Luận văn tốt nghiệp nghiên cứu cấu trúc hạt nhân

Trong khuôn khổ của bản luận văn này tôi đã tiến hành thu thập số liệu chuyển dời gamma nối tầng của hạt nhân Cl36 được tạo thành từ phản ứng Cl35n,2γCl36 và Ti49 được tạo thành từ phản

Lời cảm ơn

Để hoàn thành hết khoá học cao học và làm luận văn tốt nghiệp, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình tới tất cả các thầy cô giáo trong Khoa Vật Lý và Phòng Sau Đại Học-Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên-Đại Học Quốc Gia Hà Nội, đặc biệt là các thầy ở Bộ môn Vật Lý Hạt Nhân đã tận tình truyền đạt cho tôi những kiến thức vô cùng quý báu và tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập tại trường, trong đó Thầy Phạm Đình Khang là người

đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp

Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ban lãnh đạo Viện Nghiên Cứu Hạt Nhân Đà Lạt và Phòng Vật Lý-Điện Tử Hạt Nhân, nơi tôi đã làm thực nghiệm đo đạc và xử lý số liệu trong bản luận văn

Qua đây tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới tất cả các bạn trong lớp cao học Vật Lý khoá 2004-2006 và các bạn trong nhóm chuyên ngành Vật Lý Hạt Nhân, những người đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập Đồng thời tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè và gia đình đã động viên tôi trong suốt quá trình học tập

Hà Nội ngày tháng 06 năm 2006

Nguyễn Xuân Kiên

mục lục

Chương I Một số đặc trưng trung bình của hạt nhân ở trạng thái kích thích và

sự phát triển của phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng (SACP)

……… 5

I.1 Tính toán cường độ chuyển dời nối tầng ………5

I.2 Một số đặc trung trung bình về cấu trúc hạt nhân……… 6

I.2.1 Mật độ mức hạt nhân………6

I.2.2 Độ rộng mức và hàm lực ……… 10

I.3 Các phương pháp ghi đo gamma kinh điển và vấn đề phông………14

I.4 Sự xuất hiện và phát triển của phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng ……… 15

Chương II Hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt ……….16

II.1 Hệ thống dẫn dòng nơtron ……… 16

II.2 Hệ thống đóng mở kênh dẫn dòng nơtron số 3 … ………17

II.3 Hệ thống nâng và di chuyển đầu dò của hệ đo SACP ……….18

II.4 Các khối chuẩn trực, dẫn dòng và che chắn bức xạ ………19

II.5 Hệ đo công biên độ các xung trùng phùng tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt ……… 21

II.5.1 Sơ đồ khối của hệ đo SACP ……….21

II.5.2 Nguyên tắc làm việc của hệ đo SACP ……….23

Chương III Lý thuyết xây dựng sơ đồ mức ………29

III.1 Phổ tổng và phổ vi phân ………29

III.1.1 Phổ tổng……… 29

III.1.2 Phổ vi phân ……….30

III.2 Vấn đề hiệu suất ghi của detector ……….31

III.3 Thuật toán xây dựng sơ đồ mức ………34

III.3.1 Thuật toán xây dựng sơ đồ mức nhờ phương pháp SACP ………… 34

III.3.3 Xắp xếp vào sơ đồ các mức chuyển dời quan sát được trong phản ứng

(n,γ) mà không quan sát được trong phản ứng (n,2γ)……… 36

III.3.4 Xác định thứ tự chuyển dời trong các chuyển dời nối tầng đơn lẻ… 37

III.3.5 Tính toán sự cân bằng cường độ chuyển dời ở trạng thái kích thích đủ lớn………38

III.3.6 Xắp xếp các chuyển dời từ phản ứng (n,γ) mà chúng không đưa được vào sơ đồ mức của phản ứng (n,2γ)……….38

Chương IV Kết quả thực nghiệm ………40

IV.1 Xây dựng đường cong hiệu suất ghi ……… 40

IV.2 Kết qủa thực nghiệm đối với Cl36……… 42

IV.2.1 Đường chuẩn năng lượng ……… 42

IV.2.2 Phổ tổng và phổ vi phân ……….44

IV.3 Kết qủa thực nghiệm đối với Ti49……… 47

IV.3.1 Đường chuẩn năng lượng ……… 47

IV.3.2 Phổ tổng và phổ vi phân ……….49

Kết Luận ……….53

Tài liệu tham khảo ……… 54

Phụ lục ………57

Mở Đầu

Việc nghiên cứu cấu trúc của các hạt nhân là một lĩnh vực rất khó khăn

và phức tạp cả việc đo đạc thực nghiệm và tính toán bằng lý thuyết đặc biệt là khi nghiên cứu các hạt nhân có năng lượng kích thích trong vùng 4 MeV tới

Bn Có nhiều cách khác nhau để nghiên cứu về cấu trúc hạt nhân chẳng hạn như thông qua các phản ứng hạt nhân hoặc thông qua phân rã phóng xạ của chính hạt nhân được nghiên cứu Trong khuôn khổ của bản luận văn này tôi đã tiến hành thu thập số liệu chuyển dời gamma nối tầng của hạt nhân Cl36 được tạo thành từ phản ứng Cl35(n,2γ)Cl36 và Ti49 được tạo thành từ phản ứng

Ti48(n,2γ)Ti49 thông qua phản ứng (n,2γ) nhờ phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng (SACP) Hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng (SACP) tại Đà Lạt thu thập dữ liệu dưới để lưu trữ và xử lý bằng máy tính Phương pháp này có ưu điểm là giảm phông rất lớn và tỷ số diện tích đỉnh trên phông cao hơn hẳn so với các loại phổ kế thông thường Hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng đã được lắp đặt và đi vào hoạt động tại viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt từ tháng 08/2005 và nhóm nghiên cứu tại đây vẫn đang tiếp tục cải tiến hệ đo để nâng cao chất lượng các phép đo Mục đích của luận văn là tìm hiểu về phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt, sử dụng hệ đo nói trên để tiến hành nghiên cứu thực nghiệm với các bia Cl35, Ti48 nhằm thu được các phổ tổng, phổ vi phân ứng với các

đỉnh tổng có diện tích lớn, xây dựng sơ đồ phân rã và tính toán cường độ chuyển dời nối tầng đối với hai hạt nhân trên

Chương I Một số đặc trưng trung bình của hạt nhân ở

trạng thái kích thích và sự phát triển của

phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng

Trong chương này sẽ giới thiệu một số mô hình lý thuyết khác nhau để tính một số đặc trưng trung bình của hạt nhân ở trạng thái kích thích như cường độ chuyển dời γ nối tầng, mật độ mức, độ rộng mức và hàm lực Ngoài

ra trong chương này cũng giới thiệu một số ưu nhược điểm của các hệ phổ kế gamma khác nhau và sự phát triển của hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng

I.1 Tính toán cường độ chuyển dời nối tầng

Vấn đề tính toán cường độ chuyển dời nối tầng đã được đề cập đến trong các luận án của Sukhovoj A.M., Phạm Đình Khang [a] Tóm lược nội dung của vấn đề đó như sau:

Cường độ chuyển dời nối tầng Iγγ liên quan giữa mức ban đầu i và mức cuối f qua trạng thái trung gian g theo được biểu diễn bằng công thức sau:

f i

C gf ig C

E E E

E E i

Γ Γ

ư Γ

Γ

γ

γγ , (1.1) với Γig và Γgf là độ rộng phóng xạ riêng phần của các chuyển dời γ của trạng thái đầu và cuối Γi và Γf là độ rộng phóng xạ toàn phần của trạng thái đầu và trạng thái cuối Eγ, (EC-Eγ) là năng lượng chuyển dời sơ cấp, và năng lượng chuyển dời thứ cấp

Nếu coi mức l là mức trung gian được tạo nên bởi các chuyển dời sơ cấp

có năng lượng nằm trong khoảng từ Eγ đến Eγ+ ∆E thì cường độ chuyển dời tổng cộng sẽ là:

ư Γ

C

E E E

E E i I

1

γ γγ

Vì trong thực nghiệm không xác định được trực tiếp được thứ tự chuyển dời của các lượng tử γ, nên chuyển dời với năng lượng (EC-Eγ) có thể là

chuyển dời sơ cấp, còn chuyển dời có năng lượng Eγ là chuyển dời thứ cấp Khi đó, cường độ phân rã γ nối tầng tổng cộng là một trong hai chuyển dời có năng lượng EC :

Γ

ư Γ + Γ

Γ

ư Γ Γ

ih l

C gf ig C

E E

E E

E E

E E I

1 1

h C

ih g g

i

C gf ig

C

E E E E

E E

2

E E

, E

Γ Γ

Γ Γ

ρ Γ

Γ

Γ Γ

∆

với h là chỉ số của mức trung gian tạo nên bởi chuyển dời sơ cấp với năng lượng (EC - Eγ) và <ρ> là mật độ mức trung bình trong khoảng năng lượng ∆E trong thực nghiệm, giá trị ∆Iγγ(Eγ,EC) tương ứng với diện tích phổ vi phân trong khoảng năng lượng ∆E Tổng các giá trị ∆Iγγ(Eγ,EC) theo các mức trung gian khả dĩ g và h được ký hiệu là Iγγ Vậy Iγγ là tổng cường độ của tất cả các phân rã γ nối tầng giữa trạng thái compound i và trạng thái cuối f

Từ biểu thức (1.4), ta dễ dàng thấy rằng cường độ tổng cộng của các phân rã γ nối tầng được xác định bằng tích độ rộng phóng xạ riêng phần với mật độ mức dưới năng lượng liên kết của nơtron trong hạt nhân Như vậy, để tính giá trị cường độ của phân rã nối tầng giữa trạng thái compound và một mức cuối, cần phải tính giá trị mật độ mức hạt nhân ở năng lượng đã biết với các số lượng tử cụ thể và độ rộng phóng xạ riêng phần của chuyển dời giữa hai mức đó

I.2 Một số đặc trung trung bình về cấu trúc hạt nhân

việc tính toán mật độ mức trạng thái của hạt nhân được thực hiện bằng một số phương pháp sau đây:

Phương pháp này được dựa trên việc giải bài toán trị riêng, chúng ta sẽ thu được mật độ mức của hạt nhân (số trạng thái trong một khoảng năng lượng) nhờ việc giải bài toán trị riêng này Halmintonian của hạt nhân có dạng:

(1.5)

q pair

q

Hˆ là phần tương tác thặng dư trong kênh hạt-lỗ trống

Phương pháp này cho phép tính toán mật độ mức ở năng lượng kích thích bất kỳ trên cơ sở đã biết Hamiltonian của hạt khi nghiên cứu các trạng thái kích thích thấp Tuy nhiên, việc giải phương trình này trên thực tế là rất khó

* Phương pháp nhiệt động học :

Phương pháp này dựa trên việc xác định entropi của hệ Nếu chúng ta giả thiết hạt nhân là một hệ các hạt cô lập và được đặc trưng bằng M+1 tích phân chuyển động (M là số thông số tự do), thì sự liên hệ giữa mật độ trạng thái P của hệ và entropi S của hệ được biễu diễn bằng công thức sau:

π (1.6)

Để xác định P(q), ta cần xác định entropi của hệ, nhưng để làm điều này ta cần phải biết phổ trạng thái của hệ (giải bài toán trị riêng với Hamiltonian) Do vậy, biểu thức (1.6) không thể làm cơ sở để tính chính xác giá trị của mật độ mức

Phương pháp này dựa trên một số giả thiết để làm đơn giản vấn đề hơn:

Ví dụ coi hạt nhân nói trên như một hệ hạt khí tuân theo phân bố Fermi Trong những mẫu lý thuyết này, người ta chú ý tới các hiện tượng khác nhau không liên quan tới tính thống kê như sự tương tác cặp và dao động bề mặt của hạt nhân

Với những giả thiết về hạt nhân như một hệ khí tuân theo phân bố Fermi, thì mật độ mức trạng thái kích thích được xác định là hàm của năng lượng kích thích E với hai thông số a và σ [2] Sự phụ thuộc của mật độ mức vào năng lượng kích thích và spin có dạng:

( ) ( )

( )

4 / 5 4 / 1 3

2 2

E a 2 24

2

2 / 1 J aE 2 exp 1 J 2 J , E

σ

σ ρ

= (1.7) còn mật độ mức toàn phần phụ thuộc vào năng lượng theo công thức:

4 / 5 4 /

1 E a 2 12

aE 2 exp E

σ

ρ = (1.8) với a là thông số mật độ mức, σ2 là thông số phụ thuộc spin và được tính như sau:

2 62 aE m2

π

σ = (1.9) Các số liệu thực nghiệm về mật độ mức cộng hưởng nơtron hay chính xác hơn

là các số liệu về khoảng cách trung bình D giữa các cộng hưởng là thông tin trực tiếp kiểm tra sự đúng đắn của công thức (1.7) Việc so sánh thực nghiệm lập tức chứng tỏ rằng sự phụ thuộc nói trên cần bổ sung thêm những hiệu ứng không liên quan tới các giả thiết thống kê:

- Hiệu ứng cặp nucleon

- Hiệu ứng lớp [10]

Các số liệu thực nghiệm về thông số mật độ mức không phụ thuộc đơn

điệu vào số khối A Mối tương quan giữa tỷ số a/A và bổ chính lớp (thể hiện trong mẫu lớp) đã được phát hiện và nghiên cứu trong công trình [4] Sự tương

quan đó chỉ ra vai trò quan trọng của hiệu ứng lớp trong việc mô tả các đặc trưng thống kê của hạt nhân

Từ việc so sánh với số liệu thực nghiệm, người ta đã nhận thấy rằng trong một số trường hợp mật độ mức thấp được mô tả bằng công thức sau:

E 1exp 0

ρ (1.10) Cần lưu ý rằng, đối với các hạt nhân với A < 40 và những hạt nhân có N hoặc Z nhỏ hơn số magic 1-2 đơn vị thì việc mô tả mật độ mức như công thức (1.10) là không thích hợp cho vùng năng lượng liên kết của nơtron trong hạt nhân Điều này là do những hạt nhân này có số mức kích thích rất ít [4], việc chuyển sự mô tả mật độ mức từ vùng năng lượng thấp tới vùng năng lượng liên kết của nơtron ở trong hạt nhân là không đơn giản

Những điểm đặc biệt của thông số a được tính đến trong dạng chung

được mô tả trong giả thiết của phương pháp bổ chính lớp Các số liệu về sự tương quan của đại lượng a/A và bổ chính lớp là cơ sở để hệ thống hoá sự phụ thuộc của thông số a vào số khối A:

a A Z E

a , , ~ 1 0 , (1.11) trong đó f(E) và a~( )A liên quan đến các giá trị A và E thông qua các thông số

α = 0.154; β = -6.3ì10-5; γ = 0.054 MeV-1

Việc làm khớp đối với những hạt nhân trong những vùng nào đó có thể sẽ có giá trị khác nhau

Dilg W và các cộng sự đã đưa ra các phương pháp mô tả phân đoạn mật

độ mức của hạt nhân trong vùng năng lượng kích thích từ 0ữ10MeV [11] Cơ

sở của phương pháp này dựa trên các hệ thức của mẫu khí Fermi với sự dịch chuyển ngược phụ thuộc vào năng lượng kích thích E và moment góc J có dạng:

( )

( )5 / 4 4

/ 1 3

2

2 24

2

1 2

exp 1 2 ,

t E

a

J J E

a J

J E

/ 1 2 12

2 exp

t E

a

E a E

(1.16)

t at

aE =

=

π

σ (1.17) Các biểu thức (1.14) và (1.15) không chuyển thành biểu thức của mẫu khí Fermi khi ∆ = 0, chúng chỉ có dạng gần giống các biểu thức của mẫu khí Fermi và không phân kỳ khi E → 0 đối với ∆ ≤ 0

Các đại lượng a, ∆ và J được xác định từ số liệu thực nghiệm Giá trị a

và ∆ được chọn ở giữa giá trị Jtb và Jtb/2 với Jtb = 2/5MR2 , với R = 1.25A1/3 fm:

được bằng cách sử dụng mẫu siêu chảy để tính hiệu ứng chẵn lẻ

Nếu so sánh a và ∆ thu được với J = Jtb và J = Jtb/2 cho thấy: Với hạt nhân có A > 70, các giá trị ∆ khác nhau cỡ 0.1MeV, còn các giá trị của a khác nhau cỡ 8%

Qua việc so sánh các số liệu thực nghiệm với các giá trị lý thuyết [3,4,7,7] cho thấy mẫu khí Fermi có tính đến sự không đồng nhất của mẫu lớp

để tính mật độ mức Sử dụng mẫu khí Fermi với sự dịch chuyển ngược để tính cường độ phân rã γ nối tầng [3], các thông số được lựa chọn với moment trung bình bằng một nửa moment quán tính của vật rắn

I.2.2 Độ rộng mức và hàm lực

Theo Vaiskop, cường độ phân rã nối tầng không chỉ phụ thuộc vào mật

độ mức mà còn phụ thuộc vào tỷ số giữa độ rộng mức riêng phần và độ rộng mức toàn phần Điều đáng chú ý là thông tin về độ rộng mức riêng phần chỉ thu được thông qua tính toán lý thuyết Cơ sở chung cho việc tính toán lý thuyết này là lý thuyết nhiễu loạn vì hằng số tương tác giữa nucleon và trường

điện từ là 1/137 Sự phân tách thế véctơ của trường điện từ theo đa cực với gần

đúng sóng dài là:

( ) λ[ ( (λ ) ) ] ( λ

λπ

E

P if

1 2 2

! 1 2

1 8

h

h ) (1.18)

với ∆ là ký hiệu chuyển dời điện hoặc từ (E hoặc M tương ứng) B(∆λ) là xác suất chuyển dời điện từ, tỷ lệ với bình phương yếu tố ma trận chuyển dời trong đó:

0 0 2

0

λππ

R e dr r r rU r U

e

M if f i (1.19)

Đánh giá này dựa trên giả thiết là Uf(r) và Ui(r) là hàm sóng của một nucleon bằng 0 ở ngoài hạt nhân Điều này dẫn tới kết luận là xác suất bay ra của lượng tử có đa cực bậc λ tỷ lệ với E2 λ+1

Trong thực tế, việc tính toán yếu tố ma trận chuyển dời rất phức tạp, hơn nữa các yếu tố ma trận chuyển dời còn phụ thuộc vào khoảng cách năng lượng giữa hai mức Vaiscốp đã giả thiết rằng tỷ số của bình phương yếu tố

ma trận chuyển dời trên khoảng cách Di giữa các mức ban đầu của chuyển dời

là hằng số và bằng đại lượng tương ứng tính ở mẫu một hạt:

mh

mh i

if

D

M D

M2 2

= (1.20)

là các hằng số Các đại lượng K(Eλ) và K(Mλ) được gọi là hàm lực Như vậy

ta có thể tính được các giá trị độ rộng mức riêng phần của chuyển dời (loại và bậc đa cực) nếu như ta biết được hàm lực ( từ thực nghiệm) Giá trị của hàm lực là khác nhau trong khoảng năng lượng 1ữ15 MeV, điều này chứng tỏ giả thiết trên chỉ là gần đúng rất thô

Một cách khác là sử dụng nguyên lý cân bằng chi tiết và một số giả thiết cho phép tìm được độ rộng mức riêng phần, còn tiết diện hấp thụ lượng

tử γ lưỡng cực có dạng cộng hưởng khổng lồ, cộng hưởng khổng lồ được gây lên bởi sự dao động tập thể của các nucleon bên trong hạt nhân Độ rộng mức của chuyển dời γ lưỡng cực là:

( )

( ) [ ( 2 2)2 2 2]

0 2 4 2

1

g g i

E f i

E E E

E c

E D

Γ +

( )

i

E

D E A E

1

= (1.24)

K(E1 ) = 6 1 ì 10ư15MeVư5

Việc phân tích các thông số của cộng hưởng khổng lồ thu được từ độ rộng mức riêng phần trung bình của các chuyển dời E1 trong phản ứng (n,γ) cho giá trị:

(3 4) 10 15 5

) 1

K

Để thu được kết quả tốt hơn các kết quả thực nghiệm, người ta đã đưa ra giả thiết là tiết diện hấp thụ năng lượng của lượng tử γ nhỏ hơn năng lượng liên kết của nơtron có dạng khác với đường cong Lorent Daretxki và Xurotkin

đã giả thiết độ rộng của các cộng hưởng khổng lồ phụ thuộc vào năng lượng chuyển dời Còn Bondarenko và Urin giả thiết độ rộng cộng hưởng khổng lồ phụ thuộc vào nhiệt độ trạng thái cuối Việc kiểm tra giả thiết trên qua sự

đoán nhận giá trị độ rộng mức toàn phần của cộng hưởng nơtron cho thấy chúng là các giả thiết tốt Trong công trình của Catmenxki đã thu được sự phù hợp tốt giữa lý thuyết và thực nghiệm nếu đưa vào trong công thức (1.22) hệ số:

( )

g

E E

E T E

phụ thuộc vào năng lượng chuyển dời Eγ và nhiệt độ hạt nhân T

Có thể rút ra nhận xét là các hệ thức trên đặc trưng cho sự phụ thuộc trơn của độ rộng mức riêng phần vào năng lượng chuyển dời hoặc năng lượng kích thích Thực nghiệm nhận thấy cường độ phân rã nối tầng thay đổi theo năng lượng, tuy nhiên lại biến thiên không đều Vấn đề ở đây là xuất hiện trong các lý thuyết Vaiscốp và mẫu cộng hưởng khổng lồ, ảnh hưởng của cấu trúc các mức đầu và mức cuối liên quan tới chuyển dời γ lên yếu tố ma trận chuyển dời Mif đã không được tính đến Vấn đề này bắt đầu được khắc phục trong mẫu hạt nhân siêu chảy mà nó được phát triển trong công trình của Soloviev và các cộng sự [9] Trong lý thuyết, yếu tố ma trận chuyển dời Mif có thể được tính trực tiếp nếu có được số liệu về cấu trúc các trạng thái đầu và trạng thái cuối của chuyển dời γ Sự đúng đắn của việc mô tả cấu trúc trạng

thái đầu i và trạng thái cuối f quyết định độ chính xác của kết quả tính toán Vì thế, các kết quả lý thuyết này chỉ thu được đối với những chuyển dời từ trạng thái compound xuống các mức thấp Do khối lượng tính toán lớn và sự phức tạp của mẫu lý thuyết là trở ngại lớn đối với người làm thực nghiệm cho nên khả năng ứng dụng nó vào thực tế là chưa cao

I.3 Các phương pháp ghi đo gamma kinh điển và vấn đề phông

Để ghi nhận bức xạ γ, người ta sử dụng các hệ phổ kế γ Hệ phổ kế dùng để đo bức xạ γ hay còn gọi là phổ kế gamma có nhiều loại như phổ kế gamma đơn tinh thể, phổ kế Compton, phổ kế tạo cặp, phổ kế đối trùng triệt Compton…

Phổ kế gamma đơn tinh thể có ưu điểm là rất đơn giản, nhưng do nền phông Compton cao nên chỉ cung cấp tốt các thông tin về các chuyển dời γ có cường độ lớn và năng lượng của các đỉnh cách xa nhau

Phổ kế Compton có nhiều ưu điểm khi nghiên cứu các quá trình phân rã phức tạp, tuy nhiên nó vẫn không đáp ứng được khi nghiên cứu trong vùng trạng thái kích thích có mật độ mức cao, năng lượng kích thích gần năng lượng liên kết của nơtron Khi ghi nhận bằng các detector bán dẫn thì phổ có dạng phức tạp do quá trình tán xạ làm tăng phông hay ảnh hưởng của hiệu ứng tạo cặp khi năng lượng của tia γ lớn hơn 1,022 MeV

Hệ phổ kế tạo cặp chỉ ghi nhận những tia γ tới mà có xảy ra hiệu ứng tạo cặp nên nó có hiệu suất ghi và độ phân giải năng lượng thấp hơn phổ kế

đơn tinh thể, nhưng nền phông Compton được giảm một cách đáng kể Tuy nhiên, hệ không thể ghi nhận được các tia γ có năng lượng nhỏ hơn 1,022 MeV (không xảy ra hiệu ứng tạo cặp)

Hệ phổ kế đối trùng triệt Compton chỉ ghi nhận những tia γ tới detector

mà có xảy ra hiệu ứng hấp thụ toàn phần Như vậy phổ thu được chủ yếu là

đỉnh hấp thụ quang điện, phông do ảnh hưởng của hiệu ứng Compton hay hiệu ứng tạo cặp gần như được loại bỏ (mức độ tuỳ thuộc vào hiệu suất ghi của

xác suất xảy ra hiệu ứng hấp thụ toàn phần, còn độ phân giải phụ thuộc vào độ phân giải của detector chính Hệ phổ kế đối trùng triệt Compton có nhiều ưu

điểm hơn so với các hệ phổ kế khác nhưng phông Compton cũng chỉ giảm

được khoảng 30%

I.4 Sự xuất hiện và phát triển của phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng

Phương pháp trùng phùng γ-γ để nghiên cứu phân rã γ nối tầng ban đầu

được sử dụng với các detector nhấp nháy, sau đó các detector nhấp nháy được thay thế bởi các detector bán dẫn Các detector bán dẫn lại có hiệu suất ghi nhỏ hơn nhiều so với detector nhấp nháy nhưng có độ phân giải năng lượng cao hơn Phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng sử dụng hai detector nhấp nháy chỉ nghiên cứu được những phân rã nối tầng của các hạt nhân có sơ đồ mức đơn giản và năng lượng kích thích thấp, do detector nhấp nháy có độ phân giải năng lượng thấp

Hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Một trong những ứng dụng đặc trưng của hệ

là thu thập các số liệu thực nghiệm về năng lượng và cường độ chuyển dời γ nối tầng của các mức kích thích cao của hạt nhân (dưới năng lượng liên kết của nơtron với hạt nhân) Đây là những thông tin có ý nghĩa rất quan trọng đối với cả lĩnh vực cấu trúc hạt nhân và số liệu hạt nhân

Từ năm 1981 tại phòng thí nghiệm liên hợp nghiên cứu hạt nhân Dupna xuất hiện các công trình nghiên cứu về phân rã γ nối tầng khi hạt nhân bắt nơtron nhiệt Theo thời gian, sự hoàn thiện về phương pháp thực nghiệm cũng như việc lựa chọn lý thuyết tính toán ngày một tốt hơn

Hiện tại tại một số phòng thí nghiệm trên thế giới cũng đã và đang sử dụng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng với các detector bán dẫn siêu tinh khiết HPGe và đã thu được một số kết quả khả quan Hiện tại ở Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt cũng được trang bị hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng với detector bán dẫn siêu tinh khiết Ge Hệ đo này đã

đ−ợc lắp đặt và hoạt động từ tháng 08/2005 và nhóm nghiên cứu đang có một

số cải tiến mới về hệ đo để có thể thu đ−ợc các kết quả tốt hơn nữa

4 kênh dẫn dòng nơtron Hiện tại kênh số 4 đ−ợc sử dụng cho mục đích phân tích kích hoạt nơtron gamma tức thời (PGNAA), kênh số 3 đ−ợc sử dụng cho mục đích nghiên cứu số liệu và cấu trúc hạt nhân thông qua phản ứng (n,2γ)

Do không gian bên ngoài cửa kênh khá chật hẹp cho nên việc bố trí hệ đo phải rất tối −u Các thiết bị che chắn và di chuyển đầu dò đã đ−ợc thiết kế rất chính xác và hợp lý

Bảng II.1: Các đặc tr−ng nơtron của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

đây hệ thống dẫn nước vào kênh được điều kiển bằng tay, còn hiện này hệ thống này đã được thay thế bằng các bơm nước chạy bằng điện (sơ đồ khối

được mô tả trong hình dưới đây)

ống dẫn nước

Hình II.1: Sơ đồ hệ thống đóng mở kênh dẫn dòng nơtron số 3

tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

II.3 Hệ thống nâng và di chuyển đầu dò của hệ đo

Do kênh số 3 có một cửa sắt ở phía ngoài, chỉ được mở khi tiến hành thí nghiệm và phải đóng kín khi không thực hiện thí nghiệm hoặc khi lò ngừng hoạt động Các đầu dò của hệ đo cần được bố trí càng gần miệng kênh càng tốt, song vẫn phải đảm bảo yêu cầu về phông phóng xạ và có thể di chuyển dễ dàng để đóng mở cửa sắt Để đáp ứng nhu cầu đó, hệ nâng và di chuyển đầu

dò phải được thiết kế bằng thép và được đặt trên các ray dẫn hướng sao cho có thể dịch chuyển vào gần hoặc ra xa miệng kênh Cấu trúc của hệ được mô tả như hình dưới đây

Phía trước mặt bàn được chia làm hai khu vực: khu vực bố trí mẫu và khu vực bố trí các chuẩn trực phụ Kết cấu của hệ này cho phép hai đầu dò cùng với các khối che chắn bức xạ có thể di chuyển vào gần hoặc ra xa cửa

ống báo mức nước

Bình chứa nước

Bơm

điện Thùng chứa nước

ngoài kênh

kênh và song song với chùm nơtron Với thiết kế như vậy, yêu cầu đóng kín kênh khi không tiến hành thí nghiệm được thực hiện một cách dễ dàng

Hình II.2 : Hệ thống nâng và di chuyển đầu dò

II.4 Các khối chuẩn trực, dẫn dòng và che chắn bức xạ

Các khối chuẩn trực và dẫn dòng gồm hai loại có đường kính 1.2cm và 2.5 cm tương ứng với kích thước đường kính của chùm nơtron Các khối chuẩn trực và dẫn dòng nơtron được chế tạo bằng các vật liệu có tiết diện hấp thụ nơtron lớn như B, parafin, Li, Cd…, ngoài ra còn có các khối chuẩn trực bằng chì để giảm các tác động của phông γ từ phía lò đi vào các detector tạo ra các trùng phùng γ-γ của phông hoặc γ của mẫu với γ của phông làm tăng sai số của phép đo và làm phức tạp thêm quá trình xử lý

Phía ngoài kênh được bố trí thêm các khối chuẩn trực thứ cấp bằng parafin, phía ngoài các khối chuẩn trực và quanh hai detector được bố trí các khối chì có chiều dày tối thiểu là 5cm ở các mặt

Vị trí và phân bố của chùm nơtron tại vị trí đặt mẫu được xác định bằng

kỹ thuật chụp ảnh: giá trị thông lượng Φth và Φepi, tỷ số Cd (RCd) của chùm tại

vị trí mẫu tương ứng với trường hợp không có các phin lọc:

Φth ≈ 2.964ì107n/cm2s

Φepi ≈ 3.98ì106 n/cm2s

RCd ≈ 8.45 Các vị trí và giá trị suất liên quan đến suất liều được cho trong bảng dưới đây:

Bảng II.2: Suất liều gamma và nơtron tại một số vị trí trong khu vực bố trí hệ

đo ( Kết qủa của Phòng ATBX)

Towards water tank

80 mm

150 cm

lead graphite borated paraffin

air water borated heavy concrete

Hình II.3: Sơ đồ mặt cắt ngang kênh dẫn dòng số 3

Vị trí được chọn đo liều là những vị trí có liên quan đến người làm thí nghiệm và liên quan đến phông bức xạ của hệ đo Các giá trị đo cho thấy các thao tác đóng mở kênh, thay mẫu, hoặc vì một lý do nào đó phải ra vào kênh trong lúc lò đang làm việc (hệ đo đang làm việc) là hoàn toàn có thể chấp nhận được theo các tiêu chuẩn về an toàn bức xạ hiện hành

76

5

1

63

2

Hình II.4: Các vị trí kiểm tra liều bức xạ

(1 - Vị trí ra vào cửa kênh, 2 - Vị trí đặt bình nước, 3 - Vị trí cách tâm chùm 15cm và cách miệng kênh 10cm, 4 - Vị trí đặt detector, 5 - Vị trí cách beam stop 2cm và cách tâm chùm 15cm, 6 - Vị trí dành cho người thao tác khi mở kênh, 7 - Vị trí phía sau beam stop)

II.5 Hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng (SACP) tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

II.5.1 Sơ đồ khối của hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng:

Hệ phổ kế công biên độ các xung trùng phùng tại Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt đã được lắp đạt và đưa vào sử dụng từ tháng 8/2005 Hệ được lắp

đặt tại lối ra của kêng ngang dẫn dòng nơtron số 3 của lò phản ứng Sơ đồ khối của hệ đo được mô tả trong hình dưới đây Các thiết bị của hệ đo gồm có:

- Hai detector bán dẫn siêu tinh khiết GC 2108 của hãng Canberra

- Hai khuếch đại phổ 572A của hãng Ortec

- Hai ADC 8713 của hãng Canberra

- Hai khối trùng phùng nhanh FFT 474 của hãng Ortec

- Hai khối phân biệt ngưỡng nhanh CFD 584 của hãng Ortec

- Khối dây trễ

- Khối cao thế HV 660 của hãng Ortec

- Khối nguồn nuôi Model 4002D của hãng Ortec

- Khối MPA chế tạo trong nước

- Máy tính PC

Hai detector được bố trí trên hệ nâng và di chuyển đầu dò, được che chắn bằng các thiết bị bảo vệ bức xạ làm bằng các vật liệu có tiết diện hấp thụ nơtron và γ lớn như B, Li, Pb, … để giảm phông γ và nơtron tác động vào các detector đến mức tối đa có thể được Hệ đo được ghép nối với máy tính thông qua một card thu nhận dữ liệu (MPA) hay Interface Interface có nhiệm vụ

đưa dữ liệu từ hệ đo vào máy tính để lưu trữ và xử lý bằng các phần mềm Nó

được thiết kế có bộ nhớ RAM, với tính năng hoạt động như một máy tính thu nhỏ để thu thập dữ liệu từ hai ADC Việc ghép nối hệ đo với máy tính được thực hiện qua cổng USB của máy tính Số liệu đo được lưu giữ ở dạng code ở trên ổ cứng của máy tính để thuận tiện cho việc xử lý số liệu

ADC 8713

572A

Hình II.5: Sơ đồ khối của hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng

tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

II.5.2 Nguyên tắc làm việc của hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng:

Khi có phân rã γ nối tầng, hai detector được bố trí ngược nhau 1800 sẽ ghi nhận hai lượng tử γ này (do tương quan góc của các lượng tử phân rã γ nối tầng thường gần 1800 để thoả mãn định luật bảo toàn xung lượng) Hai tín hiệu lối ra T (time) của hai detector sẽ được các khối khuếch đại nhanh FFT

474 khuếch đại và tạo dạng cần thiết, sau đó đi tới các khối gạt ngưỡng nhanh CFD 584 Xung ra từ các khối gạt ngưỡng nhanh đi tới lối vào của khối trùng phùng nhanh 414A Khối trùng phùng nhanh có cửa sổ thời gian tối thiểu là 10ns và xác định điều kiện trùng phùng theo mặt tăng của xung Lối ra của khối trùng phùng sẽ là xung dương và xung này được sử dụng để mở Gate của hai ADC Như vậy nếu có phân rã γ nối tầng được ghi bởi hai detector thì sẽ

có một xung dương ở lối ra của khối trùng phùng nhanh cho phép hai ADC

được biến đổi Gạt ngưỡng nhanh CFD 584 được sử dụng để loại trừ nhiễu,

ảnh hưởng của các tia γ mềm Việc lựa chọn giá trị ngưỡng của các khối CFD

584 là rất quan trọng, vì nếu thấp quá sẽ xuất hiện trùng phùng với phông γ mềm hoặc γ tán xạ giữa hai detector, nếu cao quá thì sẽ mất dữ liệu có ích và không đủ thống kê, cần phải kéo dài phép đo

Tín hiệu lối ra E của hai detector được các khối khuếch đại phổ 572A khuếch đại và tạo dạng cần thiết để cho hai ADC biến đổi Tín hiệu ở lối ra các khuếch đại phổ trễ hơn so với tín hiệu lối vào một lượng tuỳ theo thời gian hình thành xung của bộ khuếch đại (cỡ às), trong khi tín hiệu ở lối ra của khối trùng phùng nhanh trễ hơn so với tín hiệu ở lối ra T của detector chỉ cỡ vài ns Như vậy để có sự đồng bộ, tín hiệu ở lối ra của khối trùng phùng phải được làm trễ đi một lượng tuỳ theo thời gian hình thành xung của bộ khuếch đại phổ ADC được nối với Card thu nhận dữ liệu (MCA) để truyền dữ liệu vào máy tính

Nguyên tắc hoạt động của ADC 8713 như sau:

- Tín hiệu của lối ra khuếch đại phổ được đưa vào lối vào của ADC, nếu tín hiệu nằm trong khoảng ngưỡng của ADC thì sẽ được ADC biến đổi Sau khi biến đổi xong tín hiệu tương tự thành tín hiệu số, ADC sẽ gửi tín hiệu Data Ready tới Card thu nhận dữ liệu (MCA) báo cho MCA biết sẵn sàng đọc dữ liệu Khi nhận Data Ready, MCA sẽ gửi Enable Data cho phép dữ liệu được chuyển từ ADC sang MCA Sau đó MCA gửi Data Accepted tới ADC để cho phép bắt đầu quá trình biến đổi mới và dữ liệu của phép biến đổi mới này sẽ thay thế dữ liệu của phép biến đổi trước đó

Data AcceptDead TimeEnable Data

Hình II.6: Sơ đồ hoạt động của ADC và MCA

- Trong quá trình biến đổi của ADC, dữ liệu lối vào có thể là Valid hoặc Invalid Valid là các dữ liệu được đọc và ghi, còn các Invalid là các dữ liệu của các xung lối vào ADC được MCA đọc nhưng không ghi

+ Các tín hiệu Valid: Các xung đi vào và thoả mãn điều kiện chuẩn của ADC, được ADC biến đổi thành dữ liệu và lưu vào MCA

Chuyển đổi

Input

+ Các tín hiệu Invalid: Là các dữ liệu không có ý nghĩa Xung vào này

có thể được ADC biến đổi hoặc được biến đổi nhưng không được lưu vào bộ nhớ, cũng có trường hợp có thể được lưu nhưng được đánh dấu phân biệt với các tín hiệu Valid Tín hiệu Invalid xuất hiện khi:

1) Các xung không nằm trong cửa sổ số tương tự SCA sẽ bị loại bỏ ngay vòng biến đổi đầu Một vi phạm ngưỡng trên hoặc ngưỡng dưới của ADC cũng

sẽ sinh ra tín hiệu Invalid

2) Kết quả của xung vào trong chuyển đổi số nhỏ hơn đường Zero hoặc nhỏ hơn Offset số hoặc cả hai thì sẽ bị loại bỏ bởi không có tín hiệu Data Ready

3) Xung lối vào trong quá trình biến đổi số lớn hơn khoảng Range của ADC (Range được đặt bằng cỡ bộ nhớ của MCA) cũng sẽ không có Data Ready nên bị loại bỏ

4) Trong trường hợp trùng phùng hoặc phản trùng phùng, độ rộng xung vào của Gate phải tối thiểu là 250ns (mức lôgic cao đối với trùng phùng, thấp

đối với phản trùng phùng) và bắt buộc phải đến sớm hơn 100ns trước khi có tín hiệu Peak Detection Point hoặc khi Linear Gate đóng lại Các xung lối vào Gate có độ rộng nhỏ hơn sẽ bị cắm cờ Invalid ngay tại điểm Peak Detector

* Trạng thái báo dữ liệu sai của ADC: Để phép biến đổi dữ liệu được chấp nhận thì cần phải tuân thủ tất cả các điều kiện mà khi một trong các điều

kiện này bị vi phạm thì cờ Invalid sẽ treo lên (J102, chân 12) nếu ADC được setup ở Mode này

- Cửa sổ SCA: Các xung không nằm trong của sổ SCA sẽ loại bỏ ở chu trình xuất nội dung của ADC ( ra Buffer hoặc ra lối ra - ND) Việc vi phạm ngưỡng dưới hoặc ngưỡng trên sẽ treo cờ Invalid Cả hai trạng thái sẽ được kiểm tra ở thời điểm phát hiện đỉnh xung

- Dưới ngưỡng số: Kết quả biến đổi của ADC nhỏ hơn đường không của ADC hoặc nhỏ hơn giá trị Offset hoặc cả hai sẽ bị loại bỏ khi ADC Ready khởi phát Cờ Invalid được treo ở cuối thời gian nạp dữ liệu - Load ( truyền dữ liệu ra khỏi bộ biến đổi)

- Vượt ngưỡng số: Các xung vào có biên độ lớn hơn ngưỡng trên của ADC sẽ bị loại bỏ khi ADC Ready khởi phát Cờ Invalid sẽ được treo lên ở cuối thời gian truyền dữ liệu

- Trùng phùng/phản trùng phùng: Xung Gate phải có độ rộng ít nhất là 250ns (logic cao ở Mode trùng phùng, thấp ở Mode phản trùng phùng) và ở mức logic cao ít nhất là 100ns trước thời điểm phát hiện đỉnh hoặc khoá tuyến tính đóng lại Cờ Invalid sẽ được treo ở thời điểm phát hiện đỉnh xung

* Nguyên tắc hoạt động của Interface:

Interface của hệ đo tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt có sử dụng vi điều kiển, có bộ nhớ ngoài để truyền dữ liệu vào ổ cứng của máy tính Thuật toán hoạt động của Interface như sau:

- Khi cả hai ADC đều biến đổi: Xung lối vào có biên độ nằm trong cửa

sổ của ADC Cả hai ADC đều có tín hiệu Data Ready và chúng cách nhau một khoảng thời gian không quá 1às thì Interface sẽ gửi tín hiệu Enable Data để

đọc và ghi dữ liệu của xung lối vào từ ADC, sau khi ghi xong Interface sẽ gửi tín hiệu Data Accept tới ADC và cho phép ADC reset lại để thực hiện phép biến đổi tiếp theo

- Khi chỉ có một trong hai ADC biến đổi: Khi đó chỉ có một trong hai ADC có tín hiệu Data Ready gửi tới lối vào của Interface, trong trường hợp

này Interface chỉ đọc mà không ghi dữ liệu - nó gửi tín hiệu tới cho phép hai ADC reset lại để thực hiện các phép biến đổi tiếp theo

- Khi cả hai ADC đều không biến đổi: Trong trường hợp này cả hai ADC đều không có tín hiệu Data Ready gửi tới Interface nên nó sẽ không phản ứng

Chính những điều này quyết định sơ đồ lắp đặt interface và sự thành công của việc setup

Hình II.7 : Sơ đồ nguyên lý của Interface

6µs 30µs

Chương III Thuật toán xây dựng sơ đồ mức

III.1 Phổ tổng và phổ vi phân

III.1.1 Phổ tổng

Các detector bán dẫn hấp thụ một phần năng lượng của các lượng tử γ

và biến đổi chúng thành các xung điện áp nhờ một hệ điện tử mà trong đó biên

độ của xung điện áp này tỷ lệ với năng lượng của lượng tử γ bị hấp thụ Như vậy, một bức xạ γ đơn năng được ghi sẽ được biểu diễn trong phổ dưới dạng một đỉnh (hấp thụ quang điện) hoặc 3 đỉnh hẹp (bổ sung các thêm đỉnh bay

đơn và bay kép của quá trình huỷ cặp) và phân bố liên tục tương ứng với sự hấp thụ không hoàn toàn năng lượng của lượng tử γ (tán xạ Compton) Khi năng lượng của lượng tử γ (Eγ) tăng thì xác suất tạo cặp tăng, cho nên diện tích của đỉnh bay đơn và bay kép sẽ tăng lên tương ứng Các chuyển dời nối tầng

được biểu thị bằng một phân bố liên tục tương ứng với sự hấp thụ không hoàn toàn năng lượng của chuyển dời nối tầng và đỉnh hấp thụ toàn phần Đỉnh hấp thụ toàn phần này được tạo nên bởi sự đóng góp của những chuyển dời nối tầng mà năng lượng của hai lượng tử γ bị hấp thụ hoàn toàn ở trong hai detector Trong phổ SACP cũng xuất hiện những đỉnh liên quan đến quá trình huỷ cặp Độ rộng của các đỉnh phổ trong phổ SACP do chất lượng của detector và sự cân bằng của hệ số biến đổi năng lượng bị hấp thụ của lượng tử

γ thành chỉ số kênh Nếu độ sai khác tương đối của hệ số biến đổi là:

4 1

2

1ư < 10 ư

K

K K

thì độ rộng của các đỉnh phổ được xác định bởi năng lượng của các chuyển dời

Trong phổ SACP có các đỉnh hấp thụ toàn phần và các đỉnh có liên quan tới quá trình huỷ cặp ( các đỉnh thoát đơn và thoát kép) Khi ghi nhận

thông tin về biên độ các xung trùng phùng, ta dễ dàng tách được chỉ những trường hợp mà toàn bộ năng lượng của phân rã nối tầng bị hấp thụ hoàn toàn trong hai detector (phổ vi phân)

III.1.2 Phổ vi phân

Các chuyển dời γ nối tầng có năng lượng tổng cộng EC = E1 + E2 khi bị hấp thụ hoàn toàn bởi hai detector sẽ được ghi vào một đỉnh của phổ cộng biên độ các xung trùng phùng (SACP) Từ các số liệu về biên độ mà tổng của chúng rơi vào phần phổ SACP tương ứng với đỉnh quan sát được, xây dựng lên phổ một detector Phần phổ SACP này là tổng của các sự kiện thực cộng với phông Phông ở đây được loại trừ nhờ phần bổ xung tích luỹ từ biên độ các xung trùng phùng mà tổng của chúng rơi vào phần 3 của phổ SACP

Như vậy trong phổ này về nguyên tắc chỉ chứa các đỉnh hấp thụ toàn phần và không chứa phân bố liên tục (do quá trình tán xạ Compton gây lên)

Từ một đỉnh của phổ SACP chúng ta sẽ tạo ra được hai phổ một detector sau khi hiệu chỉnh hiệu suất ghi, ghép hai phổ lại ta thu được phổ vi phân Trong phổ vi phân này có chứa các thông tin thu được bằng phương pháp SACP như: Diện tích đỉnh (tỷ lệ với cường độ chuyển dời nối tầng), vị trí của đỉnh ( năng lượng chuyển dời)…

Trong phổ vi phân này đã loại trừ được phân bố liên tục nên làm đơn giản hoá quá trình phân tích thực nghiệm và quan sát được một số đỉnh mà trong các phép đo thường không phát hiện được do nền phông Compton của các lượng tử γ năng lượng cao gây nên Đặc điểm chính của phổ vi phân là có hai đỉnh của chuyển dời nối tầng có vị trí đối xứng nhau qua điểm giữa tương ứng với EC/2(EC là năng lượng của chuyển dời nối tầng) và có diện tích bằng nhau Đối với các hạt nhân phức tạp, có thể có nhiều chuyển dời nối tầng giữa trạng thái Compound và mức cuối cố định, nên các chuyển dời có cường độ nhỏ sẽ tạo ra sự phân bố liên tục; hoặc khi năng lượng của mức cuối lớn nên

do ảnh hưởng của phông nên phân bố liên tục trong phổ SACP tăng lên Còn

đối với các chuyển dời có cường độ mạnh thì tính đối xứng của các đỉnh vẫn