Khóa luận tốt nghiệp Kĩ sư kĩ thuật hạt nhân: Xác định thực nghiệm cường độ các tia gamma tức thời từ phản ứng bắt nơtron nhiệt 51V(n,y) 52V

Chia sẻ: Huỳnh Mộc Miên | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:50

Thêm vào BST

Báo xấu

35
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung chính của khóa luận trình bày tổng quan các khái niệm, phương pháp và hệ thiết bị liên quan đến phương pháp kích hoạt nơtron đo gamma tức thời (PGNAA), sử dụng hệ phổ kế gamma đầu dò bán dẫn HPGe và dòng nơtron phin lọc tại kênh ngang số 2 của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp Kĩ sư kĩ thuật hạt nhân: Xác định thực nghiệm cường độ các tia gamma tức thời từ phản ứng bắt nơtron nhiệt 51V(n,y) 52V

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN ĐỖ NGỌC MẾN XÁC ĐỊNH THỰC NGHIỆM CƯỜNG ĐỘ CÁC TIA GAMMA TỨC THỜI TỪ PHẢN ỨNG BẮT NƠTRON NHIỆT 51V (n, γ) V52 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN LÂM ĐỒNG, 2017
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN ĐỖ NGỌC MẾN – 1310542 XÁC ĐỊNH THỰC NGHIỆM CƯỜNG ĐỘ CÁC TIA GAMMA TỨC THỜI TỪ PHẢN ỨNG BẮT NƠTRON NHIỆT 51V (n, γ) V52 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS. PHẠM NGỌC SƠN KHÓA 2013 – 2018
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... .......................................................................................................................................
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... .......................................................................................................................................
LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp này, tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ hết sức nhiệt tình và tâm huyết của các thầy cô trong Viện nghiên cứu Hạt nhân và các thầy cô Trường Đại học Đà Lạt. Lời đầu tiền, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc và dành những tình cảm quý mến, kính trọng đến người thầy TS. Phạm Ngọc Sơn đã hướng dẫn thực hiện các nội dung công việc trong khóa luận. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ban Giám Hiệu, quý Thầy Cô khoa Kỹ Thuật Hạt Nhân, Trường Đại học Đà Lạt đã truyền đạt cho tôi những kiến thức, đam mê trong học tập và nghiên cứu tại trường. Tôi cũng xin được bày tỏ lời cảm ơn biết ơn đến Ban Lãnh đạo Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt, Trung tâm Vật lý và Điện tử hạt nhân đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình làm thực nghiệm khóa luận tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Đồng thời, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè và người thân yêu đã luôn bên cạnh ủng hộ, động viên, tin tưởng, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt những năm học Đại học vừa qua. Xin chân thành cảm ơn Đỗ Ngọc Mến i
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và người hướng dẫn khoa học là TS. Phạm Ngọc Sơn đang công tác tại Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt. Các số liệu và kết quả thực nghiệm đo được trong khóa luận này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác. Ngoài ra, trong khóa luận không có sự sao chép bất kì đề tài, khóa luận hoặc nhờ người khác làm thay. Các số liệu, công thức và thông tin sử dụng trong khóa luận đều có ghi nguồn trích dẫn từ tài liệu tham khảo. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về các nội dung trình bày trong khóa luận này. Đà Lạt, ngày 19 tháng 12 năm 2017 Người cam đoan Đỗ Ngọc Mến ii
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ i LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................................................v DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................ vii LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .....................................................................................3 1.1 Môt số đặc trưng của nguyên tố Vanadium .......................................................3 1.2 Phương pháp kích hoạt nơtron đo gamma tức thời ...........................................3 1.3 Phương trình tốc độ phản ứng (n,) ...................................................................6 1.4 Hệ PGNAA ở một số nước trên thế giới ...........................................................7 1.4.1. Trên thế giới ...............................................................................................7 1.4.2. Hệ thiết bị PGNAA tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt ................................9 1.5 Kênh ngang số 2 tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt ..........................................10 1.5.1 Giới thiệu kênh ngang số 2........................................................................10 1.5.2 Hệ phổ kế gamma dùng đầu dò HPGe ......................................................14 1.6 Tổng kết chương 1 ...........................................................................................16 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM .............................................................................17 2.1 Hiệu chuẩn hệ phổ kế ......................................................................................17 2.1.1 Chuẩn năng lượng của hệ phổ kế ..............................................................17 2.1.2 Chuẩn hiệu suất ghi ...................................................................................18 2.2 Thực nghiệm xác định cường độ các tia gamma tức thời từ phản ứng bắt nơtron nhiệt 59V(n,)60V ........................................................................................26 2.2.1 Chuẩn bị mẫu.............................................................................................26 2.2.2 Chiếu và đo mẫu ........................................................................................27 2.3 Tổng kết chương 2 ...........................................................................................29 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................30 3.1 Kết quả thực nghiệm ........................................................................................30 iii
3.3 Tổng kết chương 3 ...........................................................................................35 KẾT LUẬN ..............................................................................................................36 KIẾN NGHỊ .............................................................................................................37 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................38 iv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt HPGe High Purity Germanium Đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết IEA International Atomic Cơ quan Năng lượng Energy Agency Nguyên tử Quốc tế PGNAA Prompt gamma nơtron Phân tích activation analysis kích hoạt nơtron đo gamma tức thời GELINA Geel Linear Accelerator Máy gia tốc điện tử tuyến tính tại Geel, Bỉ CERN Conseil Européen pour la Tổ chức Nghiên cứu Recherche Nucléaire Nguyên tử Châu Âu BNC Budapest Nơtron Centre Trung tâm nơtron Budapest n-TOF Time of Flight Phương pháp thời gian bay ILL International Laue Viện Laue Langevin Langevin tại Grenoble, Pháp PTFE Polytetrafloetylen Vật liệu để làm hộp chiếu mẫu cho phương pháp PGNAA v
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Các đặc điểm chính của một số hệ phân tích PGNAA ở một số nước trên thế giới ..................................................................................................................8 Bảng 2. Các đặc điểm chính của hệ phân tích PGNAA Đà Lạt ..............................10 Bảng 3. Số liệu hạt nhân của một số nguồn chuẩn ...................................................19 Bảng 4. Số liệu hiệu suất ghi cho vị trí nguồn cách đầu dò 38.5 cm........................21 Bảng 5. Số liệu trong tính toán sai số hiệu suất ghi..................................................24 Bảng 6. Hiệu suất ghi tương ứng vơi các mức năng lượng của hạt nhân 51V ..........33 Bảng 7. Cường độ các tia gamma tức thời của hạt nhân 51V tại các đỉnh năng lượng khác nhau ............................................................................................................34 vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. Quá trình bắt nơtron của hạt nhân bia kèm phát xạ gamma .........................4 Hình 2. Mô tả vị trí lắp đặt hệ thống dẫn dòng nơtron và kín nước vào bên trong kênh ngang số 2 ..................................................................................................11 Hình 3. Hệ thiết bị dòng nơtron phin lọc kênh ngang số 2 .....................................12 Hình 4. Bản vẽ thiết kế hệ dẫn dòng nơtron bằng kĩ thuật phin lọc tại kênh số 2 ...13 Hình 5. Sơ đồ khối hệ gamma ở chế độ đo đơn .......................................................15 Hình 6. Hệ phổ kế gamma dùng đầu dò HPGe và các khối điện tử ........................15 Hình 7. Đường chuẩn năng lượng của đầu dò HPGe ...............................................18 Hình 8. Đường cong hiệu suất ghi tại vị trí nguồn cách đầu dò 38.5 cm .................23 Hình 9. Lá dò V tinh khiết 99,99% ..........................................................................27 Hình 10. Thực nghiệm phổ gamma của nguồn chuẩn 51V đo trực tiếp tại kênh ngang số 2 ...........................................................................................................28 Hình 11. Phổ gamma của nguồn chuẩn 51V đo trực tiếp tại kênh ngang số 2 ..........28 Hình 12. Phổ gamma của nguồn chuẩn 35Cl đo trực tiếp tại kênh ngang số 2 .........29 Hình 13. Phổ gamma tức thời của mẫu Vanadium và phổ phông gamma thu được khi đo trực tiếp tại kênh ngang số 2 của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. .............31 Hình 14. Phổ gamma tức thời của mẫu Vanadium và phổ phông gamma thu được khi đo trực tiếp tại kênh ngang số 2 của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt ..............31 Hình 15. Phổ gamma tức thời của mẫu Vanadi thu được trong vùng năng lượng từ 80- 4000 keV ......................................................................................................32 Hình 16. Phổ gamma tức thời của mẫu Vanadi thu được trong khoảng năng lượng từ 4000-8000 keV ...............................................................................................32 vii
LỜI MỞ ĐẦU Khoa học và công nghệ hạt nhân đã được nghiên cứu phát triển và ứng dụng vào thực tiễn ở nhiều quốc gia trên thế giới từ những năm 1940 cho đến nay và đã đạt được nhiều thành tựu to lớn, đóng góp vào sự phát triển của nền kinh tế xã hội của quốc tế nói chung và đối với nhiều Quốc gia nói riêng như: Mỹ, Nhật Bản, Nga, Ấn Độ [11]. Trong những năm gần đây, Việt Nam cũng đặc biệt quan tâm đến nghiên cứu về số liệu hạt nhân cơ bản và ứng dụng kĩ thuật hạt nhân trong công nghiệp và nông nghiệp và đã có nhiều tiến bộ quả nhất định. Tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt, hướng nghiên cứu cấu trúc hạt nhân bằng thực nghiệm đã được triển khai và thu được những thành công nhất định [1]. Hiện tại, Trung tâm Vật lý và điện tử hạt nhân đã đưa vào khai thác ba dòng nơtron cho thí nghiệm đo đạc phản ứng (n, γ) bao gồm kênh nganh số 2 đo đạc tiết diện hạt nhân và phân tích nguyên tố bằng phương pháp kích hoạt nơtron đo gamma tức thời, kênh nganh số 3 bao gồm hệ phổ kế đo các mức năng lượng mới trong sơ đồ giải thích thích của một số hạt nhân như Clo, Yb, Sm, …. Và tại dòng nơtron kênh ngang số 4, phục vụ cho phép đo nơtron truyền qua, đo tiết diện toàn phần của phản ứng (n, γ). Kĩ thuật để đạt được dòng nơtron đơn sắc và nơtron nhiệt bằng phương pháp sử dụng phin lọc nơtron. Tại dòng nơtron kênh số 2, dòng nơtron thuần nhiệt đã được chế tạo thành công đã và đang được đưa vào khai thác trong đo đạc tiết diện nơtron nhiệt cho một vài hạt nhân cũng như phân tích hàm lượng các nguyên tố bằng phương pháp kích hoạt nơtron đo gamma tức thời. Một hệ phổ kế triệt compton được lắp đặt gồm một đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe, độ phân giải 2.0 keV và 12 đầu dò nhấp nháy loại BGO bao bọc xung quanh đầu dò bán dẫn [2]. Nguyên tố Vanadi và các đồng vị của nó được sử dụng nhiều trong khoa học và công nghệ hạt nhân, số liệu về cường độ các tia gamma tức thời của hạt nhân hợp phần V từ phản ứng (n,) thường được sử dụng như là số liệu chuẩn trong các 51 phép phân tích kích hoạt nơtron đo gamma tức thời (Prompt gamma nơtron activation analysis – PGNAA) và các phép đo số liệu hạt nhân [3]. Ngoài ra, xác định cường độ các tia gamma tức thời là rất quan trọng trong các nghiên cứu tính toán che chắn an toàn bức xạ. Cùng với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật hạt nhân, các yêu cầu về độ chính xác và độ tin cậy của các số liệu về cường độ các tia gamma tức thời luôn được đặt ra. 1
Do vậy, tiến hành đo thực nghiệm cường độ các tia gamma tức thời từ phản ứng 51 V(n,)52V. Với mục tiêu đã đưa ra ở trên, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu của khóa luận là: "Xác định thực nghiệm cường độ các tia gamma tức thời từ phản ứng bắt nơtron nhiệt 51V(n,)52V" trong dải năng lượng từ 0 đến 8 MeV, sử dụng hệ phổ kế gamma đầu dò bán dẫn HPGe và dòng nơtron phin lọc tại kênh ngang số 2 của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Ngoài phần mở đầu và kết luận, bố cục của khóa luận được trình bày thành 3 chương bao gồm: Chương 1 - Tổng quan: Trình bày tổng quan các khái niệm, phương pháp và hệ thiết bị liên quan đến phương pháp kích hoạt nơtron đo gamma tức thời (PGNAA). Chương 2 - Thực nghiệm: Trình bày nội dung thực nghiệm và xử lí số liệu để xác định cường độ các tia gamma tức thời từ phản ứng bắt nơtron nhiệt 51V(n,)52V. Chương 3 - Kết quả và thảo luận: Trình bày kết quả tính toán và thảo luận. Do còn hạn chế về thời gian đo thực nghiệm cũng như đây là lần đầu làm thực nghiệm vật lý hạt nhân nên khóa luận sẽ khó tránh khỏi những thiếu sót nhất định về cả nội dung và hình thức trình bày. Kính mong nhận được ý kiến đóng góp của Quý Thầy/Cô và các bạn giúp khóa luận hoàn thiện hơn. Đà Lạt, tháng 12/2017. Sinh viên thực hiện, Đỗ Ngọc Mến 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương này trình bày tổng quan về đặc trưng của nguyên tố Vanadi, trình bày phương pháp kích hoạt nơtron đo gamma tức thời và các khái niệm, phương pháp và hệ thiết bị đo gamma tức thời tại kênh thí nghiệm nơtron số 2. 1.1 Môt số đặc trưng của nguyên tố Vanadium Năm 1801, Andrés Manuel del Río trong khi tách nguyên tố từ mẫu quặng “chì đen” Mexicô đã phát hiện ra một nguyên tố mới và gọi là Vanadium [11]. Vanadium là một kim loại hiếm, mềm và dễ kéo thành sợi, là thành phần được tìm thấy trong nhiều khoáng chất, có khả năng chống ăn mòn tốt, bền với các loại chất kiềm, axít sulfuric và axít clohiđric. Sau khi được phát hiện đến nay thì vanadium được dùng để sản xuất một số hợp kim, trong tự nhiên vanadium bao gồm các đồng vị phân bố từ 43V đến 61V trong đó đồng vị bền 51V là nhiều nhất chiếm tới 99.75%. 7− 51 V có tiết diện bắt nơtron nhiệt là 4.93 barn, có spin và chẳn lẻ là . Đồng vị 52V 2 có thể được tạo thành từ các phản ứng 51 V(d,p)52V hoặc 51 V(n,γ)52V, là hạt nhân không bền với chu kỳ bán hủy 𝑇1 = 3.75 phút, có spin và chẳn lẻ ở trạng thái bền là 2 3 [11]. Hạt nhân V có ba proton và một nơtron ở ngoài của lõi lấp đầy, lõi có cấu + 52 trúc hai lần magic như hạt nhân 48Ca. Trong phản ứng bắt nơtron nhiệt 51V(n,γ)52V, hạt nhân 52V ở trạng thái kích thích có khả năng liên kết neuton B-n=7311.24 keV, phát ra các bức xạ gamma để chuyển về trạng thái cơ bản, các dịch chuyển này có thể là trực tiếp từ năng lượng liên kết Bn hoặc qua các mức trung gian khác nhau như: 3733.13 keV, 2855.28 keV, 2479.59 keV, 2168 keV,…., 22.76 keV, 17.13 keV [16]. 1.2 Phương pháp kích hoạt nơtron đo gamma tức thời Để xem xét sự tương tác của nơtron với vật chất, người ta chia các nơtron theo năng lượng của chúng, thành các nơtron nhiệt (năng lượng nơtron En từ 0 đến 0.5 eV), các nơtron trên nhiệt (En từ 0.5 eV đến 10 keV), các nơtron nhanh (En từ 10 keV đến 10MeV) và các nơtron rất nhanh (En lớn hơn 10 MeV). Tương tác của nơtron với hạt nhân bia phụ thuộc rất mạnh vào năng lượng của nó. Tùy thuộc vào năng lượng hạt tới và tính chất của hạt nhân bia mà các phản ứng có khả năng xảy ra là: phản ứng bắt bức xạ (n,), tán xạ đàn hồi (n,n), tán xạ không đàn hồi (n,n’) và phản ứng phân hạch (n,f). Đối với phản ứng bắt bức xạ, một hạt nhân hợp phần trung gian ở trạng thái kích thích được tạo ra. Năng lượng kích thích của hạt nhân 3
hợp phần bằng tổng của năng lượng liên kết của nơtron với hạt nhân và động năng của hạt nơtron tham gia phản ứng. Trạng thái kích thích của hạt nhân hợp phần tồn tại trong khoảng thời gian sống rất ngắn 10-14 giây và phân rã về trạng thái cân bằng hoặc trạng thái giả bền bằng cách phát ra các tia gamma tức thời đặc trưng. Trong nhiều trường hợp, hạt nhân sản phẩm (có số khối bằng A+1) thường không bền và có tính phóng xạ beta kèm theo bức xạ một hoặc nhiều tia gamma trễ đặc trưng. Các tia bức xạ gamma có thể đo được bằng hệ phổ kế đa kênh dùng đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe có độ phân giải năng lượng cao [4]. Trạng thái kích thích của hạt nhân hợp phần tạo thành trong quá trình phản ứng (n,) với thời gian sống khoảng 10-14 giây sẽ phân rã về các mức năng lượng thấp hơn và phát ra phổ các tia gamma tức thời. Với thời gian sống ngắn như vậy, các phép đo cần phải được tiến hành đồng thời với phép chiếu mẫu, kĩ thuật đo thực nghiệm này được gọi là phương pháp kích hoạt nơtron đo gamma tức thời (PGNAA). Hình 1. Quá trình bắt nơtron của hạt nhân bia kèm phát xạ gamma [6] Dựa trên phản ứng bắt nơtron của các hạt nhân bia mẫu, các nhân hợp phần được tạo ra ở trạng thái kích thích cao và các nhân hợp phần giải kích thích thông qua phát các tia gamma tức thời, chúng được ghi nhận bằng hệ phổ kế gamma đa kênh, phổ gamma thu được theo dạng số đếm theo năng lượng, từ đó có thể xác định các dữ liệu hạt nhân cần quan tâm từ phản ứng [8]. 4
Phổ năng lượng các tia gamma tức thời từphản ứng bắt nơtron (n,) ứng dụng trong nghiên cứu vật lý hạt nhân cơ bản (xác định tiết diện phản ứng, cường độ phát tia gamma, cấu trúc hạt nhân, hàm lực gamma, nguyên tử khối, v.v..), phương pháp phân tích kích hoạt PGNAA (phân tích thành phần các nguyên tố trong mẫu môi trường, sinh học, địa chất, v.v...), nghiên cứu sự ảnh hưởng của bức xạ lên vật chất, v.v.. Trong khóa luận này, chúng tôi nghiên cứu xác định cường độ các tia gamma tức thời từ phản ứng bắt nơtron nhiệt của hạt nhân 51V bằng phương pháp thực nghiệm đo phổ gamma tức thời (Neutron captured prompt gamma-rays) sử dụng hệ phổ kế PGNAA tại kênh ngang số 2 lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Tùy theo năng lượng của hạt nơtron tới, tính chất tương tác của hạt nhân bia đối với nơtron có thể được mô tả qua ba cơ chế chính là: phản ứng hạt nhân hợp phần, phản ứng trực tiếp và phản ứng tiền cân bằng. Trong phạm vi của khóa luận là tập trung nghiên cứu đối với nơtron nhiệt có năng lượng là 0.0253 eV, do đó phản ứng hạt nhân (n,) chủ yếu xảy ra theo cơ chế hạt nhân hợp phần. Phản ứng hạt nhân hợp phần được biểu diễn qua hai giai đoạn như được miêu tả như trong sơ đồ sau [7]: n + A  (A+1)*  (A+1) + -raysprompt Trong đó:  Hạt nhân bia có số khối A  n là hạt nơtron tới,  (A+1)* là hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích,  (A+1) là hạt nhân sản phẩm,   là tia gamma tức thời.  Giai đoạn hình thành hạt nhân hợp phần: Hạt nhân bia hấp thụ hạt nơtron tới tạo thành hạt nhân hợp phần với số khối là (A+1)* và tồn tại ở trạng thái kích thích. Mức năng lượng kích thích tương ứng với tổng năng lượng liên kết của hạt nhân bia và động năng của hạt nơtron tới.  Giai đoạn tạo thành hạt nhân sản phẩm sau phản ứng là giai đoạn trong đó các trạng thái kích thích của hạt nhân hợp phần phân rã về trạng thái cơ bản hoặc trạng thái giả bền tạo thành hạt nhân sản phẩm của phản ứng đồng thời giải phóng năng lượng kích thích dưới dạng các tia gamma tức thời. Phổ năng lượng các tia 5
gamma tức thời phụ thuộc mạnh vào các đặc trưng cấu trúc hạt nhân, năng lượng, momen động lượng, tính chẵn lẻ của hạt nhân. Phản ứng bắt nơtron (n,) của hạt nhân cũng có thể được mô tả như sau: A Z X + 10 n  ( AZ 1 X)*  AZ 1 X   Với A: số khối của hạt nhân bia Z: số điện tích của hạt nhân bia Kí hiệu (*) biểu diễn cho hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích [3]. 1.3 Phương trình tốc độ phản ứng (n,) Kết hợp việc kích hoạt sử dụng chùm nơtron từ kênh ngang của lò phản ứng đồng thời đo phổ gamma tức thời từ phản ứng (n,) bằng một hệ phổ kế đa kênh dùng đầu dò bán dẫn HPGe, ta có mối quan hệ giữa tốc độ phản ứng (R) đối với một hạt nhân bia và số đếm ghi được ( N p ) của đỉnh gamma quan tâm như sau [7]: N p /t m R= (1.1) I γ .ε p .N Trong đó: θ.w N= N A là số hạt nhân bia tham gia phản ứng, M N A là số Avogadro, N p là diện tích đỉnh (số đếm), t m là thời gian đo, w là khối lượng mẫu được chiếu (g), θ là độ phổ cập đồng vị (%), M là khối lượng nguyên tử của nguyên tố bia (g/mol), I γ là cường độ gamma tuyệt đối (xác suất phát gamma) ε p là hiệu suất ghi đỉnh (%). 6
Thay N vào phương trình (1.1) ta có: N p /t m (1.2) R= w N A .θ.I γ .ε p /M Khi đặt hạt nhân trong chùm nơtron đơn năng E n , có thông lượng  n , tốc độ phản ứng được tính bởi công thức: R  n .(E n ) (1.3) Với (E) là tiết diện phản ứng (n,) của hạt nhân bia đối với hạt nơtron tới có năng lượng nơtron E. Từ các phương trình kích hoạt trên, có thể xác định được tiết diện bắt nơtron nhiệt, cường độ phát tia gamma, độ phổ biến của đồng vị, v.v. 1.4 Hệ PGNAA ở một số nước trên thế giới Sự ra đời và phát triển của các phương pháp phân tích hạt nhân gắn liền với những thành tựu của vật lý và kỹ thuật hạt nhân hiện đại. Phương pháp PGNAA có những ưu điểm rất cơ bản như độ nhạy và độ chính xác cao, tốc độ phân tích nhanh, mẫu phân tích không bị phá hủy và có thể tiến hành phân tích đồng thời nhiều nguyên tố. Có thể tự động hóa được toàn bộ quy trình phân tích. Do đó, hệ phân tích PGNAA luôn được quan tâm nâng cấp nhằm nâng cao độ nhạy và độ chính xác của hệ đo. Dưới đây là đặc điểm chính của một số hệ phân tích PGNAA trên thế giới và trong nước. 1.4.1. Trên thế giới Một trong những đặc trưng quan trọng nhất của hệ thiết bị PGNAA là độ nhạy phân tích. Đó là kết quả tổng hợp của các đặc trưng khác như thông lượng nơtron, tỷ số cadmium, phông gamma của hệ đo, hiệu suất ghi của hệ đo, Bảng 1 nêu ra các đặc điểm chính của một số hệ phân tích PGNAA ở một số nước. 7
Bảng 1. Các đặc điểm chính của một số hệ phân tích PGNAA ở một số nước trên thế giới[12,13,14] Hệ phân tích Đặc điểm SNU – KAERI - Nguồn nơtron nhiệt: graphite. (Hàn Quốc) - Thông lượng chùm nơtron: 8.2x107n.cm-2.s-1 - Kích thước chùm: 2x2 cm2. - Tỉ số cadmium R = 266 (đối với Au). - Độ nhạy tại Ti (1382 keV): 2020 c/s/g - Hệ phổ kế: hệ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe JEARI - Nguồn nơtron nhiệt dẫn dòng bằng phản xạ gương Ni. (Nhật Bản) - Thông lượng chùm nơtron: 2.4x107 n.cm-2.s-1. - Kích thước chùm: 2x2 cm2. - Hệ phổ kế gamma sử dụng detector bán dẫn siêu tinh khiết HPGe 23.8%, độ phân giải (FWHM) 1.75 keV tại đỉnh 1332 keV của 60Co - Nguồn nơtron lạnh. - Thông lượng chùm nơtron: 1.1x108 n.cm-2.s-1. - Kích thước chùm: 2x2 cm2. - Hệ phổ kế gamma sử dụng detector bán dẫn siêu tinh khiết HPGe 23.8%, độ phân giải (FWHM) 1.75 keV tại đỉnh 1332 keV của 60Co. NIST - Nguồn nơtron nhiệt: Phin lọc (sapphire). (Mỹ) - Thông lượng chùm nơtron: 3.0x108 n.cm-2.s-1. - Kích thước chùm: 2 cm hoặc nhỏ hơn. - Tỉ số cadmium R = 166 (đối với Au). - Độ nhạy tại Ti (1382 keV): 890 c/s/g. - Hệ phổ kế: Hệ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe và hệ triệt Compton. -Nguồn nơtron lạnh: Phin lọc (Be, Bi) và phản xạ gương. 8
- Thông lượng chùm nơtron: 9.5x108 n.cm-2.s-1. - Kích thước chùm: 2 cm hoặc nhỏ hơn. - Độ nhạy tại Ti (1382 keV): 7700 c/s/g. - Hệ phổ kế: Hệ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe và hệ triệt Compton. BARC - Nguồn nơtron nhiệt: phản xạ gương. (Ấn Độ) - Thông lượng chùm nơtron: 1.4x107n.cm-2.s-1. - Kích thước chùm: 2.5x10 cm2. - Tỉ số cadmium R = 3.4x104 (đối với In). - Hệ phổ kế: Hệ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe. - Nguồn nơtron nhiệt: graphite. - Thông lượng chùm nơtron: 1.6x106n.cm-2.s-1. - Kích thước chùm: 2.5x3.5 cm2. - Tỉ số cadmium R = 3.4x104 (đối với In). - Hệ phổ kế: Hệ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe. 1.4.2. Hệ thiết bị PGNAA tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt Các đặc trưng chính của hệ PGNAA tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt được chỉ ra ở Bảng 2. 9