Phân tích kích hoạt Neutron

CHƯƠNG 2: Gồm hai quá trình chủ yếu: a) Sự tạo thành hạt nhân phóng xạ từ nguyên tố mà ta muốn phân tích thông qua các phản ứng hạt nhân. * Mối liên hệ : Phương trình các sản phẩm phóng xạ: b) Xác định lượng hạt nhân phóng xạ sinh ra thông qua lượng nguyên tố kích hoạt ban đầu ở trong mẫu. Ví dụ minh họa: Khảo sát sự tạo thành đồng vị phóng xạ 64Cu thông qua phản ứng 63Cu(n,)64Cu của nguyên tố đồng do sự chiếu xạ neutron. Di0 là lượng 64Cu ở thời điểm kết thúc chiếu xạ ni là số hạt nhân bia trong chất nền i là tiết diện của phản ứng 63Cu(n,)64Cu i là hằng số phân rã phóng xạ của 64Cu được sinh ra  là thông lượng neutron qua chất nền t là thời gian chiếu xạ. KÍCH HOẠT PHÓNG XẠ Nội dung chính: Bia và chất nền Tiết diện phản ứng Thông lượng và chùm tia Kích hoạt bão hòa Bia và chất nền: Bia: Hạt nhân đồng vị của nguyên tố mà đang cần được xác định. Cu Phản ứng hạt nhân thích hợp Đồng vị Các hạt nhân phóng xạ ( có thể đo được) Không nhất thiết phải là một đồng vị của đồng. Hạt nhân bia phải là một đồng vị của nguyên tố mà ta đang cần xác định. 63Cu(n,)64Cu Chất nền: Chất nền có những đặc điểm như sau: Hữu cơ hoặc vô cơ hoặc cả hai Rắn, lỏng hoặc khí Dễ bay hơi hoặc dễ nổ Lượng dùng chiếu xạ nhiều hay ít Toàn bộ hoặc một phần của mẫu Cứng, chất dẻo, bụi. Trong trường hợp tổng quát nguyên tố muốn kích hoạt ( hay những nguyên tố) có thể là một phần nhỏ hoặc một vết lập thành mẫu. Tổng tất cả vật liệu của mẫu được chiếu xạ được gọi là chất nền. Thông thường chất nền thường được cân trước khi chiếu xạ. Nếu chất nền chiếm g gram của mẫu, phần trăm của hạt nhân bia i trong chất nền cho bởi: 63Cu(n,)64Cu Độ phổ biến đồng vị: Hầu hết nguyên tố có nhiều hơn một đồng vị bền. Mỗi một đồng vị có một phân số phổ biến đồng vị thường được viết tắt là f. Trong tự nhiên 63Cu 65Cu chiếm 69,09% chiếm 30,91%. f = 0.6909 f = 0.3091 Chúng ta chỉ xác định số nguyên tử 63Cu f=1.0 chỉ có một đồng vị bền 23Na Tiết diện phản ứng: Tỷ lệ giữa số hạt tới và số hạt nhân bia hiện có Xác suất để hạt tới phản ứng hạt nhân bia. Định nghĩa: Ri : tốc độ phản ứng I0 : số hạt tới trên một đơn vị thời gian n : mật độ hạt nhân bia x : bề dày bia (cm) Trong đó: Tỷ số giữa tốc độ hạt sinh ra với tốc độ hạt nhân bia mất đi trong một đơn vị diện tích: - Có thứ nguyên của diện tích - Xác suất để một hạt tham gia phản ứng bằng tỷ số giữa diện tích hiệu dụng với diện tích tổng cộng của hạt nhân bia. Tiết diện phản ứng toàn phần: Trong thực tế bia chiếu xạ thường là bia dày do đó cường độ chùm tia tới có thể bị suy giảm đáng kể. Tốc độ phản ứng: Ngoài khái niệm tiết diện là xác suất phản ứng giữa các hạt tới và hạt nhân bia thì nó còn thể hiện dưới dạng đại lượng tiết diện hình học. Tiết diện hình học Tiết diện phản ứng hình học cho bởi : Mà ta có: Tiết diện phản ứng hình học cho chúng ta thấy tầm quan trọng của tiết diện phản ứng Thuận tiện cho việc biểu diễn tiết diện phản ứng Hơn nữa sự thích hợp ở chỗ barn được chia ra nhỏ hơn để dùng cho những giá trị tiết diện nhỏ trong hệ thống đo lường m Chú ý: Trong tính toán kích hoạt thì tiết diện có đơn vị là cm 2 ĐƠN VỊ TIẾT DIỆN 1 barn = 10-24 cm2 1 barn = 103 milibarns (1mb =10-27 cm2) Đơn vị là barn Những hạt nhân mất đi bởi 2 quá trình Hấp thụ Tán xạ Tiết diện phản ứng riêng phần Thường cả hai quá trình này có thể được chia nhỏ ra thành từng quá trình riêng lẻ Tán xạ Đàn hồi Không đàn hồi Khi cả hai quá trình xảy ra trong một quá trình chiếu xạ: Hấp thụ Sự hấp thụ của các hạt tới dẫn đến một sự biến đổi hạt nhân. Ví dụ chiếu xạ một lá nhôm bằng neutron năng lượng 14MeV Hàm kích thích: Tiết diện phản ứng thay đổi không chỉ phụ thuộc vào phản ứng mà nó còn phụ thuộc vào năng lượng của các hạt tới. Sự phụ thuộc của tiết diện phản ứng vào năng lượng hạt tới được biểu diễn bởi hàm kích thích. THÔNG LƯỢNG VÀ CHÙM TIA Thông lượng neutron có thể được coi như là số neutron chuyển qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian: Thông lượng Chùm tia Đến hạt nhân chất nền theo nhiều hướng khác nhau Tương tác với chất nền theo một hướng. Ví dụ: Thông lượng neutron nhiệt (Neutron/cm2.s) Thông lượng Ở nhiệt độ tuyệt đối 2930K (200C) vận tốc lớn nhất là: Vận tốc trung bình là: Và với mật độ neutron là 107 hạt/cm3 thông lượng neutron sẽ là Chiếu xạ trong t giây Chùm tia Một chùm tia thì ngược lại với thông lượng, nó thường mô tả sự dịch chuyển thẳng hàng của các hạt theo một hướng với cường độ N hạt/s như là một dòng hạt (hạt/s) Kích hoạt bão hòa Tốc độ phản ứng R ( xảy ra trong một s) có thể được hiểu là số hạt nhân sản phẩm được tạo ra trong một giây: Nếu hạt nhân sinh ra bền vững, tổng số hạt nhân sinh ra trong khoảng thời gian chiếu xạ t là: Sản phẩm phóng xạ phân rã trong suốt quá trình chiếu xạ Nếu tốc độ sản phẩm sinh ra là một hằng số : Khi hoạt độ phân rã bằng với tốc độ sinh ra Một ví dụ minh họa của sự kích hoạt đồng bởi phản ứng 63Cu(n,g)64Cu Quá trình chiếu xạ bao gồm việc miếng vật liệu mỏng nặng một gram chứa 1% đồng với thông lượng của neutron nhiệt trong khoảng thời gian 3h. Số nguyên tử đồng trong mẫu là: s : Tiết diện phản ứng của phản ứng (nth,g) Thông lượng neutron nhiệt f = 2,5 . 1012 hạt/cm2.s Thông số bảo hòa= (1-e-lt): Vậy hạt nhân kích hoạt 64Cu trong chất nền ở thời điểm kết thúc chiếu xạ được tính là: