Nghiên cứu thực nghiệm cấu trúc phổ năng lượng kích thích của các hạt nhân 172yb và 153sm trên kênh nơtron của lò phản ứng hạt nhân đà lạt tt

Mở đầuCấu trúc hạt nhân nguyên tử bao gồm sơ đồ mức SĐM, mật độ mứcMĐM, và hàm lực bức xạ HLBX là các đại lượng quan trọng chứađựng thông tin về cấu trúc và đặc điểm của các hạt nhân kíc

Viện năng lượng nguyên tử Việt Nam

Tóm tắt luận án

Nghiên cứu thực nghiệm cấu trúc phổ năng

nhân Đà lạt

Tác giả:

Nguyễn Ngọc Anh

Giáo viên hướng dẫn:

TS Nguyễn Xuân HảiPGS TS Phạm Đình Khang

Hà Nội, 2018

Công trình được hoàn thành tại:

Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt, Viện Năng lượng nguyên tử ViệtNam

Người hướng dẫn khoa học:

TS Nguyễn Xuân Hải

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

Mở đầu

Cấu trúc hạt nhân nguyên tử bao gồm sơ đồ mức (SĐM), mật độ mức(MĐM), và hàm lực bức xạ (HLBX) là các đại lượng quan trọng chứađựng thông tin về cấu trúc và đặc điểm của các hạt nhân kích thích.Tính đầy đủ của sơ đồ mức đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứuphản ứng hạt nhân, tính toán các mô hình thống kê cũng như thayđổi các tham số MĐM Phần lớn số liệu về SĐM được tổng hợp trongthư viện ENSDF [1] Tuy nhiên, thông tin về SĐM của nhiều hạt nhântrong vùng năng lượng trung gian, nơi phản ứng bắt nơtron nhiệt(nth,γ) thường được sử dụng để nghiên cứu, còn sơ sài và chưa đầyđủ

Đối với MĐM và HLBX, mặc dù chúng là các đại lượng quan trọngtrong nhiều lĩnh vực nghiên cứu như phản ứng hạt nhân ở năng lượngthấp, vật lý thiên văn, sản xuất năng lượng hạt nhân, , số liệu vềMĐM và HLBX của nhiều hạt nhân trong cả vùng năng lượng cao vàvùng năng lượng thấp đều chưa đầy đủ

Phương pháp trùng phùng γ− γ [2] có thể được sử dụng để nghiêncứu SĐM do phương pháp này cho phép loại bỏ đáng kể nền phôngCompton và có khả năng nhận diện các chuyển dời gamma có tươngquan Ngoài ra, phương pháp này cũng được sử dụng để nghiên cứuMĐM và HLBX thông qua phân bố cường độ chuyển dời gamma nốitầng [3–5]

Sơ đồ mức hạt nhân của172Yb và153Sm

172Yb trong vùng năng lượng thấp (E < 2.4 MeV) đã được xác địnhrất đầy đủ [6] Tuy nhiên, thông tin về các trạng thái kích thích và cácchuyển dời sơ cấp tương ứng ở vùng năng lượng trung bình (2.4 MeV

<E < 5 MeV), nơi phản ứng (nth,γ) thường được sử dụng để nghiêncứu, còn thưa thớt và không đầy đủ

Thực nghiệm về mật độ mức và hàm lực bức xạ

Trên phương diện thực nghiệm, MĐM đã được nghiên cứu bằng một

số phương pháp như đếm mức gián đoạn ở vùng năng lượng thấp,thông qua độ rộng cộng hưởng nơtron ở năng lượng liên kết nơtron,

và phổ bay hơi ở vùng năng lượng cao (trên ngưỡng hạt) HLBX cóthể được trích xuất từ tiết diện hấp thụ photon cũng như từ các phảnứng bắt nơtron phát bức xạ và các phản ứng với hạt mang điện phátbức xạ Gần đây, nhóm Oslo của Đại học Oslo (Na Uy) đã phát triểnmột kỹ thuật tiên tiến, gọi tên là phương pháp Oslo, cho phép xácđịnh đồng thời MĐM và HLBX từ phổ gamma thu được từ phản ứngtrao đổi và/hoặc tán xạ không đàn hồi [8, 9] Tuy nhiên do giới hạn

về nguồn ion, phương pháp Oslo mới chỉ được áp dụng cho khoảng

60 hạt nhân Thông tin về MĐM và HLBX của các hạt nhân này đượccung cấp trong tài liệu [10] Thực tế, ngoài phương pháp Oslo, MĐM

và HLBX còn có thể được trích xuất từ phổ gamma thu được từ phảnứng (nth,γ) Phương pháp này chủ yếu được phát triển bởi nhómDubna của Viện Liên hợp nghiên cứu hạt nhân Dubna [4,5,11] Cụ thể,

phương pháp Dubna trích xuất MĐM và HLBX từ phân bố cường độchuyển dời gamma thu được thông qua đo phổ chuyển dời nối tầng(TSC) [11] Tuy nhiên, MĐM và HLBX trích xuất bằng phương phápDubna có sự sai lệch lớn so với kết quả thu được bằng phương phápOslo [10, 11] Ta có thể thấy rằng sự khác nhau cơ bản giữa phươngpháp Oslo và phương pháp Dubna là ở chỗ phương pháp Dubna sửdụng một hàm toán học để mô tả MĐM và HLBX, trong khi đó trongphương pháp Oslo, MĐM và HLBX được thay đổi một cách tự do đểthu được bộ giá trị khớp tốt nhất với phổ thực nghiệm [8, 9] Có vẻnhư sự khác biệt này chính là nguyên nhân lý giải cho sự khác nhau

về MĐM và HLBX xác định từ hai phương pháp nói trên Thêm vào

đó, MĐM và HLBX trong phương pháp Oslo được chuẩn hóa theo kếtquả thu được của các thực nghiệm khác, trong khi đó phương phápDubna không áp dụng bất cứ một phương pháp chuẩn hóa nào

Các nghiên cứu thực nghiệm về phân rã gamma nối tầng sử dụng phương pháp trùng phùng γ − γ tại Việt Nam

Phân rã gamma nối tầng của 172Yb và 153Sm đã được nghiên cứutrong công trình [12] Tuy nhiên, số liệu phân rã gamma nối tầngkhông phải là mục tiêu chính của công trình [12], thay vào đó, côngtrình này chủ yếu chỉ tập trung vào xây dựng hệ phổ kế trùng phùng

γ− γ và hệ thống thực nghiệm trên kênh số 3 của lò phản ứng hạtnhân Đà Lạt Thêm nữa, chất lượng bia mẫu171Yb và152Sm được sửdụng trong công trình [12] còn hạn chế, do đó, công trình [12] chỉ mớicung cấp các thông tin thô về phân rã gamma nối tầng của hai hạtnhân172Yb và153Sm mà chưa tiến tới xác định SĐM, MĐM và HLBX

Mục tiêu của luận án

Các mục tiêu của luận án bao gồm:

• Cung cấp SĐM cập nhật của172Yb và153Sm, dựa trên thông tinphổ học thu được từ hệ phổ kế trùng phùng γ− γ Dữ liệu đượcxác định là mới trên cơ sở so sánh SĐM thực nghiệm với SĐMtrích xuất từ thư viện ENSDF [1]

• Giải quyết sự khác biệt giữa hai phương pháp Oslo và Dubnabằng cách đưa ra một phương pháp trích xuất MĐM và HLBXmới, là tổng hợp của phương pháp Dubna (trích xuất từ phân

bố cường độ gamma nối tầng) và phương pháp Oslo (chuẩnhóa theo các dữ liệu đã biết) Phương pháp sẽ được áp dụngthử nghiệm với172Yb.

Cấu trúc của luận án

Luận án có cấu trúc gồm ba chương Chương một trình bày các nộidung lý thuyết liên quan tới luận án Chương hai trình bày cơ sở thựcnghiệm, bố trí thí nghiệm và phương pháp xử lý số liệu Phương phápmới đề ra nhằm trích xuất MĐM và HLBX từ phân bố cường độ phân

rã gamma nối tầng cũng được trình bày trong chương này Chương

3 trình bày các kết quả đạt được bao gồm: SĐM của172Yb và153Sm,MĐM và HLBX của172Yb Kết luận được trình bày ở cuối mỗi chương.Phần cuối cùng của luận án, kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo,tổng kết các kết quả đã đạt được và đề xuất một số hướng nghiên cứutrong tương lai

1 Lý thuyết

1.1 Phản ứng hạt nhân hợp phần

Phản ứng hạt nhân hợp phần được định nghĩa là phản ứng hạt nhântrong đó tương tác của hạt tới với bia mẫu dẫn tới sự hình thành củamột hạt nhân hợp phần [13] Phản ứng hạt nhân hợp phần đóng vaitrò quan trọng trong vật lý hạt nhân cơ bản và ứng dụng Phản ứnghạt nhân hợp phần dựa trên giả thiết của Borh [14]

1.2 Sơ đồ mức

Một sơ đồ mức hoàn chỉnh của một hạt nhân được định nghĩa là trongvùng năng lượng dưới một giá trị ngưỡng xác định, tất cả các mứcgián đoạn đều được ghi nhận và được đặc trưng bởi một năng lượng,spin và độ chẵn lẻ duy nhất Thêm vào đó, thông tin về các chuyểndời gamma như năng lượng, cường độ, loại chuyển dời và các trạngthái đầu cuối cũng rất cần thiết

Hiển nhiên là các nghiên cứu dựa trên thông tin phổ học thu được từcác phản ứng không lọc lựa spin có thể cung cấp các SĐM đầy đủ [15].Tuy nhiên, do các giới hạn về thực nghiệm, rất nhiều hạt nhân khôngthể được nghiên cứu bằng phương pháp này Do đó, thông thường,SĐM đầy đủ được xây dựng dựa trên thông tin thu được từ nhiềuphương pháp khác nhau như phân rã beta, phân rã bắt electron, cácphản ứng với nơtron, các phản ứng với hạt mang điện nặng, Mỗiphương pháp cung cấp một lượng thông tin nhất định về SĐM, tổnghợp kết quả thu được từ các phương pháp khác nhau cho phép xâydựng SĐM hoàn chỉnh Với lý do này, thư viện ENSDF đã được xâydựng [1] Dữ liệu của thư viện này liên tục được cập nhật và chỉnhsửa dựa trên cơ sở các báo cáo về mức mới và chuyển dời mới cũngnhư các đề xuất về hiệu chỉnh hoặc loại bỏ các dữ liệu đã có

1.3 Mật độ mức hạt nhân

MĐM có thể được mô tả bằng các mô hình hiện tượng luận hoặc các

mô hình vi mô Các mô hình hiện tượng luận cung cấp một hàm toán

học với một vài tham số tự do dựa trên các ý tưởng lý thuyết để mô

tả NLD Các tham số được xác định bằng cách làm khớp mô hình vớicác số liệu thực nghiệm Trong khi đó, các mô hình vi mô xét tới cáctương tác nucleon-nucleon dưới dạng SĐM đơn hạt, các thông số biếndạng, tính toán các đại lượng nhiệt động học và rút ra MĐM Cần lưu

ý rằng, trong một số mô hình vi mô, các xử lý thích hợp cho sự kếtcặp, các trạng thái rung và quay của hạt nhân cũng được tích hợp.Đối với các mô hình hiện tượng luận, mẫu khí Fermi [16], về sau đượcphát triển thành mẫu khí Fermi dịch chuyển ngược [17], mẫu nhiệt độkhông đổi [18] và mẫu Gilbert-Cameron [19] được sử dụng rộng rãi.Trong khi đó, đối với các mô hình vi mô, mô hình của Ignatyuk [20] và

mô hình Hartree-Fock-BCS-based [21] là hai mô hình phổ biến Ngoài

ra, N Quang Hung và các cộng sự [22] mới đây đã đề xuất một mô

hình vi mô mới để mô tả MĐM

1.4 Hàm lực bức xạ

Có hai mô hình được sử dụng để mô tả hàm lực bức xạ Mô hình thứnhất là mô hình Lorentzian và mô hình thứ hai là mô hình Weisskopf[13] Trong mô hình của Weisskopf, HLBX không phụ thuộc vào nănglượng của chuyển dời gamma Mặc dù mô hình Weisskopf thườngđược sử dụng để mô tả HLBX do tính đơn giản và yếu tố lịch sử của

nó, mô hình này không thể mô tả chính xác HLBX thực nghiệm Môhình Lorentzian có khả năng mô tả HLBX thực nghiệm với độ chínhxác cao hơn Trong số các mô hình Lorentizian, mô hình Lorentizianchuẩn và mô hình Kadmenskij, Markushev, và Furman (KMF) [23]được sử dụng rộng rãi nhất

Giả thiết của Brink-Axel [24, 25] thường được sử dụng trong mô tảHLBX, đặc biệt ở vùng năng lượng thấp Theo giải thiết này, HLBXchỉ phụ thuộc vào năng lượng của chuyển dời gamma mà không phụthuộc vào trạng thái mức đầu và mức cuối của nó Như vậy, các tham

số cộng hưởng khổng lồ được xây dựng cho trạng thái cơ bản đượccoi là giống như với giá trị xây dựng cho trạng thái kích thích Hệ quả

là, hệ số chuyển rời gamma có thể được biểu diễn theo HLBX nhưsau:

T (E) = 2πf (E)E2L+1 (1.42)

1.5 Kết luận chương 1

Trong chương này, các nội dung lý thuyết liên quan tới luận án đượctrình bày ngắn gọn Tất cả các thí nghiệm thực hiện trong luận án nàyđều dựa trên phân rã gamma nối tầng từ hạt nhân hợp phần gây bởiphản ứng (n,γ), do đó trước hết lý thuyết về phản ứng hạt nhân hợpphần được trình bày Tiếp sau đó, tầm quan trọng của SĐM hạt nhânđầy đủ cũng như phương pháp thực nghiệm để xác định SĐM đầy

đủ được đưa ra Cuối cùng, các mô hình lý thuyết thường được sửdụng để mô tả MĐM và HLBX, đặc biệt là trong vùng năng lượngthấp (dưới năng lượng liên kết nơtron) được trình bày

2 Thực nghiệm và xử lý số liệu

2.1 Cơ sở và phương pháp thực nghiệm

2.1.1 Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt và kênh nơtron số 3

Tất cả các thí nghiệm trong luận án này đều được thực hiện trên kênhnơtron số 3 của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt Trên kênh nơtron số 3,

kỹ thuật phin lọc nơtron được áp dụng để thu được dòng nơtron nhiệt

từ vùng hoạt của lò phản ứng Dòng nơtron nhiệt trên kênh nơtron

số 3 có đường kính 2.5 cm, thông lượng 1.7× 105n.cm−2.s−1tại vị tríchiếu mẫu và tỷ số R(Cd/Au) đạt 230

2.1.2 Phương pháp trùng phùng γ− γ

Phương pháp trùng phùng γ−γ [2] là một phương pháp thích hợp đểnghiên cứu SĐM nhờ vào khả năng thu phổ gamma với nền phôngCompton thấp và nhận diện các chuyển dời có tương quan thời gian.Ngoài ra, cường độ chuyển dời gamma nối tầng cũng liên hệ vớiMĐM và HLBX thông qua độ rộng bức xạ [2, 3, 26] như sau

là độ rộng bức xạ riêng phần tương ứng với chuyển dời loại XL phân

rã từ trạng thái x (i or m) về trạng thái y (m or f ) với E bằng Ex− Ey;

Γxlà độ rộng bức xạ toàn phần, tức là tổng của các độ rộng bức xạriêng phần tương ứng với chuyển dời từ trạng thái x về các trạng thái

có năng lượng thấp hơn Độ rộng bức xạ riêng phần trong công thức(2.1) liên hệ với HLBX, fXL(E) và độ rộng mức trung bình của trạng

thái đầu, Dxbởi [26, 27]:

ΓXL

xy (E) = fXL(E)E2L+1Dx (2.2)Dựa trên các công thức (2.1) và (2.2), chúng ta hoặc có thể kiểm tra các

mô hình MĐM và HLBX đã có [3] hoặc trích xuất đồng thời MĐM vàHLBX thực nghiệm [4, 5]

2.1.3 Hệ phổ kế trùng phùng γ− γ

Tất cả các thí nghiệm trong luận án này đều được thực hiện trên hệphổ kế trùng phùng γ− γ của Viện Nghiên cứu hạt nhân [28]

2.1.4 Bố trí thí nghiệm và thông tin bia mẫu

Sơ đồ bố trí thí nghiệm được đưa ra trong Hình 2.9 Hai đầu dò sửdụng là hai đầu dò HPGe có hiệu suất ghi tương đối 35%1 Trong

target

Thermal neutron beam

Lead Paraffin + Boron Lithium Fluoride Boron Carbide

2 mm lead in detector windows

luận án này, chúng tôi sử dụng hai bia mẫu Bia mẫu thứ nhất là 0.56

g Yb2O3dạng bột, có độ giàu171Yb∼ 95.5% Bia mẫu thứ hai là 0.232

g bột Sm2O3, có độ giàu152Sm∼ 96.5% Các bia mẫu này, được góikín trong các túi nhựa, và sau đó được chiếu trên dòng nơtron nhiệt.Thí nghiệm được tiến hành trong 830 giờ với bia171Yb và 300 giờ vớibia152Sm

1 So với hiệu suất của tinh thể NaI(Tl) tiêu chuẩn (3-in.-đường kính × 3-in.-dài).

2.1.5 Các nguồn sai số “hệ thống” trong phương pháp trùng phùng

2.2.1 Tiền phân tích

Bước tiền phân tích hiệu chỉnh số liệu thô khỏi các sai dịch khôngmong muốn do thời gian thực nghiệm dài, sau đó tạo ra phổ tổng vàphổ TAC

Coincidence raw data

Pre-analysis

Make TSC spectra LibraryFWHMs

Detector efficiencies

Construct NLS

Determine gamma cascade intensity distribution

Extract NLD and RSF

Gamma cascade intensity distribution, Iγγ(Eγ, Ef)

Determine functional form of γ transitions coefficient, T (E γ )

Determine unnormalized partial NLD, ρ(E, J)

Determine ized total NLD, ρ(E)

unnormal-Normalize total NLD, ρnormalized(E)

Normalize γ transitions coefficient, T normalized (E)

Deduce RSF, f XL (E)

Spin bution, g(J)

distri-Discrete NLS, average

to s-wave neutron, D 0

Average total radiative width,hΓi

xuất MĐM và HLBX

2.2.2 Phổ nối tầng bậc hai

Dựa trên phổ tổng và phổ TAC thu được ở bước tiền phân tích, cácphổ nối tầng bậc hai (TSC) tương ứng với các mức cuối khác nhauđược xác định Thuật toán cải thiện độ phân giải số đã được áp dụng

và giúp cải thiện độ phân giải năng lượng từ 1.2 đến 2.6 lần trongvùng năng lượng từ 788 keV đến 7790 keV [29]

2.2.3 Xác định cường độ chuyển dời gamma nối tầng

Mỗi cặp đỉnh đối xứng qua năng lượng (Bn− Ef)/2 trong phổ TSC,đại diện cho một nối tầng Cường độ của gamma nối tầng tỷ lệ vớidiện tích đỉnh tương ứng Cường độ chuyển dời tương đối được chuyểnđổi sang cường độ chuyển dời tuyệt đối thông qua các chuyển dời nốitầng có cường độ tuyệt đối đã được biết rõ

2.2.4 Xây dựng sơ đồ mức

Kỹ thuật trùng phùng γ− γ không cho phép xác định chuyển dờigamma sơ cấp trong nối tầng gamma, do vậy ta cần đưa ra một sốtiêu chí để lựa chọn chuyển dời sơ cấp Thứ nhất, nếu một chuyểndời trùng với một chuyển dời sơ cấp trong thư viện ENSDF, nó sẽđược coi là chuyển dời sơ cấp; thứ hai, nếu một chuyển dời xuất hiệntrong ít nhất hai phổ TSC, nó sẽ được coi như là một chuyển dời sơcấp; nguyên tắc thứ ba được sử dụng nếu chuyển dời sơ cấp khôngthể xác định được từ hai nguyên tắc đầu Nguyên tắc thứ ba coi cácchuyển dời có năng lượng cao hơn trong cặp chuyền dời nối tầng làchuyển dời sơ cấp

Dựa trên các nguyên tắc trên, chúng ta có thể xác định được SĐM

“đầy đủ”, bao gồm tất cả các nối tầng ghi nhận được SĐM “đầy đủ”được sử dụng để xác định phân bố cường độ chuyển dời nối tầng.Tuy nhiên, để so sánh với số liệu trích xuất từ thư viện ENSDF, SĐMcần phải có độ tin cậy cao và có sai số thống kê đủ nhỏ Do đó, chúngtôi xây dựng SĐM rút gọn, chỉ chứa các cặp chuyển dời mà chuyểndời sơ cấp của nó được xác định chỉ bới hai nguyên tắc đầu và có diệntích đỉnh lớn hơn 50 số đếm, để so sánh với số liệu trong thư việnENSDF