[Đồ án] Khảo sát khả năng ứng dụng của máy phát Notron MP320 trong việc phát hiện chất nỗ bằng phương pháp mô phỏng Monte-Carlo

PHẦN I: MỞ ĐẦU.
Với đặc điểm đất nước phải trải qua hai cuộc đấu tranh dành độc lập,
nên việc giải quyết hậu quả chiến tranh vẫn là nhiệm vụ được đặt ra cho
cả xã hội. Một trong vấn đề cấp thiết và tốn kém nhất là việc phát hiện
và rà phá bom mìn, theo thống kế trong cuộc chiến tranh tại Việt Nam,
quân đội Hoa Kỳ đã sử dụng trên 15 triệu tấn bom đạn. Khoảng 5%
trong số này (750.000 tấn) đã không phát nổ, tiếp tục gây thương vong
cho nhiều người dân .Từ năm 1975 đến nay, tai nạn do bom, mìn đã
cướp đi sinh mạng của 10.529 người, làm bị thương 12.231 người, cần
300 năm và 10 tỷ USD để rà phá hết bom mìn thời chiến tranh trên khắp
lãnh thổ Việt Nam. Bên cạnh vấn đề bom mìn còn lại sau chiến tranh.
Bên cạnh đó, vấn nạn buôn lậu, tàng trữ, sử dụng trái phép thuốc nổ
đang là vấn đề nhức nhối của xã hội với hình thức càng ngày càng tinh
vi, phức tạp dẫn tới khó phát hiện và xử lý.
Với loại mìn và chất nổ hiện đại hiện nay thường rẻ, nhỏ ,nhẹ và làm từ
nhiều loại vật liệu khác nhau bởi thế gần như phương pháp phát hiện
mìn phổ thông đều không thể phân biệt được chúng với các mảnh vụn
kim loại khác. Vật liệu nổ thường là vật liệu phi kim bởi thế nó không
thể dò ra bởi các đầu dò kim loại, và vật liệu làm bom mìn chủ yếu là
thành phần lớn của C, N, O, H và đây chính là một lý do mà phương
pháp hạt nhân được dùng để phát hiện bom mìn, cụ thể là sử dụng
nguồn notron để phát hiện bom mìn.
1
Phương pháp notron có thể ứng dụng theo 2 cách : kích hoạt và
tán xạ.
Cơ sở vật lý của phương pháp kích hoạt là các hạt nhân bền, sau khi
được chiếu xạ bằng nơtron trở thành các đồng vị phóng xạ. Các đồng vị
phóng xạ phát các tia. Ghi nhận các bức xạ này ta có thể thu được các
thông tin về năng lượng, cường độ của nơtron, và tiết diện phản ứng.
Khi bị kích hoạt, hạt nhân phóng xạ có dạng phát ra tia gamma, việc ghi
nhận và phân tích xung được gây ra bởi n nhanh hoặc nhiệt. Cách dò

theo tia gamma trong phản ứng bắt n nhiệt của hạt nhân Nito được xem
như là cách phát hiện các chất nổ.
Với phương pháp tán xạ ngược, do tiết diện tán xạ n thường cao
hơn kích hoạt. Tỷ lệ phần trăm khối lượng hidro trong chất nổ chiếm từ
25 đến 30 % và một trong những phương pháp phát hiện là sử hiệu ứng
làm chậm, vì có số khối thấp nên hạt nhân H là chất làm chậm rất tốt
hơn các chất khác. Khi một chất có H bị bắn phá bởi n với năng lượng
<1 MeV,1 phần của n sẽ tán xạ đàn hồi và năng lượng của chúng xẽ
giảm đi xuống<10kev, bằng việc đo phổ năng lượng tán xạ ngược và sự
chênh lệch của n bị hấp thụ với phổ n ban đầu có thể phát hiện sự có mặt
của các chất giàu H với điều kiện là phân bố phông gây ra bởi tán xạ tên
không khí và các chất gần chất nổ là nhỏ. Các yếu tố đất đá thường tác
động làm giảm n vì chúng có khối lượng lớn hơn H.
Phương pháp tán xa ngược cho phép phát hiện chất nổ dẻo và vật
liệu giàu H, nhưng phương pháp không cho ra thông tin vật lí từ kết quả
vì kết quả ra là quá trình tổng hợp từ nhiều quá trình tán xạ và hấp thụ
của vật liệu và đất đá xung quanh.
2
MCNP là chương mô phỏng quá trình trình vận chuyển bức xạ đa năng
dựa trên phương pháp Monte-Carlo. Đây là chương trình lớn, một công
cụ tính toán rất mạnh. MCNP xử lý cấu hình các vật liệu ba chiều tuỳ ý
trong các khối hình học được giới hạn bởi các mặt bậc nhất bậc hai và
một số mặt bậc bốn. Trong MCNP, ta có thể sử dụng để mô phỏng vận
chuyển cho các hạt nơtron, photon, electron hoặc kết hợp vận chuyển
đồng thời nơtron/ photon/ electron. Năng lượng của nơtron thay đổi từ
10-11 MeV đến 20 MeV. Đối với các photon và electron, năng lượng
của chúng thay đổi từ 1 keV đến 1000 MeV.
Với mô phỏng MCNP, cho phép ta khảo sát cả 2 phương pháp trên một cách
hiệu quả với các điều kiện giả định gần với thực tế. Với mục đích trên và
công cụ MCNP, em được giao nhiệm vụ “ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG ỨNG

DỤNG CỦA MÁY PHÁT NOTRON MP320 TRONG VIỆC PHÁT HIỆN
CHẤT NỔ BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE – CARLO
Luận văn này gồm 3 chương:
Chương I: Tổng quan về tương tác của notron với vật chất.
Chương II: Nguyên lý, đặc điểm, cấu tạo máy phát xung nơtron MP320.
Một số đầu dò ghi nhận notron và gamma. Giới thiệu chương trình
MCNP. Mô hình hệ đo phổ notron và gamma có sử dụng máy phát
notron MP320.
Chương III: Kết quả thực nghiệm, trình bày kết quả đạt được trong quá
trình khảo sát.
Chương IV: Kết luận.
3
Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được sự ủng hộ,
quan tâm sâu sắc từ các thầy cô trong Bộ Môn Kỹ thuật Hạt nhân và Vật
lý Môi trường, Viện Vật lý Kỹ thuật. Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc
tới người trực tiếp hướng dẫn em là cô Trần Thùy Dương, những người
đã luôn hướng dẫn, chỉ bảo và tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình
làm đồ án tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè những người đã luôn tin
tưởng, ủng hộ, động viên và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đồ án.
Tuy đã có nhiều cố gắng, nhưng do thời gian nghiên cứu các vấn đề lý
thuyết cũng như thời gian thực nghiệm chưa dài, nên đồ án không thể
tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp của tất
cả mọi người đối với nội dung trong bản đồ án của em.
Hà Nội, tháng 5 – 2011
LÊ ĐẠI NHÂN.
4
NỘI DUNG
CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN VỂ TƯƠNG TÁC NƠTRÔN VỚI

VẬT CHẤT VÀ MỘT SỐ CÁCH GHI NHẬN NƠTRÔN-GAMMA
1.1. Tính chất vật lý của nơtrôn
Neutron là một hạt cơ bản có trong thành phần hạt nhân nguyên
tử, trung hòa về điện tích và có khối lượng bằng 1,67492716(13) ×
10E−27 kg. Neutron và proton được gọi là nucleon.
Nơtron có các đặc trưng vật lý như sau:
- Phân rã beta :
e
epn
ν
++→
−
với chu kỳ bán rã khoảng 10.14
phút
- Spin của nơ trôn:1/2
- Momen từ: µ
n
= (-1,91304184 ± 0,00000088) µ
hn
- Điện tích: trung hòa về điện.
Việc phân loại nơtrôn theo năng lượng chỉ có tính chất ước lệ, phụ thuộc
vào đặc điểm tương tác của nơtrôn với vật chất trong các vùng năng
lượng khác nhau. Người ta thường phân nơtrôn thành một số loại sau:
5
1. nơtrôn năng lượng cao: E
n
> 20MeV
2. nơtrôn nhanh: E
n
∼0.5 ÷ 20MeV

3. nơtrôn năng lượng trung gian: E
n
∼10KeV ÷ 5MeV
4. nơtrôn cộng hưởng: E
n
∼1eV ÷ 10KeV
5. nơtrôn trên nhiệt: E
n
∼0.5eV ÷
1eV
6. nơtrôn nhiệt: E
n
∼0.01 eV÷
0.5eV
7. nơtrôn lạnh: E
n
∼0.005eV ÷
0.01eV
8. nơtrôn siêu lạnh: E
n
<0.005eV
(từ 4 đến 8 là nơtrôn chậm)
1.2. Tương tác của notron với vật chất
Quá trình tương tác notron với vật chất là quá trình mang tính
ngẫu nhiên, xác suất tương tác này phụ thuộc vào năng lượng của
notron đến và các đồng vị hạt nhân. Các loại tương tác này được phân
loại như sau :
 Tán xạ đàn hồi.
 Tán xạ không đàn hồi.
 Phản ứng hạt nhân.

6
1.2.1. Tán xạ đàn hồi
Sơ đồ tán xạ đàn hồi khi nơtron tương tác với hạt nhân:
Hình 1.1. Tán xạ đàn hồi của nơtron với hạt nhân
Khi tương tác với hạt nhân, nơtron truyền cho hạt nhân một phần động năng
của mình bằng E
A
:
ϕα
2
0
cos
nA
EE
=
(1.1)
7
(A,Z)
n
tán xạ
(A,Z)
n
tới
2
)1(
4
2)(
4
A
A

Mm
Mm
An
An
+
≅
+
=
α
(1.2)
Với:
E
n0
: Động năng của nơtron trước khi xảy ra tán xạ
m
n
: Khối lượng của nơtron
M
A
: Khối lượng của hạt nhân
φ : Góc bay ra của hạt nhân so với hướng chuyển động ban đầu
của hạt nhân
A: số khối của hạt nhân
Coi tỷ số M
A
/m
n
= A với sai số khoảng (0,5÷1)%.
Động năng trung bình của nơtron bị giảm một lượng ΔE
1

khi tương tác
với hạt nhân:
01
).
2
1(
n
EE
α
−=∆
(1.3)
Động năng lớn nhất mà hạt nhân có thể thu được sau một lần tán xạ đàn hồi
có giá trị bằng:
, ax 0 0
2
4
( 1)
A m n n
A
E E E
A
α
= =
+
(1.4)
Đối với động năng notron không quá 7MeV, thì tán xạ đàn hồi có tính đối
xứng cầu trong hệ tọa độ tâm khối lượng. Do đó xác suất tán tạo hạt nhân
8
lui với động năng E
A

trong khoảng (0, E
A,max
) là bằng nhau, và động năng
trung bình của các hạt nhân lùi thu được trong mỗi lần tán xạ có giá trị bằng
:
, ax
0 0
2
2
2 ( 1)
A m
A n n
E
A
E E E
A
δ
= = =
+
(1.5)
Như vậy, với hạt nhân càng nhẹ thì sau tán xạ đàn hồi thì nó nhận động
năng của notron càng lớn hay khả năng làm chậm của nó càng cao. Bảng
sau thê hiện phần động năng mà hạt nhân của các các nguyên tố chủ yếu
trong chất nổ nhận được sau tán xạ đàn hồi với notron.
Bảng B1.1- 1. Phần động năng mà hạt nhân thu được trong mỗi sự kiện tán
xạ.
loại hạt nhân
1
H
12

C
14
N
16
O
số khối A 1 12 14 16
δ
0.5 0.142 0.125 0.111
Hạt nhân càng nhẹ thì phần động năng mà nó thu được khi va chạm
đàn hồi với nơtron càng lớn. Do đó năng lượng của hạt nhân lùi sẽ lớn nhất
khi nơtron tương tác với hạt nhân có khối lượng nhỏ nhất, đó là Hiđro. Khi
đó năng lượng của hạt nhân lùi là E
p
= E
n0
. cos2φ.
Tán xạ đàn hồi là cơ chế chủ yếu làm giảm năng lượng nơtron nhanh và
được dùng khá nhiều để ghi nhận nơtron nhanh bằng cách ghi nhận các vết
của hạt nhân lùi trong các dụng cụ ghi vết.
1.2.2. Tán xạ không đàn hồi
9
Khi tương tác với hạt nhân, các nơtron nhanh có thể bị tán xạ không
đàn hồi. Trong tán xạ không đàn hồi, một phần năng lượng của nơtron tiêu
tốn để kích thích hạt nhân:
'*)( nXnX
A
Z
A
Z
+→+

(1.6)
Z: Nguyên tử số của nguyên tố.
Tán xạ không đàn hồi là loại tương tác có ngưỡng. Để xảy ra tán xạ
không đàn hồi, năng lượng của nơtron phải lớn hơn năng lượng của mức
kích thích đầu tiên của hạt nhân. Năng lượng kích thích này phụ thuộc vào số
khối của hạt nhân ( giảm từ một vài MeV xuống dưới 100keV theo chiều
tăng của số khối A). Khi hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích về trạng
thái cơ bản sẽ phát ra các lượng tử gamma.
Tiết diện hiệu dụng của tán xạ không đàn hồi chỉ lớn hơn 0 khi năng
lượng của nơtron E
n
không nhỏ hơn một giá trị năng lượng ngưỡng E
ng
nào
đó. Giá trị của năng lượng ngưỡng được cho bởi:
1
.
1
W
A
A
E
ng
+
=
(1.7)
W
1
: Năng lượng của mức kích thích đầu tiên của hạt nhân.
1.2.3. Phản ứng (n, γ )

Trong phản ứng (n,γ) nơtron bị hấp thụ, hạt nhân X trở thành hạt nhân hợp
phần ở trạng thái kích thích và phát ra lượng tử gamma:
γ
+→+
+
*)(
11
0
xnX
A
Z
A
Z
(1.8)
10
Hạt nhân hợp phần có thể phân rã β
-
:

ν
++→
−+
+
+
eYX
A
Z
A
Z
1

1
!
(1.9)
Nói chung tiết diện bắt nơtron của phản ứng (n,γ) tỷ lệ với 1/ν, với ν là
vận tốc của nơtron. Phản ứng này thường xảy ra với nơtron có năng lượng
thấp. Tùy theo đồng vị, loại tương tác này có thể xảy ra trong vùng nơtron
cộng hưởng tạo nên các đỉnh cộng hưởng trên nền đường phụ thuộc 1/ν.
Trong vùng năng lượng thấp, xác suất bắt nơtron thường khá lớn.
1.2.4. Phản ứng (n,p) và phản ứng (n, α ).
Phản ứng (n,p) và (n,α) thường là những phản ứng có ngưỡng:
(1.10)
(1.11)
Các hạt proton hoặc hạt alpha là những hạt có khả năng iôn hóa rất
cao, có thể ghi nhận trực tiếp nên các phản ứng này thường được sử dụng để
ghi nhận nơtron. Bên cạnh đó, năng lượng của các hạt prôton và alpha phụ
thuộc vào năng lượng của hạt nơtron tới, năng lượng của phản ứng và góc
bay ra của chúng nên các phản ứng này còn được sử dụng để xác định năng
lượng của nơtron.
Trong các hạt nhân nhẹ thì
3
He,
6
Li, và
10
B là loại hạt nhân đặc biệt.
Chúng có thể tham gia vào các phản ứng với nơtron nhiệt như:
HpnHe
3
1
3

2
+→+
σ
p/ư
= 5330 barn (1.12)
HHenLi
3
1
4
2
6
3
+→+
σ
p/ư
= 900 barn (1.13)
11
HeYnX
pYnX
A
Z
A
Z
A
Z
A
Z
4
2
3

2
1
0
1
1
0
+→+
+→+
−
−
−
HeLinB
4
2
7
3
10
5
+→+
σ
p/ư
= 4000 barn (1.14)
Các phản ứng (n,p) và (n,α) có thể xẩy ra với các hạt nhân nặng nhưng
với xác suất nhỏ hơn nhiều và thường là phản ứng thu năng lượng. Các phản
ứng trên có thể tạo ra đồng vị phóng xạ. Căn cứ vào độ phóng xạ của đồng vị
tạo thành, có thể đánh giá được mật độ thông lượng nơtron và đôi khi cả
năng lượng của nơtron nếu biết tiết diện của phản ứng.
Trong tương tác của notron còn loại tương tác rất phổ biến nữa là (n,γ),
hay còn gọi là phản ứng bắt notron. Hạt nhân bắt notron đồng thời nhận
năng lượng của notron, hạt nhân chuyển lên trạng thái kích thích sau đó

phát ra tia gamma để về trạng thái bền hoặc phóng xạ. Với loại phản
ứng bắt, năng lượng của notron chuyển hết cho năng lượng của tia
gamma. Điều này khác với tán xạ đàn hồi hoặc không đàn hồi vì trong 2
loại tán xạ trên thì năng lương notron chỉ chuyển một phần cho bức xạ
thứ cấp. Tia gamma sinh ra có độ đâm xuyên cao nên dễ dàng ra khỏi
môi trường mà không bị làm yếu đáng kể. Tiết diện của phản ứng tuân
theo quy luật 1/v ( trừ khu vực notron cộng hưởng) tức là vận tốc notron
càng nhỏ thì tiết diện phản ứng càng cao, xác suất phát gamma càng lớn
cho nên đây là phản ứng rất đặc trưng của notron nhiệt và cơ sở vật lý
cho phương pháp phân tích kích hoạt
Chương II:
CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MCNP, MÁY PHÁT NOTRON
MP320, MỘT SỐ ĐẦU DÒ GHI NHẬN NOTRON VÀ GAMMA, MÔ
HÌNH ĐO PHỔ TÁN XẠ NGƯỢC VÀ PHỔ GAMMA.
12
2.1 Chương trình mô phỏng MCNP:
MCNP là chương mô phỏng quá trình trình vận chuyển bức xạ đa năng
dựa trên phương pháp Monte-Carlo, được xây dựng ở phòng thí nghiệm
quốc gia Los-Alamos, Mỹ. Đây là chương trình lớn, một công cụ tính
toán rất mạnh. MCNP xử lý cấu hình các vật liệu ba chiều tuỳ ý trong
các khối hình học được giới hạn bởi các mặt bậc nhất bậc hai và một số
mặt bậc bốn. Trong MCNP, ta có thể sử dụng để mô phỏng vận chuyển
cho các hạt nơtron, photon, electron hoặc kết hợp vận chuyển đồng thời
nơtron/ photon/ electron. Năng lượng của nơtron thay đổi từ 10
-11
MeV
đến 20 MeV. Đối với các photon và electron, năng lượng của chúng
thay đổi từ 1 keV đến 1000 MeV.
2.1.1 Mô tả tệp tin đầu vào
Tệp tin đầu vào của MCNP mô tả hình học của vấn đề được mô phỏng,

chỉ rõ vật liệu cấu thành các phần của hệ được mô phỏng và nguồn,
đồng thời định nghĩa những kết quả mà bạn mong muốn từ quá trình
tính toán. Hình học được xây dựng bởi việc định nghĩa những ô mà
được giáp bởi một hay nhiều bề mặt. Những ô có thể được điền đầy bởi
một vật chất xác định hoặc để trống (nghĩa là được điền đầy bởi chân
không).
Một tệp tin đầu vào của MCNP có bốn mục (khu vực) chính: Tiêu đề,
định nghĩa ô, định nghĩa bề mặt, và mô tả dữ liệu. Tiêu đề chỉ gồm một
dòng được đặt trước phần thẻ ô. Mỗi phần bao gồm một hay nhiều lệnh.
Một lệnh được tạo bởi một hay nhiều thẻ. Từ “thẻ” được sử dụng trong
suốt cả bài viết này và trong tài liệu hướng dẫn về MCNP, nó dùng để
mô tả một dòng đơn trong tệp tin đầu vào với tối đa 80 ký tự (kể cả ký
13
tự trắng). Bảng 2.1 sau sẽ cho ta thấy cấu trúc khái quát của tệp tin
MCNP đầu vào.
Tiêu đề
Các thẻ ô - Khối 1
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
Một dòng để trống duy nhất để giới hạn (bắt buộc)
Các thẻ bề mặt - Khối 2
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
Một dòng để trống duy nhất để giới hạn (bắt buộc)
Các thẻ dữ liệu - Khối 3
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
Một dòng để trống duy nhất (tùy ý, không bắt buộc)
Sau dòng để trống này ta có thể viết bất cứ điều gì nhằm chú thích thêm
cho bài toán mô phỏng, hay những điều ta cần ghi nhớ.

Bảng 2.1. Cấu trúc khái quát một tệp tin đầu vào của MCNP.
2.1.2 Những quy tắc đối với các tệp tin đầu vào
Những quy tắc chung về các tệp tin đầu vào.
1. Bên trong tệp tin:
• Các kí tự có thể viết bằng chữ hoa, chữ thường hay lẫn lộn.
14
• Các mục được tách biệt nhau bởi một dòng trắng duy nhất.
(Không bao giờ để hai mục liền nhau).
2. Bên trong mỗi mục (khu vực hay khối):
• Các thẻ ô có thể xuất hiện theo bất kỳ thứ tự nào.
• Các bề mặt có thể xuất hiện theo bất kỳ thứ tự nào.
• Các thẻ dữ liệu có thể xuất hiện theo bất kỳ thứ tự nào.
3. Bên trong mỗi lệnh:
• Mỗi lệnh bao gồm một hay nhiều thẻ.
• Phần lớn các lệnh đều có tên.
• Một vài lệnh không có tên (Ví dụ Dòng trắng duy nhất)
4. Bên trong mỗi thẻ
• Mỗi thẻ không vượt quá 80 cột (80 ký tự, kể cả dấu cách).
• Mỗi phần của thẻ được ngăn cách bởi một hay nhiều dấu
cách.
• Mọi điều trên dòng sau dấu $ là lời chú thích.
• Ký tự C nằm trong các cột từ 1 đến 5 là lệnh chú thích. Ký
tự C phải theo sau bởi dấu cách cho đến hết 4 cột đầu tiên.
• Ký tự & ở cuối thẻ có nghĩa là nội dung thẻ đó còn tiếp tới
thẻ tiếp theo.
• Các ký tự trắng liên tiếp từ cột 1 đến cột 5 cũng có ý nghĩa
tiếp tục dòng lệnh ở trước nó.
2.1.3 Tệp tin đầu ra – Output file
15
Phần quan trọng đầu tiên trong output file mà ta quan tâm đó chính là

các kết quả của quá trình tính toán đã được định nghĩa thông qua các thẻ
tally trong input file.
Ví dụ:
nps mean error vov slope fom
1000 1.1272E+00 0.0020 0.0273 10.0 0.0E+00
2000 1.1279E+00 0.0014 0.0175 10.0 1.5E+09
3000 1.1283E+00 0.0011 0.0132 10.0 1.5E+09
4000 1.1275E+00 0.0009 0.0088 10.0 1.3E+09
5000 1.1276E+00 0.0008 0.0069 7.2 1.7E+09
6000 1.1275E+00 0.0008 0.0059 7.2 1.7E+09
7000 1.1273E+00 0.0007 0.0047 7.2 1.5E+09
8000 1.1271E+00 0.0007 0.0048 7.2 1.3E+09
9000 1.1271E+00 0.0006 0.0045 7.2 1.3E+09
10000 1.1274E+00 0.0006 0.0038 7.2 1.3E+09
Trong đó cột "mean" là giá trị tính toán mà bạn mong đợi, cột "error" là
sai số của giá trị tính toán đó.
Ngoài ra trong "output file" MCNP còn cung cấp cho bạn rất nhiều các
thông số khác như thành phần vật liệu, thể tích và khối lượng các cell,
diện tích các bề mặt giới hạn, các hằng số vật lý, bảng tiết diện, bảng
tóm tắt vấn đề mô phỏng, 10 thông số kiểm tra
Các thông tin này sẽ giúp cho chúng ta hiểu rõ hơn về bài toán đã chạy
ra sao và hiểu thấu đáo vật lý của bài toán, sự tích hợp của mô phỏng
Monte-Carlo.
2.2 Máy phát notron MP320:
2.2.1 Giới thiệu máy phát xung nơtron MP320
16
Hình2.1. Máy phát xung nơtron MP320
ở Viện Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường, Đại học Bách Khoa Hà
Nội.
Máy phát xung nơtron MP320 ở Viện Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi

trường, Đại học Bách Khoa Hà Nội là máy phát nơtron có thể di chuyển
được dễ dàng. Máy có khả năng phát nơtron ở chế độ xung hoặc liên tục và
thông lượng tổng cộng của nơtron có thể đạt tới 1x10
8
n/s. Hệ thống có thể
được điều khiển thông qua cổng RS232 chuẩn nối với một thiết bị ngoài
hoặc với giao diện LabView đi kèm.
Thông số của máy phát như trên bảng 2.2:
17
Bảng 2.2. Một số đặc trưngquan trọng của máy phát xung nơtron MP320
(*)
Thông số Dải làm việc Chú thích
Điện áp nguồn 100-240VAC 50-60Hz Thường 2-3 Amps
Nơtron tổng cộng ~ 1×10
8
n/s Cao áp 80kV, dòng tia 60μA
Năng lượng nơtron 14MeV
Tần số 250Hz đến 20kHz
Vòng lặp làm việc 5% - 100% độ rộng xung ít nhất 5μs
Cao áp 40-90kV
Giới hạn trong phần mềm là
100kV
Dòng tia 20-70μA
Giới hạn trong phần mềm là
100μA
Nhiệt độ làm việc -25ºC đến 50ºC
Trọng lượng 25Lbs
Áp suất khí SF6
trong ống
140psi max, 120psi

normal,
80psi min.
Phần mềm cảnh báo khi áp
suất giảm xuống 100psi
(*) MP320_manual_review_1.1.doc ( do nhà sản xuất cung cấp đi kèm với
phần mềm)
18
Hệ thống phát xung nơtron bao gồm:
- Đầu phát nơtron
- Các bộ phận đi kèm bao gồm đèn cảnh báo, khóa liên động bằng tay,
máy tính có cài phần mềm DNC để điều khiển máy phát xung nơtron
MP320.
2.2.2. Cấu tạo và hoạt động của đầu phát xung nơtron MP320
2.2.2.1 Cấu tạo
Sơ đồ cấu tạo bộ phận phát nơtron của máy phát xung nơtron MP320 được
thể hiện trên hình 1.3:
Hình 2.2. Sơ đồ cấu tạo máy phát xung MP32
1- Vỏ bảo vệ máy làm bằng thép không rỉ, có tiết diện hấp thụ nhỏ đối
với nơtron nhanh để không ảnh hưởng đến chùm nơtron phát ra.
2- Vỏ ống phát làm bằng kính hoặc gốm.
3- Cao áp có nhiệm vụ tạo điện thế lớn (0kV – 100kV) để tăng tốc dòng
ion D
+
. Ngoài ra, nó còn cung cấp điện áp khoảng 2kV để bứt các electron ra
khỏi các nguyên tử Dơteri tạo thành ion.
Vỏ bảo vệ
Vỏ ống phát
Nguồn cao áp
Bia
Nguồn ion

3
1
2
5
4
n
n
n
19
4- Bia được làm từ vật liệu đặc biệt gắn chặt Triti. Người ta chế tạo bia
này như sau : bốc màng mỏng Titan hoặc kẽm lên lớp đế làm bằng đồng, bạc
hoặc vônfram. Sau khi được làm sạch, lớp màng mỏng được cho hấp thụ
Triti đến bão hòa bằng cách làm lạnh từ từ trong các khí đó. Bằng phương
pháp này, có thể hấp thụ được 1,5 nguyên tử Triti trên một nguyên tử Titan
hoặc kẽm. Các bia này có hiệu suất hấp thụ triti rất cao và nếu được làm lạnh
tốt trong quá trình làm việc thì có thể chịu được các dòng ion mạnh.
5- Nguồn ion tạo ra các ion T
+
trước khi chúng được gia tốc.
2.2.2.2. Hoạt động
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy phát như trên hình 1.4:
Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy phát xung nơtron MP320
Đầu tiên, dòng phát (1) (dòng reservoir) sẽ đốt nóng nguồn chứa Dơteri (2).
Nguồn chứa này được hấp thụ Dơteri ở nhiệt độ thấp. Do đó, khi bị đốt nóng
nó sẽ phát ra Dơteri ở dạng khí (3) và đi vào buồng ion hóa (4). Buồng ion
hóa với điện áp khoảng 2 kV sẽ bứt các electron ra khỏi nguyên tử Dơteri tạo
thành các ion D
+
(5). Những ion này được gia tốc trong điện trường mạnh (6)
với hiệu điện thế từ 40kV – 100kV. Khi động năng của các ion được gia tốc

Dòng phát (dòng
reservoir)
Nguồn chứa
2
D
(reservoir)
Khí
2
D
Buồng ion hóa
Dòng ion D
+
Cao áp gia tốc ion D
+
Vỏ bảo vê
5
6
Bia
n
f
n
f
D
2
1
D
+
D
+
D

+
ΔV
D
+
D
34
nHeTD +→+
4
2
3
1
2
1
20
đủ mạnh, chúng sẽ đập vào bia có chứa Triti và gây ra phản ứng hạt nhân tạo
nơtron 14 MeV.
E
n
= 14 MeV (2.1)
2.2.3. Khả năng ứng dụng
Theo catalogue của hãng Thermo Electron thì máy phát xung MP320 được
ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như là:
- phân tích kích hoạt.
- Dò tìm bom.
- Kiểm tra không phá mẫu NDT.
- Trong các thí nghiệm về hạt nhân
21
2.3 Một số loại đầu dò:
2.3.1. Đầu dò Bo:
2.3.1.1 phản ứng

10
B(n, α ).
Phản ứng
10
B(n,α) là phản ứng phổ biến nhất để ghi n chậm. Phản
ứng diễn ra như sau :
10
5
B + n →
7
3
Li +α + 2,792MeV (về trạng thái cơ bản của Li) ( 2.2)
10
5
B + n
→
7
3
Li +α + 2,31 MeV(về trạng thái kích thích củaLi)(2.3)
Đối với n đến là n nhiệt, 94% phản ứng dẫn đến trạng thái kích thích
của hạt nhân lùi Li, chỉ có 6% là về trạng thái cơ bản. Vì E
n
<< Q nên hầu
hết như toàn bộ năng lượng của phản ứng được truyền cho hai hạt cơ bản là
n và Li dươi dạng động năng, nghĩa là Q= E
α
+ E
Li
vì thế ta có thể coi động
lượng của n tới gần bằng không nên hati hạt sản phẩm α và Li sẽ bay ngược

chiều nhau.
Theo định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng ta có:
Q= E
α
+ E
Li
=2,310 MeV(2.4)
Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có: E
Li
= 0.84MeV; E
α
=
1.47MeV.
22
Tiết diện của phản ứng
10
B(n,α) rất lớn đôi với n nhiệt (σ=3840barn)
và giảm nhanh khi E
n
tăng theo quy luật tỉ lệ nghịch với căn bậc 2 của E
n
tức là tỉ lệ với 1/v
Độ phổ biến của đồng vi
10
B trong tự nhiên là 19.8% ,đồng vị này dễ
dàng làm giàu tới nồng độ cao.
2.3.1.2 Ống đếm tỉ lệ chứa khí BF
3
:
Khí BF

3
thường được dùng ở dạng tinh khiết, được nạp vào ống đếm
tỉ lệ như 1 loại khí tỉ lệ, vừa là như chất bia để biến đổi n chậm thành các
hạt mang điện.
Hiệu suất ghi của ống đếm tỉ lệ BF
3
phụ thuộc vào độ giàu của đồng
vị
10
B trong Bo tự nhiên.Trong các ống đếm BF
3
có mặt trên thị trường,
10
B
có thể làm giàu đến mức độ rất cao, có thể đạt đến 96%.Hiệu suất ghi của
ống đếm giàu
10
B gấp 5 lần so với ống đếm dùng Bo tự nhiên.
Áp suất trong ống tỉ lệ BF
3
thường giới hạn trong khoảng từ 0,5at
đến 1 at. Ở áp suất cao hơn, các đặc trưng của ống đếm giảm đi rõ rệt do sự
tái hợp của và tạo thành các ion âm trong chất khí.
ống đếm Bo thường được thiết kế dưới dạng hình trụ.Vỏ trụ chính là
Catot, thường làm từ nhôm vì tiết diện tương tác của nhôm với n chậm là
bé, và anot là dây dẫn có đường kính nhỏ, dưới 0,1mm, căng dọc theo ống
trụ, điện áp làm việc của ống đếm từ 2000V đến 3000V. Hệ số khuếch đại
khí của ống đếm trong khoảng điện áp trên là vào cỡ (100-500). Điện áp
làm việc càng cao thì càng tăng khả năng xuất hiện xung giả có biên độ lớn
do việc thăng giáng dòng điện dò qua chất cách điện, thăng giáng đặc biệt

lớn khi có độ ẩm cao.
23
Thực nghiệm cho thấy, sau khi ghi được cỡ từ 10
10
đến 10
11
xung,
ống đếm BF
3
bị thoái hóa rõ rệt. Sự thoái hóa liên quan đến việc nhiễm bẩn
anot và catot do các sản phẩm tạo thành trong quá trình thác. Trong các ống
đếm khí BF
3
, đôi khi người ta sử dụng hỗn hợp khí Bo với khí khác như Ar
để phổ ghi được sắc nét và đặc trưng đếm ổn định.
Khi kích thước ống đếm không đủ lớn so với quãng chạy của hạt
4
He
và
7
Li, nếu 1 trong 2 hạt va vào thành ống của ống đếm chỉ có 1 phần năng
lượng của hạt bị hấp thụ trong khí. Xung ra tương ứng với trường hợp này
sẽ có biên độ nhỏ so với khi chúng bị hấp thụ hoàn toàn trong khí. Hiệu
ứng này gọi là hiệu ứng tường.
Quãng chạy của hạtα trong phản ứng (n,α) trong khí vào cỡ 1 cm
dươi áp suất thường dùng.Vì vậy hiệu ứng tường rất rõ rệt với các ống đếm
có kích thước nhỏ vào cỡ dưới 1cm.
2.3.2 Ống đếm tỉ lệ He :
Phản ứng
3

2
He(n,p)H có tiết diện phản ứng rất lớn với ntotron nhiệt
(cỡ 5330barn) với 2 hạt sản phẩm có năng lượng là E
p
=0.573MeV, và E
H

=0.191MeV.
Tuy phản ứng trên có tiết diện phản ứng với notron là khá lớn nhưng
gặp những hạn chế sau:
• heli thuộc loại khí trơ , không thể tạo ở dạng rắn nên
ống đếm sử dụng phản ứng này chỉ là ống đếm khí,thường
là tỉ lệ. Khí Heeli với độ tinh khiết hợp lí sẽ làm việc như
một loại khí thường dùng cho các ống đếm tỉ lệ.
24
• Vì số nguyên tử của heli nhỏ, nên quãng chạy các hạt p
và T trong khí là khá lơn so với kích thước ống đếm, dẫn
đến với ống đếm khí heli thì hiệu ứng tường sẽ đáng kể so
với ống đếm Bo

Nguyên tắc hoạt động của detectơ
3
He dựa trên cơ sở của phản ứng
tỏa nhiệt
3
He(n,p) . Trong trường hợp nơtrôn tới có động năng rất nhỏ ( có
thể bỏ qua được ), thì :
3
He + n >
3

1
He + p + Q(2.5)
tức là tổng động năng của
3
He và p bằng năng lượng phản ứng
Q=0.764 MeV . Vì vậy trong các buồng iôn hóa hoặc ống đếm tỉ lệ chứa
khí
3
He , xung điện được tạo thành do phản ứng này sẽ có biên độ tương
ứng với năng lượng Q=0.764 MeV . Nếu nơtrôn tới là nơtrôn nhanh
vớinăng lượng E
n
thì năng lượng tỏa ra trong phản ứng
3
He(n,p) bằng Q +
E
n
; do đó biên đỗung điện cũng có giá trị tương ứng với Q + E
n
. Như vậy
đo hiệu các biên độ xung gây bởi phản ứng
3
He(n,p) trong hai trường hợp
tương tác của nơtrôn nhanh và nơtrôn nhiệt , ta xác định được năng lượng
E
n
của nơtrôn nhanh .

Ban đầu , người ta
thường dùng detectơ

3
He
ở dạng ống đếm tỉ lệ
hình trụ . Sau đó không
lâu người ta đã chế tạo
được buồng iôn hóa hình
25
hiệu ứng
biờn
số xung
∼Q=0.746MeV
tỏn xạ đàn
hồi
3
He(n,n’)
E
n1
=0.4MeV
tỏn xạ đàn
hồi
tỏn xạ đàn
hồi
∼E
n2
=1.2MeV
hình 2.4. phổ năng lượng của xung