Đề tài Kỹ thuật đo nơtron truyền qua trong nghiên cứu số liệu hạt nhân và ứng dụng

0 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM ___________________ TRẦN TUẤN ANH KỸ THUẬT ĐO NƠTRON TRUYỀN QUA TRONG NGHIÊN CỨU SỐ LIỆU HẠT NHÂN VÀ ỨNG DỤNG CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU SINH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. VƯƠNG HỮU TẤN 2. TS. PHẠM ĐÌNH KHANG ĐÀ LẠT – 2012 1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 2 CHƯƠNG 1 ......................................................................................................................... 3 TỔNG QUAN ...................................................................................................................... 3 1.1. Đo tiết diện nơtron toàn phần bằng phương pháp đo nơtron truyền qua .................. 3 1.2. Hình học và sai số của thí nghiệm ............................................................................ 4 CHƯƠNG 2 ......................................................................................................................... 6 HỆ ĐO NƠTRON TOÀN PHẦN ........................................................................................ 6 2.1 Cấu trúc và các thành phần của hệ đo nơtron ............................................................ 6 2.2 Cấu tạo và đặc trưng của ống đếm prôton giật lùi LND-281 ..................................... 6 2.3. Xác định phổ năng lượng nơtron bằng phổ kế prôton giật lùi .................................. 7 2.4. Chuẩn năng lượng cho hệ phổ kế nơtron .................................................................. 8 THỰC NGHIỆM ............................................................................................................... 10 3.1. Kiểm tra đặc trưng của hệ đo nơtron tại kênh số 4 ................................................. 10 3.1.1. Xác định vùng hoạt động của cao thế .............................................................. 10 3.1.2. Đo phổ phân bố proton giật lùi (Mode MCA) ................................................ 10 3.1.3. Đo tốc độ đếm nơtron (Mode TSCA) ............................................................. 12 3.2. Thực nghiệm đo tiết diện nơtron toàn phần của 12C và 238U trên các dòng ............ 12 nơtron phin lọc 54 keV và 148 keV. .............................................................................. 12 3.2.1. Bố trí phin lọc, chuẩn trực dòng và chuẩn bị mẫu ........................................... 12 3.2.2. Xử lý số liệu đo tiết diện nơtron toàn phần ...................................................... 14 3.2.3. Kết quả và thảo luận ........................................................................................ 17 KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 20 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 21 2 MỞ ĐẦU Phép đo nơtron truyền qua cho phép xác định tiết diện nơtron toàn phần. Trong vùng năng lượng nơtron từ vài chục đến vài trăm keV số liệu về tiết diện nơtron toàn phần là rất quan trọng đối với việc tính toán và thiết kế lò phản ứng hạt nhân, đặc biệt là các lò phản ứng nơtron nhanh - một loạt lò phân hạch của tương lai vì rằng năng lượng nơtron trung bình của các lò này là nằm ở vùng năng lượng keV. Xét về mặt nghiên cứu vật lý hạt nhân cơ bản thì phép đo tiết diện nơtron toàn phần phụ thuộc vào năng lượng cũng là một trong các phương pháp xác định hàm lực đối với các nơtron sóng s, p, d. Kỹ thuật phin lọc nơtron trên lò phản ứng cho phép nhận được các dòng nơtron chuẩn đơn năng trong dải keV với cường độ cao hơn so với máy phát nơtron, vì vậy đây là một công cụ rất đắc lực trong nghiên cứu hạt nhân cơ bản. Kỹ thuật đo nơtron truyền qua được áp dụng để đo tiết diện nơtron toàn phần trên các dòng nơtron phin lọc, xác định chỉ số Hydro (Hydrogen Index) trong các mẫu khung đá dầu khí, kiểm soát dòng nơtron để hiệu chính sự thăng giáng của thông lượng nơtron trong quá trình chiếu mẫu, đo và chuẩn liều nơtron trong lĩnh vực an toàn bức xạ, các thí nghiệm về vật lý nơtron phục vụ cho tính toán che chắn bảo vệ an toàn bức xạ. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Đo tiết diện nơtron toàn phần bằng phương pháp đo nơtron truyền qua Trên Hình 1.1 là sơ đồ thí nghiệm đo tiết diện nơtron toàn phần theo phương pháp đo nơtron truyền qua [1]. Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm đo nơtron truyền qua. Nếu ta đặt một mẫu vật là một bản phẳng trên dòng nơtron được chuẩn trục tốt thì một số nơtron sẽ bị hấp thụ tại các hạt nhân của mẫu. Từ N0 nơtron ban đầu của dòng sẽ chỉ còn: xn teNN σ00 − = (1.1) nơtron, ở đây n0 là số hạt nhân bia trong 1 cm3 vật chất; x là độ dày của mẫu; σt là tiết diện tương tác toàn phần. Tỷ số giữa số nơtron truyền qua mẫu và số nơtron ban đầu được gọi là độ truyền qua của mẫu và ký hiệu là T: xn te N NT σ0 0 − == (1.2) Từ đó:       = Txnt 1ln1 0 σ (1.3) Vì số đếm của đầu dò tỷ lệ với số nơtron đi vào đầu dò nên có thể xác định độ truyền qua của mẫu thông qua tỷ số giữa số nơtron truyền qua trong trường hợp có mẫu và không có mẫu mà không qua tỷ số các giá trị tuyệt đối của thông lượng. b oo b aa aaT − − = (1.4) Ở đây a0 và a là tốc độ đếm nơtron của dòng nơtron trực tiếp và dòng truyền qua mẫu, a0b và ab là phông tương ứng. 4 Khi đó không cần đo cả giá trị tuyệt đối của thông lượng nơtron lẫn hiệu suất ghi của đầu dò mà vẫn xác định được giá trị tuyệt đối của tiết diện tương tác toàn phần của nơtron với hạt nhân của chất được nghiên cứu. Biểu thức (1.1) chỉ chính xác trong trường hợp nếu nơtron tán xạ không đi tới đầu dò, tức là trong điều kiện chuẩn trực dòng nơtron tốt, đầu dò đặt xa nguồn và cả kích thước đầu dò lẫn mẫu đều giảm đến cực tiểu khả dĩ. Trong các thí nghiệm truyền qua cần chú ý đến phông nơtron tán xạ từ các vật liệu xung quanh (ví dụ như tường phòng thí nghiệm) hoặc trong trường hợp ngược lại, khi đó tốc độ đếm N với mẫu hấp thụ mạnh có thể có sai số lớn (sai số thống kê). Việc đo phông được thực hiện bằng cách dùng vật liệu hấp thụ nơtron đặt giữa mẫu và đầu dò nhằm loại trừ tất cả những nơtron của dòng sơ cấp. Khi thỏa những điều kiện trên, phép đo tiết diện nơtron toàn phần σt sẽ có kết quả chính xác. Điều đặc biệt của phương pháp này là nó cho giá trị tiết diện nơtron toàn phần tuyệt đối. Các thí nghiệm theo phương pháp đo nơtron truyền qua chỉ có ý nghĩa đối với dòng nơtron đơn năng. Nếu dòng nơtron có phổ năng lượng rộng J(E), việc lý giải kết quả trở nên không khả dĩ do sự thay đổi phổ của dòng nơtron đi qua mẫu sẽ ảnh hưởng tới độ nhạy của đầu dò. Biểu thức (1.1) trở thành: xn teNN σ00 − = (1.5) với ∫ ∫ = dEEJ dEEJEt t )( )()(σ σ (1.6) chỉ áp dụng được khi mẫu đủ mỏng [n0σt(E) << 1] và hiệu suất ghi của đầu dò không phụ thuộc vào năng lượng. Chỉ trong điều kiện đó, hệ thức (1.5) mới được áp dụng để tính tiết diện hiệu dụng được lấy trung bình theo phổ nơtron tới. 1.2. Hình học và sai số của thí nghiệm Ba yếu tố cơ bản để đo tiết diện bằng phương pháp đo nơtron truyền qua là nguồn nơtron, mẫu và đầu dò cần phải được đặt trên một đường thẳng. Mẫu cần 5 che hoàn toàn dòng nơtron trực tiếp từ nguồn tới đầu dò. Đây là yêu cầu bắt buộc để xác định kích thước tối thiểu của mẫu. Nếu kích thước mẫu lớn thì sẽ gây tán xạ ở biên mẫu và làm số nơtron đến đầu dò tăng lên. Có thể đặt mẫu ở vị trí bất kỳ trên đoạn thẳng nguồn - đầu dò, tuy nhiên vị trí tốt nhất là ở chính giữa. Đặt mẫu ở vị trí này thì bổ chính do tán xạ là cực tiểu. Ngoài ra cần bố trí sao cho khoảng cách nói trên đủ lớn để góc nhìn đầu dò từ nguồn là cực tiểu (lúc đó bổ chính do tán xạ là nhỏ nhất). Khi tăng khoảng cách nguồn - đầu dò thì sẽ làm tốt được hình học bố trí thực nghiệm nhưng lại làm giảm tốc độ đếm của đầu dò. Vì vậy cần chọn ra vị trí tối ưu. Độ dày mẫu cũng được lựa chọn để sao cho sai số tương đối là nhỏ nhất. Ta có: )ln( TTT t t ∆=∆ σ σ (1.7) Như vậy từ phép đo có mẫu, không mẫu và phông với cùng một thời gian và không có phông nơtron tán xạ thì sai số tương đối trong phép đo nơtron truyền qua là: 0 0 22 22 0 0 bb b b aaT a a T a a a a  ∆   ∆∆ ∆ ∆  = + + +               (1.8) 6 CHƯƠNG 2 HỆ ĐO NƠTRON TOÀN PHẦN 2.1 Cấu trúc và các thành phần của hệ đo nơtron Các khối điện tử cần cho hệ đo nơtron bao gồm các khối sau: khối tiền khuếch đại, khối cao thế, khối khuếch đại, khối Multi Port ghép nối máy tính qua cổng USB (Hình 2.1). Trong đó, hệ đo nơtron này có thể hoạt động đồng thời được ở hai chế độ là: chế độ đo phổ biên độ xung (MCA) và chế độ đếm theo thời gian (TSCA). Hình 2.1: Sơ đồ khối của hệ đo nơtron 2.2 Cấu tạo và đặc trưng của ống đếm prôton giật lùi LND-281 [2] Sơ đồ cấu tạo của ống đếm LND-281 được mô tả trên Hình 2.2. Hình 2.2: Cấu tạo ống đếm proton giật lùi LND-281 Ống đếm LND-281 có dạng hình ống, vỏ bọc bằng thép không rỉ, đường kính 38.1cm, dài 208.8cm. Bên trong chứa hỗn hợp khí 4 2 2CH H N+ + với áp suất 4.2 atm. Cao thế hoạt động ổn định tốt nhất ở giá trị HV= +2700V Ưu điểm của ống đếm prôton giật lùi là có kích thước nhỏ, độ phân giải năng lượng tương đối tốt trong khoảng năng lượng rộng. Hơn nữa, số liệu phân bố năng lượng prôton thu được từ ống đếm này được khớp để thu được số liệu phân bố năng lượng nơtron tương ứng. Ống đếm LND-281 Tiền khuếch đại Khuếch đại Multi Port II Cao thế PC E Khuếch đại MCA TSCA USB T HV 7 Một ống đếm prôton giật lùi lý tưởng có tính đẳng hướng của phản ứng tán xạ đàn hồi n–p cho thấy đường đặc trưng vuông góc với năng lượng. Trên thực tế thì đường đáp tuyến của ống đếm không đạt được như lý tưởng do sự thay đổi của các hiệu ứng có quãng chạy hữu hạn trong vùng điện trường của ống đếm, hoặc là do sự không tuyến tính giữa năng lượng bị mất do ion hóa, nên cần phải thực hiện phép hiệu chỉnh trước khi lấy vi phân. Bên cạnh đó, còn tồn tại sự ảnh hưởng do phông bức xạ gamma, các tia gamma tương tác với thành ống đếm sinh ra các quang electron hoặc các electron Compton, các electron này có thể vào vùng nhạy của ống đếm gây ra sự ion hóa. Tuy nhiên, vì năng lượng riêng dE dx       của một electron bị tiêu tán rất nhỏ so với prôton, đối với một năng lượng đã cho nên các electron có quãng chạy là rất dài, kết quả các phôton đã gây ra xung lối ra của ống đếm với sự tăng chậm của thời gian so với prôton và phụ thuộc vào hướng quãng chạy của phôton trong ống đếm. Do đó, đã có sự khác biệt về dạng xung của tín hiệu giữa các sự kiện của prôton và tia gamma. Dựa vào sự khác biệt này, có thể sử dụng các bộ lọc dạng xung để hạn chế sự ảnh hưởng của thành phần gamma. 2.3. Xác định phổ năng lượng nơtron bằng phổ kế prôton giật lùi Trong thực nghiệm vật lý hạt nhân, năng lượng nơtron được xác định bằng hai cách: cách thứ nhất là sử dụng phản ứng hạt nhân (do nơtron gây nên) sinh ra các hạt mang điện như trong các phản ứng 10B(n, α)7Li; 3He(n, p)3H ; 14N(n, p)14C hoặc nơtron tán xạ trên prôton. Cách đo thứ hai là sử dụng các phản ứng của nơtron tạo nên các hạt nhân phân rã phóng xạ β+, β - hoặc phân rã γ rồi có thể đo các bức xạ này sau khi kết thúc phép chiếu trong trường nơtron. Sử dụng cách thứ nhất để xác định năng lượng nơtron trong trường hợp đo bằng ống đếm prôton giật lùi LND-281. Trong tán xạ đàn hồi với nơtron, năng lượng EA của hạt nhân giật lùi được biểu diễn bằng công thức sau: EA = α.En.cos2θ, (2.1) Trong đó: α = 2)1A( A4 + . 8 - A : số khối của hạt nhân, - En: năng lượng của nơtron, - θ : góc tán xạ so với phương bay của nơtron trong hệ toạ độ phòng thí nghiệm. Nếu xác định được EA ta sẽ xác định được En. Nếu 1α = (hạt nhân là prôton) thì cực đại của EA trùng cực đại của En. Lúc này năng lượng Ep của prôton sẽ nhận các giá trị từ 0 (góc θ = 900) cho đến En (góc θ = 00) với xác suất như nhau. Nói một cách khác phổ prôton được mô tả bằng hệ thức: ( ) 0 p p p p p dE E Ef E dE E E E  ≤ =   > (2.2) Nếu dòng nơtron tương tác với hợp chất có chứa hyđrô có phân bố năng lượng là ( )Eφ thì phổ prôton giật lùi được viết bằng hệ thức sau: ∫ σ= maxE pE Hp E dE)E()E(Jconst)E(f . (2.3) Do đó: ( )Eφ ∼ ( )( ) p p H p E E df EE E dEσ = . (2.4) Trong đó: - ( )pf E : phổ phân bố năng lượng prôton giật lùi, - ( )H Eσ : tiết diện tán xạ đàn hồi của hyđrô [cm2]. Biểu thức (2.4) rất quan trọng khi sử dụng proton giật lùi để đo phổ nơtron, nếu đồng thời đo được Ep và θ trong một sự kiện tán xạ của nơtron thì có thể xác định được năng lượng của nơtron. Nếu phép đo chỉ thu được năng lượng của proton giật lùi thì có thể xác định được phổ năng lượng của nơtron bằng cách vi phân phân bố năng lượng của prôton giật lùi. 2.4. Chuẩn năng lượng cho hệ phổ kế nơtron Phương pháp chuẩn năng lượng cho hệ phổ kế nơtron là sử dụng một lượng nhỏ thành phần khí 14N có trong thành phần khí của ống đếm ( 4 2 2CH H N+ + ) để 9 tạo ra phản ứng (n, p) với nơtron nhiệt [4]. Kết quả là prôton sinh ra từ tán xạ đàn hồi có năng lượng đơn năng bằng 615keV cho phản ứng 14N(n, p)14C (Hình 2.3). Hình 2.3: Phổ phân bố proton giật lùi trên dòng nơtron nhiệt với phin lọc Silic. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 148keV 54keV 615keV from 14N(n,p)14C Co u n ts /C ha n n e l Channel 10 CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM 3.1. Kiểm tra đặc trưng của hệ đo nơtron tại kênh số 4 3.1.1. Xác định vùng hoạt động của cao thế Việc khảo sát thực nghiệm các đặc trưng của hệ đo nơtron và chuẩn hóa nó là rất cần thiết nhằm đưa hệ đo vào hoạt động và khai thác ở chế độ tối ưu nhất. Trong các thông số cần khảo sát đối với một hệ đo như chế độ khuếch đại, thời gian hình thành xung và cắt ngưỡng gamma thì khảo sát giá trị tối ưu của cao thế luôn được chú trọng hàng đầu. Các kết quả khảo sát được chỉ ra ở Hình 3.1 cho thấy ống đếm proton giật lùi LND-281 có cao thế hoạt động ổn định tốt nhất ở giá trị HV= +2700V. Hình 3.1: Mối quan hệ giữa tốc độ đếm và cao thế của ống đếm LND-281 3.1.2. Đo phổ phân bố proton giật lùi (Mode MCA) Khảo sát phổ phân bố prôton giật lùi đối với ống đếm LND-281 là một thực nghiệm rất quan trọng trong việc xác định hiệu suất ghi nơtron của ống đếm cũng như xác định được thành phần phông gamma và nhiễu điện tử đóng góp vào tốc độ đếm thu được. Qua đó người làm thực nghiệm có thể cắt ngưỡng biên độ tín hiệu không mong muốn (phông gamma và nhiễu điện tử) một cách dễ dàng thông qua bộ phân biệt dạng xung. Thực nghiệm được tiến hành đo trên dòng nơtron 54keV 0 2 4 6 8 10 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 HV (V) cp s 11 tại kênh số 4 lò phản ứng Đà Lạt trong hai trường hợp mở và đóng dòng nơtron được chỉ ra ở Hình 3.2. 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Channel Co u n ts Exp. Data Font Fo-Font Hình 3.2: Phổ phân bố prôton giật lùi đo được trên dòng nơtron 54keV. Trường hợp đo trên dòng nơtron 54keV ta thấy rằng phổ phân bố prôton gồm phần năng lượng thấp là phông gamma và nhiễu điện tử và vùng phân bố có dạng bậc thang tương ứng với năng lượng 54keV (phần năng lượng chính) và 148keV (phần năng lượng phụ). Việc đo phông gamma được thực hiện bằng phương pháp chắn dòng nơtron sử dụng 10cm parafin + B4C. Sau khi trừ phông gamma ta thu được phổ phân bố năng lượng của prôton giật lùi. Lấy vi phân ta sẽ thu được phổ năng lượng nơtron 54keV tương ứng (Hình 3.3). 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Neutron Energy (keV) Co u n ts 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 In te n si ty (a. u ) Counter experimental spectrum Smoothed line Line shape (by differentiation) Hình 3.3: Phổ phân bố năng lượng nơtron phin lọc 54keV sau khi lấy vi phân. phông gamma + nhiễu điện tử, kênh đóng phổ phân bố prôton giật lùi, kênh mở phổ trừ phông 54keV 148keV 54keV 148keV 12 3.1.3. Đo tốc độ đếm nơtron (Mode TSCA) Trong trường hợp đo tốc độ đếm (cps), thường sử dụng để kiểm tra thăng giáng thông lượng của dòng nơtron trong quá trình đo mẫu, cần thiết phải cắt ngưỡng vùng phông gamma và nhiễu điện tử. Hình 3.4 mô tả tốc độ đếm phụ thuộc bề dày của các mẫu Uran trong phép đo tiết diện nơtron toàn phần trên dòng nơtron 54keV. 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 ch cp s Hình 3.4: Sự phụ thuộc tốc độ đếm nơtron theo chiều dày mẫu Uran 3.2. Thực nghiệm đo tiết diện nơtron toàn phần của 12C và 238U trên các dòng nơtron phin lọc 54 keV và 148 keV. 3.2.1. Bố trí phin lọc, chuẩn trực dòng và chuẩn bị mẫu Phin lọc được bố trí vào trong ống đựng phin bằng nhôm với đường kính ngoài là 99 mm, độ dài là 1200 mm. Các phin lọc cùng với các ống chuẩn trực (paraphin- B, chì, gỗ) được lắp vào trong ống đựng phin này tạo thành một hình nón cụt với góc nhìn cực đại với vùng hoạt của lò phản ứng để có thể sử dụng một cách hiệu quả nhất tất cả các nơtron phát ra từ vùng hoạt về phía kênh. Đường kính dòng nơtron là 3 cm được chuẩn trực bằng các vật liệu LiF, Cd, B4C, Pb và parafin pha B. Đặc trưng của các dòng nơtron phin lọc được chỉ ra ở Bảng 3.1. 54keV 1.04cm U 2.57cm U 4.59cm U 6.24cm U Font 13 Bảng 3.1: Đặc trưng của các dòng nơtron phin lọc Năng lượng nơtron Tổ hợp phin lọc nơtron Thông lượng nơtron (n.cm-2.s-1) Độ phân giải của dòng (keV) Suất liều gamma (mR/s) 54 keV 98 cm Si + 35 g/cm 2 S + 0,2 g/cm2 B-10 5,61 × 10 5 8 3,6 148 keV 98 cm Si +1,0 cm Ti + 0,2 g/cm2 B-10 2,14 × 10 6 22 3,5 Tại lối ra của dòng nơtron, một hệ chuẩn trực phụ được bố trí để sử dụng cho phương pháp đo tiết diện nơtron toàn phần với đường kính dòng các ống chuẩn trực nơtron là 1cm và 0,5 cm. Ống đếm nơtron được bao bọc bằng chì dày 5cm và LiF dày 3 mm nhằm giảm phông gamma từ lò phản ứng và nơtron tán xạ từ các vật liệu che chắn xung quanh (Hình 3.5). Hình 3.5: Hệ chuẩn trực dòng nơtron tại kênh số 4 Mẫu sử dụng trong thực nghiệm này là graphite từ cột nhiệt lò phản ứng (đo 12C) và mẫu uran (đo 238U). Các mẫu được gia công thành hình đĩa đường kính 2.54cm và có bề dày như ở Bảng 3.2. Các đĩa này khi kết hợp lại sẽ tạo ra các loạt mẫu có bề dày khác nhau. Bảng 3.2: Đặc trưng của mẫu graphite và uran STT Tên mẫu Bề dày (cm) 1 C1 0.79 2 C2 0.79 3 C3 0.79 4 C4 0.85 5 C5 0.65 6 U1 0.58 7 U2 1.53 8 U3 2.02 9 U4 3.67 10 U5 1.04 11 U6 1.01 chuẩn trực mẫu ống đếm LND-281 che chắn nơtron gamma 14 3.2.2. Xử lý số liệu đo tiết diện nơtron toàn phần Đối với bia mẫu có độ dày x, tiết diện nơtron toàn phần đo được trong thực nghiệm được xác định theo công thức (1.3 và 1.4): 0 1 1lnt n x T σ = ; b oo b aa aaT − − = Trong thực nghiệm tốc độ đếm nơtron của dòng trực tiếp và dòng truyền qua mẫu được đo bằng ống đếm proton giật lùi LND-281. Phông của các dòng trực tiếp và dòng truyền qua mẫu được xác định bằng cách chắn dòng nơtron bởi 10 cm polyethylene. Như vậy để xác định tiết diện nơtron toàn phần cần phải tiến hành 4 lần đo a0, a0b, a, ab, đối với mỗi một độ dày mẫu, đó là phép đo nguồn, phông, nguồn truyền qua mẫu, phông truyền qua mẫu. Trong trường hợp cần yêu cầu độ tin cậy cao của kết quả đo thì quá trình đo như trên sẽ được lặp lại nhiều lần. Mỗi một phép đo có thể tiến hành với thời gian định trước hoặc số đếm định trước. Phổ nơtron thu được theo các bề dày khác nhau của mẫu graphite và uran cần đo được minh họa từ Hình 3.6 đến Hình 3.9. 0 50 100 150 200 0 5 10 15 20 25 30 54keV C1 C12 C123 C1234 C12345 In te n si ty (a. u ) Neutron energy [keV] Hình 3.6: Phổ nơtron 54keV đo được theo các bề dày mẫu graphite 15 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 0 5 10 15 20 25 30 54keV_Nspec U1_Nspec U12_Nspec U123_Nspec U1234_Nspec In te n si ty (a. u ) Neutron energy [keV] Hình 3.7: Phổ nơtron 54keV đo được theo các bề dày mẫu uran 100 150 200 0 5 10 15 20 25 30 35 40 148keV C1 C12 C123 C1234 C12345 In te n si ty (a. u ) Neutron energy [keV] Hình 3.8: Phổ nơtron 148keV đo được theo các bề dày mẫu graphite 16 100 150 200 0 5 10 15 20 25 30 35 40 148keV-NSpec U1 U5 U2 U3 U35 U4 U45 U34 U245 U234 In te n si ty (a. u ) Neutron energy [keV] Hình 3.8: Phổ nơtron 148keV đo được theo các bề dày mẫu uran Do hiệu ứng tự che chắn cộng hưởng lớn trong vùng năng lượng này nên tiết diện nơtron toàn phần đo được trong thực nghiệm là phụ thuộc vào độ dày của mẫu nghiên cứu [1, 8]. Hình 3.10 và 3.11 biểu diễn sự phụ thuộc của tiết diện nơtron toàn phần đo được trong thực nghiệm phụ thuộc vào độ dày mẫu 12C, 238U đối với các dòng nơtron 54 keV và 148 keV. Tại các năng lượng này hiệu ứng tự che chắn là khá yếu và độ dày của tiết diện nơtron toàn phần thực nghiệm có thể được biểu diễn bởi hàm tuyến tính như sau: σt = - ax (3.1) Tiết diện nơtron toàn phần trung bình có thể tìm được bằng cách ngoại suy tiết diện đo được trong thực nghiệm về độ dày 0 của mẫu. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 Thi c k ne ss ( a t / ba r n) 54keV 148keV Hình 3.6: Sự phụ thuộc của tiết diện nơtron toàn phần vào độ dày mẫu C 17 Hình 3.7: Sự phụ thuộc của tiết diện nơtron toàn phần vào độ dày mẫu Uran 3.2.3. Kết quả và thảo luận Với hệ đo tiết diện nơtron toàn phần như đã mô tả ở trên, chúng tôi đã tiến hành xác định tiết diện nơtron toàn phần của 12C và 238U đối với các dòng nơtron phin lọc 54 keV và 148 keV tại kênh số 4 lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Khớp các số liệu thực nghiệm cho kết quả tính tiết diện nơtron toàn phần trung bình đối với mẫu 12C và 238U (Bảng 3.3 và 3.4). Bảng 3.3: Tiết diện nơtron toàn phần của 238U trên dòng nơtron phin lọc 54 keV và 148 keV Năng lượng nơtron ENDF/B VII.0 C.T.Hibdon et al W.P.Poenitz et al P. D Hien et al Present 54 keV 4.57 4.85 ± 0.24 4.53 ± 0.045 4.37 ± 0.15 4.38 ± 0.18 148 keV 4.31 4.2 ± 0.21 4.31 ± 0.043 4.28 ± 0.01 4.21 ± 0.08 Bảng 3.4: Tiết diện nơtron toàn phần của 238U trên dòng nơtron phin lọc 54 keV và 148 keV Năng lượng nơtron ENDF/B VII.0 L. L. Litvinski et al V. V. Filipov et al P. D Hien et al Present 54 keV 12.97 13.343 ± 0.051 12.95 ± 0.2 13.31 ± 0.11 13.45 ± 0.13 148 keV 11.44 11.55 ± 0.022 11.7 ± 0.15 11.52 ± 0.10 12.02 ± 0.18 Từ bảng kết quả có thể nhận thấy rằng các kết quả trong đề tài này có sự phù hợp khá tốt với kết quả thu được trong công trình trước của tác giả P.D.Hien và các cộng sự [5,6,7,8], tuy nhiên sai số thực nghiệm tương đối lớn hơn so với sai số 10 11 12 13 14 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Thickness (nuclei/barn) To ta l C S (b ar n )) 54 keV 148 keV 18 trong công trình [8] (3% so với 1%). Sai số này chủ yếu là sai số thống kê và có thể giảm xuống được bằng cách tăng thời gian đo cũng như số vòng đo lặp lại. Ngoài ra để đánh giá chính xác các nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả đo cần xác định lại phổ nơtron của hai dòng nơtron phin lọc 54 keV và 148 keV và hiệu chỉnh thăng giáng thông lượng nơtron trong quá trình thí nghiệm. Các nguồn sai số chủ yếu ảnh hưởng đến kết quả đo được cho ở Bảng 3.5 Bảng 3.5: Các nguồn sai số Nguồn sai số Sai số (%) Tiết diện nơtron toàn phần của U 0.1(nhiệt), 0.38(54keV), 0.19(148keV) Thống kê <=2 Hiệu chỉnh do tán xạ và suy giảm <0.5 Phông <1 Khối lượng mẫu <0.05 Biểu diễn số liệu đo được so sánh với số liệu thực nghiệm từ thư viện EXFOR- 2003 và số liệu đánh giá ENDF/B VII.0 [3] được chỉ ra ở Hình 3.8 và 3.9. 12C(n,tot) 3 4 5 6 1 10 100 1000 Neutron energy (keV) Cr o ss se ct io n (b ) ENDF/B VII.0 JENDL 4.0 D.H.Frisch (1946) C.T.Hibdon (1954) W.P.Poenitz (1981) Y.Danon (2007) O.Gritzay (2007) T.T.Anh (2012) Hình 3.8: Tiết diện nơtron toàn phần của 12C trong dải năng lượng keV 19 238U(n,tot) 10 15 10 60 110 160 Ne ut r on Ene r gy ( k e V) ENDF B6.8 V.P.VERTEBNYY V.N.KONONOV J.CABE YU.V.GRIGOR'EV W.P.POENITZ P.D.Hien et al L. L. Litvinski V. V. Filipov T.T.Anh Hình 3.9: Tiết diện nơtron toàn phần của 238U trong dải năng lượng keV 20 KẾT LUẬN Với thiết bị và phương pháp đo tiết diện nơtron toàn phần sử dụng ống đếm prôton giật lùi LND-281 được thực hiện trên các dòng nơtron phin lọc tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt đã mở ra một hướng nghiên cứu rất có ý nghĩa thực tiễn trong việc cung cấp các số liệu hạt nhân trong vùng cộng hưởng không phân giải được cần thiết cho tính toán thiết kế lò phản ứng như các tham số cộng hưởng nơtron trung bình, tiết diện nơtron toàn phần trung bình, hệ số tự che chắn cộng hưởng,... Hướng nghiên cứu này có thể tham gia vào các hoạt động của Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế trong lĩnh vực số liệu hạt nhân và mở rộng hợp tác khu vực về các hoạt động khai thác lò phản ứng nghiên cứu. Trong lĩnh vực đào tạo cán bộ đây cũng là một công cụ rất cơ bản của vật lý hạt nhân thực nghiệm. 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Vương Hữu Tấn và cộng sự, Nghiên cứu ứng dụng các hiệu ứng tương tác của nơtron, gamma và các hạt mang điện được tạo ra trên các thiết bị đã có sẵn ở Việt Nam, Đề tài cấp nhà nước KC-09-08,1995. [2]. T. W. Crane et al. Neutron Detectors. www.fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/lib- www/la-pubs/00326408.pdf [3]. Janis 2.2, OEDC Nuclear Energy Agency, June 2005. [4]. Handbook on Nuclear Activation Data, Technical Reports Series No. 273, International Atomic Energy Agency, Vienna, 1987. [5]. Herve DERRIEN et al, Average Total Neutron Cross Section of 233U, 235U and 239Pu from ORELA Transmission Measurements and Statistical Analysis of the Data, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN 37831, USA [6]. L. L. Litvinski, V. A. Libman, A. V. Murzin, Preprint, Kiev, Inst. of Nucl. Phys., 85-35, 1985. [7]. V. V. Filipov, in INDC (CCP)-335, p.45, IAEA, August 1991. [8]. Pham Zuy Hien et al, Total neutron cross-section of U-238 as measured with filtered neutrons of 55 keV and 144 keV, INDC(NDS)-0256, Vienna, 1992.