Tài liệu Nghiên cứu một số đặc trưng và ứng dụng của nguồn nơtron đồng vị pu be

Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------  --------------- NGUYỄN THỊ NGA NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG VÀ ỨNG DỤNG CỦA NGUỒN NƠTRON ĐỒNG VỊ PU-BE LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội Năm 2014 1 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------  --------------- NGUYỄN THỊ NGA NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG VÀ ỨNG DỤNG CỦA NGUỒN NƠTRON ĐỒNG VỊ PU-BE Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử hạtnhân và năng lượng cao Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Phạm Đức Khuê Hà Nội  2014 2 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga LỜI CẢM ƠN Luận văn này là kết quả của quá trình hai năm học tập của em trong trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội với sự giúp đỡ, động viên của các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn là học viên Cao học ngành Vật lý Nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao khóa 2011 - 2013. Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn vô cùng sâu sắc đến TS. Phạm Đức Khuê, Viện Vật lý – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức chuyên ngành và những những bài học về thực nghiệm trong nghiên cứu khoa học vô cùng quý báu để em có thể hoàn thành bản luận văn này. Đồng thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các cán bộ Trung tâm Vật lý Hạt nhân, Viện Vật lý đã động viên, giúp đỡ và tạo môi trường làm việc thân thiện trong suốt thời gian em học tập tại đây. Nhờ đó mà em có thể thực hiện và hoàn thành đề tài này. Với tình cảm chân thành, em xin gửi cảm ơn tới các thầy cô tham gia giảng dạy lớp Cao học Vật lý, khóa học 2011 – 2013, đã giảng dạy cho chúng em trong suốt quãng thời gian chúng em học tập. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã luôn bên cạnh em, động viên, giúp em vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành được đề tài này. Mặc dù đã rất nỗ lực cố gắng, song, chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, bổ sung của thầy cô, các anh chị và các bạn. Hà Nội, tháng 03 năm 2014 Học viên Nguyễn Thị Nga 3 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga MỤC LỤC MỞ ĐẦU.............................................................................................. 6 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NƠTRON ĐỒNG VỊ VÀ TƢƠNG TÁC CỦA NƠTRON VỚI VẬT CHẤT ................................ 11 1.1.Một số đặc trƣng của nguồn nơtron đồng vị ............................ 11 1.1.1. Các loại nguồn nơtron đồng vị ............................................ 11 1.1.2. Một số đặc trưng của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be. .............. 14 1.2.Tƣơng tác của nơtron với vật chất. .......................................... 17 1.2.1. Phân loại nơtron theo năng lượng ........................................ 17 1.2.2. Tương tác của nơtron với vật chất ....................................... 18 1.2.3. Phản ứng bắt nơtron nhiệt (n,) ........................................... 19 1.3. Làm chậm nơtron .................................................................... 22 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU ............... 25 2.1. Phƣơng pháp xác định thông lƣợng nơtron từ nguồn Pu-Be. .. 25 2.1.1. Phương pháp kích hoạt phóng xạ ......................................... 25 2.1.2. Xác định thông lượng nơtron nhiệt và nơtron cộng hưởng .... 28 2.1.3. Xác định thông lượng nơtron nhanh. .................................... 29 2.2. Ghi nhận và phân tích phổ gamma .......................................... 30 2.3. Xác định hiệu suất ghi của hệ phổ kế gamma HPGe ............... 34 2.4. Một số phép hiệu chỉnh cần thiết ............................................ 36 2.5. Thí nghiệm nghiên cứu ............................................................ 38 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................ 43 3.1. Kết quả đo phân bố của nơtron nhiệt trong chất làm chậm .... 43 3.2. Kết quả nghiên cứu phản ứng hạt nhân gây bởi nơtron .......... 45 3.3. Kết quả xác định thông lƣợng nơtron từ nguồn Pu-Be ............ 51 KẾT LUẬN ........................................................................................ 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................. 55 4 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga PHỤ LỤC .......................................................................................... 57 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Phổ nơtron của một số nguồn đồng vị loại 9 Be(  ,n). Hình 1.2: Phổ nơtron từ phản ứng (n,  ) đối với một số bia khác. Hình 1.3: Phổ nơtron của nguồn 152 Cf. Hình 1.4: Nguyên lý cấu tạo của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be. Hình 1.5: Hình ảnh của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be. Hình 1.6: Phổ nơtron của nguồn Pu-Be. Hình 1.7: Phổ gamma từ của nguồn nơtron Pu-Be, Am-Be và phông. Hình 1.8: Sơ đồ phân rã hạt nhân của phản ứng bắt nơtron. Hình 1.9: Tiết diện của phản ứng bắt nơtron 115 In(n,  ) 116m In. Hình 1.10: Sự phụ thuộc của tiết diện kích hoạt trung bình vào bề dày chất làm chậm paraffin. Hình 2.1: Sự phụ thuộc của hoạt độ phóng xạ vào thời gian kích hoạt (t i ), thời gian phân rã (t d ) và thời gian đo (t m ). Hình 2.2: Sơ đồ hệ phổ kế gamma. Hình 2.3: Phổ gamma của mẫu Indium kích hoạt trên nguồn nơtron đồng vị Pu-Be. Hình 2.4: Đường chuẩn hiệu suất ghi tương đối của hệ phổ kế gamma HPGe(ORTEC) sử dụng trong nghiên cứu. Hình 2.5: Hình ảnh nguồn nơtron Pu-Be tại Trung tâm Vật lý hạt nhân, Viện Vật lý. Hình 2.6: Hình ảnh các mẫu được sử dụng trong nghiên cứu. 5 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga Hình 2.7: Sơ đồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu phân bố thông lượng nơtron nhiệt từ nguồn nơtron đồng vị Pu-Be. Hình 2.8: Hình ảnh các khối Paraffin với bề dày khác nhau. Hình 2.9: Hình ảnh các khối thủy tinh hữu cơ với bề dày khác nhau. Hình 3.1: Phân bố của nơtron nhiệt trong chất làm chậm paraffin. Hình 3.2: Phân bố của nơtron nhiệt trong chất làm chậm thủy tinh hữu cơ. Hình 3.3: Phổ gamma của mẫu In kích hoạt trên nguồn nơtron đồng vị Pu-Be. Hình 3.4: Phổ gamma của mẫu Au kích hoạt trên nguồn nơtron đồng vị Pu-Be. Hình 3.5: Xác định thời gian bán rã của đồng vị 198 Au. Hình 3.6: Phổ gamma của mẫu W kích hoạt trên nguồn nơtron đồng vị PuBe. Hình 3.7: Phổ gamma của mẫu Cu kích hoạt trên nguồn nơtron đồng vị Pu-Be. Hình P.1: Hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe. Hình P.2:Giao diện phần mềm xử lý phổ Gamma ision. 6 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Một số nguồn nơtron đồng vị (  ,n). Bảng 1.2: Một số đặc trưng của nguồn nơtron 9 Be(  ,n). Bảng 1.3: Tính chất của một số vật liệu làm chậm nơtron. Bảng 2.1: Giá trị các hệ số làm khớp hiệu suất ghi của đetectơ HPGe (ORTEC). Bảng 2.2: Đặc trưng của các mẫu được sử dụng. Bảng 3.1: Đặc trưng của phản ứng hạt nhân sử dụng để xác định phân bố thông lượng nơtron nhiệt. Bảng 3.2: Các phản ứng hạt nhân với nơtron đã được ghi nhận trên mẫuIn. Bảng 3.3: Các phản ứng hạt nhân với nơtron đã được ghi nhận trên mẫu Au. Bảng 3.4: Đặc trưng phản ứng hạt nhân với nơtron đã đượcghi nhận trên mẫu W. Bảng 3.5: Đặc trưng phản ứng hạt nhân với nơtron đã được ghi nhận trên mẫu Cu. Bảng 3.6: Kết quả xác định thông lượng nơtron. Bảng P.1: Hiệu suất ghi của hệ phổ kế HPGe (ORTEC) tại vị trí sát bề mặt đetectơ. Bảng P.2: Hệ số tự hấp thụ tia gamma trong mẫu. Bảng P.3: Hệ số chắn nơtron nhiệt và nơtron cộng hưởng. Bảng P.4:Kết quả xử lý phổ gamma của mẫu In. Bảng P.5: Kết quả xử lý phổ gamma của mẫu Au. Bảng P.6: Kết quả xử lý phổ gamma của mẫu W. 7 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ TỪ KHÓA E α : Năng lượng của hạt α. E th : Năng lượng ngưỡng của phản ứng hạt nhân. E γ : Năng lượng tia gamma. E n : Năng lượng nơtron. T 1/2 : Thời gian bán rã của đồng vị phóng xạ. I γ : Xác suất phát xạ hay cường độ tia gamma. : Tiết diện bắt nơtron nhiệt. I: Tiết diện tích phân cộng hưởng. ADC: Bộ biến đổi tương tự số. MCA: Máy tính phân tích biên độ nhiều kênh. HPGeĐêtectơ bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết. Thermalization: Sự nhiệt hóa. Moderator: Chất làm chậm. MSDP (Macroscopic Slowing Down Power): Năng suất làm chậm vĩ mô. MR (Moderating Ratio): Tỷ số làm chậm. CR (Cadimium Ratio): Tỷ số cadmi. 8 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga MỞ ĐẦU Nơtron đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu cơ bản cũng như ứng dụng. Nơtron chủ yếu được tạo ra từ nguồn đồng vị, lò phản ứng và máy gia tốc hạt,....So với lò phản ứng và máy gia tốc, nguồn nơtron đồng vị có suất lượng thấp hơn nhưng lại có ưu điểm là giá thành rẻ, thông lượng nơtron ổn định, kích thước nhỏ gọn, thuận lợi cho việc vận hành cũng như che chắn an toàn phóng xạ. Chính vì vậy nguồn nơtron đồng vị vẫn đang được tiếp tục quan tâm khai thác, đặc biệt là các nghiên cứu ứng dụng ngoài hiện trường. Các nguồn nơtron đồng vị được sử dụng phổ biến là loại 9 Be(,n), các đồng vị phát hạt  thường là 241 Am, 239 Pu, 226 Ra, 210 Po, 244 Cm,… Phổ nơtron từ loại nguồn này có dạng khá phức tạp, năng lượng liên tục từ vùng nhiệt tới khoảng 13 MeV, năng lượng trung bình khoảng 4 - 5 MeV. Suất lượng phát nơtron khoảng 10 6 -10 7 n/s. Phổ nơtron bị biến dạng mạnh khi đi qua các môi trường vật chất. Khi va chạm với các hạt nhân nguyên tử, nơtron bị mất một phần năng lượng và thay đổi hướng chuyển động. Nơtron bị mất năng lượng nhiều khi va chạm với các hạt nhân nhẹ, sau một số lần va chạm, nơtron bị nhiệt hóa, năng lương của chúng tương đương với chuyển động nhiệt (0.025 eV). Các chất có khả năng làm chậm nơtron tốt là các vật liệu chứa nhiều hydro như nước, paraffin, polime,... Nơtron là hạt không mang điện nên việc ghi nhận nơtron thường gián tiếp thông qua các phản ứng hạt nhân gây bởi nơtron tạo ra các hạt tích điện hoặc các đồng vị phóng xạ. Việc ghi nhận nơtron thông qua các đồng vị phóng xạ tạo thành từ phản ứng hạt nhân còn được gọi là phương pháp kích hoạt, đetectơ là các lá kim loại mỏng có tiết diện phản ứng lớn đối với nơtron. Luận văn với đề tài “Nghiên cứu một số đặc trưng và ứng dụng của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be” tập trung nghiên cứu xác định thông lượng 9 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga của nơtron nhiệt, nơtron trên nhiệt và nơtron nhanh phát ra từ nguồn nơtron đồng vị Pu-Be và phân bố nơtron nhiệt theo bề dày các chất làm chậm nhẹ như parafin và thủy tinh hữu cơ, đồng thời khảo sát một số phản ứng hạt nhân gây bởi nơtron sử dụng nguồn nơtron này. Trong nghiên cứu thực nghiệm đã sử dụng phương pháp kích hoạt phóng xạ. Các mẫu kim loại mỏng (còn gọi là các lá dò hay đêtectơ kích hoạt) có độ tinh khiết cao được sử dụng để đo gián tiếp nơtron. Phổ gamma của các mẫu sau khi đã kích hoạt nơtron được ghi nhận bằng đêtectơ bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết HPGe có độ phân giải năng lượng cao. Thí nghiệm được thực hiện trên nguồn nơtron đồng vị PuBe và hệ phổ kế gamma HPGe (ORTEC) tại Trung tâm Vật lý hạt nhân, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Bố cục của luận văn, ngoài phần mở đầu, kết luận và phụ lục, được chia làm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về nguồn nơtron đồng vị và tương tác của nơtron với vật chất. Chương 2: Thực nghiệm và phân tích số liệu Chương 3: Kết quả và thảo luận. 10 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NƠTRON ĐỒNG VỊ VÀ TƢƠNG TÁC CỦA NƠTRON VỚI VẬT CHẤT 1.1.Một số đặc trƣng của nguồn nơtron đồng vị 1.1.1. Các loại nguồn nơtron đồng vị Nguồn nơtron đồng vị bao gồm ba loại chính là: nguồn dùng phản ứng (,n), (,n) và nguồn phân hạch tự phát (f,n). Các tham số quan trọng đối với các nguồn nơtron đồng vị là suất lượng phát nơtron, phổ năng lượng nơtron, năng lượng các bức xạ , , thời gian sống của đồng vị,... Đối với loại nguồn (,n), một số đồng vị phóng xạ có đặc tính phân rã , các hạt  gây ra phản ứng hạt nhân (,n) tạo ra nơtron. Đây chính là cơ sở vật lý để chế tạo các nguồn nơtron đồng vị bằng cách hòa trộn đồng vị phát hạt  và các vật liệu thích hợp. Những đồng vị phát  thường được sử dụng là 226 239 Ra, Pu, 241 Am,... Be thường được chọn làm bia và cho suất lượng nơtron lớn nhất. Nơtron được tạo ra chủ yếu từ phản ứng hạt nhân sau: 4 2 He  49Be  126C  n  5.71 MeV Ngoài ra một phần ít nơtron còn được tạo thành từ các phản ứng hạt nhân khác như: 9 Be(,') 9 Be * ---> 8 Be + n; 9 Be(, 8 Be) 5 He ---> 4 He + n; và 9 Be(,n)3 10 B, 11 B, 13 C, 7 Li,.. cũng là những đồng vị thường được sử dụng như là các bia tạo nơtron thông qua phản ứng (,n). Trong nguồn đồng vị (,n) do các hạt  có năng lượng khác nhau và năng lượng của chúng bị suy giảm trong môi trường vật chất nguồn trước khi phản ứng xảy ra. Do đó phổ nơtron của nguồn đồng vị (,n) là phổ liên tục từ vùng nhiệt tới khoảng 10 MeV. Hình 1.1 là phổ nơtron của một số 11 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga nguồn đồng vị loại 9 Be(,n). Hình 1.2 là một số phổ nơtron với các bia khác nhau[10]. Bảng 1.1 và 1.2 là đặc trưng cơ bản của một số nguồn nơtron đồng vị loại (,n) [14]. Hình 1.1: Phổ nơtron của một số nguồn đồng vị loại 9 Be(  ,n). Hình 1.2: Phổ nơtron từ phản ứng (n,  ) đối với một số bia khác. 12 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga Bảng 1.1: Một số nguồn nơtron đồng vị (  ,n). Nguồn nơtron Năng lượng trung bình Thời gian bán rã của nơtron (MeV) 210 PoBe 4.2 138 ngày PoB 2.5 138 ngày RaBe 3.9 1600 năm RaB 3.0 1600 năm PuBe 4.5 24110 năm 241 AmBe 4.0 432.2 năm 242 CmBe 5.0 162.8 ngày 210 226 226 239 Bảng 1.2: Một số đặc trưng của nguồn nơtron 9 Be(  ,n). Nguồn Kiểu pha trộn E  (MeV) E n. ma x (MeV) Tốc độ phát xạ (n/s/Ci) 241 AmBe Viên hỗn hợp 5.48 11.0 2.710 6 oxit Am +Be 239 PuBe Hợp kim Pu+Be 5.15 10.7 2.210 6 226 RaBe Hỗn hợp nén cơ 4.78-7.69 13.1 2.010 6 6.11 11.8 7.0 10 6 học Ra+Be 242 Cm Viên hỗn hợp oxit Cm +Be Đối với loại nguồn đồng vị (,n), các đồng vị phát bức xạ gamma thường được sử dụng là 124 Sb, 24 Na, 140 La, 72 Ga,...có năng lượng đến khoảng từ 2- 3 MeV và thường chỉ sử dụng hai loại bia nhẹ là 9 Be và 2 H qua các phản ứng hạt nhân: 9 Be(,n) 8 Be và 2 H(,n) 1 H. Ưu điểm của loại nguồn này là nếu dùng tia gamma đơn năng có năng lư ợng lớn hơn ngưỡng phản ứng (,n) thì nhận được nơtron hầu như đơn năng do bức xạ gamma 13 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga bị mất năng lượng rất ít trong môi trường vật chất nguồn. Suất lượng của loại nguồn này chỉ khoảng 10 5 n/s. Nguồn đồng vị phân hạch tự phát do một số hạt nhân nặng tự động phân chia và trong quá trình phân hạch tự phát sinh ra nơtron. Nguồn phân hạch tự phát được sử dụng nhiều nhất là 152 Cf. 152 Cf và hầu hết các nguồn nơtron phân hạch khác được chế tạo bằng cách chiếu xạ urani hoặc các nguyên tố siêu urani khác bởi nơtron trong lò phản ứng. Phổ nơtron từ loại nguồn này có dạng gần như phổ nơtron phân hạch trong lò phản ứng, năng lượng trung bình khoảng 1.5 MeV (hình 1.3 [10]). Suất lượng của nguồn nơtron 152 Cf có thể lên tới 10 9 n/s. Tuy nhiên thời gian bán rã chỉ 2.645 năm, đây cũng là một hạn chế khi sử dụng loại nguồn này. Hình 1.3: Phổ nơtron của nguồn 152 Cf. 1.1.2. Một số đặc trưng của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be. Plutonium được pha trộn với Be với mật độ khoảng 3.7 g/cm 3 , 239 Pu phát hạt  năng lượng trung bình 5.15 MeV, thời gian sống 24110 năm, kiểu phân rã  (100%). Nguồn Pu-Be còn phát kèm các bức xạ gamma có 14 Luận văn Thạc sĩ nguồn gốc từ phân rã của Nguyễn Thị Nga 239 Pu và 241 Am cũng như phân rã của 12 C. Ngoài ra còn có bức xạ hãm do các electron thứ cấp, bức xạ gamma từ các phản ứng hạt nhân (n,x) xảy ra với các vật liệu xung quanh nguồn. Tuy nhiên các bức xạ gamma từ nguồn Pu-Be yếu hơn so với một số loại nguồn khác như nguồn Ra-Be, mặt khác do thời gian sống rất dài nên nguồn nơtron PuBe được sử dụng khá phổ biến. Năng lượng và cường độ của hạt  là: 5105.5 keV (11.94%); 5144.31 keV (7.11%); 5156.59 (keV) (70.77%). Năng lư ợng nơtron trung bình khoảng 4.5 MeV, năng lượng cực đại 10.7 MeV. Một nguồn Pu-Be loại hình trụ với đường kính khoảng 2 cm và chiều cao 3 cm cho suất lượng nơtron khoảng 10 6 n/s. Hình 1.4 là hình ảnh cấu tạo của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be [10]. Hình 1.5 là hình ảnh thực tế của một nguồn nơtron đồng vị Pu-Be. Hình 1.6 là phổ nơtron của nguồn Pu-Be được xác định bởi các tác giả khác nhau [10,11]. Hình 1.7 là các phổ của gamma từ các nguồn nơtron đồng vị Pu-Be, Am-Be và phông gamma của môi trường [5]. Hình 1.4: Nguyên lý cấu tạo của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be 15 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga Hình 1.5: Hình ảnh của nguồn nơtron đồng vị Pu-Be Hình 1.6: Phổ nơtron của nguồn Pu-Be. 16 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga Hình 1.7: Phổ gamma của nguồn nơtron Pu-Be, Am-Be và phông. 1.2.Tƣơng tác của nơtron với vật chất. 1.2.1. Phân loại nơtron theo năng lượng Căn cứ vào năng lượng, nơtron có thể được phân chia thành các loại sau: 1. Nơtron lạnh năng lượng từ 0 tới 0.025 eV. 2. Nơtron nhiệt: cân bằng nhiệt với môi trường xung quanh, năng lượng có xác suất lớn nhất ở 20 0 C: 0.025 eV, phân bố Maxwellian mở rộng tới khoảng 0.2 eV. 3. Nơtron trên nhiệt: năng lượng lớn hơn nhiệt từ 0.025 eV tới 1 eV. 4. Nơtron cộng hưởng từ 0.1 eV tới 300 eV. 17 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga 5. Nơtron chậm năng lượng thường từ nhỏ hơn 1 eV tới 10 eV, đôi khi tới 1keV (tùy theo định nghĩa). 6. Nơtron trung gian nằm giữa nơtron chậm và nơtron nhanh, vài trăm eV tới 0.5 MeV. 7. Nơtron trên Cadmium là các nơtron ít bị hấp thụ bởi Cd, năng lượng lớn hơn 0.5 eV. 8. Nơtron nhanh năng lượng lớn hơn 1 eV, 0.1 MeV hoặc 1 MeV đến 20 MeV(tùy theo định nghĩa). 9. Nơtron siêu nhanh (tương đối tính) năng lượng lớn hơn 20 MeV. 10. Nơtron phân hạch được tạo ra từ quá trình phân hạch hạt nhân, năng lượng từ khoảng 100 eV đến 15 MeV, xác suất lớn nhất 0.8 MeV, trung bình khoảng 2 MeV. 11. Nơtron trong lò phản ứng năng lượng khoảng từ 0.001 eV tới 15 MeV. 1.2.2. Tương tác của nơtron với vật chất Do không mang điện tích nên khi đi vào môi trường vật chất nơtron tương tác rất yếu với các electron. Tương tác của nơtron chủ yếu là với hạt nhân. Quá trình tương tác của nơtron với vật chất thông qua hai hiện tượng chính là tán xạ và hấp thụ, bao gồm các quá trình tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi và các phản ứng hạt nhân. Khi nơtron va chạm với hạt nhân bia, nếu thế năng của hệ giữ nguyên còn động năng của hệ có thể biến đổi thì gọi là tán xạ đàn hồi. Khi va chạm đàn hồi với hạt nhân bia, nơtron bị mất năng lượng và thay đổi hướng chuyển động. Giữa nơtron và hạt nhân xảy ra sự trao đổi động năng còn trạng thái hạt nhân thì không đổi. Nơtron bị mất năng lượng nhiều khi va chạm với hạt nhân nhẹ. Cơ chế tán xạ không đàn hồi là khi nơtron tương tác với vật chất nó truyền cho hạt nhân nguyên tử một phần năng lượng. Hạt nhân sau khi 18 Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga nhận năng lượng sẽ nhảy lên trạng thái kích thích và sau đó sẽ phát ra bức xạ gamma hoặc các bức xạ khác để trở về trạng thái cơ bản. Tán xạ không đàn hồi hầu như chỉ xảy ra với những nơtron năng lượng cao (1MeV) và có tiết diện lớn với các hạt nhân nặng. Hấp thụ nơtron là quá trình xảy ra các phản ứng hạt nhân của nơtron với hạt nhân bia, hạt nhân bia sẽ thể hiện một vài hiện tượng như sau: - Hạt nhân bia bị kích thích tới một mức năng lượng cao hơn. Sau đó nó trở về trạng thái cơ bản bằng việc phát ra một hay nhiều photon. - Hạt nơtron tới bị bắt và hình thành hạt nhân hợp phần. Do khối lượng của hạt nhân hợp phần này nhỏ hơn tổng khối lượng của các hạt nhân ban đầu và hạt tới nên photon hay còn gọi là tia gamma tức thời được phát ra với năng lượng chính bằng tổng năng lượng liên kết của nơtron với động năng của nơtron tới. Đây chính là hiện tượng bắt nơtron. - Hạt tới bị bắt và các hạt sơ cấp khác được phát ra, đó là các phản ứng: phản ứng tạo proton (n,p), phản ứng tạo hạt alpha (n,), Phản ứng tạo hai hay nhiều nơtron (n,2n), (n,2p), (n,3n),... Các ph ản ứng này xảy ra với xác suất lớn với các nơtron nhanh. - Phản ứng phân hạch hạt nhân (n,f), phản ứng này thường xảy ra với các hạt nhân siêu Uran như U, Th, Pu, khi tương tác v ới nơtron các hạt nhân bị phân chia làm 2 mảnh có khối lượng tương đương nhau. 1.2.3. Phản ứng bắt nơtron nhiệt (n,  ) Nơtron tương tác với hạt nhân bia bị bắt và hình thành hạt nhân hợp phần. n+(Z,A) ---> + (Z, A+1) (1.1) Hạt nhân sản phẩm ở trạng thái kích thích sẽ phân rã  - , (Z, A+1) ---> (Z+1, A+1) +e - + ~ 19 (1.2) Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga Khi hạt nhân hấp thụ nơtron nhiệt (năng lượng 0.025 eV) sẽ tạo thành hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích. Năng lượng kích thích bằng tổng năng lượng liên kết của nơtron và động năng của nơtron tới: E * = E n + ∆E (1.3) trong đó: E * : Năng lượng kích thích của hạt nhân hợp phần, E n : Động năng nơtron tới, ∆E : Năng lượng liên kết của nơtron với hạt nhân bia. Hạt nhân hợp phần có thể phát ra một hoặc vài tia gamma có năng lượng cao (~7-8 MeV) để trở về trạng thái cơ bản như được mô tả trên hình 1.8. Các tia gamma này đặc trưng cho từng hạt nhân. Quá trình từ khi bắt nơtron tới khi phát ra tia gamma diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn (10 -18 - 10 -15 giây) nên bức xạ gamma này được gọi là bức xạ gamma tức thời [8]. Hình 1.8:Sơ đồ phân rã hạt nhân của phản ứng bắt nơtron. Sau khi phát bức xạ gamma tức thời, hạt nhân hợp phần có thể trở thành hạt nhân bền hoặc hạt nhân phóng xạ tiếp tục phân rã beta và phát ra 20