Neutron Sources
Chương 2
NGUỒN NƠTRÔN
§1. Thu Nơtrôn Trong Các Phản ứng Hạt Nhân
Vì nơtrôn có thời gian sống rất ngắn (T1/2 ~ 10 ÷ 11 phút) nên ta không thể thu được nơtrôn trong tự nhiên. Người ta thường thu nơtrôn trong phản ứng hạt nhân (α,n), (p,n), (d,n) và (γ,n) trên các hạt nhân nhẹ vì hai lý do: 1- năng lượng liên kết của nơtrôn trong hạt nhân nhẹ là không cao; 2- rào thế Culông thấp nên hạt tới (p, d, α) có thể xuyên vào nuclon khi năng lượng của chúng thấp. Phản ứng phân hạch (n, f) cho phép thu được nguồn nơtrôn rất mạnh.
1. Các phản ứng hạt nhân (α ,n), (p,n), (d,n) và (γ,n)
- Phản ứng (α ,n)
(A, Z) + ® (A + 3, Z + 2 ) + n + Q (2.1.1)
Q – Năng lượng phản ứng (toả nhiệt nếu Q > 0 và thu nhiệt nếu Q < 0).
Thí dụ :
– 2,790 Mev
+ 5,704 Mev
+ 0,158 Mev
- Phản ứng (d,n)
(A, Z) + d → (A + 1, Z + 1) + n + Q ( d = )
(A, Z) + 2H → (A + 1, Z + 1) + n + Q (2.1.2)
Vì năng lượng liên kết dotrôn nhỏ nên trong các phản ứng bắt detrôn đều tạo nên các hạt nhân hợp phần bị kích thích rất mạnh, thế nên hầu hết các phản ứng (d,n) này đều là toả nhiệt.
Thí dụ :
+ 3,25 Mev
+ 17,588 Mev
+ 15,028 Mev
- 0,282 Mev
- Phản ứng (p,n)
(A, Z) + p → ( A, Z+1) + n +Q (2.1.3)
Tất cả các phản ứng (p,n) trên các hạt nhân bền đều là các phản ứng thu nhiệt (Q<0).
Thí dụ :
– 1,646 Mev
– 0,754 Mev
- Phản ứng (γ,n) ( phản ứng quang rã - quang hạt nhân)
(A, Z) + γ → ( A-1, Z) + n +Q (2.1.4)
Thí dụ :
– 2,225 Mev
– 1,666 Mev
2. Ngưỡng phản ứng
Phản ứng toả nhiệt xảy ra khi hạt tới có năng lượng bất kì. Phản ứng thu nhiệt xảy ra khi năng lượng của hạt tới bằng hoặc lớn hơn một giá trị nhất định nào đó, giá trị năng lượng này được gọi là ngưỡng của phản ứng. Trên cơ sở định luật bảo toàn năng lượng và bảo toàn xung lượng trong phản ứng hạt nhân có thể tìm được biểu thức sau cho năng lượng ngưỡng phản ứng thu nhiệt:
A + a → O → b + B (2.1.5)
(2.1.6)
( trong hệ toạ độ PTN )
T là năng lượng của phản ứng. lớn hơn năng lượng phản ứng một lượng đúng bằng động năng của hạt nhân hợp phần . Trong trường hợp phản ứng quang hạt nhân (γ ,n), » 0 vì thế ngưỡng phản ứng .
3. Năng lượng nơtrôn
Trong trường hợp phản ứng toả nhiệt, giả sử hạt nhân hợp phần đứng yên (v » 0 ) khi phân rã thành nơtrôn và hạt nhân sản phẩm, ta có thể xác định năng lượng nơtrôn bằng biểu thức sau
( ) (2.1.7)
Thí dụ:
Trong phản ứng 3H (d, n) 4He khi Ed » 0 ® En » 14 MeV.
Nếu hạt tới có động năng Ea khá lớn thì năng lượng của nơtrôn sẽ phụ thuộc vào góc bay q của nó so với hướng chuyển động của hạt tới:
(2.1.8)
Công thức này có thể áp dụng cho cả hai loại phản ứng toả nhiệt (Q>0) và thu nhiệt (Q<0).
4. Phản ứng phân hạch (n,f)
Trong phản ứng phân hạch hạt nhân nặng hấp thụ nơtrôn rồi bị phân chia thành vài mảnh (trung bình là 2-3) và làm phát ra 2¸3 nơtrôn. Phần lớn là nơtrôn phát tức thời, một phần rất nhỏ nơtrôn được phát ra sau một khoảng thời gian trễ bởi phân rã của các mảnh khi phân hạch. Năng lượng toả ra trong mỗi phân hạch » 200 MeV. Việc áp dụng phản ứng phân hạch cho phép ta thu được những nguồn nơtrôn rất mạnh. Hầu hết các phản ứng phân hạch đều là phản ứng có ngưỡng, trừ một số hạt nhân nặng có thể bị phân hạch bởi nơtrôn năng lượng bất kỳ, thí dụ: . Nơtrôn được phát ra trong quá trình phân hạch có phổ năng lượng liên tục được mô tả khá tốt bằng công thức sau:
(2.1.9)
(En đo bằng Mev)
§2. Một Số Đặc Trưng Của Nguồn Nơtrôn
1. Cường độ nguồn
Cường độ nguồn là số nơtrôn được nguồn phát ra trong 1 giây. Nếu mỗi biến đổi hạt nhân trong nguồn làm sinh ra ν nơtrôn thì cường độ nguồn Q sẽ được tính là
Q = (số biến đổi hạt nhân trong 1 giây) × ν.
Trong phản ứng phân hạch ν ≈ 2, trong các phản ứng hạt nhân khác thông thường ν ≈1.
Giả sử J0 [cm-2.s-1] là mật độ dòng hạt α (hoặc proton hay dơtron) với năng lượng ban đầu E0 tới đập vào bia có diện tích S [cm2] và chứa N hạt nhân bia trong 1cm3. Do bị mất dần năng lượng bởi va chạm đàn hồi và không đàn hồi với các nguyên tử trong bia, dòng hạt tới đơn năng sau khi xuyên qua bề dày x của bia sẽ trở nên không đơn năng. đồng thời mật độ dòng hạt cũng giảm dần do nhiều hạt đã tham gia vào các phản ứng hạt nhân. Vì thế trong lớp bia có bề dày dx ở độ sâu x mật độ dòng hạt có năng lượng E sẽ là J0f(E,x). Càng vào sâu trong bia (x càng lớn) thì thành phần “cứng” của phổ (thành phần co năng lượng E lớn) càng giảm, còn thành phần “mềm” của phổ càng tăng. Hàm f(E,x) tính tới phân bố theo năng lượng của dòng hạt ra (độ giảm mật độ dày). Như vậy số nơtrôn được sinh ra trong lớp bề dày dx của bia được tính theo công thức sau
(2.2.1)
Cường độ nguồn nơtron được xác định như sau
(2.2.2)
trong đó h là bề dày hữu ích của bia. Giá trị của h không lớn hơn quãng chạy p trong bia của hạt với năng lượng ban đầu E0
(2.2.3)
Đại lượng được gọi là năng suất hãm (năng suất làm chậm) của hạt toả trong bia (bằng độ mất năng lượng của hạt trong môi trường)
Trong thực tế, xác định hàm f(E,x) không phải là việc dễ dàng. Để đánh giá cường độ nguồn đơn giản hoá bằng cách giả thiết là mật độ dòng và phân bố hạt theo năng lượng không thay đổi theo chiều sâu x của bia, và coi ở bề sâu x tất cả các hạt đều có cùng năng lượng ( nghĩa là phổ năng lượng là một hàm delta). Khi đó
(2.2.4)
trong đó ΔE là năng lượng bị mất do va chạm của hạt sau khi đi qua bia dầy h [cm].
Cường đồ nguồn đạt giá trị cực đại khi h = R, tức là khi ΔE = E0. Nhưng trong trường hợp bia dày như vậy các nơtrôn được phát ra sẽ không đơn năng. Muốn có nguồn nơtrôn đơn năng thì ngoài việc dùng chùm hạt tới đơn năng còn phải sử dụng bia mỏng (khi đó và càng nhỏ) thì nguồn càng yếu, nhưng phân bố theo năng lượng của nơtrôn càng hẹp, thông lượng nơtrôn càng trở nên đơn năng.
2. Hiệu suất phản ứng sinh nơtrôn
Hiệu suất phản ứng sinh nơtrôn η là số nơtrôn được sinh ra khi có hạt tới đập vào bia:
(2.2.5)
Có thể đánh giá hiệu suất phản ứng sinh nơtron bằng cách sử dụng giá trị Q*:
(2.2.6)
Nếu tiết diện phản ứng σ ít phụ thuộc vào năng lượng thì
Σ- tiết diện vĩ mô của tương tác hạt nhân.
λ- bề dày trung bình của quãng chạy tự do của hạt tới cho đến khi bị va chạm với hạt nhân.
Trong trường hợp bia mỏng σ (E) » σ (E0): nên
(2.2.7)
§3. Các Nguồn Notron (a, n)
1. Nguồn Ra-Be
Dùng hạt α từ phân rã α của Radi tự nhiên bắn vào bia Be để gây phản ứng hạt nhân:
+ 5,704 Mev (2.3.1)
Nguồn nơtrôn Ra-Be có cường độ cao, đẳng hướng và gần như không đổi theo thời gian vì 226Ra có chu kỳ rã nửa lớn T1/2 = 1620 năm và độ phóng xạ α lớn. Vì thế nguồn Ra-Be thường được dùng làm nguồn chuẩn.
Tuy nhiên nó có nhược điểm lớn là phát bức xạ γ kèm theo khá mạnh nên khó bảo vệ. Trong 1 gam 226Ra xảy ra 3,7.1010 phân rã/s làm sinh ra các hạt α có năng lượng cao Eα = 4,78 MeV (94%) và 4,59 MeV (6%). Các hạt nhân con của nó cũng phân rã α và cho hạt α năng lượng cao (từ 5,5 đến 7,7 MeV). Sau thời gian 1÷2 tháng sẽ xảy ra cân bằng giữa 226Ra với các đồng vị con phân rã sống ngắn (222Rn, 218Po, 214Po) có T1/2 tương ứng là 3,82 ngày, 3,05 phút, 1,6.10-4s). Do đó sau 1 tháng cường độ nguồn Ra-Be đạt tới giá trị hầu như không thay đổi, lớn gấp 4 lần so với ban đầu và bằng (1,2÷1,7).107 n/s cho 1 g 226Ra.
Ngoài ra phản ứng 9Be (γ,n) cũng góp phần làm tăng cường độ nguồn lên vài % ( ). Số lượng tử γ có > chiếm ~ 20%. Phản ứng 9Be (γ,n) làm phát ra các nơtrôn từ 21 ÷ 670 keV.
Nguồn Ra-Be phát ra nơtrôn với phổ năng lượng lớn trong vùng En <13 MeV.En = 3,6 MeV. Khi chế tạo nguồn Ra-Be người ta thường trộn radi và Beli theo tỷ lệ khối lượng 1:5. Bột RaBr2 và Be trộn đều được đặt trong hai lần vỏ bọc kim loại hàn kín.
2. Các nguồn (α ,n) khác
- Nguồn Po-Be
Nơtrôn cũng được sinh ra trong phản ứng 9Be (α ,n) với hạt α lấy từ phân rã của đồng vị 210Po.
210Po có T1/2 = 138,5 ngày phát 100% hạt α với Eα = 5,3 MeV. 210Po là đồng vị bức xạ cuối cùng trong dãy phân rã của . 210Po không phát bức xạ β và γ. Vì vậy nguồn nơtrôn Po-Be có ưu điểm lớn là không có bức xạ γ kèm theo, rất tiện lợi cho việc bảo vệ. Nhược điểm: thời gian sống ngắn. Nguồn Po-Be có thể cho ~ 2,5. 106 n/s cho 1 g 210Po. Nơtrôn có phổ năng lượng liên tục trong khoảng En < 10 MeV với .
- Nguồn Pu-Be
Dùng 239Pu (T1/2 = 24360 năm) cho Eα = 5,15; 5,13 và 5,10 Mev. Nguồn làm bằng hợp kim PuBe3. Cho n/s cho 1 g 239Pu phát kèm theo bức xạ γ mềm. Nhược điểm: khi nguồn nằm trong trường nơtrôn cường độ nguồn thay đổi do phân hạch của 239Pu.
§4. Các Nguồn Nơtrôn (g,n)
Các phản ứng (γ,n) dùng bức xạ γ đơn sắc làm cho nguồn nơtrôn gần như đơn năng. Vì bức xạ γ của các đồng vị phóng xạ tự nhiên có Eγ ít khi vượt quá 3 MeV nên chỉ thực hiện được phản ứng (γ ,n) trên hai hạt nhân bia là (Q = -1,665 MeV) và (Q = 2,225 MeV). Nhược điểm của các nguồn nơtrôn (γ ,n) là hiệu suất thấp, các nguồn bức xạ γ thường có thời gian sống ngắn, đòi hỏi các biện pháp bảo vệ chặt chẽ đối với bức xạ γ.
Trong mục §1.2 của chương này, khi xét về ngưỡng phản ứng, Ts, đã biết phản ứng (γ ,n) có ngưỡng
(2.4.1)
Nơtrôn được phát ra trong phản ứng có năng lượng phụ thuộc vào góc bay ra của nơtrôn
(2.4.2)
trong đó dấu + ứng với khi nơtrôn có góc bay ra θ = 0˚ so với hướng tới của lượng tử γ và dấu – ứng với khi θ = 180˚.
Nơtrôn có thể bay ra dưới các góc θ khác nhau nên năng lượng En có thể nằm trong khoảng từ En với θ =180˚ ÷ En với θ = s˚. Như vậy không chỉ khi dùng bức xạ γ đơn năng, năng lượng En nằm trong một dải có bề rộng .
Thí dụ:
Với Eγ (24Na) = 2,757 MeV, nơtrôn sinh ra trong phản ứng d (γ ,n) có En = 265 ± 33 keV, còn trong phản ứng 9Be(γ ,n) thì En = 969 ± 5 keV.
- Nguồn nơtrôn Sb-Be
Dùng bức xạ γ của đồng vị 124Sb có Eγ = 1,692 MeV và T1/2 = 60,5 ngày có thể cho 107 n/s cho 1Ci phóng xạ γ với Eγ = 1,692 MeV với năng lượng En = 24 ± 2,2 keV.
Cấu tạo: hình bên.
- Nguồn (γ ,n) Ra-Be
ta đã biết khi xét nguồn (γ ,n) Ra-Be.
Bảng 2.1. Một số nguồn bức xạ γ có thể sử dụng để làm nguồn (γ ,n)
T1/2
Eg
Bia
Hiệu suất
24Na
15,0 h
2,757 MeV
Be
830 keV
2.103
56Mn
2,57 h
1,7¸2,8 MeV
Be
D2O
150¸300keV
3.10-4
3.10-5
88Y
104 ngày
1,8¸2,8 MeV
Be
D2O
160¸960 keV
260 keV
1.10-3
3.10-5
116In
54 phút
2,0 MeV
Be
300 keV
8.10-5
….
….
….
…
…
…
- Dùng bức xạ hãm của máy gia tốc electron.
Trong các máy gia tốc tuyến tính hiện đại có thể thu được dòng electron mạnh với năng lượng Ee = 50 ÷ 200 MeV. Các electron này đập vào bia sẽ làm phát ra bức xạ hãm có cường độ lớn và có phổ năng lượng liên tục cho tới giá trị hν = Ee. Vì phần lớn các lượng tử của bức xạ hãm có năng lượng lớn hơn năng lượng liên kết của nơtrôn trong các hạt nhân của bia nên có thể thu được nơtrôn từ phản ứng (γ,n) của bức xạ hãm với các hạt nhân của bia. Năng lượng của electron tới bia càng lớn thì hiệu suất phản ứng (γ ,n) càng cao. Hình bên cho thấy sự phụ thuộc của hiệu suất phản ứng vào năng lượng Ee của electron khi bia là Uran.
Máy gia tốc tuyến tính electron làm việc trong chế độ xung vì vậy ta sẽ thu được nguồn nơtrôn xung. Thí dụ: Máy gia tốc LUZ-40 ở Đúpna cho Ee = 40 MeV, và cho phép nhân cường độ xung hạt nhân đến 200 lần so với trường hợp không có LUZ-40.
§5. Nguồn Nơtrôn (p, n) và (d, n)
Muốn tạo nguồn nơtrôn bằng phản ứng (p,n) hoặc (d,n) người ta phải sử dụng các máy gia tốc. Có thể thu được nơtrôn đơn năng từ phản ứng (p,n) và (d,n) bằng cách sử dụng máy gia tốc tĩnh điện vandegaaf hoặc máy gia tốc xikelectron. Phản ứng (d,n) có hiệu suất cao đối với nơtrôn năng lượng thấp Ed < 1 MeV, dùng bia D, Li, T, Be. Nhờ các máy gia tốc năng lượng thấp cho dòng lớn có thể tạo được các nguồn nơtrôn mạnh làm việc theo chế độ xung hoặc liên tục.
Sự phụ thuộc của năng lượng nơtrôn En vào góc bay ra θ của nó đóng vai trò quan trọng trong các phản ứng (p,n) và (d,n). ta đã biết tới mối liên hệ En(θ) khi xét mục §1.3. về năng lượng nơtrôn.
Khi hạt tới có năng lượng bằng ngưỡng phản ứng ( ) thì nơtrôn được phát ra có năng lượng bằng 0 trong hệ toạ độ tâm quán tính, còn trong hệ toạ độ phòng thí nghiệm nơtrôn có tốc độ bằng tốc độ của tâm khối lượng. Khi hạt tới có năng lượng lớn hơn ngưỡng phản ứng nơtrôn sẽ phát ra ở phía trong hình nón với góc mở θ được xác định bằng biểu thức sau:
(2.5.1)
Đáng chú ý là các nơtrôn bay ở phía trong hình nón này có năng lượng thuộc hai nhóm khác nhau ứng với dấu + và - trong công thức xác định năng lượng En ở trên. Nếu tiếp tục tăng năng lượng của hạt tới thì góc mở θ cũng sẽ rộng hơn, lúc này năng lượng En của một nhóm nơtrôn sẽ tăng lên còn của nhóm kia lại giảm xuống. Năng lượng En giảm xuống bằng 0 khi năng lượng hạt tới tăng đến giá trị , khi đó góc mở θ = 90˚, tức là tất cả các nơtrôn được phát ra đều bay về phía trước.
Nếu tiếp tục tăng năng lượng hạt tới E > E’ thì nơtrôn sẽ được phát ra theo mọi hướng và chỉ còn lại một nhóm năng lượng duy nhất ứng với dấu + trong công thức xác định En. như vậy giá trị E’ là năng lượng giới hạn để thu nơtrôn đơn năng. Hình dưới cho thấy tương quan giữa năng lượng hạt tới E, năng lượng nơtrôn En và góc bay ra θ trong trường hợp phản ứng 7Li(p, n)7Be.
Có thể xảy ra phản ứng :
- 2076 MeV (2.5.2)
+ 430 keV
làm xuất hiện thêm một nhóm nơtrôn với năng lượng thấp hơn (E’n = 650 keV với Ep = 2,378 MeV và θ = 0˚). Nhóm này có cường độ ≈ 10% của nhóm chính khi Ep = 5 MeV. Khi E > E’: En giảm dần khi góc bay θ tăng lên. ứng với mỗi góc bay θ nhất định, độ đơn năng của nơtrôn được quyết định bởi độ đơn năng của dòng hạt tới.
Bia càng mỏng càng góp phần làm tăng độ đơn năng của nơtrôn. để thu nơtrôn còn có thể sử dụng các phản ứng (p,n) khác như :
- 0,764 MeV (2.5.3)
- 2,84 MeV (2.5.4)
- 1,536 MeV (2.5.5)
Hiệu suất của 2 phản ứng sau là thấp
- Các nguồn (d,n)
Các nguồn (d,n) trên cơ sở phản ứng của dơtron với các hạt nhân bia dơtơri và triti thường dùng để thu nơtrôn đơn năng năng lượng cao. Phản ứng
+ 3,265 MeV (2.5.6)
thường được dùng để thu nơtrôn năng lượng En trong khoảng En ~ 2 – 10 MeV. Còn phản ứng
+ 17,588 MeV (2.5.7)
để thu nơtrôn với En ~ 12 – 20 MeV. Trong phản ứng này Q > 0 nên trong công thức xác định năng lượng nơtrôn En chỉ lấy dấu + ở trước căn
(2.5.8)
Thường dùng các bia khí hoặc bia mỏng T-Ti hay D-Zn. Người ta chế tạo các bia này như sau: bốc màng mỏng Ti hoặc Zn lên lớp đế làm bằng đồng, bạc hoặc vônfram; sau khi được làm sạch khỏi khí, lớp màng mỏng được cho hấp phụ khí Triti hoặc dơtơri đến bão hoà bằng cách làm lạnh từ từ trong các khí đó. Bằng phương pháp này có thể hấp phụ được 1,5 nguyên tử T hoặc D trên một nguyên tử Ti hoặc Zn. Các bia này có hiệu suất rất cao và nếu được làm lạnh tốt trong quá trình làm việc thì có thể chịu được các dòng ion mạnh. Các bia dơtơri mỏng có thể làm từ nước đá nặng bằng cách làm ngưng tụ hơi nước nặng trên lớp đế được làm lạnh bằng không khí lỏng. Hình dưới đây cho thấy sự phụ thuộc của hiệu suất phản ứng (d,n) trên các bia khác nhau.
Đôi khi người ta còn dùng bia 7Li. Các phản ứng nay cũng có hiệu suất cao, nhưng bia Li khó làm được chắc chắn.
§6. Thu Nơtrôn Trong Lò Phản ứng Hạt Nhân
1. Lò phản ứng hạt nhân-nguồn bức xạ nơtrôn và gamma rất mạnh
Người ta gây phản ứng phân hạch dây chuyền trong lò phản ứng hạt nhân để tạo nguồn nơtrôn cường độ mạnh. Thí dụ: một lò phản ứng nghiên cứu thông thườngvới công suất nhiệt 10 Mw phát ra ≈ 7.1017n/s. Trong 1 phân hạch phát ra 200 MeV.
Người ta thường phân loại lò phản ứng hạt nhân theo mấy cách sau đây:
1- Theo năng lượng của nơtrôn gây phản ứng phân hạch (lò phản ứng nơtrôn nhiệt; lò phản ứng nơtrôn nhanh).
2- Theo vật liệu làm chậm nơtrôn (lò nước nặng; lò nước nhẹ; lò grafit …).
3- Theo chế độ làm việc (lò dừng; lò xung).
4- Theo mục đích sử dụng (lò năng lượng; lò nghiên cứu).
Thành phần quan trọng nhất của tất cả các loại lò phản ứng hạt nhân là vùng hoạt tính. Vùng hoạt tính là nơi xảy ra phản ứng phân hạch dây chuyền làm phát ra nơtrôn nhờ có chất phân hạch (nhiên liệu hạt nhân) và chất làm chậm (nếu cần) được bố trí một cách hợp lý.
Trong các lò phản ứng nghiên cứu, nơtrôn được dẫn ra khỏi vùng hoạt tính nhờ những kênh đặc biệt làm bằng các ống nhôm rỗng hình trụ. Tuỳ theo mục đích sử dụng, người ta đặt kênh ở các vị trí khác nhau và có thể đặt thêm các bộ phận cần thiết vào trong kênh (thí dụ: để làm chậm nơtrôn, để nhiệt hoá nơtrôn, để lọc lấy nơtrôn năng lượng cần thiết …).
Lò phản ứng hạt nhân là nguồn bức xạ nơtrôn và gamma rất mạnh (mỗi phân hạch làm phát ra ~ 2,5 nơtrôn và 10 lượng tử γ). Cả hai loại bức xạ này đều có độ xuyên sâu rất lớn nên lò phản ứng hạt nhân còn bao gồm cả lớp bảo vệ (nước, bê tông). Xung quanh lò là một vùng được rào chắn và kiểm tra nghiêm ngặt để bảo đảm an toàn phóng xạ.
2. Một số đặc trưng của trường bức xạ nơtrôn
Trường bức xạ nơtrôn trong lò phản ứng hạt nhân thường được đặc trưng bằng mật độ thông lượng nơtrôn Φ, được định nghĩa là số hạt nơtrôn xuyên qua mặt cầu tiết diện πR2 = 1 cm2 trong thời gian 1 giây.
Nơtrôn trong lò phản ứng có phân bố theo năng lượng Φ(En) trải rộng từ En ~ 0,001 eV đến En ~ 10 MeV. Đại lượng Φ(En) chính là mật độ thông lượng nơtrôn với năng lượng trong khoảng En. Người ta thường chia dải năng lượng của nơtrôn thành ba vùng như sau:
a. En > 0,5 MeV: vùng nơtrôn nhanh.
Trong vùng năng lượng này phân bố??? Gần trùng với phổ nơtrôn ph ~ ???? trong đó En đo bằng MeV.
b. 0,2eV < En < 0,5MeV: vùng nơtrôn cộng hưởng.
Trong vùng này phổ được xác định chủ yếu là bởi nơtrôn bị làm chậm do va chạm đàn hồi với các hạt nhân của chất làm chậm. Mật độ thông lượng ít phụ thuộc vào năng lượng, có thể coi là không đổi.
c. En < 0,2eV: vùng nơtrôn nhiệt.
Các nơtrôn nhiệt ở trạng thái cân bằng nhiệt động học với chuyển động nhiệt của các nguyên tử chất làm chậm – Vì thế phân bố theo năng lượng của chúng hầu như trùng với phân bố Maxwellvới nhiệt độ của “ khí nơtrôn” cao hơn một chút so với nhiệt độ chất làm chậm.
Các phổ thực của nơtrôn trong lò phản ứng có thể khác nhiều so với ba phổ đơn giản này. Tuy vậy việc chia giải nơtrôn trong lò phản ứng thành ba vùng như trên thường giúp chúng ta định hướng tốt. Đóng góp của từng thành phần phổ nơtrôn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: kích thước lò phản ứng, loại lò, công suất lò…
3. Một số đặc trưng thu nơtrôn trong lò phản ứng
Các thành phần phổ nơtrôn luôn tồn tại đồng thời trong lò phản ứng. Đây là khó khăn cơ bản đối với việc thu nơtrôn bằng các kênh dẫn. Để làm yếu các thành phần khác nhau của phổ nơtrôn, người ta sử dụng các phương pháp khác nhau. Thí dụ: muốn giảm cường độ nhóm nơtrôn nhiệt người ta thường sử dụng các bộ lọc bằng cadmi hoặc borum, để làm yếu nhóm nơtrôn trên nhiệt và nơtrôn nhanh dùng các chất làm chậm, muốn làm yếu cường độ nhóm nơtrôn nhanh có thể dùng kênh tiếp tuyến, còn muốn giảm cường độ bức xạ γ thì dùng các bộ lọc bằng chì hoặc bismus (Bi).
Biện pháp hiệu quả nhất để làm yếu bức xạ γ là dùng một kênh cắt ngang kênh khác. Tại điểm cắt của hai kênh đặt một bia tán xạ nơtrôn (thí dụ H2O, D2O, graphit). Bức xạ γ chỉ tương tác yếu với bia nên hầu như toàn bộ bức xạ γ vẫn truyền thẳng theo kênh cũ trong khi đó nơtrôn sau khi tán xạ trên bia sẽ bay theo kênh mới (kênh cắt ngang). Do đó tỷ số giữa cường độ bức xạ nơtrôn và bức xạ γ trong kênh này sẽ lớn hơn rất nhiều so với kênh ban đầu kia.
Việc dẫn nơtrôn ra khỏi lò, bảo vệ bức xạ nơtrôn và tối ưu hoá trường bức xạ nơtrôn thu từ các lò phản ứng nghiên cứu là những vấn đề quan trọng và phức tạp.
Cột nhiệt là bộ phận thu nơtrôn nhiệt trong lò phản ứng nghiên cứu. Cột nhiệt là một lăng kính bằng graphit (than) với độ tinh khiết cao, trải dài từ mặt bên của vùng hoạt tính đến mặt ngoài của lớp bảo vệ lò. Các nơtrôn bị dò ra từ vùng hoạt tính của lò sẽ bị làm chậm hoàn toàn nhưng không bị hấp thụ trong cột graphit này. bằng cách đó người ta tạo được chùm nơtrôn nhiệt khá “sạch” (về năng lượng). Nhờ có các kênh xuyên cột nhiệt người ta có thể thu được các chùm nơtrôn nhiệt.
Muốn tạo được các chùm nơtrôn đơn năng từ lò phản ứng người ta phải sử dụng một số thiết bị phụ trợ khác (như phổ kế tinh thể, bộ lọc tinh thể, bộ lọc cơ học…).
- Phổ kế tinh thể:
Thường được sử dụng để tạo các chùm nơtrôn đơn năng trong vùng năng lượng En ~ 0,01 ÷ 10 eV. Nguyên tắc làm việc của phổ kế tinh thể dựa trên cơ sở định luật Bragg về tán xạ nơtrôn trên các mặt phẳng tinh thể. Thường dùng bậc phản xạ đầu tiên của các nơtrôn trên các tinh thể Be (mặt tinh thể 1231), NaCl (240, d = 1,26 Å), C (111, d = 2,08 Å), LiF (111, d = 2,32 Å).
Độ phân giải năng lượng được tính theo
- Bộ lọc tinh thể
Có nguyên tắc hoạt động dựa trên cơ sở định luât Bragg về tán xạ nơtrôn năng lượng thấp trên đa tinh thể. Thường dùng để lọc nơtrôn lạnh (cho nơtrôn lạnh đi qua).
Hình bên cho thấy phổ năng lượng sau khi đi qua bộ lọc đa tinh thể Be. Ta thấy hầu như toàn bộ nơtrôn với bước sóng λ <> Å đi qua.
Có thể thu được chùm nơtrôn “lạnh hơn” nếu dùng bộ lọc đa tinh thể graphit vì nó chỉ cho các nơtrôn có bước sóng λ ≥ 6,04 Å (En = 1,83 MeV). Nếu dùng bộ lọc bismut ta sẽ được chùm nơtrôn lạnh với λ ≥ 8,00 Å (En = 1,28 MeV).
- Bộ lọc cơ học
Thường được sử dụng trong vùng năng lượng 0,0005 ÷ 0,005 eV.
Cấu tạo đơn giản: nó là một ống trụ đặc làm từ vật liệu hấp thụ mạnh nơtrôn năng lượng thấp (thí dụ như Cd). Có một rãnh xẻ thẳng từ đầu trụ này đến đầu trụ kia. Đường sinh của ống trụ và rãnh này hợp thành một góc bằng ∆φ. Nếu ống trụ có bề dài l và được quay quanh trục của nó với tốc độ góc ω thì thì nó sẽ chỉ cho các nơtrôn với tốc độ v nhất định bay dọc theo rãnh mà không bị hấp thụ:
Thí dụ:
Nếu l = 50 cm, ∆φ = 300, ω = 1000 vòng/phút = 105 độ/sec thì tốc độ nơtrôn v = 100 m/s, En = 0,052 MeV.
- Bộ ngắt cơ học dòng nơtrôn
Bộ ngắt này không những để tạo chùm nơtrôn đơn năng mà còn dùng để ngắt dòng nơtrôn liên tục thành các xung nơtrôn trong những khoảng thời gian ngắn.
Nó là một ống hình trụ làm từ vật liệu hấp thụ mạnh nơtrôn. Trong khe hẹp chạy dọc theo phương của một đường kính người ta xếp các tấm nhôm có cùng bề dày cách nhau bởi một tấm vật liệu hấp thụ nơtrôn. Nếu nơtrôn tới có năng lượng En < 0,2 - 0,3 eV thì vật liệu hấp thụ nơtrôn là Cd, nếu năng lượng nơtrôn cao hơn thì dùng các vật liệu nặng (như thép, Ni). Nếu ống trụ có bán kính R quay quanh trục của nó với tốc độ góc ω thì xung nơtrôn sẽ có độ dài:
Thí dụ:
Nếu d = 1mm, R = 5 cm và ω = 105 độ/sec thì ∆t = 20 s.
Trong các bộ ngắt dùng vật liệu nặng (bền chắc) có thể đạt tốc độ quay lớn hơn, và do đó có thể đạt ∆t <>
NGUỒN NƠTRÔN
§1. Thu Nơtrôn Trong Các Phản ứng Hạt Nhân
Vì nơtrôn có thời gian sống rất ngắn (T1/2 ~ 10 ÷ 11 phút) nên ta không thể thu được nơtrôn trong tự nhiên. Người ta thường thu nơtrôn trong phản ứng hạt nhân (α,n), (p,n), (d,n) và (γ,n) trên các hạt nhân nhẹ vì hai lý do: 1- năng lượng liên kết của nơtrôn trong hạt nhân nhẹ là không cao; 2- rào thế Culông thấp nên hạt tới (p, d, α) có thể xuyên vào nuclon khi năng lượng của chúng thấp. Phản ứng phân hạch (n, f) cho phép thu được nguồn nơtrôn rất mạnh.
1. Các phản ứng hạt nhân (α ,n), (p,n), (d,n) và (γ,n)
- Phản ứng (α ,n)
(A, Z) + ® (A + 3, Z + 2 ) + n + Q (2.1.1)
Q – Năng lượng phản ứng (toả nhiệt nếu Q > 0 và thu nhiệt nếu Q < 0).
Thí dụ :
– 2,790 Mev
+ 5,704 Mev
+ 0,158 Mev
- Phản ứng (d,n)
(A, Z) + d → (A + 1, Z + 1) + n + Q ( d = )
(A, Z) + 2H → (A + 1, Z + 1) + n + Q (2.1.2)
Vì năng lượng liên kết dotrôn nhỏ nên trong các phản ứng bắt detrôn đều tạo nên các hạt nhân hợp phần bị kích thích rất mạnh, thế nên hầu hết các phản ứng (d,n) này đều là toả nhiệt.
Thí dụ :
+ 3,25 Mev
+ 17,588 Mev
+ 15,028 Mev
- 0,282 Mev
- Phản ứng (p,n)
(A, Z) + p → ( A, Z+1) + n +Q (2.1.3)
Tất cả các phản ứng (p,n) trên các hạt nhân bền đều là các phản ứng thu nhiệt (Q<0).
Thí dụ :
– 1,646 Mev
– 0,754 Mev
- Phản ứng (γ,n) ( phản ứng quang rã - quang hạt nhân)
(A, Z) + γ → ( A-1, Z) + n +Q (2.1.4)
Thí dụ :
– 2,225 Mev
– 1,666 Mev
2. Ngưỡng phản ứng
Phản ứng toả nhiệt xảy ra khi hạt tới có năng lượng bất kì. Phản ứng thu nhiệt xảy ra khi năng lượng của hạt tới bằng hoặc lớn hơn một giá trị nhất định nào đó, giá trị năng lượng này được gọi là ngưỡng của phản ứng. Trên cơ sở định luật bảo toàn năng lượng và bảo toàn xung lượng trong phản ứng hạt nhân có thể tìm được biểu thức sau cho năng lượng ngưỡng phản ứng thu nhiệt:
A + a → O → b + B (2.1.5)
(2.1.6)
( trong hệ toạ độ PTN )
T là năng lượng của phản ứng. lớn hơn năng lượng phản ứng một lượng đúng bằng động năng của hạt nhân hợp phần . Trong trường hợp phản ứng quang hạt nhân (γ ,n), » 0 vì thế ngưỡng phản ứng .
3. Năng lượng nơtrôn
Trong trường hợp phản ứng toả nhiệt, giả sử hạt nhân hợp phần đứng yên (v » 0 ) khi phân rã thành nơtrôn và hạt nhân sản phẩm, ta có thể xác định năng lượng nơtrôn bằng biểu thức sau
( ) (2.1.7)
Thí dụ:
Trong phản ứng 3H (d, n) 4He khi Ed » 0 ® En » 14 MeV.
Nếu hạt tới có động năng Ea khá lớn thì năng lượng của nơtrôn sẽ phụ thuộc vào góc bay q của nó so với hướng chuyển động của hạt tới:
(2.1.8)
Công thức này có thể áp dụng cho cả hai loại phản ứng toả nhiệt (Q>0) và thu nhiệt (Q<0).
4. Phản ứng phân hạch (n,f)
Trong phản ứng phân hạch hạt nhân nặng hấp thụ nơtrôn rồi bị phân chia thành vài mảnh (trung bình là 2-3) và làm phát ra 2¸3 nơtrôn. Phần lớn là nơtrôn phát tức thời, một phần rất nhỏ nơtrôn được phát ra sau một khoảng thời gian trễ bởi phân rã của các mảnh khi phân hạch. Năng lượng toả ra trong mỗi phân hạch » 200 MeV. Việc áp dụng phản ứng phân hạch cho phép ta thu được những nguồn nơtrôn rất mạnh. Hầu hết các phản ứng phân hạch đều là phản ứng có ngưỡng, trừ một số hạt nhân nặng có thể bị phân hạch bởi nơtrôn năng lượng bất kỳ, thí dụ: . Nơtrôn được phát ra trong quá trình phân hạch có phổ năng lượng liên tục được mô tả khá tốt bằng công thức sau:
(2.1.9)
(En đo bằng Mev)
§2. Một Số Đặc Trưng Của Nguồn Nơtrôn
1. Cường độ nguồn
Cường độ nguồn là số nơtrôn được nguồn phát ra trong 1 giây. Nếu mỗi biến đổi hạt nhân trong nguồn làm sinh ra ν nơtrôn thì cường độ nguồn Q sẽ được tính là
Q = (số biến đổi hạt nhân trong 1 giây) × ν.
Trong phản ứng phân hạch ν ≈ 2, trong các phản ứng hạt nhân khác thông thường ν ≈1.
Giả sử J0 [cm-2.s-1] là mật độ dòng hạt α (hoặc proton hay dơtron) với năng lượng ban đầu E0 tới đập vào bia có diện tích S [cm2] và chứa N hạt nhân bia trong 1cm3. Do bị mất dần năng lượng bởi va chạm đàn hồi và không đàn hồi với các nguyên tử trong bia, dòng hạt tới đơn năng sau khi xuyên qua bề dày x của bia sẽ trở nên không đơn năng. đồng thời mật độ dòng hạt cũng giảm dần do nhiều hạt đã tham gia vào các phản ứng hạt nhân. Vì thế trong lớp bia có bề dày dx ở độ sâu x mật độ dòng hạt có năng lượng E sẽ là J0f(E,x). Càng vào sâu trong bia (x càng lớn) thì thành phần “cứng” của phổ (thành phần co năng lượng E lớn) càng giảm, còn thành phần “mềm” của phổ càng tăng. Hàm f(E,x) tính tới phân bố theo năng lượng của dòng hạt ra (độ giảm mật độ dày). Như vậy số nơtrôn được sinh ra trong lớp bề dày dx của bia được tính theo công thức sau
(2.2.1)
Cường độ nguồn nơtron được xác định như sau
(2.2.2)
trong đó h là bề dày hữu ích của bia. Giá trị của h không lớn hơn quãng chạy p trong bia của hạt với năng lượng ban đầu E0
(2.2.3)
Đại lượng được gọi là năng suất hãm (năng suất làm chậm) của hạt toả trong bia (bằng độ mất năng lượng của hạt trong môi trường)
Trong thực tế, xác định hàm f(E,x) không phải là việc dễ dàng. Để đánh giá cường độ nguồn đơn giản hoá bằng cách giả thiết là mật độ dòng và phân bố hạt theo năng lượng không thay đổi theo chiều sâu x của bia, và coi ở bề sâu x tất cả các hạt đều có cùng năng lượng ( nghĩa là phổ năng lượng là một hàm delta). Khi đó
(2.2.4)
trong đó ΔE là năng lượng bị mất do va chạm của hạt sau khi đi qua bia dầy h [cm].
Cường đồ nguồn đạt giá trị cực đại khi h = R, tức là khi ΔE = E0. Nhưng trong trường hợp bia dày như vậy các nơtrôn được phát ra sẽ không đơn năng. Muốn có nguồn nơtrôn đơn năng thì ngoài việc dùng chùm hạt tới đơn năng còn phải sử dụng bia mỏng (khi đó và càng nhỏ) thì nguồn càng yếu, nhưng phân bố theo năng lượng của nơtrôn càng hẹp, thông lượng nơtrôn càng trở nên đơn năng.
2. Hiệu suất phản ứng sinh nơtrôn
Hiệu suất phản ứng sinh nơtrôn η là số nơtrôn được sinh ra khi có hạt tới đập vào bia:
(2.2.5)
Có thể đánh giá hiệu suất phản ứng sinh nơtron bằng cách sử dụng giá trị Q*:
(2.2.6)
Nếu tiết diện phản ứng σ ít phụ thuộc vào năng lượng thì
Σ- tiết diện vĩ mô của tương tác hạt nhân.
λ- bề dày trung bình của quãng chạy tự do của hạt tới cho đến khi bị va chạm với hạt nhân.
Trong trường hợp bia mỏng σ (E) » σ (E0): nên
(2.2.7)
§3. Các Nguồn Notron (a, n)
1. Nguồn Ra-Be
Dùng hạt α từ phân rã α của Radi tự nhiên bắn vào bia Be để gây phản ứng hạt nhân:
+ 5,704 Mev (2.3.1)
Nguồn nơtrôn Ra-Be có cường độ cao, đẳng hướng và gần như không đổi theo thời gian vì 226Ra có chu kỳ rã nửa lớn T1/2 = 1620 năm và độ phóng xạ α lớn. Vì thế nguồn Ra-Be thường được dùng làm nguồn chuẩn.
Tuy nhiên nó có nhược điểm lớn là phát bức xạ γ kèm theo khá mạnh nên khó bảo vệ. Trong 1 gam 226Ra xảy ra 3,7.1010 phân rã/s làm sinh ra các hạt α có năng lượng cao Eα = 4,78 MeV (94%) và 4,59 MeV (6%). Các hạt nhân con của nó cũng phân rã α và cho hạt α năng lượng cao (từ 5,5 đến 7,7 MeV). Sau thời gian 1÷2 tháng sẽ xảy ra cân bằng giữa 226Ra với các đồng vị con phân rã sống ngắn (222Rn, 218Po, 214Po) có T1/2 tương ứng là 3,82 ngày, 3,05 phút, 1,6.10-4s). Do đó sau 1 tháng cường độ nguồn Ra-Be đạt tới giá trị hầu như không thay đổi, lớn gấp 4 lần so với ban đầu và bằng (1,2÷1,7).107 n/s cho 1 g 226Ra.
Ngoài ra phản ứng 9Be (γ,n) cũng góp phần làm tăng cường độ nguồn lên vài % ( ). Số lượng tử γ có > chiếm ~ 20%. Phản ứng 9Be (γ,n) làm phát ra các nơtrôn từ 21 ÷ 670 keV.
Nguồn Ra-Be phát ra nơtrôn với phổ năng lượng lớn trong vùng En <13 MeV.En = 3,6 MeV. Khi chế tạo nguồn Ra-Be người ta thường trộn radi và Beli theo tỷ lệ khối lượng 1:5. Bột RaBr2 và Be trộn đều được đặt trong hai lần vỏ bọc kim loại hàn kín.
2. Các nguồn (α ,n) khác
- Nguồn Po-Be
Nơtrôn cũng được sinh ra trong phản ứng 9Be (α ,n) với hạt α lấy từ phân rã của đồng vị 210Po.
210Po có T1/2 = 138,5 ngày phát 100% hạt α với Eα = 5,3 MeV. 210Po là đồng vị bức xạ cuối cùng trong dãy phân rã của . 210Po không phát bức xạ β và γ. Vì vậy nguồn nơtrôn Po-Be có ưu điểm lớn là không có bức xạ γ kèm theo, rất tiện lợi cho việc bảo vệ. Nhược điểm: thời gian sống ngắn. Nguồn Po-Be có thể cho ~ 2,5. 106 n/s cho 1 g 210Po. Nơtrôn có phổ năng lượng liên tục trong khoảng En < 10 MeV với .
- Nguồn Pu-Be
Dùng 239Pu (T1/2 = 24360 năm) cho Eα = 5,15; 5,13 và 5,10 Mev. Nguồn làm bằng hợp kim PuBe3. Cho n/s cho 1 g 239Pu phát kèm theo bức xạ γ mềm. Nhược điểm: khi nguồn nằm trong trường nơtrôn cường độ nguồn thay đổi do phân hạch của 239Pu.
§4. Các Nguồn Nơtrôn (g,n)
Các phản ứng (γ,n) dùng bức xạ γ đơn sắc làm cho nguồn nơtrôn gần như đơn năng. Vì bức xạ γ của các đồng vị phóng xạ tự nhiên có Eγ ít khi vượt quá 3 MeV nên chỉ thực hiện được phản ứng (γ ,n) trên hai hạt nhân bia là (Q = -1,665 MeV) và (Q = 2,225 MeV). Nhược điểm của các nguồn nơtrôn (γ ,n) là hiệu suất thấp, các nguồn bức xạ γ thường có thời gian sống ngắn, đòi hỏi các biện pháp bảo vệ chặt chẽ đối với bức xạ γ.
Trong mục §1.2 của chương này, khi xét về ngưỡng phản ứng, Ts, đã biết phản ứng (γ ,n) có ngưỡng
(2.4.1)
Nơtrôn được phát ra trong phản ứng có năng lượng phụ thuộc vào góc bay ra của nơtrôn
(2.4.2)
trong đó dấu + ứng với khi nơtrôn có góc bay ra θ = 0˚ so với hướng tới của lượng tử γ và dấu – ứng với khi θ = 180˚.
Nơtrôn có thể bay ra dưới các góc θ khác nhau nên năng lượng En có thể nằm trong khoảng từ En với θ =180˚ ÷ En với θ = s˚. Như vậy không chỉ khi dùng bức xạ γ đơn năng, năng lượng En nằm trong một dải có bề rộng .
Thí dụ:
Với Eγ (24Na) = 2,757 MeV, nơtrôn sinh ra trong phản ứng d (γ ,n) có En = 265 ± 33 keV, còn trong phản ứng 9Be(γ ,n) thì En = 969 ± 5 keV.
- Nguồn nơtrôn Sb-Be
Dùng bức xạ γ của đồng vị 124Sb có Eγ = 1,692 MeV và T1/2 = 60,5 ngày có thể cho 107 n/s cho 1Ci phóng xạ γ với Eγ = 1,692 MeV với năng lượng En = 24 ± 2,2 keV.
Cấu tạo: hình bên.
- Nguồn (γ ,n) Ra-Be
ta đã biết khi xét nguồn (γ ,n) Ra-Be.
Bảng 2.1. Một số nguồn bức xạ γ có thể sử dụng để làm nguồn (γ ,n)
T1/2
Eg
Bia
Hiệu suất
24Na
15,0 h
2,757 MeV
Be
830 keV
2.103
56Mn
2,57 h
1,7¸2,8 MeV
Be
D2O
150¸300keV
3.10-4
3.10-5
88Y
104 ngày
1,8¸2,8 MeV
Be
D2O
160¸960 keV
260 keV
1.10-3
3.10-5
116In
54 phút
2,0 MeV
Be
300 keV
8.10-5
….
….
….
…
…
…
- Dùng bức xạ hãm của máy gia tốc electron.
Trong các máy gia tốc tuyến tính hiện đại có thể thu được dòng electron mạnh với năng lượng Ee = 50 ÷ 200 MeV. Các electron này đập vào bia sẽ làm phát ra bức xạ hãm có cường độ lớn và có phổ năng lượng liên tục cho tới giá trị hν = Ee. Vì phần lớn các lượng tử của bức xạ hãm có năng lượng lớn hơn năng lượng liên kết của nơtrôn trong các hạt nhân của bia nên có thể thu được nơtrôn từ phản ứng (γ,n) của bức xạ hãm với các hạt nhân của bia. Năng lượng của electron tới bia càng lớn thì hiệu suất phản ứng (γ ,n) càng cao. Hình bên cho thấy sự phụ thuộc của hiệu suất phản ứng vào năng lượng Ee của electron khi bia là Uran.
Máy gia tốc tuyến tính electron làm việc trong chế độ xung vì vậy ta sẽ thu được nguồn nơtrôn xung. Thí dụ: Máy gia tốc LUZ-40 ở Đúpna cho Ee = 40 MeV, và cho phép nhân cường độ xung hạt nhân đến 200 lần so với trường hợp không có LUZ-40.
§5. Nguồn Nơtrôn (p, n) và (d, n)
Muốn tạo nguồn nơtrôn bằng phản ứng (p,n) hoặc (d,n) người ta phải sử dụng các máy gia tốc. Có thể thu được nơtrôn đơn năng từ phản ứng (p,n) và (d,n) bằng cách sử dụng máy gia tốc tĩnh điện vandegaaf hoặc máy gia tốc xikelectron. Phản ứng (d,n) có hiệu suất cao đối với nơtrôn năng lượng thấp Ed < 1 MeV, dùng bia D, Li, T, Be. Nhờ các máy gia tốc năng lượng thấp cho dòng lớn có thể tạo được các nguồn nơtrôn mạnh làm việc theo chế độ xung hoặc liên tục.
Sự phụ thuộc của năng lượng nơtrôn En vào góc bay ra θ của nó đóng vai trò quan trọng trong các phản ứng (p,n) và (d,n). ta đã biết tới mối liên hệ En(θ) khi xét mục §1.3. về năng lượng nơtrôn.
Khi hạt tới có năng lượng bằng ngưỡng phản ứng ( ) thì nơtrôn được phát ra có năng lượng bằng 0 trong hệ toạ độ tâm quán tính, còn trong hệ toạ độ phòng thí nghiệm nơtrôn có tốc độ bằng tốc độ của tâm khối lượng. Khi hạt tới có năng lượng lớn hơn ngưỡng phản ứng nơtrôn sẽ phát ra ở phía trong hình nón với góc mở θ được xác định bằng biểu thức sau:
(2.5.1)
Đáng chú ý là các nơtrôn bay ở phía trong hình nón này có năng lượng thuộc hai nhóm khác nhau ứng với dấu + và - trong công thức xác định năng lượng En ở trên. Nếu tiếp tục tăng năng lượng của hạt tới thì góc mở θ cũng sẽ rộng hơn, lúc này năng lượng En của một nhóm nơtrôn sẽ tăng lên còn của nhóm kia lại giảm xuống. Năng lượng En giảm xuống bằng 0 khi năng lượng hạt tới tăng đến giá trị , khi đó góc mở θ = 90˚, tức là tất cả các nơtrôn được phát ra đều bay về phía trước.
Nếu tiếp tục tăng năng lượng hạt tới E > E’ thì nơtrôn sẽ được phát ra theo mọi hướng và chỉ còn lại một nhóm năng lượng duy nhất ứng với dấu + trong công thức xác định En. như vậy giá trị E’ là năng lượng giới hạn để thu nơtrôn đơn năng. Hình dưới cho thấy tương quan giữa năng lượng hạt tới E, năng lượng nơtrôn En và góc bay ra θ trong trường hợp phản ứng 7Li(p, n)7Be.
Có thể xảy ra phản ứng :
- 2076 MeV (2.5.2)
+ 430 keV
làm xuất hiện thêm một nhóm nơtrôn với năng lượng thấp hơn (E’n = 650 keV với Ep = 2,378 MeV và θ = 0˚). Nhóm này có cường độ ≈ 10% của nhóm chính khi Ep = 5 MeV. Khi E > E’: En giảm dần khi góc bay θ tăng lên. ứng với mỗi góc bay θ nhất định, độ đơn năng của nơtrôn được quyết định bởi độ đơn năng của dòng hạt tới.
Bia càng mỏng càng góp phần làm tăng độ đơn năng của nơtrôn. để thu nơtrôn còn có thể sử dụng các phản ứng (p,n) khác như :
- 0,764 MeV (2.5.3)
- 2,84 MeV (2.5.4)
- 1,536 MeV (2.5.5)
Hiệu suất của 2 phản ứng sau là thấp
- Các nguồn (d,n)
Các nguồn (d,n) trên cơ sở phản ứng của dơtron với các hạt nhân bia dơtơri và triti thường dùng để thu nơtrôn đơn năng năng lượng cao. Phản ứng
+ 3,265 MeV (2.5.6)
thường được dùng để thu nơtrôn năng lượng En trong khoảng En ~ 2 – 10 MeV. Còn phản ứng
+ 17,588 MeV (2.5.7)
để thu nơtrôn với En ~ 12 – 20 MeV. Trong phản ứng này Q > 0 nên trong công thức xác định năng lượng nơtrôn En chỉ lấy dấu + ở trước căn
(2.5.8)
Thường dùng các bia khí hoặc bia mỏng T-Ti hay D-Zn. Người ta chế tạo các bia này như sau: bốc màng mỏng Ti hoặc Zn lên lớp đế làm bằng đồng, bạc hoặc vônfram; sau khi được làm sạch khỏi khí, lớp màng mỏng được cho hấp phụ khí Triti hoặc dơtơri đến bão hoà bằng cách làm lạnh từ từ trong các khí đó. Bằng phương pháp này có thể hấp phụ được 1,5 nguyên tử T hoặc D trên một nguyên tử Ti hoặc Zn. Các bia này có hiệu suất rất cao và nếu được làm lạnh tốt trong quá trình làm việc thì có thể chịu được các dòng ion mạnh. Các bia dơtơri mỏng có thể làm từ nước đá nặng bằng cách làm ngưng tụ hơi nước nặng trên lớp đế được làm lạnh bằng không khí lỏng. Hình dưới đây cho thấy sự phụ thuộc của hiệu suất phản ứng (d,n) trên các bia khác nhau.
Đôi khi người ta còn dùng bia 7Li. Các phản ứng nay cũng có hiệu suất cao, nhưng bia Li khó làm được chắc chắn.
§6. Thu Nơtrôn Trong Lò Phản ứng Hạt Nhân
1. Lò phản ứng hạt nhân-nguồn bức xạ nơtrôn và gamma rất mạnh
Người ta gây phản ứng phân hạch dây chuyền trong lò phản ứng hạt nhân để tạo nguồn nơtrôn cường độ mạnh. Thí dụ: một lò phản ứng nghiên cứu thông thườngvới công suất nhiệt 10 Mw phát ra ≈ 7.1017n/s. Trong 1 phân hạch phát ra 200 MeV.
Người ta thường phân loại lò phản ứng hạt nhân theo mấy cách sau đây:
1- Theo năng lượng của nơtrôn gây phản ứng phân hạch (lò phản ứng nơtrôn nhiệt; lò phản ứng nơtrôn nhanh).
2- Theo vật liệu làm chậm nơtrôn (lò nước nặng; lò nước nhẹ; lò grafit …).
3- Theo chế độ làm việc (lò dừng; lò xung).
4- Theo mục đích sử dụng (lò năng lượng; lò nghiên cứu).
Thành phần quan trọng nhất của tất cả các loại lò phản ứng hạt nhân là vùng hoạt tính. Vùng hoạt tính là nơi xảy ra phản ứng phân hạch dây chuyền làm phát ra nơtrôn nhờ có chất phân hạch (nhiên liệu hạt nhân) và chất làm chậm (nếu cần) được bố trí một cách hợp lý.
Trong các lò phản ứng nghiên cứu, nơtrôn được dẫn ra khỏi vùng hoạt tính nhờ những kênh đặc biệt làm bằng các ống nhôm rỗng hình trụ. Tuỳ theo mục đích sử dụng, người ta đặt kênh ở các vị trí khác nhau và có thể đặt thêm các bộ phận cần thiết vào trong kênh (thí dụ: để làm chậm nơtrôn, để nhiệt hoá nơtrôn, để lọc lấy nơtrôn năng lượng cần thiết …).
Lò phản ứng hạt nhân là nguồn bức xạ nơtrôn và gamma rất mạnh (mỗi phân hạch làm phát ra ~ 2,5 nơtrôn và 10 lượng tử γ). Cả hai loại bức xạ này đều có độ xuyên sâu rất lớn nên lò phản ứng hạt nhân còn bao gồm cả lớp bảo vệ (nước, bê tông). Xung quanh lò là một vùng được rào chắn và kiểm tra nghiêm ngặt để bảo đảm an toàn phóng xạ.
2. Một số đặc trưng của trường bức xạ nơtrôn
Trường bức xạ nơtrôn trong lò phản ứng hạt nhân thường được đặc trưng bằng mật độ thông lượng nơtrôn Φ, được định nghĩa là số hạt nơtrôn xuyên qua mặt cầu tiết diện πR2 = 1 cm2 trong thời gian 1 giây.
Nơtrôn trong lò phản ứng có phân bố theo năng lượng Φ(En) trải rộng từ En ~ 0,001 eV đến En ~ 10 MeV. Đại lượng Φ(En) chính là mật độ thông lượng nơtrôn với năng lượng trong khoảng En. Người ta thường chia dải năng lượng của nơtrôn thành ba vùng như sau:
a. En > 0,5 MeV: vùng nơtrôn nhanh.
Trong vùng năng lượng này phân bố??? Gần trùng với phổ nơtrôn ph ~ ???? trong đó En đo bằng MeV.
b. 0,2eV < En < 0,5MeV: vùng nơtrôn cộng hưởng.
Trong vùng này phổ được xác định chủ yếu là bởi nơtrôn bị làm chậm do va chạm đàn hồi với các hạt nhân của chất làm chậm. Mật độ thông lượng ít phụ thuộc vào năng lượng, có thể coi là không đổi.
c. En < 0,2eV: vùng nơtrôn nhiệt.
Các nơtrôn nhiệt ở trạng thái cân bằng nhiệt động học với chuyển động nhiệt của các nguyên tử chất làm chậm – Vì thế phân bố theo năng lượng của chúng hầu như trùng với phân bố Maxwellvới nhiệt độ của “ khí nơtrôn” cao hơn một chút so với nhiệt độ chất làm chậm.
Các phổ thực của nơtrôn trong lò phản ứng có thể khác nhiều so với ba phổ đơn giản này. Tuy vậy việc chia giải nơtrôn trong lò phản ứng thành ba vùng như trên thường giúp chúng ta định hướng tốt. Đóng góp của từng thành phần phổ nơtrôn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: kích thước lò phản ứng, loại lò, công suất lò…
3. Một số đặc trưng thu nơtrôn trong lò phản ứng
Các thành phần phổ nơtrôn luôn tồn tại đồng thời trong lò phản ứng. Đây là khó khăn cơ bản đối với việc thu nơtrôn bằng các kênh dẫn. Để làm yếu các thành phần khác nhau của phổ nơtrôn, người ta sử dụng các phương pháp khác nhau. Thí dụ: muốn giảm cường độ nhóm nơtrôn nhiệt người ta thường sử dụng các bộ lọc bằng cadmi hoặc borum, để làm yếu nhóm nơtrôn trên nhiệt và nơtrôn nhanh dùng các chất làm chậm, muốn làm yếu cường độ nhóm nơtrôn nhanh có thể dùng kênh tiếp tuyến, còn muốn giảm cường độ bức xạ γ thì dùng các bộ lọc bằng chì hoặc bismus (Bi).
Biện pháp hiệu quả nhất để làm yếu bức xạ γ là dùng một kênh cắt ngang kênh khác. Tại điểm cắt của hai kênh đặt một bia tán xạ nơtrôn (thí dụ H2O, D2O, graphit). Bức xạ γ chỉ tương tác yếu với bia nên hầu như toàn bộ bức xạ γ vẫn truyền thẳng theo kênh cũ trong khi đó nơtrôn sau khi tán xạ trên bia sẽ bay theo kênh mới (kênh cắt ngang). Do đó tỷ số giữa cường độ bức xạ nơtrôn và bức xạ γ trong kênh này sẽ lớn hơn rất nhiều so với kênh ban đầu kia.
Việc dẫn nơtrôn ra khỏi lò, bảo vệ bức xạ nơtrôn và tối ưu hoá trường bức xạ nơtrôn thu từ các lò phản ứng nghiên cứu là những vấn đề quan trọng và phức tạp.
Cột nhiệt là bộ phận thu nơtrôn nhiệt trong lò phản ứng nghiên cứu. Cột nhiệt là một lăng kính bằng graphit (than) với độ tinh khiết cao, trải dài từ mặt bên của vùng hoạt tính đến mặt ngoài của lớp bảo vệ lò. Các nơtrôn bị dò ra từ vùng hoạt tính của lò sẽ bị làm chậm hoàn toàn nhưng không bị hấp thụ trong cột graphit này. bằng cách đó người ta tạo được chùm nơtrôn nhiệt khá “sạch” (về năng lượng). Nhờ có các kênh xuyên cột nhiệt người ta có thể thu được các chùm nơtrôn nhiệt.
Muốn tạo được các chùm nơtrôn đơn năng từ lò phản ứng người ta phải sử dụng một số thiết bị phụ trợ khác (như phổ kế tinh thể, bộ lọc tinh thể, bộ lọc cơ học…).
- Phổ kế tinh thể:
Thường được sử dụng để tạo các chùm nơtrôn đơn năng trong vùng năng lượng En ~ 0,01 ÷ 10 eV. Nguyên tắc làm việc của phổ kế tinh thể dựa trên cơ sở định luật Bragg về tán xạ nơtrôn trên các mặt phẳng tinh thể. Thường dùng bậc phản xạ đầu tiên của các nơtrôn trên các tinh thể Be (mặt tinh thể 1231), NaCl (240, d = 1,26 Å), C (111, d = 2,08 Å), LiF (111, d = 2,32 Å).
Độ phân giải năng lượng được tính theo
- Bộ lọc tinh thể
Có nguyên tắc hoạt động dựa trên cơ sở định luât Bragg về tán xạ nơtrôn năng lượng thấp trên đa tinh thể. Thường dùng để lọc nơtrôn lạnh (cho nơtrôn lạnh đi qua).
Hình bên cho thấy phổ năng lượng sau khi đi qua bộ lọc đa tinh thể Be. Ta thấy hầu như toàn bộ nơtrôn với bước sóng λ <> Å đi qua.
Có thể thu được chùm nơtrôn “lạnh hơn” nếu dùng bộ lọc đa tinh thể graphit vì nó chỉ cho các nơtrôn có bước sóng λ ≥ 6,04 Å (En = 1,83 MeV). Nếu dùng bộ lọc bismut ta sẽ được chùm nơtrôn lạnh với λ ≥ 8,00 Å (En = 1,28 MeV).
- Bộ lọc cơ học
Thường được sử dụng trong vùng năng lượng 0,0005 ÷ 0,005 eV.
Cấu tạo đơn giản: nó là một ống trụ đặc làm từ vật liệu hấp thụ mạnh nơtrôn năng lượng thấp (thí dụ như Cd). Có một rãnh xẻ thẳng từ đầu trụ này đến đầu trụ kia. Đường sinh của ống trụ và rãnh này hợp thành một góc bằng ∆φ. Nếu ống trụ có bề dài l và được quay quanh trục của nó với tốc độ góc ω thì thì nó sẽ chỉ cho các nơtrôn với tốc độ v nhất định bay dọc theo rãnh mà không bị hấp thụ:
Thí dụ:
Nếu l = 50 cm, ∆φ = 300, ω = 1000 vòng/phút = 105 độ/sec thì tốc độ nơtrôn v = 100 m/s, En = 0,052 MeV.
- Bộ ngắt cơ học dòng nơtrôn
Bộ ngắt này không những để tạo chùm nơtrôn đơn năng mà còn dùng để ngắt dòng nơtrôn liên tục thành các xung nơtrôn trong những khoảng thời gian ngắn.
Nó là một ống hình trụ làm từ vật liệu hấp thụ mạnh nơtrôn. Trong khe hẹp chạy dọc theo phương của một đường kính người ta xếp các tấm nhôm có cùng bề dày cách nhau bởi một tấm vật liệu hấp thụ nơtrôn. Nếu nơtrôn tới có năng lượng En < 0,2 - 0,3 eV thì vật liệu hấp thụ nơtrôn là Cd, nếu năng lượng nơtrôn cao hơn thì dùng các vật liệu nặng (như thép, Ni). Nếu ống trụ có bán kính R quay quanh trục của nó với tốc độ góc ω thì xung nơtrôn sẽ có độ dài:
Thí dụ:
Nếu d = 1mm, R = 5 cm và ω = 105 độ/sec thì ∆t = 20 s.
Trong các bộ ngắt dùng vật liệu nặng (bền chắc) có thể đạt tốc độ quay lớn hơn, và do đó có thể đạt ∆t <>
posted by Max Plank at 6:14 PM
0 comments
