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

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

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 ĐẠI 2,5 GeV

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS PHẠM ĐỨC KHUÊ

Hà Nội – 2015

DANH 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

Hình 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

DANH 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

HPGe High-purtity Germanium Bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết

MỤC 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 5

1.1.4 Tốc độ và suất lượng phản ứng hạt nhân 7

1.2.Phản ứng quang hạt nhân 8

1.2.1 Khái niệm về phản ứng quang hạt nhân 8

1.2.2 Cộng hưởng lưỡng cực điện khổng lồ 11

1.2.3 Cơ chế giả đơtron 12

1.2.4 Phản ứng photospallation 13

1.3.Bức xạ hãm từ máy gia tốc electron 16

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU 19

2.1 Thí nghiệm nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên biaZr 19

2.2 Máy gia tốc electron tuyến tính 2,5 GeV 20

2.3 Ghi nhận và phân tích phổ gamma 22

2.5 Một số hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác của kết quả đo 32

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36

3.1 Kết quả nhận diện đồng vị phóng xạ tạo thành 36

3.3 Xác định suất lượng của các phản ứng quang hạt nhân 44

3.4 Phân bố suất lượng của các phản ứng photospallation 46

KẾT LUẬN 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

1

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 hơn150 MeV có sự tạo thành pion từ các phản ứng sinh nhiều hạt

2

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

3

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]

4

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

5

Q = E01 - E02 = E2 - E1 (1.3)

 Nếu Q > 0: phản ứng xảy ra kèm theo sự tỏa nhiệt, gọi là phản ứng tỏa năng Phản ứng tỏa năng có thể xảy ra với bất kỳ năng lượng nào của hạt tới (nếu năng lượng này đủ để vượt qua rào thế Coulomb của hạt nhân nếu hạt tới tích điện)

 Nếu Q < 0: phản ứng gọi là phản ứng thu năng Phản ứng thu năng chỉ xảy ra khi năng lượng hạt tới đủ cao: Vì từ Q = E2 - E1 suy ra E1 = E2 + [Q]

 Nếu Q = 0: ứng với trường hợp tán xạ đàn hồi, lúc đó E2 = E1, E01 = E02, Đối với phản ứng thu nhiệt, để xảy ra phản ứng hạt nhân thì năng lượng hạt tới cần phải lớn hơn một giá trị xác định, giá trị này gọi là năng lượng ngưỡng của phản ứng Năng lượng ngưỡng Eth có thể tính theo công thức sau:

(1.4)

Phản ứng quang hạt nhân là loại phản ứng thu nhiệt Năng lượng tổng hợp hạt nhân nhẹ chính là năng lượng trong phản ứng nhiệt hạt nhân Phản ứng phân hạch hạt nhân uran (U235) cũng thuộc loại tỏa năng và cho năng lượng cỡ 200 MeV

ở dạng chủ yếu là động năng của các mảnh [3]

1.1.3 Khái niệm về tiết diện phản ứng hạt nhân

Xét phản ứng hạt nhân A(a,b)B Nếu có một chùm hạt tới có n hạt loại a trên một đơn vị diện tích bia có chứa N hạt nhân loại A, số hạt b phát ra trên một đơn vị thời gian sẽ tỷ lệ với n và N Đại lượng tỷ lệ này gọi là tiết diện phản ứng  và có thứ nguyên là diện tích

Đơn vị của tiết diện phản ứng hạt nhân là barn (b), 1 barn = 10-24 cm2, đơn vị hay sử dụng là milibarn (mb) hay microbarn (µb)

Tiết diện chính là xác suất xảy ra phản ứng trên một hạt nhân bia trong một giây khi thông lượng của chùm hạt tới bằng 1 hạt/cm2..giây

6

Đối với một loại phản ứng xác định, tiết diện phản ứng phụ thuộc vào năng lượng của hạt tới Với năng lượng xác định, các kênh phản ứng khác nhau thì tiết diện phản ứng khác nhau Hàm số  = f(E) mô tả sự phụ thuộc vào năng lượng hạt tới của tiết diện phản ứng được gọi là hàm kích thích của phản ứng hạt nhân đã cho

Hình 1.2: Hàm kích thích của phản ứng hạt nhân 93

Zr(  ,sn)

Trong nhiều phản ứng hạt nhân, đặc biệt là các hạt nhẹ được tạo thành, các hạt bay ra không đẳng hướng Khi đó, người ta đưa vào tiết diện vi phân theo góc khối , ký hiệu là

1



7

trong đó T và i là tiết diện tổng cộng và tiết diện của kênh phản ứng thứ i, m là số kênh phản ứng

1.1.4 Tốc độ và suất lượng phản ứng hạt nhân

Tốc độ phản ứng, R, được định nghĩa là số phản ứng xảy ra trên một hạt nhân bia trong một đơn vị thời gian (giây) Theo định nghĩa tốc độ phản ứng xác định theo công thức sau:

trong đó  là tiết diện của phản ứng hạt nhân,  là thông lượng của chùm hạt tới Với một phản ứng xác định, tốc độ phản ứng phụ thuộc vào tiết diện phản ứng, năng lượng và thông lượng của chùm hạt tới

Suất lượng của phản ứng là số phản ứng xảy ra trên bia trong một đơn vị thời gian Suất lượng của phản ứng hạt nhân ký hiệu là Y, được xác định theo công thức:

Y = .N0.R = .N0.. (1.7) trong đó  là hệ số hình học, N0 là số hạt nhân trên bia

Đối với trường hợp chùm tia tới có phổ liên tục tốc độ phản ứng và suất lượng phản ứng được xác định như sau:

Gọi (E) là thông lượng chùm bức xạ trong khoảng một đơn vị năng lượng, tại vùng năng lượng E, còn (E) là tiết diện phản ứng trong vùng năng lượng E Hàm (E).(E) được gọi là hàm hưởng ứng hay hàm kích thích trong vùng năng lượng E Tốc độ phản ứng, đối với hạt tới có năng lượng từ E đến E+dE là dR được xác định theo công thức:

dR = (E).(E)dE (1.8) Tốc độ phản ứng dR thực chất là số phản ứng xảy ra trên một hạt nhân trong một đơn vị thời gian do các hạt tới có năng lượng từ E đến E+dE gây ra Tích phân hai vế của phương trình (2.61), ta có:





0

) ( ).

( E E dE

8

trong đó R chính là tốc độ phản ứng hay số phản ứng xảy ra trên một hạt nhân bia trong một đơn vị thời gian

Xét trường hợp phản ứng có ngưỡng là Eth, chùm bức xạ tới có năng lượng cực đại là Emax Do tiết diện phản ứng bằng không khi năng lượng chùm hạt tới nhỏ hơn ngưỡng của phản ứng Khi đó biểu thức 1.7 được viết lại như sau:

Trong thực tế suất lượng phản ứng thường được xác định trực tiếp bằng việc

đo hoạt độ phóng xạ tạo thành từ các mẫu kích hoạt

1.2 Phản ứng quang hạt nhân

1.2.1 Khái niệm về phản ứng quang hạt nhân

Tương tác của bức xạ gamma với vật chất xảy ra thông qua các quá trình chủ yếu sau: hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton, hiệu ứng tạo cặp và các phản ứng hạt nhân Tiết diện tương tác toàn phần   phot Compair+ T

A, trong đó tiết diện do hiệu ứng quang điện phot Z7 / 25

E2) Các giá trị E1, E2 khác nhau đối với các môi trường khác nhau, ví dụ như đối

Phản ứng quang hạt nhân đơn giản lần đầu tiên được quan sát bởi Chadwick

và Goldhaber vào năm 1934 đối với đơtron:

Cũng như các phản ứng hạt nhân dưới tác dụng của nơtron và các hạt tích điện, phản ứng quang hạt nhân phụ thuộc mạnh vào năng lượng của chùm photon tới và số khối của hạt nhân bia (A) Tùy theo năng lượng gamma tới, phản ứng quang hạt nhân phát xạ nơtron, proton hoặc các loại hạt khác tương ứng với nhiều loại phản ứng khác nhau như: phản ứng đơn giản: (,n), (,p); phản ứng sinh nhiều nơtron (,xn), phản ứng photospallation (,xnyp); phản ứng tạo pion (,xn), phân hạch hạt nhân (,f); hiện tượng phân mảnh (,fr),

Tiết diện toàn phần của phản ứng quang hạt nhân bao gồm:

T

 A=(,n)+(,p) + (,xn) +(,xn)+(,xnyp)+ (,f)+ (,fr) (1.13)

Có thể chia các phản ứng quang hạt nhân ở vùng năng lượng tiếp theo thông qua ba quá trình chính đó là cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ (giant dipole resonance, GDR), cơ chế giả đơtron (quasi-deutron, QDM), và quá trình tạo pion;

Trong vùng năng lượng giữa cộng hưởng khổng lồ và ngưỡng pion (30 ÷ 140 MeV), khi đó bước sóng của photon tới gần với khoảng cách giữa các nucleon bên trong hạt nhân, khi đó quá trình cặp nơtron- proton (giả đơtron) trong hạt nhân bia hấp thụ photon trở thành quá trình chiếm ưu thế Tương tác được mô tả bởi cơ chế

do Levinger đề xuất được gọi là sự phân rã của giả đơtron (quasi-deutron disintegration)

Hình 1.3 Tiết diê ̣n phản ứn g quang hạt nhân toàn phần cho một nucleon

với các vùng năng lượng khác nhau

Đối với vùng năng lượng trên ngưỡng pion (>140 MeV) tương tác giữa photon và các nucleon riêng lẻ bên trong hạt nhân dẫn tới đồng khối  được tạo ra bên trong hạt nhân bia, đồng khối này phân rã thành một pion và một nucleon, quá trình này cạnh tranh với quá trình hấp thụ photon của các giả đơtron Tán xạ của các pion và các nucleon giật lùi cũng như sự hấp thụ các pion bên trong hạt nhân bia tạo

11

thành một thác lũ các nucleon bên trong hạt nhân (intranuclear cascade) và dẫn tới

sự phát xạ các nơtron cũng như proton và các pion Các hạt này cũng phát triển thành quá trình thác lũ nối tầng Cơ chế của phản ứng này được giải thích dựa trên mẫu do Serber đề xuất Ở vùng năng lượng cao các phản ứng photospalltion là quá trình chiếm ưu thế

Phản ứng quang hạt nhân còn phụ thuộc vào số khối của hạt nhân bia (A) Với số khối A< 170, phản ứng xảy ra chủ yếu là photospallation (phản ứng quang hạt nhân sinh nhiều hạt) thông qua cơ chế bay hơi Với 170< A <230, có sự kết hợp các phản ứng photospallation và photofission, cơ chế bay hơi và phân hạch Số khối A> 230 phản ứng xảy ra duy nhất là photofission với cơ chế phân hạch [16]

1.2.2 Cộng hưởng lưỡng cực điện khổng lồ

Khi nghiên cứu tiết diê ̣n của phản ứng quang ha ̣t nhân hợp phần , ngườ i ta thấy tiết diê ̣n của phản ứng (, n) và (, p) tăng rất chậm từ ngưỡng phản ứng và

có giá trị khoảng 1mb trong đối với E = 10 MeV Song đối với lượng tử gamma

có năng lượng cỡ từ 15 MeV đến 25 MeV ta thấy có cộng hưởng trong rất nhiều hạt nhân Tính chất điển hình của cộng hưởng này là độ bán rộng Γ của nó rất lớn

nên ta gọi là cộng hưởng khổng lồ

Có thể giải thích cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ trên cơ sở các dao động hạt nhân do trường điện từ của lượng tử  Goldhaber và Teller giả thiết nơtron và proton của hạt nhân như là hai chất lỏng riêng biệt, hạt nhân nhận năng lượng do hấp thụ các photon tạo ra sự dao động của hai loại chất lỏng này Hiện tượng cộng hưởng khổng lồ tương ứng với tần số cực đại của dao động Sau đó Wikinson xem cộng hưởng khổng lồ như là một sự chồng chập (superposition) do sự đóng góp của tất cả các nucleon riêng lẻ Mỗi một nucleon nhận một phần năng lượng từ sự hấp thụ photon Cộng hưởng khổng lồ là tổng tất cả các cộng hưởng nhỏ đó

Tiết diện phản ứng của cộng hưởng khổng lồ thường được biểu diễn gần đúng bằng đường cong Lorent (đối với hạt nhân nhẹ):

2 2

2 0 2

2 0

)()(

)(

E E

Các kết quả thực nghiệm trong vùng năng lượng thấp cho thấy sự phù hợp tốt với các tiên đoán lí thuyết của mẫu ha ̣t nhân hợp phần Tuy nhiên vớ i các photon năng lươ ̣ng cao , các kết quả từ thực nghiê ̣m cho thấy có sự bất đối xứng trong phân bố góc và mẫu ha ̣t nhân hợp phần không giải thích được sự bất đối

xứng này

1.2.3 Cơ chế giả đơtron

Khi năng lượng của photon lớn thì bước sóng của chúng nhỏ hơn so với bán kính hạt nhân , tương tác của photon không phải với toàn bô ̣ ha ̣t nhân mà với các nucleon riêng biê ̣t hoă ̣c nhóm các nucleon Như vâ ̣y photon tương tác trực tiếp với các nucleon riêng biệt hoặc nhóm các nucleon và phá t xa ̣ ra các ha ̣t mà không cần trải qua giai đoạn hạt nhân hợp phần Cơ chế của phản ứng quang ha ̣t nhân trực tiếp đươ ̣c giải thích nhờ mẫu giả đơtron do Levinger đưa ra

Cơ chế giả đơtron được được cho là quá trình chính đối với sự hấp thụ các photon năng lượng cao (30 MeV đến 140 MeV) Đối với các photon có năng lượng trên vùng cộng hưởng khổng lồ, quá trình này trở nên đáng kể vì nó dẫn tới tương tác của photon với các cụm hạt nhân (cluster) hơn là tương tác photon với các nucleon riêng lẻ Photon tới sẽ ưu tiên tương tác với cặp nơtron-proton (giả đơtron) hơn là với cặp proton-proton và cặp nơtron-nơtron vì các cặp đó không có momen lưỡng cực và sự hấp thụ lưỡng cực điện trong hiệu ứng quang điện là chiếm ưu thế

ở vùng năng lượng cao Theo như Levinger, sự phân rã ở năng lượng cao liên quan đến momen lớn hơn truyền giữa hai nucleon và do đó đòi hỏi hai nucleon phải gần nhau Điều này là đúng trong cả trường hợp quang phân rã trong các hạt nhân phức tạp hơn hoặc trong đơtron tự do Tiết diện phản ứng của giả đơtron có thể biểu diễn bằng công thức sau:

D

Z

A

N L

13

trong đó: hệ số L được gọi là thông số Levinger Levinger đưa ra giá trị L = 6.8 trong khi Garvey và các cộng sự đưa ra giá trị L = 10.3 NZ là số cặp nơtron-proton trong hạt nhân và D là tiết diện phản ứng quang phân rã đơtron tự do và:

3/ 2 3

1.2.4 Phản ứng photospallation

Trong các phản ứng hạt nhân năng lượng cao trên các hạt nhân trung bình và nặng, phản ứng photospallation (,xnyp) là một kênh phản ứng cạnh tranh chiếm ưu thế hơn trong các kênh phản ứng khác, trong đó x là số nơtron, y là số proton phát

ra sau phản ứng (x  1, y 1) Phản ứng photospallation là các phản ứng quang hạt nhân sinh ra nhiều hạt, thường xảy ra với vùng năng lượng từ 40 MeV trở lên [3]

Bức xạ hãm được tạo bởi chùm electron năng lượng cao từ máy gia tốc được

sử dụng để nghiên cứu các phản ứng photospallation Vì thế các số liệu về tiết diện phản ứng photospallation là rất cần thiết không chỉ góp phần làm sáng tỏ cơ chế phản ứng mà còn có thể sử dụng trong việc đảm bảo an toàn bức xạ trên các máy gia tốc electron

Cơ chế của các phản ứng photospallation được giải thích dựa trên cơ sở mô hình thác lũ bên trong hạt nhân (intranuclear cascade) của Serber Theo mẫu do Serber đề xuất, phản ứng quang hạt nhân năng lượng cao có hai giai đoạn Trong giai đoạn khởi đầu là hạt tới va chạm với các nucleon riêng lẻ trong hạt nhân bia, sự tái hấp thụ các pion, sự tán xạ của các nucleon giật lùi tạo nên một thác lũ các

14

nucleon, pion bên trong hạt nhân Ở giai đoạn này hạt nhân có thể phát xạ các nucleon riêng lẻ hoặc các nhóm nucleon cũng như các pion Giai đoạn tiếp theo các hạt nhân dư vẫn còn đủ năng lượng, chúng có thể khử kích thích thông qua hai kênh cạnh tranh phân hạch và quá trình bay hơi các hạt Nhìn chung, sự phát xạ các hạt theo cơ chế bay hơi có xác xuất lớn nhất trong quá trình khử kích thích các hạt nhân

dư Quá trình bay hơi kéo dài tới khi năng lượng kích thích giảm đến mức không còn hạt nào phát xạ tiếp Điều này có nghĩa là tạo thành sản phẩm spallation cuối cùng và năng lượng kích thích còn lại được giải phóng dưới dạng các bức xạ gamma

Khi các photon hãm năng lượng cao tương tác với hạt nhân bia, các hạt nhân sản phẩm chủ yếu được tạo thành từ các phản ứng quang hạt nhân loại spallation với cơ chế bay hơi Phản ứng photospallation chiếm ưu thế trong các phản ứng hạt nhân ở vùng năng lượng cao Phân bố suất lượng phản ứng photospallation được phân tích trên cơ sở của công thức bán thực nghiệm của Rudstam Hình 1.4 biểu diễn suất lượng của các phản ứng quang hạt nhân trên bia197Au và bia 209Bi theo thực nghiệm và tính toán PICA3/GEM.[23]

Hình 1.4 Suất lượng của các phản ứng quang hạt nhân trên bia 197 Au và bia 209

Bi với năng lượng chùm bức xạ hãm 1GeV

15

Các tính toán lí thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm đã cho thấy tiết diện phản ứng photospalltion thay đổi có quy luật theo số hiệu nguyên tử Z và số khối A Thực tế phân bố tiết diện phản ứng được biểu diễn qua công thức bán thực nghiệm Rudstam:

2( , ) Z A c ons t exp[ PA R Z SA TA ]

+ S và T là vị trí của CD qua điện tích có thể nhất Zp=S A – T A2

Thông số R là độc lập với loại và năng lượng của hạt được bắn ra; R phụ thuộc số khối sản phẩm A và điện tích Z; S và T thường là hằng số

Công thức Rudstam về phân bố suất lượng của các sản phẩm phản ứng thường được tính bằng công thức sau [17, 18]:

] exp[

) 1 (

79 1

2 / 3 2 3

/ 2

TA SA Z R PA e

P R k

số khối của hạt nhân bia; Các hệ số k, P, R, S, T,  là các hệ số bán thực nghiệm

1.3 Bức xạ hãm từ máy gia tốc electron

Khi chùm electron năng lượng cao tương tác với môi trường vật chất sẽ bị mất năng lượng chủ yếu do hai quá trình là ion hoá do va chạm và phát bức xạ hãm Sự mất năng lượng do va chạm là kết quả của sự tán xạ không đàn hồi của electron với electron của nguyên tử Do khối lượng của các electron rất nhỏ nên có thêm một cơ chế mất năng lượng nữa đó là các electron được gia tốc tương tác với trường Culông của các hạt nhân bia, quỹ đạo của chúng bị thay đổi do lực hút của hạt nhân

và bị hãm lại Quá trình này dẫn tới sự bức xạ sóng điện từ hay còn gọi là bức xạ hãm Ở năng lượng vài MeV hoặc nhỏ hơn quá trình này vẫn còn tương đối nhỏ Nhưng với năng lượng của electron cao thì xác suất phát bức xạ hãm tăng nhanh và đến năng lượng giới hạn sự mất năng lượng do phát bức xạ có thể tương đương hoặc lớn hơn do quá trình ion hoá do va chạm (hình 1.6) Các electron năng lượng

17

cao chủ yếu được tạo ra trên các máy gia tốc Bằng cách bắn phá chùm eletron đã được gia tốc vào một bia hãm nặng ta có thể tạo ra nguồn bức xạ hãm có năng lượng và cường độ lớn, có thể lên tới hàng trăm GeV

Hình 1.6 Tốc độ mất năng lượng do va chạm và phát bức xạ của electron trong Cu

Tốc độ mất năng lượng toàn phần của electron và positron trong vật chất thông qua hai quá trình chủ yếu sau:

col rad

dE dX

dE dx

Độ mất năng lượng do phát bức xạ hãm tỉ lệ với số hạt nhân bia Vì vậy năng suất hãm tăng lên khi sử dụng bia dày, tuy nhiên khi tăng bề dày bia sẽ xảy ra một

số hiện tượng sau: Sự mất mát năng lượng nhưng không phát bức xạ dẫn đến sự giảm dần năng lượng của electron; sự tự hấp thụ của các photon trong bia; hiện tượng nhân bức xạ từ một electron; sự tán xạ đàn hồi nhiều lần của electron trước khi phát ra bức xạ;… Trong các bia có bề dày lớn hơn chiều dài bức xạ thì chùm

18

electron tới tạo ra hiện tượng mưa rào thác lũ electronphoton Các quá trình này dẫn đến những khó khăn trong việc tính toán phân bố năng lượng và phân bố góc của bức xạ hãm Do vậy các tính toán thường áp dụng cho các bia mỏng

Bức xạ hãm có phổ liên tục và năng lượng đạt giá trị cực đại đúng bằng động năng của electron tới (hình 1.7)

Phổ năng lượng của bức xạ hãm phụ thuộc mạnh vào góc phát xạ Phân bố góc của bức xạ hãm có liên quan tới một số quá trình vật lý chủ yếu sau: phân bố góc thực của bức xạ hãm, phân bố góc của các electron tán xạ đàn hồi với hạt nhân trong một va chạm, phân bố góc của các electron tán xạ nhiều lần và phân bố góc của các photon tán xạ Trong thực tế còn phải tính đến sự lệch hướng của chùm electron khi gia tốc Phổ và phân bố góc của bức xạ hãm có thể xác định được bằng phương pháp thực nghiệm với các kỹ thuật đo khác nhau

Hình 1.7 Phổ bức xạ hãm phát ra từ bia Al và W khi bắn phá bởi chùm

electron năng lượng 165 MeV

19

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU

2.1 Thí nghiệm nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên biaZr

Thí nghiệm nghiên cứu được thực hiện trên chùm bức xạ hãm năng lượng cực đại 2,5 GeV từ máy gia tốc electron tuyến tính tại Pohang, Hàn Quốc Các photon hãm được tạo thành khi bắn phá chùm electron được gia tốc vào bia hãm W

có kích thước 50×50×1mm Sơ đồ chiếu mẫu được mô tả như trên hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu

Mẫu nghiên cứu là tấm Zr tự nhiên có độ tinh khiết cao Độ phổ cập của các đồng vị Zr bền là: Zr-90 (51.45%); Zr-91 (11.22%); Zr-92 (17.15%); Zr-94 (17.38%); Zr-96 (2.80%) Các đặc trưng của mẫu Zr nghiên cứu được ghi trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Đặc trưng của mẫu Zr được sử dụng trong nghiên cứu

Tên

mẫu

Đường kính (mm) Bề dày (mm) Khối lượng (g) Độ tinh khiết(%)

Dòng electron tổng cộng

Độ rộng xung Tốc độ lặp

2,5 GeV 4 giờ 2,19×1014

electron 1 nsec 10 Hz

Sau khi chiếu hoạt độ phóng xạ của các mẫu đƣợc đo trên hệ phổ kế gamma

sử dụng đêtectơ bán dẫn gecmani siêu tinh khiết HPGe Trong thí nghiệm, các phổ gamma đƣợc đo nhiều lần với thời gian đo và thời gian phân rã khác nhau nhằm ghi nhận đƣợc các đồng vị có thời gian bán rã khác nhau và giảm thiểu các sai số thống

kê cũng nhƣ sai số hình học đo

2.2 Máy gia tốc electron tuyến tính 2,5 GeV

Thiết bị gia tốc chính của Trung tâm Gia tốc Pohang là máy gia tốc tuyến tính 2,5 GeV (hình 2.2) Đây là một máy gia tốc lớn có thể tạo ra chùm electron năng lƣợng tới 2,5 GeV, độ rộng xung 1ns, tần số của xung 10 Hz, dòng lớn hơn 2A Các bộ phận chính bao gồm một súng bắn electron, 12 klytron, 44 đoạn ống gia tốc, 6 bộ ba nam châm tứ cực, 6 nam châm lái dòng, 3 nam châm uốn dòng,… Tổng chiều dài của máy gia tốc là 160 mét Máy gia tốc eletron tuyến tính 2,5 GeV cung cấp chùm electron năng lƣợng cao cho thiết bị tạo nguồn bức xạ synchotron (storage ring), ngoài ra còn có thể tạo ra nguồn bức xạ hãm và nơtron năng lƣợng cao phục vụ nhiều mục đích nghiên cứu và ứng dụng khác nhau

Nguồn bức xạ hãm trên máy gia tốc tuyến tính 2,5 GeV đƣợc tạo thành khi bắn chùm electron đƣợc gia tốc tới năng lƣợng 2,5 GeV vào bia hãm W có bề dày 2

mm Bức xạ hãm có phổ liên tục và năng lƣợng đạt giá trị cực đại đúng bằng động năng của electron tới (2,5 GeV) Hình 2.3 biểu diễn phổ bức xạ hãm của bia W khi bắn phá bởi chùm electron năng lƣợng 2,5 GeV

Phổ bức

xạ hãm phát

ra từ bia W khi bắn phá bởi chùm electron năng lượng 2,5 GeV được mô phỏng bởi phần mềm Geant4

22

2.3 Ghi nhận và phân tích phổ gamma

Phổ kế gamma đa kênh có ƣu điểm hơn hẳn so với máy đếm đơn kênh Nó không chỉ đơn thuần đếm số hạt bay đến detector mà còn phân biệt chúng theo năng lƣợng Vì sản phẩm sau phản ứng gồm nhiều đồng vị khác nhau, phát ra các bức xạ gamma có năng lƣợng khác nhau, do đó việc sử dụng phổ kế gamma đa kênh giúp cho ta có thể nhận diện đƣợc các đồng vị tạo thành và xác định suất lƣợng của chúng Trong thí nghiệm nghiên cứu đã sử dụng 02 hệ phổ kế gamma của Trung tâm Gia tốc Pohang, Hàn Quốc: Detector bán dẫn HPGe model 2002 CSL (CANBERRA), thể tích 100 cm3, phân giải năng lƣợng 1.8 keV tại đỉnh 1332 keV, việc ghi nhận và xử lý phổ gamma thông qua phần mềm Genie 2000 và Detector bán dẫn HPGe model GEM-20180-p (ORTEC), thể tích 100cm3, phân giải năng lƣợng 1.9 keV tại đỉnh 1332 keV, phổ gamma đƣợc ghi nhận và xử lý bằng phần mềm Gamma Vision Hình 2.4 là sơ đồ hệ đo phổ gamma thông dụng Hình 2.5, 2.6

là hình ảnh thực tế của các hệ phổ kế sử dụng trong nghiên cứu

Hình 2.4 Sơ đồ khối của một hệ phổ kế gamma

Hiệu suất ghi và độ phân giải năng lƣợng của detector là những thông số rất quan trọng trong tính toán và phân tích số liệu thực nghiệm Hiệu suất ghi đƣợc định nghĩa nhƣ sau :

n E E

R E

(2.1)