Khảo sát một số phản ứng hạt nhân 209bi(n,xn)210 xbi với các nguồn nơtron được tạo bởi chùm electron năng lượng 2,5 gev

Tr-ờng đại học vinh
Khoa vật lý
------- -------

Đề tài
Khảo sát phản ứng hạt nhân 209Bi(n,xn)210-xBi
với các nguồn nơtron đ-ợc tạo bởi chùm
electron năng l-ợng 2,5 GeV

Nghành cử nhân khoa học Vật lý

Giáo viên h-ớng dẫn :

TS Nguyễn Thành

Sinh viên thực hiện :
Lớp
:

Tống Văn Hòa
47B Vật Lý

Công

1


Tr-ờng đại học vinh
Khoa vật lý
------- -------

Đề tài
Khảo sát phản ứng hạt nhân 209Bi(n,xn)210-xBi
với các nguồn nơtron đ-ợc tạo bởi chùm
electron năng l-ợng 2,5 GeV

Nghành cử nhân khoa học Vật lý

Giáo viên h-ớng dẫn :

TS Nguyễn Thành

Sinh viên thực hiện :
Lớp
:

Tống Văn Hòa
47B Vật Lý

Công

Vinh, 5/2010
Vinh, 5/
2


Để thực hiện khoá luận này, em xin chân thành biết ơn
thầy giáo, TS. Nguyễn Thành Công, ng-ời đà trực tiếp tận
tình h-ớng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ em trong suốt quá trình
hoàn thành khoá luận này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa

Vật Lý đà bồi d-ỡng về mặt kiến thức, kỹ năng trong suốt thời
gian em sinh hoạt và học tập tại tr-ờng.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình, ng-ời thân,
các bạn sinh viên trong khoa Vật Lý đà động viên, cổ vũ cho
em hoàn thành khoá luận này.
Vinh, tháng 05 năm 2010

Tống Văn Hoà
Mở đầu
Cho tới nay bức xạ nơtron sử dụng trong các lĩnh vực nghiên cứu và ứng
dụng chủ yếu lấy từ các loại nguồn nơtron đồng vị, máy phát nơtron và lò
phản ứng hạt nhân. Nhìn chung các loại nguồn nơtron này có năng l-ợng
t-ơng đối thÊp, phỉ biÕn lµ d-íi 15 MeV. Thùc tÕ nµy đà giúp mở ra nhiều
h-ớng nghiên cứu mới cả trong các lĩnh vực cơ bản và ứng dụng, tr-ớc hết là
trong lĩnh vực hạt nhân.
Máy gia tốc electron tuyến tính năng l-ợng 2,5 GeV hiện nay đ-ợc sử
dụng chủ yếu vào mục đích tạo ra nguồn bức xạ Synchrotron, nh-ng cũng có
thể tạo ra bức xạ hÃm và nơtron năng l-ợng cao để nghiên cứu về năng phổ hạt

3


nhân, số liệu hạt nhân, phản ứng hạt nhân và che chắn phóng xạ. Bản khoá
luận này sẽ đề cập tới việc khai thác nguồn nơtron năng l-ợng cao tạo ra trên
máy gia tốc electron 2,5 GeV để xác định suất l-ợng của các phản ứng hạt
nhân (n,xn) trên đồng vị

209

Bi. Các kết quả thu đ-ợc có thể sử dụng vào mục

đích nghiên cứu cơ chế sinh nơtron năng l-ợng cao, xác định phân bố góc của
nguồn nơtron từ bia Pb và thiết kế che chắn phóng xạ.
Bố cục của bản khóa luận Khảo sát một số phản ứng hạt nhân
209

Bi(n,xn)210-xBi với nguồn nơtron đ-ợc tạo bởi chùm electron năng l-ợng 2,5

GeV gồm ba phần: Phần mở đầu, phần nội dung và phần kết luận.
Phần nội dung đ-ợc chia ra làm 3 ch-ơng:
Ch-ơng I : Nguồn nơtron, nêu các đặc tr-ng của nơtron và phân loại
các nguồn nơtron.
Ch-ơng II : Cơ sở lý thuyết v thực nghiệm xác định suất lượng
phn ứng hạt nhân, nêu cơ sở lý thuyết, ph-ơng pháp và kĩ thuật thực
nghiệm sử dụng trong nghiên cứu.
Ch-ơng III : Quy trình thực nghiệm xác định suất lượng của các
phản ứng hạt nhân

209

Bi(n,xn)210-xBi, nêu các b-ớc thực hiện từ bố trí thí

nghiệm đến kích hoạt mẫu, đo hoạt độ phóng xạ, phân tích số liệu và thu thập,
đánh giá kết quả thu đ-ợc về suất l-ợng và hoạt độ phóng xạ của các sản
phẩm thu đ-ợc từ các phản ứng hạt nhân 209Bi(n,xn)210-xBi.
ở Việt Nam các lĩnh vực ứng dụng bức xạ hạt nhân ch-a đ-ợc phát triển
và khai thác đúng với tiềm năng to lớn của nó. Đối với đa số sinh viên, đây là
lĩnh vực còn khá mới mẻ và xa lạ do những hiểu biết về lĩnh vực này còn hạn
chế, chủ yếu là qua lý thuyết, ít đ-ợc tiếp xúc thực tế. Vì vậy những vấn đề
trình bày trong bản khoá luận này mong rằng sẽ cung cấp một số kiến thức cơ

bản để các bạn tham khảo, gần gũi hơn với lý thuyết nguyên tử hạt nhân và
hiểu rõ hơn khả năng ứng dụng hết sức to lớn của nó.
Mặc dù đà rất cố gắng để hoàn thành khoá luận, nh-ng do thời gian và
trình độ còn hạn chế nên chắc chắn khoá luận này không tránh khỏi thiếu xót.

4


Rất mong nhận đ-ợc ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn để khoá luận
ngày càng hoàn thiện hơn.
Vinh, tháng 05 năm 2010
Tống Văn Hoà

5


Ch-ơng I
Nguồn nơtron
1.1. Các đặc tr-ng cơ bản của nơtron
Nơtron là hạt trung hòa về điện tích, có khối l-ợng: mn = 1,0086 u hoặc
mn = 939,56 MeV/c2 và có số spin là 1/2[].
Nơtron là hạt tuân theo thống kê Fermi - Dirac. Nơtron tự do phân rà theo
sơ đồ : n  p  e    e víi thêi gian sèng   887,0  1,6s . [5]
Bảng 1.1. Phân loại nơtron theo năng l-ợng [5]
Nhóm nơtron
Nơtron chậm
Nơtron d-ới lạnh
Nơtron lạnh
Nơtron nhiệt
Nơtron trên nhiệt

Năng l-ợng [eV]
1
< 5.10-7
< 0,005
0,005  0,1
0,1  1
1  104
> 105

N¬tron céng h-ëng
N¬tron nhanh

1.2. Một số nguồn nơtron phổ biến
1.2.1. Nguồn nơtron đồng vị
Một số nguồn nơtron đồng vị đ-ợc sử dụng t-ơng đối phổ biến là Am-Be,
Pu-Be Cơ chế phát nơtron của các nguồn này là thông qua phản ứng hạt
nhân (,n):
4
2

241

He  94 Be 12
6 Cn

Am cã thêi gian sèng 433 năm, phát ra hạt alpha với năng l-ợng 5,48

MeV. Nguồn Am-Be có suất l-ợng nơtron khoảng 82/106 hạt alpha. [5,11]
T-ơng tự nh- nguồn Am-Be, nguồn Pu-Be cũng tạo ra nơtron do phản

ứng (,n), với hạt alpha phát ra từ Pu năng l-ợng 5,14 MeV. Hình 1.1 biểu
diễn phổ năng l-ợng của nơtron phát ra từ nguồn đồng vị Pu-Be. Hình 1.2 biểu
diễn suất l-ợng nơtron của bia Be phụ thuộc vào năng l-ợng của hạt .

6


Các nguồn đồng vị phóng xạ có -u điểm là dễ sử dụng, thông l-ợng
không hoặc ít thay đổi theo thời gian, nh-ng có năng l-ợng và suất l-ợng

Suất năng l-ợng nơtron Y n [(106 hạt g(a)) -1]

nơtron thấp (~106 107 n/s) và phổ năng l-ợng liên tục.

Số nơtron Nn [MeV-1]

Pu-Be

Năng l-ợng hạt E [MeV]

Năng l-ợng nơtron En [MeV]

Hình 1.1. Phổ năng l-ợng
nơtron của nguồn Pu-Be

Hình 1.2. Suất l-ợng của nơtron phụ thuộc
vào năng l-ợng của hạt

1.1.2. Nguồn nơtron phân hạch tự phát
Một số hạt nhân nặng có khả năng phân hạch tự phát. Trong số các

nguồn nơtron phân hạch tự phát hiện nay có 252Cf với thời gian sống 2,65 năm,
đ-ợc sử dụng rất phổ biến. Suất l-ợng nơtron của nguồn này là 0,116 n/s. Hầu
hết nơtron có năng l-ợng từ 0,5 đến 1 MeV (hình 1.3). [11]
10

C-ờng độ (đơn vị t-ơng đối)

2

10
1

10
0 0

1

2

3

4

5

6

Năng l-ợng của nơtron (MeV)
Hình 1.3. Phổ năng l-ợng nơtron của nguồn phân hạch tự phát 252Cf.

7


1.2.3. Máy phát nơtron
Máy phát nơtron là một thiết bị gia tốc chùm ion đơtêri ( 12 H ) tới năng
l-ợng cần thiết ( ng-ỡng phản ứng), sau đó cho chúng đập vào bia đơtêri
( 12 H ) để sinh ra nơtron với năng l-ợng En 3 MeV hoặc bia triti ( 13 H ) sinh ra
nơtron với năng l-ợng En 14 MeV. [11]
Các ph-ơng trình phản ứng tạo nơtron cụ thể nh- sau:
2
1

H 12 H 13 He 10 n  Q(3,26 MeV), E n  3 MeV

(1.1)

2
1

H 13 H 14 He 10 n  Q(17,6 MeV), E n 14 MeV

(1.2)

Muốn tạo ra nơtron 14 MeV cần gia tốc đơtêri với năng l-ợng 100
KeV. Máy phát nơtron NA-3 của Viện Vật lý và Điện tử có khả năng gia tốc
ion đơtêri tới năng l-ợng 120 KeV. Kết quả khảo sát cho biết với c-ờng độ
chùm đơtêri 1 mA tạo ra 109 n/s đối với bia đơtêri dày và 1011 n/s đối với bia
triti. [1,12]
1.3. Nguồn nơtron từ máy gia tốc electron
Gần đây các máy gia tốc electron đ-ợc sử dụng rất rộng rÃi trong nhiều

lĩnh vực nghiên cứu cơ bản và ứng dụng. Trong nghiên cứu phản ứng hạt nhân
và số liệu hạt nhân thì máy gia tốc electron đóng vai trò nh- là một nguồn
cung cấp bức xạ hÃm và nơtron quan trọng.
Tại Trung tâm Vật lý hạt nhân, Viện Vật lý và Điện tử từ năm 1982 đÃ
đ-a máy gia tốc electron Microtron MT-17 với năng l-ợng electron 15 MeV
vào hoạt động. Chùm bức xạ hÃm năng l-ợng cực đại 15 MeV và chùm nơtron
sinh ra từ các phản ứng hạt nhân (,n) và (,f) của máy gia tốc MT-17 đà đ-ợc
sử dụng có hiệu quả trong các lĩnh vực nghiên cứu cơ bản và ứng dụng nhnghiên cứu phản ứng hạt nhân, số liệu hạt nhân và phân tích kích hoạt.
Trong thời gian gần đây cùng với việc khai thác chùm nơtron và phôton
trên máy gia tốc MT-17, ngi ta còn sử dụng chùm bức xạ nơtron và phôton
tạo ra trên máy gia tốc electron tuyến tính để tiến hành một số nghiên cøu.

8


Trong phạm vi của bản khoá luận này, nguồn nơtron sử dụng c tạo thành
từ chùm electron năng l-ợng 2,5 GeV.
1.3.1. Cơ chế phát bức xạ hÃm
Khi chùm electron đ-ợc gia tốc tới năng l-ợng cao đập vào bia nặng sẽ
phát ra chùm bức xạ hÃm và nơtron. Electron mất năng l-ợng chủ yếu do cơ
chế phát bức xạ hÃm và ion hóa.
Tốc độ mất năng l-ợng toàn phần của electron và positron trong vật chất
thông qua hai quá trình chñ yÕu sau:
 dE 
 dE 
 dE 
     
 dx  tot  dx  rad dx col

(1.3)

trong đó: (dE/dx)tot, (dE/dx)rad và (dE/dx)col là tốc độ mất năng l-ợng toàn
phần, mất năng l-ợng do phát bức xạ và mất năng l-ợng bởi ion hóa do va
chạm. Sự mất năng l-ợng của electron do các quá trình phát bức xạ và ion hóa
trong bia đồng (Cu) đ-ợc minh họa trên hình 1.4.
104

dE/dx (MeV.cm2/g)

103

102

101

100
10-1
10-1

100

101

102

103

104

105

Năng l-ợng của electron (MeV)
Hình 1.4. Sự mất mát năng l-ợng do ion hóa và phát bức xạ của electron trong Cu

Năng suất hÃm phụ thuộc mạnh vào năng l-ợng của electron, đối với các
nguyên tố nặng theo biểu thức gần đúng:

PE 82 E 20.63

(1.4)

Trong đó, P(E) là năng suất hÃm (rad.m2/mA.min), E0 là năng l-ợng electron.
9


Phổ bức xạ là liên tục và năng l-ợng đạt giá trị cực đại đúng bằng động
năng của chùm electron tới.
Phân bố góc của bức xạ hÃm ở các t-ơng tác sơ cấp tuân theo phân bố
Gauss: [7]

2 E 2
E2

H
exp
2
22
2

(1.5)

trong đó, E là động năng của electron, = mc2 = 0,511 MeV.
Phân bè gãc cđa electron sau khi ®i qua líp vËt chất có bề dày tr cũng có
dạng Gauss:

Ft, e 

 E 2 2e 
E2

exp 
440 t r
440
t

r 

(1.6)

Trung b×nh bình ph-ơng góc tán xạ của electron khi đi qua lớp cửa sổ
2

nhôm có bề dày tAl đ-ợc xác định: e

440 t Al
E2

Phân bố góc của bức xạ hÃm từ bia có bề dày tr có dạng:

E 2 
E 2 2
E 2 2
R() 

Ei

(1.7)


 Ei 
2 2
2
2 2 
440  
 440(t r  t Al  2 e E ) 
 2(  220 t Al  e E )
ex
dx .
x
x



trong đó, Ei là hàm Euler và có dạng: Ei(x)

10

0o
10o

10-1

10-2

1
2

135o

135o
mẫu Đồng
mẫu Các bon

Hình 1.5. Phân bố góc của bức xạ hÃm từ bia Pb đ-ờng kính 55 mm, dày 35 cm. 1- Trùc
tiÕp tõ bia Pb; 2- Qua chÊt làm chậm n-ớc.

Phân bố góc của bức xạ hÃm th-ờng đ-ợc mô tả bằng các số liệu thực
nghiệm. Hình 1.5 biểu diễn phân bố góc của bức xạ hÃm từ bia Pb đ-ợc đo với
các đêtectơ kích hoạt bằng Cu (E > 10,8 MeV) vµ C (E > 18,6 MeV). [7]
1.3.2. T-ơng tác của bức xạ gamma với vật chất
Do các tia gamma là sóng điện từ không mang điện tích nên khi đi vào
vật chất không xảy ra nhiều va chạm không đàn hồi nh- các hạt mang điện.
Các t-ơng tác chủ yếu của tia gamma với vật chất là: hiệu ứng hấp thụ quang
điện, hiệu ứng Compton, hiệu ứng tạo cặp. [3,11,12]
a) Hiệu ứng hấp thụ quang điện
Các phôton có năng l-ợng lớn hơn năng l-ợng liên kết của các electron

trong nguyên tử chất hấp thụ khi t-ơng tác với electron của nguyên tử sẽ bị
hấp thụ hoàn toàn. Nguyên tử chất hp thụ bị ion hóa và phát ra một electron
quang điện, t-ơng ứng với nó là một lỗ trống trong vỏ nguyên tử. Lỗ trống này
nhanh chóng bị lấp đầy nhờ chiếm một electron tự do từ môi tr-ờng hoặc sắp
xếp lại các electron trong vỏ nguyên tử chất hấp thụ. Trong quá trình này
nguyên tử giải phóng năng l-ợng đặc tr-ng d-ới dạng tia X hoặc các electron
Auger.
11


Năng l-ợng của điện tử phát ra là: [3,11]
Te = E - Ii

(1.8)

trong đó, E là năng l-ợng của phôton, Ii lµ thÕ ion hãa ë vá thø i cđa nguyên
tử chất hấp thụ.
Quá trình hấp thụ quang điện chiếm -u thế trong t-ơng tác của bức xạ
gamma năng l-ợng thấp với vật chất, đặc biệt là các chất hấp thụ có số nguyên
tử lớn. Một cách gần đúng, tiết diện hấp thụ quang điện đối với vành K có thể
đ-ợc biểu diễn nh- sau: [7,11]
(phot)K = 1,09.10-16Z5[13,61/h]7/2 đối với h nhá
(phot)K = 1,34.10-33[Z5/h] ®èi víi h ≥ mec2

(1.9)
(1.10)

trong ®ã h là năng l-ợng phôton, Z là số nguyên tử cđa chÊt hÊp thơ.
Ta cã thĨ suy ra tiÕt diƯn hấp thụ quang điện đối với các lớp vỏ khác của
nguyên tử thông qua tỷ số: L/K 1/5 và M/K 1/20.

b) Tán xạ Compton
Tán xạ Compton là quá trình tán xạ của các phôton trên các electron tự
do hoặc liên kết yếu với hạt nhân. Trong tán xạ Compton, các phôton tới sẽ bị
lệch so với ph-ơng ban đầu của nó và bị mất một phần năng l-ợng.
Xác suất của tán xạ Compton phụ thuộc vào năng l-ợng phôton (h) và
số electron tự do. Tiết diện tán xạ Compton đ-ợc biểu diễn bằng công thức
sau: [3,12]
1  2(1  ) 1
1  3 
 1
 Com  2re2  2 
 ln(1  2)  ln(1  2) 

(1  2) 2 
 2
   1 2

(1.11)

trong đó = h/mec2 và re = e2/mec2.
c) Hiệu ứng tạo cặp
Quá trình tạp cặp là sự biến đổi của phôton thành cặp electron-positron
trong tr-ờng hạt nhân. Để bảo toàn xung l-ợng, hiện t-ợng này chỉ có thể xảy
ra khi có mặt của vật thứ ba và th-ờng là hạt nhân. Ngoài ra, để có hiện t-ợng
tạo cặp thì năng l-ợng của phôton phải lớn hơn hc b»ng 1,02 MeV.

12


Xác suất xảy ra hiện t-ợng tạo cặp chiếm -u thế khi năng l-ợng của

phôton lớn hơn hẳn điều kiện của quá trình tạo cặp. Positron là hạt không bền
khi chuyển động trong vật chất, động năng của nó giảm dần, sẽ bị hủy khi liên
kết với một electron và tạo thành hai phôton có năng l-ợng bằng 0,511 MeV.
[3,12]
Tiết diện tạo cặp toàn phần đ-ợc biểu diễn nh- sau: [3,12]
- Tr-ờng hợp không có sự che chắn (no screening) víi mec2 << h <<
137mec2Z-1/3 :

 pair

Z 2 2  28 2 h 218 


re  ln

137  9 m e c 2 27

(1.12)

- Có sự che chắn hoàn toµn (complete screening) víi h >> 137mec2Z-1/3:
 pair

1

Z 2 2  28
2

re  ln(183 Z 3 )  
137  9
27

(1.13)

Sự phụ thuộc của tiết diện t-ơng tác toàn phần của tia gamma với vật chất
vào năng l-ợng đ-ợc biểu diễn trên hình 1.6.

Tiết diện

Hiệu ứng Compton

Tiết diện toàn phần

Hiệu ứng
quang điện
10-1

Hiệu ứng tạo cặp
100

101

102

103

Năng l-ợng tia gamma (MeV)
Hình 1.6. Sự phụ thuộc của tiết diện t-ơng tác của tia gamma với vật chất và năng l-ợng.

13

Đối với bức xạ hÃm, quá trình tạo cặp cũng có thể xảy ra trong tr-ờng
của điện tử trong nguyên tử, nh-ng khi đó tiết diện tạo cặp sẽ nhỏ hơn. Khi
đó, các công thức trên cần thay thế Z2 bằng Z(Z+1). [3,12]
1.3.3. Nguồn nơtron sinh ra từ máy gia tốc electron
a) Phản ứng quang hạt nhân sinh nơtron
Bức xạ gamma năng l-ợng cao t-ơng tác với vật chất sẽ gây ra các phản
ứng quang hạt nhân. Các phản ứng quang hạt nhân (,xn) tạo ra nguồn nơtron
quan trọng. Phản ứng quang hạt nhân là sự hấp thụ phôton dẫn đến hình thành
trạng thái hạt nhân hợp phần, các hạt nhân này có thể phân rà theo nhiều cách,
ngoài nơtron còn có thể là proton hoặc các loại hạt khác, thí dụ nh- các phản
ứng sau đây: (,n), (,2n), (,p), (,f), Đây là các phản ứng ng-ỡng, vì vậy
chỉ có các chùm phôton có năng l-ợng và c-ờng độ đủ lớn mới gây ra phản
ứng. Thông th-ờng các chùm phôton nh- vậy đ-ợc tạo ra từ máy gia tốc. Hình
1.7 biểu diễn mối liên hệ giữa tiết diện phản ứng quang hạt nhân và năng
l-ợng của phôton. [3,7]



(I)

(II)
, xn)

E (MeV)
1

10

100

Hình 1.7. Sù phơ thc cđa tiÕt diƯn ph¶n øng quang hạt nhân vào năng l-ợng phôton.

Trong vùng (I) năng l-ợng phôton d-ới ng-ỡng của phản ứng (,n) do đó
chỉ có các tán xạ đàn hồi và không đàn hồi của phôton, đ-ờng cong tiết diện
đôi khi có một số cực đại là do sự dịch chuyển giữa các mức của hạt nhân bia.
Vùng (II) t-ơng ứng với vùng có sự chồng chập các mức của hạt nhân hợp
phần. Trong vùng này, tiết diện phản ứng quang hạt nhân đạt cực đại và độ
rộng có dạng hình Gauss đ-ợc gọi là céng h-ëng khæng lå (giant resonance)
14


với năng l-ợng phôton xấp xỉ từ 5 đến 35 MeV. Tiết diện đạt cực đại ở vùng
cỡ 24 MeV đối với hạt nhân nhẹ nhất và cỡ 12 MeV đối với các hạt nhân nặng
nhất. Với phôton năng l-ợng hàng trăm MeV sẽ xuất hiện các hiệu ứng phức
tạp nh- hiệu ứng quasi-deutron, phát xạ các photomeson, pion và các hạt cơ
bản khác.
Hiện t-ợng cộng h-ởng khổng lồ đ-ợc giải thích theo các quan điểm sau:
Goldhaber và Teller giả thiết nơtron và proton của hạt nhân nh- là hai chất
lỏng riêng biệt, hạt nhân nhận năng l-ợng do hấp thụ các phôton tạo ra sự dao
động của hai loại chất lỏng này. Hiện t-ợng cộng h-ởng khổng lồ t-ơng ứng
với tần số cực đại của dao động. Sau đó Wikinson xem cộng h-ởng khổng lồ
nh- là siêu vị trí do sự đóng góp của tất cả các nucleon riêng rẻ. Mỗi một
ncleon nhận một phần năng l-ợng từ sự hấp thụ phôton. Cộng h-ởng khổng lồ
là tổng tất cả các cộng h-ởng nhỏ đó. [3]
Tiết diện phản ứng của cộng h-ởng khổng lồ th-ờng đ-ợc biểu diễn gần
đúng bằng ®-êng cong Lorent: [7]
  0

( E ) 2

(E 2 E 20 ) (E) 2

(1.14)

trong đó E0 là năng l-ợng cộng h-ởng, là độ rộng cộng h-ởng, 0 là giá trị
tiết diện cực đại.
Sự tách của cộng h-ởng khổng lồ thể hiện các hạt nhân bị biến dạng
t-ơng ứng với sự kích thích dọc và ngang qua trục đối xứng của hạt nhân. Các
tính toán lý thuyết về sự dịch chuyển l-ỡng cực của các hạt nhân chỉ ra rằng
tiết diện tích phân của phản ứng quang hạt nhân thỏa mÃn hệ thức Levinger Bethe:
int



(E)dE 0,06 NZ / A

(1.15)

E thr

trong đó N là số hạt nhân trong bia, Z và A là số nguyên tử số và nguyên tử
khối của bia.

15


Bằng sự so sánh tiết diện hấp thụ quang hạt nhân toàn phần quan sát
đ-ợc và các tiên đoán lý thut ®· cho thÊy sù hÊp thơ l-ìng cùc ®ãng vai trò
chính trong vùng cộng h-ởng khổng lồ. [7]
- Các loại phản ứng quang hạt nhân sinh nơtron:

+ A  (A - 1) + n;

 + A  (A - 2) + 2n, …

 + A  (A - 1)* + n;

(A - 1)*  (A - 1) + ,

- T-ơng tác của các tia gamma thứ cấp (yếu hơn) với hạt nhân sinh
nơtron:
+ A (A - 1) + n;

’ + A  (A - 2) + 2n, …

’ + (A - 1)  (A - 2) + n,
Năng l-ợng của các nơtron sinh ra từ các phản ứng quang hạt nhân phụ
thuộc chủ yếu vào năng l-ợng của bức xạ hÃm và số khối của hạt nhân bia.
F. Jalluetal đ-a ra công thức tính gần đúng năng l-ợng của nơtron En nhsau: [3]
2(A  1)( k  E s(  , n ) 

A 1 
k2
En 
k

E


k
s(  , n )



A 
1862 (A 1)
931A 3



1/ 2

cos (1.16)

trong đó, k là năng l-ợng của phôton (MeV), A là số khối của hạt nhân bia,
Es(,n) là năng l-ợng ng-ỡng của phản ứng (MeV), là góc phản xạ của các
nơtron so với trục của chùm điện tử tới (độ). Từ ph-ơng trình (1.16) ta thấy
năng l-ợng của nơtron thay đổi chậm theo góc phản xạ, đặc biệt là với các
nguyên tố nặng.
Các vật liệu có số Z lớn do năng l-ợng liên kết nơtron thấp nên th-ờng
cho suất l-ợng phát nơtron lớn. Trừ tr-ờng hợp của D và Be, mặc dù số Z nhỏ
nh-ng năng l-ợng liên kết nơtron của chúng thấp một cách bất th-ờng nên
cũng th-ờng đ-ợc dùng làm bia để tạo nguồn nơtron. Để tạo nơtron, ng-ời ta
th-ờng bắn phá trực tiếp các bia bởi các electron nhanh hoặc dùng chùm bức
xạ hÃm bắn phá vào một bia thứ cấp ở sát gần bia tạo bức xạ hÃm. Suất l-ợng
phát nơtron (n/s) có thể nhận đ-ợc từ biểu thức:

16


 n (E) 

N0
   t   T (E) e
M

(1.17)

trong đó, M, và t là khối l-ợng nguyên tử, mật độ và bề dày của bia; N0 là số
Avogadro, e là thông l-ợng chùm điện tử tới (điện tử/s), T là tiết diện toàn
phần bao gồm tổng tiết diện của tất cả các quá trình dẫn tới phát xạ nơtron. [3]
Phổ quang nơtron có dạng t-ơng tự nh- phổ phân hạch và có phân bố góc
gần nh- đẳng h-ớng, điều này có nghĩa là các phản ứng hạt nhân thông qua
giai đoạn tạo thành các hạt nhân hợp phần hay cơ chế bay hơi nơtron. Một
cách gần đúng, phổ quang nơtron có thể mô tả bởi công thức đối với mẫu bay
hơi nơtron: [3]
f(E) = k.E.exp(E/T)

(1.18)

trong đó, E là năng l-ợng nơtron, k và T là các hệ số.
Hình 1.8 biểu diễn mối liên hệ giữa suất l-ợng nơtron và năng l-ợng

Suất l-ợng nơtron Yn [1012 s-1 w-1]

electron đối với 235U, 238U và Pb.
235

U

238

U

Pb

Năng l-ợng electron (MeV)
Hình 1.8. Mối liên hệ giữa suất l-ợng nơtron và năng l-ợng electron đối
với 235U, 238U và Pb.

Phần không đẳng h-ớng là do một số ít nơtron tạo bởi cã chÕ ph¶n øng
trùc tiÕp. [7]
17


Hình 1.9 là phân bố góc của nơtron phát ra từ các bia Pb có hình dạng và
kích th-ớc khác nhau. [5]
Suất l-ợng nơtron đ.vị t-ơng đối)

1.8
n


1.6
1

1.4

2

e

3

1

1.2
1.0

3
0.8
0.6

2

0.4
0o

30o

90o

60o

120o

150o

180o

Góc phát xạ (độ)
Hình 1.9. Phân bố góc của nơtron phát ra từ các bia Pb.

Khi sư dơng c¸c bia kh¸c nhau cã thĨ cho các dạng phổ nơtron nhanh
khác nhau. Be và D là những hạt nhân nhẹ có năng l-ợng liên kết thấp, suất
l-ợng nơtron trên một điện tử lớn hơn các hạt nhân nhẹ khác, và cho thông
l-ợng nơtron nhiệt lớn hơn. Tuy nhiên, các bia nặng lại cho mật độ thông
l-ợng nơtron lớn nhất, điều này có thẻ giải thích là do tiết diện phản ứng của
các hạt nhân nhẹ thấp hơn do bán kính hạt nhân nhỏ hơn, ngoài ra tiết diện
hấp thụ đối với các hạt nhân nặng cao hơn các hạt nhân nhẹ, nghĩa là quảng
chạy của chúng trong Pb nhỏ hơn trong Be. Do đó các bia đối với các hạt nhân
nhẹ th-ờng đ-ợc thiết kế dày hơn. Hình 1.10 là phân bố góc của nơtron phát
ra từ bia Pb và Be. [5]
Sự hiện diện của các phôton bức xạ hÃm trên các máy gia tốc điện tử tạo
nguồn nơtron là nguyên nhân gây ra phông can nhiễu trong các thí nghiệm với
nơtron. Để khắc phục vấn đề này, ta có thể giảm năng l-ợng điện tử, điều này
có thể thực hiện dễ dàng với các máy gia tốc, mặc dù suất l-ợng nơtron phụ
thuộc khá mạnh vào năng l-ợng của electron nh-ng do công suất dòng có thể
giữ ổn định khi thay đổi năng l-ợng nên việc giảm suất l-ợng nơtron là không
18


nhiều. Ví dụ, khi thay đổi năng l-ợng điện tử từ 30 MeV xuống 15 MeV, suất
l-ợng nơtron chỉ giảm đi 1,5 lần. Thông l-ợng nơtron tăng lên khi tăng công
suất trung bình của chùm hạt gia tốc. Đối với máy gia tốc microtron, với công
suất dòng điện tử cỡ 10 kW cho thông l-ợng nơtron nhiệt cỡ 1010 n.cm-2.s-1 khi
sử dụng bia Pb. Nh-ng khi tăng công suất dòng, một vấn đề nảy sinh là sự

Thông l-ợng nơtron đ.vị t-ơng đối)

tăng nhiệt độ, điều này có thể giải quyết nhờ các hệ thống làm nguội. [7]

Chiều dài bia (mm)

Hình 1.10. Phân bố nơtron nhanh dọc theo bia Pb và bia Be.

b) Nguồn nơtron năng l-ợng cao tạo thành từ chùm electron năng l-ợng GeV
Gần đây các máy gia tốc electron năng l-ợng cao đ-ợc sử dụng khá phổ
biến để tạo ra nguồn bức xạ synchrotron, bức xạ hÃm và nơtron năng l-ợng
cao. Thực tế này đòi hỏi phải nghiên cứu không những nhằm mục đích khai
thác nguồn phóng xạ mà còn nhằm thiết kế che chắn để đảm bảo an toàn
phóng xạ.
Khi electron năng l-ợng cao bắn vào các bia nặng sẽ bứt ra một số
electron có năng l-ợng cao. Loại phản ứng hạt nhân này đ-ợc gọi là phản ứng
tóe (spallation). Mặt khác, bia nặng cũng sẽ hÃm các electron và tạo ra bức xạ
hÃm (bremsstrahlung). Các phản ứng quang hạt nhân (,xn) sinh ra trong bia
hÃm cũng đồng thời tạo ra một nguồn nơtron quan trọng.
Thực tế cho đến nay có rất ít nghiên cứu thực nghiệm đo thông l-ợng và
phổ nơtron ở vùng năng l-ợng cao sinh ra từ máy gia tốc electron năng l-ợng
GeV. Gần đây, đà đo phổ nơtron trong giải năng l-ợng từ 10 MeV ®Õn 200
19


MeV trên máy gia tốc electron tuyến tính sinh ra trên các bia Sn, Al, Cu và Pb
đ-ợc bắn bởi chùm electron 2,04 GeV. [6]
Detectơ
40

Chuẩn trực Pb
320
557.5

Tâm chắn Pb

đơn vị cm
Bê tông
Chuẩn trực Pb

220

50

eLinac
Bia

195

Hình 1.11. Bố trí thí nghiệm đo phỉ n¬tron sư dơng chïm electron 2,04 GeV.

Trong thÝ nghiƯm ®o phỉ n¬tron ®· sư dơng chïm electron 2,04 GeV của
máy gia tốc electron tuyến tính bắn vào bia Pb dày 5 cm 5 cm 5,5 cm và
nơtron sinh ra đ-ợc đo bằng kĩ thuật thời gian bay. Sơ đồ bố trí thí nghiệm
đ-ợc mô tả trên hình 1.11. [6]
Hình 1.12 là phổ suất l-ợng nơtron đo tại góc 900 đối với các bia Sn, Al,
Cu và Pb ®-ỵc chiÕu bëi chïm electron 2,04 GeV.

20


Hình 1.12. Phổ nơtron đo trên mặt các bia Sn, Al, Cu và Pb;
là kết quả thực nghiệm;
là kết quả lý thuyết đ-ợc tính bằng EGS4, PICA95 và LAHET2.7.

21


Ch-ơng II
Cơ sở lý thuyết và thực nghiệm xác định suất
l-ợng phản ứng hạt nhân
Trong ch-ơng này sẽ trình bày tóm tắt về phản ứng hạt nhân, ph-ơng
pháp và kĩ thuật đo hoạt độ phóng xạ, làm cơ sở cho việc xác định suất l-ợng
của các phản ứng hạt nhân.
2.1. Phản ứng hạt nhân
2.1.1. Các loại t-ơng tác chủ yếu của nơtron với vật chất
T-ơng tác của nơtron với vật chất là một trong những loại t-ơng tác đặc
biệt quan trọng, vì cùng với phôton, nơtron là hạt không mang điện tích nên
nơtron có thể t-ơng tác với hạt nhân nguyên tử ở năng l-ợng rất thấp (năng
l-ợng nhiệt) do nơtron không t-ơng tác với hàng rào thế Culông hạt nhân.
Nơtron có thể di chuyển tự do vài centimet trong vật chất. T-ơng tác của
nơtron thông qua t-ơng tác mạnh với hạt nhân (t-ơng tác gần). Các quá trình
chủ yếu khi nơtron t-ơng tác với vật chất bao gồm:
- Tán xạ đàn hồi từ hạt nhân, A(n,n)A. Đây là cơ chế chủ yếu trong sự
mất mát năng l-ợng của electron trong vùng MeV.
- Tán xạ không đàn hồi, A(n,n)A*; A(n,2n)B. Kết quả của quá trình
này là các hạt nhân ở trạng thái kích thích sau đó phân rà gamma hoặc phát
các loại bức xạ khác. Tán xạ không đàn hồi th-ờng xảy ra với nơtron có năng
l-ợng cỡ 1 MeV hoặc lớn hơn. [3]
- Phản ứng bắt nơtron phát bức xạ: n + (Z,A) + (Z,A+1). Tiết diện
phản ứng bắt nơtron xấp xỉ 1/v, v là vận tốc nơtron, do đó xảy ra với các
nơtron năng l-ợng thấp (nơtron nhiệt). Tùy thuộc vào nguyên tố, có thể có các
đỉnh cộng h-ởng sau vùng 1/v, ở vùng này xác suất bắt nơtron là rất lớn.
- Các phản ứng khác nh- (n,p), (n,); (n,d), (n,t), nơtron bị hấp thụ và

phát ra các hạt tích điện, xảy ra trong giải năng l-ỵng réng kĨ tõ keV tíi
MeV. [3,12]

22


- Phản ứng phân hạch, (n,f): (A,Z) + n (A1,Z1) + (A2,Z2) + 2,5 n, xảy
ra ở vùng năng l-ợng nhiệt.
- Sự tạo thành m-a rào hardon năng l-ợng cao, quá trình này xảy ra với
các nơtron năng l-ợng rất cao, En > 100 MeV.
Xác suất t-ơng tác toàn phần của nơtron với vật chất là tổng của các tiết
diện riêng phần. [3,10]
2.1.2. Phản ứng ng-ỡng
Giả sử ta xét phản ứng: a + A b + B

(2.1)

Theo định luật bảo toàn năng l-ợng: E1 = E2, trong đó E1 là tổng năng
l-ợng của các hạt tr-ớc phản ứng và E2 là tổng năng l-ợng của các hạt sản
phẩm.
Với E1 = E01 + T1 vµ E2 = E02 + T2, trong đó E01 và E02 là năng l-ợng nghỉ
tổng cộng của các hạt tr-ớc và sau phản ứng, E01 = (MA + ma)c2 vµ E02= (MB+
mbc2; T1 vµ T2 là động năng tổng cộng của các hạt tr-ớc và sau phản ứng, T 1 =
TA + Ta và T2 = TB + Tb .
Nãi chung, E01  E02 vµ hiệu E01 - E02 = Q đ-ợc gọi là năng l-ợng phản
ứng. Nếu phản ứng có Q < 0, đ-ợc gọi là phản ứng thu năng l-ợng. Phản ứng
loại này chỉ xảy ra khi năng l-ợng của hạt tới đủ lớn, với T 1 = Q + T2 >
Q.
Năng l-ợng cần thiết để phản ứng có thể xảy ra đ-ợc gọi là ng-ỡng năng
l-ợng phản ứng. Ng-ỡng phản ứng đ-ợc tính dựa trên cơ chế phản ứng hạt

nhân qua giai đoạn trung gian là hạt nhân hợp phần.
a+AOB+b

(Ta )min

(2.2)

M A  ma
m
ma
QQ a QQ
(Ta )min
MA
MA
M A  ma

 (Ta )min Q (TO )min

(2.3)

trong đó, (Ta)min là động năng tối thiểu của hạt a để phản ứng có thể xảy ra hay
còn gọi là năng l-ợng ng-ỡng, (TO)min là động năng tối thiểu của hạt nhân hợp
phần. [12]
23


Phản ứng loại 209Bi(n,xn)210-xBi, x = 3, , 12 thuộc loại phản ứng ng-ỡng.
Ng-ỡng phản ứng của các phản ứng này đ-ợc chỉ ra ở bảng 2.1. [9]
Bảng 2.1. Đặc tr-ng phản ứng của nơtron với 209Bi
Phản ứng

Q (MeV)

Eth (MeV

T1/2

-14,35

14,42

31,55 năm

-22,44

22,55

6,243 ngày

-29,48

29,62

15,31 ngày

-37,94

38,13

11,22 giờ

-45,15

45,37

11,76 giờ

-53,98

54,24

1,67 giờ

Bi(n,9n)201Bi

-61,39

61,69

1,77 giờ

Bi(n,10n)200Bi

-70,56

70,89

31 phút

-78,10

78,47

24,7 phút

-87,52

87,94

11,1 phút

209

Bi(n,3n)207Bi

209

Bi(n,4n)206Bi

209

Bi(n,5n)205Bi

209

Bi(n,6n)204Bi

209

Bi(n,7n)203Bi

209

Bi(n,8n)202Bi

209

209

209

Bi(n,11n)199Bi

209

Bi(n,12n)198Bi

E (keV)(%)
569,7 (97,74); 1063,7 (74,5);
1770,2 (6,9)
516,18 (40,7); 803,1 (98,9);
881,0 (66,2)
703,4 (31,1); 987,6 (16,1);
1764,3 (32,5)
899,15 (99,2); 911,8 (3,5);
983,98 (58,4)
820,5 (29,7); 825,2 (14,6);
1033,8 (9); 1536,4 (7,5)
422,1 (83,8); 657,5 (60,0);
960,6 (99,4)

628,2 (24,5); 935,7 (11,3);
1014,1 (10,7)
419,7 (91,0); 462,2 (98,0);
1026,2 (100,0)
425,0 (22,0);
841,0 (11,0)
562,4 (79,0);
1063,4 (100,0)

Sù phô thuộc của tiết diện phản ứng vào năng l-ợng nơtron đối với các
phản ứng từ 209Bi(n,3n)207Bi đến 209Bi(n,12n)198Bi đ-ợc biểu diễn trên các hình
từ 2.1 đến 2.10. [9]

24


Hình 2.1. Tiết diện của phản ứng
209

Hình 2.2. Tiết diện của phản ứng

Bi(n,3n)207Bi

209

Bi(n,4n)206Bi

Hình 2.3. Tiết diện của phản ứng
209

Hình 2.4. TiÕt diƯn cđa ph¶n øng

Bi(n,5n)205Bi

209

Bi(n,6n)204Bi

25