Luận văn Nghiên cứu phản ứng hạt nhân 108pd (n, γ) 109pd gây bởi nơtron nhiệt

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 [13, tr3]: 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. Nơtron tới bị bắt và hình thành hạt nhân hợp phần. Do khối lượng của hạt nhân hợp phần này nhỏ hơn tổng khối lượng của các hạt nhân ban đầu và hạt tới nên photon hay còn gọi là tia gamma tức thời được phát ra với năng lượng chính bằng tổng năng lượng liên kết của nơtron với động năng của nơtron tới. Đây chính là hiện tượng bắt nơtron. 3. Nơtron tới bị bắt và các hạt sơ cấp khác được phát rađó là các phản ứng như (n,p), (n,α), (n,n’), (n,2n) Phản ứng bắt nơtron 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, tr2]: E*= En + ∆E (1.40) trong đó: E* : Năng lượng kích thích của hạt nhân hợp phần, En : Động năng nơtron tới, ∆E : Năng lượng liên kết của nơtron với hạt nhân bia Hạt nhân hợp phần có thể phát ra một hoặc vài tia gamma có năng lượng cao (~7-8 MeV) để trở về trạng thái cơ bản như được mô tả trên hình 1.5. 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 1.5. Sơ đồ phân rã hạt nhân của phản ứng bắt nơtron 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/cm3, mỗi hạt có diện tích hiệu dụng là [13, tr4]: σ=πRA2 (cm2) (1.41) Một chùm nơtron có thông lượng 𝜙(neutrons, cm-2.s-1) bắn phá vào hạt nhân thì số va chạm có thể xảy ra là: Số va chạm/cm3/s=𝜙σN(cm-3.s-1) (1.42) 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 (1.42) chỉ ra rằng số va chạm tỷ lệ với thông lượng và số hạt nhân bia trong 1cm3. Hằng số tỷ lệ (s) chính là tiết diện của phản ứng hạt nhân. Từ đây suy ra: σcol(cm2)=số va chạm (cm-3.s-1)ϕcm-2s-1.N(cm-3) (1.43) Tiết diện phản ứng hạt nhân có đơn vị là diện tích (cm2), có thứ nguyên là barn (b) và 1b=10-24cm2. 1.4.2. Tiết diện bắt nơtron nhiệt Nơtron nhiệt có vận tốc v0 trong phân bố Maxwellian tại nhiệt độ 200C là 2200 m/s hay có năng lượng là 0.025 eV. a. Tiết diện phản ứng Thực nghiệm cho thấy, đối với Z < 88 thì tất cả các phản ứng xảy ra với tiết diện σ(n,γ) (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 σ0 tương ứng với vận tốc v0 trong điều kiện σ(v)~1/v. 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 [13]. Tiết diện hấp thụ, σabs 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 σT - σs, 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 σact, chủ yếu đối với nơtron nhiệt là σ(n,γ), hoặc là σ(n,p), σ(n,α), σ(n f)được xác định thông qua hoạt độ phóng xạ của hạt nhân sản phẩm. Trong phương pháp kích hoạt, từ giá trị của σact 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 (σcoh), tiết diện nguyên tử tự do (σfa), tiết diện tán xạ trung bình (σs), tiết diện tán xạ vi phân (dσ/dΩ) đối với tán xạ ở 1 góc khối cho trước(φ, θ) [13]. c. Tiết diện toàn phần σT Tiết diện toàn phần bao gồm cả tiết diện tán xạ và tiết diện hấp thụ [13,3,4]: σT= σabs+σs (1.44) 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 σact = σabs (1.45) Trong trường hợp nguyên tố có nhiều đồng vị thì σabs không được xác định bởi các đồng vị tự nhiên riêng lẻ mà tuân theo công thức sau [31]: (1.46) Với θ là độ phổ cập đồng vị. Nếu nơtron bị bắt bởi các đồng vị bền thì σact < σabs (1.47) Nơtron nhiệt thường bị hấp thụ hoàn toàn bởi 113Cd, hình thành 114Cd trơ từ phản ứng (n,γ). Vì thế mà σact < σabs (1.48) d. Tiết diện vĩ mô Σ 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 [13,3,4]: Σ=σN=σρNAA (1.49) trong đó: ρ là mật độ khối lượng (g.cm-3) A là số khối của nguyên tử NA là số Avogadro N là số nguyên tử trên cm3 Σ 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: Σ= ΣiσiNi (1.50) e. Các thông số cộng hưởng 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 σ phụ thuộc vào năng lượng và hiện tượng cộng hưởng có thể xảy ra tại một giá trị năng lượng nhất định. Số liệu cho trong các bảng bao gồm: Năng lượng cộng hưởng E0(Eγ,Tγ), độ rộng mức toàn phần Г và các độ rộng mức Гα, Гβ, Гγ, Гn, Гf... Đối với các hạt nhân nặng, cộng hưởng hầu như là từ phản ứng (n,γ). Tuy nhiên đối với các hạt nhân nhẹ, cộng hưởng chủ yếu là do tán xạ và đôi khi là từ phản ứng (n,α) hoặc (n,p). f. Tiết diện bắt nơtron nhiệt Tiết diện bắt nơtron thường được chia làm 3 vùng (hình 1.6): 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/v trong đó v 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: (1.51) trong đó E là năng lượng nơtron, Er là năng lượng cộng hưởng, ln là bước sóng của nơtron, Gn , Gg là độ rộng riêng phần đối với nơtron và bức xạ gamma, G = Gn +Gg; l là bước sóng của nơtron: λ=ℏp=4.5×10-13Encm, trong đó En 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 có năng lượng 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 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 định 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 (1.51). 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 1.6. Sự phụ thuộc của tiết diện bắt nơtron vào năng lượng CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN BẮT NƠTRON NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG 108Pd(n,g)109Pd 2.1. Nguồn nơtron xung trên máy gia tốc electron tuyến tính năng lượng 100 MeV Nơtron được sử dụng trong nghiên cứu này được tạo ra trên máy gia tốc electron tuyến tính (linac) phát ra theo chế độ xung và được nhiệt hóa bằng nước. Nguyên tắc tạo ra chùm nơtron từ các máy gia tốc điện tử như sau: trước hết, chùm electron đã được gia tốc bắn vào một bia kim loại nặng hay còn gọi là bia hãm được làm bằng Ta hoặc W có nhiệt độ nóng chảy cao để tạo ra bức xạ hãm. Sau khi được sinh ra, bức xạ hãm gây phản ứng quang hạt nhân (g,xn) với chính các hạt nhân bia để phát ra nơtron. Các phản ứng quang hạt nhân là phản ứng ngưỡng, vì vậy chỉ những photon có năng lượng lớn hơn hơn ngưỡng mới có thể gây ra phản ứng. Đối với các hạt nhân nặng, phản ứng (g,n) đóng vai trò chính trong vùng cộng hưởng khổng lồ. Phần lớn các nơtron sinh ra theo cơ chế bay hơi, có năng lượng thấp và phân bố gần như đẳng hướng. Một tỷ lệ nhỏ và trong đó chủ yếu là các nơtron năng lượng cao được tạo ra do tương tác trực tiếp của electron và photon với các hạt nhân của bia hãm. Tiết diện tương tác của electron với hạt nhân nhỏ hơn 1/137 lần so với tương tác của photon với hạt nhân nên chỉ đóng vai trò thứ yếu. Các photon hãm trực tiếp gây phản ứng quang hạt nhân với các hạt nhân của bia hãm hoặc các hạt nhân của bia thứ cấp được đặt phía sau bia hãm sinh ra nơtron. Các vật liệu nặng, số Z lớn có năng lượng liên kết nơtron thấp và mật độ cao nên cho suất lượng phát nơtron lớn. Riêng trường hợp của Be và D, mặc dù số Z nhỏ nhưng năng lượng liên kết nơtron của chúng thấp một cách bất thường và năng lượng ngưỡng của các phản ứng (g,n) thấp (1,67 MeV đối với Be và 2,22 MeV đối với D), nên cũng thường được sử dụng làm bia để tạo ra nguồn quang nơtron. Năng lượng của nơtron sinh ra từ các phản ứng quang hạt nhân (quang nơtron) phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng của bức xạ hãm và số khối của hạt nhân bia. F. Jallu đã đưa ra biểu thức tính gần đúng năng lượng của nơtron (En) đối với các electron có động năng trong khoảng từ 5 ¸ 25 MeV như sau [16]: (2.1) Trong đó: k là năng lượng của photon (MeV), A là số khối của bia, Es(g,n) là năng lượng ngưỡng của phản ứng (MeV), q là góc phát xạ của các nơtron so với trục của chùm electron (độ). Từ biểu thức 2.1 ta thấy năng lượng của nơtron thay đổi chậm theo góc phát xạ, đặc biệt là với các nguyên tố nặng. Suất lượng phát nơtron (n/s) có thể biểu diễn bằng công thức 2.2 dưới đây [16]: (2.2) Trong đó M, r, và t là khối lượng nguyên tử, mật độ và bề dày của bia, N0 là số Avogadro, fe là thông lượng chùm electron tới (electron/s), sT là tiết diện toàn phần bao gồm tổng tiết diện của tất cả các quá trình dẫn tới phát xạ nơtron. Nguồn nơtron xung sử dụng trong nghiên cứu này được tạo ra trên máy gia tốc electron tuyến tính có năng lượng cực đại 100 MeV đặt tại Trung tâm gia tốc Pohang, Hàn Quốc . Nguyên lý chung của máy gia tốc electron tuyến tính là các electron được gia tốc bởi điện trường tần số cao đặt tại các trạm trên ống gia tốc. Độ dài của các phần ống gia tốc liên tiếp được điều chỉnh tăng dần theo tốc độ của hạt và đảm bảo sự phù hợp giữa pha của sóng điện từ và tốc độ hạt. Các electron được tạo ra dưới dạng xung từ các súng bắn điện tử (RF-gun). Pha của các tín hiệu ở mỗi trạm được điều chỉnh sao cho các electron có thể liên tục nhận được năng lượng từ sóng chuyển động và nó đạt tới vị trí đỉnh của sóng ở điểm cuối của những ống dẫn sóng, như vậy các electron liên tục được gia tốc. Việc hội tụ dòng electron được thực hiện bởi từ trường được tạo ra từ các nam châm điện bên ngoài ống dẫn sóng. Các electron chuyển động theo một đường thẳng. Máy gia tốc electron tuyến tính 100 MeV tại Trung tâm Gia tốc Pohang, Hàn quốc (xem hình 2.1), có sơ đồ nguyên lý cấu tạo như trên hình 2.2. Hình 2.1. Máy gia tốc electron tuyến tính 100 MeV tại Pohang, Hàn Quốc 1 2 4 6 5 3 7 8 9 3 Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính 100 MeV 1: Nguồn phát electron; 6: Bộ ba nam châm tứ cực ; 2: Nam châm alpha; 7: Nam châm phân tích dòng; 3: Cặp đôi nam châm tứ cực ; 8: Nam châm điều tiêu; 4: Ống gia tốc thứ nhất; 9: Bia Ta. 5: Ống gia tốc thứ hai; Các bộ phận chính của máy gia tốc bao gồm: nguồn phát electron (RF-gun), một nam châm alpha, hai cặp nam châm tứ cực (quadrupole doublet), hai đoạn ống gia tốc, một bộ ba nam châm tứ cực (quadrupole triplet), một nam châm phân tích dòng (beam analyzing magnet), một nam châm điều tiêu (focusing magnet), một bộ phát sóng cao tần và cung cấp năng lượng (klytron) Toàn bộ máy gia tốc dài 15 mét. Máy gia tốc electron tuyến tính 100 MeV tại trung tâm gia tốc Pohang có thể gia tốc chùm electron năng lượng từ 40 MeV tới 100 MeV, với dòng electron 100 mA, độ rộng xung 1¸ 4 ms, tần số của xung 10¸15 Hz. Bán kính của chùm electron tại vị trí monito dòng trước bia là 20 mm. Bia hãm chùm electron đồng thời cũng là bia để tạo ra chùm nơtron là Ta kim loại, bao gồm 10 tấm Ta có đường kính 4.9 cm, dày 7.4 cm, giữa các tấm Ta là lớp nước dày 0.15 cm. Bia Ta được bọc trong ống làm bằng Titanium. Theo các tính toán bằng phương pháp Monte-Carlo với chương trình EGS4, ở chế độ làm việc với năng lượng electron 40 MeV, dòng 40 mA, suất lượng nơtron đạt được là 2´1012 n.sec-1.kW-1. Cơ chế sinh ra nơtron trên máy gia tốc electron tuyến tính có thể tóm tắt như sau: Khi chùm electron xung đã được gia tốc bắn vào bia Ta nó sẽ bị mất năng lượng do hai quá trình chính là ion hóa do va chạm và phát bức xạ hãm. Sự phát bức xạ hãm là kết quả của quá trình tương tác giữa chùm electron với trường Coulomb của các hạt nhân bia. Các photon hãm được sinh ra lại trực tiếp tương tác với các hạt nhân của bia Ta để gây ra phản ứng quang hạt nhân (g,xn) và sinh ra nơtron xung. Để nhiệt hóa nơtron, bia Ta được đặt ở chính giữa một bể nước hình trụ, chứa nước tinh khiết, được làm bằng nhôm (Al) có bề dầy 0.5 cm, đường kính 30 cm và cao 30 cm (hình 2.3) [20, tr8]. Hình 2.3.Cấu tạo của bia Ta và hệ làm chậm nơtron Các nghiên cứu chi tiết về nguồn nơtron xung trên máy gia tốc electron cho biết nơtron được sinh ra từ phản ứng quang hạt (γ,xn) có tiết diện lớn nhất trong vùng năng lượng cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ, từ 7 MeV tới 20 MeV. Phần lớn nơtron được sinh ra trong vùng năng lượng này diễn ra theo cơ chế bay hơi và chỉ một phần nhỏ là theo cơ chế phản ứng trực tiếp, chủ yếu xảy ra với các photon năng lượng cao hơn. Nơtron được sinh ra theo cơ chế bay hơi có dạng phân bố Maxellian: N(E) = Eτ2 exp (-Eτ) Trong đó τ là nhiệt độ hạt nhân. Phổ năng lượng nơtron được sinh ra ở bện trong của bia Ta (như đã mô tả trên hình 2.3) khi có và không có nước làm mát đã được nghiên cứu và kết quả được chỉ ra trên hình 2.4. Từ hình 2.4 nhận thấy nơtron năng lượng cao đã được làm chậm bằng nước làm mát ở ngay bên trong của bia Ta. Do đó, phổ nơtron của bia Ta được làm mát bằng nước dịch chuyển về vùng năng lượng thấp so với trường hợp không làm mát bằng nước. Nghiên cứu thực nghiệm cho biết thông lượng nơtron nhiệt đo tại bề mặt bể nước làm chậm đạt giá trị cực đại ở mực nước cao 5 cm tính từ bề mặt của bia Ta. Trong nghiên cứu này nơtron cũng được nhiệt hóa với bề dày nước 5 cm. Hình 2.4. Phân bố năng lượng nơtron đối với bia Ta có và không đượclàm mát bằng nước, và so sánh với phân bố Maxwellian tại nhiệt độ hạt nhân τ = 0.45 MeV  2.2. Thí nghiệm xác định tiết diện phản ứng 108Pd(n,g)109Pd 2.2.1. Chuẩn bị mẫu nghiên cứu Để tiến hành nghiên cứu thực hiện xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân 108Pd(n,g)109Pd cần sử dụng 3 loại mẫu, bao gồm: mẫu nghiên cứu (Pd), mẫu chuẩn (Au), và mẫu dùng để xác định thông lượng của nơtron tại các vị trí chiếu mẫu và mẫu chuẩn hay còn gọi là monito thông lượng nơtron (In). Trong nghiên cứu phản ứng hạt nhân sử dụng phương pháp kích hoạt phóng xạ thì chất lượng của các mẫu thực nghiệm liên quan tới độ tinh khiết (độ sạch), độ chính xác của hàm lượng nguyên tố hoặc đồng vị, kích thước và trạng thái mẫu có vị trí rất quan trọng. Chất lượng của mẫu và mẫu chuẩn ảnh hưởng trực tiếp tới kết quả đo hoạt độ phóng xạ, chất lượng của monito ảnh hưởng trực tiếp tới việc xác định thông lượng của nơtron và những yếu tố này có liên quan trực tiếp tới kết quả xác định tiết diện của phản ứng hạt nhân 108Pd(n,g)109Pd. Trong nghiên cứu này cả 3 loại mẫu 108Pd, 197Au, và 115In đều ở dạng lá kim loại, có độ sạch và hàm lượng đồng vị cao. Các mẫu được chế tạo có kích thước/đường kính, độ dày, khối lượng và độ tinh khiết được liệt kê trong bảng 2.1. Bảng 2.1. Đặc trưng của các mẫu Pd, Au và In Mẫu Kích thước/ đường kính mẫu Bề dày (mm) Khối lượng (g) Độ tinh khiết (%) Pd1 17´17 mm2 0.05 0.1653 99.9 Pd2 17´17 mm2 0.05 0.1669 99.9 Au11 17´17 mm2 0.03 0.1653 99.95 Au13 17´17 mm2 0.03 0.1803 99.95 In11 F=12 mm 0.05 0.0509 99.95 In12 F=12 mm 0.05 0.0483 99.95 In51 F=12 mm 0.05 0.0509 99.95 In53 F=12 mm 0.05 0.0521 99.95 In72 F=12 mm 0.05 0.0520 99.95 In73 F=12 mm 0.05 0.0508 99.95 2.2.2. Kích hoạt mẫu Như đã trình bày ở các phần trên, sau khi kích hoạt cần xác định hoạt độ phóng xạ của tất cả các mẫu. Do đó không những cần đo hoạt độ gamma của các mẫu mà còn phải xác định cả thông lượng của nơtron chiếu trên từng mẫu. Chính vì vậy trong thí nghiệm này đã chọn giải pháp: (1) chiếu đồng thời mẫu nghiên cứu Pd (gồm Pd1, Pd2), mẫu chuẩn Au (gồm Au11, Au13) và các mẫu In sử dụng để monitơ thông lượng nơtron (gồm In73; In72; In51; In53; In11 và In12), và (2) đặt monitơ In xen kẽ các mẫu và mẫu chuẩn như trên hình 2.5, trên cơ sở đó có thể ngoại suy ra thông lượng/hoạt độ nơtron tại vị trí của các mẫu Pd và Au căn cứ vào thông lượng/hoạt độ của các mẫu In. Như đã biết, phản ứng bắt nơtron (n,γ) xảy ra đồng thời với nơtron nhiệt và nơtron trên nhiệt, do đó để xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt sử dụng phương pháp tương đối cần kích hoạt đồng thời 2 mẫu nghiên cứu (Pd1 và Pd2) và 2 mẫu chuẩn (Au11 và Au13), trong đó một mẫu được chiếu trực tiếp trong trường nơtron (mẫu trần) và mẫu thứ hai được bọc bằng lá Cadmium dày 0.5 mm và chiếu đồng thời. Các mẫu kích hoạt được đặt ở phía trên bể nước làm chậm nơtron như trên hình 2.6. Chế độ kích hoạt mẫu được cho trong bảng 2.2. Hình 2.5. Sơ đồ sắp xếp vị trí mẫu 15 cm 7.4 cm Bia Ta 5 cm Water Moderator 12 cm Hình 2.6. Bố trí thí nghiệm kích hoạt mẫu trên bề mặt hệ làm chậm nơtron bằng nước Bảng 2.2. Chế độ kích hoạt mẫu Năng lượng chùm electron Thời gian chiếu Dòng electron Độ rộng xung Tốc độ lặp 55 MeV 160 phút 65 mA 2 µs 15 Hz 2.2.3. Đo hoạt độ phóng xạ của các mẫu sau khi kích hoạt Hoạt độ phóng xạ của các mẫu tạo thành sau khi chiếu được đo trên hệ phổ kế gamma sử dụng detector bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết (HPGe). Detector HPGe có đường kính 59.2 mm, dày 30 mm được ghép nối với máy tính và hệ phân tích biên độ nhiều kênh để xác định diện tích đỉnh phổ của các tia gamma thông qua chương trình Gamma vision 5.10 (EG&G, ORTEC). Độ phân giải năng lượng của detector là 1.8 keV tại đỉnh có năng lượng 1332.5 keV của 60Co. Hiệu suất ghi tuyệt đối của đỉnh quang điện và hiệu suất toàn phần của Detector HPGe đã được xác định bằng thực nghiệm, sử dụng các nguồn chuẩn gamma. Việc ghi nhận và xử lý phổ gamma thông qua phần mềm Gamma vision. (Hình P.2, P.3, P.4 phụ lục). Hiện nay việc ghi nhận phổ gamma chủ yếu sử dụng các hệ phổ kế gamma đa kênh, bao gồm: detector bán dẫn gecmani siêu tinh khiết HPGe, các hệ điện tử như tiền khuếch đại, khuếch đại phổ kế, bộ biến đổi tương tự số (ADC), máy phân tích biên độ nhiều kênh (MCA), nguồn nuôi cao áp, Ngoài ra còn có thể có các bộ phận khác như máy phát xung chuẩn hoặc bộ loại trừ chồng chập xung để hiệu chỉnh các hiệu ứng gây mất số đếm trong trường hợp tốc độ đếm lớn, Hệ phổ kế được ghép nối với máy tính, việc ghi nhận và xử lý phổ được thực hiện bằng các phần mềm chuyên dụng (hình 2.7). Phổ kế gamma đa kênh có ưu điểm hơn hẳn so với máy đếm đơn kênh. Nó không chỉ đơn thuần đếm số hạt bay đến detector mà còn phân biệt chúng theo năng lượng. Vì sản phẩm sau phản ứng gồm nhiều đồng vị khác nhau, phát ra các bức xạ gamma có năng lượng khác nhau, do đó việc sử dụng phổ kế gamma đa kênh giúp nhận diện được đồng thời các đồng vị tạo thành và xác định được suất lượng của chúng. 1 2 3 5 6 7 4 Hình 2.7. Sơ đồ hệ phổ kế gamma 1: Detector HPGe; 2: Nguồn nuôi cao áp; 3: Tiền khuếch đại; 4: Máy phát xung chuẩn; 5: Khuếch đại tuyến tính; 6: Máy phân tích biên độ nhiều kênh; 7: Máy tính; Trong nghiên cứu này, sau khi kích hoạt đã tiến hành đo hoạt độ của các mẫu In trước vì đồng vị 116In có thời gian bán rã ngắn hơn nhiều so với 109Pd và 198Au. Thời gian thực hiện các phép đo có thể thay đổi, phụ thuộc vào thống kê của đỉnh phổ gamma cần quan tâm. Để giảm thiểu tới mức thấp nhất các sai số gây ra do quá trình chồng chập hay cộng đỉnh, trong từng phép đo mẫu sẽ được đặt ở vị trí thích hợp trong khoảng cách từ 1 cm cho tới 10 cm tính từ bề mặt detector. Trong các phép đo, thời gian chết được hạn chế dưới 3 %. Trong thí nghiệm, mỗi mẫu đều được đo nhiều phổ gamma với thời gian đo và thời gian phân rã khác nhau phục vụ cho việc tính toán và kiểm tra chéo. 2.2.4. Phân tích phổ gamma Phổ gamma bao gồm một số đỉnh hấp thụ toàn phần hay còn gọi là đỉnh hấp thụ quang điện của của các tia gamma, các đỉnh tán xạ và đỉnh chồng chập,..nằm trên một nền Compton liên tục. Mục đích chính của việc phân tích phổ gamma là xác định năng lượng và diện tích của các đỉnh phổ hấp thụ quang điện làm cơ sở cho việc nhận diện nguyên tố và xác định hoạt độ phóng xạ. Trong thực nghiệm, năng lượng của bức xạ gamma ứng với các đỉnh hấp thụ toàn phần có thể xác định dựa vào hàm chuẩn năng lượng được xây dựng từ các nguồn chuẩn gamma. Hoạt độ phóng xạ được xác định dựa trên diện tích của các đỉnh phổ và hiệu suất ghi của detector. Có hai phương pháp chính để xác định diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần phổ bức xạ gamma mà thiết bị ghi nhận được là phương pháp số và phương pháp làm khớp. Trong phương pháp làm khớp, diện tích đỉnh phổ gamma thường được xác định bằng việc làm khớp các số liệu đo được với một hàm giải tích thích hợp và tích phân hàm đó để tính diện tích đỉnh. Hàm này sẽ chứa các tham số tự do và chúng được tìm bằng thuật toán làm khớp bình phương tối thiểu phi tuyến. Thông thường chọn dạng hàm Gauss để mô tả đỉnh hấp thụ toàn phần. Với một phổ lý tưởng đỉnh hấp thụ toàn phần có thể được biểu diễn một cách chính xác bởi hàm Gauss [8]: (2.3) trong đó Y là biên độ, X là vị trí tâm, s là độ lệch chuẩn của hàm Gauss (FWHM = 2.35s). Trong thực tế đỉnh có thể có đuôi chủ yếu ở phía năng lượng thấp của đỉnh, đặc biệt là khi tốc độ đếm lớn. Do đó hầu hết các hàm đều bao gồm phần chính có dạng Gauss cộng thêm số hạng hiệu chỉnh tính đến phần đuôi của đỉnh. Người ta thường sử dụng hàm e mũ trừ cho phần đuôi của đỉnh phổ. Các hàm biểu diễn dạng của phông thường được xây dựng với hai phần: phần thứ nhất thường là một đa thức bậc nhất mô tả phần phông bên trái năng lượng cao của đỉnh và nằm dưới toàn bộ vùng đỉnh; phần thứ hai là một hàm mô tả sự tăng dần xấp xỉ bước đối với bên năng lượng thấp của đỉnh. Phông nằm dưới chân đỉnh thường được mô tả bằng một đa thức bậc hai. Đối với trường hợp cần phân tích các đỉnh chập, người ta thường dùng hàm khớp là tổng của các hàm với các giá trị khác nhau của các tham số. Ví dụ với trường hợp đỉnh chập đôi có dạng hai hàm Gauss đơn giản: (2.4) trong đó Y1, Y2 là biên độ, X1, X2 là vị trí tâm của hai đỉnh phổ. Hiện nay, việc phân tích phổ thường được thực hiện với sự trợ giúp của các chương trình máy tính. Phân tích phổ sử dụng các chương trình máy tính có tốc độ xử lý nhanh, có thể nhận biết và xử lý hầu hết các đỉnh với chất lượng tốt. Các số liệu thu được cho biết đầy đủ thông tin về phổ gamma bao gồm vị trí, năng lượng, diện tích, độ phân giải của các đỉnh gamma, số đếm phông cùng với các sai số phân tích, ngoài ra còn có các thông tin về thời gian đo, thời gian chết, các tham số chuẩn năng lượng, chuẩn hiệu suất ghi, Tuy nhiên trong nhiều trường hợp, người sử dụng vẫn cần phải có những can thiệp trực tiếp để phát hiện ra những bất thường của phổ, quyết định những phổ hoặc những đỉnh phổ cần xử lý, đối với những đỉnh chập cần phải có những xử lý đặc biệt, Như vậy, cần linh hoạt và lựa chọn chương trình thích hợp với các yêu cầu đặt ra trong việc ghi nhận và phân tích phổ gamma. 2.2.5. Xác định hiệu suất ghi của detector Hiệu suất ghi đỉnh quang điện của một hệ phổ kế gamma là một thông số rất quan trọng trong tính toán và phân tích số liệu thực nghiệm. Hiệu suất ghi đỉnh quang điện được định nghĩa như sau: (2.5) trong đó n(E) là tốc độ đếm của đỉnh quang điện có năng lượng E, R(E) là tốc độ phát xạ gamma có năng lượng E từ nguồn. Có thể xác định hiệu suất ghi của detector bằng tính toán lý thuyết hoặc đo đạc thực nghiệm. Thông thường người ta sử dụ