›
›

Bài giảng Vật lý hạt nhân - Chương 4: Các ứng dụng của lò phản ứng nghiên cứu - Nguyễn Nhị Điền

pdf 82 trang ngocly 40 Free
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Vật lý hạt nhân - Chương 4: Các ứng dụng của lò phản ứng nghiên cứu - Nguyễn Nhị Điền", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_vat_ly_hat_nhan_chuong_4_cac_ung_dung_cua_lo_phan.pdf

Nội dung text: Bài giảng Vật lý hạt nhân - Chương 4: Các ứng dụng của lò phản ứng nghiên cứu - Nguyễn Nhị Điền

  1. Chương 4 CÁC ỨNG DỤNG CỦA LỊ PH ẢN ỨNG NGHIÊN C ỨU PGS TS Nguyễn Nhị Điền ĐàLà Lạt, 2012 1
  2. CÁC ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH CỦA LPƯ NGHIÊN CỨU (1): Nghiên cứu về tán xạ nơtron Nghiên cứu vật liệu Irr.Tests for và nhiên liệu Fuel&Mat. Neutron NAA online Scattering + Phát triển kỹ thuật phân tích +Ch+ Chụp ảnh n ơtron Sản xuất R&D on NeutronNeutron ĐV RIs&NTD và photography pha tạp Silic Tech Train BNCT & IT fields rBNCT Others Nghiên c ứuuv về kỹ Huấnluyn luyệnvàn và đào tạo thuật BNCT về hạt nhân 2
  3. CÁC ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH CỦA LPƯ NGHIÊN CỨU (2): được phân ra 4 nhĩm: •Các ứng dụng chiếu xạ: để phân tích kích hoạt, sản xuất đồng vị, pha tạp vật liệu bán dẫn,g, nghiên cứu hiệu ứng sai hỏng và bền vững với bức xạ, •Thử vật liệu và thanh nhiên liệu cho lị cơng suất: để nghiên cứu thiết kế LPƯ và nhiên liệu hạt nhân. •Sử dụng chùm nơtron ngồi lị: nghiên cứu vật liệu, phân tích gamma tức thời, chụp ảnh nơtron, chiếu xạ sinh học, nghiên cứu cơ bản, • Phát triển nguồn nhân lực: cơng nghệ LPƯ, thí nghiệm che chắn, huấn luyện và đào tạo cán bộ vận hành, thơng tin dân chúng. Cĩ th ể phân ra 3l3 loại ứng dụng chính là : •Các ứng dụng năng lượng (cho chương trình điện hạt nhân) • Các ứngdg dụngpg phi năng lượng (ch o các n gành kinh tế) • Đào tạo nguồn nhân lực. 3
  4. Các ứng dụng năng lượng (cho chương trình điện HN): 1. Thử nghiệm và phát triển nhiên liệu hạt nhân (development of nuclear fuels) + Nghiên c ứuus sự biến đổi thành phầnnvàc và cấu trúc bên trong c ủa viên gốm nhiên liệu (như mật độ, độ rỗng, nứt gãy, sự thay đổi nhiệt độ nĩng chảy và hệ số dẫn nhiệt, v.v ). +Chi+ Chiếuxu xạ thử nghiệm để đánh giá tính tồn v ẹnnv vỏ bọc thanh nhiên liệu trong điều kiện vận hành bình thường và tai nạn sự cố, nghiên cứu phát triển các hợp kim mới làm vỏ bọc thanh nhiên liệu cho phép đạt được độ cháy cao hơn. + Nghiên cứu sự di chuyển, phát tán thành phần và hoạt độ của các chất phĩng xạ cĩ trong các thanh nhiên liệu bị hỏng ra bên ngồi. + Nghiên cứu phát triển các thế hệ nhiên liệu mới như nhiên liệu MOX (Mixed oxide fuel development), v.v ỴCần LPƯ cơng suất lị P >10 MW để cĩ thơng lượng nơtron 4 Φ = 1.0 - 5.0 x1014n.cm-2.s-1.
  5. Các ứng dụng năng lượng (cho chương trình điện HN): 2. Nghiên cứu chiếu xạ vật liệu (material irradiation studies) + Nghiên cứu hiệu ứng cứng hố, biến giịn dễ gãy, mất khả năng chịu kéo và nén c ủaav vậttli liệuuph phụ thuộc vào thơng l ượng và li ềuuchi chiếu tích phân. + Kiểm tra, đánh giá chất lượng các ống, bình chịu áp lực của lị năng lượng b ằng k ỹ thuậttch chụp ảnh phĩng x ạ nơtron. + Chiếu xạ các mẫu thử hợp kim để nghiên cứu chất lượng thép làm thùng LPƯ (thùng chịu áp lực) và nghiên cứu quá trình lão hĩa, sự hồiphi phụccc củava vậtlit liệuuZr Zr-Nb. + Áp dụng kỹ thuật đo tiếng ồn nơtron để theo dõi sự dao động, lắc, rung của các khối, bộ phận và chi tiết cấu thành trong vùng hoạt của LPƯ năng l ượng. + Nghiên cứu tính chất hĩa học của nước và bản chất hiện tượng ăn mịn vật liệu trong các LPƯ năng lượng. + Nghiên cứu quá trình rị rỉ khí phân hạch phĩng xạ ra khỏi thanh nhiên liệu theo độ cháy, đặc biệt ở các bĩ nhiên liệu cĩ độ cháy cao.5
  6. Các ứng dụng năng lượng (cho chương trình điện HN): 2. Nghiên cứu chiếu xạ vật liệu (material irradiation studies) Các lĩnh vực chính và các thiết bị thí nghiệm dùng trong thử nghiệm nhiên li ệu vààhi chiếu xạ vậttli liệu hạtthâ nhân: Lĩnh vực ứng dụng Thiết bị thí nghiệm Thử nghiệm • Đánh giá vật liệu bằng chiếu xạ nơtron Capsule để chiếu xạ: chiếu xạ vật • Thử nghiệm tính an tồn và sự nguyên vẹn của Capsule khơng kèm thiết bị các vật liệu dùng trong vùng hoạt đo liệu hạt • Đưa ra số liệu để phát triển loại nhiên liệu mới Capsule kèm thiết bị đo nhân & • Tính chất giải phĩng khí phân hạch Capsule nhiên liệu nhiên liệu • Hiệu ứng lão hĩa như tính chất dão của vật liệu Capsule dão • Tính ch ấtct của nhiên liệu ở các mức cơng suất Thử nghiệm khác nhau của LPƯ chiếu xạ để • Tính chất của vỏ bọc thanh nhiên liệu Vịng thử nghiệm xác nhận • Thử nghiệm tính tồn vẹn của thanh nhiên liệu nhiên liệu (FTL - Fuel Test • Nghiên cứu để phát triển các vật liệu bên trong tính năng Loop) của nhiên vùng ho ạt liệu • Nghiên cứu sự ăn mịn và tính chất hố học của nước lị 6
  7. Các ứng dụng năng lượng (cho chương trình điện HN): 3. Thử nghiệm và hiệu chuẩn các thiết bị đo ghi bức xạ Các thiết bị đo ghi nơtron, gamma dùng trong nhà máy điện hạt nhân, LP ƯNC và các ứng d ụng k ỹ thuật, cơng ngh ệ hạt nhân khi được phát triển, chế tạo nhất thiết phải được kiểm tra và hiệu chuẩn trong các điều kiện bức xạ thích hợp để đảmbm bảokho khả năng làm vi ệc chính xác , lâu dài của chúng . Ỵ Các yêu cầu này chỉ địi hỏi thơng lượng nơtron và liều bứcxc xạ gamma ở mứccth thấppt từ vài μSv/h đếnnmSv/hnênh mSv/h, nên hầu hết các LPƯNC đều cĩ thể đáp ứng được nhu cầu này. 7
  8. Sử dụng các Capsules chiếuuxxạ tạilịi lị HANARO ‰ Thử vật liệu lị phản ứng cơng suất: ™ Vật liệu thùng áp lực của lị cơng suất ™ Vật liệu đường ống chịu áp suất của lị: Zr-2.5Nb ™ Các loạivi vậtlit liệuuc của các kếttc cấu trong lị ‰ Thử nghiệm vật liệu của nhiên liệu: ™ Nhiên liệu của lị PWR cải tiến ™ Chu trình nhiên liệu DUPIC (Direct Use of Pressurized Water Reactor Spent Fuel in CANDU - Sử dụng trực tiếp nhiên liệu đã cháy của lị PWR cho lị CANDU- CANada Deuterium Uranium) ™ HợpkimUp kim U-Zr ‰ Nghiên cứu cơ bản: ™ Chất bán dẫn, các vật liệu nano và vật liệu từ tính ™ Các loại hợp kim Zr-1Nb-1Sn-X, Zircaloy-4 ™ SPND (self-power neutron detector – detector nơtron tự cấp nguồn nuơi). 8
  9. Các Capsules dụng c ụụđểđể thử Vậttliliệu Charpy R-CT Design Characteristics (Total Length : ׽6m ( 60mm D x 870mm H - Tube 경도/인장 - Available Space(Max.): 40mm D × 600mm L - 5 Stages Independent Temp. Control - Max. Temp. Control : Up to 500Ԩ (He Atmosphere : 1 atm׽3×10-3 torr (He - - Instrumentation : 14 T/Cs, 5 micro-heaters, 5 F/Ms - Available Test : Tensile, Charpy, Toughness, SP,,,,p, MBE, TEM, Creep, etc. Applications - Material Tests Reactor Pressure Vessel Reactor Core Materials CANDU Pressure Tube Materials - Safety and Integrity-Related Tests - IdIndust ry A ppli litication M Mtateri ilTal Test s - Fundamental Research 9
  10. Instrumented Capsules for Nuclear Fuel Test Design Characteristics Total Length : ׽ 5 m - - Diameter of Outer Tube : 56 mm - Length of Outer Tube : 730 mm - 3 Mini-Elements Fuel Rod - Instrumentations : T/C , LVDT , SPND - Irradiating Environment Control System Using Mixed Gas (He/Ne) Applications - Fuel Pellet Irradiation Test Advanced PWR Fuel - Fuel Design Data Production Center Temperature of Fuel Pellet Internal Pressure of Fuel Rod Deformation of Fuel Pellet - Fundamental Research 10
  11. Capsules for Specific Purpose (Creep –s– sự dão) Design Characteristics Total Length : ׽6 m - - Diameter of Outer Tube : 60 mm - Length of Outer Tube : 997 mm - Test Specimen: 1, 2, 4 - TtTTest Temperat ure : M ax. 600Ԩ (He Atmosphere : 1 atm׽30 torr (He - - Instrumentation per specimen : ,׽12 T/Cs, 1׽4 micro-heaters 8 ׽4 LVDT 1 Applications - MtMateri ilCal Creep B Bhehavi our - Lifetime Estimation of Reactor Components -Studyyy of Key Components for Creep Capsule 11
  12. Fuel Test Loopp( (Vịng thử bĩ nhiên liệu) Các ứng d ụng ™ Chiếu xạ để kiểm tra tính tồn vẹn của bĩ nhiên liệu ™ Kiểm tra chất lượng nhiên liệu ™ Kiểm tra việc ăn mịn và di chuyển các hoạt chất trong nước lị ™ Kiểm tra tính khơng bị phân hạch của vật liệu làm ống ch ịuáplu áp lực ™ Kiểm tra độ cháy cao của nhiên liệu. 12
  13. Fuel Test Loop (Vịng thử bĩ nhiên liệu) Thiết bị thử nhiên liệu (Fuel test loop) tại lị HANARO: + Nghiên c ứuus sự - Thơng n ơtron: 1. 2x1014 n/cm² ·sec o biến đổi thành -Áp suất: 17.5 MPa; Nhiệt độ: 350 C phần và cấu trúc bên trong c ủa viên gốm nhiên liệu +Th+ Thử nghiệm để đánh giá tính tồn vẹn vỏ bọc thanh nhiên liệu trong điều kiện vận hành bình thường và tai nạn sự cố 13
  14. 33 DD Model of InIn PilePile Section Outer Pressure Vessel Inner Pressure Vessel Flow Divider Insulation Gas Gap Test Fuel Test Fuel Carrier Leg Upward Flow Path IPS Head DdFlPthDownward Flow Path Cross Section of IPS 14
  15. 33 DD View of the OutOut PilePile System ► Design Pressure : 17.5 MPa ► Design Temperature : 350Ԩ 노외공정부 3차원 개략도 (3-D View of OPS) 15
  16. Fuel Test Loop (Vịng thử bĩ nhiên liệu) Oxide layer Hydride Brittle fracture DilfDuctile fracture Cross section of failed fuel 16
  17. Các ứng dụng phi năng lượng (phục vụ các ngành KT-XH): 1. Sản xuất chất phĩng xạ (radioisotope production) 2. Hiệu ứng chuyển hĩa (t ransmut ati on eff ect s, sili con doping) 3. Phân tích kích hoạt nơtron (neutron activation analysis) 4. Chụp ảnh neutron (neutron radiography) 5. Nghiên cứu cấu trúc vật liệu (material structure study) 6. Phân tích kích ho ạt gamma tứccth thời (PGNAA) 7. Chữa bệnh bằng phương pháp bắt neutron (neutron capture therapy) 8. Địa thời học (geochronology) 9. Tạo nguồn positron (neutron source) 10. Các ứng d ụng khác . 17
  18. 1. SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHĨNG XẠ Hai loại thiết bị được dùng để sản xuất ĐVPX: 1. Lị phản ứng: LPƯ đĩng vai trị chủ đạo trong việc điều chế một số ĐVPX quan tr ọng khơng th ể thiếu được cho các ứng d ụng trong y tế, cơngcơng nơngnơng nghiệp như TcTc 99m,99m, Mo-Mo-99,99, II 131,131, IrIr 192,192, CoCo 60,60, v.v Đặc biệt với sự phát t ri ển mạnhhá các ph ương pháp điều trị bệnh dùng các đồng vị phát bêta, bằng xạ trị ngồi (dùng nguồn phĩng xạ kín) và xạ trị nội (dùng nguồn phĩng xạ hở). 22 Máy gia tốc: Máy gia tốccch chủ yếu dùng để sảnnxu xuất các chất ĐVPX sống ngắn và khơng thể sản xuất được trên LPƯ. 18
  19. 1. SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHĨNG XẠ Các ĐVPX sản xuất từ LPƯ được dùng trong y tế, cơng nghiệp và đào tạo với các mục đích như sau: + Trong y t ế: dùng để chụp hình gamma các cơ quan n ộiti tạng con người phục vụ cơng việc tầm sốt, chẩn đốn và điều trị bệnh, đặc biệt là bệnh ung thư; định lượng nồng độ một số hĩc mơn b ằng k ỹ thuật xét nghiệmmim miễndn dịch học phĩng x ạ (RIA); điều chế các dược chất phĩng xạ, gắn kháng thể đơn dịng với ĐVPX; điều trị bệnh bằng tia phĩng xạ với các nguồn kín (Radiotherapy). + Trong cơng nghiệp: dùng nguồn kín để chụp ảnh gamma cho phép xác định các thơng số về độ dày, độ ẩm, phát hiện khuyếttt tậtht, hư hỏng, rị rỉ, ănmịnchin mịn, chiếuxu xạ và xử lý bằng bức xạ, khử trùng, v.v Sử dụng các đồng vị phĩng xạ đánh dấu trong việc thăm dị và khai thác dầu khí, nước ngầm, đánh giá hiệuquu quả hoạt động c ủa các hệ thống, chu trình ph ứctc tạp trong các nhà máy hố chất và xi măng. + Trong nghiên cứu khoa học và đào tạo. 19
  20. 1. SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHĨNG XẠ Các loại đồng vị phĩng xạ chính được sử dụng. Lĩnh vực ứng dụng tiêu biểuNhững đồng vị chính Tc-99m, Tl-201, I-123, Xe-133, In- Chụp hình ảnhbh bằng gamma 111, Lu-177 Chụp hình ảnh nhờ kỹ thuật hạt nhân PET F-18, C-11, N-13, O-15 Đo nồng độ xương I-124, Gd-153, Am-241 Xét nghiệm miễn dịch I-125, Co-57, H-3, Fe-59 học PX (RIA) I-131, Re-186, P-32, Lu-177, Sm- Y học Dược chất phĩng xạ 153, Re-188, Y-90 Chiếu xạ từ ngồi cơ thể Co-60, Cs-137 (Teletherapy) Điều trị bệnh bằng phĩng xạ với các Chiếu xạ bên trong cơ thể Ir-192, Cs-137, I-125 nguồn kín (Brachytherapy) (Radiotherapy) Chiếu xạ máu để dùng cho Co-60, Cs-137 việc truyền máu Nghiên P-32,33, I-125, H-3, Co-57, cứu Nghiên cứuYu Y-Sinh Chụp ảnh tự động Sn-119, Sm-152. KH 20
  21. 1. SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHĨNG XẠ Các loại đồng vị phĩng xạ chính được sử dụng. Lĩnh vực ứng dụng tiêu biểuNhững đồng vị chính Kiểm tra on-line Đo mật độ, khối lượng, Cs-137, Co-60, Am-241 Đo độ dày Kr-85, Am-241, Sr-90, Y-90 Phát hiện nhờ kỹ Phát hiện bức xạ để phân Am-241 thuật hạt nhân tích (xử lý hố học) Đo nhiễm bẩn C-14, Pm-47 Cơng Phân tích Fe-55, Cd-109, Am-241, Co-57 nghiệp Detector báo khĩi Am-241 Chiếu xạ và xử lý Khử trùng dụng cụ y học Co-60 (hoạt độ cao) bằng bức xạ Chiếu xạ thực phẩm Co-60 (hoạt độ cao) Đánh dấu bức xạ Sc-46, Ir-192, Au-198, Kiểm tra khơng hủy Ir-192, Co-60 mẫu (NDT) Đồng vị bền Zn-64, 21
  22. 1. SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHĨNG XẠ Về phương diện mức cơng suất lị cần thiết để đáp ứng các loại ĐVPX theo yêu cầu của người sử dụng như sau: ● LPƯ cơng suất thấp (thơng lượng nơtron 1014 n.cm-2.s-1): cĩ thể sản xuất được nhiều loại đồng vị phĩng xạ sống trung bình và dài. Ngồi các loại đồng vị ở 2 phần trên, cĩ thể sản xuất được các đồng vị khác: C-14, S-35, Cr-51, Co-60, Sr-89, Sm-153, Yb-169, Tm-170, Ir- 192. 22
  23. 1. SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHĨNG XẠ Dự báo nhu cầu sử dụng ĐVPX trên thế giới: Triệu USD mỗi năm 23
  24. 1. SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHĨNG XẠ Ỵ Nhu cầu sử dụng ĐVPX trên thế giới ngày càng tăng. Trong khi đĩ những LPƯ được dùng để sản xuất và cung cấp chủ yếu ĐVPX cho thị trường thế giới đã cĩ tuổi thọ cao như lị NRU 135 MW của Canada (1957); lị HFR 45 MW của Hà Lan (();1961); lị BR-2 100 MW của Bỉ (();1961); lị OSIRIS 70 MW của Pháp (1966); lị SAFARI 20 MW của Nam Phi (1965). Hai LPƯ MAPLE-1 và MAPLE-2 cơng suất 10 MW của Canada thiếtkt kế chuyên d ụng cho s ảnnxu xuất ĐVPX nh ưng đã đĩng c ửavìa vì lý do kỹ thuật (hệ số nhiệt độ của độ phản ứng là dương). Vì vậy, các LPƯNC cơng suất cao được xây dựng trong thời gian gần đây đều đưama mụctiêusc tiêu sảnxun xuất ĐVPX là một trong các m ục tiêu chính, như lị RSG-GAS 30 MW của Indonesia (1987), lị JRR- 3M 20 MW của Nhật Bản (1990), lị HANARO 30 MW của Hàn Quốc (1995), ETRR-222MWc2 22 MW củaaAiC Ai Cập (1998) , lị OPAL 20 MW của Úc (2006), lị CARR 60 MW của Trung Quốc (2010), v.v 24
  25. 2. PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NƠTRON Kỹ thuật phân tích mẫu bằng kích hoạt nơtron trong LPƯ cho phép: ƒXác định đồng thời đa nguyên tố với độ nhạy & độ chính xác cao ở bậc phần triệu (ppm), thậm chí phần tỷ (ppb) ƒĐịnh tính (qualitative) và định lượng (quantitative) thành phần nggyuyên tố trong mẫu ƒKhơng hủy mẫu (non(non destructive)destructive) & khả năng phân tích “on-“on-line”line” ƒVì vậy, NAA được chọn làm phương pháp đánh giá (method validation) & phê chuẩn vật liệu tham khảo (()certification for reference materials). 25
  26. 2. PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NƠTRON Nguyên lý của kỹ thuật phân tích kích hoạt nơtron: 9Khi mộtnt nơtron tương tác v ớihi hạt nhân bia qua quá trình tán xạ khơng đàn hồi, một hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích được tạo ra 9Hạt nhân hợp phần cĩ khuynh hướng trở về trạng thái cân bằng hơn bằng cách phát ra một hoặc nhiều tia gamma tức thời 9Trạng thái cân bằng mới tạo ra một hạt nhân phĩng xạ phân rã b ằng cách phát ra mộthot hoặc nhiều tia gamma trễ 9Nhân phĩng x ạ cĩ chu k ỳ bán h ủyriêngy riêng. 26
  27. 2. PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NƠTRON Nguyên lý của phương pháp NAA 27
  28. 2. PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NƠTRON Độ nhạy phân tích của INAA trong điều kiện chiếu trên lị phản ứng cĩ thơng lượng nơtron khoảng 1 x 1013n/cm2.sec Độ nhạy (picograms) Nguyên tố 1Dy, Eu 1 – 10 In, Lu, Mn 10 – 100 Au, Ho, Ir, Re, Sm, W 100 – 1 x 103 Ag, Ar, As, Br, Cl, Co, Cs, Cu, Er, Ga, Hf, I, La, Sb, Sc, Se, Ta, Tb, Th, Tm, U, V, Yb 1 x 103 -1 x 104 Al, Ba, Cd, Ce, Cr, Hg, Kr, Gd, Ge, Mo, Na, Nd, Ni, Os, Pd, Rb, Rh, Ru, Sr, Te, Zn, Zr 1 x 104 -1 x 105 Bi, Ca, K, Mg, P, Pt, Si, Sn, Ti, Tl, Xe, Y 1 x 105 -1 x 106 F, Fe, Nb, Ne 1 x 107 Pb, S 28
  29. 2. PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NƠTRON CÁC LĨNH VỰC ỨNG DỤNG CỦA NAA: ¾ Khoa học địa chất (Geological Science) ¾ Cơng nghiệp (Industry) ¾ Nơng ng hiệp (Agr icu lture) ¾ Khoa học sống (Life Science) (Hĩa sinh, dinh dưỡng, dịch tễ học) ¾ Khoa học mơi trường (Environment) ¾ Điều tra pháp lý (Forensic Investigations) ¾ Khảo cổ học (Archaeology) và ¾ nhiều lĩnh vực khác. 29
  30. 2. PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NƠTRON CÁC LĨNH VỰC ỨNG DỤNG CỦA NAA: 9Khoa học địacha chất: Phân tích các mẫu đất, đáquá, quặng, khống vật, phục vụ điều tra thăm dị; đánh giá trữ lượng; xây dựng bản đồ tài nguyên, khống sản. 9Cơng nghiệp: 2 mục đích, phân tích nguyên tố và kiểm tra quá trình (on(on line/offline/off line).line). Mục đích thứ 2 dùng nguồn đồng vị để kiểm tra trên băngyg chuyền haygy trong ống kín của các ngành luyện kim, cơng nghệ hĩa học, ngành dệt, nhà máy giấy, xây dựng, v.v 9Nơng nghiệp: Nghiên cứu quá trình nơng nghi ệpvàp và cây trồng cũng như hậu quả của chúng thơng qua việc xác định nguyên tố vết trong các loại cây cối, đất trồng, phân bĩ n, th uốc trừ sâhâu hoặc hĩa ch ất. 30
  31. 2. PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NƠTRON CÁC LĨNH VỰC ỨNG DỤNG CỦA NAA: 9Khoa học sống: (Hĩa sinh, dinh dưỡng, dịch tễ học): Nghiên cứu các quá trình hĩa sinh, đánh dấu tế bào, xác định các nguyên tố độc và cần thiết trong cơ thể người để xác định ảnh h ưởng c ủa chúng lên quá trình gây bệnh. Điều tra hàm lượng iốt trong khẩu phần thức ăn của vùng miền núi cao nguyên. 9Điều tra pháýáp lý: Phâíân tích cá c vật chứng cực nhỏ cịn lại tại hiện trường. 9Khảoco cổ học: Phân tích để phân lo ại và tìm nguồngn gốc các mẫu vật khảo cổ. 9Vật liệu bán dẫn: Xác định tạp chất hiện diện ở mức dưới ppb ảnh hưởng lên chất lượng vật liệu bán dẫn. 31
  32. 2. PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NƠTRON CÁC LĨNH VỰC ỨNG DỤNG CỦA NAA: 9Trong ngành cơng nghi ệppd dầuukhí: khí: + Thăm dị lỗ khoan “borehole logging”: Hệ thống NAA được tích hợp thành một khối gọn nhẹ để cĩ thể đưa xuống lỗ khoan hay giếng khoan, kết quả phân tích ngay tại hiện trường; + Tìm nguồngn gốcdc dầu, đánh giá tr ữ lượng: Phân tích xác định vi lượng các nguyên tố, chỉ số hydro, trong các mẫu dầu thơ và đá mĩng giúp cho cơng tác tìm nguồn gốc, đáhánh g iá trữ lượng các mỏ dầu khí ngồi thềm lục địa VN. 32
  33. 2. PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NƠTRON CÁC LĨNH VỰC ỨNG DỤNG CỦA NAA: 9Khoa h ọc mơi t rường: + Phân tích vật chỉ thị cho mơi trường liên quan sức khỏe con người. + Xác định các độc tố và các kim loại nặng độc trong mẫu mơi trường (mẫu nướcmc, mẫu đất đáthá, thựccv vậtt), ). + Đặc biệt, phân tích mẫu bụi khí để nghiên cứu bài tốn ơ nhiễm khơng khí. 9Ngành chăn nuơi: xác định hàm Hệ phổ kế gamma lượng khống ch ất trong th ức ăngian gia chuyểnnm mẫuut tự động súc. 33
  34. CÁC LĨNH VỰC ỨNG DỤNG CỦA NAA: Lĩnh vực ứng dụng Thiết bị • Đánh giá ảnh hưởng chiếu xạ lên vật liệu hạt nhân Khoa học hạt • Phân tích các nguyên tố vi lượng như B, U, Th trong nhân & vật nhiên liệu và các vật liệu hạt nhân liệu • Phân tích vật liệu siêu tinh khiết và các hợpp(,, kim (Ge, Si, GaAs, GaP, ) • Phân tích vật liệu vũ trụ Địa chất học • Phân tích các thành phần của đá, quặng, Các h ệ chuyển mẫu bằng • Phân tích các nguyên tố đặc trưng trong đất, phân bĩn, Nơng nghiệp/ khí hoặc khí nén • Phân tích các nguyên tố trong rau, cây trồng, lúa gạo, cá, Thực phẩm Các capsule chứa mẫu chiếu Các hệ phổ kế gamma • Kiểm sốt & đo các mẫu mơi trường (bụi khí, bụi than, Mơi trường/ Hải HPGe chất lượng trầm tích, chất thải, ) dương học cao • Phân tích các nguyên tố đặc trưng của vi sinh vật • Đo các nguyên tố vi lượng trong xương và tế bào của Sinh vậtth học người, của động vật vààâ cây trồng, • NAA cho y học, khoa học lịch sử Lĩnh vực khác • NAA cho mẫu pháp y (nhận dạng tội phạm, ) • Phát hi ệnns sự rị r ỉ trong ống dẫnnvà và đậppn nước, Kỹ thuật đánh • Đo vận tốc chất lỏng trong các hệ thống cơng nghiệp dấu khác nhau 34
  35. 3. Các hiệu ứng do chiếu xạ nơtron của LPƯ 1. Hiệu ứng chuyển đổi (Transmutation effects) - Pha t ạpcĩp cĩ độ đồng nh ất cao P vào trong Si, As vào trong Ge (gấp 20 lần so với các phương pháp khác): Si-30(n, γ)Si-31 → P-31 + β- (2, 62 giờ) Ge-70(n, γ)Ge-71 → Ga-71 + EC (electron captue) Ỵ Dùng để chế tạo các thiết bị, linh kiện bán dẫn cơng suất cao - Gây sai hỏng mạng tinh thể bằng chiếu xạ neutron nhanh: Gemstone Coloration - Tạomànglo màng lọc: Membrane Production using Fission Track - Chuyển hố Actinide: xử lý thải phĩng xạ. Ỵ Cần LPƯ cơng suất trên 10 MW. 35
  36. 3. Các hiệu ứng do chiếu xạ nơtron của LPƯ 1. Hiệu ứng chuy ển đổi 31 Neutron Si30 P Si 30+ n Si 31 P31 Neutron Doped silicon irradiation LPƯ Trung Quốc (CARR, 60MW) cĩ khả năng chiếu xạ 70 tấn/năm NTD-Si IGCT GTO IGBT Rectifier Diode 36
  37. 3. Các hiệu ứng do chiếu xạ nơtron của LPƯ 1. Hiệu ứng chuyển đổi (Transmutation effects) (heavily doped) (lightly doped) E NP N C (moderately doped) Anode D-Drain SiO + 2 n-channel B General Transistor (npn n p type) Metal contact Anode n p Substrate IGT n + Anode p Substrate + n GGateG-Gate SS p p n n n p Gate n-doped region S-Source n Cathode nn channelchannel depletion type MOSFET Two transistor Cathode equivalent SCR Cathode GTO 37
  38. 3. Các hiệu ứng do chiếu xạ nơtron của LPƯ 1. Hiệu ứng chuyển đổi (Transmutation effects) So sánh độ đồng đều của điệnntr trở suấtts sử dụng k ỹ thuật pha t ạp bằng NTD-Si và kỹ thuật pha tạp thơng thường. 38
  39. 3. Các hiệu ứng do chiếu xạ nơtron của LPƯ 1. Hiệu ứng chuyển đổi (Transmutation effects) Sự phụ thuộc của điện trở suất vào thơng lượng tổng của nơtron chiếu xạ. 39
  40. 3. Các hiệu ứng do chiếu xạ nơtron của LPƯ 1. Hiệu ứng chuyển đổi (Transmutation effects) Hiện nay trên thế giới cĩ dưới 10 LPƯNC cĩ khả năng chiếu xạ silicon thương mại: Lị OPAL cơng suất 20 MW; lị HANARO cơng suất 30 MW, lị JRR-3MơM cơng suất 20 MW; lị HWRR cơ ng suất 15 MW của Trung Quốc; lị SAFARI cơng suất 20 MW của Nam Phi; và một số LPƯ ở Liên bang Nga và Hoa Kỳ. Sảnlượng chiếuxạ và doanh thu của các LPƯ rất khác nhau phụ thuộc vào số lượng khách hàng và chấtlượng silicon: Lị HANARO chỉ cĩ 2 hốc chiếu dành cho NTD, mỗi năm cĩ thể chiếu đượckhoảng vài chụctấn silicon với doanh thu khoảng 4 triệuUS$;lịJRR-3Mmỗinămcĩthể chiếukhoảng 5 tấn silicon với doanh thu khoảng 500.000 US$; lị CARR cơng suất60MW của Trung Quốc, cĩ thể chiếuxạđượckhoảng 70 tấn/năm. 40
  41. 3. Các hiệu ứng do chiếu xạ nơtron của LPƯ 1. Hiệu ứng chuyển đổi (Transmutation effects) Nhu c ầucu củaath thị trường th ế giớiihi hiện nay vào kho ảng 140 t ấn silicon pha tạp mỗi năm. Theo dự báo của các Cơng ty sản xuất thiết bị điện tử và xe ơtơ, vào những năm sau 2015, thị trường tiêu thụ vật liệu bán dẫn loại pha tạp silicon đơn tinh thể sẽ lên đến 400-500 tấn/năm. Riêng nhu cầu cho ngành sản xuất ơtơ, dự kiến năm 2030 khoảng 50 triệu chiếc ơtơ dùng động cơ điện (hybrid cars và hydrogen cars) được sản xuất mỗi năm, mỗi ơtơ dùng 01 tinh thể silicon dày khoảng 1 mm thì tổng nhu cầu sẽ là: 50.000.000 x 1 mm = 50.000.000 mm /600 mm/thỏi = 83.000 thỏi loại 8 inch x 38 kg/thỏi = 3000.000 kg = 3000 tấn/năm. Ỵ Như vậy, nhu c ầuuv về chiếuux xạ là r ấttl lớn và các LPƯNC hiện cĩ là khơng đáp ứng được. 41
  42. 3. Các hiệu ứng do chiếu xạ nơtron của LPƯ 2. Chiếu xạ chuyển màu đá quý và bán quý (Gem-stone Coloration) 42
  43. 3. Các hiệu ứng do chiếu xạ nơtron của LPƯ 2. Chiếuxu xạ chuyểnnmàu màu đá quý (Gem-stone Coloration) Beryl Quartz [gamma > 200 Mrad] [gamma] Topaz [gamma] Tourmaline London Blue [gamma] [neutron & heat] Diamond neutron & heat 43 Swiss Blue Sky Blue Super Blue [neutron, EB & heat] [EB & heat] [neutron, EB & heat]
  44. 3. Các hiệu ứng do chiếu xạ nơtron của LPƯ 2. Chiếu xạ chuyển màu đá quý (Gem-stone Coloration) + LPƯ Đà Lạt chỉ cĩ thể chiếu khoảng 1 kg đá Topaz/tháng. + LPƯ cơng suất 2 MW của Thái L an hi ện đang chiếu thương mại với khoảng 100 kg/năm. + LPƯ 30 MW (vận hành ở 15 MW) của Indonesia hiện đang chiếu thương mại khoảng 2 tấn đá Topaz/năm. Ỵ Cần LPƯ cơng suất trên 10 MW. -Giỏ chiếu đá 30kg tại cơng suất lị 15 MW của Indonesia, thời gian chiếu 11 ngày (max). 44
  45. 3. Các hiệu ứng do chiếu xạ nơtron của LPƯ Cĩ thể thiết kế 2 loại hốc chiếu đá: + Chiếu xạ trong vùng hoạt (in-core), khơng bọc các chất hấp thụ nơtron nhiệt, làm nguội trực tiếp bằng nước lị. Thời gian chiếu nhanh do thơng lượng nơtron cao. Đá bị kích hoạt bởi nơtron nhiệt nên phải giữ đá tối thiểu là 6 tháng đến 2 năm để giảm hoạt độ phĩng xạ tới mức cho phép là 2 nCi/gam. Ví dụ, lị RSG-GAS của Indonesia cĩ cơng suất thiết kế 30 MW nhưng chỉ vận hành ở cơng suất 15 MW, cĩ 4 hốc chiếu tùhtrong vùng hoạt, mỗihi hốc chhhéo phép chiếu đến 1.5 kg đá, thời gian chiếu < 10 giờ. + Chiếu xạ ngồi vùng hoạt (ex-core), container kín nước và bọc chấtht hấp thụ nơtthiron nhiệt(t (ch ẳng hạn Cd, Gd , I n, ) . Vì vậy cần cĩ hệ thống làm nguội đá bằng khí trong quá trình chiếu xạ. Chẳn hạn, lị RSG-GAS cĩ 2 hốc chiếu ngồi vùng hoạt, mỗi hốc cho phép chiếu đến 30 kg đáthá, thờiigianchi gian chiếulàu là 11 ngày; th ời gian làm nguội phĩng xạ khoảng 3 tháng. 45
  46. 3. Các hiệu ứng do chiếu xạ nơtron của LPƯ 3. Chuyển hĩa Actinide (Actinide transmutation ) Quá trình cháy nhiên liệu trong LPƯ, cùng với các sản phẩm phân hạch một lượng nhỏ chất thải hạt nhân độc hại họ actinide được sinh ra. Một số đồng vị họ actinide cĩ thời gian sống rất dài và khĩ bảo quản để cách ly chúng với mơi trường. Chẳng hạn, khi chi ếu xạ các đồng vị Te-99, chúng sẽ hấp thụ nơtron nhiệt và chuyển thành Te-100, rồi sau đĩ phân rã thành đồng vị Ruthenium bền trong vịng vài phút; một số actinid e khá c nh ư Plut oni um, N ept uni um, A meri ci um và Curium khi chiếu trong LPƯ chúng lại chịu quá trình phân hạch để vỡ ra thành các mảnh vỡ phân hạch là các đồng vị bền hay phĩng xạ nhưng cĩ thời gian sống ngắn hơn nhiều lần (đa số cĩ chu kỳ bán rã nhỏ hơn 30 năm). 46
  47. 4. Nghiên cứu vật liệu qua các kênh ngang của LPƯ Các thành tựu của tán xạ nơtron 47
  48. Những thiết bị khai thác kênh ngang của LPƯ 48
  49. Các thiết bị khai thác kênh ngang tại lị HANARO Ex-Core Neutron IR Port In service Irradiation Facility NAA (ENF), 2005 developing PTS, 1995 ST1 Port Prompt Gamma Neutron Activation NR Port Analysis(PGAA), 2003 Neutron Test Station(TS) & Radiography Residual Stress Facility (NRF),1997 Instrument(RSI), Upgrade 2003 Small Angle Neutron ST4 Port Scattering (SANS),2001 Triple Axis CN Port Spectrometer (TAS), 2010 Cold Neutron Guide Bunker Neutron Reflectometer, ST3 Port ST2 Port High Resolution Powder Diff. (REF-H), 2008 High Intensity Powder (HRPD),1998 Bio-Diffractometer Diff. (HIPD), 2008 (Bio-D), 2010 Four Circle Diffractometer 49 (FCD),1999 Upgrade ’05-’06
  50. Application fields : •PNS : polarize neutron test & developing •RSI : residual stress •TS : test of monochromators, detectors, mirrors, collimators NRF PNS/TS SANS CTAB 0.1M /NVS25500 120 D1=24,D2=8,L2=3000,BS Aveage : 325counts/sec/ 100 80 60 Y channel 40 20 20 40 60 80 100 120 X channel Application fields : Application fields : •Defects in metallic & ceramic •Nuclear Engineering materials •Ordnance/Defense/Aerospace •Complex liquids Industries (microemulsions, colloids, LC etc.) •Archaeological Specimens •Structure & morphology of FCD HRPD polymer Application fields : Application fields : •Single Crystal Diffraction •Crystal / Magnetic Structures Analysis •Phase Transition •Texture Measurement and Analysis •Quantitative Phase Analysis c 9 K 20 K 30 K 40 K 50 K 60 K 70 K 80 K 90 K 95 K 98 K 99 K 100 K 102 K 104 K 150 K 220 K b Li 10 1550 20 25 30 35 40 45 50 a 2theta [deg.]
  51. Nhiễu xạ kế dạng bột phân giải cao (High Resolution Powder Diffractometer) Design Characteristics 2 θM 44°, 65 °, 90 °, 120 ° • -1 •λ 0.980 – 2.510Å (Qmax = 11.105Å ) Collimation •α1=6/10/20/open(50’),α2=30/open,α3=10’ •Flux 1.1x106 n/cm2 · s @ sample (Ge(331) α1=20’, α2=30’, α3= 10’, 2θM=90°) -3 •Δd/d 2.00x10 (at tan θB/tan θM=1.10) •Detector 32- 3He Multi-detector PSD(1-D: 10x20, 20x10 cm2, 2-D: 20x20 cm2) Applications • Crystal structures •Installed @ST2 port in 1997 Ceramics, Metals, Alloys, Chemical Compounds, etc Superconductors, CMR materials, Dielectric materials, Sample environments • Nuclear Fuel and Structural Materials - CCR (10~300K) •Phase Transition - Vacuum Furnace (300-1300K) • Magnetic Structures Quantitative Phase Analysis - Magnet+CCR (0.8T / 10K) • • Texture Analysis combining with FCD data 51
  52. Nhiễu xạ kế dạng bột phân giải cao (High Resolution Powder Diffractometer) ~ Magnetic Structure and ~ Engineering materials Magnetic Phase Transition QPA of retained austenite in steel KMnCl3, GaCMn3 , LaMnO3 Small hydrogen content in materialsNeutron Incoherent Scattering summing region HRPD 0 20406080100120 neutron 1-D PSD has spin lattice with ordered 20 30 40 50 60 70 80 spin(antiferromagnetic) 2 Theta ((gdegree) Calibration data of the hydrogen content in zircaloy measured by HRPD and 1-D PSD Hydrogen Content (μg/g) 9 K 0 50 100 150 200 250 300 350 20 K 35.0k 30 K 40 K 50 K 4 PSD (BKG=8,206) 60 K 30.0k ) HRPD (BKG=8,209) 70 K gneton] ss 80 K aa 90 K 3 95 K 25.0k 98 K 99 K 100 K 102 K 2 20.0k 104 K 150 K 220 K 15.0k NIS(PSD) = 11335(100) + 42.13(0.64) x c 1 NIS(HRPD) = 12166(95) + 27.40(0.53) x c 10 15 20 25 30 35 40 45 50 NIS sum (counts/600NIS sum c: hydrogen content in μg/g 2theta [deg.] 10.0k 0 R(PSD)=0.99896, R(HRPD)=0.99796 agnetic[Bohr Moment m 0 20 40 60 80 100 Magnetic Phase M T [K] 02468101214 Transition Number of Polypropylene sheets (AFM - PM) of KMnCl 3 52
  53. Nhiễu xạ kế 4 vịng (Four Circle Diffractometer) Design Characteristics •2 θM -45° •Wavelength 0.997Å •Beam Collimation α1=20’, 30’,open(52’), α2=55’, α3=18’, open(60’) •Neutron Flux 6.6x105/cm2/sec at Sample (Ge(331) α1= open) Detectors He-3 gas •proportional counter Effective Beam Dimension 30mm dia. at •sample •ScanningApplications mode ω-2θ coupled •Installed at ST2 port in 1999 • Singl le Cryst al Diffracti on Anal ysi s Crystal structure determination •Major uses Hydrogen-deuterium problem • Single crystallography Phase transition • TtTexture measurement MlMolecu lar disor der •Monochromator & PSD Magnetic Materials(magnetic structure) works • Texture Measurement and Analysis 53 • Protein Crystallography (near future)
  54. Nhiễu xạ kế 4 vịng (Four Circle Diffractometer) • Study of Lightweighting Steel for Autoboby • Single Crystal Diffraction Analysis Interstitial free(IF) steel, TRIP steel Hydrogen-deuterium problem - Texture Measurement and Analysis Magnetic Materials(magnetic - Recrystallization mechanism & Formability structure) • Protein Crystallography (near future) Packing diagram of DKDP 1.000 Pole figures of cold rolled IF steel y/b The projected ODF In Φ 0o & nuclear density map of DKDP 45 o section 0.000 0.000 x/a 1.000 54
  55. So sánh giữa các loại tán xạ (tán xạ electron, tia x và neutron) 55
  56. Phổ kế tán xạ nơtron gĩc nhỏ (Small Angle Neutron Spectrometer) λ d ≈ nλ = 2d sin (θ) 2θ 56
  57. Phổ kế tán xạ nơtron gĩc nhỏ (Small Angle Neutron Spectrometer) Design Characteristics • γ/n – Filter LN2 cooled Bi/Be filter • λ 4.3 ~ 8.5 0.85 Å (by NVS), Δλ/λ(FWHM)~10% • Collimator Pin hole type • Detector 2D-PSD(3He), 65x65cm2 with 5mm2 resolution • Sample 5~15mm diameter Q-range 0.06 to 6nm-1 • -1 2 • Flux @sample : Qmin(nm ) Is (n/cm ·s) 0.06 5 x 103 0.1 1 x 104 1.0 1 x 105 Applications Installed @CN port in 2001 • • Defects in metallic and ceramic materials • SlEiSample Environmen t • Critical phenomena in phase transitions - Circulation bath (20~80C) • Kinetics of diffusion controlled phase separation - Heating block (RT~200C) • Complex liquids (microemulsions, colloids, LC ) - Electromagg(net (0~1.5 T) • Structure and morphology of polymer systems - Magnet+CCR (0.8T / 10K) • Structural studies of biological macromolecules. 57
  58. Phổ kế tán xạ nơtron gĩc nhỏ (Small Angle Neutron Spectrometer) ~ Recrystallization mechanism in ~ Study of Micelle structure in liquid IF steel - Structure change as a temperature - strongly affected by nano-size precipitates - Formation of micoemulsion by octanol Size distribution of precipitates addition PGLA-PEO-PLGA tri-block Copolymer Micelle : structure change as a temperature 200 H1 180 H2 H3 160 140 120 Hardness(Hv) 100 80 500 550 600 650 700 750 800 Temperature(¡É) 0.1M CTAB+Octanol -5 H1 2.0x10 H1-R H2 H2-R 1.5x10-5 ution H3 H3-R 1.0x10-5 Volume distrib 5.0x10-6 000.0 Ellipsoidal Micelle Microemulsion 0 102030405060708090100 Diameter(nm) 58
  59. Các lĩnh vực nghiên cứu sử dụng nơtron lạnh (Cold Neutron) Thermal Neutron Cold Neutron 59
  60. Hệ lấy nguồn nơtron lạnh Ven Gas blanket tillat ion Vacuum pump Cold Box He compressor Standby Cooling Sys. Electrical I&C system 60
  61. Hệ lấy nguồn nơtron lạnh With cold source Without cold source trontron intensityintensity uuuu NeNe 1 10 Energy (meV) 61
  62. Kênh dẫn dịng nơtron lạnh tại lị HANARO (năm 2008) • Cold Neutron Source • Neutron Guide • Spectrometers • Cold Neutron Laboratory DC-TOF : Disc Chopper Time of Flight 62
  63. Các thiết bị khai thác kênh ngang tại lị HANARO (năm 2010) 63
  64. Các thiết bị sử dụng dịng nơtron lạnh tại lị HANARO DC-TOF Detector shield Dynamic phenomena Detector - 0.1 ~ 25 meV array - 2 - 60 nm-1 chopper 40m SANS ide gu Sample chamber Nano size 1-500 nm inhomogenieties Incident neutron Cold TAS Motor for table translation Guide EtEmpAperturety Dynamic phenomena Future use - 20 μeV ~ 10 meV - 2 - 50 Å 64
  65. Các kênh dẫn dịng nơtron lạnh tại lị HANARO (dự kiếnnn năm 2012) - Completion of guide installation - Development and installation of phase-II spectrometers - Utilization sharing and support 65
  66. Các thiết bị dùng với nguồn nơtron lạnh 66
  67. Bố trí các kênh dẫn dịng nơtron của lị HANARO road way walk way 67
  68. Các LPỨ nghiên cứu sử dụng kỹ thuật tán xạ mạnh nhấthit hiệnnayn nay Các thiết bị nghiên cứu tán xạ nơtron tại lị nước nặng NBSR, 20 MW của Viện NIST – National Institute of Standards and Technology, Hoa Kỳ. 68
  69. Các LPỨ nghiên cứu sử dụng kỹ thuật tán xạ mạnh nhấthit hiệnnayn nay The Institute Laue Laue-Langevin Langevin, Grenoble 69
  70. Các LPỨ nghiên cứu sử dụng kỹ thuật tán xạ mạnh nhất hiện nay 70
  71. Các LPỨ nghiên cứu sử dụng kỹ thuật tán xạ mạnh nhất hiện nay 71
  72. So sánh về cơng nghệ nghiên cứu thế giới vi mơ 72
  73. 5. Chụp ảnh nơtron (Neutron Radiography) ~ Nuclear Engineering ~ Aerospace Industries ~ Offence / Defense Industries ~ Metallurgy ~ Archaeological Specimens - B, Li, U distribution - Micro-voids/ inclusions Turbin blade Neutron X-ray Detonators, Explosive Archaeological Specimens Boron distribution in steel Irradiated Fuels 73
  74. 55 Chụp ảnh nơtron (Neutron Radiography) Design Characteristics Exposure Room 1st room 2nd room • Collimations ratio (L/D) 206 290 • Thermal Neutron Flux(n/cm2/s) 1.13x107 5.07x106 • Beam Uniformity(σ) ~7% • Cadmium Ratio ~45 • Neutron/γ (n/mrem/cm2) 3.9x106 • Effective Beam Size (mm2) 250x350 350x450 • ASTM Designation NC-H-C = 75-8-7 Applications Installed at NR beam port in 1996 • Nuclear Engineering Irradiated Fuels, Reactor Components • Non-destructive test of materials, Ordnance/Defense Industries internal structure of unknown • systdtems, and edtiducation program Detonators, Explosive bolts, FCDC, etc. for student practice, etc. • Archaeological Specimens : bronze dagger, ring, etc. • Aerospace Industries(composite specimens): • Certification of NDT&E under turbine blade KOLAS (ISO 17025 equivalent) system in early 2003 • Consumer industries, mostly Motor industry • Metallurgy • Autoradiography technique for B B, Li, U distributions, Micro-voids / Inclusions and U, etc distribution detection 74
  75. 5. Chụp ảnh nơtron (Neutron Radiography) 75
  76. 66 Chữa bệnh bằng bắt nơtron của boron (BNCT) BNCT (Boron neutron capture therapy) là một phương pháp điềutru trị cănnb bệnh ung th ư lý t ưởng, là ph ương pháp cĩ th ể tiêu diệt được các tế bào khối u mà khơng gây tổn hại đáng kể đến các tế bào bình thường ở xung quanh. Nguyên lý cơ bản của phương pháp BNCT là dựa vào phản ứng bắt nơtron và phát hạt alpha của nguyên tố B-10 và được mơtơ tả bằng phản ứng (n, α)h) như sau: n + B-10 → *B-11 → Li-7 + α + γ Phân chia năng lượng sau phản ứng: + Động năng của hạt α là ≈ 1,47 MeV + Động năng của Li-7 là ≈ 0,84 MeV + Năng lượng của bức xạ gamma là ≈ 0,48 MeV 76
  77. 66 Chữa bệnh bằng bắt nơtron của boron (BNCT) - Cĩ tính chọn lọc và khu trú ở mức độ tế bào - Thử nghiệm lâm sàng cho loại u não - Phát triển phương pháp cho việc tiêu diệt các loại tế bào u khác - Phát t ri ển cááhc hợp chất của BBto tốtth hơn 77
  78. 66 Chữa bệnh bằng bắt nơtron của boron (BNCT) Phương pháp BNCT cĩ ưu điểm quan tr ọng h ơnnsov so với các phương pháp xạ trị thơng thường là BNCT tạo ra các hạt mang điện nặng (hạt α và ion Li-7) cĩ năng lượng cao và cĩ hệ số truyềnnn năng l ượng trên một đơnnv vị độ dài quãng ch ạy khá lớn. Các hạt mang điện gââáhiy ra các hiệu ứng siihhnh học vààtiê tiêu diệt các tế bào ung thư chỉ trên một khoảng chạy tương đương với kích thước của tế bào. 78
  79. 77 Xác định tuổi địa chất Cĩ 2 phương pháp phổ biến để định tuổi khống vật là: 1. Địa thời học dùng Argon dùng để xác định tuổi của khống vật với khối lượng nhỏ (mg) dựa vào sự phân rã phĩng xạ của Kali t ự nhiên trong mẫu. + Nguyên tắc của phương pháp là chiếu xạ mẫu trong LPƯ theo phản ứng 39K(n, p)39Ar, sau đĩ ghi đo các đồng vị bằng khốiphi phổ kế để xác định tỷ số 40Ar/39Ar. S ự cĩ mặtct của nguyên tố phĩng xạ Ar-40 phát ra trong mẫu là do quá trình phân rã K- 40. Do vậy, nếu xác định được lượng Ar-40 trong mẫu và khối lượng K-40 ban đầu thì cho phép xác định đượctuc tuổi địacha chất của mẫu vật. Bằng phương pháp này, các mẫu vật cĩ tuổi khá trẻ từ 2000 năm đến 4,6 tỷ năm (tuổi trái đất) cĩ thể được xác định tùy thuộccvàob vào bảnchn chấttc củama mẫu. 79
  80. 7. Xác định tuổi địa chất Cĩ 2 phương pháp ph ổ biến để định tu ổi khống v ậttlà: là: 2. Địa thời học dùng vết sản phẩm phân hạch để xác định tuổi củanha những khống v ậttch chứa Uranium , Apatites và Zircon. Apatit là một loại phốt phát canxi thường thấy trong đá granit và đá hĩa thạch. Zircon ở dạng silicat zirconi cũng thường thấy ở cáálc loại đáát tương tự. Tuổi của mẫu được xác định bằng cách đếm các vết phân hạch trong vật liệu do phân hạch ngẫu nhiên của U-238. 80
  81. 8. Tạo nguồn positron cho nghiên cứu cơ bản Khi LPƯ làm việc, chính nĩ là một nguồn phát hạt positron e+. + Positron cĩ th ể sử dụng nh ư mộtht hạt để thăm dị các khuyếttt tậtcĩt cĩ mật độ thấp trong vật liệu. + Kỹ thuật tương quan gĩc 2 chiều của bức xạ hủy hạt (Angular Correlation of Annihilation Radiation - 2D-ACAR) sử dụng m ột chùm positron cĩ cường độ cao để nghiên cứu bề mặt và chỗ giao nhau giữa các bề mặt. + Kỹ thuật 2D-ACAR ch o phé p đo với độ phân g iải rấthâbt cao phân bố mơ men động lượng electron theo chiều sâu, các khuyết tật địa phương, hệ thống các lớp mỏng và các bề mặt. + Ngồi ra, một chùm positron kích thước micro mét cĩ thể cho phép tái tạo hình dạng chiều sâu của khuyết tật ở các vật mỏng 2 mặt cĩ kích thước nhỏ hơn 1 micro mét. Các khuyết tật dạng lỗ trống cũng cĩ thể thăm dị và vẽ lên ở dạng 3 chiều. 81
  82. 8. Tạo nguồn positron Cĩ 3 phương pháp t ạoonênm nên một ngu ồn positron trên LP Ư: (1) Positron cĩ thể được tạo ra bằng cách kích hoạt một số loại vật liệu nhờ nơtron nhiệt. Bia chiếu bằng đồng kim loại (Cu) được đặtvàchit và chiếuux xạ ở trong vùng hoạtct củaLPa LPƯ, hoặc đượcbc bắn vào/ra khỏi vùng hoạt. Bia đồng sau chiếu xạ sẽ là nguồn phát các hạt positron. (2)Positroncĩth) Positron cĩ thể đượctc tạorabo ra bằng ph ương pháp chuy ển đổi gamma-positron. Khi chiếu xạ Cadmium kim loại (Cd) trong trường nơtron nhiệt của LPƯ, Cadmium bắt và hấp thụ các nơtron nhiệtnĩst, nĩ sẽ bứcxc xạ ra các hạt gamma cĩ năng l ượng cao (gamma cứng). Tiếp đĩ các hạt gamma lại được cho chiếu xạ lên bề mặt các kim loại như platium (Pt), volfram (W), chúng sẽ phát ra các hạt positron. (3) Positron cĩ thể được tạo ra bằng phương pháp chuyển đổi trực tiếp bằng tia gamma cĩ năng lượng cao. Các hạt gamma năng lượng cao sinh ra từ các mảnh v ỡ phân h ạch cho chi ếuutr trực tiếp lên bia volfram hoặc platium. 82