Tải bản đầy đủ

THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN BẮT NƠTRON NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG

Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .............................................................................................. 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG BẮT NƠTRON .................. 6
1.1. Tương tác của nơtron với vật chất ................................................ 6
1.2. Làm chậm nơtron ........................................................................ 7
1.2.1. Nhiệt hóa nơtron ................................................................... 7
1.2.2. Cơ chế làm chậm nơtron ........................................................ 8
1.3. Hạt nhân hợp phần, hạt nhân kích thích ...................................... 13
1.3.1. Các cơ chế phản ứng hạt nhân ............................................. 13
1.3.2. Phản ứngbắt nơtron nhiệt .................................................... 15
1.3.3. Trạng thái kích thích ........................................................... 16
1.4. Tiết diện bắt nơtron nhiệt .......................................................... 18
1.4.1. Khái quát về tiết diện phản ứng ........................................... 18
1.4.2. Tiết diện bắt nơtron nhiệt .................................................... 18
1.5. Các nguồn nơtron chính ............................................................. 22
1.5.1. Nguồn nơtron đồng vị ......................................................... 23
1.5.2. Nguồn nơtron từ lò phản ứng ............................................... 24

1.5.3. Nguồn nơtron từ máy gia tốc ............................................... 24
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN BẮT NƠTRON
NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG

181

Ta(n,) 182 Ta ............................................ 26

2.1. Thiết bị thí nghiệm .................................................................... 26
2.1.1. Máy gia tốc thẳng và nguồn nơtron xung trên máy gia tốc
electron tuyến tính năng lượng 100 MeV ....................................... 26
2.1.2. Hệ phổ kế gamma ................................................................ 33
2.2. Thí nghiệm xác định tiết diện phản ứng

181

Ta(n,) 182 Ta .............. 35

2.2.1. Chuẩn bị mẫu nghiên cứu .................................................... 35

1


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

2.2.2. Kích hoạt mẫu ..................................................................... 36
2.2.3. Đo hoạt độ phóng xạ của các mẫu sau khi kích hoạt ............. 37
2.2.4. Phân tích phổ gamma .......................................................... 38
2.2.5. Xác định hiệu suất ghi của đêtectơ ....................................... 41
2.3. Phương pháp xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt ......................... 43
2.3.1. Xác định tốc độ phản ứng hạt nhân ...................................... 43
2.3.2. Xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt ....................................... 46
2.2.3. Một số hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác của kết quả ........... 47
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................... 49
3.1. Nhận diện đồng vị phóng xạ và các đặc trưng của phản ứng hạt
nhân ................................................................................................ 49
3.2. Một số kết quả hiệu chỉnh .......................................................... 53
3.3. Kết quả xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng

181

Ta(n,) 182 Ta. ................................................................................ 55

KẾT LUẬN ......................................................................................... 58
TÀI LIỆU KHAM KHẢO .................................................................... 59
PHỤ LỤC ........................................................................................... 63

2


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

MỞ ĐẦU
Phản ứng hạt nhân là một trong những hướng quan trọng nhất trong
lĩnh vực nghiên cứu hạt nhân. Trải qua nhiều thập niên nghiên cứu, cho
đến nay sự hiểu biết về hạt nhân nguyên tử đã được mở rộng, tuy nhiên vẫn
còn nhiều vấn đề liên quan tới cấu trúc hạt nhân, các tính chất của hạt nhân
và cơ chế của phản ứng hạt nhân vẫn chưa được làm sáng tỏ và cần tiếp tục
được nghiên cứu. Bên cạnh việc đóng góp và lĩnh vực các nghiên cứu khoa
học cơ bản, phản ứng hạt nhân còn có vai trò quan trọng trong các ứng
dụng thực tiễn như năng lượng, y tế, công nghiệp, vũ trụ, an toàn bức xạ
và hạt nhân,…
Đặc trưng của mỗi phản ứng phụ thuộc vào từng hạt nhân nguyên tử,
vào loại hạt tới và năng lượng của chúng. Các loại hạt/bức xạ quen thuộc
như nơtron (n), proton (p), alpha (), gamma (),...Khi tương tác với một
hạt nhân có thể diễn ra theo nhiều cơ chế khác nhau phụ thuộc vào năng
lượng của chúng và tạo thành những sản phẩm phản ứng khác nhau.
Trong nghiên cứu phản ứng hạt nhân và ứng dụng thì nơtron là một
trong những loại bức xạ được sử dụng phổ biến nhất. Các phản ứng hạt
nhân điển hình xảy ra do tương tác của nơtron như (n,α), (n,p), (n,γ),…với
xác suất khác nhau ngay trên một đồng vị và phụ thuộc vào năng lượng của
nơtron tới.
Một trong những đại lượng đặc trưng quan trọng của phản ứng hạt
nhân là tiết diện phản ứng. Tiết diện phản ứng là thước đo xác suất xảy ra
phản ứng hạt nhân. Tiết diện của phản ứng nhân (n,) gây bởi nơtron nhiệt
là loại số liệu hạt nhân quan trọng được sử dụng nhiều trong nghiên cứu
cũng như ứng dụng trong các tính toán lò phản ứng hạt nhân, che chắn an
toàn phóng xạ, đánh giá sự phá hủy vật liệu do bức xạ,…
Trước đây các nghiên cứu phản ứng hạt nhân (n,) chủ yếu được thực
hiện trên lò phản ứng hoặc trên các nguồn nơtron đồng vị. Ngày nay với
sự phát triển của kỹ thuật gia tốc có thể tạo ra các nguồn nơtron có thông

3


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

lượng lớn từ các phản ứng hạt nhân (,xn), (p,xn),... Các nguồn nơtron trên
máy gia tốc thường phát ra theo chế độ xung, do đó có thể sử dụng các kỹ
thuật thực nghiệm khác nhau như kích hoạt phóng xạ và đo thời gian bay.
Tantalum (Ta) là nguyên tố kim loại hiếm có mầu xanh xám, dẻo,
cứng và khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn cao được sử dụng rộng rãi
như một thành phần nhỏ trong hợp kim, các tính trơ về mặt hóa học của Ta
làm cho nó trở nên có giá trị cho các thiết bị phòng thí nghiệm thay thế
cho bạch kim, Ngày nay, Ta cũng được sử dụng trong y tế để làm các đinh,
nẹp trong chữa trị các bệnh về xương, Ta được sử dụng để chế tạo các thiết
bị điện tử như tụ điện,… 181 Ta là đồng vị bền có độ phổ biến đồng vị tới
99,98%. Cho tới nay đã có một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định
tiết diện phản ứng hạt nhân

181

Ta(n,) 182 Ta tuy nhiên các số liệu vẫn còn

có sự sai khác đáng kể, việc nghiên cứu về phản ứng này vẫn được tiếp tục
bằng nhiều phương pháp khác nhau.
Bản luận văn với đề tài “Xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản
ứng hạt nhân

181

Ta(n,) 182 Ta” nhằm mục đích nghiên cứu một số đặc trưng

của phản ứng bắt nơtron và xác định bằng thực nghiệm tiết diện phản ứng
bắt nơtron nhiệt

181

Ta(n,) 182 Ta với chùm nơtron xung đã được nhiệt hóa

trên máy gia tốc electron tuyến tính. Mục tiêu nghiên cứu bên cạnh việc bổ
sung số liệu hạt nhân, mở rộng sự hiểu biết về cơ chế phản ứng, còn nhằm
tìm hiểu thêm về phương pháp, nâng cao kỹ năng thực nghiệm và phân tích số
liệu.
Trong thực nghiệm sử dụng phương pháp kích hoạt phóng xạ, đo
gamma trễ với hệ phổ kế gamma bán dẫn HPGe. Tiết diện được xác định
thông qua việc đo tỷ số Cadmium và sử dụng phản ứng

197

Au(n,) 198 Au

làm phản ứng chuẩn. Nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả thực nghiệm
luận văn đã thực hiện một số hiệu chỉnh các hiệu ứng gây ảnh hưởng tới
độ chính xác của kết quả như: phân bố thông lượng nơtron đối với các mẫu

4


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

kích hoạt, hiệu ứng tự hấp thụ các tia gamma, hiệu ứng cộng đỉnh của các
tia phân rã nối tầng, hiệu ứng tự chắn đối với nơtron nhiệt…
Một số bước trong quy trình thực nghiệm của đề tài nghiên cứu này như
kích hoạt mẫu và đo hoạt độ phóng xạ được thực hiện trên máy gia tốc electron tuyến
tính tại Trung tâm gia tốc Pohang, POSTECH, Hàn Quốc. Các số liệu thực nghiệm gốc
do đề tài nghiên cứu cơ bản thuộc Quỹ phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia
(NAFOSTED), mã số 103.04- 2012.21 cung cấp. Việc xử lý số liệu thực nghiệm, tính
toán kết quả và các hiệu chính được thực hiện 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 gồm 3 chương cùng với phần mở đầu, kết luận
và phụ lục. Chương I là phần tổng quan về phản ứng bắt nơtron trình bày
vắn tắt về cơ chế tương tác của nơtron với vật chất, cơ chế làm chậm
nơtron, cơ chế phản ứng hạt nhân, phản ứng bắt nơtron, tiết diện của phản
ứng bắt nơtron và các loại nguồn nơtron. Chương II trình bày về thiết bị
thí nghiệm, thí nghiệm và phân tích số liệu nhằm xác định tiết diện bắt
nơtron nhiệt của phản ứng

181

Ta(n,) 182 Ta. Chương III là kết quả thực

nghiệm thu được về tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng

181

Ta(n,) 182 Ta.

Luận văn dài 62 trang có 20 hình vẽ và đồ thị, 10 bảng biểu và 36 tài
liệu tham khảo. Bản luận văn được hoàn thành tại Trung tâm Vật lý Hạt
nhân, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

5


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG BẮT NƠTRON
1.1. Tương tác của nơtron với vật chất
Do không mang điện tích nên khi đi vào môi trường vật chất thì
nơtron tương tác rất yếu với các electron. Tương tác của nơtron chủ yếu là
với hạt nhân. Tương tác của nơtron với vật chất thông qua 2 quá trình là
tán xạ và hấp thụ, trong đó bao gồm các quá trình tán xạ đàn hồi, tán xạ
không đàn hồi và các phản ứng hạt nhân.
Khi một hạt nơtron chuyển động tới và va chạm với một hạt nhân bia
thì có sự trao đổi động năng giữa chúng tuân theo định luật bảo toàn năng
lượng và xung lượng. Nếu thế năng của hệ không thay đổi, thì động năng
sẽ được bảo toàn trong suốt quá trình va chạm. Hiện tượng này được gọi là
tán xạ đàn hồi.
Tán xạ là không đàn hồi khi một trong số các hạt ở trạng thái kích
thích sau va chạm. Trong suốt một quá trình va chạm không đàn hồi với 1
hạt nơtron bắn phá vào thì hạt nhân bia sẽ thể hiện một vài hiện tượng như
sau [8,13]:
1. 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.
2. 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, hiện tượng như vậy thường được gọi là hiện tượng bắt
phóng xạ hay phản ứng (n,), hạt nhân con không bền và thường phân rã β.
Đây chính là hiện tượng bắt nơtron.
3. Hạt tới bị bắt và năng lượng kích thích đủ lớn các hạt sơ cấp khác
được phát ra như p, α, n với năng lượng nhỏ hơn…, đó là các phản ứng như
(n,p), (n,α), (n,n’), (n,2n)…

6


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

1.2. Làm chậm nơtron
1.2.1. Nhiệt hóa nơtron
Nơtron có năng lượng 0 những nơtron có năng lượng E > 0.1 eV được gọi là nơtron trên nhiệt.
- Đặc điểm của các nơtron nhiệt:
Các nơtron nhiệt chuyển động trong trạng thái cân bằng nhiệt với các
phân tử môi trường. Mật độ nơtron nhiệt phụ thuộc vào năng lượng nơtron
theo quy luật Maxwell-Boltzmann:
n(E) =

2N E 1 −E

e kT
√π kT kT

(1.1)



trong đó, N= ∫0 n(E)dE; k=8,61×10 -5 eV/K là hằng số Boltmann và T là
nhiệt độ môi trường. Do năng lượng E và vận tốc của nơtron liên hệ với
nhau theo biểu thức E=mv 2 /2 nên biểu thức (1.1) có thể viết lại như sau:
n(v)=

4N
√π

2kT

Với n(v)=dN/dv; v T =√

m

𝑣

1

2

(𝑣𝑇 )3/2

2

(1.2)

là vận tốc có xác xuất lớn nhất. Theo phân

bố (1.2), năng lượng có xác suất lớn nhất
3kT

e

2
v
)
vT

−(

kT
2

còn năng lượng trung bình là

. Tuy nhiên người ta coi năng lượng nhiệt là năng lượng ứng với vận tốc

có xác suất lớn nhất theo biểu thức (1.1). Năng lượng này bằng kT và được
coi là thông số của phân bố Maxwell theo năng lượng. Ở nhiệt độ phòng
thí nghiệm T = 293 0 K thì v T = 2200m/sec và năng lượng nơtron nhiệt bằng
E T = 0.025eV [3].
Tuy nhiên, thực tế năng lượng trung bình của nơtron nhiệt lớn hơn
một ít so với năng lượng trung bình của chuyển động nhiệt của các phân tử
môi trường. Điều đó có nghĩa rằng các nơtron thực tế không đạt được sự
cân bằng nhiệt với môi trường. Đó là do sự hấp thụ liên tục của nơtron
trong môi trường, sự hấp thụ càng mạnh khi vận tốc của nó càng thấp.

7


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

1.2.2. Cơ chế làm chậm nơtron
Khi tán xạ đàn hồi lên các hạt nhân chất làm chậm, nơtron truyền
một phần năng lượng của mình cho các hạt nhân và mất dần vận tốc, nghĩa
là được làm chậm. Quá trình làm chậm nơtron đóng vai trò quan trọng vì
độ dày của chất làm chậm được sử dụng trong thí nghiệm [2,3].
Xét quá trình tán xạ đàn hồi của nơtron khối lượng 1, vận tốc v lên
hạt nhân đứng yên có khối lượng A. Sau va chạm nơtron có vận tốc v' và
hạt nhân có vận tốc V'. Trong hệ tâm quán tính (hình 1.1), nơtron và hạt
nhân có vận tốc trước va chạm là v 1 và V 1 , sau va chạm là v 1 ' và V 1 '.

Hình 1.1. Sơ đồ tán xạ đàn hồi của nơtron lên hạt nhân trong hệ tọa
độ phòng thí nghiệm (a) và hệ tọa độ tâm quán tính (b)
Vận tốc tâm quán tính là V c =

𝑣
𝐴+1

, do đó vận tốc nơtron trước va

chạm trong hệ tâm quán tính là:
v 1 = v - Vc =

𝐴
𝐴+1

v.

Do tổng động lượng trong hệ tâm quán tính bằng 0 nên:
v 1 = AV 1 , từ đó V 1 =

1
𝐴+1

v.

Từ biểu thức bảo toàn năng lượng trong hệ tâm quán tính:

8


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công
𝑣1′ 2
2

Ta có,

v 1 '=

𝐴

𝑣12

2

2

+ 𝑉1′ 2 =
𝐴

𝐴+1

𝐴

+ 𝑉12 và
2

v 1 '=AV 1 '

v



V 1' =

1
𝐴+1

v

Các vận tốc nơtron trong hệ tọa độ phòng thí nghiệm và hệ tọa độ
tâm quán tính liên hệ với nhau theo biểu thức:
𝑣⃗′ = ⃗⃗⃗⃗
𝑉𝑐 + 𝑣
⃗⃗⃗⃗′
1
hay: v' 2 =𝑉𝑐2 + 𝑣1′2 + 2V c v' 1 cosθ 1
trong đó θ 1 là góc bay của nơtron trong hệ tâm quán tính.
𝑣

′2

𝑣2
=
(𝐴2 + 2𝐴𝑐𝑜𝑠𝜃1 + 1)
(𝐴 + 1)2

Từ đó ta có tỷ số động năng nơtron sau va chạm so với trước va
chạm như sau:
𝐸′ 𝑣 ′2 𝐴2 + 2𝐴𝑐𝑜𝑠𝜃1 + 1
= 2 =
𝐸
𝑣
(𝐴 + 1)2
hay
𝐸′
𝐸

=

1+𝜀
2

+

1−𝜀
2

cosθ 1

(1.3)

trong đó

ε =(
Khi θ 1 =0, cosθ 1 = 1 thì

𝐸′
𝐸

𝐴−1 2
)
𝐴+1

(1.4)

= 1, tức là nơtron không thay đổi năng lượng

khi va chạm. Hay độ mất năng lượng của nơtron bằng 0.
Khi θ 1 = π, cosθ 1 = -1 thì

𝐸′
𝐸

= ε, tức là nơtron thay đổi năng lượng khi

va chạm từ E sang E'= εE. Độ mất năng lượng nơtron đạt cực đại và bằng
E-E' = (1-ε) E.
Như vậy, sau một va chạm đàn hồi, nơtron có năng lượng E' thỏa
mãn điều kiện:
ε E ≤ E' ≤ E

9


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

* Tham số va chạm ζ
Để biểu diễn độ mất năng lượng khi va chạm đàn hồi, người ta dùng
tham số va chạm hay độ mất năng lượng logarit trung bình trên một va
chạm:
E
̅̅̅̅̅
ζ=ln

(1.5)

E′

Ở đây, phần gạch ngang là ký hiệu việc lấy trung bình theo số các
nơtron tham gia tán xạ. Giả sử có N nơtron tán xạ tai điểm P trong hệ tâm
quán tính và tán xạ đẳng hướng (hình 1.2).

Hình 1.2. Sơ đồ tính ζ
Khi đó số nơtron tán xạ trong khoảng góc θ 1 đến θ 2 là:
dN=2πN sinθ 1 dθ 1

(1.6)

Theo định nghĩa của ζ ta có:
ζ=

𝜋

1
4𝜋𝑁

𝜀

𝐸

1

𝐸′

1−𝜀

∫0 ln dN =

∫0 lnx dx, với x=

do đó: ζ = 1 +

𝐸′
𝐸

𝜀 𝑙𝑛𝜀
1−𝜀

Với A >>1 công thức (1.6) sẽ có dạng gần đúng như sau:
ζ=

3

(1.7)

1+1.5𝐴

ζ -1 =

𝐴
2

+

1
3

10

+

1
18𝐴

(1.8)


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

Các biểu thức (1.7) - (1.8) cho thấy tham số làm chậm ζ không phụ
thuộc vào năng lượng nơtron mà chỉ phụ thuộc vào đại lượng ε = (

𝐴−1 2
)
𝐴+1

nghĩa là vào số khối lượng của hạt nhân chất làm chậm.
* Lethargy: Mức độ làm chậm của nơtron
Lethargy là hàm phụ thuộc năng lượng E của nơtron theo biểu thức
sau:
U(E)=ln

E0

(1.9)

E

trong đó : E 0 là năng lượng ban đầu của nơtron sinh ra,
E là năng lượng của nơtron sau khi được làm chậm,
Lethargy tăng khi E giảm.
* Số va chạm S
Là số va chạm cần thiết để làm chậm nơtron từ năng lượng E 1 đến
năng lượng E 2 là:
S (E 1 , E 2 ) = ζ -1 ln

E1

(1.10)

E2

Nếu dùng khái niệm của lethargy ta được:
E

E

E

E2

E2

E1

S(E 1 , E 2 )= ζ -1 ×ln 1= ζ -1 ×(ln 0-ln 0)

(1.11)

Từ các công thức (1.5), (1.7), (1.8), (1.9) và (1.10) ta thấy rằng khi
khối lượng của các hạt nhân tăng thì ζ giảm và do đó số va chạm cần thiết
để chuyển từ nơtron nhanh đến nơtron nhiệt tăng. Bởi vậy, ta thấy rằng các
hạt nhân nhẹ có tác dụng làm chậm tốt hơn hạt nhân nặng [2,3].
Bảng 1.1 Thông số va chạm của một số hạt nhân
Hạt nhân

H1

D2

He 4

Be 9

C 12

O 16

Na 23

U 238

ε

0

0.111

0.357

0.640

0.716

0.779

0.840

0.983

ζ

1

0.726

0.425

0.207

0.158

0.120

0.0825

0.0083

14.5

20

43

70

92

121

171

1747

Số va chạm:
2MeV1eV

11


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

Tuy nhiên, để xét tính chất làm chậm của vật chất, cần tính đến tiết
diện tán xạ và hấp thụ nơtron. Các tính chất trên được thể hiện qua các đại
lượng sau đây:
Khả năng làm chậm:ζ Σ s
Hệ số làm chậm:

(1.12)

ζ Σ s /Σ a

(1.13)

trong đó: Σ s = Nσ s và Σ a =Nσ a là các tiết diện vĩ mô tán xạ và hấp thụ
nơtron, N là mật độ các hạt nhân của chất làm chậm. Biểu thức (1.12) cho
thấy khả năng làm chậm càng lớn khi ζ và Σ s càng lớn, khi đó nơtron càng
nhanh chóng được làm chậm. Mặt khác, vật chất càng ít hấp thụ nơtron,
tức là Σ a càng bé thì nơtron được làm chậm mà ít hấp thụ trong quá trình
làm chậm. Do đó, hệ số làm chậm ζ Σ s /Σ a đặc trưng cho tính chất làm chậm
của môi trường. Đại lượng này càng lớn, chất làm chậm càng tốt.
Trong bảng 1.2 dẫn ra các giá trị ζ Σ s và ζ Σ s /Σ a đối với một số chất
làm chậm. Từ bảng này ta thấy nước nặng có hệ số làm chậm lớn nhất, đó
là vật liệu làm chậm tốt nhất. Tuy nhiên, do giá thành cao nên nư ớc nặng
ít được sử dụng để làm chậm nơtron một cách đại trà, mà chỉ sử dụng trong
những trường hợp cần thiết. Thực tế, người ta hay sử dụng nước (nước
thường) để làm chậm nơtron, tuy nước không có hệ số làm chậm cao song
giá thành rẻ, dễ sản xuất, dễ sử dụng và đồng thời đóng vai trò tải nhiệt.
Bởi vậy, nước được sử dụng rộng rãi trong nhiều thí nghiệm vật lý nghiên
cứu sử dụng nơtron làm chậm cũng như lò phản ứng.
* Góc tán xạ trung bình của nơtron
Góc tán xạ trung bình của nơtron lên chất làm chậm được tính bởi
công thức:

̅̅̅̅̅̅= 2
cosθ

(1.14)

3A

Với Hydro (A=1), xuất hiện sự tán xạ bất đẳng hướng về phía trước
rõ rệt vì ̅̅̅̅̅̅
cosθ=0.666 và θ̅=48 0 [3].

12


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

Bảng 1.2. Các thông số đối với một số chất làm chậm
Chất

Mật độ 

N

(g/cm 3 )

10 24 /cm 3

H2O

1

D2O

ζ

ST

ζ Σs

ζ Σ s /Σ a

0.0335

0.948

~18.2

1.350

61

1.1

0.0331

0.570

31.8

0.188

5700

Be

1.85

0.1236

0.209

86

0.155

125

BeO

3

0.0728

0.173

105

0.120

170

C

1.6

0.0803

0.158

114

0.061

205

làm
chậm

* Độ dài làm chậm
Độ dài làm chậm là độ dài quãng đường mà nơtron đi được trong
chất làm chậm để năng lượng E 0 ban đầu của nơtron giảm xuống năng lượng
E T , ta gọi τ T là tuổi nơtron nhiệt, thì đại lượng √τT được gọi là độ dài làm
chậm.
Đối với chất làm chậm là nước, năng lượng E 0 = 2MeV, E T =0.025 eV,
τ T =27 cm 2 , suy ra độ dài làm chậm sẽ là: √τT = 5.2 cm [3].
1.3. Hạt nhân hợp phần, hạt nhân kích thích
1.3.1. Các cơ chế phản ứng hạt nhân
a. Các cơ chế phản ứng hạt nhân
- Cơ chế phản ứng hạt nhân hợp phần:
Đối với cơ chế phản ứng hạt nhân hợp phần, các hạt tham gia tương
tác (a và A) tạo nên hạt nhân hợp phần C và sau đó hạt nhân hợp phần này
phân rã thành các hạt thứ cấp (b và B).
a+AC và Cb+B
N.Bohr giả thuyết rằng, hai giai đoạn tạo nên hạt nhân hợp phần C
và phân rã hạt nhân này là độc lập nhau. Khả năng phân rã hạt nhân hợp
phần không phụ thuộc cách tạo nên hạt nhân hợp phần mà chỉ phụ thuộc

13


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

vào năng lượng, momen động lượng và tính chẵn lẻ của hạt nhân này. Điều
này có thể minh họa bằng thời gian xảy ra phản ứng hạt nhân qua giai đoạn
hạt nhân hợp phần. Nếu hạt nhân có kích thước 10 -12 cm và hạt bay qua hạt
nhân với tốc độ 10 10 cm/s thì thời gian để hạt đó đi qua hạt nhân là 10 12

/10 10 = 10 -22 s. Thời gian này gọi là thời gian đặc trưng của hạt nhân. Đối

với phản ứng hạt nhân hợp phần, hạt nhân hợp phần có thể tồn tại với thời
gian lâu hơn hàng triệu hoặc hàng tỷ lần thời gian đặc trưng của hạt nhân
trước khi phân rã thành các hạt thứ cấp. Chính vì vậy mà quá trình phân rã
của hạt nhân hợp phần không phụ thuộc vào cách tạo ra nó [4].
- Cơ chế phản ứng hạt nhân trực tiếp:
Trong cơ chế phản ứng hạt nhân trực tiếp, hạt a đi vào chỉ tương tác
với một nucleon hoặc một số nucleon trong hạt nhân A và truyền trực tiếp
năng lượng của mình cho các nucleon này và phản ứng hạt nhân xảy ra
trong thời gian vào cỡ thời gian đặc trưng của hạt nhân (10 -22 s). Để có phản
ứng hạt nhân trực tiếp thì năng lượng của hạt tới phải đủ lớn để bước sóng
của nó nhỏ hơn kích thước hạt nhân [4]. Tiết diện phản ứng tăng theo năng
lượng hạt tới và không có tính chất cộng hưởng. Hạt bay ra có phân bố góc
không đẳng hướng, ưu tiên về phía trước, điều này khác với phản ứng hạt
nhân theo cơ chế hợp phần, phân bố gần như đẳng hướng. Phân bố góc của
sản phẩm phản ứng phụ thuộc mạnh vào sự truyền xung lượng và thay đổi
độ chẵn lẻ trong quá trình phản ứng.
- Cơ chế phản ứng hạt nhân trước cân bằng:
Cơ chế phản ứng hạt nhân trước cân bằng có thể coi là cơ chế trung
gian giữa cơ chế phản ứng hạt nhân hợp phần và cơ chế phản ứng hạt nhân
trực tiếp. Đối với cơ chế phản ứng hạt nhân hợp phần, trước khi phân rã
hạt nhân hợp phần phải đạt đến trạng thái cân bằng thống kê nên cần một
thời gian rất lớn so với thời gian đặc trưng của hạt nhân. Trong khoảng
thời gian thiết lặp sự cân bằng hạt nhân hợp phần có thể phân rã ngay cả
trước khi đạt được sự cân bằng hoàn toàn [4].

14


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

1.3.2. Phản ứngbắt nơtron nhiệt
Tương tác giữa các nucleon trong hạt nhân nguyên tử rất mạnh nên
khi hấp thụ một nơtron thì năng lượng của hạt tới được phân bổ một cách
nhanh chóng trong toàn hạt nhân. Hạt nhân sau đó trở thành trạng thái kích
thích trong khoảng thời gian 10 -14 – 10 -15 s. Có thể nói hạt nhân đã bắt
nơtron và trở thành hạt nhân hợp phần [8, 13].
Các hạt nhân hợp phần này bị kích thích mạnh do năng lượng liên
kết của nơtron, cộng thêm động năng của nó. Năng lượng kích thích được
giải phóng bằng cách phát ra các hạt như (p,n,2n,d,α…) hoặc bức xạ điện
từ (γ). Mỗi quá trình có một xác suất nhất định và độc lập với sự hình thành
nên hạt nhân hợp phần (do sự phân bố rất nhanh của năng lượng trên tất cả
các nucleon), tuy nhiên xác suất đó lại phụ thuộc vào mức kích thích.
Tổng quát:
a  A  C*
C *  B1  b1  Q1
Hay

trong đó

(1.15)

C *  B2  b2  Q2 ...

C* : Hạt nhân hợp phần,
a, A : Hạt/bức xạ tới và hạt nhân bia,
Q : Nhiệt lượng tỏa ra sau phản ứng

Xác suất các phản ứng sau khi nơtron bị bắt là σ(n,α),
σ(n,p),σ(n,γ),…Vậy σ(n,x) chính là xác suất của phản ứng bắt 1 nơtron và
hạt nhân hợp phần phát ra hạt/bức xạ nào đó.
Khi hạt nhân hấp thụ (bắt) 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 [1,8]:
E * = E n + ∆E
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

15

(1.16)


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

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
1.3. 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.
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
các tia gamma trễ với chu kì bán rã xác định được. Trong nhiều trường hợp
phương pháp kích hoạt thường đo các tia gamma trễ.

Hình 1.3. Sơ đồ phân rã hạt nhân của phản ứng bắt nơtron nhiệt
1.3.3. Trạng thái kích thích
Xem xét các mức kích thích của hạt nhân hợp phần có thể phân biệt
được các trạng thái liên kết mà năng lượng của nó nhỏ hơn năng lượng liên
kết của các nucleon liên kết yếu nhất và từ đó mà hiện tượng giải phóng
kích thích xảy ra khi phát ra tia gamma hay các nucleon. Cùng v ới sự tăng
năng lượng kích thích thì mật độ mức cũng tăng.
Bằng chứng thực nghiệm cho thấy các mức kích thích này được tìm
thấy trong khi bắt nơtron của các nucleon. Hạt nhân hơp phần C* được

16


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

hình thành có một mức năng lượng kích thích tương ứng với sự khác biệt
về khối lượng của phản ứng a  A  C* cộng thêm động năng của các nơtron
bị bắt (hình 1.4).

Hình 1.4. Các mức năng lượng kích thích của hạt nhân hợp phần
Năng lượng tổng trên có thể trùng khớp tuyệt đối với mức năng lượng
đang có của hạt nhân hợp phần. Trong trường hợp này, phản ứng sẽ xảy ra
với suất lượng cao (cộng hưởng).Từ năng lượng cộng hưởng này, có thể
tính toán được các mức năng lượng hạt nhân.
Như đã đề cập, giải phóng năng lượng kích thích từ một mức năng
lượng đã biết có thể diễn ra theo một vài cách: phát ra hạt (p,n,α…) hoặc
một photon. Xác suất xảy ra của mỗi quá trình này có thể được biểu diễn
như là các độ rộng mức riêng phần:  ,  p , n ,  ...
     p  n    ...

Xác suất tương đối khi phát  , p, n,  ... là:

17

(1.17)


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công
 / ,  p / , n / ,  / ...

(1.18)

Xác suất tổng cộng  (n, x) cho phản ứng (n, x) :

 (n, x)   C   x / 

(1.19)

trong đó  C : xác suất tạo thành hạt nhân hợp phần,
 x /  : đã được định nghĩa ở công thức (1.18).

1.4. Tiết diện bắt nơtron nhiệt
1.4.1. Khái quát về tiết diện phản ứng
Nếu hạt nhân bia A có N hạt nhân/cm 3 , mỗi hạt có diện tích hiệu
dụng là [8,24]:
   R A 2 ( cm 2 )

(1.20)

Một chùm nơtron có thông lượng  ( neutrons.cm2 .s 1 ) bắn phá vào hạt
nhân thì số va chạm có thể xảy ra là:
Số va chạm/ cm3 / s   N( cm 3 . s 1 )

(1.21)

Giả thiết rằng sự chồng chập về các diện tích hạt nhân là không đáng
kể, bia phải là một lá kim loại rất mỏng.
Công thức (1.21) chỉ ra rằng số va chạm tỷ lệ với thông lượng và số
hạt nhân bia trong 1 cm3 . Hằng số tỷ lệ () chính là tiết diện của phản ứng
hạt nhân. Từ đây suy ra:
 col (cm2 ) 

sova cham(cm3.s 1) )
 (cm2 .s 1 ).N (cm3 )

(1.22)

Tiết diện phản ứng hạt nhân có đơn vị là diện tích ( cm 2 ), đơn vị
thường sử dụng là barn (b), 1b  1024 cm 2 .
1.4.2. Tiết diện bắt nơtron nhiệt
Nơtron nhiệt là các nơtron có vận tốc v0 trong phân bố Maxwellian
tại 20 0 C là 2200 m/s hay có năng lượng là 0.025 eV.
a. Tiết diện phản ứng

18


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

Thực nghiệm cho thấy, đối với Z < 88 thì tất cả các phản ứng xảy ra
với tiết diện  (n , ) (trừ các trường hợp đã được định trước). Tốc độ phản
ứng với thông lượng nhiệt nhất định có thể được rút ra từ tiết diện  0 tương
ứng với vận tốc  0 trong điều kiện  ( ) 1 / . Một số tác giả khác định
nghĩa tiết diện phản ứng là tổng của tất cả các tiết diện của các tương tác,
trừ tán xạ đàn hồi [8].
Tiết diện hấp thụ,  abs là tiết diện phản ứng đặc trưng được đo bằng
cách quan sát chính phản ứng đó khi mà nơtron bị hấp thụ. Phương pháp
chung được sử dụng trong việc tính tiết diện này đã được đề xuất bởi
Hughes: Dao động chồng chập,sự chênh lệch   2 /   0t , một số phương
pháp ngoại suy. Đối với phương pháp kích hoạt, tiết diện hấp thụ là đại
lượng rất quan trọng để tính toán các hiệu ứng che chắn nơtron.
Tiết diện kích hoạt  act , chủ yếu đối với nơtron nhiệt là  (n,  ) , hoặc
)
là  (n , p ), (n , ), (n ,f …được
xác định thông qua hoạt độ của hạt nhân sản

phẩm. Trong phương pháp kích hoạt, từ giá trị của  act có thể tính toán
được hoạt độ tạo ra bởi các phản ứng hạt nhân cho trước.
b. Tiết diện tán xạ
Tiết diện tán xạ thường là không thay đổi trong vùng năng lượng
nhiệt. Chúng đặc biệt quan trọng cho các hạt nhân nhẹ hoặc tại các nơtron
năng lượng cao hơn.
Về mặt vật lý, có thể chia ra làm một số loại tán xạ, tương ứng với
tiết diện: tiết diện tán xạ liên kết (  coh ), tiết diện nguyên tử tự do (  fa ), tiết
diện tán xạ trung bình (  s ), tiết diện tán xạ vi phân ( d / d  ) đối với tán
xạ ở 1 góc khối cho trước ( , ) [8].
c. Tiết diện toàn phần  T
Tiết diện toàn phần bao gồm cả tiết diện tán xạ và tiết diện hấp thụ
[8,13,24] :

19


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công
 T  abs   s

(1.23)

Khi nơtron tương tác với mẫu thì một phần nơtron sẽ bị mất đi do
tán xạ hay hấp thụ. Trong rất nhiều trường hợp, hạt nhân phóng xạ được
hình thành do hấp thụ.
Nếu phản ứng chỉ cho 1 đồng vị phóng xạ thì  act   abs

(1.24)

Trong trường hợp nguyên tố có nhiều đồng vị thì  abs không được
xác định bởi các đồng vị tự nhiên riêng lẻ mà tuân theo công thức sau [24] :
 abs   act  1act1   2act2   3act3  ...

(1.25)

với  là độ phổ cập đồng vị.
Nếu nơtron bị bắt bởi các đồng vị bền thì  act  abs
Nơtron nhiệt bị hấp thụ gần như hoàn toàn bởi

113

Cd , hình thành

trơ từ phản ứng ( n , ) . Vì thế mà  act  abs
d. Tiết diện vĩ mô

(1.26)
114

Cd

(1.27)



Tất cả các tiết diện được định nghĩa ở trên gọi là các tiết diện vi mô
khi ta đề cập tới các hạt nhân riêng lẻ.
Tiết diện vĩ mô được định nghĩa như sau [8,13,24] :
   N 

trong đó:

 NA

(1.28)

A

 là mật độ khối lượng ( g.cm 3 )

A là số khối của nguyên tử

N A là số Avogadro

N là số nguyên tử trên cm3
 là tiết diện vĩ mô ( cm 1 )

Tiết diện hấp thụ hay tán xạ vĩ mô cũng có thể được tính bằng công
thức sau:
    i Ni

(1.29)

i

e. Các thông số cộng hưởng

20


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

Một số tài liệu đã cho các bảng liệt kê về các thông số cộng hưởng
và đường biểu diễn tiết diện nơtron. Thực vậy, tiết diện  phụ thuộc vào
năng lượng và hiện tượng cộng hưởng có thể xảy ra tại một năng lượng
nhất định. Số liệu cho trong các bảng bao gồm: Năng lượng cộng hưởng
E0 ( Er , Tr ) , độ rộng mức toàn phần  và các độ rộng mức  ,   ,  , n , f …

Đối với các hạt nhân nặng, cộng hưởng hầu như là từ phản ứng ( n,  )
. Tuy nhiên đối với các hạt nhân nhẹ, cộng hưởng chủ yếu là do tán xạ và
đôi khi là từ phản ứng ( n , ) hoặc ( n , p ) .
f. Tiết diện bắt nơtron nhiệt và tích phân cộng hưởng
Tiết diện bắt nơtron thường được chia làm 3 vùng (hình 1.5):
Vùng năng lượng thấp, đối với hầu hết các hạt nhân, tiết diện bắt
phát xạ phụ thuộc vào 1/√𝐸𝑛 . Do tốc độ của nơtron tỷ lệ với √𝐸𝑛 , có thể
rút ra tiết diện bắt nơtron nhiệt phụ thuộc vào 1/  trong đó  là vận tốc
của nơtron tới. Tiết diện phản ứng bắt nơtron tại năng lượng nhiệt (0.025
eV) có xác xuất lớn nhất.
Vùng năng lượng trên vùng 1/v được gọi là vùng cộng hưởng, tiết
diện bắt nơtron của cộng hưởng riêng biệt trong vùng này có thể được biểu
diễn theo công thức công thức Breit- Wigner [4, 22]:

 n,   2n g

n

(E  E r )   
2

(1.30)

2

2

trong đó E là năng lượng nơtron, E r là năng lượng cộng hưởng,  n là bước
sóng của nơtron, n ,   là độ rộng riêng phần đối với nơtron và bức xạ
gamma, =  n +  ;  là bước sóng của nơtron: 𝜆 =


𝑝

=

4.5×10−13
√𝐸𝑛

𝑐𝑚, trong

đó E n là năng lượng nơtron (MeV); g là hệ số thống kê, là thước đo xác
xuất tạo thành trạng thái hợp phần.
Các nơtron tới trên nhiệt làm cho hạt nhân bia đạt đến các trạng thái
cộng hưởng và cuối cùng phân rã về trạng thái cơ bản. Tổng của tất cả các

21


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

cộng hưởng này được gọi là tích phân cộng hưởng I. Đoạn đầu của các
cộng hưởng này được tạo bởi các nơtron có năng lượng thấp hơn đóng góp
vào tiết diện nơtron nhiệt  .Các cộng hưởng ở vùng sau các cộng hưởng
riêng biệt thường chồng chập nhau rất phức tạp và khó có thể xác định
được một cách riêng lẻ. Do đó người ta thường xác bằng giá trị tích phân
cộng hưởng I. Ở vùng năng lượng nhiệt, tiết diện tỉ lệ nghịch với vận tốc
 có thể được rút ra từ công thức Breit- Wigner (1.30).

Vùng thứ ba, tiết diện bắt nơtron giảm rất nhanh theo năng lượng của
nơtron.
Hình 1.5 biểu diễn tiết diện bắt nơtron như là một hàm của năng
lượng. Hình vẽ có thể chia làm 3 vùng tương ứng với dải năng lượng của
nơtron nhiệt, nơtron trên nhiệt và nơtron nhanh.

Hình 1.5. Tiết diện của phản ứng 181 Ta(n, 𝛾 ) 182 Ta theo năng lượng
1.5. Các nguồn nơtron chính
Các nguồn nơtron được tạo ra bằng nhiều phương pháp khác nhau và
có những đặc trưng về phân bố năng lượng, thông lượng khác nhau.vv.. do

22


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

vậy mà nó có những ưu nhược điểm khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử
dụng.
1.5.1. Nguồn nơtron đồng vị
- Nguồn nơtron từ phản ứng(α,n): Các nguyên tố siêu Uran như
241
9

Am,

252

239

Pu,

Cf .vv.. phân rã ra hạt alpha, hạt alpha này lại cho tương tác với

Be tạo ra nơtron theo phản ứng:
4

He + 9 Be  n +

12

C + 5.7MeV

Ngoài 9 Be người ta cũng có thể dùng các nguyên tố nhẹ khác như
B,F,Li bằng cách trộn lẫn với Be ở dạng bột.
Do các hạt α 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 nên
phổ nơtron của nguồn đồng vị (α,n) là phổ liên tục từ vùng nhiệt tới khoảng
10 MeV.
- Nguồn nơtron từ phản ứng (,n) (còn được gọi là nguồn quang
nơtron hay photonơtron):[15]
 + 9 Be  n + 8 Be

(năng lượng ngưỡng 1.67MeV)

 +2D  n + H

(năng lượng ngưỡng 2.23MeV)

Đối với nguồn đồng vị (γ,n), các đồng vị phát bức xạ gamma thường
được sử dụng là

124

Sb,

24

Na,

140

La,

72

Ga,...có năng lượng 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(γ,n) 8 Be và 2 H(γ,n) 1 H. Nếu dùng tia gamma đơn năng có năng
lượng lớn hơn năng lượng ngưỡng của phản ứng (γ, n) thì nhận được nơtron
hầu như đơn năng do bức xạ gamma bị mất năng lượng rất ít trong môi
trường vật chất nguồn. Suất lượng loại nguồn này khoảng 10 5 n/s.
- Nguồn nơtron từ sự phân hạch của

252

Cf: Trong các nguồn nơtron

đồng vị thì đây là nguồn thường được sử dụng hơn cả. Đồng vị

252

Cf có

chu kỳ bán rã là 2.73 năm; có 3.2% phân rã bằng phân hạch tự phát, phát
ra 3.7 nơtron trong mỗi lần phân hạch theo các kênh sau:
252

Cf  140 Xe +

108

Ru + 4n +Q.

23


Luận văn Thạc sĩ

252

Nguyễn Minh Công

Cf  140 Cs +

109

Tc + 3n +Q.

Năng lượng trung bình của nơtron được phát ra từ nguồn này cõ
1.5MeV và suất lượng có thể lên tới 10 9 n/s.
1.5.2. Nguồn nơtron từ lò phản ứng
Các nơtron sinh ra trong lò phản ứng hạt nhân có năng lượng trong
khoảng 0 đến 20 MeV và có thông lượng lớn có thể đến10 15 n/cm 2 /s mà các
nguồn khác khó có thể đạt được. Quá trình phân hạch của các nguyên tử
trong lò phản ứng hạt nhân hoặc quá trình va chạm của các nguyên tố nặng
với proton đều sinh ra nơtrron:
n+

92 U

235

 56 Ba 137 + 36 Kr 97 +2n

Nơtron sinh ra cùng với quá trình phân hạch được gọi là nơtron tức
thời và chiếm 99% trong tổng số nơtron, ngoài ra, một số sản phẩm phân
hạch phân rã betha và kèm theo phát ra nơtron, các nơtron này đư ợc gọi là
nơtron trễ và chỉ chiếm 1% trong tổng số nơtron.
Phân bố năng lượng trong các lò phản ứng hạt nhân được chia thanh
ba vùng năng lượng như sau:
- Nơtron nhiệt 0 < E n  0.1eV
- Nơtron trung gian 0.1eV < E n  100 keV
- Nơtron nhanh 100 keV < E n  20 MeV
1.5.3. Nguồn nơtron từ máy gia tốc
Các nguồn nơtron tạo ra từ máy gia tốc có những ưu điểm rất lớn
như: có cường độ dòng nơtron đạt được lớn hơn vài bậc so với các nguồn
đồng vị. Bằng máy gia tốc có thể tạo ra được chùm nơtron đơn năng hoặc
có dải năng lượng rộng. Cũng có thể tạo ra chùm nơtron dạng xung. Có
nhiều loại máy gia tốc để tạo nguồn nơtron :
Có thể thu được nguồn nơtron đơn năng dựa trên phản ứng (d,d) hoặc
(d,t) từ các máy phát nơtron 14 MeV, hoặc các phản ứng (d,n), (p,n) với
chùm dơtron hay proton được gia tốc bằng máy gia tốc Van de Graff hoặc

24


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Công

với máy gia tốc hạt tròn để thay đổi năng lượng hạt tới để thu được nơtron
đơn năng. Nơtron được tạo ra theo các phản ứng sau:
2

H(d, n) 3 He ; Q=3.268 MeV

3

H(d, n) 4 He ;Q=17.588 MeV

Phản ứng 3 H(d, n) 4 He có tiết diện rất lớn, tại đỉnh cộng hưởng có thể
lên tới 5 barn, do đó tạo ra chùm nơtron nhanh với suất lượng lớn. Trong
phản ứng 2 H(d,n) 3 He cho nơtron năng lượng thấp (2-4 MeV), còn phản ứng
3

H(d,n) 4 He cho năng lượng cao (13-15 MeV). Suất lượng nơtron phụ thuộc

vào năng lượng chùm đơteron. Năng lượng của nơtron phát ra trong các
phản ứng trên ngoài phụ thuộc vào năng lượng đơteron bắn phá,còn phụ
thuộc vào góc phát xạ của nơtron tạo ra với hướng chùm đơteron tới.
Có thể thu được chùm nơtron rất mạnh bằng máy gia tốc electron thẳng dựa
trên phản ứng (,n). Máy gia tốc electron là một thiết bị có thể tạo các electron năng
lượng cao. Bằng cách sử dụng tương tác của eletron đã được gia tốc với vật chất để
tạo ra các nguồn bức xạ hãm có năng lượng cao và cường độ lớn. Các bức xạ hãm
được phát ra lại tiếp tục tương tác với vật chất bia hãm (trường hợp bia dày làm bằng
kim loại nặng) hoặc bia thứ cấp đặt phía sau bia hãm để tạo ra nơtron. Nơtron có phổ
liên tục. Phổ nơtron phát ra từ các bia trên các máy gia tốc electron có thể chia làm 2
phần: phần thứ nhất có dạng tương tự phân bố Maxwell, các nơtron sinh ra theo cơ
chế bay hơi từ các phản ứng quang hạt nhân thông qua giai đoạn hợp phần. Đây là
phần nơtron năng lượng thấp, phát xạ gần như đẳng hướng và đóng góp chính trong
phổ nơtron. Phần thứ hai là các nơtron có năng lượng cao hơn sinh ra từ các tương
tác trực tiếp của electron và photon với hạt nhân bia, phân bố của các nơtron không
đẳng hướng và chiếm một tỷ lệ thấp trong phổ nơtron.
Một loại nguồn nơtron năng lượng lớn được tạo ra trên các máy gia
tốc hạt năng lượng cao như sychrotron , nowtron được tạo ra bằng cách bắn
phá chùm proton được gia tốc tới năng lượng GeV bào bia kim loại nặng,
năng lượng nơtron có thể lên đến hàng trăm MeV.

25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×