Dựa vào cột nhiệt lò phản ứng để xác định các thông số phổ NOTRON

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN................................................................................................................................ i
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................................ v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ....................................................................... vi
LỜI MỞ ĐẦU............................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT........................................................................ 2
I. GIỚI THIỆU LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT.............................................. 2
1. Mô tả tổng quan lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.................................................................. 2
2. Cấu trúc lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt................................................................................ 2
2.1 Cấu trúc vùng hoạt..................................................................................................... 2
2.2 Cấu trúc các thanh điều khiển và các thanh nhiên liệu...................................... 5
2.3 Cấu trúc che chắn và thùng lò phản ứng............................................................... 5
II. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM................................................................................ 7
1. Giới thiệu phương pháp kích hoạt nơtron.......................................................................... 7
1.1 Nguyên lý của phương pháp kích hoạt nơtron..................................................... 7
1.2 Phương trình kích hoạt nơtron................................................................................. 8
2. Các thông số nơtron lò phản ứng......................................................................................... 9
2.1 Hệ số α.......................................................................................................................... 9
2.2 Hệ số f........................................................................................................................... 9
2.3 Thông lượng nơtron................................................................................................... 9
3. Các phương pháp xác định các thông số phổ nơtron.................................................... 11
3.1 Phương pháp xác định hệ số α.............................................................................. 11
3.1.1 Phương pháp bọc Cadmi đa lá dò.............................................................. 11
3.1.2 Phương pháp tỉ số Cadmi cho đa lá dò..................................................... 13
3.1.3 Phương pháp đa lá dò chiếu trần................................................................ 13
3.2 Phương pháp xác định hệ số f............................................................................... 14
ii


3.3

4.

3.2.1

Phương pháp tỉ số cadmi .............................................................. 14

3.2.2

Phương pháp ba lá dò chiếu trần ................................................... 15

Phương pháp xác định thông lượng nơtron nhiệt, nơtron trên nhiệt ........ 15

Các phần mềm tính toán thông số phổ nơtron ................................................... 16

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ĐO PHỔ NƠTRON........................................
1.

17

Quy trình thực nghiệm .....................................................................................17
1.1

Chuẩn bị lá dò .......................................................................................17

1.2

Chiếu và đo mẫu ....................................................................................17
1.2.1

Chiếu mẫu ....................................................................................17

1.2.2

Đo mẫu.........................................................................................17

1.3

Xử lý phổ gamma ..................................................................................18

1.4

Tính thông số phổ nơtron....................................................................... 20

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .......................................................

26

1.

Kết quả ............................................................................................................26

2.

Nhận xét ...........................................................................................................26

KẾT LUẬN..........................................................................................................

28

TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................

29

iii


LỜI MỞ ĐẦU
Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt được khôi phục và mở rộng từ công suất 250
kW lên 500 kW và đã được chính thức đưa vào vận hành khai thác từ ngày
20/03/1984. Sau khi hoạt động lại, có rất nhiều nghiên cứu về lò, đặc biệt là các
nghiên cứu về các thông số tĩnh và động học lò, thủy nhiệt, phổ năng lượng nơtron,...
Bên cạnh các hướng nghiên cứu này, các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết nhằm
khai thác hiệu quả lò phản ứng nghiện cứu này.
Thông lượng, phân bố thông lượng và phổ nơtron trong Lò phản ứng là một
trong các thông số rất quan trọng. Xác định các thông số phổ nơtron có vai trò quan
trọng trong các nghiên cứu ứng dụng và nghiên cứu cơ bản tại các vị trí chiếu xạ. Các
giá trị mật độ thông lượng thu được được dùng để hiệu chuẩn của các kênh thực
nghiệm.
Mục đích của khóa luận là đo thực nghiệm phổ thông lượng nơtron tại cột
nhiệt của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Và để xác định được các thông số phổ nơtron,
phương pháp kích hoạt lá dò được áp dụng trong nghiên cứu này. Phương pháp này
có ưu điểm là chính xác cao, và có khả năng đo tại các vị trí chiếu mẫu mà không thể
lắp đặt các đầu dò tại vị trí chiếu.
Cấu trúc khóa luận được trình bày thành ba chương như sau:
Chương 1: Tổng quan lý thuyết: Giới thiệu lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt và về
phương pháp kích hoạt nơtron; Tiếp cận phương pháp tính toán các thông số phổ như
thông lượng nơtron nhiệt, nơtron trên nhiệt, hệ số lệch phổ α và tỉ số f.
Chương 2: Thực nghiệm đo phổ nơtron
Chương 3: Kết quả thực nghiệm: Trình bày kết quả tính thông số phổ nơtron
tại Cột nhiệt, đưa ra nhận xét.

1


CHƯ ƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
I. GIỚI THIỆU LÒ PH ẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT
1. Mô tả tổng quan lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt
Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt là lò phản ứng nghiên cứu đượ c khôi phục và
mở rộng từ công suất 250 kW lên 500 kW và đã được chính thức đư a vào vận hành
khai thác từ ngày 20/03/ 984. Lò phản ứng hoạt động cho các mục đích như: nghiên
cứu và đào tạo; phân tí ch kích hoạt nơtron; sản xuất đồng vị phó ng xạ. Từ ngày
24/11/2011, lò phản ứng được nạp các bó nhiên liệu LEU (nhiên liệu có độ giàu
thấp). Nhiên liệu LEU thuộc loại VVR-M2, với hỗn hợp UO2-Al độ giàu 19.75% U235 và có vỏ bọc bằng n hôm. Sau khi hoạt động lại, có nhiều ứng dụng và nghiên
cứu về lò, đặc biệt là cứu về các thông số tĩnh và động học lò, thủy nhiệt. Bên cạnh
đó cũng có các nghiên c ứu ứng dụng, thực nghiệm và lý thuyết nhằm khai thác hiệu
quả lò phản ứng. Hiện n ay, Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt là lò phản ứng duy nhất ở
Việt Nam. Hằng năm, lò hoạt động trung bình khoảng 1300 giờ, để t hực hiện cho ba
mục đích chính nêu trên [1].
2. Cấu trúc lò phản ứn g hạt nhân Đà Lạt
2.1 Cấu trúc vùng hoạt

Hình 1: Sơ đồ mặt cắt đứng của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt [2].

2


1- Vùng hoạt

2- Vành phản xạ graphite

3- Giếng hút

4- Các ống dẫn nước của hệ thống làm ng uội vòng 1

5- Tường bê tông bảo vệ

6- Kênh thực nghiệm nằm ngang

7- Giá đỡ

8- Nắp thép dày 20 cm

Hình 2: Sơ đồ mặ t cắt ngang của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt [2].
1-Vùng hoạt

2-Vành phản xạ grap hite

3-Thùng lò

4-Kênh ngang hướn g tâm

5-Kênh ngang hướng tâm

6-Kênh ngang hướn g tâm

7-Kênh ngang tiếp tuyến

8-Bể chứa nhiên liệu đã cháy

9-Cột nhiệt

10-Cửa cột nhiệt

11-Tường bê tông bảo vệ

3


Hình 3: Cấu hìn h vùng hoạt làm việc với 92 bó nhiên liệu có độ làm giàu
thấp [2].
Vùng hoạt của lò phản ứng có dạng hình trụ với chiều cao 60 cm và đường
kính cực đại là 44.2 cm. Bên trong vùng hoạt (Hình 3) theo chiều thẳng đứng đặt các
bó nhiên liệu, các khối beryllium, các ống dẫn các thanh điều khiển và các kênh chiếu
xạ.
Các ô nạp thanh n hiên liệu và thanh điều khiển được đếm với hai số nguyên
(ví dụ 1-4, 13-2, v.v...) số thứ nhất chỉ thứ tự hàng được tăng theo t ừng đơn vị theo
hướng từ Đông sang Tâ y và số thứ hai cũng tăng theo thứ tự từng đơn vị theo hướng
từ Bắc đến Nam. Trong đó, có 114 ô dùng để đặt các bó nhiên liệu, các khối
beryllium hay các kênh chiếu xạ và 7 ô còn lại để đặt các ống dẫn các thanh điều
khiển. Các khối beryllium có cùng kích thước và dạng hình học gi ống như các bó
nhiên liệu. Nhiều ô mạn g ngoại vi của vùng hoạt khi không có các bó nhiên liệu
được đặt các khối beryllium tạo thành vành phản xạ nơtron bổ sun g. Bên cạnh đó,
vòng 5 beryllium ngoài cùng (vành ngoài) có hình dạng răng cưa v à được đặt giữa
vùng hoạt và vành phả n xạ graphit tạo thêm một vành phản xạ. Vành phản xạ
beryllium này cũng như vùng hoạt được đặt trong một vỏ nhôm có h ình trụ có vị trí
thấp hơn giá đỡ.
Bảy ô mạng trong vùng hoạt dùng để đặt các ống nhôm th eo chiều thẳng đứng
với đường kính bê trong là 33 mm nhằm định vị các thanh đi ều khiển. Tất cả các ống
dẫn các thanh đ iều khiển đều có nước bên trong và phần dưới có các lỗ
4

khoan để nước thoát ra ngoài khi thanh điều khiển di chuyển xuống phía dưới. Hiện
nay, vùng hoạt của lò phản ứng đã được nạp tải với cấu hình làm việc như sau: 92 bó
nhiên liệu LEU có Bẫy nơtron ở tâm, 12 thanh beryllium xung quanh Bẫy, kênh khô
7-1, 13-2 và kênh ướt 1-4 từ tháng 12/2011. Từ tháng 8/2012, ô 13-2 đã được lắp đặt
hệ chuyển mẫu khí nén mới.
Các bó nhiên liệu và các bộ phận bên trong vùng hoạt được cố định vị trí bên
trong vùng hoạt. Điều này bảo đảm tính toàn vẹn của vùng hoạt trong quá trình lò
phản ứng hoạt động bình thường và trong tình huống có sự cố.
2.2 Cấu trúc các thanh điều khiển và các thanh nhiên liệu
Trong vùng hoạt đặt 7 thanh điều khiển, trong đó có hai thanh sự cố AZ, 4
thanh bù trừ KC và một thanh điều khiển tự động AR, 6 thanh AZ và KC làm từ vật
liệu Carbua Bo hấp thụ mạnh nơtron nhiệt, còn thanh AR làm từ thép không rỉ. Các
thanh sự cố AZ chịu trách nhiệm tắt lò khi có sự cố. Các thanh KC bảo đảm bù trừ độ
phản ứng dự trữ của lò trong quá trình làm việc, bù trừ sự cháy nhiên liệu và hiệu ứng
nhiễm độc, hiệu ứng nhiệt độ,... Thanh AR dùng để điều khiển tự động, giữ công suất
lò ở mức cho trước. Ngoài các bó nhiên liệu còn đặt các thanh Berili và khối Berili
nhằm tạo thêm một lớp phản xạ nơtron bổ sung [2].
2.3 Cấu trúc che chắn và thùng lò phản ứng
Kết cấu bê tông cốt thép có chiều dài 8.6 m và chiều cao tính từ sàn nhà lò
khoảng 6.55 m. Cấu trúc che chắn của lò phản ứng theo dạng bậc thang nên phần đáy
có chiều rộng khoảng 6.69 m trong khi ở phía trên có hình bát giác với chiều rộng
khoảng 3.81 m [2].
Bể chứa các bó nhiên liệu đã cháy có chiều rộng 2.46 m, chiều dài 2.74 m và
sâu 3.66 m được định vị ngang ở phần đáy và có chiều cao của tường lên đến 3.76 m.
Một tấm thép nặng 3.6 tấn, dày 15 cm được dùng để che chắn phóng xạ bổ sung, phía
trên thùng lò. Nắp đậy này có một số cấu trúc di chuyển được để thực hiện các thao
tác bên trong lò phản ứng.

5


2.4 Các vị trí chiếu m ẫu trong lò phản ứng

Hình 4: Vị trí chiếu mẫu trong lò phản ứng [3].
Hiện nay, lò phản ứng có 9 kênh chiếu mẫu: Bẫy nơtron tại trung tâm vùng
hoạt, Mâm quay, Cột nhiệt, kênh 1-4, kênh 7-1, kênh 13-2, kênh ngang tiết tuyến và
kênh ngang xuyên tâm. Trong đó, Mâm quay, kênh 7-1, kênh 13-2, Cột nhiệt được sử
dụng cho mục đích kí ch hoạt nơtron và được giới thiệu ở phần dưới đây [2]:
- Mâm quay: Nằm ở vành phản xạ, có 40 hốc chiếu, là vị trí chiếu ướt dùng
cho các phép chiếu dài (>1 giờ). Vì là kênh ướt nên mẫu được chiếu phải được bao
gói thích hợp vào contain er chuyên dụng cho việc chiếu mẫu tại Mâ m quay.
- Kênh 7-1 và Kê nh 13-2: Là hai kênh khô được nối với hệ chuyển mẫu tự
động khí nén thích hợp c ho việc chiếu mẫu trong thời gian từ vài gi ây đến vài chục
phút.
- Cột nhiệt: là vị trí có độ nhiệt hóa nơtron tốt nhất, được kết nối với hệ chuyển
mẫu khí nén dùng cho các phép chiếu kích hoạt lặp vòng và nghiên cứu vật lý hạt
nhân thực nghiệm.

6


II. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
1. Giới thiệu phương pháp kích hoạt nơtron
1.1 Nguyên lý của phương pháp kích hoạt nơtron
Cơ sở của phương pháp kích hoạt nơtron là trên cơ sở phản ứng hạt nhân của
các đồng vị bia với nơtron từ kênh chiếu của lò phản ứng hạt nhân. Hình 5 cho thấy
mô hình tổng quát của phương pháp kích hoạt nơtron đối với một hạt nhân bia cho
trước: phản ứng hạt nhân thường quan tâm nhiều nhất là phản ứng (n, ) với một hạt

nhân X (nhân bia) hấp thụ một nơtron sẽ tạo ra một nhân phóng xạ có cùng số Z
nhưng khối lượng nguyên tử tăng lên một đơn vị và phát ra bức xạ gamma đặc trưng
[5]:

X ZA n01  X AZ1   X AZ1
Dựa vào năng lượng và cường độ của bức xạ đặc trưng của hạt nhân

(1.1)
A+1

X ta sẽ

A

định tính và định lượng được hạt nhân bia X.
Trong đó :
A : số khối nguyên tố bia
Z : số hiệu nguyên tử của hạt nhân bia


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

Hình 5: Sơ đồ phản ứng hạt nhân với nơtron [4].
7


1.2 Phương trình kích hoạt nơtron
Hoạt độ của các hạt nhân hình thành trong phản ứng kích hoạt (n,) được đo
bằng hệ phổ kế gamma với detector HPGe, thì mối liên hệ giữa tốc độ phản ứng (R)
và số đếm (Np ) thu được tại đỉnh năng lượng toàn phần như sau [5]:

Np
R  G th  th  0

tm
S.D.C.W
 G e e I ( ) 
N A p 

(1.2)
A

Theo qui ước Hogdahl, phương trình cơ bản cho việc xác định khối lượng một nguyên tố dùng phản ứng (n, ) và phổ
kế gamma là [5]:

N

N W

p

A

tm



A

Gthth

0

 Gee I0 ( ).S.D. . p

(1.3)

Với Np/tm – tốc độ xung đo được của đỉnh tia gamma quan tâm, đã được hiệu
chỉnh cho thời gian chết và các hiệu ứng ngẫu nhiên cũng như trùng phùng thực (Np
– số đếm trong đỉnh năng lượng toàn phần; tm – thời gian đo)
NA hằng số Avogadro,
W – khối lượng nguyên tố được chiếu xạ (g),
– độ phổ cập đồng vị bia,
A – khối lượng nguyên tử của nguyên tố bia,
-1

0 – tiết diện nơtron tại vận tốc 2200 m.s ,
th – thông lượng nơtron nhiệt,
e – thông lượng nơtron trên nhiệt,
I0()– tiết diện tích phân cộng hưởng cho phổ 1/E

1+,

Gth – hệ số hiệu chỉnh cho việc tự che chắn nơtron nhiệt,
Ge – hệ số hiệu chỉnh cho việc tự che chắn nơtron trên nhiệt,
S = 1 – exp(-ti), ti – thời gian chiếu,  - hằng số phân rã,
D = exp(-td), td – thời gian phân rã,
C = [1 – exp(-tm)]/( tm),
8

γ - cường độ tuyệt đối của tia gamma được đo,
p – hiệu suất ghi tại đỉnh năng lượng toàn phần.
2. Các thông số nơtron lò phản ứng
Mỗi vị trí chiếu xạ trong lò phản ứng đặc trưng bởi các thông số phổ nơtron tại
vị trí đó như hệ số lệch phổ α, tỉ số thông lượng nơtron nhiệt và nơtron trên nhiệt.
2.1 Hệ số α
Hệ số  biểu diễn cho độ lệch phổ nơtron trên nhiệt khỏi quy luật 1/E được
1+

mô tả bằng dạng gần đúng 1/E , có giá trị âm hoặc dương trong khoảng [-1,1] phụ
thuộc vào từng loại lò phản ứng, vật liệu và cấu hình xung quanh vị trí chiếu. Giá trị
 được dùng để tính Q0→Q0(α) trong phương trình cơ bản.
Có 3 phương pháp thực nghiệm xác định hệ số , các phương pháp này sẽ
được trình bày ở mục 3.1:
- Phương pháp bọc Cadmi cho đa lá dò.
- Phương pháp tỉ số Cadmi cho đa lá dò.
- Phương pháp ba lá dò chiếu trần.
2.2 Hệ số f
Hệ số f được định nghĩa là bằng tỉ số thông lượng nơtron nhiệt và nơtron trên
nhiệt [6].
f




th

e

(1.4)

Với:
ϕ
ϕ

thông lượng nơtron nhiệt

thông lượng nơtron trên nhiệt

Các phương pháp xác định tỉ số f sẽ được trình bày ở mục 3.2.
2.3 Thông lượng nơtron
Nơtron trong lò phản ứng chủ yếu là nơtron nhanh (hoặc nơtron phân hạch)
được tạo ra từ phản ứng phân hạch hạt nhân. Các nơtron này được làm chậm trong
9


khoảng 10-15 s do va chạm với chất nhiệt hoá và cuối cùng bị nhiệt hóa thành nơtron
nhiệt. Nơtron sinh ra trong lò phản ứng có năng lượng trong khoảng 0 đến 20 MeV.
Trong khoảng năng lượng này nơtron tương tác với vật chất khác nhau trong các
miền năng lượng khác nhau. Vì vậy, người ta chia phổ nơtron trong lò phản ứng ra
làm 3 vùng năng lượng.
+ Đặc điểm của các nơtron nhiệt: có năng lượng En trong khoảng 0 < En<
0.55eV, các nơtron chuyển động ở trạng thái cân bằng nhiệt với các phân tử môi
trường. Trong vùng này mật độ nơtron phụ thuộc vào năng lượng theo phân bố
Maxwell-Boltzmann [5]:
n(E) 

Trong đó:

-5

(

eV/K là hằng

2n

 E

kT 

3

e kT

(1.5)

E

2

) là mật độ nơtrơn toàn phần

số Boltzmann và T là nhiệt độ môi trường. Ở nhiệt

k = 8.61x10 = ∫
độ phòng thí nghiệm T = 293.60K thì v = 2200 m/s và năng lượng nơtron nhiệt bằng
ET = 0.0253 eV.
+ Đặc điểm của các nơtron trung gian (nơtron trên nhiệt): có năng lượng En
trong khoảng 0.55 eV < En< 100 keV, các nơtron trong vùng năng lượng này được

gọi là nơtron trên nhiệt, ở vùng này tiết diện tương tác của nơtron với vật chất có
dạng cộng hưởng. Do đó, miền năng lượng này còn gọi là miền cộng hưởng. Một
cách lý tưởng, phân bố thông lượng nơtron trên nhiệt tỉ lệ nghịch với năng lượng
nơtron E [5].

e (E) 

e
E

(1.6)
Trong đó,  ( ) - thông lượng nơtron trên nhiệt vi phân theo năng lượng E, và
 thông lượng nơtron tích phân trên nhiệt theo quy ước. Nhưng trong thực tế sự phụ
thuộc này thường được biểu diễn theo dạng [5]:

e E 



e

1eV 

E1

10

(1.7)

+ Đặc điểm của các nơtron nhanh: là các nơtron sinh ra trong phản ứng phân
hạch, có năng lượng kh oảng 100 keV-20 MeV, phân bố cực đại tr ong khoảng 0.7
MeV. Nơtron này tồn t ại đồng thời với nơtron nhanh và nơtron n hiệt. Phổ phân hạch
thường dùng là phổ phân hạch của Watt được biểu diễn theo công thức [5]:
 f E  0.484 f e E sinh 2E

(1.8)

Trong đó, E là nă ng lượng nơtron, đơn vị là MeV,  và  (

)là thông lượng

nơtron nhanh và thông lư ợng nơtron nhanh ở năng lượng E .

Hình 6: Đồ thị biểu diễn thông lượng nơtron trong lò phản ứng hạt nhân [5].
3. Các phương pháp xác định các thông số phổ nơtron
3.1 Phương pháp xác định hệ số α
3.1.1 Phương pháp bọc Cadmi đa lá dò
Phương pháp này chủ yếu thích hợp cho việc xác định α trong kích hoạt nơtron trên nhiệt.
Theo phương pháp này một bộ monitor đ ược chiếu bọc Cadmium, α chính là độ dốc của đường
thẳng sau khi làm khớp [7]:
 E    A 

log

r,i

k

0,Au

sp,i

Cd

theo log 

i . p,i .FCd ,i .Q0,i  .Ge,i
11

E

r ,i



(1.9)


Trong đó:

Np

A 
sp ,i



tm
W.S.D.C : hoạt độ riêng của monitor thứ 1(phân rã/giây/gam);

Cd



: hiệu suất ghi nhận của detector đối với từng monitor;

p,i

FCd ,i : hệ số hiệu chỉnh cho sự truyền qua Cd của các nơtron trên nhiệt;
Ge,i : hệ số tự che chắn nơtron trên nhiệt;
k0, Au i: hằng số k0 của monitor i so với Au;

Vế trái của phương trình (1.9) là một hàm log theo α.Vì vậy để tìm α ta sẽ áp
dụng phép tính lặp bằng cách cho α=0, sau đó vẽ đồ thị bằng phương trình (1.9) ta sẽ
được hệ số góc α=α1 , vẽ đồ thị với phương trình như trên nhưng với hệ số góc α=α 1,
tiếp tục làm như vậy cho tới khi α n-1=αn thì αn chính là hệ số lệch phổ nơtron trên
nhiệt cần tìm.
Ngoài ra, nghiệm có thể tìm được α bằng cách giải phương trình [4]:

A



N 



logEr,i


i





N















i

logEr,i 


N



A
sp,i




log k


sp,i







.Er,iα 

epiCd

0,Au

i.e

p,i



N



.F .G .Q
Cd,i



e,i

log

α
i



0,i

k








N






 logE r,i


i



N




i

logE

2



0,Au



i.e .F
p,i

α

. E r,i
epiCd

Cd,i

N








.G .Q
e,i

0,i

a 





 












0

r,i 

N










(1.10)

Khi chọn monitor ta nên chọn những monitor có năng lượng Er ,i phân bố từ
thấp đến cao để đảm bảo sự tuyến tính trong phương trình (1.10) và giá trị α không
đổi trong vùng năng lượng nơtron trên nhiệt tại vị trí chiếu mẫu. Trong thực nghiệm
xác định hệ số α ta thường dùng các monitor 197Au-238U-98Mo-64Zn có bọc lớp Cadmi và
bộ ba monitor 197Au-96Zr-94Zr.

12


3.1.2 Phương pháp tỉ số Cadmi cho đa lá dò
Phương pháp này sử dụng một bộ gồm N monitor được chiếu trần và bọc Cd.
Mỗi monitor đặc trưng bởi một năng lượng cộng hưởng hiệu dụng trung bình Er ,i Khi
đó ứng với mỗi monitor, ta tính được tỉ số Cadmi, RCd như sau [4] :
 1

R
Cd ,i

 .
th

0,i

 .I
e



A



(1.11)

sp,i

AepiCd

0,i

sp,i

Trong đó:
A

,

AepiCd

sp,i

hoạt độ riêng đối với từng monitor ứng với chiếu trần và chiếu

sp,i

bọc Cadmi (phân rã/giây/gam);
Cũng như phương pháp “đa lá dò bọc Cd”, α là độ dốc của đường thẳng sau
khi làm khớp [4]:
Er

F

log

Cd ,i

 
,i

.R 1.Q  .G / G
Cd ,i

0,i

e,i

theolog Er ,i

(1.12)

th,i

Ngoài ra, nghiệm α cũng có thể tìm được bằng cách giải phương trình (1.12)
như sau [4]:




N





N 

log E






i







r,i







r,i 



i



log E

N




G



log (F



G .



Cd ,i

.R

th,i .E


r ,i





 .(F

N



.

Cd ,i

1).G ,i Q 0,i   
e



log

i










N
i




N

log E

 logE r ,i 





i

N



th,i





2

Cd ,i

.R

Cd ,i



Er ,i



1).G e,i .Q

N




0, i



a  






 




(1.13)
0

r,i 









3.1.3 Phương pháp đa lá dò chiếu trần
Phương pháp này thường được dùng trong lò phản ứng để xác định hệ số α. Theo phương
pháp này, một bộ các monitor được đem chiếu trần với một monitor tham khảo “reference” [6]:
log

 E  T  theo log E
r ,ii

(1.14)
r ,i

Cách vẽ để tìm hệ số α cũng giống như hai phương pháp trên, ngoài ra nghiệm
α có thể tìm được bằng cách giải phương trình sau [6]:

13





N





log E


i







log E

N



N







 log E r ,i 



Với :







0, Au



r ,i 

k

p,i

0, Au

e,i

th,i

0

(1.15)






sp,ref



ref 



. E


r,i

p,ref 


 .Ge,ref

0,ref



2



A


i



N

Q  .G / G  Q

0,i

log E



sp,i

k
i



i








N





A

i 





i

logT

i

logTi 





N



r ,i 

i



r ,i

N

T



N

(1.16)

/G
th,ref

Trong công thức (1.15) không tính đến monitor “ref” tức là nếu số monitor là
N+1 thì nó gồm có N monitor cộng với một monitor “ref”. Trong phương pháp này
người ta thường dùng “ba lá dò” để tính hệ số α tức là gồm N=2 monitor và 1 monitor
“ref” khi đó ta được phương pháp “ba lá dò chiếu trần” [6].
(a  b)Q0  1  (a  1)Q0  2  (b  1)Q0  3  0
Trong đó:

A
sp,1

a



A

2 

k
0, Au

p,2

. k 1 .

 sp,2 0, Au
p,1
A
k 3 
0, Au

sp,1

b A


.k

1 .

p,3

(1.17)

1
1




 1

1



 sp,3 0, Au

p,1
Cách chọn các monitor dựa vào giá trị năng lượng cộng hưởng hiệu dụng.
Thông thường trong phương pháp “ba lá dò chiếu trần” bộ lá dò được sử dụng là:
Au197- Zr94– Zr96.
3.2 Phương pháp xác định hệ số f
3.2.1 Phương pháp tỉ số cadmi
Tỉ số thông lượng nơtron nhiệt/nơtron trên nhiệt,
cách dùng các thực nghiệm cho việc xác định α.

=

thu được bằng,

Thật vậy, từ công thức (1.15) khi có tính đến hệ số tự che chắn nơtron nhiệt và
trên nhiệt, f có thể xác định từ phép đo tỉ số Cd đối với một monitor như sau:
14


f  (FCd ,r .RCd ,r  1)Q0  .Ge,r / Gth,r

(1.18)

Trong công thức (1.17) chỉ số r kí hiệu cho monitor tỉ số thông lượng nơtron
với giá trị Q0 và log Er,i được biết khá chính xác khi chiếu có bọc và không bọc lớp
Cd.
3.2.2 Phương pháp ba lá dò chiếu trần
Từ việc xác định hệ số α theo phương pháp “ba lá dò chiếu trần”, ta có thể rút
ra biểu thức xác định tỉ số thông lượng nơtron f như sau:

A
.
k0, Au 1 p,1
sp,1
 G Q  .
G .Q  .
.
e,1
e,2
2
0,1

A
k0, Au 2 p,2
sp,2
f
A

sp,1 
k0, Au 1

p,1
.Q  .
G .
G
.
th,2

A

e,1

2

k

0,1

sp,2

0, Au

(1.19)



p,2

Trong đó:
Np

A
sp,1

A

tm
 .S.D.C.W : hoạt độ riêng của monitor thứ I (phân rã/giây/gam);
Np

sp,1



tm : hoạt độ riêng của monitor thứ II (phân rã/giây/gam);
S.D.C.W

3.3 Phương pháp xác định thông lượng nơtron nhiệt, nơtron trên nhiệt
Sau khi tính toán hệ số f và α ta có thể tính thông lượng nơtron bằng phương
trình kích hoạt nơtron cơ bản.
Dựa vào phương trình (1.3) thông lượng nơtron nhiệt được xác định như sau:
Np





t



th
S.D.C.N

A

.W..

.M

m

..

p



.1

Q0





0



(1.20)



f



Tính được thông lượng nơtron nhiệt dễ dàng ta có thể suy ra thông lượng
nơtron trên nhiệt:


e

th

f
15

(1.21)


4. Các phần mềm tính t oán thông số phổ nơtron
-

k0-IAEA: Là ph ần mềm phân tích kích hoạt nơtron dựa trên phương pháp

chuẩn hóa k-zero (NAA). Phần mềm có thể xử lý tất cả các số liệ u được yêu cầu
trong bài toán k0-NAA, chẳng hạn như: Tính toán các thông số phổ nơtron, hiệu
chuẩn hiệu suất ghi detetcor, hiệu chính hình học mẫu và cấu hình đo, và tính hàm
lượng cùng với sai số, v.v… Phần mềm được phát triển bởi M. Blaauw ở Trường Đại

học Công nghệ Delft, Hà Lan.
Ngoài ra, phần m ềm k0-IAEA còn có khả năng xử lý phổ gamma bằng
phương pháp Holistic dựa trên phương pháp tính số bình phư ơng tối thiểu. Phần
mềm được chia làm hai nhóm riêng biệt. Nhóm các cơ sở dữ liệu (database) và nhóm
chương trình chính bao gồm các module thực hiện việc tính toán. Tổng quan chương
trình này được mô tả ở hình bên dưới.

Hình 7: Tổng quan phần mềm k0-IAEA [3]
-

Excel: Là một ứ ng dụng bảng tính được phát triển bởi Microsolf cho

Microsoft Windows, Mac OS X và IOS được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1985 và
tiếp tục phát triển năm 1980. Cùng với sự ra đời của Window 3.0, Excel được đưa
vào bộ Office 95 và được sử dụng rộng rãi, trở thành công cụ bảng tính hàng đầu và
có mặt ở hầu hết các máy tính cá nhân. Hiện nay, phiên b ản mới nhất là Office 2013.
Excel có n hững tính năng đặc biệt như: Macro phục v ụ cho việc tính toán tự động,
thiết lập h àm sử dụng code có thể lưu lại nhiều bảng t ính có móc nối lẫn nhau, khả
năng trao đổi dữ liệu với các ứng dụng khác… Trong khóa luận này, tôi sử dụng bảng
tính Ex cel được thiết kế để tính toán thông số phổ nơtron.
16


CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ĐO PHỔ NƠTRON
1. Quy trình thực nghiệm
1.1 Chuẩn bị lá dò
Trong khóa luận này sử dụng các lá dò Au, Zr để tính thông số phổ.
Đối với lá dò bọc Cd: 0.00001375 g (0.1 % Au); 0.01921 g (100% Zr)
Đối với lá dò trần: 0.00001372 g (0.1 % Au); 0.01923 g (100% Zr)
Bảng 1: Các đặc trưng của lá dò Au và lá dò Zr

Phản ứng hạt
nhân
197
198
Au(n,) Au
95
96
Zr(n,) Zr

Chu kỳ bán
rã T1/2(s)
232848
60300

Năng lượng E
(keV)
411.8
743.0

Cường độ
phát I (%)
95.62
93.09

Độ phổ biến θ
(%)
100
2.8

Quá trình chuẩn bị lá dò được tiến hành tại phòng chuẩn bị mẫu, Trung tâm Vật

lý và Điện tử hạt nhân, Viện nghiên Cứu Hạt Nhân Đà Lạt.
1.2 Chiếu và đo mẫu
1.2.1 Chiếu mẫu
Đối với lá dò bọc Cadmium: chiếu 30 phút (1800 giây) đối với cả hai lá dò Au
và Zr tại cột nhiệt.
Đối với lá dò trần: chiếu 10 phút (600 giây) đối với cả hai lá dò Au và Zr tại
cột nhiệt.
1.2.2 Đo mẫu
Đối với lá dò bọc Cadmium: Au thời gian rã (t d) là 167150 giây, thời gian đo
(tm) 72331.34 giây và đo cách detector 5 cm; Zr thời gian rã (t d) là 86366 giây, thời
gian đo (tm) 5359.94 giây và đo sát với detector (0 cm).
Đối với lá dò trần: Au thời gian rã (t d) là 235573 giây, thời gian đo (tm) 8048.4
giây và đo cách detector 5 cm; Zr thời gian rã (t d) là 254336 giây, thời gian đo (tm)
5688.94 giây và đo sát với detector (0 cm).
Tất cả các lá dò đều được đo trên hệ phổ kế gamma HPGE-DSPEC ở phòng
chuẩn bị mẫu, Trung tâm Vật lý và Điện tử hạt nhân.

17


Hình 8: Hệ phổ kế gamma HPGE-DSPEC.
1.3 Xử lý phổ gamma
Xử lý phổ gamma là dùng các phương pháp toán học và máy tính xác định
chính xác năng lượng và độ lớn của các đỉnh gamma trong phổ. Năng lượng gamma
được nhận diện ứng với hạt nhân trong mẫu, có hạt nhân phát ra duy nhất chỉ một
năng lượng gamma, ứng với trong phổ gamma là một đỉnh nhưng có những hạt nhân
lại phát ra nhiều đỉnh gamma ở các mức năng lượng khác nhau và cũng có một số
đỉnh đồng thời do nhiều hạt nhân phát ra. Do đó phải căn cứ vào chu kỳ bán rã của
hạt nhân, sự tồn tại của tất cả các tia gamma trong phổ để từ đó quyết định việc nhận
diện hạt nhân sao cho tránh nhầm lẫn.

Độ lớn của đỉnh gamma (tính theo số đếm) được dùng để tính hàm lượng
nguyên tố hiện diện trong mẫu đo, vì vậy việc tính chính xác diện tích đỉnh gamma
quyết định độ chính xác của kết quả phân tích. Trong nhiều trường hợp các đỉnh
chồng chập nhau ta dùng các chương trình tính toán làm khớp đỉnh (Fit) trên máy
tính để tách các đỉnh chồng chập. Hiện nay có khá nhiều phần mềm máy tính thực
hiện việc xử lý phổ gamma dùng cho phân tích kích hoạt neutron như: Gamma Vision
(ORTEC), Genie2K (CANBERRA), Ganaas (IAEA),… Hình dáng đỉnh được mô tả
bởi hàm Gauss và được đơn giản bởi những hàm bổ trợ thích hợp. Do đó tất cả đỉnh
liên quan đến vạch bội có thể được tự động phân tích.
Trong khóa luận phần mềm Gamma Vision (ORTEC) để thu nhận và xử lý phổ
gamma.

18


Hình 9: Đỉnh gamma của lá dò Au.

Hình 10: Đỉnh gamma của lá dò Zr.
19


1.4 Tính thông số phổ nơtron
Trong khóa luận này, tôi sử dụng phần mềm Excel để tính thông số phổ
nơtron. Các bước tiến hành xác định thông số phổ sẽ được trình bày ở các mục bên
dưới.
Để tính thông số phổ trên Excel ta cần lập một bảng tính cho các lá dò Au, Zr
gồm các thông số như: năng lượng, diện tích đỉnh, hệ số hiệu chỉnh, thời gian chiếu,
thời gian rã, thời gian đo, khối lượng lá dò, hệ số Q 0, năng lượng cộng hưởng , tích
phân cộng hưởng I0.
 Bước 1: Tính hiệu suất ghi của detector tại vị trí 5 cm đối với lá dò Au và 0 cm

đối với lá dò Zr. Dưới đây là bảng hiệu suất ghi của detector:
Bảng 2: Hiệu suất ghi của detector tại vị trí 5 cm và 0 cm
Energy

Loge



log



log

(keV)
122.1
136.5
276.4
302.8
356.0
383.9
511.0
661.6
834.8
1115.0
1173.0
1274.0
1332.0

(keV)

2.086716
2.135133
2.441538
2.481156
2.551450
2.584218
2.708421
2.820595
2.921582
3.047275
3.069298
3.105169
3.124504

(5cm)
3.14
3.06
2.09
1.96
1.81
1.77
1.39
1.19
1.03
0.82
0.78
0.70
0.70

(5cm)

0.496930
0.485721
0.320146
0.292256
0.257679
0.247973
0.143015
0.075547
0.012837
-0.086186
-0.107905
-0.154902
-0.154902

(0cm)
18.31
18.04
12.69
11.90
10.99
10.75
8.43
7.21
6.22
4.94
4.69
4.21
4.21

(0cm)

1.262703
1.256192
1.103382
1.075685
1.041087
1.031353
0.925884
0.857636
0.794000
0.693441
0.671543
0.624126
0.623892

20


0
.
6

y = -0

0.5

log

0
.
4

0
.
3
0
.
2
0
.
1
0
.
0
1.9
2.1
2.3
2.5
2.7
2.9
3.1
3.3

0
0logE


Hình 11: Đồ thị hiệu suất ghi theo năng lượng tại vị trí 5 cm đến detector.
1.3
1.2
1.1
1.0

log

0.9
0.8
0.7
0.6

y = -0.372682x5 + 4.199249x4 - 18.262172x3 + 37.568103x2 - 35.719518x +
13.276869 R² = 0.998998

0.5
1.9

2.1

2.3

2.5

2.7

2.9

3.1

logE

Hình 12: Đồ thị hiệu suất ghi theo năng lượng tại vị trí 0 cm đến detector.
21

 Bước 2: Từ hai đường cong hiệu suất trên ta tính được hiệu suất ghi của
detector.
Hiệu suất ghi tính được ở bảng bên dưới:
Bảng 3: Diện tích đỉnh và sai số diện tích đỉnh, tiết diện hiệu dụng đối với nơtron nhiệt,
hiệu suất ghi ứng với các đỉnh năng lượng tương ứng của các lá dò
Năng
Mẫu

lượng

Bọc

E

Cd

(keV)

Trần

Au
Zr
Au
Zr

411.8
743.0
411.8

743.0

Tiết
diện
hiệu

Sai số tiết
diện

Hiệu
suất

 (%)

dụng
(b)
98.65
0.0213
98.65
0.0213

0.09
0.000213
0.09
0.000213

1.75
7.25
1.75
7.25

Sai số

Diện

hiệu

tích

suất
 (%)

đỉnh

0.035
0.145
0.035
0.145

101668
15129
27120
935

Sai số
diện
tích
đỉnh
412
136

186
36

 Bước 3: Tính hoạt độ và tốc độ của các lá dò Au và Zr ở cả hai trường hợp bọc
và không bọc Cd.
a) Phương trình tính hoạt độ A:

A
sp

N p tm
 S.D.C.W

(1.22)

N t

A

p

sp ,e

m

 S.D.C.W

(1.23)

Với Asp là hoạt độ của lá dò trần, Asp,e là hoạt độ của lá dò bọc Cd.

b) Phương trình tính tốc độ phản ứng như sau:

Rs 

R
s ,Cd

Asp .M .Fg
NA

(1.24)

Asp ,e .M .Fg
 NA 

(1.25)

22