ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- ĐỒNG THỊ KIM CÚC NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA PHẢN ỨNG QUANG HẠT NHÂN TRÊN BIA Zr VỚI CHÙM BỨC XẠ HÃM NĂNG LƯỢNG CỰC Đ
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
ĐỒNG THỊ KIM CÚC
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA PHẢN ỨNG QUANG HẠT NHÂN TRÊN BIA Zr VỚI CHÙM BỨC XẠ
HÃM NĂNG LƯỢNG CỰC ĐẠI 2,5 GeV
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội – 2015
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
ĐỒNG THỊ KIM CÚC
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA PHẢN ỨNG QUANG HẠT NHÂN TRÊN BIA Zr VỚI CHÙM BỨC XẠ
HÃM NĂNG LƯỢNG CỰC ĐẠI 2,5 GeV
Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
Mã số : 60440106
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Người hướng dẫn khoa học: TS PHẠM ĐỨC KHUÊ
Hà Nội – 2015
Trang 3DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Hình ảnh minh họa về phản ứng hạt nhân……… ………4 Hình 1.2 Hàm kích thích của phản ứng hạt nhân……… ……….9 Hình 1.3 Tiết diện phản ứng quang hạt nhân toàn phần cho một ncleon với các vùng năng lượng khác nhau……… ……….…10 Hình 1.4 Suất lượng của các phản ứng quang hật nhân trên bia 197Au và bia 209
Bi với năng lượng chùm bức xạ hãm 1 GeV……… … …14 Hình 1.5 Phân bố suất lượng của các hạt nhân sản phẩm trên bia Cu gây bởi chùm
1000MeV……… ….… 16 Hình 1.6 Tốc độ mất năng lượng do va chạm và phát bức xạ của eletron trong Cu…….17
Hình 1.7 Phổ bức xạ hãm phát ra từ bia Al và W khi bắn phá bởi chùm eletron năng lượng 165 MeV……… …….18 Hình 2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu……… …….19 Hình 2.2 Máy gia tốc tuyến tính 2,5 GeV của Trung tâm Gia tốc Pohang,
Quốc……… ……… 21 Hình 2.3 Phổ bức xạ hãm phát ra từ bia W khi bắn phá bở chùm eletron năng lượng 2,5 GeV được mô phỏng bởi phần mềm Geant4……… 21 Hình 2.5 Các detecto bán dẫn Ge siêu tinh khiết HPe (ORTEC và CANBERRA) được sử dụng trong nghiên cứu……….………23 Hình 2.6 Hệ điện tử và máy tính kết nối ghi nhận phổ gamma……… …….23 Hình 2.7 Đường cong hiệu suất ghi đỉnh quang điện của detecto bán dẫn HPGe (Canberra) sử dụng trong nghiên cứu……… ………25 Hình 2.8 Đường cong hiệu suất ghi đỉnh quang điện của detecto bán dẫn HPGe (ORTEC) sử dụng trong nghiên cứu………25
Trang 4Hình 2.9 Phổ gamma của mẫu Zr với thời gian chiếu 4 giờ, thời gian phơi 180 phút
và thời gian đo 15 phút……… ………… 27 Hình 2.10 Phổ gamma của mẫu Zr với thời gian chiếu 4 giờ, thời gian phơi 905 giờ
và thời gian đo 48 giờ……….……….28 Hình 2.11 Sự phụ thuộc của hoạt độ phóng xạ vào thời gian kích hoạt (ti) và thời gian phân rã (td) và thời gian đo (tm)………31 Hình 3.1 Phân bố suất lƣợng của các phản ứng trên bia natZr theo số khối của các hạt nhân sản phẩm……… ……….48
Trang 5DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Đặc trƣng của mẫu Zr đƣợc sử dụng………19 Bảng 2.2 Các thông số của thí nghiệm……… ……….20 Bảng 3.1 Kết quả nhận diện các phản ứng quang hạt nhân gây bởi chùm bức xạ hãm 2,5 GeV trên bia Zr tự nhiên……….36 Bảng 3.2 Suất lƣợng của các phản ứng quang hạt nhân thu đƣợc……… 45
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Nghĩa tiếng anh Nghĩa tiếng việt
HPGe High-purtity Germanium Bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết
Trang 6MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG QUANG HẠT NHÂN 3
1.1 Một số đặc trưng cơ bản của các phản ứng hạt nhân 3
1.1.1 Khái niệm về phản ứng hạt nhân 3
1.1.2 Năng lượng phản ứng hạt nhân 4
1.1.3 Khái niệm về tiết diện phản ứng hạt nhân Error! Bookmark not defined 1.1.4 Tốc độ và suất lượng phản ứng hạt nhân Error! Bookmark not defined 1.2.Phản ứng quang hạt nhân Error! Bookmark not defined 1.2.1 Khái niệm về phản ứng quang hạt nhân Error! Bookmark not defined 1.2.2 Cộng hưởng lưỡng cực điện khổng lồ Error! Bookmark not defined 1.2.3 Cơ chế giả đơtron Error! Bookmark not defined 1.2.4 Phản ứng photospallation Error! Bookmark not defined 1.3.Bức xạ hãm từ máy gia tốc electron Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆUError! Bookmark not defined 2.1 Thí nghiệm nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên biaZrError! Bookmark not defined 2.2 Máy gia tốc electron tuyến tính 2,5 GeV Error! Bookmark not defined 2.3 Ghi nhận và phân tích phổ gamma Error! Bookmark not defined 2.5 Một số hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác của kết quả đoError! Bookmark not defined CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1 Kết quả nhận diện đồng vị phóng xạ tạo thành Error! Bookmark not defined 3.3 Xác định suất lượng của các phản ứng quang hạt nhânError! Bookmark not defined 3.4 Phân bố suất lượng của các phản ứng photospallationError! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined. TÀI LIỆU THAM KHẢO 5
Trang 81
MỞ ĐẦU
Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học kĩ thuật, phản ứng hạt nhân đã không còn là khái niệm xa lạ đối với con người hiện nay Những nghiên cứu về các phản ứng hạt nhân đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển khoa học công nghệ cao và tìm hiểu sâu hơn về bản chất của thế giới tự nhiên còn nhiều bí ẩn Nghiên cứu phản ứng hạt nhân có thể thu được các thông tin giúp chúng ta nhận biết về cấu trúc cũng như các tính chất của hạt nhân, đồng thời có thể triển khai các kết quả nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau như khai thác năng lượng hạt nhân, chế tạo và ứng dụng các đồng vị phóng xạ, sử dụng các số liệu hạt nhân trong tính toán che chắn an toàn bức xạ, Chính vì vậy mà ngày nay phản ứng hạt nhân
đã trở thành một hướng nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu hạt nhân
cơ bản và ứng dụng
Cho tới nay đa số các phản ứng hạt nhân được thực hiện với các chùm hạt tích điện và với nơtron Các nghiên cứu về phản ứng quang hạt nhân chưa nhiều, phần lớn tập trung ở vùng năng lượng thấp, một số ở vùng năng lượng cao hơn, tuy nhiên các số liệu thực nghiệm tại vùng năng lượng GeV còn tương đối ít và tản mạn, chưa đủ nhiều để xây dựng các mẫu hạt nhân bán thực nghiệm hoặc kiểm tra
sự phù hợp của các mô hình lý thuyết Trong những năm gần đây nhờ sự phát triển của các máy gia tốc điện tử có khả năng sinh bức xạ hãm với năng lượng nằm trong giải rộng và cường độ lớn, tạo điều kiện cho việc đẩy mạnh nghiên cứu về phản ứng quang hạt nhân
Nếu phản ứng hạt nhân xảy ra với các hạt mang điện tích và nơtron theo cơ chế tương tác mạnh thì phản ứng quang hạt nhân xảy theo cơ chế tương tác điên từ
và cơ chế phản ứng phụ thuộc mạnh vào năng lượng/bước sóng của photon tới Cơ chế tương tác của photon với hạt nhân nguyên tử có thể phân chia theo ba vùng năng lượng: trong vùng năng lượng 8-40 MeV photon có bước sóng tương đương với kích thước của hạt nhân và nó có thể tương tác trực tiếp với hạt nhân Các nuclon trong hạt nhân hấp thụ năng lượng của photon, tạo ra dao động tập thể dẫn đến sự hấp thụ cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ Khi năng lượng tăng thì bước sóng của photon giảm và photon có thể tương tác với các cặp n-p theo cơ chế giả đơteri hoặc tương tác trực tiếp với từng nuclon trong hạt nhân Ở năng lượng cao hơn150 MeV có sự tạo thành pion từ các phản ứng sinh nhiều hạt
Trang 92
Bản luận văn: “Nghiên cứu một số đặc trưng của phản ứng quang hạt
nhân trên bia Zr với chùm bức xạ hãm năng lượng cực đại 2,5 GeV.” nhằm tiếp
cận với lĩnh vực nghiên cứu phản ứng hạt nhân trong vùng năng lượng GeV Mục đích chính của luận án là nhận diện các sản phẩm của phản ứng quang hạt nhân, xác định suất lượng và phân bố suất lượng của chúng Đối tượng nghiên cứu được chọn
là Zirconi tự nhiên có năm đồng vị bền là 90
Zr, 91Zr, 92Zr, 94Zr, 96Zr Zr là kim loại
có tiết diện bắt nơtron nhiệt lớn, có độ bền cơ học cao và khả năng chống ăn mòn hóa học tốt Zr là một loại vật liệu quan trọng là vỏ bọc thanh nhiên liệu trong lò phản ứng hạt nhân Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trên cơ sở kết hợp phương pháp kích hoạt phóng xạ với phương pháp đo phổ gamma của các sản phẩm phóng xạ được taọ thành sau phản ứng sử dụng đetectơ bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết (HPGe) có độ phân giải năng lượng cao Thí nghiệm được thực hiện trên máy gia tốc electron tuyến tính 2,5 GeV tại Trung tâm gia tốc Pohang, Hàn Quốc
Bố cục của luận văn ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, được chia làm 3 chương
Chương 1: Trình bày tổng quan lý thuyết về phản ứng quang hạt nhân, và một số kết quả nghiên cứu về phản ứng quang hạt nhân
Chương 2: Tìm hiểu thí nghiệm nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân sinh nhiều hạt trên bia Zr với chùm bức xạ hãm năng lượng cực đại 2,5 GeV được tạo ra trên máy gia tốc electron tuyến tính, các phương pháp và kỹ thuật phân tích, xử lí số liệu thực nghiệm
Chương 3: Trình bày kết quả thực nghiệm đoán nhận các đồng vị phóng xạ tạo thành, xác định suất lượng và phân bố suất lượng của các phản ứng quang hạt nhân
Trang 103
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG QUANG HẠT NHÂN
1.1 Một số đặc trưng cơ bản của các phản ứng hạt nhân
1.1.1 Khái niệm về phản ứng hạt nhân
Phản ứng hạt nhân là quá trình biến đổi hạt nhân gây bởi sự va chạm của hai hạt nhân, giữa nucleon với hạt nhân hoặc sự biến đổi hạt nhân gây bởi các bức xạ/hạt cơ bản khác Phản ứng hạt nhân xảy ra ở khoảng cách cỡ 10-13 cm Thông thường phản ứng hạt nhân xảy ra do sự bắn phá các hạt nhân bởi các chùm hạt như nơtron, proton, hạt alpha, photon, các ion nặng Do sự va chạm mạnh giữa hạt tới và hạt nhân bia mà sau phản ứng xuất hiện hai hay nhiều hạt bay ra theo các phương khác nhau
Trường hợp đơn giản xét phản ứng hạt nhân tạo ra hai hai hạt sau phản ứng:
trong đó a là hạt tới, A là hạt nhân bia , B là hạt nhân sản phẩm, b là hạt hoặc bức
xạ phát ra Hạt a và b có thể là proton (p), nơtron (n), alpha (), electron (e) gamma (), đơtron (D), Triton (T), các ion nặng, Q là năng lượng phản ứng
Phản ứng hạt nhân có thể phân loại thành: Tán xạ đàn hồi, Tán xạ không đàn hồi, Phản ứng biến đổi hạt nhân và một số phản ứng khác như phản ứng sinh nhiều hạt, phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch
Thang thời gian của phản ứng hạt nhân cỡ 10-22 s, thời gian phản ứng trực tiếp có bậc độ lớn là 10-22 s, còn thời gian phản ứng hạt nhân hợp phần vào cỡ 10-16
-10-15 s với chùm năng lượng thấp và khoảng 10-21- 10-20 s với chùm năng lượng cao
Ngoài ra có thể phân loại phản ứng hạt nhân theo loại hạt vào: n, , hạt tích điện, ion nặng,…theo cơ chế phản ứng: hợp phần (compound), tiền cân bằng (preequilibium), trực tiếp (direct interaction),…
Phản ứng hạt nhân không phải hoàn toàn là tương tác mạnh, nó tùy thuộc vào hạt tới Phản ứng hạt nhân là tương tác mạnh nếu hạt đến là proton, nơtron, ions Phản ứng hạt nhân có thể là tương tác điện từ nếu hạt đến là photon, electron, ions Còn khi hạt đến là nơtrino thì phản ứng hạt nhân thuộc loại tương tác yếu [3]
Trang 114
Hình 1.1: Hình ảnh minh họa về phản ứng hạt nhân
1.1.2 Năng lượng phản ứng hạt nhân
Hạt nhân có kích thước rất nhỏ (cỡ 10-12 cm), liên kết hoá học giữa các nguyên
tử lại rất nhỏ, vì vậy hệ hai hạt nhân tương tác với nhau có thể xem là một hệ cô lập,
do đó: Tổng năng lượng cũng như xung lượng của các hạt trong hệ được bảo toàn Xét phản ứng A(a,b)B, ta có:
mac2 + MAc2 + Ea+ EA = mbc2 + MBc2 + Eb+ EB (1.2) trong đó:
ma , MA2 , mb,MB , mac2 , MAc2 , mbc2 ,MBc2 là khối lượng và năng lượng tĩnh của các hạt a, A, b, B
Ea, EA , Eb , EB là động năng của các hạt a, A, b, B
Đặt E01= (ma + MA) c2; E02= (mb + MB) c2 gọi là năng lượng nghỉ,
E1 = Ea+EA ;E2 = Eb+ EB là động năng trước và sau phản ứng Thông thường xem hạt nhân bia A đứng yên, E1 = Ea
Hiệu E01 - E02 được gọi là năng lượng của phản ứng, ký hiệu là Q:
Trang 125
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tiếng việt
1 Nguyễn Văn Đỗ (2004), "Các phương pháp phân tích hạt nhân", NXB Đại
học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội
2 Lê Hồng Khiêm (2008), "Phân tích số liệu trong ghi nhận bức xạ", NXB Đại
học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội
3 Phạm Đức Khuê (2013), Tập bài giảng “Phản ứng hạt nhân”, Hà Nội 2013
4 Đặng Huy Uyên (2005), “Vật lý hạt nhân đại cương”, NXB Đại học quốc
gia Hà Nội, Hà Nội
Tài liệu tiếng anh
5 A S Danagulyan, S Demekhina and G A Vartapetyan (1977),
"Photonuclear reactions in medium weight nuclei 51 V, 55 Mn and Cu", Nucl
Phys A 285, 482
6 D J S Findlay (1990), “Applications of photonuclear reactions”, Nucl
Instr and Meth B 50, 314
7 G.J Kumbartzki, Ung Kim and Ch K Kwan (1991), “ Photonspallation of medium – heavy elements with bremsstrahlung of maximum energiesbetween 0.8 and 2.1 GeV”, Nucl Phys A 160, 237
8 G Kumbartzki and U Kim (1971), "High – energy photonuclear reactions
in vanadium and ion", Nucl Phys A 176, 23
9 G Rudstam (1969), "The evaporation step in spallation reactions", Nucl
Phys A 126, 401
10 Hiroshi Matsumura, Takahiro Aze, Yasuji Oura, Hidetoshi Kikunaga, Akihiko Yokoyama, Koichi Takamiya, Seiichi Shibata, Tsutomu Otsuki, Hideyuki Yuki, Koh Sakamoto, Hiromitsu Haba, Koshin Washiyama, Hisao
Nagai, Hiroyuki Matsuzaki (2004), "Yield measurements for 7Be and 10Be productions from nat Cu, nat Ag and 197 Au by bremsstrahlung irradation", Nucl
Instr and Meth B 223 – 224, 807
11 J R Wu and C C Chang (1977), "Pre-equilibrium particle decay in the photonuclear reactions", Phys Rev C 46,1812
Trang 136
12 K Debertin and R.G.Heimer (1988), "Gamma and X – ray spectrometry with semiconductor detectors", North – Holland Elseiver, New York
13 K Lindgren and G G Jonsson (1972), "Photon – Induced Nuclear Reaction Above1 GeV", Nucl Phys A 197, 71
14 K N Mukhin (1987), "Experimental Nuclear Physics", Mir Publisher, 1987
15 Koh Sakamoto (2003), "Radiochemical Study on Photonuclear Reactions of complex nuclei at intermediate energies", J Nucl Radiochem Sci 4, 9
16 M L Terranova and O A P Tavares (1994), "Total Nuclear Photoabsorption Cross Section in the Range 0.2 – 1.0 GeV for Nuclei Throughout the Periodic Table", Phys Scri 49, 267
17 Nguyen Van Do, Pham Duc Khue, Kim Tien Thanh and Nguyen Thi Thanh
Van (2009), "High energy photon induced nuclear reactions in natural copper", Communications in Physics, 19, 177
18 N M Bachschi, P David, J Debrus, F Lubke, H Mommsen and R
Schoenmackers (1976), "Photonuclear reactions in 45Sc and natCu induced
by 2GeV bremsstrahlung", Nucl Phys A 264, 493
19 Pham Duc Khue, Kim Tien Thanh and Nguyen Van Do (2010), "Study of photonuclear reactions 103 Rh( , xnyp) induced by 2.5 GeV bremsstrahlung ",
Proceedings of the topical conference on nuclear physics, high energy physics and astrophysics (NPHEAP-2010)
20 Pham Duc Khue, Kim Tien Thanh and Nguyen Van Do (2010), " Isomeric yield ratios of the natMo ( , 1 ) xn p 95 ,m gNb photonuclear reaction induced by 50-, 60-50-, 70- MeV and 2.5 GeV bremsstrahlung"50-, Proceedings of the topical
conference on nuclear physics, high energy physics and astrophysics (NPHEAP-2010)
21 Richard B Fiestone (1996), “Table of Isotopes”, CD ROM Edition,
Wiley-Interscience
22 R Serber (1974), "Nuclear Reaction at High Energies", Phys Rev 72, 1114
