ẢNH HƯỞNG CỦA GAMMA LÊN ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY NEUTRON SỬ DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG GEANT4

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ

----------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ẢNH HƯỞNG CỦA GAMMA LÊN ĐẦU DÒ
NHẤP NHÁY NEUTRON SỬ DỤNG PHẦN MỀM
MÔ PHỎNG GEANT4

SVTH: Đặng Thị Thu Hiền
GVHD: TS. Phạm Nguyễn Thành Vinh

-----------------Tp. Hồ Chí Minh, Năm 2017


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ

----------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ẢNH HƯỞNG CỦA GAMMA LÊN ĐẦU DÒ
NHẤP NHÁY NEUTRON SỬ DỤNG PHẦN MỀM
MÔ PHỎNG GEANT4

SVTH: Đặng Thị Thu Hiền
GVHD: TS. Phạm Nguyễn Thành Vinh

-----------------Tp. Hồ Chí Minh, Năm 2017


LỜI CẢM ƠN
Trải qua bốn năm học tập và làm việc tại Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Tp.
HCM, tôi đã nhận được rất nhiều bài học bổ ích từ những giảng viên luôn tận tâm
với sự nghiệp ươm mầm kiến thức lẫn niềm đam mê nghề nghiệp, tôi cũng đã nhận
được rất nhiều sự giúp đỡ, động viên của những người bạn luôn đồng hành, luôn ở
cạnh tôi không chỉ trong những buổi học trên giảng đường mà còn cả trong đời sống
hàng ngày. Bốn năm đại học với rất nhiều kỷ niệm được kết lại bằng thành quả của
luận văn tốt nghiệp bởi đây chính là bước đi đầu tiên của tôi trong việc tiếp cận với
hoạt động nghiên cứu một vấn đề vật lý nghiêm túc. Tôi xin dành tất cả sự trân
trọng và cám ơn sâu sắc đến:
TS. Võ Hồng Hải, người thầy đã tạo điều kiện và luôn nhiệt tình hỗ trợ, hướng
dẫn tôi thực hiện đề tài nghiên cứu này.
TS. Phạm Nguyễn Thành Vinh, người luôn tạo ra không khí làm việc thoải
mái và nghiêm túc trong nhóm nghiên cứu, luôn sát cánh bên tôi, động viên tôi
trong suốt quá trình hoàn thành luận văn này.
Tôi xin gửi lời cám ơn đến các anh chị, các bạn trong nhóm nghiên cứu đã
luôn nhiệt tình hỗ trợ tôi trong cả công việc học tập lẫn cuộc sống.
Con xin dành tất cả thành quả của khóa luận tốt nghiệp này, dù không là một
kết quả lớn nhưng đó là bước đầu tiên của con trên con đường học vấn sau này cho
bố mẹ, anh chị vì đã luôn dành một tình yêu vô bờ, luôn che chở, bên cạnh để nâng
từng bước đi của con.
TP.Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2017
Người thực hiện luận văn

Đặng Thị Thu Hiền

MỤC LỤC

Danh mục bảng ...................................................................................................... i
Danh mục hình vẽ................................................................................................. ii
Lời mở đầu ............................................................................................................ 1
Chương 1: Tổng quan .......................................................................................... 3
1.1. Tương tác giữa neutron với vật chất ............................................................... 3
1.1.1. Giới thiệu tổng quan về neutron .............................................................. 3
1.1.2. Các loại tương tác của neutron với vật chất ............................................ 5
1.1.2.1. Tán xạ đàn hồi .................................................................................. 5
1.1.2.2. Tán xạ không đàn hồi ....................................................................... 7
1.1.2.3. Phân hạch.......................................................................................... 7
1.1.2.4. Bắt neutron ....................................................................................... 8
1.1.2.5. Phản ứng sinh nhiều neutron ............................................................ 9
1.1.3. Tiết diện neutron trong các quá trình tương tác với vật chất ................. 10
1.1.3.1. Tiết diện tán xạ đàn hồi .................................................................. 10
1.1.3.2. Tiết diện tán xạ không đàn hồi ....................................................... 12
1.1.3.3. Tiết diện hấp thụ ............................................................................. 12
1.1.3.4. Tiết diện tương tác neutron đối với hạt nhân 3He, 10B, 6Li ............ 13
1.2. Các loại đầu dò neutron................................................................................. 14
1.3. Giới thiệu phần mềm mô phỏng GEANT4 ................................................... 17
Chương 2: Mô hình mô phỏng GEANT4 cho vật liệu nhấp nháy ghi
nhận neutron....................................................................................................... 20
2.1. Xây dựng mô hình đầu dò nhấp nháy ........................................................... 20
2.1.1. Mô hình đầu dò nhấp nháy cho việc ghi nhận neutron và gamma ........ 20
2.1.2. Hạt tới .................................................................................................... 21
2.2. Xây dựng chương trình mô phỏng ................................................................ 21
2.2.1. Xây dựng mô hình đầu dò (DetectorConstruction) .............................. 22
2.2.2. Tương tác vật chất ................................................................................. 25

2.2.3. Mô hình nhấp nháy (Optical processes) ................................................ 32
2.2.4. Khai báo hạt tới (PrimaryGeneratorAction) ......................................... 33
2.2.5. Số liệu ghi nhận và vẽ phổ ..................................................................... 34
Chương 3: Kết quả và thảo luận ....................................................................... 35
3.1. Phổ năng lượng gamma và neutron để lại trên vật liệu nhấp nháy ............... 35
3.2. Phổ thể hiện sự phụ thuộc của năng lượng để lại đầu dò vào số photon
tại photocathode ................................................................................................... 36
3.3. Phổ ghi nhận số photon tại photocathode (PMT hit) .................................... 38
3.4. Phổ thời gian ghi nhận nhấp nháy trung bình của gamma và neutron và
sự phân tách tín hiệu neutron ............................................................................... 39
Kết luận và kết nghị ........................................................................................... 44
Tài liệu tham khảo ............................................................................................. 45


i

Danh mục bảng
STT

Bảng

Tên gọi

Trang

1

2.1

Các đặc trưng của hạt tới được sử dụng

21

trong đề tài
2

2.2

Khai báo loại hạt và tương tác vật lý

25

trong mô hình “Hadron processes”
3

2.3

Khai báo loại hạt và tương tác vật lý
trong

mô

hình

26

“Electromagnetic

processes”

4

2.4

Khai báo loại hạt và tương tác vật lý

28

trong mô hình “Decay processes”
5

2.5

Thông số chất nhấp nháy BC408

32

6

2.6

Khai báo loại hạt và tương tác vật lý

33

trong mô hình “Optical processes”
7

3.1

Các thông số làm khớp đỉnh phổ bằng
dạng hàm Gauss

41


ii

Danh mục hình vẽ
STT

Hình

Tên gọi

1

1.1

Quá trình phân rã của neutron

4

2

1.2

Tương tác của neutron với vật chất

5

3

1.3

Sự tán xạ neutron

6

4

1.4

Tán xạ không đàn hồi của neutron

7

5

1.5

Sự phân hạch hạt nhân

8

6

1.6

Tiết diện tán xạ đàn hồi cộng hưởng

11

7

1.7

Sự phụ thuộc σi vào năng lượng E

12

8

1.8

Tiết diện tương tác của neutron với 3He,

14

10

9

1.9

Trang

B và 6Li

Đồ thị mối liên hệ của cường độ sáng

17

tương đối theo thời gian
10

1.10

Cấu trúc chương trình GEANT4

18

11

2.1

Mô hình đầu dò nhấp nháy cho việc ghi

20

nhận neutron và gamma
12

2.2

Mô hình mô phỏng đầu dò nhấp nháy ghi

22

nhận neutron và gamma

13

3.1

Năng lượng để lại của gamma và neutron

35

có năng lượng tới 1 MeV. Đường màu đỏ
và màu xanh lần lượt thể hiện tín hiệu
cho neutron và gamma.
14

3.2

Sự phụ thuộc của số photon tại
photocathode theo năng lượng để lại của
neutron và gamma. Điểm màu đỏ và màu
xanh lần lượt thể hiện tín hiệu cho
neutron và gamma

37


iii
15

3.3

Phổ ghi nhận số photon tại photocathode

38

(PMT hit). Đường màu đỏ và màu xanh
lần lượt thể hiện tín hiệu cho neutron và
gamma. Phần đồ thị nhỏ là phần phóng to
của phổ tương ứng với giá trị số photon
từ 0 đến 200
16

3.4

Thời gian ghi nhận nhấp nháy trung bình

40

của gamma và neutron
17

3.5

Phổ làm khớp dạng Gauss bằng phần

41

mềm Root thời gian ghi nhận nhấp nháy
trung bình của gamma và neutron. Trong
đó đường mượt màu đỏ chính là đường
làm khớp
18

3.6

Phổ ghi nhận số photon tại photocathode
(PMT hit). Hình 3.6a là phổ tổng bao
gồm tín hiệu từ cả neutron và gamma,
hình 3.6b là phổ tương ứng với tín hiệu
chỉ của neutron được tách ra từ hình 3.6a
khi áp dụng điều kiện thời gian ghi nhận
lớn hơn 3 ns, và hình 3.6c là phổ chuẩn
khi chỉ xét neutron tới đầu dò trong cùng
điều kiện ban đầu

43


1

LỜI MỞ ĐẦU

Nếu xét trên phương diện xây dựng đầu dò, neutron là hạt không mang điện
nên chúng không tương tác với các electron của nguyên tử để ion hóa trực tiếp môi
trường trong đầu dò như các hạt bức xạ mang điện. Khi đi qua môi trường vật chất,
neutron cũng giống như các bức xạ khác, chúng sẽ mất năng lượng do quá trình
tương tác trực tiếp với hạt nhân nguyên tử của môi trường. Do đó, cơ chế ghi nhận
của neutron hoàn toàn khác với gamma hay các hạt mang điện.
Ngày nay, đầu dò chứa khí và đầu dò nhấp nháy được dùng để ghi nhận
neutron. Đầu dò chứa khí thường được sử dụng để ghi nhận neutron chậm. Các loại
đầu dò chứa khí đo neutron nhanh thì phải sử dụng chất làm chậm neutron. Để hiệu
suất ghi nhận neutron cao cần phải lựa chọn bề dày chất làm chậm thích hợp. Khi

chất làm chậm tăng lên, hiệu suất ghi nhận neutron tăng lên. Tuy nhiên, nếu tiếp tục
tăng bề dày chất làm chậm, các neutron sẽ bị chất làm chậm hấp thụ hoặc không thể
đến được đầu dò do mất hết năng lượng, hiệu suất ghi giảm xuống. Các đầu dò sử
dụng chất làm chậm có nhược điểm là không cho thông tin về năng lượng của
neutron, quá trình ghi nhận chậm. Do đó, phương pháp hữu hiệu để ghi nhận
neutron nhanh là dựa trên tán xạ đàn hồi. Và các loại đầu dò tán xạ neutron thông
dụng bao gồm các đầu dò nhấp nháy chứa hydrogen và các ống đếm tỉ lệ chứa khí
nhẹ.
Hiện nay có những nghiên cứu sử dụng môi trường nhấp nháy pha tạp các chất
10

B hay 6Li trong việc phát triển các đầu dò đo neutron. Đối với đầu dò nhấp nháy

neutron, gamma do môi trường xung quanh luôn ảnh hưởng đến ghi nhận neutron.
Trong khóa luận này, chúng tôi thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của gamma lên
“tín hiệu” neutron trong môi trường đầu dò nhấp nháy. Phương pháp nghiên cứu
trong đề tài này là sử dụng phần mềm mô phỏng GEANT4 (Geometry And
Tracking).


2
Trong khóa luận, mô hình mô phỏng đầu dò nhấp nháy plastic C9H10 được xây
dựng để phân biệt neutron với gamma cùng năng lượng tới là 1 MeV, dạng nguồn
điểm, hướng bắn trực tiếp đến đầu dò.
Cụ thể, công việc trong khóa luận là thực hiện xây dựng mô hình mô phỏng
GEANT4 trong việc ghi nhận neutron được thực hiện trong chương 2. Với mô hình
mô phỏng này, chúng tôi thực hiện khảo sát dạng đáp ứng phổ của gamma, neutron
với cùng năng lượng tới cho vật liệu nhấp plastic.
Cấu trúc của khóa luận gồm có 3 chương, kết luận và kiến nghị. Cụ thể:
 Chương 1: Tổng quan. Chương này mô tả một cách tổng quan về

neutron và phần mềm mô phỏng GEANT4.
 Chương 2: Mô hình mô phỏng GEANT4 cho vật liệu nhấp nháy ghi
nhận neutron.
 Chương 3: Thảo luận và kết quả.


3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tương tác giữa neutron với vật chất
1.1.1. Giới thiệu tổng quan về neutron
Neutron được quan sát đầu tiên bởi Walther Bothe và Herbert Becker vào năm
1930 khi bắn phá các nguyên tố Beryllium bằng những hạt alpha thì sinh ra một bức
xạ lạ có các tính chất thâm nhập bất thường vào vật chất, bức xạ này được 2 nhà vật
lý cho là “bức xạ gamma” nhưng lại nhận được sự nghi ngờ rất lớn từ Rutherford và
Chadwick. Đến năm 1932 Chadwick nhanh chóng thực hiện một loạt các thí
nghiệm cho thấy bức xạ mới là các hạt không tích điện có khối lượng xấp xỉ khối
lượng của proton. Do không mang điện tích nên hạt do Chadwick tìm được được
đặt tên là neutron. Cần lưu ý là tên gọi neutron cũng đã được đặt cho một loại hạt
khác được dự đoán bởi Pauli từ phân rã phóng xạ beta vào năm 1930. Sau đó,
Enrico Fermi đã đề xuất việc gọi hạt “neutron” của Pauli là neutrino do hạt này có
khối lượng cực kỳ nhỏ (có thể coi như xấp xỉ bằng không) trong một hội nghị được
tổ chức tại Paris vào năm 1932.
Ngày nay, neutron đã được biết đến rộng rãi là một hạt cơ bản thuộc họ
hadron, hay cụ thể hơn neutron nằm trong nhóm baryon, có khối lượng xấp xỉ 940
MeV/c2. Neutron được tạo nên bởi một quark lên và hai quark xuống. Quá trình
phân rã của neutron (n → p + e +𝜈̃𝑒 ) tuân theo sơ đồ được thể hiện trong hình 1.1.
Trong đó, một trong hai quark xuống sẽ chuyển thành một quark lên. Do điện tích
của quark xuống và quark lên lần lượt là -1/3 và 2/3 nên quá trình chuyển đổi này
được trung gian bởi một hạt ảo W-, mang điện tích -1 để định luật bảo toàn điện tích

được nghiệm đúng. Quark lên vừa được hình thành sẽ bật ra khỏi hạt W-, khi này
neutron đã được chuyển hóa thành proton. Hạt ảo W- sau đó cũng phân hủy để tạo
ra một electron và một phản hạt neutrino. Cuối cùng proton, electron và phản hạt
neutrino tách khỏi nhau, kết thúc quá trình phân rã của neutron để tạo thành proton.


4

Hình 1.1. Quá trình phân rã của neutron [6].
Tuy neutron là hạt trung hòa về điện nhưng tương tác điện từ giữa chúng và
electron nguyên tử vẫn tồn tại thông qua tương tác moment từ giữa chúng. Tương
tác này yếu đến mức, để có đủ năng lượng 10 eV để ion hóa nguyên tử thì tương tác
này phải xảy ra ở bán kính 10−13 m, nhưng độ mất năng lượng khoảng 10 eV do
ion hóa không đáng kể so với độ mất năng lượng do neutron tương tác với hạt nhân.
Chẳng hạn, khi neutron va chạm với proton thì nó có thể mất toàn bộ năng lượng
của mình. Sự tương tác moment từ giữa neutron và electron có cường độ rất yếu và
chỉ đáng kể khi moment từ của tất cả các electron cùng một định hướng theo một
chiều nhất định như đối với chất sắt từ [2].
Ngoài ra, sự tồn tại moment từ của neutron có thể được giải thích bằng giả
thuyết sau: Trong một phần thời gian sống của mình, neutron được cấu tạo từ hai
hạt với điện tích trái dấu nhau. Do đó có sự phân bố điện tích trong neutron và điện
tích này sẽ tương tác với điện tích của electron. Tuy nhiên sự tương tác này còn yếu
hơn rất nhiều so với sự tương tác moment từ ở trên [2].
Nếu bỏ qua hai loại tương tác trên đây do sự tương tác không đáng kể thì sự
tương tác của neutron với vật chất chủ yếu là tương tác của neutron với hạt nhân.
Neutron có thể tương tác với hạt nhân theo một trong các cách sau: tán xạ (tán xạ
đàn hồi, tán xạ không đàn hồi), hấp thụ (phân hạch, bắt neutron, sinh nhiều neutron,
sinh hạt mang điện). Các neutron khi sinh ra hầu hết là neutron nhanh. Khi chùm
neutron xuyên qua vật chất sẽ suy giảm năng lượng và cường độ do quá trình va
chạm với hạt nhân dẫn tới sự hấp thụ hoặc tán xạ neutron. Độ mạnh yếu và mức độ

đóng góp của mỗi quá trình tương tác giữa neutron với vật chất được đặc trưng bởi
tiết diện tương tác tương ứng. Cần lưu ý là sự tương tác của neutron với vật chất
còn phụ thuộc vào năng lượng của chùm neutron tới. Do đó neutron được phân


5
thành các loại sau tương ứng với từng vùng năng lượng của nó: neutron nhiệt (năng
lượng neutron En từ 0 eV đến 0,5 eV), neutron trên nhiệt (năng lượng neutron En từ
0,5 eV đến 10 keV), neutron nhanh (năng lượng neutron En từ 10 keV đến 10 MeV)
và neutron rất nhanh (năng lượng neutron En lớn hơn 10 MeV).
1.1.2. Các loại tương tác của neutron với vật chất.
Tương tác của neutron với hạt nhân nguyên tử được mô tả trong Hình 1.2.

Neutron tương tác
với vật chất

Hấp thụ

Tán xạ

Tán xạ
đàn hồi
(n, n)

Tán xạ
không
đàn hồi
(n, n’)

Bắt tia

(n, γ)

Phản
ứng hạt
tích
điện
(n, p)
(n, α)
…

Phát
một số
lớn hạt
neutron
(n, 2n)
(n, 3n)…

Phân
hạch
(n, f)

Hình 1.2. Tương tác của neutron với vật chất.
1.1.2.1. Tán xạ đàn hồi
Trong tán xạ đàn hồi, neutron tới đập vào hạt nhân (giả định hạt nhân luôn
nằm ở trạng thái cơ bản), sau đó neutron lại xuất hiện và hạt nhân rời khỏi trạng thái
cơ bản. Tổng động năng của các hạt tương tác (neutron và hạt nhân) không thay đổi
trước và sau va chạm. Có thể hình dung quá trình tán xạ đàn hồi giữa neutron nhanh
và hạt nhân trong môi trường giống như va chạm đàn hồi giữa hai viên bi. Quá trình
tán xạ đàn hồi này kí hiệu là (n, n).
Xét về mặt năng lượng, khối lượng m của neutron là không quá nhỏ so với

khối lượng M của hạt nhân nên sự mất mát năng lượng của neutron là tương đối
lớn.


6
Nếu ta gọi: E, E’, EM lần lượt là năng lượng của neutron trước, sau va chạm và
năng lượng của hạt nhân sau va chạm. ⃗P, ⃗P′ , ⃗PM lần lượt là xung lượng của neutron
trước va chạm, xung lượng của neutron sau va chạm và xung lượng của hạt nhân
sau va chạm.

Hình 1.3. Sự tán xạ đàn hồi của neutron.
Theo định luật bảo toàn xung lượng và năng lượng, ta có:
{

⃗P = ⃗P ′ + ⃗PM
E = E′ + EM

(1.1)
(1.2)

Khi đó (1.1) có thể viết lại:
P2 = 2mE
P′2 = P2 + PM2 − 2P. PM . cosθ với { P′2 = 2mE′
PM = 2MEM

(1.3)

Từ đó ta dễ dàng tính được
m2

′

E = E. (M+m)2 . (cosθ + √cos 2 θ +

M2
m2

2

− 1) [1]

(1.4)

Nhận thấy rằng trong các trường hợp θ lần lượt bằng 00 , 900 , 1800 thì năng lượng
sau va chạm của neutron tương ứng:
m2

 θ = 00 => E′ = E. (M+m)2 . (1 +

M 2
m

=> E’ = E
 θ = 900

=>

 θ = 1800 =>

) = E.

m2

(M+m)2

(M+m)2

m2

(1.5)
E′ = |

𝑀−𝑚
𝑀+𝑚

E′ = (

|.E

M−m 2

) .E

M+m

(1.6)
(1.7)


7

Từ đó ta có thể đưa ra kết luận: Năng lượng của neutron sau va chạm phụ thuộc vào
tỉ lệ khối lượng của neutron với khối lượng của hạt nhân bia và góc tán xạ.
1.1.2.2. Tán xạ không đàn hồi
Trong tán xạ không đàn hồi giữa neutron và hạt nhân bia thì sự tương tác diễn
ra thông qua sự hình thành hạt nhân hợp phần. Hạt nhân hợp phần phát ra, sau đó
neutron có động năng thấp hơn nên sẽ rời khỏi hạt nhân và hạt nhân ban đầu được
chuyển lên trạng thái kích thích. Hạt nhân ở trạng thái kích thích phân rã và phát ra
tia gamma để trở về trạng thái cơ bản của nó. Động năng của hệ trong tán xạ không
đàn hồi không được bảo toàn. Vì hạt nhân giữ lại một phần năng lượng nên đây là
tương tác thu nhiệt. Quá trình tán xạ này kí hiệu là (n, n’).

Hình 1.4. Tán xạ không đàn hồi của neutron.
Trong tán xạ không đàn hồi, chỉ có neutron có năng lượng lớn hơn năng lượng
kích thích mới tham gia phản ứng. Do đó quá trình tán xạ không đàn hồi có ngưỡng
với năng lượng ngưỡng Eng =

M+1
M

E1 với E1 là năng lượng ở mức kích thích đầu

tiên của hạt nhân có khối lượng M. Năng lượng E1 có giá trị cỡ vài MeV đối với hạt
nhân nhẹ và giảm đến dưới 100 keV đối với các hạt nhân nặng. Cho nên tán xạ
không đàn hồi chủ yếu xảy ra trong miền neutron nhanh và đối với các hạt nhân
nặng [3].
1.1.2.3. Phân hạch


8
Trong phản ứng phân hạch các neutron va chạm với hạt nhân có thể làm cho

các hạt nhân vỡ ra thành các hạt nhân nhẹ hơn. Quá trình phân hạch thường tạo ra
neutron tự do, photon và phóng thích một lượng lớn năng lượng.
Trong vật lý hạt nhân, phân hạch hạt nhân là một phản ứng hạt nhân hoặc một
quá trình phân rã phóng xạ. Trường hợp của quá trình phân rã được gọi là phản ứng
phân hạch tự phát và nó là một phản ứng rất hiếm. Sự phân hạch hạt nhân do
neutron gây ra là một quá trình rất quan trọng và thiết thực nhất trong vật lý lò phản
ứng hạt nhân.

Hình 1.5. Sự phân hạch hạt nhân.
Hầu hết các neutron sinh ra trong phân hạch phát ra ngay khi phân hạch gọi là
neutron tức thời (prompt neutrons). Các neutron trễ (delayed neutrons) phát ra sau
một thời gian tương đối dài kể từ khi xảy ra sự kiện phân hạch từ một số mảnh vỡ
phân hạch (gọi là tiền tố neutron trễ - delayed neutron precursors).
1.1.2.4. Bắt neutron
Trong phản ứng bắt neutron, neutron tới bị hạt nhân hấp thụ hoàn toàn và một
hoặc nhiều tia gamma hấp thụ được phát ra. Quá trình này có thể xảy ra ở tất cả các
nguồn năng lượng neutron tới, nhưng xác suất của sự tương tác phụ thuộc mạnh vào
năng lượng neutron tới và năng lượng của hạt nhân bia (nhiệt độ). Đây là một phản
ứng rất quan trọng trong lò phản ứng hạt nhân và là tương tác tỏa nhiệt, được kí
hiệu là (n, ).


9
Phản ứng bắt neutron thường xảy ra với neutron có năng lượng từ 0 đến 500
keV. Ví dụ: Neutron với năng lượng 1.46 keV tương tác với Indium:
n + 116
49In →
Đồng vị phóng xạ
thành

116
49In

116
49

+γ

(1.8)

phân rã beta với thời gian bán rã khoảng 54 phút

116
50Sn.

Phản ứng sinh hạt mang điện (Charged-Particle Reactions)
Phản ứng tạo hạt mang điện (n, p), (n, α), … thường được gắn liền với sự hình
thành của một hạt nhân hợp phần, kích thích lên mức năng lượng cao, hạt nhân hợp
phần có thể phát ra một hạt tích điện mới trong khi các neutron tới vẫn còn trong hạt
nhân. Sau khi hạt mới được phóng ra, hạt nhân còn lại được thay đổi hoàn toàn,
nhưng việc tồn tại của chúng trong trạng thái kích thích phụ thuộc vào điều kiện cân
bằng khối lượng – năng lượng của phản ứng.
Các neutron có thể biến mất trong các phản ứng hấp thụ loại (n, p) và (n, α).
Những phản ứng này có thể là tỏa nhiệt hoặc thu nhiệt. Sau đây là các ví dụ về phản
ứng sinh hạt proton và alpha.
n + 14N → 14C+ p

(1.9)

Phản ứng sinh alpha đối với neutron nhiệt:

n + 6Li → 3H + 4He

(1.10)

n + 10B → 7Li + 4He

(1.11)

Các trường hợp phản ứng tạo hạt tích điện do neutron gây ra không quá phổ
biến, nhưng có một số phản ứng do neutron gây ra có tầm quan trọng trong việc
kiểm soát độ phản ứng và trong việc phát hiện neutron. Các phản ứng tạo hạt tích
điện quan trọng nhất trong vật lý lò phản ứng là phản ứng neutron nhiệt với hạt
nhân Boron.
1.1.2.5. Phản ứng sinh nhiều neutron:
Phản ứng loại (n, 2n) và (n, 3n) xảy ra đối với các neutron là các phản ứng thu
nhiệt vì có một neutron trong tương tác (n, 2n), và hai neutron trong tương tác (n,
3n) được đẩy ra từ hạt nhân bia. Ví dụ:
n + 12C → 11C + 2n

(1.12)


10
n + 64Cu → 62Cu + 2n

(1.13)

Phản ứng (n, 2n) rất quan trọng trong các lò phản ứng hạt nhân chứa nước
nặng hay Beryllium vì 2H và 9Be đã mất các liên kết, các neutron này dễ dàng được
phát ra. Các phản ứng sinh nhiều hạt thường xảy ra với neutron có năng lượng rất

cao.
1.1.3. Tiết diện neutron trong các quá trình tương tác với vật chất
Tiết diện của neutron trong tất cả các trường hợp tương tác đã trình bày tại
mục 1.1.2. đều là hàm phụ thuộc vào năng lượng của neutron tới và bản chất của hạt
nhân bia. Một trong những điểm nổi bật để hình thành hạt nhân hợp phần là tiết diện
tương tác đạt cực đại tại một giá trị năng lượng xác định nào đó của neutron tới, giá
trị cực đại này gọi là “cộng hưởng”. Neutron tới và hạt nhân bia có thể kết hợp để
hình thành hạt nhân hợp phần nếu neutron tới có năng lượng sao cho ở giá trị năng
lượng này, hạt nhân hợp phần được hình thành ở một trong các trạng thái kích thích
của nó. Năng lượng của hạt nhân hợp phần bằng tổng động năng của neutron tới và
năng lượng tách (năng lượng cần thiết để tách một neutron ra khỏi hạt nhân) hoặc
năng lượng liên kết của neutron trong hạt nhân hợp phần [3].
Khi neutron tương tác với vật chất thì tiết diện tương tác của neutron với vật
chất được trình bày như công thức (1.11):
𝜎𝑡 = 𝜎𝑠 + 𝜎𝑎

(1.14)

Trong đó:
𝜎𝑡 là tiết diện tổng (barn).
𝜎𝑠 = 𝜎𝑒 + 𝜎𝑖 là tiết diện tán xạ tổng,
với 𝜎𝑒 là tiết diện tán xạ đàn hồi, 𝜎𝑖 là tiết diện tán xạ không đàn hồi.
𝜎𝑎 = 𝜎𝑛,𝛾 + 𝜎𝑛,𝑓 + 𝜎𝑛,𝑝 + ⋯là tiết diện hấp thụ,
với 𝜎𝑛,𝛾 là tiết diện hấp thụ phát tia gamma, 𝜎𝑛,𝑓 là tiết diện phân hạch, 𝜎𝑛,𝑝 là tiết
diện hấp thụ phát ra hạt proton.
1.1.3.1. Tiết diện tán xạ đàn hồi


11
Tiết diện tán xạ đàn hồi là hàm năng lượng của neutron tới. Tiết diện tán xạ

đàn hồi 𝜎𝑒 bằng tổng của tiết diện tán xạ đàn hồi thế 𝜎𝑒𝑝 và tiết diện của tán xạ đàn
hồi cộng hưởng 𝜎𝑒𝑟 .
Tán xạ đàn hồi thế xảy ra sự phản xạ sóng neutron từ bề mặt hạt nhân. Ở vùng
năng lượng neutron thấp, tiết diện tán xạ đàn hồi thế gần như không đổi. Tiết diện
đối với thế tán xạ này là:
𝜎𝑒𝑝 = 4𝜋𝑅2 [4]

(1.15)

trong đó R là bán kính của hạt nhân.
Vượt qua vùng thế tán xạ là vùng cộng hưởng, đối với tán xạ đàn hồi cộng
hưởng, phản ứng trải qua giai đoạn hạt nhân hợp phần. Hạt nhân hợp phần được tạo
nên khi hạt nhân ban đầu hấp thụ neutron, năng lượng kích thích của hạt nhân hợp
phần lớn hơn năng lượng liên kết của neutron và hạt nhân phân rã phóng ra neutron.
Hạt nhân cuối và hạt nhân ban đầu giống nhau hoàn toàn sau khi tán xạ đàn hồi
cộng hưởng. Trong vùng này, tiết diện tán xạ là một hàm theo năng lượng biến đổi
chậm và đều. Năng lượng vùng cộng hưởng của hạt nhân nhẹ lớn hơn của hạt nhân
nặng. Tiết diện tán xạ đàn hồi cộng hưởng được xác định theo công thức BreitWigner như sau [3]:
2
4
 er ( E ) 
2
( E  Er )2 
4

 er ( E )

(1.16)

Trong đó 𝜎𝑒𝑟 (𝐸𝑟 ) là tiết diện tại năng lượng cộng hưởng 𝐸𝑟 , ᴦ là độ rộng toàn phần

của nửa chiều cao của mức kích thích hạt nhân hợp phần.


12

Hình 1.6. Tiết diện tán xạ đàn hồi cộng hưởng [3]
Tiết diện tán xạ đàn hồi 𝜎𝑒 gần như không đổi trong khoảng năng lượng trên 1
eV. Đối với đa số hạt nhân, 𝜎𝑒 cũng thay đổi yếu trong khoảng năng lượng dưới 1
eV và trong miền nhiệt (trừ hydro).
1.1.3.2. Tiết diện tán xạ không đàn hồi
Trong tán xạ không đàn hồi, hạt nhân được chuyển sang trạng thái kích thích.
Tiết diện tán xạ không đàn hồi 𝜎𝑖 phụ thuộc vào năng lượng neutron tới trong đó tiết
diện khác 0 chỉ khi 𝐸 ≥ 𝐸𝑛𝑔 và đạt giá trị cực đại ở năng lượng 10 – 15 MeV [3].

Hình 1.7. Sự phụ thuộc 𝜎𝑖 vào năng lượng E [3].
1.1.3.3. Tiết diện hấp thụ
Đối với đa số hạt nhân thì trong miền neutron nhiệt, tiết diện hấp thụ phụ
thuộc vào năng lượng neutron theo quy luật 1/V [3]:


13
 a   aT

VT
V

(1.17)

trong đó 𝜎𝑎𝑇 là tiết diện hấp thụ neutron tại năng lượng 0.025 eV.
Quá trình hấp thụ neutron cũng đi qua giai đoạn hạt nhân hợp phần và có dạng

cộng hưởng tại miền năng lượng cộng hưởng. Tiết diện sự bắt tia tương ứng [3]:
  

2

(2  1)

 n (   n )
( E  E0 )2   2

(1.18)

trong đó:
𝛤: bề rộng tổng cộng (eV).
𝛤𝑛 : bề rộng của tán xạ neutron (eV).
E0: năng lượng cộng hưởng.
Đối với neutron chậm chỉ có tán xạ S (tức l = 0) và sự bắt neutron nên ta có:
  

2

 n (   n )
( E  E0 )2   2

(1.19)

Khi E0 nhỏ, Γn tỉ lệ với tốc độ của neutron, khi đó công thức (1.15) được viết
lại:
  

 n 
0

( E  E0 ) 2   2

(1.20)

Công thức (1.17) được gọi là công thức Breit – Wigner trong đó
Γ: bề rộng ½ mức năng lượng (eV).
ƛ: độ dài bước sóng neutron tới (m).
ƛ0: độ dài bước sóng tương ứng với giá trị cộng hưởng của năng lượng
neutron E0 (m).
1.1.3.4. Tiết diện tương tác neutron đối với hạt nhân 3He, 10B, 6Li
Tiết diện tương tác của neutron với vật chất phụ thuộc vào năng lượng tới và
từng loại nguyên tố trong vật chất đó. Đối với các đầu dò ghi nhận neutron các
nguyên tố 3He, 10B, 6Li được sử dụng chủ yếu [1], [8]. Hình 1.8 trình bày tiết diện
tương tác của neutron với các nguyên tố 3He, 10B, 6Li. Dựa vào hình 1.8 ta thấy tiết
diện tương tác của neutron với các nguyên tố này giảm dần khi tăng năng lượng


14
neutron tới. Đối với vùng neutron nhiệt, tiết diện tương tác là rất lớn so với neutron
trên nhiệt. Đối với vùng năng lượng neutron nhiệt đến neutron nhanh, tiết diện

Tiết diện phản ứng (barn)

tương tác của neutron với 3He lớn hơn 10B và lớn hơn 6Li.

Năng lượng (eV)
Hình 1.8. Tiết diện tương tác của neutron với 3He, 10B và 6Li [8].

1.2. Các loại đầu dò neutron
Do neutron không mang điện tích nên không thể ion hóa trực tiếp các nguyên
tử của môi trường vật chất trong đầu dò như các hạt mang điện. Vì vậy, quá trình
ghi nhận neutron phải trải qua hai giai đoạn liên tiếp:
+ Đầu tiên neutron tương tác với môi trường vật chất bên trong đầu dò để
tạo ra các hạt mang điện.
+ Chính các hạt mang điện này sẽ ion hóa môi trường vật chất trong đầu
cho ra các photon ánh sáng. Các photon ánh sáng, khi tới photocathode của ống
nhân quang điện sẽ bứt ra những electron. Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các
electron này được đưa tới các dynode của ống nhân quang. Số lượng electron đến
dynode cuối cùng tăng lên gấp hàng trăm nghìn lần so với số electron tới dynode
đầu tiên. Như vậy, ở lối ra của ống nhân quang điện sẽ xuất hiện một xung điện và
xung này sẽ được ghi nhận bằng một sơ đồ điện tử tương ứng.


15
Vì thế, đầu dò có khả năng ghi nhận các hạt mang điện có thể đạt hiệu suất ghi
giả định là 100% thì đối với các hạt không mang điện chỉ cần đạt khoảng vài phần
trăm được xem là đạt yêu cầu. Các số liệu về hạt không mang điện mà đầu dò thu
nhận được thường kém chính xác, ngoài ra việc ghi nhận cũng gặp nhiều khó khăn
và tốn thời gian để thu được thông tin có tính phổ quát và đủ độ thống kê tương tự
như hạt mang điện (khối lượng, năng lượng...).
Hạt không mang điện thường gặp trong ứng dụng của kỹ thuật hạt nhân là
neutron và photon. Các neutron có năng lượng khác nhau trong môi trường vật chất,
do đó phương pháp ghi nhận chúng cũng khác nhau.
Đối với neutron chậm năng lượng nhỏ, hiệu ứng giật lùi của các hạt nhân rất
nhỏ nên không thể ghi nhận neutron chậm thông qua các hạt nhân giật lùi [1], [9].
Vì thế, người ta sử dụng các phản ứng hấp thụ neutron chậm bởi các hạt nhân nhẹ
và kèm theo sự giải phóng hạt alpha (phản ứng (n,𝛼)) hoặc proton. Các phản ứng
(n,𝛼) thông dụng để ghi nhận neutron chậm:

𝑛 + 105𝐵 → 73𝐿𝑖 ∗ + 𝛼 + 2,3𝑀𝑒𝑉
và 73𝐿𝑖 ∗ → 73𝐿𝑖 + 480𝑘𝑒𝑉

(1.21)
(1.22)

𝑛 + 63𝐿𝑖 → 31𝐻 + 𝛼 + 4,78𝑀𝑒𝑉

(1.23)

𝑛 + 32𝐻𝑒 → 31𝐻 + 𝑝 + 0,76𝑀𝑒𝑉

(1.24)

Ngoài ra, các neutron chậm cũng có thể được ghi nhận thông qua các phản
ứng phân hạch.
Các phương pháp ghi nhận neutron chậm dựa trên các phản ứng hạt nhân
chậm không thể áp dụng để ghi neutron nhanh – năng lượng trên 20MeV vì tiết diện
phản ứng rất nhỏ nên hiệu suất ghi thấp. Phương pháp hữu hiệu để ghi neutron
nhanh là dựa trên tán xạ đàn hồi. Trong quá trình này neutron truyền một phần năng
lượng cho hạt nhân giật lùi. Khi năng lượng hạt nhân giật lùi lên đến khoảng vài
keV thì năng lượng này đủ lớn để hạt nhân giật lùi được ghi nhận. Hạt nhân bia phổ
biến nhất là hydrogen. Tiết diện tán xạ đàn hồi của hydrogen với neutron lớn và
neutron có thể truyền toàn bộ năng lượng trong một va chạm. Do vậy, các hạt
proton giật lùi dễ dàng được ghi nhận và phương pháp ghi neutron nhanh dựa trên


16
tán xạ đàn hồi của neutron lên proton trở thành nguyên tắc hoạt động của các đầu dò
ghi neutron.

Hiện nay, người ta sử dụng đầu dò chứa khí để ghi nhận neutron chậm, tiêu
biểu là đầu dò tỉ lệ chứa khí BF3. Nếu sử dụng đầu dò chứa khí để ghi nhận neutron
nhanh thì người ta phải sử dụng chất làm chậm neutron. Các đầu dò sử dụng chất
làm chậm có nhược điểm: không cho thông tin chính xác về năng lượng của neutron
tới và quá trình ghi nhận chậm.
Trong đề tài luận văn này, chúng tôi khảo sát sự ảnh hưởng trực tiếp của
neutron nhanh đến đầu dò mà không trải qua giai đoạn làm chậm, do đó chúng tôi
sử dụng đầu dò nhấp nháy plastic hữu cơ. Đầu dò gồm hai thành phần: chất nhấp
nháy và ống nhân quang điện. Chất nhấp nháy là hợp chất chứa hydro. Đầu dò nhấp
nháy hữu cơ có hiệu suất cao vì mật độ hydro trong chất nhấp nháy cao. Neutron
mất năng lượng nhanh và dễ ghi nhận được.
Sự tương tác của neutron tới với tinh thể nhấp nháy sẽ tạo ra các hạt mang
điện, chính các hạt mang điện này sẽ ion hóa và kích thích các phân tử nhấp nháy.
Sau một thời gian (10-6 s – 10-9 s), các phân tử nhấp nháy này chuyển về trạng thái
cơ bản bằng cách phát ra các nhấp nháy sáng. Thời gian ghi nhận sự chuyển đổi này
gọi là thời gian nhấp nháy nhanh (Fast decay time). Ngoài ra, khi các nguyên tử
kích thích chuyển từ trạng thái giả bền này sang trạng thái giả bền khác, sau đó
chuyển về trạng thái cơ bản cũng phát ra các nhấp nháy sáng và ta cũng có thông số
đặc trưng cho sự chuyển đổi này gọi là thời gian chuyển đổi chậm (Slow decay
time). Các nhấp nháy sáng từ bản tinh thể nhấp nháy sẽ đi vào trong ống nhân
quang điện, từ đó ở lối ra của ống nhân quang điện sẽ xuất hiện một xung điện.
Xung điện này sẽ được ghi nhận bằng một sơ đồ điện tử tương ứng.
Các trạng thái kích thích, nơi phát ra những photon nhấp nháy, được đặc trưng
bằng thời gian sống trung bình τ, gọi là thời gian phát sáng của bản nhấp nháy. Nếu
coi thời gian tạo thành các trạng thái kích thích là nhỏ so với thời gian nhấp nháy
sáng τ thì sự xuất hiện các photon sẽ được phân bố theo quy luật hàm mũ [4]:


17
t

N  N 0 exp( ) / 



(1.25)

trong đó, N gọi là số photon được phát ra trong đơn vị thời gian. Sử dụng công thức
này khi thời gian sống trung bình của các trạng thái kích thích có giá trị như nhau.
Đối với nhiều bản nhấp nháy thì sự phụ thuộc của cường độ sáng theo thời
gian được mô tả bằng tổng của các số hạng có các thời gian nhấp nháy sáng khác
nhau.

Hình 1.9. Đồ thị mối liên hệ của cường độ sáng tương đối theo thời gian [7].
Hình 1.9 cho thấy cường độ sáng theo thời gian của bản nhấp nháy được xác
định [6]:
I  I1e

trong đó: 𝐼1 𝑒
𝐼2 𝑒

−



t

1

 I 2e



t

2

𝑡
𝜏1

là cường độ của quá trình nhấp nháy nhanh.

𝑡
𝜏2

là cường độ của quá trình nhấp nháy chậm.

−

(1.26)

1.3. Giới thiệu phần mềm mô phỏng GEANT4
GEANT4 (Geometry And Tracking) là một phần mềm được nghiên cứu và
phát triển bởi CERN – Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu. Phần mềm này
dùng để mô phỏng tương tác của hạt vật chất với môi trường mà nó đi qua.
GEANT4 là một chương trình mã nguồn mở, với độ tin cậy cao, xây dựng dựa trên
phương pháp Monte Carlo, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như vật lý