Thạc Sĩ Nghiên cứu phép phân tích kích hoạt Neutron với nguồn Ra – Be

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
TP. Hồ Chí Minh – 2012

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i
MỤC LỤC .ii
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .iv
DANH MỤC CÁC BẢNG .vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .vii
PHẦN MỞ ĐẦU . 1

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN LÝ THUYẾT NEUTRON . 4

1.1. Sự phân bố thông lượng neutron .4
1.1.1. Vùng neutron nhanh .4
1.1.2. Vùng neutron trên nhiệt 4
1.1.3. Vùng neutron nhiệt .6
1.2. Các loại nguồn neutron quan trọng 8
1.2.1. Lò phản ứng hạt nhân .8
1.2.2. Máy gia tốc hay còn gọi là máy phát neutron 9
1.2.3. Nguồn neutron đồng vị phóng xạ .10
1.2.3.1. Nguồn Alpha (α, n) .10
1.2.3.2. Nguồn Photoneutron (γ, n) 12
1.2.3.3. Nguồn phân hạch tự phát 13
1.3. Tương tác của neutron với hạt nhân 13
1.3.1. Tán xạ .13
1.3.1.1. Tán xạ đàn hồi (n, n) .13
1.3.1.2. Tán xạ không đàn hồi (n, n’ ) .15
1.3.2. Phản ứng hấp thụ 16
1.3.2.1. Phản ứng (n, γ) 16
1.3.2.2. Phản ứng phân hạch (n, f) .16
1.4. Làm chậm neutron .16
1.5. Khái niệm về tiết diện neutron .17

CHƯƠNG 2 – TỔNG QUAN PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON . 20

2.1. Cơ sở phân tích kích hoạt neutron .20
2.2. Nguyên tắc trong phân tích kích hoạt neutron .21
2.3. Các bước cơ bản trong phân tích kích hoạt .22
2.4. Một số lưu ý khi phân tích kích hoạt .22
2.5. Đo bức xạ tia gamma để xác định tiết diện bắt neutron nhiệt .23
2.6. Phân tích hàm lượng nguyên tố trong mẫu 25

CHƯƠNG 3 – KHẢO SÁT HỆ ĐO . 26

3.1. Sơ lược nguồn Ra- Be 26
3.2. Vật liệu dùng trong thí nghiệm 27
3.3. Hệ đo 28

CHƯƠNG 4 – THỰC NGHIỆM PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON . 29

4.1. Chuẩn detector NaI 29
4.2. Xác định hiệu suất của detector .33
4.3.1. Tìm đỉnh năng lượng của nguồn chuẩn 22Na 34
4.3.2. Xác định hiệu suất của detector 37
4.2. Phép đo chu kỳ bán rã của đồng vị 116mIn và 56Mn 39
4.2.1. Đồng vị 116mIn .39
4.2.2. Đồng vị 56Mn 42
4.4. Xác định thông lượng neutron nguồn Ra-Be .46
4.5. Phép đo tiết diện bắt neutron nhiệt của đồng vị 115In, 55Mn 48
4.5.1 Đồng vị 115In 48
4.5.2 Đồng vị 55Mn .50
4.6. Xác định hàm lượng Mn trong mẫu phân tích .52
4.6.1. Xây dựng phương trình đường chuẩn .52
4.6.2. Xác định hàm lượng Mn trong mẫu phân tích .53
4.7. Đánh giá kết quả 55

KẾT LUẬN . 57
KIẾN NGHỊ 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 59
PHỤ LỤC 62


DANH MỤC CÁC BẢNG


Bảng 1.1. Phân loại neutron và các mức năng lượng tương ứng 7
Bảng 1.2. Đặc trưng của một số nguồn photoneutron 12
Bảng 4.1. Năng lượng và xác suất phát của 2 nguồn chuẩn . 29
Bảng 4.2. Số đếm theo kênh của nguồn chuẩn 137Cs 30
Bảng 4.3. Số đếm theo kênh của nguồn chuẩn 60Co . 31
Bảng 4.4. Năng lượng gamma của nguồn chuẩn và kênh tương ứng . 32
Bảng 4.5. Số đếm theo vị trí kênh của nguồn chuẩn 22Na 34
Bảng 4.6. Số đếm theo vị trí kênh của nguồn chuẩn 22Na 35
Bảng 4.7. Những thông tin về các nguồn phóng xạ 37
Bảng 4.8. Số đếm tổng trong vùng đỉnh năng lượng quan tâm 38
Bảng 4.9. Hiệu suất detector NaI theo năng lượng gamma tương ứng . 38
Bảng 4.10. Số đếm thu được từ tia gamma 417 keV của đồng vị In116 40
Bảng 4.11. Số đếm theo vị trí kênh của đồng vị 56Mn 42
Bảng 4.12. Số đếm thu được từ tia gamma 846,77 keV của đồng vị 56Mn 43
Bảng 4.13. Số đếm theo vị trí kênh của mẫu 198Au 46
Bảng 4.14. Thông số thực nghiệm tại lỗ số 1 với mẫu Au . 47
Bảng 4.15. Thông lượng neutron tại lỗ số 1 của nguồn Ra-Be . 48
Bảng 4.16. Thông số thực nghiệm tại lỗ số 1 với mẫu In . 48
Bảng 4.17. Tiết diện neutron nhiệt của 115In trong 5 lần đo . 50
Bảng 4.18. Thông số thực nghiệm của 8 mẫu Mn 50
Bảng 4.19. Tiết diện neutron nhiệt của 8 mẫu 55Mn . 51
Bảng 4.20. Thông số thực nghiệm của 5 mẫu Mn dùng làm mẫu chuẩn 52
Bảng 4.21. Thông số mẫu thực tế . 54
Bảng 4.22. Thông số thực nghiệm của 5 mẫu Mn dùng để phân tích . 54
Bảng 4.23. Độ sai lệch khối lượng Mn có trong mẫu giữa kết quả đo và thực tế . 55
Bảng 4.24. Bảng tóm tắt kết quả so sánh giữa thực nghiệm, lý thuyết và tài liệu tham khảo 55



DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ



Hình 1.1. Phổ neutron trên nhiệt φ’e ~ 1/E1+α . 5
Hình 1.2. Tán xạ đàn hồi thế của neutron với nhân 14
Hình 1.3. Tán xạ đàn hồi giữa neutron với nhân bia . 14
Hình 1.4. Tán xạ không đàn hồi giữa neutron và nhân bia . 15
Hình 1.5. Tương tác neutron với bia . 18
Hình 1.6. Mô hình kích hoạt nhân bia tạo ra nhân phóng xạ 21
Hình 2.1. Nguồn Ra-Be ở bộ môn Vật lý hạt nhân . 26
Hình 2.2. Mặt trên của nguồn Ra-Be và các lỗ chiếu . 26
Hình 2.3. Nguồn phóng xạ chuẩn 60Co, 137Cs, 22Na 27
Hình 2.4. Hệ đo . 28
Hình 4.1. Phổ năng lượng theo kênh của nguồn chuẩn 137Cs . 30
Hình 4.2. Phổ năng lượng theo kênh của nguồn chuẩn 60Co 31
Hình 4.3. Đường chuẩn năng lượng cho detector nhấp nháy NaI(Tl) 32
Hình 4.4. Đường cong phổ năng lượng đỉnh 511keV của nguồn chuẩn 22Na 35
Hình 4.5. Đường cong phổ năng lượng đỉnh 1274keV của nguồn chuẩn 22Na 36
Hình 4.6. Đường cong hiệu suất theo năng lượng của detector NaI . 39
Hình 4.7. Đồ thị hàm ln(số đếm/s) của 116In theo thời gian phân rã . 41
Hình 4.8. Đường cong phổ năng lượng đỉnh 846,77 keV đồng vị 56Mn 43
Hình 4.9. Đồ thị phân rã của 56Mn theo hàm mũ của thời gian phân rã . 45
Hình 4.10. Phổ năng lượng đỉnh 411,8keV của mẫu 198Au 46
Hình 4.11. Phương trình đường chuẩn 53







PHẦN MỞ ĐẦU


Cùng với sự phát triển của kỹ thuật hạt nhân hiện đại thì kỹ thuật phân tích kích hoạt neutron đã khẳng định được vai trò và tầm quan trọng trong lĩnh vực phân tích nguyên tố trong nhiều loại mẫu vật khác nhau. Với sự phát triển của lò phản ứng hạt nhân đã cho phép tạo ra những neutron có thông lượng lên đến 1012 – 1015 n.cm-2.s-1 thì khi đó phân tích kích hoạt bằng neutron được xem như là một kỹ thuật phân tích thông dụng nhất với độ tin cậy cao [8].
Trong phân tích kích hoạt nguồn neutron có vai trò quan trọng. Tùy theo yêu cầu mà người ta dùng các nguồn khác nhau. Một trong số đó là những nguồn neutron đồng vị, những nguồn này thường nhỏ, dễ vận chuyển, sự nguy hiểm đến sức khỏe được hạn chế, ít tốn kém và được sử dụng trong các thí nghiệm hạt nhân tại các trường đại học và dùng để phân tích kích hoạt trong công nghiệp. Ban đầu, nguồn đồng vị được chế ra từ đồng vị phóng xạ tự nhiên, như nguồn 210Po-Be và 226Ra-Be. Những nguồn này bao gồm các nhân phóng xạ γ và α được trộn với nguyên liệu làm bia là Be.

Từ năm 1976 đến 1990 tại bộ môn Vật Lý Hạt Nhân – Trường ĐH Khoa Học Tự Nhiên đã sử dụng nguồn Ra-Be cho mục đích nghiên cứu về kích hoạt neutron trên các tấm bạc (Ag) nhằm khảo sát chu kỳ bán hủy của nó thông qua phép đo hoạt độ bằng ống đếm Geiger – Muller và detector nhấp nháy NaI (Tl). Nguồn Ra-Be có chu kỳ bán rã dài nhưng lại có bức xạ gamma mạnh phát ra từ 226Ra và cường độ nhỏ cỡ 106 n/s cho nên chỉ giới hạn trong việc xác định vài nguyên tố có độ phổ cập tự nhiên cao, tiết diện bắt neutron nhiệt lớn và chỉ thích hợp với các hạt nhân có chu kỳ bán hủy ngắn.
Từ năm 1990 đến nay, do sự phát triển của Bộ môn nhằm khai thác sử dụng nguồn Am-Be trên hệ phân tích kích hoạt tự động nên nguồn Ra-Be không được quan tâm đến [1]. Trong báo cáo này, dựa vào phương pháp phân tích kích hoạt neutron, cụ thể là kích hoạt lá vàng (Au) bằng nguồn Ra-Be để xác định lại thông lượng của nguồn này. Lá vàng với kích thước và khối lượng xác định đưa vào chiếu với các vị trí xác định. Sau khi ngưng chiếu, mang mẫu vàng vừa chiếu đến đo trên hệ đếm đơn kênh Single-Channel Analyzer (SCA) và số đếm (Np) thu được tại đỉnh năng lượng toàn phần của 198Au trong một thời gian đo nhất định. Dựa vào số liệu này cùng một số thông số đã biết ta sẽ tính được thông lượng của nguồn qua các phương trình cơ bản của phân tích kích hoạt neutron và sau đó thông lượng này
[TABLE]
[TR]
[TD][TABLE="width: 100%"]
[TR]
[TD]49

[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
được sử dụng để xác định tiết điện bắt neutron nhiệt của một số đồng vị như 115 In ,[TABLE]
[TR]
[TD][TABLE="width: 100%"]
[TR]
[TD]55

[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
25 Mn . Trên cơ sở này cho phép ta phân tích hàm lượng Mn trong các mẫu khác nhau. Indium thuộc nhóm III trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, trong đó có hai đồng vị có sẵn trong trạng thái tự nhiên là 113In và 115In. Trong đó, 115In chiếm nhiều nhất đến 95,71%, còn đồng vị 113 In chiếm 4,29% [13,23]. Hợp kim của Indium được dùng làm thanh điều khiển trong các lò phản ứng hạt nhân vì có tiết diện hấp thụ cao đối với neutron nhiệt. Hợp kim thường sử dụng là hợp kim gồm Indium (chiếm 15%), Cadmium (5%) và bạc (chiếm 80%). Hợp kim này được sử dụng thường xuyên vì dễ chế tạo, và có hiệu suất cao hơn so với các hợp kim khác. Vì thế việc nghiên cứu sự tương tác neutron, đặc biệt là tiết diện bắt neutron nhiệt của Indium là rất quan trọng [27].
Mangan thuộc nhóm VII trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, trong tự nhiên 55Mn là đồng vị bền chiếm 100% [29,32]. 55Mn là một trong những đồng vị có tiết diện bắt neutron nhiệt cao bên cạnh các đồng vị 1H, 14N, 35Cl, 59Co, 197Au và 235U [22]. Khi 55Mn hấp thụ một neutron sẽ tạo ra đồng vị phóng xạ 56Mn và phát tia gamma, 56Mn là đồng vị có chu kỳ bán hủy là 2,579h [29], tương đối ngắn. Với những điều kiện đó việc ứng dụng nguồn đồng vị Ra-Be để xác định lại tiết diện bắt neutron nhiệt của 55Mn là thực sự cần thiết.
Với các lý do trên và dựa trên cơ sở trang thiết bị sẵn có của Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Thành Phố Hồ Chí Minh,, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu phép phân tích kích hoạt neutron với nguồn Ra - Be”

Bố cục trong luận văn
Với những mục đích như trên, luận văn được bố cục gồm bốn chương:

Chương 1. Tổng quan lý thuyết neutron: trong chương này chúng tôi trình bày sự phân bố thông lượng neutron, các loại nguồn neutron quan trọng, các tương tác giữa neutron với hạt nhân, làm chậm neutron, khái niệm tiết diện neutron.
Chương 2. Tổng quan phân tích kích hoạt neutron: trong chương này chúng tôi trình bày cơ sở, nguyên tắc, các bước cơ bản và một số lưu ý khi phân tích kích hoạt neutron, đo bức xạ tia gamma để xác định tiết diện bắt neutron nhiệt, phân tích hàm lượng nguyên tố trong mẫu.
Chương 3. Khảo sát hệ đo: trong chương này chúng tôi trình bày sơ lược nguồn Ra-Be, vật liệu dùng trong thí nghiệm và hệ đo.
Chương 4. Thực nghiệm phép phân tích kích hoạt neutron: trong chương này chúng tôi thực hiện các phép đo để chuẩn năng lượng và hiệu suất detector NaI (Tl), tính chu kỳ bán rã 116In và 56Mn, xác định thông lượng nguồn Ra- Be, tính tiết diện bắt neutron nhiệt của 115In và 55Mn, xác định hàm lượng Mn trong mẫu phân tích.