NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÁC ỨNG DỤNG CHÙM NƠTRON PHIN LỌC Ở LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM
_____________________

TRẦN TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÁC ỨNG DỤNG
CHÙM NƠTRON PHIN LỌC Ở LÒ PHẢN ỨNG
HẠT NHÂN ĐÀ LẠT

LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ

Đà Lạt – 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM
_____________________

TRẦN TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÁC ỨNG DỤNG
CHÙM NƠTRON PHIN LỌC Ở LÒ PHẢN ỨNG
HẠT NHÂN ĐÀ LẠT

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
Mã số:

62 44 01 06
LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ

Người hướng dẫn khoa học:
PGS. TS. Vương Hữu Tấn
PGS. TS. Phạm Đình Khang

Đà Lạt – 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân, được thực
hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS. Vương Hữu Tấn và PGS. TS.
Phạm Đình Khang.
Các số liệu, kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực
và chưa từng sử dụng trong bất kỳ công trình nào khác. Luận án cũng đã sử dụng
một số thông tin nhiều nguồn số liệu khác nhau, các thông tin đều được trích dẫn
rõ nguồn gốc.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.

Trần Tuấn Anh

i


LỜI CẢM ƠN
Hoàn thành bản luận án này, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến:

PGS. TS. Vương Hữu Tấn, PGS. TS. Phạm Đình Khang đã tận tình giúp
đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Ban Lãnh đạo Viện Nghiên cứu hạt nhân đã tạo mọi điều kiện thuận lợi
để tôi hoàn thành luận án.
Ban Lãnh đạo Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam, Ban Lãnh đạo và
cán bộ Trung tâm Đào tạo hạt nhân Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam đã
giúp đỡ tôi hoàn tất các thủ tục cần thiết để bảo vệ luận án.
Trung tâm Vật lý và Điện tử hạt nhân - Viện Nghiên cứu hạt nhân đã tạo
điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi các trang thiết bị cần thiết trong quá trình làm
thực nghiệm liên quan đến nội dung luận án.
Các bạn bè, đồng nghiệp, gia đình đã luôn động viên và tạo điều kiện
thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Xin trân trọng cảm ơn!

Trần Tuấn Anh

ii


BẢNG KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
ADC
BNCT
BROND
CENDL
CERN
ENDF
ENSDF
EXFOR
FEP
GELINA

HPGe
IAEA
ICTP
JAEA
JEFF
JENDL
J-PARC
KENDL
KS1
KS2
KS3
KS4
LINAC
MCNP5,
MCNPX
MCA
n_TOF
PHA
PGNAA
PTFE
TSCA

Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số
Phương pháp xạ trị Boron.
Thư viện số liệu hạt nhân của Nga.
Thư viện số liệu hạt nhân của Trung Quốc.
Tổ chức Nghiên cứu Nguyên tử Châu Âu.
Thư viện số liệu hạt nhân của Mỹ.
Thư viện số liệu cấu trúc hạt nhân.
Thư viện số liệu hạt nhân thực nghiệm.

Vật liệu để làm bọc đựng mẫu cho phương pháp PGNAA.
Máy gia tốc điện tử tuyến tính tại Geel, Bỉ.
Đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết.
Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế.
Trung tâm vật lý lý thuyết thế giới.
Viện Năng lượng nguyên tử Nhật Bản.
Thư viện số liệu hạt nhân của châu Âu.
Thư viện số liệu hạt nhân của Nhật.
Máy gia tốc hạt prôton tại Nhật.
Thư viện số liệu hạt nhân của Hàn Quốc.
Kênh ngang số 1.
Kênh ngang số 2.
Kênh ngang số 3.
Kênh ngang số 4.
Máy gia tốc điện tử tuyến tính.
Chương trình tính toán mô phỏng Monte Carlo.
Máy phân tích biên độ đa kênh
Phương pháp thời gian bay.
Chế độ đo biên độ xung
Phương pháp phân tích kích hoạt nơtron gamma tức thời.
Vật liệu để làm hộp chiếu mẫu cho phương pháp PGNAA.
Chế độ đếm tổng

iii


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................1
CHƯƠNG 1.
1.1

TỔNG QUAN ..................................................................................8

Nguồn nơtron .................................................................................................8

1.1.1

Nguồn nơtron đồng vị .............................................................................8

1.1.2

Nguồn nơtron từ máy gia tốc ..................................................................9

1.1.3

Nguồn nơtron từ lò phản ứng ................................................................10

1.2

Một số kỹ thuật xác định năng lượng nơtron ...............................................11

1.2.1

Kỹ thuật thời gian bay ...........................................................................11

1.2.2

Kỹ thuật chọn lọc cơ học ......................................................................13

1.2.3

Kỹ thuật nhiễu xạ tinh thể .....................................................................14

1.2.4

Kỹ thuật phin lọc nơtron .......................................................................15

1.3

Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án trên thế giới .................16

1.4

Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án tại Việt Nam ................22

1.5

Kết luận chương 1 ........................................................................................24

CHƯƠNG 2.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM
........................................................................................................25

2.1

Phương pháp tạo chùm nơtron phin lọc .......................................................25

2.1.1

Cơ sở của phương pháp phin lọc nơtron ...............................................25

2.1.2

Các tiêu chí lựa chọn thành phần, kích thước của vật liệu phin lọc .....26

2.1.3

Xác định các thông số cơ bản của chùm nơtron phin lọc .....................27

2.2

Phương pháp nghiên cứu các vấn đề vật lý .................................................29

2.2.1

Phương pháp đo tiết diện nơtron toàn phần ..........................................29

iv


2.2.2
2.3

Phương pháp đo phổ phát xạ gamma từ phản ứng bắt nơtron nhiệt .....32

Các thiết bị thực nghiệm ..............................................................................39

2.3.1

Kênh ngang số 4 của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt ..............................39

2.3.2

Hệ đo nơtron truyền qua .......................................................................41

2.3.3

Hệ PGNAA ...........................................................................................45

2.4

Đối tượng mẫu nghiên cứu ..........................................................................46

2.4.1

Đối tượng mẫu cho thực nghiệm đo tiết diện nơtron toàn phần ...........46

2.4.2

Đối tượng mẫu cho thực nghiệm đo phổ phát xạ gamma từ phản ứng bắt

nơtron nhiệt .......................................................................................................47
2.5

Kết luận chương 2 ........................................................................................48

CHƯƠNG 3.
3.1

THỰC NGHIỆM ............................................................................50

Thực nghiệm tạo chùm nơtron phin lọc đơn năng .......................................50

3.1.1

Tính toán phổ năng lượng các chùm nơtron phin lọc ...........................50

3.1.2

Tính toán nâng cao chất lượng các chùm nơtron 54 keV và 148 keV ...57

3.1.3

Thực nghiệm đo phổ nơtron phin lọc....................................................57

3.2

Thực nghiệm đo tiết diện nơtron toàn phần .................................................64

3.2.1

Chuẩn bị mẫu ........................................................................................64

3.2.2

Bố trí thí nghiệm ...................................................................................66

3.2.3

Xử lý số liệu ..........................................................................................67

3.3

Thực nghiệm xác định cường độ các tia gamma tức thời từ phản ứng bắt nơtron

nhiệt .....................................................................................................................74
3.3.1

Chuẩn bị mẫu ........................................................................................74

3.3.2

Bố trí thí nghiệm ...................................................................................75

v


3.3.3

Xử lý số liệu ..........................................................................................76

3.4

Đánh giá độ tin cậy của thiết bị và phương pháp ........................................85

3.5

Kết luận chương 3 ........................................................................................88

CHƯƠNG 4.
4.1

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................90

Kết quả tạo các chùm nơtron phin lọc .........................................................90

4.1.1

Kết quả tính toán các chùm nơtron phin lọc .........................................90

4.1.2

Kết quả tính toán nâng cao độ sạch chùm nơtron 54 keV và 148 keV ..91

4.1.3

Kết quả thực nghiệm xác định đặc trưng các chùm nơtron phin lọc ....93

4.1.4

Kết quả tính toán hiệu ứng tường cho ống đếm prôton giật lùi ............95

4.2

Kết quả xác định tiết diện nơtron toàn phần ................................................96

4.2.1

Kết quả đo tiết diện nơtron toàn phần của hạt nhân 12C .......................96

4.2.2

Kết quả đo tiết diện nơtron toàn phần của hạt nhân 93Nb ...................102

4.2.3

Kết quả đo tiết diện nơtron toàn phần của hạt nhân 238U....................106

4.2.4

Các nguồn sai số trong phép đo tiết diện nơtron toàn phần ................109

4.3

Kết quả xác định cường độ các tia gamma tức thời từ phản ứng bắt nơtron

nhiệt. ...................................................................................................................111
4.3.1

Cường độ tương đối các tia gamma tức thời của hạt nhân 36Cl ..........111

4.3.2

Cường độ tương đối các tia gamma tức thời của hạt nhân 49Ti ..........114

4.4

Kết luận chương 4 ......................................................................................116

KẾT LUẬN .........................................................................................................118
CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO.....................................................120
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ..................................121
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................123

vi


Phụ lục 1: File Input mô phỏng phổ nơtron phin lọc. .........................................128
PL1. Mô tả file Input .......................................................................................128
PL2. Mô tả file Output ....................................................................................129
Phụ lục 2: File Input tính toán hiệu ứng tường cho ống đếm LND-281. ...........131
Phụ lục 3: File Input tính toán hiệu suất ghi của đầu dò HPGe. ........................133

vii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Các đặc trưng của nguồn phân hạch 252Cf............................................ 9
Bảng 3.1. Thành phần vật liệu phin lọc. ............................................................. 50
Bảng 3.2. Tổ hợp vật liệu để tạo ra các chùm nơtron phin lọc. .......................... 51
Bảng 3.3. Thông lượng và độ sạch nơtron 148 keV theo bề dày Si. ................... 54
Bảng 3.4. Thông lượng và độ sạch nơtron 148 keV theo bề dày Ti. .................. 55
Bảng 3.5. Kết quả tính toán đặc trưng của các chùm nơtron phin lọc................ 56
Bảng 3.6. Đặc trưng của mẫu C, Nb và U. ......................................................... 65
Bảng 3.7. So sánh tỉ số truyền qua theo bề dày mẫu trên chùm 54 keV. ............ 72
Bảng 3.8. Tiết diện nơtron toàn phần của 93Nb theo bề dày mẫu. ...................... 73
Bảng 3.9. Tốc độ đếm các tia gamma tức thời của phông. ................................. 77
Bảng 3.10. So sánh hiệu suất ghi thực nghiệm và tính toán MCNP. ................. 79
Bảng 3.11. Các hệ số khớp đa thức. ................................................................... 81

Bảng 3.12. Thực nghiệm đo truyền qua 12C trên chùm 54 keV. ......................... 87
Bảng 3.13. So sánh tiết diện nơtron toàn phần của 12C tại 54 keV. .................... 87
Bảng 4.1. Tổ hợp vật liệu các chùm nơtron phin lọc.......................................... 91
Bảng 4.2. So sánh đặc trưng các chùm nơtron phin lọc. .................................... 93
Bảng 4.3. Đặc trưng thực nghiệm của các chùm nơtron phin lọc. ..................... 94
Bảng 4.4. Tiết diện nơtron toàn phần của 12C trong dải năng lượng keV. .......... 97
Bảng 4.5. Tiết diện nơtron toàn phần của 12C sử dụng phương pháp MMFB.. 100
Bảng 4.6. Tiết diện nơtron toàn phần của 93Nb trong dải năng lượng keV....... 102
Bảng 4.7. Tiết diện nơtron toàn phần của 238U trong dải năng lượng keV. ...... 106
Bảng 4.8. Các nguồn sai số. .............................................................................. 110
Bảng 4.9. Cường độ tương đối của các tia gamma tức thời của 36Cl. .............. 112
Bảng 4.10. Cường độ tương đối của các tia gamma tức thời của 49Ti.............. 114

viii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Phân bố phổ năng lượng nơtron trong lò phản ứng. ........................... 10
Hình 1.2. Sự phụ thuộc của thời gian bay vào năng lượng nơtron. .................... 12
Hình 1.3. Bộ lọc cơ học nơtron........................................................................... 14
Hình 1.4. Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên mạng tinh thể ................................... 15
Hình 1.5. Sự thay đổi phổ của các nơtron khi đi qua phin lọc bằng Be. ............ 15
Hình 1.6. Tạo nơtron đơn năng từ vật liệu Si. .................................................... 16
Hình 2.1. Phổ nơtron 2 keV với phin lọc Sc........................................................ 25
Hình 2.2. Sơ đồ thí nghiệm đo nơtron truyền qua. ............................................. 29
Hình 2.3. Quá trình bắt nơtron của hạt nhân bia kèm phát xạ gamma. .............. 33
Hình 2.4. Sơ đồ các tia gamma phân rã về trạng thái cơ bản. ............................ 33
Hình 2.5. Sơ đồ các tia gamma sơ cấp từ trạng thái bắt nơtron.......................... 34
Hình 2.6. Chuẩn hóa từ hiệu suất tương đối về hiệu suất tuyệt đối. ................... 37
Hình 2.7. Sơ đồ vị trí KS4 và bố trí phin lọc. ..................................................... 40

Hình 2.8. Cấu trúc phin lọc nơtron ..................................................................... 40
Hình 2.9. Phổ năng lượng nơtron tại vị trí trước phin lọc KS4. ......................... 41
Hình 2.10. Hệ thống chuẩn trực. ......................................................................... 41
Hình 2.11. Giá để mẫu cho phép đo truyền qua. ................................................ 42
Hình 2.12. Ống đếm prôton giật lùi LND-281 và tiền khuếch đại 142PC. ........ 43
Hình 2.13. Sơ đồ các khối điện tử chức năng của hệ phổ kế prôton giật lùi. ..... 43
Hình 2.14. Hệ đo nơtron truyền qua tại KS4. ..................................................... 44
Hình 2.15. Sơ đồ các khối điện tử chức năng cho hệ đo PGNAA. .................... 45
Hình 2.16. Bố trí hệ đo PGNAA tại KS4. .......................................................... 46
Hình 3.1. Phổ năng lượng nơtron thực nghiệm tại vị trí trước phin lọc KS4. .... 52
Hình 3.2. Tiết diện nơtron toàn phần của B, Si, S. ............................................. 53
Hình 3.3. Sự phụ thuộc thông lượng và độ sạch nơtron theo bề dày Si. ............ 54
Hình 3.4. Sự phụ thuộc thông lượng và độ sạch nơtron theo bề dày Ti. ............ 55
Hình 3.5. Phổ nơtron 148 keV với phin lọc Si và Si+Ti ..................................... 56
Hình 3.6. Hệ chuẩn trực chùm nơtron cho thí nghiệm đo truyền qua tại KS4. .. 58

ix


Hình 3.7. Phổ prôton giật lùi trên chùm nơtron nhiệt. ........................................ 59
Hình 3.8. Phổ prôton giật lùi trên chùm 54 keV. ................................................ 60
Hình 3.9. Phổ vi phân 54 keV. ............................................................................ 61
Hình 3.10. Mẫu C cho thí nghiệm đo truyền qua. .............................................. 65
Hình 3.11. Mẫu Nb cho thí nghiệm đo truyền qua. ............................................ 66
Hình 3.12. Mẫu U cho thí nghiệm đo truyền qua. .............................................. 66
Hình 3.13. Phổ prôton giật lùi của C trên chùm 54 keV. .................................... 68
Hình 3.14. Phổ vi phân của C trên chùm 54 keV. ............................................... 68
Hình 3.15. Tốc độ đếm theo các bề dày mẫu C trên chùm 54 keV. .................... 70
Hình 3.16. So sánh tỷ số truyền qua theo bề dày mẫu. ....................................... 72
Hình 3.17. Tiết diện nơtron toàn phần thực nghiệm theo bề dày mẫu. .............. 74

Hình 3.18. Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo phổ gamma tức thời. .............................. 75
Hình 3.19. Phổ phông gamma tức thời trong khoảng năng lượng 0  2 MeV.... 76
Hình 3.20. Phổ phông gamma tức thời trong khoảng năng lượng 2  9 MeV.... 77
Hình 3.21. Đường cong hiệu suất tuyệt đối của đầu dò tại 31 cm. ..................... 82
Hình 3.22. Xử lý phổ gamma tức thời bằng chương trình FitzPeaks. ................ 82
Hình 3.23. Tốc độ đếm của mẫu đo đối với năng lượng 54 keV. ....................... 86
Hình 4.1. Phổ nơtron nhiệt.................................................................................. 90
Hình 4.2. Phổ nơtron 54 keV............................................................................... 91
Hình 4.3. Phổ nơtron 59 keV. ............................................................................. 91
Hình 4.4. Phổ nơtron 133 keV. ........................................................................... 91
Hình 4.5. Phổ nơtron 148 keV. ........................................................................... 91
Hình 4.6. Phổ nơtron 54 keV trước và sau khi bổ sung phin lọc phụ. ................ 92
Hình 4.7. Phổ nơtron 148 keV trước và sau khi bổ sung phin lọc phụ. .............. 92
Hình 4.8. Phổ nơtron 54 keV............................................................................... 94
Hình 4.9. Phổ nơtron 59 keV............................................................................... 94
Hình 4.10. Phổ nơtron 133 keV........................................................................... 94
Hình 4.11. Phổ nơtron 148 keV........................................................................... 94
Hình 4.12. Hiệu ứng tường 54 keV ..................................................................... 95

x


Hình 4.13. Hiệu ứng tường 59 keV ..................................................................... 95
Hình 4.14. Hiệu ứng tường 133 keV ................................................................... 95
Hình 4.15. Hiệu ứng tường 148 keV ................................................................... 95
Hình 4.16. Tiết diện nơtron toàn phần của 12C trong dải năng lượng keV. ........ 97
Hình 4.17. Tách năng lượng nơtron bằng phương pháp MMFB. ....................... 99
Hình 4.18. Phương pháp MMFB đối với chùm 148 keV tại lò Đà Lạt............. 100
Hình 4.19. Tiết diện nơtron toàn phần của 12C sử dụng phương pháp MMFB.101
Hình 4.20. Tiết diện nơtron toàn phần của 93Nb trong dải năng lượng keV. .... 103

Hình 4.21. So sánh các giá trị thực nghiệm tại 24 keV. .................................... 105
Hình 4.22. Tiết diện nơtron toàn phần của 238U trong dải năng lượng keV. ..... 107
Hình 4.23. Phổ gamma tức thời từ phản ứng 35Cl(n, )36Cl.............................. 111
Hình 4.24. Đánh giá số liệu 36Cl theo tiêu chuẩn u-score................................. 113
Hình 4.25. Phổ gamma tức thời từ phản ứng 48Ti(n, )49Ti. ............................. 114
Hình 4.26. Đánh giá số liệu 49Ti theo tiêu chuẩn u-score................................. 115

xi


MỞ ĐẦU
Vào năm 1932, hạt nơtron được phát hiện lần đầu tiên bởi Chadwick từ
thí nghiệm chiếu Be bằng hạt α 9Be(α, n)12C [8]. Kể từ đó, nền khoa học và
công nghệ hạt nhân đã phát triển vượt bậc với nhiều thành tựu to lớn. Các phản
ứng hạt nhân của nơtron với vật chất có vai trò quan trọng hàng đầu trong các
lĩnh vực nghiên cứu phát triển và ứng dụng của khoa học kỹ thuật hạt nhân,
phục vụ sự phát triển chung của nền kinh tế xã hội ở nhiều nước trên thế giới
như phục vụ sản xuất năng lượng, sản xuất đồng vị phóng xạ, nghiên cứu môi
trường, nông nghiệp, công nghiệp, y học hạt nhân, công nghệ vật liệu mới,...
Một trong các thực nghiệm quan trọng và phổ biến của vật lý nơtron là
nghiên cứu phản ứng hạt nhân và các hiệu ứng tương tác của nơtron với vật
chất trên cơ sở các chùm nơtron đơn năng từ lò phản ứng hạt nhân bằng kỹ
thuật phin lọc. Các hướng nghiên cứu cơ bản và ứng dụng trên các chùm nơtron
phin lọc từ lò phản ứng có thể được liệt kê như sau [28, 36]:
-

Xác định số liệu tiết diện nơtron toàn phần và tiết diện riêng phần với độ
chính xác cao (sai số 0,1  0,01%);

-

Xác định chính xác tiết diện nơtron (sai số <1%) để thu được các tham
số hạt nhân như σt, σs, σγ, σf, S0, S1, S2, R0, R1, D, <Гγ>;

-

Xác định đặc trưng phổ phát xạ gamma từ phản ứng bắt nơtron của các
vật liệu khác nhau;

-

Xác định tiết diện tán xạ không đàn hồi đối với các mức kích thích đầu
tiên của các hạt nhân nặng;

-

Xác định tiết diện kích hoạt;

-

Nghiên cứu thực nghiệm về tỉ số Isomer;

-

Nghiên cứu hiệu ứng Doppler;

-

Xác định tiết diện phản ứng σt, σγ, σinel bằng phương pháp thời gian bay;

1


-

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của bức xạ lên tính chất vật liệu;

-

Chụp ảnh nơtron;

-

Nghiên cứu hiệu ứng y sinh;

-

Nghiên cứu phương pháp xạ trị ung thư não (BNCT);

-

Phân tích kích hoạt gamma tức thời (PGNAA);

-

Chuẩn liều nơtron;

-

Chuẩn năng lượng cho ống đếm prôton giật lùi.

Chất lượng của chùm nơtron đơn năng là một trong những yếu tố quan

trọng quyết định đến độ chính xác của các kết quả thực nghiệm. Để tạo ra các
nguồn nơtron đơn năng người ta đã ứng dụng các kỹ thuật khác nhau như: kỹ
thuật phin lọc, kỹ thuật tán xạ tinh thể, phương pháp thời gian bay....
Trong đó, kỹ thuật sử dụng các phin lọc nơtron khác nhau trên cơ sở các
kênh ngang của lò phản ứng để tạo ra các chùm nơtron có năng lượng đơn năng,
có độ phân giải năng lượng tốt và thông lượng lớn là một trong những phương
pháp hiệu quả đáp ứng được các yêu cầu nêu trên. Kỹ thuật phin lọc nơtron đã
được áp dụng rộng rãi ở nhiều quốc gia trên thế giới như: Ukraina, Mỹ, Nhật
Bản, Việt Nam,... Ngày nay, với kỹ thuật này người ta đã tạo ra các chùm nơtron
nhiệt và đơn năng trong vùng năng lượng từ eV đến keV đến vài MeV [49, 65].
Ở Việt Nam, từ những năm 1990, kỹ thuật phin lọc đã được áp dụng
thành công tại kênh ngang số 4 (KS4) lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt để tạo ra
các chùm nơtron phin lọc nhiệt, 55 keV và 144 keV phục vụ các nghiên cứu về
đo đạc thực nghiệm số liệu hạt nhân, phân tích nguyên tố bằng phương pháp
PGNAA, chụp ảnh nơtron và đào tạo nhân lực [2]. Hiện nay, nước ta đang tiến
đến sản xuất điện nguyên tử và tăng cường phát triển các ứng dụng phi điện
năng của khoa học và kỹ thuật hạt nhân, phục vụ sự phát triển chung của nền
kinh tế xã hội. Để góp phần nâng cao tiềm lực về cơ sở nghiên cứu vật lý hạt

2


nhân và đào tạo nhân lực, việc nghiên cứu phát triển một số chùm nơtron phin
lọc đơn năng mới tại các kênh ngang của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt và các
nghiên cứu, ứng dụng liên quan được thực hiện trong luận án này.
Đề tài luận án được đặt ra nhằm mục tiêu:
1. Tạo ra các chùm nơtron phin lọc mới dải năng lượng keV và nâng cao
chất lượng 2 chùm nơtron 55 keV và 144 keV hiện có tại KS4 lò phản

ứng hạt nhân Đà Lạt.
2. Nghiên cứu tiết diện nơtron toàn phần của các vật liệu lò phản ứng
trên các chùm nơtron phin lọc đơn năng dải keV.
3. Nghiên cứu đặc trưng phổ phát xạ gamma từ phản ứng bắt nơtron nhiệt
của các vật liệu lò phản ứng.
Với các mục tiêu nêu trên, luận án cần giải quyết các nội dung sau:
1. Phát triển hai chùm nơtron phin lọc mới là 59 keV và 133 keV sử dụng
chương trình tính toán mô phỏng Monte Carlo MCNP5. Tính toán
nâng cao chất lượng 2 chùm nơtron hiện có là 55 keV và 144 keV với
độ sạch đạt 98%. Đo đạc thực nghiệm các đặc trưng cơ bản của các
chùm nơtron phin lọc 54 keV, 59 keV, 133 keV và 148 keV bằng hệ phổ
kế prôton giật lùi.
2. Xác định thực nghiệm tiết diện nơtron toàn phần của các vật liệu cấu
trúc lò phản ứng 12C, 93Nb và

238

U trên các chùm nơtron phin lọc 24

keV, 54 keV, 59 keV, 133 keV và 148 keV.
3. Xác định thực nghiệm phổ phát xạ gamma từ phản ứng bắt nơtron
nhiệt của các vật liệu chuẩn cho phương pháp PGNAA là 36Cl và vật
liệu cấu trúc lò phản ứng là 49Ti.

3


Ý nghĩa khoa học:
1. Tạo ra được 02 chùm nơtron phin lọc mới 59 keV và 133 keV với
thông lượng nơtron đạt 5,2  105 và 3,3  105 n.cm-2.s-1 và độ sạch

của chùm >92% phục vụ đo đạc số liệu hạt nhân và các ứng dụng
liên quan tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.
2. Xây dựng được hệ đo nơtron, hoàn thiện phương pháp đo và xử lý
số liệu thực nghiệm đo tiết diện nơtron toàn phần bằng kỹ thuật đo
nơtron truyền qua. Hệ thiết bị và phương pháp là công cụ tốt cho
các nghiên cứu cơ bản, nghiên cứu ứng dụng và đào tạo.
3. Số liệu tiết diện nơtron toàn phần của các vật liệu cấu trúc lò phản
ứng 12C, 93Nb và 238U trong dải năng lượng keV với sai số <3% tại
lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt sẽ góp phần bổ sung số liệu thực
nghiệm cho thư viện EXFOR.
4. Áp dụng thành công phương pháp PGNAA trong đo số liệu thực
nghiệm về năng lượng và cường độ bức xạ của các tia gamma tức
thời của vật liệu cấu trúc lò phản ứng trong dải năng lượng trên 4
MeV. Số liệu này rất quan trọng trong các nghiên cứu tính toán che
chắn an toàn bức xạ, các nghiên cứu biến tính vật liệu do tổn hại
bức xạ gamma năng lượng cao và nghiên cứu số liệu hạt nhân bởi
vì trong vùng năng lượng này các phép đo thực nghiệm chỉ thực
hiện được bằng phản ứng (n, ).
Ý nghĩa thực tiễn:
1. Các chùm nơtron đơn năng dải keV với cường độ chùm >90% tại
lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt là công cụ rất hữu ích trong các
nghiên cứu định chuẩn liều nơtron, chuẩn thiết bị ghi đo nơtron và
các nghiên cứu ảnh hưởng của bức xạ lên tính chất vật liệu theo
năng lượng nơtron.
4


2. Việc hoàn thiện về mặt thiết bị và phương pháp đo tiết diện nơtron
toàn phần bằng kỹ thuật đo truyền qua trên các chùm nơtron phin
lọc tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt đã mở ra một hướng nghiên

cứu rất có ý nghĩa thực tiễn trong việc cung cấp các số liệu hạt
nhân trong vùng cộng hưởng không phân giải được cần thiết cho
tính toán thiết kế lò phản ứng như các tham số cộng hưởng nơtron
trung bình, hệ số tự che chắn cộng hưởng,...
3. Góp phần tham gia vào các hoạt động đo đạc số liệu hạt nhân trong
vùng năng lượng trung gian. Trong lĩnh vực đào tạo cán bộ đây
cũng là một công cụ rất cơ bản của vật lý hạt nhân thực nghiệm.
Những đóng góp mới của luận án:
1. Tạo 02 chùm nơtron phin lọc mới là 59 keV và 133 keV với độ
sạch đạt 93%, thông lượng nơtron tại vị trí chiếu mẫu là 5,2  105
và 3,3  105 n.cm-2.s-1. Các chùm nơtron phin lọc mới được phát
triển trên cơ sở các vật liệu tự nhiên có giá thành phù hợp với điều
kiện nghiên cứu của Việt Nam, đảm bảo chất lượng cho việc
nghiên cứu số liệu hạt nhân.
2. Xây dựng được hệ phổ kế prôton giật lùi và hoàn thiện phương
pháp đo và xử lý số liệu thực nghiệm đo tiết diện nơtron toàn phần
bằng kỹ thuật đo truyền qua. Phương pháp và thiết bị này đã được
ứng dụng thành công trong việc đo chỉ số hydro trong mẫu đá
móng dầu khí.
3. Cung cấp bộ số liệu hạt nhân mới về tiết diện nơtron toàn phần
của vật liệu cấu trúc lò phản ứng C, Nb và U tại các năng lượng
đơn năng 24 keV, 54 keV, 59 keV, 133 keV và 148 keV với sai số
thực nghiệm <3%. Các số liệu này có ý nghĩa quan trọng trong
việc tính toán che chắn an toàn lò phản ứng.
5


4. Số liệu thực nghiệm cường độ tương đối các tia gamma tức thời
của 36Cl đã được áp dụng trong việc định chuẩn hệ phổ kế và trong
phân tích hàm lượng các nguyên tố nhẹ trong các đối tượng mẫu

địa chất và sinh học bằng phương pháp K0-PGNAA tại lò phản
ứng hạt nhân Đà Lạt.
Cấu trúc luận án
Luận án gồm phần mở đầu, 4 chương chính và phần kết luận bao gồm:
Chương 1: Tổng quan
Mô tả tổng quan các nguồn nơtron, một số kỹ thuật xác định năng lượng
nơtron đơn năng và tình hình nghiên cứu ứng dụng chùm nơtron trên thế giới
và tại Việt Nam.
Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và thiết bị thực nghiệm
Giới thiệu phương pháp tạo chùm nơtron phin lọc đơn năng; Phương
pháp đo tiết diện nơtron toàn phần; Phương pháp đo phổ phát xạ gamma từ
phản ứng bắt nơtron nhiệt và Hệ thống thiết bị thực nghiệm liên quan cũng như
đối tượng mẫu nghiên cứu.
Chương 3: Thực nghiệm
Đưa ra 03 nghiên cứu thực nghiệm trên các chùm nơtron phin lọc tại
kênh số 4 lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt bao gồm: 1) Xác định đặc trưng cơ bản
của các chùm nơtron phin lọc nhiệt, 54 keV, 59 keV, 133 keV và 148 keV; 2)
Xác định tiết diện nơtron toàn phần của các hạt nhân 12C, 93Nb và 238U trên các
chùm nơtron phin lọc đơn năng 24 keV, 54 keV, 59 keV, 133 keV và 148 keV và
3) Xác định cường độ các tia gamma tức thời của phản ứng bắt nơtron nhiệt
của các hạt nhân 36Cl và 49Ti.
- Phương pháp xử lý số liệu.
6


- Đánh giá độ ổn định và tin cậy của thiết bị thực nghiệm và phương pháp
nghiên cứu.
Chương 4: Kết quả và thảo luận
Trình bày 03 kết quả chính đã đạt được trong luận án bao gồm: 1) Kết
quả tạo các chùm nơtron phin lọc mới 59 keV và 133 keV; 2) Kết quả xác định

tiết diện nơtron toàn phần của các hạt nhân 12C, 93Nb và

238

U trên các chùm

nơtron phin lọc 24 keV, 54 keV, 59 keV, 133 keV và 148 keV và 3) Kết quả xác
định cường độ tương đối của các tia gamma tức thời từ phản ứng bắt nơtron
nhiệt đối với các hạt nhân 36Cl và 49Ti.
Kết luận.
Các hướng nghiên cứu tiếp theo.
Danh mục các công trình công bố liên quan đến luận án.
Tài liệu tham khảo.
Phụ lục.

7


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Nguồn nơtron
Các nguồn nơtron được tạo ra từ nhiều phương pháp khác nhau, có các
đặc trưng khác nhau như phân bố năng lượng, thông lượng nơtron…. Mỗi một
loại nguồn nơtron có những ưu điểm và nhược điểm nhất định đối với các mục
đích ứng dụng khác nhau.
1.1.1 Nguồn nơtron đồng vị
a) Nguồn nơtron từ phản ứng (, n) (Quang phản ứng)
Các nguồn nơtron loại quang phản ứng sử dụng các lượng tử  phát ra
các nơtron hầu hết là nơtron đơn năng. Do năng lượng tia gamma của các đồng
vị phóng xạ ít khi vượt quá 3 MeV, phản ứng (, n) chỉ có thể xảy ra với Be:

 + 9Be → n + 8Be năng lượng ngưỡng 1,67 MeV,
 + 2D → n + 1H năng lượng ngưỡng 2,23 MeV.
Nhược điểm của nguồn nơtron loại này là độ ra nơtron nhỏ và thời gian
làm việc ngắn. Khi làm việc với nguồn (, n) cần chú ý đến bảo vệ an toàn
phóng xạ khỏi tia gamma cứng.
b) Nguồn nơtron từ phản ứng (α, n)
Các nguyên tố siêu Uranium như

242

Cm, 239Pu,

241

Am,

252

Cf ,… phát ra

hạt α (4He), hạt α này tương tác với 9Be tạo thành nơtron theo phản ứng 9Be (,
n) 12C:
α +

9

Be → n + 12C + 5,7 MeV.

Ngoài 9Be, người ta có thể thay bằng các nguyên tố nhẹ như B, Li hoặc
F. Những nguồn này được tạo ra dưới dạng bột kim loại pha với 9Be. Trong các

8


loại nguồn phản ứng và nguồn đồng vị thì nguồn phân hạch

252

Cf là nguồn

thường được sử dụng hơn cả.
c) Nguồn nơtron từ sự phân hạch của đồng vị 252Cf:
Có chu kỳ bán hủy là 2,73 năm, 3,2% phân rã bằng phân hạch tự phát,
phát ra 3,7 nơtron với năng lượng 2,3 MeV theo các phản ứng sau:
Cf →

252

Cf →

252

140
140

Xe + 108Ru + 4n + Q,

Cs + 109Tc + 3n + Q.

Bảng 1.1. Các đặc trưng của nguồn phân hạch 252Cf.

Đặc trưng

Đơn vị

Phát α
Phân hạch tự phát
Phát α
Phân hạch tự phát

96,9%
3,1%
2,731  0,007 năm
85,5  0,5 năm
2,34.1012 n.s-1.g-1
3,76
2,348 MeV
1,3.1013  s-1g-1
6,117 MeV

Tốc độ phát nơtron
Phát nơtron/phân hạch tự phát
Năng lượng nơtron trung bình
Tốc độ phát 
Năng lượng  trung bình
1.1.2 Nguồn nơtron từ máy gia tốc

Các nguồn nơtron tạo ra từ máy gia tốc có những ưu điểm là cường độ
chùm nơtron đạt được lớn hơn vài bậc so với các nguồn nơtron đồng vị, dải
năng lượng rộng từ eV ÷ MeV. Nơtron được tạo ra từ phản ứng (p, n) hoặc (d,
n) với chùm đơtron hoặc prôton bằng máy gia tốc Van de Graaff trên các bia

D, Li, 3H và Be. Ngoài ra cũng có thể tạo chùm nơtron mạnh bằng máy gia tốc
LINAC dựa trên phản ứng (, n), hoặc từ phản ứng (p, n) và (d, n) trên máy gia
tốc hạt tròn hoặc máy gia tốc hạt vòng xuyến.

9


Nhiều máy gia tốc phát nơtron đã được sử dụng trong điều trị bệnh, xử
lý vật liệu, bảo quản thực phẩm, khử trùng các dụng cụ y tế, xử lý khí thải…
và cả trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học.
1.1.3 Nguồn nơtron từ lò phản ứng
Nơtron sinh ra trong lò phản ứng có năng lượng trong khoảng từ 0 đến 20
và thông lượng lớn từ 1014 ÷ 1015 n.cm-2.s-1. Đây là ưu thế mà các nguồn
khác khó có thể đạt được. Phân bố phổ năng lượng nơtron trong các lò phản
ứng hạt nhân được chia theo 3 vùng năng lượng gồm nơtron nhiệt, trung gian
và nhanh như biểu diễn ở
Hình 1.1.

Hình 1.1. Phân bố phổ năng lượng nơtron trong lò phản ứng.
Miền nơtron nhiệt (0 eV < En ≤ 0,1 eV): các nơtron nhiệt chuyển động
trong trạng thái cân bằng nhiệt với các phần tử môi trường chất làm chậm, có
phân bố phù hợp với phân bố Maxwell đặc trưng bởi nhiệt độ trung bình:
𝜙(𝐸) = 𝜙𝑡𝑜𝑡

𝐸
𝐸
−
𝐸0
𝑒
√𝜋 (𝐸0 )2

10

2

(1.1)


Trong đó, E0 = KT là năng lượng tương ứng với vận tốc nơtron 2200 m/s
ở nhiệt độ phòng T = 293 K, E0 = 0,0253 eV. Các nơtron trong vùng này gọi
là các nơtron nhiệt. Các nơtron có năng lượng thấp hơn 0,0253 eV người ta còn
gọi là nơtron lạnh. Nơtron lạnh có tiết diện bắt nơtron rất lớn và tuân theo quy
luật 1/v. Nơtron loại này mang tính chất sóng vì chiều dài sóng lớn hơn nhiều
khoảng cách giữa các nguyên tử. Do đó, nơtron lạnh là phương tiện để nghiên
cứu cấu trúc của các tinh thể chất rắn. Tuy nhiên việc sử dụng phương tiện kỹ
thuật này cần có chùm nơtron lạnh với cường độ đủ lớn.
Miền nơtron trung gian (0,1 eV < En ≤ 100 keV) hay còn gọi là miền
năng lượng cộng hưởng và các nơtron trung gian được gọi là nơtron cộng
hưởng. Phân bố năng lượng nơtron trong miền này được viết theo biểu thức:
𝜙𝑒𝑝𝑖 (𝐸) =

𝑘
𝐸

, 𝑘 𝑙à ℎằ𝑛𝑔 𝑠ố

(1.2)

Nơtron trung gian sinh ra chủ yếu do tán xạ đàn hồi của nơtron nhanh
với nguyên tử có số Z nhỏ của chất làm chậm như H, C…. Nơtron được làm

chậm có phổ năng lượng (E) tỉ lệ với 1/E trong vùng từ 0,1 eV ÷ 100 keV.
Miền nơtron nhanh (100 keV < En ≤ 20 MeV) các nơtron sinh ra do
phản ứng phân hạch, có cực đại ở 0,7 MeV và được mô tả bởi phân bố Watt.
Các nơtron nhanh trong lò phản ứng sau quá trình làm chậm chuyển về nơtron
trên nhiệt và nơtron nhiệt. Tuy nhiên, quá trình phân hạch vẫn tiếp diễn nên vẫn
tồn tại thành phần nơtron nhanh tuân theo quy luật phân bố Watt:
𝜙(𝐸) = 0,484. 𝑒 −𝐸 𝑠𝑖𝑛ℎ√(2𝐸)

(1.3)

1.2 Một số kỹ thuật xác định năng lượng nơtron
1.2.1 Kỹ thuật thời gian bay
Năng lượng của nơtron có thể xác định được nếu biết vận tốc của nó. Để
xác định được vận tốc nơtron, cần đo chính xác thời gian nơtron bay qua một
11


khoảng cách cố định nào đó. Kỹ thuật đo năng lượng của các nơtron dựa trên
cách tiếp cận như vậy được gọi là kỹ thuật thời gian bay [1].
Giả thiết rằng nguồn phát ra xung nơtron có phổ năng lượng rộng, đầu
dò ghi nhận nơtron nằm cách nguồn một khoảng l. Hệ thức mô tả sự liên quan
giữa năng lượng nơtron E và thời gian bay từ nguồn tới đầu dò như sau:
𝑡=

𝑙
=
𝑣

𝑙
√2𝐸

𝑚

(1.4)

Suy ra rằng giữa hai đại lượng này có một quan hệ đơn trị khi độ dài
xung nơtron nhỏ so với thời gian bay. Như vậy có thể đo năng lượng nơtron
bay ra từ nguồn nơtron liên tục. Phương pháp này cho phép nghiên cứu các
phản ứng hạt nhân khá chính xác trong vùng năng lượng thấp. Hình 1.2 biểu
diễn sự phụ thuộc của thời gian bay vào năng lượng của nơtron.

Hình 1.2. Sự phụ thuộc của thời gian bay vào năng lượng nơtron.

12