DSpace at VNU: Xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân 181Ta(n,g)182Ta

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN MINH CÔNG

XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN BẮT NƠTRON NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG
HẠT NHÂN

181

Ta(n,) 182 Ta

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Hà Nội – 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN MINH CÔNG

XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN BẮT NƠTRON NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG
HẠT NHÂN

181

Ta(n,) 182 Ta

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
Mã số: 60440106

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Phạm Đức Khuê

Hà Nội – 2014


LỜI CẢM ƠN

Trƣớc hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy hƣớng dẫn là
TS. Phạm Đức Khuê về sự chỉ dạy chuyên môn, giúp đỡ tận tình trong
suốt quá trình học tập, làm việc và thực hiện bản luận văn.
Em xin gửi lời cảm ơn tới cán bộ, giảng viên khoa Vật lý trƣờng ĐH
KHTN – ĐHQG HN đã tận tình chỉ dạy trong suốt thời gian học tập tại
trƣờng.
Em xin chân thành cảm ơn cán bộ, giảng viên. phòng sau đại học
Trƣờng ĐHKHTN-ĐHQG HN, lãnh đạo Viện Vật lý, Trung tâm Vật lý
Hạt nhân, cán bộ lãnh đạo Đoàn 871 Cục CT –BTTM, cán bộ lãnh đạo
BTL Hóa học, Trƣờng sỹ quan Phòng Hóa đã tạo mọi điều kiện thuận lợi
đểhoàn thành bản luận văn này.
Cuối cùng , em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình và ngƣời
thân đã luôn động viên, ủng hộ tuyệt đối cả về vật chất và tinh thần để có
thể yên tâm học tập, làm việc và hoàn thành bản luận văn này.
Em xin cảm ơn và rất mong các thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp đóng
góp ý kiến bổ sung để bản luận văn này ngày càng đƣợc hoàn thiện và có
ý nghĩa thiết thực.

Hà nội, Ngày……tháng ….năm 2014
Học viên

Nguyễn Minh Công


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ TỪ KHÓA
E e : Năng lƣợng của electron
E  : Năng lƣợng tia gamma
RF: Tần số radio (radio frequency)
I  : Xác suất phát xạ hay cƣờng độ tia gamma
HPGe: Detector bán dẫn siêu tinh khiết
Tiết diện: Cross section
Thông lƣợng: Flux
Suất lƣợng: Yield
Lá dò: Foild
Hệ làm chậm bằng nƣớc: Water moderator
Khối ốp bằng chì: Pb bricks
MCA: Bộ phân tích đa kênh (Multi Channel Analyzer)
ADC: Bộ chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự số (Analog to Digital
Converter)

2


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Thông số va chạm của một số hạt nhân
Bảng 1.2: Các thông số đối với một số chất làm chậm
Bảng 2.1: Đặc trưng của các mẫu Ta, Au và In
Bảng 2.2: Chế độ kích hoạt mẫu
Bảng 2.3: Giá trị các hệ số làm khớp hàm đối với Detector
HPGe(ORTEC)
Bảng 3.1: Các thông số của phản ứng
115

181

Ta(n,)182Ta , 197Au(n,)198Au, và

In(n,  ) 116m In

Bảng 3.2: Các hệ số hiệu chỉnh chính được sử dụng để xác định tiết diện
bắt nơtron nhiệt của phản ứng

181

Ta(n,  ) 182 Ta

Bảng 3.3: Hệ số tự hấp thụ tia gamma trong mẫu
Bảng 3.4: Hệ số hiệu chỉnh hiệu ứng cộng đỉnh tại vị trí cách detector 5
cm
Bảng 3.5: Số liệu tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng
đã được công

3

181

Ta(n,  ) 182 Ta


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Sơ đồ tán xạ đàn hồi của notron lên hạt nhân trong hệ tọa độ
phòng thí nghiệm (a) và hệ tọa độ tâm quán tính (b)
Hình 1.2. Sơ đồ tính ζ
Hình 1.3. Sơ đồ phân rã hạt nhân của phản ứng bắt nơtron nhiệt
Hình 1.4. Các mức năng lượng kích thích của hạt nhân hợp phần
Hình 1.5. Tiết diện của phản ứng 181 Ta(n, 𝛾 ) 182 Ta theo năng lượng
Hình 2.1. Máy gia tốc electron tuyến tính 100 MeV tại Pohang,Hàn Quốc
Hình 2.2.Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính 100 MeV.
Hình 2.3.Cấu tạo của bia Ta và hệ làm chậm nơtron
Hình 2.4.Phân bố năng lượng nơtron ở bia Ta đối với làm chậm bằng
nước, không làm chậm bằng nước và phân bố Maxwellian
Hình 2.5. Sơ đồ làm việc của hệ phổ kế gamma với detector HPGe
Hình 2.6. Bố trí thí nghiê ̣m kích ho

ạt mẫu trên bề mặt h ệ làm chậm

nơtron bằ ng nước .
Hình 2.7. Giao diện phần mềm GammaVision
Hình 2.8. Đường cong hiệu suất ghi đỉnh quang điện của Detector bán
dấn HPGe(ORTEC) sử dụng trong nghiên cứu
Hình 2.9. Sự phụ thuộc của hoạt độ phóng xạ vào thời gian kích hoạt (ti),
thời gian phân rã (td) và thời gian đo (tc).
Hình 3.1. Phổ gamma đặc trưng của mẫu Ta được kích hoạt bởi các
nơtron nhiệt với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi mẫu
2868phút, thời gian đo 240phút

4


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

Hình 3.2. Phổ gamma đặc trưng của mẫu Au được kích hoạt bởi các
nơtron nhiệt với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi mẫu 8594
phút, thời gian đo 10 phút.
Hình 3.3. Phổ gamma đặc trưng của In được kích hoạt bởi các nơtron
nhiệt với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi mẫu 344 phút, thời
gian đo mẫu 200 giây.
Hình 3.4. biểu diễn sơ đồ phân rã đơn giản của đồng vị

182

Ta.

Hình 3.5. Sự phụ thuộc hệ số tự chắn đối với nơtron nhiệt vào bề dày các

mẫu
Hình 3.6. tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng

5

181

Ta(n,  ) 1 82 Ta.


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .............................................................................................. 8
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG BẮT NƠTRONError! Bookmark not
1.1. Tƣơng tác của nơtron với vật chất .. Error! Bookmark not defined.
1.2. Làm chậm nơtron .......................... Error! Bookmark not defined.
1.2.1. Nhiệt hóa nơtron ..................... Error! Bookmark not defined.
1.2.2. Cơ chế làm chậm nơtron .......... Error! Bookmark not defined.
1.3. Hạt nhân hợp phần, hạt nhân kích thích ....... Error! Bookmark not
defined.
1.3.1. Các cơ chế phản ứng hạt nhân . Error! Bookmark not defined.
1.3.2. Phản ứngbắt nơtron nhiệt ........ Error! Bookmark not defined.
1.3.3. Trạng thái kích thích ............... Error! Bookmark not defined.
1.4. Tiết diện bắt nơtron nhiệt .............. Error! Bookmark not defined.
1.4.1. Khái quát về tiết diện phản ứng ............ Error! Bookmark not
defined.
1.4.2. Tiết diện bắt nơtron nhiệt ........ Error! Bookmark not defined.

1.5. Các nguồn nơtron chính ................. Error! Bookmark not defined.
1.5.1. Nguồn nơtron đồng vị ............. Error! Bookmark not defined.
1.5.2. Nguồn nơtron từ lò phản ứng ... Error! Bookmark not defined.
1.5.3. Nguồn nơtron từ máy gia tốc ... Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN BẮT NƠTRON
NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG

181

Ta(n,) 182 Ta Error! Bookmark not defined.

2.1. Thiết bị thí nghiệm ........................ Error! Bookmark not defined.
2.1.1. Máy gia tốc thẳng và nguồn nơtron xung trên máy gia tốc
electrontuyế n tính năng lƣ ợng 100 MeV ......... Error! Bookmark not
defined.
2.1.2. Hệ phổ kế gamma .................... Error! Bookmark not defined.

6


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

2.2. Thí nghi ệm xác định tiết diện phản ứng

181

Ta(n,) 182 Ta ....... Error!

Bookmark not defined.
2.2.1. Chuẩn bị mẫu nghiên cứu ........ Error! Bookmark not defined.
2.2.2. Kích hoạt mẫu ......................... Error! Bookmark not defined.
2.2.3. Đo hoạt độ phóng xạ của các mẫu sau khi kích hoạt ...... Error!
Bookmark not defined.
2.2.4. Phân tích phổ gamma .............. Error! Bookmark not defined.
2.2.5. Xác định hiệu suất ghi của đêtectơ

........ Error! Bookmark not

defined.
2.3. Phƣơng pháp xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt Error! Bookmark
not defined.
2.3.1. Xác định tốc độ phản ứng hạt nhân

....... Error! Bookmark not

defined.
2.3.2. Xác định ti ết diện bắt nơtron nhiệt ........ Error! Bookmark not
defined.
2.2.3. Một số hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác của kết quả .... Error!
Bookmark not defined.
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬNError! Bookmark not defined.
3.1. Nhận diện đồng vị phóng xạ và các đặc trƣng của phản ứng hạt
nhân .................................................... Error! Bookmark not defined.
3.2. Một số kết quả hiệu chỉnh .............. Error! Bookmark not defined.
3.3. Kết quả xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng
181

Ta(n,) 182 Ta. .................................... Error! Bookmark not defined.

KẾT LUẬN ............................................. Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU KHAM KHẢO .................................................................... 10
PHỤ LỤC ............................................... Error! Bookmark not defined.

7


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

MỞ ĐẦU
Phản ứng hạt nhân là một trong những hƣớng quan trọng nhất trong
lĩnh vực nghiên cứu hạt nhân. Trải qua nhiều thập niên nghiên cứu, cho
đến nay sự hiểu biết về hạt nhân nguyên tử đã đƣợc mở rộng, tuy nhiên
vẫn còn nhiều vấn đề liên quan tới cấu trúc hạt nhân, các tính chất của
hạt nhân và cơ chế của phản ứng hạt nhân vẫn chƣa đƣợc làm sáng tỏ và
cần tiếp tục đƣợc nghiên cứu. Bên cạnh việc đóng góp và lĩnh vực các
nghiên cứu khoa học cơ bản, phản ứng hạt nhân còn có vai trò quan trọng
trong các ứng dụng thực tiễn nhƣ năng lƣợng, y tế, công nghiệp, vũ trụ,
an toàn bức xạ và hạt nhân,…
Đặc trƣng của mỗi phản ứng phụ thuộc vào từng hạt nhân nguyên
tử, vào loại hạt tới và năng lƣợng của chúng. Các loại hạt/bức xạ quen
thuộc nhƣ nơtron (n), proton (p), alpha ( ), gamma (),...Khi tƣơng tác
với một hạt nhân có thể diễn ra theo nhiều cơ chế khác nhau phụ thuộc
vào năng lƣợng của chúng và tạo thành những sản phẩm phản ứng khác
nhau.
Trong nghiên cứu phản ứng hạt nhân và ứng dụng thì nơtron là một
trong những loại bức xạ đƣợc sử dụng phổ biến nhất. Các phản ứng hạt

nhân điển hình xảy ra do tƣơng tác của nơtron nhƣ (n,α), (n,p),
(n,γ),…với xác suất khác nhau ngay trên một đồng vị và phụ thuộc vào
năng lƣợng của nơtron tới.
Một trong những đại lƣợng đặc trƣng quan trọng của phản ứng hạt
nhân là tiết diện phản ứng. Tiết diện phản ứng là thƣớc đo xác suất xảy ra
phản ứng hạt nhân. Tiết diện của phản ứng nhân (n,) gây bởi nơtron
nhiệt là loại số liệu hạt nhân quan trọng đƣợc sử dụng nhiều trong nghiên
cứu cũng nhƣ ứng dụng trong các tính toán lò phản ứng hạt nhân, che
chắn an toàn phóng xạ, đánh giá sự phá hủy vật liệu do bức xạ,…
Trƣớc đây các nghiên cứu phản ứng hạt nhân (n,) chủ yếu đƣợc
thực hiện trên lò phản ứng hoặc trên các nguồn nơtron đồng vị. Ngày nay

8


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

với sự phát triển của kỹ thuật gia tốc có thể tạo ra các nguồn nơtron có
thông lƣợng lớn từ các phản ứng hạt nhân (,xn), (p,xn),... Các nguồn
nơtron trên máy gia tốc thƣờng phát ra theo chế độ xung, do đó có thể sử
dụng các kỹ thuật thực nghiệm khác nhau nhƣ kích hoạt phóng xạ và đo
thời gian bay.

9


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

TÀI LIỆU KHAM KHẢO
Tài liệu tiếng việt:
[1]

Nguyễn Văn Đỗ (2004), Các phương pháp phân tích hạt nhân, Nhà
xuất bản Đại học Quốc gia, Hà Nội

[2]

Phạm Quốc Hùng, “ Lò phản ứng hạt nhân”. NXB ĐHQG HN

[3]

Ngô Quang Huy (2002), Vật lý lò phản ứng hạt nhân, NXB ĐHQG
HN

[4]

Ngô Quang Huy (2006). Cơ sở vật lý hạt nhân. NXB. KH&KT

Tài liệu tiếng anh
[5] A. Trkov, G.ˇ Zerovnik, L. Snoj, M. Ravnik,“On the self-shielding
factors in neutron activation analysis”,Nuclear Instruments and
Methods in Physics Research A 610 (2009) 553–565.
[6] A.Sunyar,P.Axer,” decay of 16-minute ta182m”, pr,121,1158,1961
[7] B. Pritychenko,S.F. Mughabghab.National Nuclear Data Center,
Brookhaven

National

Laboratory,

Upton,

NY

11973-5000,

USA,“Neutron Thermal Cross Sections, Westcott Factors, Resonance
Integrals, Maxwellian Averaged Cross Sections and Astrophysical
Reaction Rates Calculated from the ENDF/B -VII.1, JEFF-3.1.2,
JENDL-4.0, ROSFOND-2010, CENDL-3.1 and EAF-2010 Evaluated
Data Libraries”,aXiv:1208.2879v3[Astro-ph.SR] 11/9/2013.
[8] D. De Soete, R. Gijbels, J. Hoste, Neutron Activation Analysis”,
John Wiley & Sons Ltd, 1972.
[9] E.M.Gryntakis,Examination of the dependence of the effectivecross
section from the neutron temperature, measurements of the neutron
temperature and etermination of some cross sections for neutron
capture and neutron fission.
[10] F. De Corte, A. Simonits, A. De Wispelaere, “ Comparative study
of measured and critically evaluated resonace integral to thermal

10


Luận văn Thạc sĩ
cross

section

Nguyễn Minh Công
ratios”,Journal

of

Radioanalytical

and

Nuclear

Chemistry,133(1989) 131-151.
[11] F. De Corte “The updated NAA nuclear data library derived from the
Y2K

k0-database”,Journal

of

Radioanalytical

and

Nuclear

Chemistry, Vol. 257, No. 3 (2003) 493-499
[12 ] G.Wolf,” the absolute calibration of desintegration rates throught
the beta-gamma-coincidence method and it suse for measuring of the

thermal activation cross sections of the nuclides na-23,sc-45,co-59
end ta-181 (in german)”,j,nuk,2,255,60.
[13] Harald A. Enge, Introduction to nuclear physics, Addition- Wiley
publishing company, 1983.
[14] H. Hubbell and S. M. Seltzer, Tables of X-Ray Mass Attenuation
Coefficients and Mass Energy-Absorption Coefficients, 1996.
[15] Landolt-Börnstein,Numerical Data and Functional Relationships in
Science

and

Technology,

New

Series/

Editor

in

Chief:

W.

Martienssen
[16] L.Seren, H.N.Friedlander, S.H.Turkel, “Thermal Neutron Activation
Cross Sections”, J,PR,72,888,1947
[17] M. Blaauw, “The confusing issue of the neutron capture cross section

to

use

in

computations”,Nuclear

thermal
Instruments

neutron
and

self -

Methods

shielding
in

Physics

Research, A 356(1995) 403.
[18] M. Karadag, H. Yucel, “Measurement of thermal neutron cross
section and resonace integral

for

186

W(n,γ) 187 W reaction by

activation method using a single monitor”,Annals of nuclear energy
vol.31(2004) 1285- 1297.
[19] M.Takiue,H.Ishikawa,” Thermal neutron reaction cross section
measurements for fourteen nuclides ith a liquid scintillation
spectrometer”,J,NIM,148,(1),157,7801.

11


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

[20] Nguyen Van Do, Pham Duc Khue, Kim Tien Thanh, Le Truong Son,
Guinyun Kim,Young Seok Lee, Youngdo Oh, Hee-Seok Lee, MooHyun Cho,In Soo Ko, Won Namkung,” Thermal neutron crosssection

and

resonance

integral

of

186

the

W(n,) 187 W

reaction”,Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B
266 (2008) 863–871
[21] Nguyen Van Do, Pham Duc Khue, Kim Tien Thanh, Bui Van Loat,
Md.S. Rahman, Kyung Sook Kim,Guinyun Kim, Youngdo Oh, Hee Seok Lee, Moo-Hyun Cho, In Soo Ko, Won Namkung,” Thermal
neutron cross-section and resonance integral of the

98

Mo(n,) 99 Mo

reaction”,Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B
267 (2009) 462–468.
[22] Nguyen Van Do, Pham Duc Khue, Kim Tien Thanh, Nguyen Thi
Hien, Guinyun Kim, Sungchul Yang, Kyung Sook Kim, Sung Gyun
Shin, Moo-Hyun Cho, Man Woo Lee, ” Measurement of thermal
neutron cross section and resonance integral for the 170Er(n, )171Er
reaction by using a gold monitor”,Nuclear Instruments and Methods
in Physics Research B 310 (2013) 10–17.
[23] Nguyen Van Do, Pham Duc Khue, Kim Tien Thanh, Guinyun
Kim,Young Seok Lee, Youngdo Oh, Hee-Seok Lee, Moo-Hyun
Cho,In Soo Ko, Won Namkung,” Thermal neutron cross-section and
resonance

integral

of

the

165

Ho(n,) 166g Mo

reaction”,Nuclear

Instruments and Methods in Physics Research B 269 (2011) 159–
166.
[24] Paul Reuss, Neutron physics, EDP Sciences (August 15, 2008).
[25] R.E.Heft, A consistent set of nuclear-parameter valuesfor absolute
instrumental neutron activation analysis. C,78MAYAG,,495,197805
[26] Richard B. Firestone “Table Of Isotope” , 3/1996.

12


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

[27] S.E. Agbemava, B.J.B. Nyarko, J.J. Fletcher, R.B.M. Sogbadji, E.
Mensimah, M. Asamoah,“Measurement of thermal neutron and
resonance integral cross sections of the reaction

51

V(n,) 52 V using a

20 Ci Am–Be isotopic neutron source”,Annals of Nuclear Energy 38
(2011) 1616–1622
[28] S.F.Mughabghab,Atlas of neutron resonances resonance parameters
and thermal Cross Sections Z=1-100, B,NEUT.RES,,2006.
[29] S.S.Malik,G.Brunhart,F.J.Shore,V.L.Sailor,” Factors in the precision
of slow neutron capture cross section measurements using a simple
Moxon-Rae detector”,J,NIM,86,83,1970.
[20] Van Do Nguyen and Duc Khue Pham, “Measurements of neutron and
Photon distributions by using an Activation Technique at the Pohang
Neutron Facility”, Journal of the Korean Physical Society,Vol.
48,No. 3,March 2006,pp. 382- 389.
[31] Van DoNguyen and Duc Khue Pham, “ Neutron yields from thick Ta
target bombarded by 65 MeV electron beam”, Communications in
Physics, Vol.14, No.4(2004), pp. 209-214.
[32] V.Markovic,A.Kocic,” Measurement of the thermal effective cross
section and the effective resonance integral of copper and tantalum
using the pile scillator method”,J,BKN,22,(1),1,1971.
[33] W.S.Lyson,,” reactor neutron activation cross sections fora number
of elements”,j, nse,8,378,60.
[34] />[35] />[36] />
13