Đề tài Tương tác của neutron với vật chất

MỤC LỤC TƯƠNG TÁC CỦA NEUTRON VỚI VẬT CHẤT Sự suy giảm chùm neutron khi đi qua vật chất Sự tương tác của neutron với vật chất chủ yếu là tương tác với hạt nhân nguyên tử. Khi neutron va chạm với hạt nhân thường xảy ra các quá trình tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi và phản ứng hạt nhân. Để xem xét sự tương tác của neutron với vật chất, người ta chia các neutron theo năng lượng của chúng, thành các neutron nhiệt (năng lượng neutron En từ 0 đến 0.5eV), các neutron trên nhiệt (En từ 0.5eV đến 10keV), các neutron nhanh (En từ 10keV đến 10MeV) và các neutron rất nhanh (En lớn hơn 10MeV). Tương tác của neutron với hạt nhân phụ thuộc rất mạnh vào năng lượng của nó. Tất cả các neutron khi sinh ra đều là neutron nhanh. Các neutron nhanh mất năng lượng khi va chạm đàn hồi với các hạt nhân môi trường trở thành neutron nhiệt hoặc trên nhiệt và cuối cùng bị hấp thụ trong môi trường. Có nhiều loại phản ứng của neutron với vật chất nhưng từ quan điểm an toàn bức xạ, các tương tác chính của neutron được quan tâm là quá trình tán xạ đàn hồi và quá trình neutron sinh ra các photon hay các hạt khác. Khi chùm hẹp các hạt neutron đi qua môi trường, cũng giống như tia gamma, cường độ chùm tia cũng giảm đi theo hàm số mũ. Ở đây thay cho việc sử dụng hệ số hấp thụ tuyến tính hay hệ số hấp thụ khối người ta dùng tiết diện vĩ mô S=sN, trong đó: s là tiết diện hấp thụ vi mô của môi trường; N là số các hạt nhân hấp thụ của môi trường trong 1cm3 . Khi đó cường độ chùm neutron I sau bản hấp thụ dày t liên hệ với cường độ chùm neutron I0 trước bản hấp thụ như sau: I=I0e-St= I0e-sNt (1.1) Sự làm chậm neutron do tán xạ đàn hồi Tán xạ đàn hồi là quá trình phổ biến nhất khi neutron tương tác với các hạt nhân môi trường có số nguyên tử bé. Do tán xạ đàn hồi, năng lượng neutron giảm dần khi đi qua môi trường, ta gọi là neutron bị làm chậm và môi trường như vậy gọi là chất làm chậm. Quá trình tán xạ đàn hồi giữa neutron nhanh với hạt nhân môi trường giống như sự va chạm đàn hồi giữa hai viên bi, trong đó hạt neutron có khối lượng bằng 1, động năng ban đầu E, còn hạt nhân đứng yên có khối lượng A. Sau tán xạ neutron có năng lượng E’. Do quy luật bảo toàn động năng và động lượng của quá trình tán xạ đàn hồi, ta có: eE ≤ E’ ≤ E (1.2) Trong đó: ( 1.3) Trong công thức (1.2): E’=E khi neutron tán xạ về phía trước. E’=eE khi neutron tán xạ giật lùi về phía sau, tức là va chạm chạm trán. Theo công thức (1.3) trong va chạm với hạt nhân hydrogen thì e=0, do đó theo công thức (1.2) neutron truyền toàn bộ động năng của mình cho hydrogen khi va chạm chạm trán. Tuy nhiên, đối với các hạt nhân nặng hơn, do e¹0 nên neutron không thể truyền toàn bộ động năng của mình trong một va chạm. Chẳng hạn, đối với tán xạ đàn hồi giữa neutron và hạt nhân oxygen thì e=0,778, do đó phần động năng của neutron được truyền cho hạt nhân oxygen trong một va chạm chạm trán là: (E-E’)/E=1-e=1-0.778=0.222, tức là 22,2%. Như vậy, hạt nhân với khối lượng bé làm chậm neutron có hiệu quả hơn hạt nhân có khối lượng lớn. Tham số va chạm x Để biểu thị độ mất năng lượng khi neutron va chạm đàn hồi, người ta dùng tham số va chạm hay độ mất năng lượng logarit trung bình: (1.4) Trong đó dấu gạch ngang ký hiệu việc lấy trung bình theo số các neutron tham gia tán xạ và theo các góc tán xạ. Thực hiện phép lấy trung bình ta được: (1.5) Trong trường hợp môi trường làm chậm chứa n loại hạt nhân và mỗi loại có tiết diện tán xạ vi mô là ssi và tham số va chạm xi thì giá trị trung bình của tham số va chạm của môi trường là: (1.6) Do nên , hay phần năng lượng trung bình của neutron vào được truyền cho hạt nhân bia trong một va chạm là: (1.7) Theo công thức (1.7), đối với hydrogen thì x=1 nên phần năng lượng trung bình của neutron nhanh truyền cho hạt nhân hydrogen trong một va chạm là f=63%, còn đối với carbon thì x=0.159 nên f=14.7%. Số va chạm S Số va chạm cần thiết để làm chậm neutron từ năng lượng E1 đến năng lượng E2 là: (1.8) Như vậy số va chạm cần thiết để chuyển từ neutron nhanh có năng lượng E0=2 MeV đến neutron nhiệt có năng lượng ET=0.025eV là: ST=S(E0ET)=18.2/x (1.9) Từ bảng 1 dẫn ra các giá trị x và ST đối với một số chất làm chậm. Bảng 1: Các thông số đối với một số chất làm chậm Chất làm chậm Mật độ g(g/cm3) N 1024/cm3 x ST cm L (cm) D (cm-1) H2O 1 0.0335 0.948 ~18.2 5.75 2.88 0.16 D2O 1.1 0.0331 0.570 31.8 11 171 0.87 Be 1.85 0.1236 0.209 86 9.9 24 0.50 C 1.6 0.0803 0.158 114 17.3 50 0.84 Từ các biểu thức (1.3), (1.5), (1.8) và (1.9) và bảng 1 thấy rằng khi số khối lượng của các hạt nhân tăng thì x giảm và do đó số va chạm cần thiết để chuyển từ neutron nhanh đến neutron nhiệt tăng. Điều này cho thấy rằng các hạt nhân nhẹ có tác dụng làm chậm tốt hơn các hạt nhân nặng. Hấp thụ neutron Trong quá trình neutron nhanh được làm chậm thành neutron trên nhiệt hay neutron nhiệt trong môi trường, xác suất hấp thụ chúng tăng dần. Tiết diện hấp thụ của nhiều hạt nhân đối với neutron ở miền năng lượng nhiệt tuân theo quy luật một trên v như sau: (1.10) Chẳng hạn đối với B10, quy luật này đúng trong miền năng lượng từ 0.001eV đến 1000eV. Tiết diện neutron có giá trị cao nhất sT tại năng lượng nhiệt ET=0.025eV. Khi đó quy luật (1.10) có thể viết thành: Các phản ứng hấp thụ neutron nhiệt được quan tâm trong an toàn bức xạ như H1(n,g)H2 với sT=0.33 barns; N14(n,p)C14 với sT=1.70 barns; B10(n,a)Li7 với sT= 4.01 ´ 103barns và Cd113(n,g)Cd114 với sT=2.1´104 barns. Các phản ứng H1(n,g)H2 và N14(n,p)C14 được quan tâm trong an toàn bức xạ do H và N là các nguyên tố chủ yếu trong mô sinh học còn các phản ứng B10(n,a)Li7 và Cd113(n,g)Cd114 được quan tâm khi che chắn neutron. Thông thường, khi che chắn neutron nhanh , người ta dùng hai loại vật liệu kết hợp với nhau, vật liệu nhẹ như nước, paraphin để làm chậm neutron và vật liệu hấp thụ mạnh neutron nhiệt như B10 hay Cd113 để hấp thụ neutron nhiệt. ĐẶC TRƯNG CỦA TRƯỜNG NEUTRON Thông lượng ,mật độ và dòng neutron Ta hãy khảo sát yếu tố thể tích dV=dxdydz trong môi trường tán xạ theo hướng vecto r. Trong thể tích đó có số neutron là n(r,W,E)drdWdE với hướng bay được xác định bởi vector đơn vị W trong vùng góc dW quanh W và trong khoảng động năng E và E+dE . n(r, W,E) (cm-3 steradian-1eV-1) là: Mật độ neutron có động năng E bay quanh góc W. Khi tính cho tất cả của năng lượng neutron ta có: (2.1) Ta có n(r, W) là vector mật độ: nó chính là n(r, W,E) khi E không đổi. Nếu lấy tích phân theo tất cả hướng bay thì chúng ta nhận được tổng số neutron trong yếu tố thể tích tại điểm r: (2.2) Trong đó: n(r) là mật độ neutron tại điểm r Ta gọi thông lượng dòng neutron vi phân là: F(r, W,E)dWdE = n(r, W,E)vdWDE (2.3) Trong đó: v= là vận tốc neutron. Thông lượng dòng neutron vi phân là số neutron tại điểm r với năng lượng trong khoảng E® E+ dE bay trong vi phân góc khối dW quanh góc W xuyên qua diện tích 1cm2 vuông góc với W trong một giây. Tích phân thông lượng vi phân F(r, W,E) theo năng lượng ta sẽ được vector thông lượng: là số neutron xuyên qua một diện tích 1cm2 vuông góc với hướng W trong vi phân góc khối dW trong mỗi giây .Cuối cùng ta có: (2.4) là thông lượng neutron. Trong trường đơn năng, đơn giản chỉ là vận tốc, còn trong trường đa năng sẽ là trung bình vận tốc trên phổ năng lượng của mật độ. -Hãy khảo sát một đĩa tròn diện tích pR2 = 1cm2 tâm cố định tại r. F(r, W)dW là số neutron xuyên qua đĩa qua yếu tố góc khối dW quanh hướng W mỗi giây. Hình 2.1 mô tả sự hình thành thông lượng. Đĩa quay quanh tâm cố định tạo thành một hình cầu có tiết diện pR2=1cm2 và có bề mặt 4pR2 = 4cm2. Như vậy, thông lượng F có thể hình dung như số neutron xuyên qua hình cầu này theo tất cả các hướng. Theo đó, trong một trường đẳng hướng, tức là trong một trường mà tất cả các hướng bay đều bằng nhau thì F/2 neutron xuyên qua một bề mặt 1cm2 trong một giây. Từ đó, nhìn chung có 2F neutron xuyên qua 4cm2 trong mỗi giây (mỗi neutron xuyên qua một lần từ ngoài vào trong và một lần từ trong ra phía ngoài), F/2 neutron xuyên qua 1cm2 mỗi giây. Kết luận này vẫn đúng cho trường hợp các trường neutron bất đẳng hướng yếu. -Trong đa số các trường hợp thì F có thể được trình bày như là hàm số của chỉ một góc q; góc này được đo từ một sự “đối xứng trục”. Đối với nó, trường được khảo sát là đối xứng đều đặn.Trong trường hợp như vây ta luôn có thể khai triển đại lượng F(r,F) trong dạng đa thức Legendre. (2.5) Bốn đa thức đầu tiên là: P0 = 1 P1 = cosq P2 = 1/2(3cos2q-1) P3 = ½(5cos3q- 3cos2q) dW W r pR2=1cm2 Hình 2.1: Định nghĩa về vector thông lượng và thông lượng Ta có phương trình: (2.6) Đúng cho đại lượng F1(r). Cụ thể có: (2.7) Ta đưa vào đại lượng mật độ dòng j theo hướng phân bố trục. Độ lớn của vector này là số: (2.8) Neutron xuyên qua bề mặt 1cm2 vuông góc với trục phân bố theo mỗi giây. So sánh với (2.6) thấy rằng : J(r) = F1(r) .Như vậy, hai số hạng đầu tiên của (2.5) có thể viết: F(r,W) = ¼ pf(r) + ¾ pJ(r)cosq (2.9) Trong nhiều trường hợp vector thông lượng F(r, W) có thể được tính gần đúng bởi hai số hạng đầu tiên này với độ chính xác khá cao. Độ dài làm chậm và độ dài khuếch tán neutron Độ dài làm chậm Sau một số trung bình và chạm của neutron nhanh trong môi trường như trình bày trên bảng 1, neutron nhanh trở thành neutron nhiệt. Quãng đường mà neutron nhanh đi được trong môi trường cho đến khi trở thành neutron nhiệt được gọi là độ dài làm chậm. Độ dài làm chậm bằng căn bậc hai của tuổi Fermi t(E), được xác định như sau: (2.10) Trong đó E0=2 MeV là năng lượng neutron nhanh, E là năng lượng neutron trong quá trình làm chậm, ls và ltr là các độ dài tán xạ và độ dài dịch chuyển của neutron trong môi trường. Độ dài dịch chuyển được xác định như sau: (2.11) Với (2.12) Là trung bình cosin của góc bay của neutron sau tán xạ. Với E=ET=0.025eV thì t(ET) là tuổi neutron nhiệt còn là độ dài làm chậm. Bảng 1 trình bày độ dài làm chậm đối với một số chất làm chậm. Độ dài khuếch tán Sau khi trở thành neutron nhiệt, các neutron khuếch tán trong môi trường cho đến lúc bị hấp thụ. Độ dài khuếch tán L là quãng đường mà neutron đi được từ khi trở thành neutron nhiệt đến lúc bị hấp thụ và được xác định như sau: (2.13) Trong đó la là độ dài hấp thụ neutron nhiệt của môi trường. Với môi trường có độ dài khuếch tán L thì chùm tia neutron nhiệt bị suy giảm khi đi qua môi trường có bề dày t được xác định như sau: I=I0e-t/L (2.14) Các neutron khuếch tán với hệ số khuếch tán D được xác định qua độ dài dịch chuyển như sau: D=ltr/3 (2.15) Đối với một nguồn điểm S neutron nhiệt trong 1 giây đặt trong một quả cầu làm chậm bán kính R với độ dài khuếch tán L, hệ số khuếch tán D, thì mật độ thông lượng neutron nhiệt thoát khỏi bề mặt quả cầu là: (2.16) Bảng 1 dẫn ra các giá trị độ dài khuếch tán L và hệ số khuếch tán D đối với một số môi trường làm chậm. MỘT SỐ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN KHÁC Trong mục 1.3 đã nêu một số quá trình hấp thụ neutron. Đó chính là các phản ứng hạt nhân với sự tham gia của neutron. Trong phần này sẽ trình bày ngắn gọn một số phản ứng hạt nhân tiêu biểu. Phản ứng chiếm phóng xạ Trong phản ứng chiếm phóng xạ hạt nhân hấp thụ neutron và phát ra tia gamma, ký hiệu là phản ứng (n,g): n+ZXA®ZXA+1+g (3.1) Hạt nhân ZXA+1 thường là hạt nhân phóng xạ beta và phân rã theo kênh: ZXA+1®Z+1YA+1+e-+g (3.2) Phản ứng chiếm phóng xạ thường xảy ra với năng lượng neutron từ 0 đến 500keV. Chẳng hạn, neutron năng lượng 1.46KeV tương tác với Indium như sau: n+49In115®49In116 + g (3.3) Đồng vị phóng xạ 49In116 phân rã beta với thời gian bán rã T1/2=54 phút: (3.4) Phản ứng sinh proton Trong phản ứng sinh proton hạt nhân hấp thụ neutron và phát ra hạt proton, ký hiệu là phản ứng (n,p): n + ZXA ® Z-1YA + p (3.4’) Ví dụ phản ứng sau đây khi neutron có năng lượng 0.92 MeV: n + 16S32 ® 15P32 + p (3.5) và đối với neutron nhiệt: n + 7N14 ® 6C14 + p (3.6) Phản ứng sinh alpha Trong phản ứng sinh alpha hạt nhân hấp thụ neutron và phát ra hạt alpha, ký hiệu là phản ứng (n,a): n + ZXA ® Z-2YA-3 + 2He4 (3.7) ví dụ phản ứng sau đây khi neutron có năng lượng 0.28 MeV: n +7N14® 5B11 + 2He4 (3.8) và đối với neutron nhiệt: n + 3Li6® 1H3 + 2He4 (3.9) n + 5B10® 3Li7 + 2He4 (3.10) Phản ứng phân hạch Trong phản ứng phân hạch hạt nhân, các hạt nhân nặng như Uranium , thorium và plutonium hấp thụ neutron và bị neutron này phân chia thành 2 mãnh vỡ với khối lượng gần theo tỉ lệ 2:3, ký hiệu là phản ứng (n,f): n + ZXA ® Z1YA1 + Z2ZA2 (3.11) với Z1 + Z2 = Z và A1 + A2 = A + 1 phản ứng phân hạch còn sinh ra các hạt neutron, gamma, beta.v.v… và tỏa ra nhiệt lượng gấp hàng triệu lần nhiệt lượng của các phản ứng hóa học. Phản ứng phân hạch được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân và các phản ứng hạt nhân. Phản ứng sinh nhiều hạt Trong phản ứng sinh nhiều hạt, hạt nhân hấp thụ neutron và phát ra 2 hạt neutron, ký hiệu là phản ứng (n, 2n), hạt neutron và proton, ký hiệu là phản ứng (n,np), 3 hạt neutron, ký hiệu là phản ứng (n,3n) v.v…Ví dụ: n+6C12®6C11+2n (3.12) n+29Cu63®29Cu62+2n (3.13) Các phản ứng sinh nhiều hạt thường xảy ra với neutron có năng lượng rất cao. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. PGS.TS NGÔ QUANG HUY (2004), AN TOÀN BỨC XẠ ION HÓA, NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC KỸ THUẬT. 2. PGS.TS MAI VĂN NHƠN (2002), NHẬP MÔN VẬT LÝ NEUTRON, NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH. 3. PGS.TS CHÂU VĂN TẠO (2004), AN TOÀN BỨC XẠ ION HÓA, NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH.