nơtron nhiệt và hiệu quả kích hoạt mẫu.
• Phương pháp kích hoạt phóng xạ và đo phổ gamma bằng detector HPGe là công cụ hiệu quả trong nghiên cứu phản ứng hạt nhân.
• Các hiệu chỉnh nâng cao như tự hấp thụ, cộng đỉnh và tự chắn nơtron là cần thiết để giảm sai số và nâng cao độ tin cậy kết quả.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu, phát triển kỹ thuật phân tích và đào tạo nguồn nhân lực để nâng cao năng lực nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực vật lý hạt nhân.

Tiếp theo, cần triển khai các nghiên cứu mở rộng với các đồng vị khác và cải tiến hệ thống làm chậm nơtron, đồng thời phát triển phần mềm phân tích phổ gamma để tối ưu hóa quy trình phân tích số liệu. Các nhà nghiên cứu và chuyên gia trong lĩnh vực vật lý hạt nhân được khuyến khích áp dụng phương pháp và kết quả nghiên cứu này để nâng cao hiệu quả công tác nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.