Sử dụng phương trình phản ứng bắt nhiệt NOTRON để xác định cường độ các tia GAMMA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT
KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN

ĐỖ NGỌC MẾN

XÁC ĐỊNH THỰC NGHIỆM CƯỜNG ĐỘ CÁC TIA GAMMA TỨC
THỜI TỪ PHẢN ỨNG BẮT NƠTRON NHIỆT 51V (n, γ) V52

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN

LÂM ĐỒNG, 2017


TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT
KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN

ĐỖ NGỌC MẾN – 1310542

XÁC ĐỊNH THỰC NGHIỆM CƯỜNG ĐỘ CÁC TIA GAMMA TỨC
THỜI TỪ PHẢN ỨNG BẮT NƠTRON NHIỆT 51V (n, γ) V52

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

TS. PHẠM NGỌC SƠN

KHÓA 2013 – 2018


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp này, tôi đã nhận
được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ hết sức nhiệt tình và tâm huyết của các thầy cô
trong Viện nghiên cứu Hạt nhân và các thầy cô Trường Đại học Đà Lạt.
Lời đầu tiền, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc và dành những tình
cảm quý mến, kính trọng đến người thầy TS. Phạm Ngọc Sơn đã hướng dẫn thực
hiện các nội dung công việc trong khóa luận.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ban Giám Hiệu, quý Thầy Cô khoa Kỹ
Thuật Hạt Nhân, Trường Đại học Đà Lạt đã truyền đạt cho tôi những kiến thức, đam
mê trong học tập và nghiên cứu tại trường.
Tôi cũng xin được bày tỏ lời cảm ơn biết ơn đến Ban Lãnh đạo Viện Nghiên
cứu hạt nhân Đà Lạt, Trung tâm Vật lý và Điện tử hạt nhân đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi cho tôi trong quá trình làm thực nghiệm khóa luận tại lò phản ứng hạt
nhân Đà Lạt.
Đồng thời, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè và người
thân yêu đã luôn bên cạnh ủng hộ, động viên, tin tưởng, tạo mọi điều kiện thuận lợi

nhất cho tôi trong suốt những năm học Đại học vừa qua.
Xin chân thành cảm ơn
Đỗ Ngọc Mến

i


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và người hướng dẫn
khoa học là TS. Phạm Ngọc Sơn đang công tác tại Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà
Lạt. Các số liệu và kết quả thực nghiệm đo được trong khóa luận này là hoàn toàn
trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác. Ngoài ra,
trong khóa luận không có sự sao chép bất kì đề tài, khóa luận hoặc nhờ người khác
làm thay. Các số liệu, công thức và thông tin sử dụng trong khóa luận đều có ghi
nguồn trích dẫn từ tài liệu tham khảo. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về các nội
dung trình bày trong khóa luận này.
Đà Lạt, ngày 19 tháng 12 năm
2017

Người cam đoan
Đỗ Ngọc Mến

ii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT.....................................................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG..................................................................................... vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...............................................................................vii
LỜI MỞ ĐẦU..........................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN...................................................................................3
1.1 Môt số đặc trưng của nguyên tố Vanadium......................................................3
1.2 Phương pháp kích hoạt nơtron đo gamma tức thời..........................................3
1.3 Phương trình tốc độ phản ứng (n,γ ).................................................................6
1.4 Hệ PGNAA ở một số nước trên thế giới..........................................................7
1.4.1. Trên thế giới.............................................................................................7
1.4.2. Hệ thiết bị PGNAA tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt................................9
1.5 Kênh ngang số 2 tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.......................................... 10
1.5.1 Giới thiệu kênh ngang số 2...................................................................... 10
1.5.2 Hệ phổ kế gamma dùng đầu dò HPGe..................................................... 14
1.6 Tổng kết chương 1......................................................................................... 16
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM............................................................................ 17
2.1 Hiệu chuẩn hệ phổ kế..................................................................................... 17
2.1.1 Chuẩn năng lượng của hệ phổ kế............................................................. 17
2.1.2 Chuẩn hiệu suất ghi................................................................................. 18
2.2 Thực nghiệm xác định cường độ các tia gamma tức thời từ phản ứng bắt
59

60

nơtron nhiệt V(n,γ ) V..................................................................................... 26
2.2.1 Chuẩn bị mẫu........................................................................................... 26
2.2.2 Chiếu và đo mẫu...................................................................................... 27
2.3 Tổng kết chương 2......................................................................................... 29
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN........................................................ 30
3.1 Kết quả thực nghiệm...................................................................................... 30
iii

3.3 Tổng kết chương 3......................................................................................... 35
KẾT LUẬN............................................................................................................ 36
KIẾN NGHỊ........................................................................................................... 37
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 38

iv


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt
HPGe

Tiếng Anh
High Purity Germanium

Tiếng Việt
Đầu dò bán dẫn Ge
siêu tinh khiết

IEA

International Atomic
Energy Agency

PGNAA

Prompt gamma nơtron
activation analysis

Cơ quan Năng lượng
Nguyên tử Quốc tế
Phân tích
kích hoạt nơtron đo
gamma tức thời

GELINA

Geel Linear Accelerator

Máy gia tốc điện tử tuyến tính
tại Geel, Bi

CERN

BNC

Conseil Européen pour la

Tổ chức Nghiên cứu

Recherche Nucléaire

Nguyên tử Châu Âu

Budapest Nơtron Centre

n-TOF

Time of Flight

ILL

International Laue

Phương pháp thời gian bay

Langevin
PTFE

Trung tâm nơtron Budapest

Viện Laue Langevin
tại Grenoble, Pháp

Polytetrafloetylen

Vật liệu để làm hộp
chiếu mẫu cho phương pháp
PGNAA

v


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. Các đặc điểm chính của một số hệ phân tích PGNAA ở một số nước trên
thế giới................................................................................................................ 8
Bảng 2. Các đặc điểm chính của hệ phân tích PGNAA Đà Lạt...............................10
Bảng 3. Số liệu hạt nhân của một số nguồn chuẩn.................................................. 19

Bảng 4. Số liệu hiệu suất ghi cho vị trí nguồn cách đầu dò 38.5 cm.......................21
Bảng 5. Số liệu trong tính toán sai số hiệu suất ghi................................................ 24
Bảng 6. Hiệu suất ghi tương ứng vơi các mức năng lượng của hạt nhân
51

51

V.........33

Bảng 7. Cường độ các tia gamma tức thời của hạt nhân V tại các đinh năng lượng
khác nhau.......................................................................................................... 34

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. Quá trình bắt nơtron của hạt nhân bia kèm phát xạ gamma.........................4
Hình 2. Mô tả vị trí lắp đặt hệ thống dẫn dòng nơtron và kín nước vào bên trong
kênh ngang số 2................................................................................................ 11
Hình 3. Hệ thiết bị dòng nơtron phin lọc kênh ngang số 2..................................... 12
Hình 4. Bản vẽ thiết kế hệ dẫn dòng nơtron bằng kĩ thuật phin lọc tại kênh số 2...13
Hình 5. Sơ đồ khối hệ gamma ở chế độ đo đơn...................................................... 15
Hình 6. Hệ phổ kế gamma dùng đầu dò HPGe và các khối điện tử........................15
Hình 7. Đường chuẩn năng lượng của đầu dò HPGe.............................................. 18
Hình 8. Đường cong hiệu suất ghi tại vị trí nguồn cách đầu dò 38.5 cm................23
Hình 9. Lá dò V tinh khiết 99,99%......................................................................... 27
Hình 10. Thực nghiệm phổ gamma của nguồn chuẩn 51V đo trực tiếp tại kênh
ngang số 2......................................................................................................... 28
Hình 11. Phổ gamma của nguồn chuẩn

51

Hình 12. Phổ gamma của nguồn chuẩn

35

V đo trực tiếp tại kênh ngang số 2.........28
Cl đo trực tiếp tại kênh ngang số 2........29

Hình 13. Phổ gamma tức thời của mẫu Vanadium và phổ phông gamma thu được
khi đo trực tiếp tại kênh ngang số 2 của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.............31
Hình 14. Phổ gamma tức thời của mẫu Vanadium và phổ phông gamma thu được
khi đo trực tiếp tại kênh ngang số 2 của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.............31
Hình 15. Phổ gamma tức thời của mẫu Vanadi thu được trong vùng năng lượng từ
80- 4000 keV.................................................................................................... 32
Hình 16. Phổ gamma tức thời của mẫu Vanadi thu được trong khoảng năng lượng
từ 4000-8000 keV............................................................................................. 32

vii


LỜI MỞ ĐẦU
Khoa học và công nghệ hạt nhân đã được nghiên cứu phát triển và ứng dụng
vào thực tiễn ở nhiều quốc gia trên thế giới từ những năm 1940 cho đến nay và đã
đạt được nhiều thành tựu to lớn, đóng góp vào sự phát triển của nền kinh tế xã hội
của quốc tế nói chung và đối với nhiều Quốc gia nói riêng như: Mỹ, Nhật Bản, Nga,
Ấn Độ [11]. Trong những năm gần đây, Việt Nam cũng đặc biệt quan tâm đến
nghiên cứu về số liệu hạt nhân cơ bản và ứng dụng kĩ thuật hạt nhân trong công
nghiệp và nông nghiệp và đã có nhiều tiến bộ quả nhất định.
Tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt, hướng nghiên cứu cấu trúc hạt nhân

bằng thực nghiệm đã được triển khai và thu được những thành công nhất định [1].
Hiện tại, Trung tâm Vật lý và điện tử hạt nhân đã đưa vào khai thác ba dòng nơtron
cho thí nghiệm đo đạc phản ứng (n, γ) bao gồm kênh nganh số 2 đo đạc tiết diện hạt
nhân và phân tích nguyên tố bằng phương pháp kích hoạt nơtron đo gamma tức
thời, kênh nganh số 3 bao gồm hệ phổ kế đo các mức năng lượng mới trong sơ đồ
giải thích thích của một số hạt nhân như Clo, Yb, Sm, …. Và tại dòng nơtron kênh
ngang số 4, phục vụ cho phép đo nơtron truyền qua, đo tiết diện toàn phần của phản
ứng (n, γ). Kĩ thuật để đạt được dòng nơtron đơn sắc và nơtron nhiệt bằng phương
pháp sử dụng phin lọc nơtron. Tại dòng nơtron kênh số 2, dòng nơtron thuần nhiệt
đã được chế tạo thành công đã và đang được đưa vào khai thác trong đo đạc tiết
diện nơtron nhiệt cho một vài hạt nhân cũng như phân tích hàm lượng các nguyên tố
bằng phương pháp kích hoạt nơtron đo gamma tức thời. Một hệ phổ kế triệt
compton được lắp đặt gồm một đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe, độ phân giải
2.0 keV và 12 đầu dò nhấp nháy loại BGO bao bọc xung quanh đầu dò bán dẫn [2].
Nguyên tố Vanadi và các đồng vị của nó được sử dụng nhiều trong khoa học
và công nghệ hạt nhân, số liệu về cường độ các tia gamma tức thời của hạt nhân hợp
phần

51

V từ phản ứng (n,γ ) thường được sử dụng như là số liệu chuẩn trong các

phép phân tích kích hoạt nơtron đo gamma tức thời (Prompt gamma nơtron
activation analysis – PGNAA) và các phép đo số liệu hạt nhân [3]. Ngoài ra, xác
định cường độ các tia gamma tức thời là rất quan trọng trong các nghiên cứu tính
toán che chắn an toàn bức xạ. Cùng với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật hạt
nhân, các yêu cầu về độ chính xác và độ tin cậy của các số liệu về cường độ các tia
gamma tức thời luôn được đặt ra.

1

Do vậy, tiến hành đo thực nghiệm cường độ các tia gamma tức thời từ phản
51

52

ứng V(n,γ ) V. Với mục tiêu đã đưa ra ở trên, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu
của khóa luận là: "Xác định thực nghiệm cường độ các tia gamma tức thời từ
51

52

phản ứng bắt nơtron nhiệt V(n,γ ) V" trong dải năng lượng từ 0 đến 8 MeV, sử
dụng hệ phổ kế gamma đầu dò bán dẫn HPGe và dòng nơtron phin lọc tại kênh
ngang số 2 của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.
Ngoài phần mở đầu và kết luận, bố cục của khóa luận được trình bày thành 3
chương bao gồm:
Chương 1 - Tổng quan: Trình bày tổng quan các khái niệm, phương pháp và
hệ thiết bị liên quan đến phương pháp kích hoạt nơtron đo gamma tức thời
(PGNAA).
Chương 2 - Thực nghiệm: Trình bày nội dung thực nghiệm và xử lí số liệu để
xác định cường độ các tia gamma tức thời từ phản ứng bắt nơtron nhiệt

51

52

V(n,γ ) V.

Chương 3 - Kết quả và thảo luận: Trình bày kết quả tính toán và thảo luận.
Do còn hạn chế về thời gian đo thực nghiệm cũng như đây là lần đầu làm
thực nghiệm vật lý hạt nhân nên khóa luận sẽ khó tránh khỏi những thiếu sót nhất
định về cả nội dung và hình thức trình bày. Kính mong nhận được ý kiến đóng góp
của Quý Thầy/Cô và các bạn giúp khóa luận hoàn thiện hơn.
Đà Lạt, tháng 12/2017.
Sinh viên thực hiện,
Đỗ Ngọc Mến

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Chương này trình bày tổng quan về đặc trưng của nguyên tố Vanadi, trình
bày phương pháp kích hoạt nơtron đo gamma tức thời và các khái niệm, phương
pháp và hệ thiết bị đo gamma tức thời tại kênh thí nghiệm nơtron số 2.
1.1 Môt số đặc trưng của nguyên tố Vanadium
Năm 1801, Andrés Manuel del Río trong khi tách nguyên tố từ mẫu quặng “chì
đen” Mexicô đã phát hiện ra một nguyên tố mới và gọi là Vanadium [11]. Vanadium là
một kim loại hiếm, mềm và dễ kéo thành sợi, là thành phần được tìm thấy trong nhiều
khoáng chất, có khả năng chống ăn mòn tốt, bền với các loại chất kiềm, axít sulfuric và
axít clohiđric. Sau khi được phát hiện đến nay thì vanadium được dùng để sản
43 xuất một
61
số hợp kim, trong tự 51
nhiên vanadium bao gồm các đồng vị51 phân bố từ V đến V
trong đó đồng vị bền V là nhiều nhất 7chiếm
tới 99.75%.
V có tiết diện bắt nơtron
52

−
nhiệt là 4.93
barn,
có
spin
và
chẳn
lẻ
là
.
Đồng
vị
V
có
thể
được tạo thành từ các
2
51
52
51
52
phản ứng V(d,p) V hoặc V(n,γ) V, là hạt nhân không bền với chu kỳ bán hủy 1 =
3.75 phút, có spin và chẳn lẻ ở trạng thái bền là
2

+

3 [11]. Hạt nhân

52

V có ba proton và một nơtron ở ngoài của lõi lấp đầy, lõi có cấu

trúc hai lần magic như hạt nhân

48

Ca. Trong phản ứng bắt nơtron nhiệt

51

52

V(n,γ) V, hạt

52

nhân V ở trạng thái kích thích có khả năng liên kết neuton B-n=7311.24 keV, phát ra
các bức xạ gamma để chuyển về trạng thái cơ bản, các dịch chuyển này có thể là trực
tiếp từ năng lượng liên kết Bn hoặc qua các mức trung gian khác nhau như: 3733.13
keV, 2855.28 keV, 2479.59 keV, 2168 keV,…., 22.76 keV, 17.13

keV [16].
1.2 Phương pháp kích hoạt nơtron đo gamma tức thời
Để xem xét sự tương tác của nơtron với vật chất, người ta chia các nơtron
theo năng lượng của chúng, thành các nơtron nhiệt (năng lượng nơtron E n từ 0 đến
0.5 eV), các nơtron trên nhiệt (En từ 0.5 eV đến 10 keV), các nơtron nhanh (En từ 10
keV đến 10MeV) và các nơtron rất nhanh (E n lớn hơn 10 MeV). Tương tác của
nơtron với hạt nhân bia phụ thuộc rất mạnh vào năng lượng của nó. Tùy thuộc vào
năng lượng hạt tới và tính chất của hạt nhân bia mà các phản ứng có khả năng xảy

ra là: phản ứng bắt bức xạ (n,γ ), tán xạ đàn hồi (n,n), tán xạ không đàn hồi (n,n’) và
phản ứng phân hạch (n,f). Đối với phản ứng bắt bức xạ, một hạt nhân hợp phần
trung gian ở trạng thái kích thích được tạo ra. Năng lượng kích thích của hạt nhân

3


hợp phần bằng tổng của năng lượng liên kết của nơtron với hạt nhân và động năng
của hạt nơtron tham gia phản ứng. Trạng thái kích thích của hạt nhân hợp phần tồn
-14

tại trong khoảng thời gian sống rất ngắn 10 giây và phân rã về trạng thái cân bằng
hoặc trạng thái giả bền bằng cách phát ra các tia gamma tức thời đặc trưng. Trong
nhiều trường hợp, hạt nhân sản phẩm (có số khối bằng A+1) thường không bền và
có tính phóng xạ beta kèm theo bức xạ một hoặc nhiều tia gamma trễ đặc trưng. Các
tia bức xạ gamma có thể đo được bằng hệ phổ kế đa kênh dùng đầu dò bán dẫn siêu
tinh khiết HPGe có độ phân giải năng lượng cao [4].
Trạng thái kích thích của hạt nhân hợp phần tạo thành trong quá trình phản
-14

ứng (n,γ ) với thời gian sống khoảng 10 giây sẽ phân rã về các mức năng lượng
thấp hơn và phát ra phổ các tia gamma tức thời. Với thời gian sống ngắn như vậy,
các phép đo cần phải được tiến hành đồng thời với phép chiếu mẫu, kĩ thuật đo thực
nghiệm này được gọi là phương pháp kích hoạt nơtron đo gamma tức thời
(PGNAA).

Hình 1. Quá trình bắt nơtron của hạt nhân bia kèm phát xạ gamma [6]
Dựa trên phản ứng bắt nơtron của các hạt nhân bia mẫu, các nhân hợp phần
được tạo ra ở trạng thái kích thích cao và các nhân hợp phần giải kích thích thông
qua phát các tia gamma tức thời, chúng được ghi nhận bằng hệ phổ kế gamma đa

kênh, phổ gamma thu được theo dạng số đếm theo năng lượng, từ đó có thể xác
định các dữ liệu hạt nhân cần quan tâm từ phản ứng [8].

4


Phổ năng lượng các tia gamma tức thời từphản ứng bắt nơtron (n,γ ) ứng
dụng trong nghiên cứu vật lý hạt nhân cơ bản (xác định tiết diện phản ứng, cường
độ phát tia gamma, cấu trúc hạt nhân, hàm lực gamma, nguyên tử khối, v.v..),
phương pháp phân tích kích hoạt PGNAA (phân tích thành phần các nguyên tố
trong mẫu môi trường, sinh học, địa chất, v.v...), nghiên cứu sự ảnh hưởng của bức
xạ lên vật chất, v.v.. Trong khóa luận này, chúng tôi nghiên cứu xác định cường độ
51

các tia gamma tức thời từ phản ứng bắt nơtron nhiệt của hạt nhân V bằng phương
pháp thực nghiệm đo phổ gamma tức thời (Neutron captured prompt gamma-rays)
sử dụng hệ phổ kế PGNAA tại kênh ngang số 2 lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.
Tùy theo năng lượng của hạt nơtron tới, tính chất tương tác của hạt nhân bia
đối với nơtron có thể được mô tả qua ba cơ chế chính là: phản ứng hạt nhân hợp
phần, phản ứng trực tiếp và phản ứng tiền cân bằng. Trong phạm vi của khóa luận là
tập trung nghiên cứu đối với nơtron nhiệt có năng lượng là 0.0253 eV, do đó phản
ứng hạt nhân (n,γ ) chủ yếu xảy ra theo cơ chế hạt nhân hợp phần.
Phản ứng hạt nhân hợp phần được biểu diễn qua hai giai đoạn như được miêu
tả như trong sơ đồ sau [7]:
n + A → (A+1)* → (A+1) + γ -raysprompt
Trong đó:
 Hạt nhân bia có số khối A
 n là hạt nơtron tới,
 (A+1)* là hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích,
 (A+1) là hạt nhân sản phẩm,

 γ là tia gamma tức thời.
 Giai đoạn hình thành hạt nhân hợp phần: Hạt nhân bia hấp thụ hạt nơtron tới
tạo thành hạt nhân hợp phần với số khối là (A+1)* và tồn tại ở trạng thái kích thích.
Mức năng lượng kích thích tương ứng với tổng năng lượng liên kết của hạt nhân bia
và động năng của hạt nơtron tới.
 Giai đoạn tạo thành hạt nhân sản phẩm sau phản ứng là giai đoạn trong đó
các trạng thái kích thích của hạt nhân hợp phần phân rã về trạng thái cơ bản hoặc
trạng thái giả bền tạo thành hạt nhân sản phẩm của phản ứng đồng thời giải phóng
năng lượng kích thích dưới dạng các tia gamma tức thời. Phổ năng lượng các tia

5


gamma tức thời phụ thuộc mạnh vào các đặc trưng cấu trúc hạt nhân, năng lượng,
momen động lượng, tính chẵn lẻ của hạt nhân.
Phản ứng bắt nơtron (n,γ ) của hạt nhân cũng có thể được mô tả như sau:
A

Z

X + 10 n → (AZ +1 X)* → AZ +1 X + γ

Với A: số khối của hạt nhân bia

Z: số điện tích của hạt nhân bia
Kí hiệu (*) biểu diễn cho hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích [3].
1.3 Phương trình tốc độ phản ứng (n,γ )
Kết hợp việc kích hoạt sử dụng chùm nơtron từ kênh ngang của lò phản ứng
đồng thời đo phổ gamma tức thời từ phản ứng (n, γ ) bằng một hệ phổ kế đa kênh
dùng đầu dò bán dẫn HPGe, ta có mối quan hệ giữa tốc độ phản ứng (R) đối với một

hạt nhân bia và số đếm ghi được ( N p ) của đinh gamma quan tâm như sau [7]:
N p /t m
R= Iγ .ε p .N

(1.1)

Trong đó:

θ .w

N= M

N A là số hạt nhân bia tham gia phản ứng,

NA là số Avogadro,
N p là diện tích đinh (số đếm),

t m là thời gian đo,

w là khối lượng mẫu được chiếu (g),
θ là độ phổ cập đồng vị (%),
M là khối lượng nguyên tử của nguyên tố bia (g/mol),
Iγ là cường độ gamma tuyệt đối (xác suất phát gamma)

ε p là hiệu suất ghi đinh (%).

6


Thay N vào phương trình (1.1) ta có:

N p /t m
w
R= N A .θ.I γ .ε p /M

(1.2)

Khi đặt hạt nhân trong chùm nơtron đơn năng E n , có thông lượng φ n , tốc độ
phản ứng được tính bởi công thức:
R= φ

n

.σ(E n )

(1.3)

Với σ(E) là tiết diện phản ứng (n,γ ) của hạt nhân bia đối với hạt nơtron tới có
năng lượng nơtron E.
Từ các phương trình kích hoạt trên, có thể xác định được tiết diện bắt nơtron
nhiệt, cường độ phát tia gamma, độ phổ biến của đồng vị, v.v.
1.4 Hệ PGNAA ở một số nước trên thế giới
Sự ra đời và phát triển của các phương pháp phân tích hạt nhân gắn liền với
những thành tựu của vật lý và kỹ thuật hạt nhân hiện đại. Phương pháp PGNAA có
những ưu điểm rất cơ bản như độ nhạy và độ chính xác cao, tốc độ phân tích nhanh,
mẫu phân tích không bị phá hủy và có thể tiến hành phân tích đồng thời nhiều
nguyên tố. Có thể tự động hóa được toàn bộ quy trình phân tích. Do đó, hệ phân tích
PGNAA luôn được quan tâm nâng cấp nhằm nâng cao độ nhạy và độ chính xác của
hệ đo. Dưới đây là đặc điểm chính của một số hệ phân tích PGNAA trên thế giới và
trong nước.
1.4.1. Trên thế giới

Một trong những đặc trưng quan trọng nhất của hệ thiết bị PGNAA là độ
nhạy phân tích. Đó là kết quả tổng hợp của các đặc trưng khác như thông lượng
nơtron, tỷ số cadmium, phông gamma của hệ đo, hiệu suất ghi của hệ đo, Bảng 1
nêu ra các đặc điểm chính của một số hệ phân tích PGNAA ở một số nước.

7


Bảng 1. Các đặc điểm chính của một số hệ phân tích PGNAA ở một số nước trên
thế giới[12,13,14]
Hệ phân tích

Đặc điểm

SNU – KAERI - Nguồn nơtron nhiệt: graphite.
(Hàn Quốc)

7

-2 -1

- Thông lượng chùm nơtron: 8.2x10 n.cm .s
2

- Kích thước chùm: 2x2 cm .
- Ti số cadmium R = 266 (đối với Au).
- Độ nhạy tại Ti (1382 keV): 2020 c/s/g
- Hệ phổ kế: hệ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe
JEARI
(Nhật Bản)

- Nguồn nơtron nhiệt dẫn dòng bằng phản xạ gương Ni.
7

-2

- Thông lượng chùm nơtron: 2.4x10 n.cm .s-1.
2

- Kích thước chùm: 2x2 cm .
- Hệ phổ kế gamma sử dụng detector bán dẫn siêu tinh khiết
HPGe 23.8%, độ phân giải (FWHM) 1.75 keV tại đinh 1332
60

keV của Co
- Nguồn nơtron lạnh.
8

-2 -1

- Thông lượng chùm nơtron: 1.1x10 n.cm .s .
2

- Kích thước chùm: 2x2 cm .
- Hệ phổ kế gamma sử dụng detector bán dẫn siêu tinh khiết
HPGe 23.8%, độ phân giải (FWHM) 1.75 keV tại đinh 1332
60

NIST
(Mỹ)

keV của Co.
- Nguồn nơtron nhiệt: Phin lọc (sapphire).
8

-2 -1

- Thông lượng chùm nơtron: 3.0x10 n.cm .s .
- Kích thước chùm: 2 cm hoặc nhỏ hơn.
- Ti số cadmium R = 166 (đối với Au).
- Độ nhạy tại Ti (1382 keV): 890 c/s/g.
- Hệ phổ kế: Hệ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe và hệ triệt
Compton.
-Nguồn nơtron lạnh: Phin lọc (Be, Bi) và phản xạ gương.

8


8

-2 -1

- Thông lượng chùm nơtron: 9.5x10 n.cm .s .
- Kích thước chùm: 2 cm hoặc nhỏ hơn.
- Độ nhạy tại Ti (1382 keV): 7700 c/s/g.
- Hệ phổ kế: Hệ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe và hệ triệt
BARC

- Nguồn nơtron nhiệt: phản xạ gương.

(Ấn Độ)

- Thông lượng chùm nơtron: 1.4x10 n.cm .s .

7

-2 -1

2

- Kích thước chùm: 2.5x10 cm .
4

- Ti số cadmium R = 3.4x10 (đối với In).
- Hệ phổ kế: Hệ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe.
- Nguồn nơtron nhiệt: graphite.
6

-2 -1

- Thông lượng chùm nơtron: 1.6x10 n.cm .s .
2

- Kích thước chùm: 2.5x3.5 cm .
4

- Ti số cadmium R = 3.4x10 (đối với In). - Hệ phổ kế: Hệ
bán dẫn siêu tinh khiết HPGe.

1.4.2. Hệ thiết bị PGNAA tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

Các đặc trưng chính của hệ PGNAA tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt được
chi ra ở Bảng 2.

9


Bảng 2. Các đặc điểm chính của hệ phân tích PGNAA Đà Lạt [1]
Hệ phân tích

Đặc điểm

Kênh nơtron số

- Nguồn nơtron nhiệt: phin lọc 98 cm Si + 35g/cm S + 1 cm Ti.

2

7

-2 -1

- Thông lượng chùm nơtron: 1.25x10 n.cm .s .
- Đường kính chùm: 3 cm. - Ti số cadmium R = 112 (đối với

4

Au). - Hệ phổ kế gamma sử dụng detector bán dẫn siêu tinh
khiết HPGe 58%, độ phân giải (FWHM) 1.9 keV tại đinh 1332
60

Kênh nơtron số

keV của Co.
- Nguồn nơtron nhiệt: phin lọc 80cm Si + 6cm Bi.
6

-2 -1

- Thông lượng chùm nơtron: 1.03x10 n.cm .s .
- Đường kính chùm: 3cm. - Ti số cadmium R = 230 (đối với

2

Au). - Hệ phổ kế gamma sử dụng detector bán dẫn siêu tinh
khiết HPGe 70%, độ phân giải (FWHM) 2.0 keV tại đinh 1332
keV của

60

Co.

1.5 Kênh ngang số 2 tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt
1.5.1 Giới thiệu kênh ngang số 2
Lò phản ứng hạt nhân Đà lạt có 4 kênh nơtron phục vụ cho các mục đích
nghiên cứu với đường kính kênh là 15.2 cm, trong đó có 3 kênh xuyên tâm và 1
kênh tiếp tuyến. Cho đến nay đã có 3 kênh ngang được đưa vào sử dụng là kênh tiếp
tuyến số 3, kênh xuyên tâm số 2 và 4. Các dòng nơtron phin lọc từ kênh ngang số 3
và số 4 đã được đưa vào sử dụng từ những năm 1990 phục vụ các nghiên cứu cơ
bản và ứng dụng. Năm 1990 kỹ thuật phin lọc nơtron được phát triển ở lò phản ứng
hạt nhân Đà Lạt cho phép nhận được các chùm nơtron chuẩn đơn năng với thông

4

6

2

lượng từ 10 -10 n/cm /s thích hợp cho các nghiên cứu số liệu phản ứng hạt nhân
với nơtron [2].
Năm 2011, kênh nơtron số 2 được đưa vào khai thác. Dòng nơtron nhiệt tại kênh
ngang số 2 được tạo ra từ một tổ hợp 2 loại phin lọc nơtron bao gồm phin lọc đơn tinh
thể Si có chiều dài 80cm và đơn tinh thể Bismuth có chiều dài 3 cm, thông lượng
6

nơtron nhiệt đạt 1.6×10 n.cm

−2

.s−1 và ti số Cadmi là 420 [2]. Với đặc thù cấu trúc

kênh và những cải tiến hệ dẫn dòng nơtron và hệ che chắn phóng xạ nền phông

10


nơtron và gamma giảm đáng kể. Bên cạnh đó, hệ phổ kế gamma với đầu dò HPGe
có hiệu suất ghi tương đối 72% và có chức năng triệt phông Compton đã được lắp
đặt hoàn chinh và đưa vào ứng dụng để đo số liệu hạt nhân và phân tích nguyên tố
bằng phương pháp đo phổ gamma tức thời [1].
Dòng nơtron phin lọc trên kênh ngang số 2 của lò phản ứng hạt nhân Đà
Lạt: có dạng hình trụ, tổng chiều dài 153 cm, đường kính trong 9.4 cm. Ống đựng

phin lọc là một ống làm bằng nhôm dài 141.8 cm, đường kính ngoài 9.0 cm, đường
kính trong 8.4 cm. Ống đựng phin lọc có tác dụng tạo ra sự liên kết đồng trục cho
các phin lọc nơtron và là cơ cấu lắp hoặc tháo phin lọc và hệ dẫn dòng một cách dễ
dàng, giảm thiểu được tối đa thời gian thao tác trên kênh khi lắp hoặc thay đổi cấu
hình phin lọc nơtron. Chiều dài tổng cộng của các phin lọc có thể lắp được là
140cm. ngoài ra ống đựng phin lọc còn sử dụng để lắp các nút chắn nơtron và
gamma bảo đảm được an toàn bức xạ khi thực hiện các thao tác kiểm tra và bảo
dưỡng [2].

Hình 2. Mô tả vị trí lắp đặt hệ thống dẫn dòng nơtron và kín nước vào
bên trong kênh ngang số 2[1]
1: Hệ dẫn dòng nơtron, 2: Các phin lọc nơtron, 3: Vỏ nhôm của hệ dẫn dòng,
4: Khối cản chắn bức xạ bằng thép, 5: Ống chuẩn trực nơtron và gamma, 6: Các khối
che chắn bức xạ gamma và nơtron, 7: Hệ bảo đảm kín nước, 8: Khối cản xạ của kênh
ngang số 2, 9: Cửa sắt của kênh ngang số 2, 10: Thành bê tông lò phản ứng.

11


Hình 3. Hệ thiết bị dòng nơtron phin lọc kênh ngang số 2 [1]
Trong đo số liệu hạt nhân (tiết diện phản ứng, cường độ dịch chuyển, v.v..),
mức độ đơn năng của dòng nơtron là yếu tố đầu tiên quyết định đến độ chính xác
của kết quả nghiên cứu. Các nguồn nơtron đơn năng trong vùng năng lượng từ vài
keV đến vài MeV có thể thu được từ lò phản ứng hạt nhân, máy gia tốc hoặc các
nguồn đồng vị. Tuy nhiên, lò phản ứng hạt nhân vẫn là một trong những nguồn
nơtron quan trọng để tạo ra các dòng nơtron chuẩn đơn năng. Từ phổ nơtron ban
đầu của lò phản ứng, có thể sử dụng các kĩ thuật như: kĩ thuật nơtron phin lọc, kĩ
thuật tán xạ tinh thể, phương pháp thời gian bay, v.v…để tạo ra các dòng nơtron
chuẩn đơn năng. Một trong những kĩ thuật tạo dòng nơtron đơn năng hiệu quả
nhưng chi phí thấp là kĩ thuật nơtron phin lọc đã được phát triển và áp dụng ở nhiều

nước trên thế giới như Ukraina, Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc và Việt Nam. Riêng tại
Việt Nam, kĩ thuật nơtron phin lọc đã được nghiên cứu phát triển và ứng dụng, trên
cơ sở các kênh ngang của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Hiện nay, tại Viện nghiên
cứu hạt nhân Đà Lạt đã tạo ra được các dòng nơtron đơn năng như: 0.0253 eV, 2
keV, 24 keV, 54 keV, 59 keV, 133 keV và 148 keV [2]. Các dòng nơtron này đang
được ứng dụng để đo số liệu tiết diện bắt bức xạ nơtron, tiết diện hấp thụ nơtron
toàn phần, nghiên cứu phản ứng (n,γ ) và phát triển phương pháp phân tích PGNAA.
Kĩ thuật phin lọc nơtron có ưu điểm là cường độ mạnh, độ phân giải năng lượng cao
và phông gamma thấp [1].

12


Kĩ thuật phin lọc nơtron thuần nhiệt: Cơ sở kĩ thuật phin lọc nơtron dựa
trên sự suy giảm cường độ chùm nơtron tại các năng lượng không mong muốn
nhưng vẫn thu được cường độ cao tại đinh năng lượng quan tâm, khi đi qua vật liệu
làm phin lọc có một bề dày d đủ lớn. Vì vậy, khi chùm nơtron từ lò phản ứng có
năng lượng phân bố từ nơtron nhiệt đến nơtron nhanh, truyền qua vật liệu có độ dày
thích hợp sẽ tương tác với vật liệu này giống như lọc nơtron. Các cực tiểu tiết diện
nơtron toàn phần tạo ra do sự tán xạ thế và tán xạ cộng hưởng của các song nơtron
nên các cực tiểu này thường có giá trị rất nhỏ. Vật liệu làm phin lọc bằng silicon, có
độ dày đủ lơn (khoảng 60 cm đến 100 cm) sẽ cho chùm nơtron sau phin lọc tạo
thành các chùm nơ tron chuẩn đơn năng có năng lượng tương ứng là nơtron nhiệt 54
keV và 148 keV [2]. Do đó, đối tượng sử dụng là nơtron nhiệt thì cần thiết bổ sung
các phin lọc phụ bằng các vật liệu như: Bismuth hoặc Titan và lưu huỳnh để hạn chế
các đinh nơtron năng lượng cao. Ngược lại, nếu đối tượng quan tâm là các đinh
năng lượng cao như 54 keV hoặc 148 keV thì cần thiết sử dụng các phin lọc phụ
2

như Boron (mật độ 0.2 g/cm ), Cadmi để giảm tối đa thành phần nơtron nhiệt [2],

[3].

Hình 4. Bản vẽ thiết kế hệ dẫn dòng nơtron bằng kĩ thuật phin lọc tại kênh số 2 [2]
Ưu điểm của chùm nơtron phin lọc từ lò phản ứng: thông lượng dòng nơtron cao
6

8

(thông lượng nơtron cỡ 10 ÷ 10 n.cm − 2 .s−1 ), độ phân giải năng lượng cao, phông

13


nền gamma thấp và được chuẩn trực tốt (đường kính của dòng cỡ 4 – 40 mm). Dòng
nơtron truyền qua phin lọc có bề dày đủ lớn nên thành phần bức xạ gamma từ lò
phản ứng cũng được hấp thụ đáng kể khi truyền qua phin lọc. Thành phần đơn tinh
thể Si có chức năng chính là cho phép thành phần nơtron nhiệt truyền qua với ti số
truyền qua cao và phân bố năng lượng nơtron nhiệt vẫn bảo toàn theo phân bố
Maxell. Bên cạnh đó, phin lọc Si với tổng chiều dài tương đối lớn nên cũng có tác
dụng hạn chế đáng kể phông bức xạ gamma từ vùng hoạt của lò phản ứng. Phin lọc
Bismuth có chức năng giảm thiểu thành phần bức xạ gamma từ vùng hoạt lò phản
ứng và phông gamma do tương tác của nơtron với các vật liệu cấu trúc kênh và hệ
dẫn dòng. Ngoài ra, phin lọc Bismuth còn có tác dụng cắt các thành phần nơtron
nhanh.
Trong khóa luận này, chúng tôi sử dụng hệ phổ kế gamma dùng đầu dò
HPGe và dòng nơtron phin lọc trên kênh ngang số 2 của lò phản ứng hạt nhân Đà
Lạt để đo thực nghiệm phổ phát xạ gamma tức thời, từ đó xác định cường độ các tia
gamma tức thời từ phản ứng bắt nơtron nhiệt

51

52

V(n,γ ) V.

1.5.2 Hệ phổ kế gamma dùng đầu dò HPGe
Trong vật lý hạt nhân cơ bản và vật lý hạt nhân ứng dụng hiện nay thường
sử dụng các loại đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết, đầu dò HPGe là một trọng những
đầu dò dùng để ghi nhận gamma phổ biến nhất hiện nay vì có ưu điểm là có độ phân
giải cao, có khả năng phân tích các phổ gamma phức tạp có nhiều đinh. Trong khóa
luận này, chúng tôi sử dụng hệ phổ kế gamma bao gồm một đầu dò bán dẫn siêu
tinh khiết HPGe GR7023 đồng trục loại n của hãng Canberra với hiệu suất ghi
tương đối là 72%, năng lượng của tia gamma có thể được ghi nhận với độ phân giải
6

0.1%, được bao bọc bởi một buồng chì, phía trước mặt buồng chì lót một lớp LiF
để hạn chế nơtron tán xạ ảnh hưởng đến tinh thể Ge của đầu dò. Phía sau buồng chì
lắp hai vành khuyên chì để che chắn phông gamma tán xạ từ các vật liệu che chắn.
Cao thế 3106D 0÷ 6 kV và những tín hiệu từ đầu dò sẽ được ghi nhận và xử lí bởi
các khối điện tử: khối khuếch đại Amplifier 2026, bộ biến đổi tín hiệu số Multi-port
II được tích hợp bởi ADC16K và MCA, sử dụng phần mềm điều khiển Genie 2000,
tất cả đều do hãng Canberra (Mỹ) sản xuất.

14