Xác định các thông số phổ neutron trên lò phản ứng hạt nhân đà lạt(2)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT
BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN
-------- -------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Đề tài:
XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ PHỔ NEUTRON
TRÊN LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT

SVTH: PHẠM MINH TIẾN
CBHD: TS. HỒ MẠNH DŨNG
CN. TRẦN QUANG THIỆN
CBPB: TS. HUỲNH TRÚC PHƯƠNG

-------------------

TP. HỒ CHÍ MINH - 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT
BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN
-------- -------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Đề tài:

XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ PHỔ NEUTRON
TRÊN LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT

SVTH: PHẠM MINH TIẾN
CBHD: TS. HỒ MẠNH DŨNG
CN. TRẦN QUANG THIỆN
CBPB: TS. HUỲNH TRÚC PHƯƠNG

-------------------

TP. HỒ CHÍ MINH - 2015


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện khóa luận này, em đã nhận
được rất nhiều sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô, anh chị và các bạn bè trong Bộ
môn Vật lý Hạt nhân. Em xin được bày tỏ lòng tri ân sâu sắc nhất đến:
TS. Hồ Mạnh Dũng, người thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, cung cấp các
tài liệu và truyền đạt những kinh nghiệm quý báu nhất cho em hoàn thành khóa
luận.
TS. Huỳnh Trúc Phương, người thầy đã tận tình giúp đỡ, dành thời gian đọc
và góp ý chân thành cho khóa luận.
CN. Trần Quang Thiện, Th.S Hồ văn Doanh là người đàn anh đã tận tình
giúp đỡ, cung cấp tài liệu, truyền đạt những kinh nghiệm trong quá trình làm khóa
luận.
Anh Trịnh Minh Thành và cô Nguyễn Thị Sỹ đã truyền đạt kinh nghiệm
trong suốt quá trình làm khóa luận.
Các anh, chị, cô, chú trong Trung Tâm Phân tích Viện Nghiên Cứu Hạt Nhân
Đà Lạt đã tạo điều kiện cho em hoàn thành khóa luận.
Các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân đã giảng dạy, truyền đạt những

kiến thức và kinh nghiệm trong lĩnh vực hạt nhân.
Các bạn trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân đã luôn động viên, giúp đỡ tôi.
Cuối cùng, con xin cảm ơn ba mẹ, anh chị đã sinh thành, dưỡng dạy động
viên, khích lệ và tạo điều kiện thuận lợi nhất cho con được học tập.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2015
Phạm Minh Tiến


i

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
Chương 1-TỔNG QUAN LÝ THUYẾT ....................................................................3
1.1. Giới thiệu phương pháp phân tích kích hoạt neutron ......................................3
1.1.1. Nguyên lý của phương pháp kích hoạt neutron ........................................3
1.1.2. Phương trình kích hoạt neutron ................................................................4
1.1.3. Các phương pháp chuẩn hóa ....................................................................6
1.1.4. Các thông số trường neutron lò phản ứng ................................................8
1.1.5. Thông lượng neutron ................................................................................9
1.2. Các phương pháp xác định các thông số phổ neutron ...................................10
1.2.1. Phương pháp xác định hệ số α ...............................................................10
1.2.2. Phương pháp xác định hệ số f ................................................................14
1.2.3. Phương pháp xác định nhiệt độ neutron (Tn) .........................................15
1.2.4. Phương pháp xác định thông lượng neutron nhiệt, neutron trên nhiệt và
neutron nhanh ...................................................................................................17
1.3. Các vị trí chiếu mẫu trong lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt ...............................17
1.4. Các phần mềm tính toán thông số phổ neutron. ............................................18
Chương 2 - THỰC NGHIỆM ...................................................................................22
2.1. Hiệu chuẩn hệ phổ kế gamma dùng detector HPGe ......................................22
2.1.1. Hiệu chuẩn năng lượng và FWHM. .......................................................22

2.1.2. Chuẩn hiệu suất detector ........................................................................23
2.2. Chuẩn bị lá dò và mẫu chuẩn .........................................................................26
2.3. Chiếu và đo mẫu ............................................................................................26
2.4. Xử lý phổ gamma...........................................................................................28
2.5. Tính thông số trường neutron ........................................................................29
2.5.1. Phần mềm k0-IAEA ...............................................................................29
2.5.2. Phần mềm Ko-DALAT ..........................................................................31
2.5.3. Phần mềm Excel .....................................................................................31
2.5.4. Phần mềm SANDII.................................................................................33

Khóa luận tốt nghiệp


ii

2.6. Tiêu chuẩn đánh giá .......................................................................................34
Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN ................................................................36
3.1. Kết quả tính thông số phổ neutron tại mâm quay ..........................................36
3.2. Kết quả tính thông số phổ neutron tại kênh 7-1.............................................38
3.3. Kết quả tính thông số phổ neutron tại kênh 13-2...........................................39
3.4. Kết quả tính thông số phổ neutron tại kênh Cột nhiệt ...................................40
3.5. Kết quả phân tích bằng phương pháp k0-NAA dùng các thông số neutron
cho một số mẫu chuẩn ..........................................................................................41
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................47
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................48
PHỤ LỤC ..................................................................................................................50

Khóa luận tốt nghiệp

iii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Số liệu hạt nhân dùng để tính hệ số anpha [6] .........................................12
Bảng 1.2: Số liệu hạt nhân dùng để tính chỉ số thay đổi phổ r() Tn / T0 [6]........15
Bảng 1.3: Số liệu hạt nhân dùng để tính nhiệt độ neutron Tn [6] .............................16
Bảng 2.1: Giá trị hàm fit đường chuẩn năng lượng và FWHM tính bới GENIE-2K
...................................................................................................................................23
Bảng 2.2: Giá trị hiệu suất ε p đối với 152Eu tại các vị trí đo so với mặt đầu dò ......24
Bảng 2.3: Các hệ số của đường cong hiệu xuất tương ứng với các vị trí đo ............25
Bảng 2.4: Các chế độ chiếu – rã – đo cho các lá dò và mẫu chuẩn ..........................28
Bảng 2.5: Số liệu hạt nhân dùng để tính thông số phổ bằng phương pháp “ba lá dò
chiếu trần trên Excel..................................................................................................32
Bảng 3.1: Kết quả tính thông số phổ neutron tại Mâm quay bằng các phần mềm k0IAEA, Ko-DALAT, Excel, SANDII .........................................................................36
Bảng 3.2: Kết quả tính thông số phổ kênh 7-1 bằng k0-IAEA, Excel, SANDII .....38
Bảng 3.3: Kết quả tính thông số phổ kênh 13-2 bằng k0-IAEA, Excel, SANDII ...39
Bảng 3.4: Kết quả tính thông số phổ kênh Cột nhiệt bằng k0-IAEA, Excel, SANDII
...................................................................................................................................40
Bảng 3.5: Kết quả phân tích mẫu chuẩn SRM – NIST 1633b bằng phần mềm K0IAEA, ko-DALAT, Excel .........................................................................................42
Bảng 3.6: Kết quả phân tích mẫu chuẩn NIES-Sargasso tại kênh 7-1 bằng phần
mềm K0-IAEA, Excel ...............................................................................................43
Bảng 3.7: Kết quả phân tích mẫu chuẩn SRM 2711a (Montana Soil II) tại kênh 132 bằng phần mềm K0-IAEA, Excel ..........................................................................44
Bảng 3.8: Kết quả phân tích mẫu chuẩn SRM 2711a (Montana Soil II) tại kênh Cột
nhiệt bằng phần mềm K0-IAEA, Excel ....................................................................45

Khóa luận tốt nghiệp


iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ phản ứng hạt nhân với neutron. .......................................................4
Hình 1.2: Đồ thị biểu diễn thông lượng neutron trong lò phản ứng hạt nhân. .........10
Hình 1.3: Vị trí các kênh chiếu mẫu. .......................................................................18
Hình 1.4: Tổng quan phần mềm k0-IAEA. ..............................................................19
Hình 1.5: Cửa sổ thực đơn chính của hệ chương trình Ko-DALAT........................20
Hình 2.1: Chuẩn năng lượng cho hệ phổ kế gamma, dùng phần mềm GENIE-2K.
...................................................................................................................................23
Hình 2.2: Đường cong hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của detector HPGe tại
các vị trí đo. ...............................................................................................................25
Hình 2.3: Lá dò và mẫu chuẩn sau khi được đóng gói.............................................26
Quá trình chuẩn bị lá dò và mẫu chuẩn đều được tiến hành tại phòng xử lý mẫu
INAA, Trung tâm phân tích, Viện nghiên Cứu Hạt Nhân Đà Lạt. ...........................26
Hình 2.4: Khai báo các thông số phổ neutron vào chương trình k0-IAEA. ............29
Hình 2.5: Giá trị các hệ số của đường cong hiệu suất ở vị trí 137,8mm. .................30
Hình 2.6: Các thông tin liên quan đến việc chuẩn bị mẫu. ......................................30
Hình 2.7: Kết quả phân tích phổ. .............................................................................31
Hình 2.8: Bảng tính thông số phổ neutron bằng Excel. ...........................................32
Hình 2.9: Hệ số anpha được tính bằng phương pháp đồ thị. ..................................33
Hình 2.10: File input trong chương trình SANDII...................................................34

Khóa luận tốt nghiệp


1

MỞ ĐẦU
Phương pháp phân tích kích hoạt neutron (Neutron Activation Analysis-NAA)
là một trong những kỹ thuật của vật lý hạt nhân được dùng để phân tích định tính và
định lượng các nguyên tố với độ chính xác cao được áp dụng rộng rãi trong nhiều

lĩnh vực nghiên cứu khoa học như địa chất, khảo cổ, nông - y - sinh học, nông
nghiệp, môi trường, v.v…
Ngày nay, có nhiều phương pháp phân tích nguyên tố hóa lý như: ICP-MS,
AAS, v.v..Tuy nhiên phương pháp phân tích nguyên tố bằng NAA có nhiều ưu
điểm và trong một số trường hợp, NAA là phương pháp phân tích duy nhất (VD:
xác định tạp chất trong vật liệu bán dẫn). Hơn nữa, NAA có độ nhạy và độ chính
xác rất cao.
Phương pháp NAA có thể phân tích đa nguyên tố trong nhiều dạng mẫu khác
nhau dựa vào sự biến đổi của hạt nhân bền thành hạt nhân phóng xạ bằng cách đặt
mẫu vào trường neutron. Các hạt nhân của các nguyên tố trong mẫu sẽ bắt các
neutron để trở thành các đồng vị phóng xạ, sau đó phát ra những bức xạ gamma đặc
trưng, dựa vào phổ gamma thu được ta có thể định tính hoặc định lượng các nguyên
tố hiện diện trong mẫu phân tích.
Trong phương pháp chuẩn hóa k-zero của NAA, việc xác định thông số phổ
neutron là một yếu tố quan trọng, cùng với việc hiệu chuẩn hiệu suất ghi detector là
hai quá trình thực nghiệm phải được tiến hành trước khi xử lý số liệu. Hiện nay, tại
phòng thí nghiệm NAA của Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt sử dụng hai phần
mềm k0-IAEA và Ko-DALAT, hai phần mềm này sử dụng hai phương pháp tính
khác nhau để tính các thông số phổ neutron là phương giải tích Holistic của k0IAEA và phương pháp lặp Newton Raphson của Ko-DALAT. Vì vậy, đề tài này đặt
ra nhằm áp dụng các phương pháp xác định các thông số phổ neutron bằng hai phần
mềm k0-IAEA và Ko-DALAT hiện đang được sử dụng tại phòng thí nghiệm NAA

Khóa luận tốt nghiệp


2

của Viện nguyên cứu hạt nhân Đà Lạt. Hơn nữa, phương pháp lặp mà chương trình
Ko-DALAT sử dụng là phương pháp tính số nhưng cũng có thể minh họa bằng
phần mềm Excel. Ngoài ra, các kết quả xác định thông lượng neutron của hai

phương pháp này cũng được so sánh với kết quả dùng chương trình SANDII là
chương trình được các Trung tâm lò phản ứng sử dụng để tính phổ neutron.
Cấu trúc khóa luận được trình bày với hai phần mở đầu và kết luận cùng với ba
chương chính, trong đó:
Chương 1 - Tổng quan: Trình bày tổng quan về phương pháp kích hoạt neutron,
các phương pháp chuẩn hóa và trình bày các phương pháp xác định thông số phổ
neutron.
Chương 2 - Thực nghiệm: Trình bày hiệu chuẩn hệ phổ kế gamma, các bước tiến
hành thực nghiệm và các bước tính thông số phổ neutron bằng các phần mềm k0IAEA, Ko-DALAT, Excel và SANDII.
Chương 3 - Kết quả và bình luận: Trình bày kết quả tính thông số phổ neutron của
Mâm quay, kênh 7-1, kênh 13-2, Cột nhiệt và kết quả phân tích hàm lượng mẫu
chuẩn bằng các thông số phổ neutron đã được xác định.

Khóa luận tốt nghiệp


3

Chương 1-TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
Trong chương này sẽ trình bày khái quát về phương pháp kích hoạt neutron,
các phương pháp chuẩn hóa dùng trong phân tích kích hoạt neutron, các phương
pháp tính thông số phổ neutron, giới thiệu các hệ chiếu neutron và một số phần
mềm dùng trong khóa luận.

1.1. Giới thiệu phương pháp phân tích kích hoạt neutron
Phân tích kích hoạt neutron (NAA – Neutron Activation Analysis) được ra đời
và áp dụng đầu tiên bởi Von Hevesy và Hilde Levi từ năm 1936. Cho đến nay phân
tích kích hoạt là một phương pháp phân tích hàm lượng các nguyên tố trong mẫu
chính xác nhất và tiện lợi nhất so với các phép phân tích khác. Từ 1938 đến 1940,
người ta phân tích kích hoạt bằng các hạt mang điện như: proton(p), alpha(  ),

deuteron(d),…. Với sự phát triển của lò phản ứng hạt nhân cho phép tạo ra những
neutron có thông lượng lên đến 1012 – 1015 n.cm-2.s-1 thì khi đó phân tích kích hoạt
bằng neutron được xem như là một kĩ thuật phân tích thông dụng nhất với độ tin cậy
rất cao so với phương pháp phân tích khác.
Ngày nay, cùng với sự pháp triển của khoa học kĩ thuật, phương pháp kích
hoạt neutron ngày càng hoàn thiện hơn có thể phân tích nguyên tố đạt mức ppb (10-9
g/g) nếu được chiếu xạ trong lò phản ứng có thông lượng neutron lớn, vì vậy giúp
cho việc phân tích có kết quả tin cậy và chính xác hơn [3].

1.1.1. Nguyên lý của phương pháp kích hoạt neutron
Cơ sở của NAA là phản ứng (n,) trong đó hạt nhân X (hạt nhân bia) hấp thụ
một neutron tạo ra một hạt nhân phóng xạ với cùng số nguyên tử Z nhưng có khối
lượng nguyên tử A tăng lên một đơn vị và phát tia gamma đặc trưng, quá trình này
được biểu diễn bởi phản ứng [4]:
A
Z

X  01 n  ( AZ1 X)*  AZ1 X  

với:
A : Số khối nguyên tố bia;
Z : Số hiệu nguyên tử của hạt nhân bia;
Khóa luận tốt nghiệp


4

Ký hiệu () trong quá trình biểu diễn cho hạt nhân hợp phần ở giai đoạn trung gian.

Hình 1.1: Sơ đồ phản ứng hạt nhân với neutron.

1.1.2. Phương trình kích hoạt neutron
Mối liên hệ giữa tốc độ phản ứng (R) (của một hạt nhân) và số đếm (Np) thu
được tại đỉnh năng lượng toàn phần có thể được viết như sau:
Np / t m
R

Np / t m
S.D.C.N.. p



S.D.C
N A .. p ..W

(1.1)

M

Theo quy ước Hogdahl, tốc độ phản ứng R có thể được viết như sau:
R  .  G th .th0  Gee I0 ()

(1.2)

Kết hợp (1.1) và (1.2) ta được:

Np
tm



N A .W.
[G th .th 0  Gee I 0 ()].S.D.C.. p
M

(1.3)

Khóa luận tốt nghiệp


5

Trong đó:


Np
tm

: là tốc độ xung đo được của đỉnh tia  quan tâm đã hiệu chỉnh cho thời

gian chết và các hiệu ứng ngẫu nhiên cũng như trùng phùng thật;
 Np : số đếm trong vùng đỉnh năng lượng toàn phần;
 NA: hằng số Avogadro;
 W: khối lượng nguyên tố được chiếu xạ;
 : đổ phổ cập đồng vị;
 M: khối lượng nguyên tử của nguyên tố bia;
 Gth: hệ số hiệu chỉnh cho việc tự che chắn neutron nhiệt;
 Ge: hệ số hiệu chỉnh cho việc tự che chắn neutron trên nhiệt;
 S =1-exp(-ti) : hệ số bão hòa, hiệu chỉnh thời gian chiếu, với ti là thời gian
chiếu;

 D = exp(-td) : hệ số phân rã, hiệu chỉnh thời gian phân rã, với td là thời gian
rã;
 C = [1-exp(-tm)]/(tm) : hệ số đo, hiệu chỉnh thời gian đo, với tm là thời gian
đo;
 : xác suất phát tia gamma cần đo;


I 0 ( ) 

I0  0, 4290
Er





0, 4290
: tích phân công hưởng cho phổ neutron
(0,55) (2  1)

1/E1+α ;



 : hệ số lệch phổ neutron trên nhiệt (được trình bày ở phần sau)

Khi đó, hàm lượng (g) của nguyên tố thu được:

W

Np / t m

M
1
.
S.D.C N A ... p G th .th 0  Ge .e I 0 ()
.

(1.4)

Khóa luận tốt nghiệp


6

1.1.3. Các phương pháp chuẩn hóa
a) Phương pháp tuyệt đối
Theo công thức (1.4) hàm lượng nguyên tố  (g/g) có thể thu được bằng việc
chiếu kèm mẫu với một monitor chuẩn ( kí hiệu ) ta được công thức (1.5) như sau:
 Np / t m 


*
*
* *
*
* *
 w.S.D.C  M. .0 . G th f  G eQ 0 ()  p

(g / g) 

.
. .106
*
*
 N p / t m  M ..0 . G th f  G eQ 0 ()  p


 W.S.D.C 

(1.5)

Trong đó:
w: khối lượng mẫu phân tích, (g).
W: khối lượng mẫu chuẩn, (g).
Q0 (α)=

I0 (α)
;  0 là tiết diện bắt neutron nhiệt;
σ0

Phương pháp này có độ chính xác không cao, nhiều sai số vì sử dụng nhiều số
liệu hạt nhân nên ít được sử dụng trong thực tế.
b) Phương pháp tương đối
Trong phương pháp tương đối, mẫu cần phân tích được chiếu cùng với mẫu
chuẩn mà đã biết trước hàm lượng của nguyên tố quan tâm. Mẫu chuẩn và mẫu
phân tích phải được đo cùng một điều kiện. Khi đó, hàm lượng của nguyên tố là:
(g / g) 

(N p / t m ) / (w.S.D.C)
*

*

(N p / t m ) / (W.S.D.C)

106

(1.6)

Phương pháp này là không thể phân tích đa nguyên tố vì tạo ra mẫu chuẩn có
đầy đủ nguyên tố rất khó khăn.
c) Phương pháp so sánh đơn nguyên tố
Theo phương pháp này, mẫu và một chất so sánh bất kì (đã biết hàm lượng)
được chiếu đồng thời, khi đó hàm lượng nguyên tố được tính bởi công thức sau:
(g / g) 

(N p / t m ) /(w.S.D.C)  1  6
.   .10
(N p / t m )* /(W.S.D.C)*  k 

(1.7)

Với k là hệ số được xác định bằng thực nghiệm.

Khóa luận tốt nghiệp


7

*

M.* .*0 .* G*th f  G*eQ*0 () p
k *
.
.
M ..0 . G th f  G eQ0 ()  p

(1.8)

Với phương pháp này, việc phân tích đa nguyên tố trở nên dễ dàng. Tuy nhiên,
vấn đề là phải xác định chính xác hằng số k. Hệ số k phụ thuộc vào dạng phổ
neutron, hiệu suất ghi detector,… do đó sẽ hạn chế về tính linh hoạt của phương
pháp này.
d) Phương pháp chuẩn hóa k0
Để làm cho phương pháp chuẩn đơn có thể áp dụng linh hoạt hơn khi thay đổi
điều kiện chiếu và hệ đo và để làm cho phương pháp tuyệt đối chính xác hơn,
Simonits và các tác giả khác [6] đã đề nghị sử dụng các hệ số k0 được xác định
trước bằng thực nghiệm, nó bao gồm các hằng số hạt nhân độc lập với phổ neutron
và hiệu suất ghi detector.
Hệ số k0 được xác định bằng thực nghiệm theo công thức sau:
 Np / t m 
 w.S.D.C  G f  G Q () 
 a . th,Au
e,Au 0,Au
k 0,Au (a)  
. p,Au .106
N
/
t
 p m 
G th,a f  G e,a Q0,a ()  p,a

 W.S.D.C 

 Au

(1.9)

Với : wa là khối lượng của nguyên tố a;
W là khối lượng của nguyên tố Au;
Thay hệ số k0,Au(a) theo công thức (1.9) vào phương trình cơ bản của phương
pháp tuyệt đối (1.5), ta thu được phương trình cơ bản của phương pháp k0-INAA
như sau:
 Np/ tm 


G
.f+ G e,Au .Q 0,Au (a)  p,Au
1
 w.S.D.C  a
   g/ g  =
.
. th,Au
.
.10 6 (1.10)
k 0,Au (a) G th,a .f+ G e,a .Q 0,a (a)
 p,a
 Np/ tm 


 W.S.D.C  Au

Hiện nay, phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong phân tích kích hoạt
với nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp khác. Trong khoá luận này chúng
tôi dùng phương pháp này để kiểm tra các mẫu chuẩn với các kết quả thông số phổ
tính được.

Khóa luận tốt nghiệp


8

1.1.4. Các thông số trường neutron lò phản ứng
Mỗi vị trí chiếu xạ trong lò phản ứng đặc trưng bởi các thông số phổ neutron
tại vị trí đó như hệ số lệch phổ neutron trên nhiệt, tỉ số thông lượng neutron nhiệt và
neutron trên nhiệt, nhiệt độ neutron. Các hệ số này sẽ được giới thiệu ở các mục tiếp
theo.
a) Hệ số 
Hệ số  biểu diễn cho độ lệch phổ neutron trên nhiệt khỏi quy luật 1/E được
mô tả bằng dạng gần đúng 1/E1+, có giá trị âm hoặc dương [-1,1] phụ thuộc vào
từng loại lò phản ứng, vật liệu và cấu hình xung quanh vị trí chiếu. Giá trị  được
dùng để tính Q0  Q0 () trong phương trình cơ bản. Các phương pháp xác định 
có thể dựa trên các phép đo tỉ số Cd, các phép chiếu bọc Cd hoặc chiếu trần [4]. Các
phương pháp này sẽ được trình bày ở mục 1.2.1.
b) Hệ số
Hệ số f được định nghĩa bằng tỉ số thông lượng neutron nhiệt và neutron trên
nhiệt : f 

th
e

với:

th : thông lượng neutron nhiệt (hay là dưới cadmi);
e : thông lượng neutron trên nhiệt;

Ở đây, khái niệm “dưới cadmi” là các neutron với năng lượng lên đến 0,55
eV (ECd). Các phương pháp xác định tỉ số f sẽ được trình bày ở các mục 1.2.2.
c) Chỉ số thay đổi phổ r(α) Tn /T0 và nhiệt độ neutron
Chỉ số thay đổi phổ r(α) Tn /T0 là một phép đo tỉ số mật độ neutron trên nhiệt
đối với mật độ neutron toàn phần. Xác định được chỉ số này ta có thể tính được
nhiệt độ neutron Tn. Các phương pháp xác định chỉ số này sẽ được trình bày ở các
mục 1.2.3.

Khóa luận tốt nghiệp


9

1.1.5. Thông lượng neutron
Neutron trong lò phản ứng chủ yếu là neutron nhanh (hoặc neutron phân hạch)
được tạo ra từ phản ứng phân hạch hạt nhân. Các neutron này mất đi trong khoảng
10-15 s do va chạm với vật liệu xung quanh và cuối cùng bị nhiệt hóa. Neutron sinh
ra trong lò phản ứng có năng lượng trong khoảng 0 đến 20 MeV. Trong khoảng
năng lượng này neutron tương tác với vật chất khác nhau trong các miền năng
lượng khác nhau. Vì vậy, người ta chia phổ neutron trong lò phản ứng ra làm 3
vùng năng lượng.
+ Đặc điểm của các neutron nhiệt: có năng lương En trong khoảng 0 < En

< 0,55

eV, các neutron chuyển động ở trạng thái cân bằng nhiệt với các phân tử môi
trường. Trong vùng này mật độ neutron phụ thuộc vào năng lượng theo phân bố

Maxwell-Boltzmann:
n(E)=

2πn -E/kT
e
E
(πkT)3/2

(1.11)



Trong đó: n   n( E )dE là mật độ neutron toàn phần;
0

k = 8,61x10-5 eV/K là hằng số Boltzmann và T là nhiệt độ môi trường. Ở nhiệt
độ phòng thí nghiệm T=293,6oK thì v=2200 m/s và năng lượng neutron nhiệt
bằng ET=0,0253 eV.
+ Đặc điểm của các neutron trung gian (neutron trên nhiệt): có năng lượng En
trong khoảng 0,55 eV < En

< 100 keV, các neutron trong vùng năng lượng này

được gọi là neutron trên nhiệt, ở vùng này tiết diện tương tác của neutron với vật
chất có dạng cộng hưởng. Do đó, miền năng lượng này còn gọi là miền cộng hưởng.
Một cách lý tưởng, phân bố thông lượng neutron trên nhiệt tỉ lệ nghịch với năng
lượng neutron E.
e (E)=

e

E

(1.12)

Khóa luận tốt nghiệp


10

Trong đó, e (E) - thông lượng neutron trên nhiệt ở năng lượng E, và e thông
lượng neutron trên nhiệt theo quy ước. Nhưng trong thực tế sự phụ thuộc này
thường được biểu diễn theo dạng:
e (E)=

e
(1eV)α
1+α
E

(1.13)

+ Đặc điểm của các neutron nhanh: là các neutron sinh ra trong phản ứng phân
hạch, có năng lượng khoảng 100 keV-20 MeV, phân bố cực đại trong khoảng 0,7
MeV. Neutron này tồn tại đồng thời với neutron nhanh và neutron nhiệt. Phổ phân
hạch thường dùng là phổ phân hạch của Watt được biểu diễn theo công thức:
f (E) = 0,484f e-Esinh 2E

(1.14)

Trong đó, E là năng lượng neutron, đơn vị là MeV, f và f (E) là thông lượng

neutron nhanh và thông lượng neutron nhanh ở năng lượng E [1].

Hình 1.2: Đồ thị biểu diễn thông lượng neutron trong lò phản ứng hạt nhân.

1.2. Các phương pháp xác định các thông số phổ neutron
1.2.1. Phương pháp xác định hệ số α
Có ba phương pháp thực nghiệm xác định hệ số lệch phổ anpha ( α ) các
phương pháp này lần lược được trình bày ở các mục bên dưới.

Khóa luận tốt nghiệp


11

1.2.1.1. Phương pháp bọc cadmi đa lá dò
Phương pháp này chủ yếu thích hợp cho việc xác định α trong kích hoạt
neutron trên nhiệt. Theo phương pháp này một bộ monitor được chiếu bọc
Cadmium, α chính là độ dốc của đường thẳng sau khi làm khớp [1]:

E  A 
-α

r,i

log

sp,i Cd

k 0,Au (i).ε p,i .FCd,i .Q0,i (α).G e,i

theo logE r,i

(1.15)

Trong đó:

A 

sp,i Cd

=

N p /t m
W.S.D.C

: hoạt độ riêng của monitor thứ I (phân rã/giây/gam);

ε p,i : hiệu suất ghi nhận của detector đối với từng monitor;
FCd,i : hệ số hiệu chỉnh cho sự truyền qua Cd của các neutron trên nhiệt;
G e,i : hệ số tự che chắn neutron trên nhiệt;
k 0,Au (i) : hằng số k0 của monitor i so với vàng (Au);

Vế trái của phương trình (1.15) là một hàm log chính bản thân nó là một hàm
theo α . Vì vậy để tìm α ta sẽ áp dụng phép tính lặp bằng cách cho α = 0, sau đó vẽ
đồ thị bằng phương trình (1.15) ta sẽ được hệ số góc α = α 1, vẽ đồ thị với phương
trình như trên nhưng với hệ số góc α = α 1, tiếp tục làm như vậy cho tới khi α n-1= α n
thì α n chính là hệ số lệch phổ neutron trên nhiệt cần tìm.
Ngoài ra, nghiệm α có thể tìm được bằng các giải phương trình [2]:

 

-



N
 Asp,i epiCd . E r,i
N



-
i log( k (i).e .F .G .Q (a) )  
i log Er,i  
N 
 Asp,i epiCd . E r,i

0,Au
p,i Cd,i
e,i
0,i

i log Er,i - N  log( k (i).e .F .G .Q () ) N

0,Au
p,i
Cd,i
e,i
0,i



 
 

  (1.16)

=0
+
2
N


i log Er,i 
N 
i log Er,i - N 



 

Khi chọn monitor ta nên chọn những monitor có năng lượng E r,i phân bố từ
thấp đến cao để đảm bảo sự tuyến tính trong phương trình (1.15) và giá trị α không

Khóa luận tốt nghiệp


12

đổi trong vùng năng lượng neutron trên nhiệt tại vị trí chiếu mẫu. Trong thực
nghiệm xác định hệ số α ta thường dùng các monitor

197

Au-238U-98Mo-64Zn có bọc

lớp cadmi và bộ ba monitor 197Au-96Zr-94Zr.
1.2.1.2. Phương pháp tỉ số Cadmi cho đa lá dò
Phương pháp này sử dụng một bộ gồm N monitor được chiếu trần và bọc
cadmium. Mỗi monitor đặc trưng bởi một năng lượng cộng hưởng hiệu dụng trung
bình E r,i . Khi đó ứng với mỗi monitor, ta tính được tỉ số Cadmi, RCd như sau [2]:
R Cd,i =1+

Asp,i
th .σ0,i
=
e .I0,i (α) Asp,i epiCd

(1.17)

Trong đó:
Asp,i , Asp,i epiCd : hoạt độ riêng đối với từng monitor ứng với chiếu trần

và chiếu bọc Cadmi (phân rã/giây/gam);
Cũng như phương pháp “đa lá dò bọc Cd”, α là độ dốc của đường thẳng sau
khi làm khớp [2]:
-α

E r,i
theo logE r,i
log

 FCd,i .R Cd,i -1.Q0,i (α).G e,i /G th,i

(1.18)

Trong thực nghiệm xác định hệ số α ta thường dùng các monitor được cho
trong bảng 1.1.
Bảng 1.1: Số liệu hạt nhân dùng để tính hệ số anpha [6]
Phản ứng kích hoạt
197
Au(n, γ)198Au
232
Th(n, γ)233Th/233Pa

E r ,eV
5,65 ± 0,40
54,4 ± 0,5

Q0
15,71 ± 0,28
11,53 ± 0,42

Co(n, γ) 60Co
98
Mo(n, γ) 98Mo/99mTc

136 ± 7
241 ± 48

1,993 ± 0,054
53,1 ± 3,3

Zn(n, γ) 69mZn
64
Zn(n, γ) 65Zn
94
Zr(n, γ) 95Zr

590 ± 59
2560 ± 256
6260 ± 250

3,19 ± 0,045
1,908 ± 0,093
5,05 ± 0,10

59

68

T1/2
2,695 ngày
22,3 phút
27 ngày
5,271 năm
66,02 giờ
6,02 giờ
13,76 giờ
244 ngày
64,03 ngày

Khóa luận tốt nghiệp


13

Ngoài ra, nghiệm α cũng có thể tìm được bằng cách giải phương trình (1.19)
như sau:
-α

N


N
G th,i .E r,i




log(
)
-α
i (F .R -1).G .Q  α   
i logEr,i  
N 
G th,i .E r,i

Cd,i
Cd,i
e,i
0,i

i logEr,i - N  log( (F .R -1).G .Q  α  )
N
Cd,i
Cd,i
e,i
0,i



 
 



α+ 
=0
2
N


i logEr,i 
N 
i logEr,i - N 



(1.19)

1.2.1.3. Phương pháp đa lá dò chiếu trần
Phương pháp này thường được dùng trong lò phản ứng để xác định hệ số  .

Theo phương pháp này, một bộ các monitor được đem chiếu trần với một monitor
tham khảo “reference” [3]:

  T  Theo logE

log E

-α

r,i

i

(1.20)

r,i

Cách vẽ để tìm hệ số α cũng giống như hai phương pháp trên, ngoài ra nghiệm
 có thể tìm được bằng cách giải phương trình sau:
N
N



logE r,i  
logTi  







i  logE r,i - i N  logTi - i N  













 =0
α+
2
N


i logE r,i 
N 
i logE r,i - N 


N

(1.21)

 Asp,i
 -α
Asp,ref

 .E r,i
 k 0,Au (i)ε p,i k 0,Au (ref)ε p,ref 

Với : Ti =
Q0,i (α).G e,i /G th,i -Q0,ref (α).G e,ref /G th,ref

(1.22)

Trong công thức (1.21) không tính đến monitor “ref” tức là nếu số monitor là
N+1 thì nó gồm có N monitor cộng với một monitor “ref”. Trong phương pháp này
người ta thường dùng “ba lá dò” để tính hệ số α tức là gồm N = 2 monitor và 1
monitor “ref” khi đó ta được phương pháp “ba lá dò chiếu trần” [3].
Khóa luận tốt nghiệp


14

(a-b)[Q0 (α)]1 -(a+1)[Q0 (α)]2 +(b+1)[Q0 (α)]3 =0

(1.23)

Trong đó:
A

k (2) ε

a=  sp,1 . 0,Au . p,2 -1
 Asp,2 k 0,Au (1) ε p,1 

-1

A

k (3) ε
b=  sp,1 . 0,Au . p,3 -1
 Asp,3 k 0,Au (1) ε p,1 

-1

Cách chọn các monitor dựa vào giá trị năng lượng cộng hưởng hiệu dụng.
Thông thường trong phương pháp “ba lá dò chiếu trần” bộ lá dò được sử dụng là:
Au197- Zr94 – Zr96.

1.2.2. Phương pháp xác định hệ số f
1.2.2.1. Phương pháp tỉ số Cadmi
Tỉ số thông lượng neutron nhiệt/neutron trên nhiệt, f = th / e , thu được bằng
cách dùng các thực nghiệm cho việc xác định  .
Thật vậy, từ công thức (1.15) khi có tính đến hệ số tự che chắn neutron nhiệt
và trên nhiệt, f có thể xác định từ phép đo tỉ số Cd đối với một monitor như sau:
f=(FCd,r .R Cd,r -1)Q0 (α).Ge,r /G th,r

(1.24)

Trong công thức (1.24) chỉ số r kí hiệu cho monitor tỉ số thông lượng neutron với
giá trị Q0 và E r được biết khá chính xác khi chiếu có bọc và không bọc lớp Cd.
1.2.2.2. Phương pháp ba lá dò chiếu trần

Từ việc xác định hệ số α theo phương pháp “ba lá dò chiếu trần”, ta có thể rút
ra biểu thức xác định tỉ số thông lượng neutron f như sau [3]:
A
k 0,Au (1) ε p,1
.
-G e,2 .Q0,2 (α). sp,1
k 0,Au (2) ε p,2
Asp,2
A
k (1) ε
G th,2 . sp,1 -G e,1.Q0,1 (α). 0,Au . p,1
Asp,2
k 0,Au (2) ε p,2

G e,1.Q0,1 (α).
f=

(1.25)

Trong đó:
Asp,1 =

Np / t m
S.D.C.W

: hoạt độ riêng của monitor thứ nhất (phân

rã/giây/gam);

Khóa luận tốt nghiệp

15

Asp,2 =

N p /t m
S.D.C.W

: hoạt độ riêng của monitor thứ hai (phân

rã/giây/gam);
Monitor thích hợp trong trường hợp này là Zr (theo phản ứng (2) là phản ứng
94

Zr(n,  ) 95Zr và (1) là phản ứng 96Zr(n,  ) 97Zr).

1.2.3. Phương pháp xác định nhiệt độ neutron (Tn)
1.2.3.1. Xác định chỉ số thay đổi phổ neutron
a) Tỉ số Cadmi.
Chỉ số thay đổi phổ được xác định từ phương trình như sau:
r(α) Tn /T0 =

G th g  Tn 
 g  Tn  /2,2931 2

R Cd FCd 
W'(α)+s0 (α)G r  -s0 (α)G r
α
π

 (1+2α)0,55


(1.26)

Các monitor thích hợp dùng để tính chỉ số thay đổi phổ neutron theo công thức
(1.26) là

55

Mn,

59

Co và

197

Au. Trong phương trình (1.24), W’(α) là hàm gần đúng

của hệ số α, được cho bởi:


W'()  W'.E r (1eV)

(1.27)

Với W’ – số hạng hiệu chỉnh cho tiết diện không theo luật 1/v nằm giữa µkT n
và ECd. Đối với lá dò có tiết diện tuân theo qui luật 1/v thì W’=0. Đối với lá dò có
tiết diện không theo luật 1/v thì nó có thể được xem như hằng số cho dù giá trị

chính xác của nó phụ thuộc vào loại lò phản ứng và vị trí chiếu xạ; tuy nhiên sai số
có thể bỏ qua khi s0 rất lớn so với W’ (ví dụ, đối với Au, xem bảng 1.2).
Bảng 1.2: Số liệu hạt nhân dùng để tính chỉ số thay đổi phổ r() Tn / T0 [6]
Phản ứng kích
hoạt
197
Au(n, γ)198Au
59
Co(n, γ)60Co

E r ,eV

s0

W’

FCd

g(Tn)

5,65±0,40
136±7

17,24
1,765

0,055
0

0,991

1

1
1

Khóa luận tốt nghiệp


16

b) Phương pháp chiếu trần
Phương pháp này sử dụng hai monitor chiếu trần, hai monitor được chọn tốt
nhất là một monitor nhạy với neutron nhiệt và một monitor nhạy với neutron trên
nhiệt. Thông thường người ta sử dụng hai monitor

96

Zr và 94Zr, khi đó chỉ số thay

đổi phổ được tính như sau [2]:
A
k 0,Au (1) ε p,1
.
.g1 (Tn )-G th,1. sp,1 .g 2 (Tn )
k 0,Au (2) ε p,2
A sp,2
r(α) Tn /T0 =
A
k (1) ε
G r,2 . sp,1 .S0,2 (α)-G r,1. 0,Au . p,1 .S0,1 (α)

Asp,2
k 0,Au (2) ε p,2
G th,2

Với: S0 (α)=S0 .E r

(1.28)

-α

Trong đó (1) là 96Zr, (2) là 94Zr
1.2.3.2. Xác định nhiệt độ neutron Tn
Để tính hệ số Westcott g(Tn) thì ta cần xác định nhiệt độ neutron Tn. Nhiệt độ này
được xác định bằng việc chiếu kèm một monitor Lutetium (Lu) và một monitor 1/v
(Au chẳng hạn). Mục tiêu là đo [g(Tn)]Lu tại kênh chiếu xạ và từ bảng [8] cho trước
[g(Tn)]Lu theo Tn ta suy ra được nhiệt độ neutron Tn. Giá trị của [g(Tn)]Lu được tính
từ [2]:
 A /G

Asp,1/v
g Lu (Tn )=  sp,Lu th,Lu /

 k 0,Au (Lu)ε p,Lu k 0,Au (1/v)ε p,1/v 
x[G th,1/v .g1/v (Tn )+G r,1/v .r() Tn /T0 .s0,1/ ()] -G r,Lu .r(α) Tn /T0 .s0,Lu (α)/G th,Lu

(1.29)

Monitor được chọn là Au và số liệu hạt nhân của nó cho thấy ở bảng 2.3.
Bảng 1.3: Số liệu hạt nhân dùng để tính nhiệt độ neutron Tn [6]
Phản ứng kích

hoạt
176
Lu(n, γ)177Lu
197

Au(n, γ)198Au

Eγ, keV

T1/2

k0,Au

s0

E r ,eV

112,9
208,4
411,8

6,71 ngày

4,16.10-2
7,14.10-2
1

1,67

0,158

17,24

5,65±0,40

2,696 ngày

Khóa luận tốt nghiệp


17

1.2.4. Phương pháp xác định thông lượng neutron nhiệt, neutron trên
nhiệt và neutron nhanh
Sau khi tính toán hệ số f và  ta có thể tính thông lượng neutron bằng phương
trình kích hoạt neutron cơ bản.
Dựa vào phương trình (1.3) thông lượng neutron nhiệt được xác định như sau:
th =

(N p /t m ).M
S.D.C.N A .W.θ.ε p .γ.σ0 .(1+

(1.30)

Q0 (α)
)
f

Tính được thông lượng neutron nhiệt dễ dàng ta có thể suy ra thông lượng
neutron trên nhiệt: e 

th
f

(1.31)

Từ phương trình Hogdal (1.1) và (1.2), ta tính được thông lượng neutron
nhanh như sau:
f =

(N p /t m ).M

(1.32)

S.D.C.N A .W.θ.ε p .γ.σf

Trong đó:
f : thông lượng neutron nhanh;
σ f : tiết diện bắt neutron nhanh của nhân bia;

Để tính thông lượng neutron nhanh ta cần lựa chọn những lá dò có tiết diện bắt
neutron nhanh cao như các lá dò sau: Fe54, Ni58,…

1.3. Các vị trí chiếu mẫu trong lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt
Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt được xây dựng vào những năm 1960 trải qua
nhiều lần nâng cấp hiện nay lò đang hoạt động với công suất danh định là 500kWt
bằng nhiên liệu loại VVR-M2 với độ làm giàu thấp 19,75% U-235. Chất làm chậm
và chất tải nhiệt bằng nước thường (H2O) với cơ chế làm nguội vùng hoạt bằng đối
lưu tự nhiên. Chất phản xạ quanh vùng hoạt là beryllium và graphite. Hiện nay, lò
phản ứng có 9 kênh chiếu mẫu: Bẫy neutron tại trung tâm hoặc vùng hoạt, Mâm

quay, Cột nhiệt, kênh 1-4, kênh 7-1, kênh 13-2, kênh ngang hướng tâm, kênh ngang
tiết tuyến và kênh ngang xuyên tâm. Trong đó, Mâm quay, kênh 7-1, kênh 13-2, Cột

Khóa luận tốt nghiệp


18

nhiệt được sử dụng cho mục đích kích hoạt neutron và được giới thiệu ở phần dưới
đây.
+ Mâm quay: Nằm ở vành phản xạ, có 40 hốc chiếu, là vị trí chiếu ướt dùng cho
các phép chiếu dài (>1 giờ). Vì là kênh ướt nên mẫu được chiếu phải được bao gói
thích hợp vào container chuyên dụng cho việc chiếu mẫu tại Mâm quay.
+ Kênh 7-1 và Kênh 13-2: Là hai kênh khô được nối với hệ chuyển mẫu tự động
khí nén thích hợp cho việc chiếu mẫu trong thời gian từ vài giây đến vài chục phút.
+ Cột nhiệt: là vị trí có độ nhiệt hóa neutron rất lớn, hệ số f trên 200, được kết nối
với hệ chuyển mẫu khí nén dùng cho các phép chiếu dài (>1 giờ).

Hình 1.3: Vị trí các kênh chiếu mẫu.

1.4. Các phần mềm tính toán thông số phổ neutron.
+ k0-IAEA: Là phần mềm phân tích kích hoạt neutron dựa trên phương pháp chuẩn
hóa k-zero (NAA). Phần mềm có thể xử lý tất cả các số liệu được yêu cầu trong bài
toán k0-NAA, chẳng hạn như: Tính toán các thông số phổ neutron, hiệu chuẩn hiệu
suất ghi detetcor, hiệu chính hình học mẫu và cấu hình đo, và tính hàm lượng cùng
với sai số, v.v… Phần mềm được phát triển bởi M. Blaauw ở Trường Đại học Công
nghệ Delft, Hà Lan.
Khóa luận tốt nghiệp