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

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu một số đặc trưng và ứng dụng của nguồn Nơtron đồng vị Pu-Be

1. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------------- NGUYỄN THỊ NGA NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG VÀ ỨNG DỤNG CỦA NGUỒN NƠTRON ĐỒNG VỊ PU-BE LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội Năm 2014 1
2. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------------- NGUYỄN THỊ NGA NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG VÀ ỨNG DỤNG CỦA NGUỒN NƠTRON ĐỒNG VỊ PU-BE Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử hạtnhân và năng lượng cao Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Phạm Đức Khuê Hà Nội 2014 2
3. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga LỜI CẢM ƠN Luận văn này là kết quả của quá trình hai năm học tập của em trong trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội với sự giúp đỡ, động viên của các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn là học viên Cao học ngành Vật lý Nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao khóa 2011 - 2013. Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn vô cùng sâu sắc đến TS. Phạm Đức Khuê, Viện Vật lý – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức chuyên ngành và những những bài học về thực nghiệm trong nghiên cứu khoa học vô cùng quý báu để em có thể hoàn thành bản luận văn này. Đồng thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các cán bộ Trung tâm Vật lý Hạt nhân, Viện Vật lý đã động viên, giúp đỡ và tạo môi trường làm việc thân thiện trong suốt thời gian em học tập tại đây. Nhờ đó mà em có thể thực hiện và hoàn thành đề tài này. Với tình cảm chân thành, em xin gửi cảm ơn tới các thầy cô tham gia giảng dạy lớp Cao học Vật lý, khóa học 2011 – 2013, đã giảng dạy cho chúng em trong suốt quãng thời gian chúng em học tập. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã luôn bên cạnh em, động viên, giúp em vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành được đề tài này. Mặc dù đã rất nỗ lực cố gắng, song, chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, bổ sung của thầy cô, các anh chị và các bạn. Hà Nội, tháng 03 năm 2014 Học viên Nguyễn Thị Nga 3
4. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga MỤC LỤC MỞ ĐẦU.............................................................................................. 6 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NƠTRON ĐỒNG VỊ VÀ TƢƠNG TÁC CỦA NƠTRON VỚI VẬT CHẤT ................................ 11 1.1.Một số đặc trƣng của nguồn nơtron đồng vị ............................ 11 1.1.1. Các loại nguồn nơtron đồng vị ............................................ 11 1.1.2. Một số đặc trưng của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be. .............. 14 1.2.Tƣơng tác của nơtron với vật chất. .......................................... 17 1.2.1. Phân loại nơtron theo năng lượng ........................................ 17 1.2.2. Tương tác của nơtron với vật chất ....................................... 18 1.2.3. Phản ứng bắt nơtron nhiệt (n,) ........................................... 19 1.3. Làm chậm nơtron .................................................................... 22 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU ............... 25 2.1. Phƣơng pháp xác định thông lƣợng nơtron từ nguồn Pu-Be. .. 25 2.1.1. Phương pháp kích hoạt phóng xạ ......................................... 25 2.1.2. Xác định thông lượng nơtron nhiệt và nơtron cộng hưởng .... 28 2.1.3. Xác định thông lượng nơtron nhanh. .................................... 29 2.2. Ghi nhận và phân tích phổ gamma .......................................... 30 2.3. Xác định hiệu suất ghi của hệ phổ kế gamma HPGe ............... 34 2.4. Một số phép hiệu chỉnh cần thiết ............................................ 36 2.5. Thí nghiệm nghiên cứu ............................................................ 38 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................ 43 3.1. Kết quả đo phân bố của nơtron nhiệt trong chất làm chậm .... 43 3.2. Kết quả nghiên cứu phản ứng hạt nhân gây bởi nơtron .......... 45 3.3. Kết quả xác định thông lƣợng nơtron từ nguồn Pu-Be ............ 51 KẾT LUẬN ........................................................................................ 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................. 55 4
5. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga PHỤ LỤC .......................................................................................... 57 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Phổ nơtron của một số nguồn đồng vị loại9Be( ,n). Hình 1.2: Phổ nơtron từ phản ứng (n, ) đối với một số bia khác. Hình 1.3: Phổ nơtron của nguồn 152Cf. Hình 1.4: Nguyên lý cấu tạo của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be. Hình 1.5: Hình ảnh của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be. Hình 1.6: Phổ nơtron của nguồn Pu-Be. Hình 1.7: Phổ gamma từ của nguồn nơtron Pu-Be, Am-Be và phông. Hình 1.8: Sơ đồ phân rã hạt nhân của phản ứng bắt nơtron. Hình 1.9: Tiết diện của phản ứng bắt nơtron 115In(n,)116mIn. Hình 1.10: Sự phụ thuộc của tiết diện kích hoạt trung bình vào bề dày chất làm chậm paraffin. Hình 2.1: Sự phụ thuộc của hoạt độ phóng xạ vào thời gian kích hoạt (ti), thời gian phân rã (td) và thời gian đo (tm). Hình 2.2: Sơ đồ hệ phổ kế gamma. Hình 2.3: Phổ gamma của mẫu Indium kích hoạt trên nguồn nơtron đồng vị Pu-Be. Hình 2.4: Đường chuẩn hiệu suất ghi tương đối của hệ phổ kế gamma HPGe(ORTEC) sử dụng trong nghiên cứu. Hình 2.5: Hình ảnh nguồn nơtron Pu-Be tại Trung tâm Vật lý hạt nhân, Viện Vật lý. Hình 2.6: Hình ảnh các mẫu được sử dụng trong nghiên cứu. 5
6. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga Hình 2.7: Sơ đồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu phân bố thông lượng nơtron nhiệt từ nguồn nơtron đồng vị Pu-Be. Hình 2.8: Hình ảnh các khối Paraffin với bề dày khác nhau. Hình 2.9: Hình ảnh các khối thủy tinh hữu cơ với bề dày khác nhau. Hình 3.1: Phân bố của nơtron nhiệt trong chất làm chậm paraffin. Hình 3.2: Phân bố của nơtron nhiệt trong chất làm chậm thủy tinh hữu cơ. Hình 3.3: Phổ gamma của mẫu In kích hoạt trên nguồn nơtron đồng vị Pu-Be. Hình 3.4: Phổ gamma của mẫu Au kích hoạt trên nguồn nơtron đồng vị Pu-Be. Hình 3.5: Xác định thời gian bán rã của đồng vị 198Au. Hình 3.6: Phổ gamma của mẫu W kích hoạt trên nguồn nơtron đồng vị Pu- Be. Hình 3.7: Phổ gamma của mẫu Cu kích hoạt trên nguồn nơtron đồng vị Pu-Be. Hình P.1: Hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe. Hình P.2:Giao diện phần mềm xử lý phổ Gamma ision. 6
7. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Một số nguồn nơtron đồng vị ( ,n). Bảng 1.2: Một số đặc trưng của nguồn nơtron 9Be( ,n). Bảng 1.3: Tính chất của một số vật liệu làm chậm nơtron. Bảng 2.1: Giá trị các hệ số làm khớp hiệu suất ghi của đetectơ HPGe (ORTEC). Bảng 2.2: Đặc trưng của các mẫu được sử dụng. Bảng 3.1: Đặc trưng của phản ứng hạt nhân sử dụng để xác định phân bố thông lượng nơtron nhiệt. Bảng 3.2: Các phản ứng hạt nhân với nơtron đã được ghi nhận trên mẫuIn. Bảng 3.3: Các phản ứng hạt nhân với nơtron đã được ghi nhận trên mẫu Au. Bảng 3.4: Đặc trưng phản ứng hạt nhân với nơtron đã đượcghi nhận trên mẫu W. Bảng 3.5: Đặc trưng phản ứng hạt nhân với nơtron đã được ghi nhận trên mẫu Cu. Bảng 3.6: Kết quả xác định thông lượng nơtron. Bảng P.1: Hiệu suất ghi của hệ phổ kế HPGe (ORTEC) tại vị trí sát bề mặt đetectơ. Bảng P.2: Hệ số tự hấp thụ tia gamma trong mẫu. Bảng P.3: Hệ số chắn nơtron nhiệt và nơtron cộng hưởng. Bảng P.4:Kết quả xử lý phổ gamma của mẫu In. Bảng P.5: Kết quả xử lý phổ gamma của mẫu Au. Bảng P.6: Kết quả xử lý phổ gamma của mẫu W. 7
8. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ TỪ KHÓA Eα: Năng lượng của hạt α. Eth: Năng lượng ngưỡng của phản ứng hạt nhân. Eγ: Năng lượng tia gamma. En: Năng lượng nơtron. T1/2: Thời gian bán rã của đồng vị phóng xạ. Iγ: Xác suất phát xạ hay cường độ tia gamma. : Tiết diện bắt nơtron nhiệt. I: Tiết diện tích phân cộng hưởng. ADC: Bộ biến đổi tương tự số. MCA: Máy tính phân tích biên độ nhiều kênh. HPGeĐêtectơ bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết. Thermalization: Sự nhiệt hóa. Moderator: Chất làm chậm. MSDP (Macroscopic Slowing Down Power): Năng suất làm chậm vĩ mô. MR (Moderating Ratio): Tỷ số làm chậm. CR (Cadimium Ratio): Tỷ số cadmi. 8
9. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga MỞ ĐẦU Nơtron đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu cơ bản cũng như ứng dụng. Nơtron chủ yếu được tạo ra từ nguồn đồng vị, lò phản ứng và máy gia tốc hạt,....So với lò phản ứng và máy gia tốc, nguồn nơtron đồng vị có suất lượng thấp hơn nhưng lại có ưu điểm là giá thành rẻ, thông lượng nơtron ổn định, kích thước nhỏ gọn, thuận lợi cho việc vận hành cũng như che chắn an toàn phóng xạ. Chính vì vậy nguồn nơtron đồng vị vẫn đang được tiếp tục quan tâm khai thác, đặc biệt là các nghiên cứu ứng dụng ngoài hiện trường. Các nguồn nơtron đồng vị được sử dụng phổ biến là loại 9Be( ,n), các đồng vị phát hạt thường là 241Am, 239Pu, 226Ra, 210Po, 244Cm, Phổ nơtron từ loại nguồn này có dạng khá phức tạp, năng lượng liên tục từ vùng nhiệt tới khoảng 13 MeV, năng lượng trung bình khoảng 4 - 5 MeV. Suất lượng phát nơtron khoảng 106-107 n/s. Phổ nơtron bị biến dạng mạnh khi đi qua các môi trường vật chất. Khi va chạm với các hạt nhân nguyên tử, nơtron bị mất một phần năng lượng và thay đổi hướng chuyển động. Nơtron bị mất năng lượng nhiều khi va chạm với các hạt nhân nhẹ, sau một số lần va chạm, nơtron bị nhiệt hóa, năng lương của chúng tương đương với chuyển động nhiệt (0.025 eV). Các chất có khả năng làm chậm nơtron tốt là các vật liệu chứa nhiều hydro như nước, paraffin, polime,... Nơtron là hạt không mang điện nên việc ghi nhận nơtron thường gián tiếp thông qua các phản ứng hạt nhân gây bởi nơtron tạo ra các hạt tích điện hoặc các đồng vị phóng xạ. Việc ghi nhận nơtron thông qua các đồng vị phóng xạ tạo thành từ phản ứng hạt nhân còn được gọi là phương pháp kích hoạt, đetectơ là các lá kim loại mỏng có tiết diện phản ứng lớn đối với nơtron. Luận văn với đề tài “Nghiên cứu một số đặc trưng và ứng dụng của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be” tập trung nghiên cứu xác định thông lượng 9
10. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga của nơtron nhiệt, nơtron trên nhiệt và nơtron nhanh phát ra từ nguồn nơtron đồng vị Pu-Be và phân bố nơtron nhiệt theo bề dày các chất làm chậm nhẹ như parafin và thủy tinh hữu cơ, đồng thời khảo sát một số phản ứng hạt nhân gây bởi nơtron sử dụng nguồn nơtron này. Trong nghiên cứu thực nghiệm đã sử dụng phương pháp kích hoạt phóng xạ. Các mẫu kim loại mỏng (còn gọi là các lá dò hay đêtectơ kích hoạt) có độ tinh khiết cao được sử dụng để đo gián tiếp nơtron. Phổ gamma của các mẫu sau khi đã kích hoạt nơtron được ghi nhận bằng đêtectơ bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết HPGe có độ phân giải năng lượng cao. Thí nghiệm được thực hiện trên nguồn nơtron đồng vị Pu- Be và hệ phổ kế gamma HPGe (ORTEC) tại Trung tâm Vật lý hạt nhân, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Bố cục của luận văn, ngoài phần mở đầu, kết luận và phụ lục, được chia làm 3 chương: 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