Nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên bia 209bi gây bởi chùm bức xạ hãm năng lượng cực đại 2,5 gev

viết tắt và từ khoáEγ : Năng lượng tia gamma Eth : Năng lượng ngưỡng của phản ứng hạt nhân T1/2 : Thời gian bán rã của đồng vị phóng xạ Iγ : Cường độ tia gamma hay xác suất phát xạ λ: Hằ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHẠM ĐỨC KHUÊ

Để hoàn thành một nghiên cứu khoa học không thể thiếu đi những sự hỗtrợ Trong suốt quá trình hoàn thành luận văn của mình, em đã nhận được rấtnhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý thầy cô, gia đình và bạn bè.

Đầu tiên, em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Phạm ĐứcKhuê, người thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên em trong quá trình hoànthành luận văn này

Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn vô hạn tới PGS TS Bùi Văn Loát, ngườithầy đặc biệt đã giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học cao học cũngnhư hoàn thành luận văn

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các giảng viên Khoa Vật lý,các cán bộ phòng Sau đại học và các học viên lớp cao học Vật lý 2015 - 2017 đã

hỗ trợ và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện luận văn

Nhân dịp này em cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn

bè đã luôn bên em, cổ vũ, động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập

và thực hiện luận văn này

Hà Nội, tháng 10 năm 2017

Học viên

Bùi Thị Hồng

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt và từ khoá iii

Danh sách hình vẽ v

Danh sách bảng vi

Mở đầu 1

Chương 1 Phản ứng quang hạt nhân với chùm photon hãm năng lượng cao 4

1.1.Phản ứng quang hạt nhân 4

1.1.1 Khái niệm phản ứng quang hạt nhân 4

1.1.2 Sự hấp thụ photon bởi hạt nhân 5

1.1.3 Sự khử kích thích của hạt nhân sau khi hấp thụ một photon 7

1.1.4 Phản ứng photospallation 8

1.1.5 Phản ứng quang phân hạch 9

1.2.Tổng quan một số kết quả nghiên cứu về phản ứng quang phân hạch 209Bi 11

1.3.Nguồn bức xạ hãm trên máy gia tốc linac 16

1.3.1 Máy gia tốc electron tuyến tính 2,5 GeV 16

1.3.2 Cơ chế tạo chùm bức xạ hãm trên máy gia tốc 18

Chương 2 Phương pháp thực nghiệm 22

2.1.Xác định suất lượng phản ứng bằng thực nghiệm 22

2.2.Phổ kế gamma với đêtector bán dẫn siêu tinh khiết HPGe dùng trong ghi nhận bức xạ 26

2.4.1 Hiệu ứng thời gian chết và chồng chập xung 33

2.4.2 Hiệu ứng tự hấp thụ tia gamma trong mẫu 34

2.4.3 Hiệu chỉnh can nhiễu phóng xạ 35

2.4.4 Hiệu ứng cộng đỉnh 36

Chương 3 Kết quả thực nghiệm và thảo luận 39

3.1.Nhận diện đồng vị phóng xạ tạo thành từ các phản ứng quang hạt nhân trên bia 209Bi 39

3.2.Xác định suất lượng các phản ứng sinh nhiều nơtron 50

3.3.Xác định suất lượng phản ứng quang phân hạch 209Bi(γ,f) 53 3.4.Thảo luận 57

Kết luận 59 Phụ lục I

viết tắt và từ khoá

Eγ : Năng lượng tia gamma

Eth : Năng lượng ngưỡng của phản ứng hạt nhân

T1/2 : Thời gian bán rã của đồng vị phóng xạ

Iγ : Cường độ tia gamma hay xác suất phát xạ

λ: Hằng số phân rã

HPGe: Đêtectơ bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết

Reaction yield: Suất lượng phản ứng

Linac: Máy gia tốc tuyến tính

Quasi-deutron: Giả đơtron

ti, td,tm: Thời gian kích hoạt, thời gian phân rã, thời gian đo

Pulse heigh: Biên độ xung

ADC: Bộ chuyển đổi tương tự số

MCA: Bộ phân tích biên độ đa kênh

Dead time: Thời gian chết

Pile up: Chồng chập xung

Summing effect: Hiệu ứng cộng đỉnh

Photofission: Phản ứng quang phân hạch

1.1 Tiết diện toàn phần cuả quá trình hấp thụ photon bởi hạt nhân 61.2 Sự phụ thuộc của khả năng phân hạch vào năng lượng photon đối

với các bia W, Pt, Au, Pb và Bi 101.3 Phân bố suất lượng quang phân hạch trên bia 197Au với chùm

photon năng lượng từ 300 MeV – 1100 MeV 111.4 Tiết diện quang phân hạch 209Bi 121.5 Phân bố suất lượng phản ứng quang phân hạch hạt nhân theo số khối.121.6 Phân bố suất lượng phản ứng quang phân hạch hạt nhân theo số khối.131.7 (a).Tiết diện phản ứng theo số khối hạt nhân sản phẩm (b).Tiết

diện phản ứng theo điện tích hạt nhân sản phẩm 141.8 Suất lượng của các phản ứng quang hạt nhân trên bia 197Au và

bia 209Bi với năng lượng chùm bức xạ hãm 1 GeV 151.9 Phân bố suất lượng phản ứng quang hạt nhân trên bia 209Bi gây

bởi chùm bức xạ hãm năng lượng cực đại 2,5 GeV 161.10 Hình ảnh máy gia tốc electron tuyến tính 2,5 GeV tại PAL, Hàn Quốc.171.11 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 191.12 Sự phụ thuộc hiệu suất chùm bức xạ hãm vào bề dày bia W 212.1 Sự phụ thuộc của hoạt độ phóng xạ vào thời gian kích hoạt (ti),

thời gian phân rã (td) và thời gian đo (tm)[4] 252.2 Minh họa phổ gamma thực tế (bên trái) và phổ gamma lý tưởng

2.5 Phổ BiP5T3 312.6 Phổ BiP5T13 322.7 Sơ đồ phân rã của 207Bi 383.1 Phân bố suất lượng của các phản ứng 209Bi(γ,xn)209−xBi theo số

nơtron phát ra 523.2 So sánh kết quả luận văn thực hiện với kết quả của tác giả A.N

Ermakov và đồng nghiệp 533.3 Phân bố suất lượng quang phân hạch209Bi(γ,f) theo điện tích của

hạt nhân sản phẩm 563.4 So sánh số liệu luận văn thực hiện với kết quả của tác giả H Naik

và đồng nghiệp 57

1.1 Các thông số chính của Linac tại PAL 18

2.1 Thời gian phơi và thời gian đo mẫu Bi kích hoạt 30

2.2 Kết quả tính hệ số tự hấp thụ tia gamma trong mẫu Bi 35

2.3 Các đỉnh gamma can nhiễu cần xử lý 36

3.1 Kết quả nhận diện các hạt nhân sản phẩm từ phản ứng quang hạt nhân trên bia Bi gây bởi chùm photon hãm 2,5 GeV 40

3.2 Nhận diện các đồng vị tạo thành từ các phản ứng quang phân hạch trên mẫu 209Bi 48

3.3 Các yếu tố cần thiết trong việc xác định suất lượng phản ứng sinh nhiều nơtron 209Bi(γ,xn)209−xBi 50

3.4 Kết quả xác định suất lượng các phản ứng sinh nhiều nơtron 209Bi(γ,xn)209−xBi 51

3.5 Các yếu tố cần thiết trong việc xác định suất lượng phản ứng sinh nhiều nơtron 209Bi(γ,f) 54

3.6 Kết quả xác định suất lượng quang phân hạch 209Bi(γ,f) 55

3.7 Đánh giá sai số kết quả thực nghiệm xác định suất lượng phản ứng 58

Cùng với sự phát triển của công nghệ, kỹ thuật, con người càng khám pháđược nhiều điều bí ẩn trong tự nhiên Một trong số đó là nghiên cứu về các phảnứng hạt nhân Nhờ phản ứng hạt nhân mà nhân loại ngày càng hiểu sâu sắc hơn

về cấu trúc vi mô của thế giới vật chất muôn hình muôn vẻ Từ đó ứng dụng vàohàng loạt các lĩnh vực trong thực tiễn đời sống như tìm ra nguồn năng lượngmới – năng lượng hạt nhân, chế tạo các đồng vị phóng xạ, phục vụ trong y học,ứng dụng trong vật lý thiên văn, chuyển đổi chất thải hạt nhân Bên cạnh cácloại phản ứng hạt nhân với chùm hạt tích điện và với nơtron, phản ứng quanghạt nhân cũng đóng một phần vô cùng quan trọng Phản ứng quang hạt nhân làphản ứng hạt nhân xảy ra khi có sự tương tác giữa bức xạ gamma hay còn gọi

là photon với hạt nhân, sau tương tác hạt nhân có thể phát xạ nơtron, protonhoặc các loại hạt khác tùy thuộc vào năng lượng chùm photon tới và số khối hạtnhân bia Các phản ứng quang hạt nhân thường xảy ra là: phản ứng sinh nhiềunơtron (γ, xn), phản ứng photospallation (γ, xnyp), phản ứng tạo pion (γ,πxn),phản ứng phân hạch hạt nhân(γ, f ), hiện tượng phân mảnh(γ, f r) Một trongcác thông số quan trọng trong phản ứng hạt nhân nói chung, phản ứng quanghạt nhân nói riêng đó là tiết diện phản ứng Tiết diện phản ứng phụ thuộc vàonăng lượng của hạt tới Với năng lượng xác định, các kênh phản ứng khác nhau

sẽ cho tiết diện phản ứng khác nhau Đối với các phản ứng hạt nhân xảy ra vớichùm photon hãm năng lượng liên tục thì thay vì xác định chính xác tiết diện

ta đi xác định suất lượng phản ứng Việc xác định suất lượng phản ứng cho tacái nhìn đúng đắn về cơ chế phản ứng, phản ánh tiết diện phản ứng cũng như

phân bố thông lượng, năng lượng chùm hạt tới.

Ngày nay, nhờ vào sự phát triển của máy gia tốc, các nghiên cứu về phảnứng quang hạt nhân không chỉ bị giới hạn ở những photon năng lượng thấp, màcòn được mở rộng tới vùng năng lượng cao cỡ GeV Cho tới thời điểm hiện tại

đã có nhiều công trình nghiên cứu về phản ứng quang hạt nhân ở vùng nănglượng cao, nhưng có lẽ vẫn chưa đủ để tạo nên một bức tranh đầy đủ về cơ chếphản ứng quang hạt nhân ở vùng năng lượng này Đối với chùm photon nănglượng cao, ngoài các phản ứng hạt nhân thường thấy ở chùm photon năng lượngthấp, ta đặc biệt chú ý tới phản ứng phân hạch

Luận văn với đề tài: “Nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên bia 209Bi gâybởi chùm bức xạ hãm năng lượng cực đại 2,5 GeV”, sử dụng máy gia tốc tuyếntính 2,5 GeV tại trung tâm gia tốc Pohang, Hàn Quốc để gia tốc chùm electronbắn vào bia W tạo thành chùm photon hãm với thông lượng lớn, có phổ liên tục

từ 0 cho tới năng lượng cực đại đúng bằng động năng của chùm electron Chùmphoton hãm này được sử dụng chiếu vào bia 209Bi để tạo thành các phản ứngquang hạt nhân, các đồng vị bền bị biến thành các đồng vị phóng xạ Nghiêncứu thực nghiệm được tiến hành dựa trên cơ sở kết hợp phương pháp kích hoạtphóng xạ với phương pháp ghi nhận phổ gamma bằng đêtector siêu tinh khiếtHPGe có độ phân giải năng lượng cao, từ các đỉnh năng lượng gamma đặc trưngcho từng đồng vị phóng xạ và chu kỳ bán rã ta có thể nhận diện các đồng vịphóng xạ tạo thành sau phản ứng, từ đó xác định suất lượng của phản ứng.Mục đích của luận văn là nhận diện các đồng vị phóng xạ tạo thành sau phảnứng quang hạt nhân khi chiếu chùm photon năng lượng cực đại2, 5 GeV vào bia

209Bi, xác định suất lượng phản ứng quang hạt nhân sinh nhiều nơtron (γ, xn)

và suất lượng phản ứng quang phân hạch (γ,f) Các số liệu thu được từ thựcnghiệm được so sánh, đánh giá với các kết quả nghiên cứu khác có liên quan.Luận văn được chia thành ba chương:

• Chương 1: Phản ứng quang hạt nhân với chùm photon hãm năng lượng

• Chương 2: Phương pháp thực nghiệm

• Chương 3: Kết quả thực nghiệm và thảo luận

Luận văn được hoàn thành với 23 hình vẽ và đồ thị, 11 bảng biểu, và 26 tàiliệu tham khảo

Phản ứng quang hạt nhân với chùm photon hãm năng lượng cao

1.1.1 Khái niệm phản ứng quang hạt nhân

Photon là hạt truyền tương tác điện từ Lực điện từ không chỉ tác động lêntoàn bộ hạt nhân mà còn tác động ở mức độ nhỏ hơn nữa của hạt nhân Do đó

sự tương tác này rất hữu ích cho việc tìm ra các đặc tính chung và từng phầncủa hạt nhân nguyên tử Phản ứng quang hạt nhân là phản ứng hạt nhân xảy

ra khi có sự tương tác giữa photon với hạt nhân, sau tương tác hạt nhân cóthể phát xạ nơtron, proton hoặc các loại hạt khác Phản ứng quang hạt nhân

là phản ứng thu năng lượng, do đó điều kiện để một phản ứng có thể xảy ra

là năng lượng photon (Eγ) phải lớn hơn năng lượng ngưỡng (Eth) Để có chùmphoton với thông lượng và năng lượng lớn, người ta thường sử dụng chùm bức

xạ hãm sinh ra khi các electron được gia tốc tương tác với các hạt nhân bia

Các nghiên cứu về phản ứng quang hạt nhân bắt đầu từ năm 1934, khi màChadwick và Goldhaber công bố một báo cáo về phản ứng của đơteri bị bắn phábởi chùm gamma phát ra từ208Tl (E = 2,62 MeV) Cũng trong năm đó, hai báocáo về phản ứng quang nơtron của 7Be, một của Chalmers và một của Gentner

và Szillard được công bố một cách độc lập Cho tới khi có nguồn beta nănglượng cao vào đầu những năm 1940, các phản ứng quang hạt nhân chỉ có thểđược nghiên cứu là các quá trình phân tách trong2D và Be vì chỉ có các nguyên

tố này (trừ một vài hạt nhân dễ dàng phân hạch qua phản ứng photofission ởnăng lượng thấp) có năng lượng ngưỡng đủ thấp bị phân rã bởi các photon từcác nguồn phóng xạ gamma phát ra Một ngoại lệ là nghiên cứu của Bothe vàGentner đã sử dụng tia gamma phát ra ngay từ phản ứng proton như môt nguồnkích hoạt

Các nghiên cứu một cách hệ thống về phản ứng quang hạt nhân bắt đầu vàonăm 1950, sử dụng chùm beta, và dữ liệu chính xác đã được xây dựng bắt đầu từnăm 1960 Sử dụng các chùm photon gần như đơn năng (quaisi-monoenergeticphotons) sinh ra trong quá trình positron tương tác với vật chất mất năng lượngtrên quãng đường bay của nó [6]

1.1.2 Sự hấp thụ photon bởi hạt nhân

Phản ứng hạt nhân gây bởi bức xạ điện từ có thể được mô tả bởi hai quátrình Sự hấp thụ một photon dẫn tới một trạng thái kích thích trung gian củahạt nhân, được gọi là hạt nhân hợp phần, sau đó bị phân rã bằng cách phát

xạ photon, nơtron hoặc các hạt tích điện Tiết diện toàn phần cho sự hấp thụphoton bởi hạt nhân được biểu diễn trên hình 1.1 [6]

Hình 1.1: Tiết diện toàn phần cuả quá trình hấp thụ photon bởi hạt nhân.

• Sự kích thích của các mức năng lượng hạt nhân rời rạc:

Với năng lượng dưới 10 MeV, các mức năng lượng hạt nhân rời rạc ở trạngthái kích thích Nếu photon tới chỉ có năng lượng đúng bằng năng lượng để kíchthích một mức hạt nhân duy nhất thì tiết diện toàn phần tăng mạnh trên mộtđỉnh cộng hưởng hẹp

• Vùng cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ (Giant Resonance):

Vùng năng lượng từ 10 - 30 MeV, một cộng hưởng rất rộng được quan sátthấy trong tiết diện hấp thụ photon toàn phần Trái với sự kích thích các mứcnăng lượng hạt nhân bị cô lập ở mức năng lượng photon thấp, cái gọi là cộnghưởng khổng lồ được đặc trưng bởi dao động tập thể của proton và nơtron bêntrong hạt nhân Sự đóng góp quan trọng nhất của cộng hưởng khổng lồ đượckích thích bởi photon đó là bởi vì chế độ lưỡng cực điện Cộng hưởng lưỡng cựcđiện khổng lồ thường được giải thích như là một chuyển động tập thể của toàn

bộ proton ngược chiều với toàn bộ nơtron

Với chùm photon tới năng lượng cao bị hấp thụ sẽ tương tác với từng nucleonriêng lẻ hoặc nhóm các nucleon Sau vùng cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ (30

< E < 140 MeV) các cơ chế tương tác khác trở nên quan trọng, photon tới sẽ

ưu tiên tương tác với cặp nucleon nơtron-proton (hay còn gọi là giả đơtron).Trong mô hình này, giả thiết rằng photon tương tác với một cặp n-p (đơtron)bên trong của hạt nhân làm tăng phát xạ nucleon trực tiếp nếu không có sựtham gia của các hạt nhân khác Do sự tương tác của photon năng lượng caovới chỉ một số ít các nucleon, nên tiết diện hấp thụ là tương đối nhỏ so với vùngcộng hưởng khổng lồ

Cuối cùng, các photon với năng lượng trên 140 MeV có thể tạo ra pion (pionproduction) Tương tác giữa photon và các nucleon riêng lẻ bên trong hạt nhândẫn tới đồng khối được tạo ra bên trong hạt nhân bia, đồng khối này phân rãthành một pion và một nucleon, quá trình này cạnh tranh với quá trình hấp thụphoton 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 thành một thác lũ các nucleon(intranuclear cascade) bên trong hạt nhân và dẫn tới sự phát xạ các nơtron cũngnhư proton và các pion Các hạt này cũng phát triển thành quá trình thác lũnối tầng Do sự sinh ra các pion mà tiết diện hấp thụ toàn phần tăng lên lầnnữa vượt ra ngoài ngưỡng của quá trình này [6]

1.1.3 Sự khử kích thích của hạt nhân sau khi hấp thụ

một photon

Năng lượng kích thích có thể được giải phóng từ hạt nhân bởi:

• Tái phát xạ một photon có cùng năng lượng với photon tới Quá trình nàyđược gọi là tán xạ đàn hồi hay phản ứng (γ, γ)

• Phát xạ photon với năng lượng thấp hơn Loại phản ứng này được biếtnhư là tán xạ photon không đàn hồi hoặc phản ứng (γ, γ0)

• Phát xạ nơtron, proton hoặc hạt tích điện hợp phần nếu năng lượng kíchthích cuả các hạt nhân vượt quá năng lượng ngưỡng tách hạt

Phản ứng quang hạt nhân phụ thuộc mạnh vào năng lượng của chùm photontới Tùy theo năng lượng photon tới mà phản ứng quang hạt nhân phát xạneutron hoặc proton hoặc các loại hạt khác tương ứng với nhiều loại phản ứngkhác nhau như: phản ứng(γ, n),(γ, p), phản ứng sinh nhiều neutron(γ, xn), phảnứng photospallation (γ, xnyp); phản ứng tạo pion(γ, πxn), phản ứng phân hạchhạt nhân (γ, f ), hiện tượng phân mảnh (γ, f r), [4].

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

σTγA = σ(γ, n) + σ(γ, p) + σ(γ, xn) + σ(γ, xnyp) + σ(γ, f ) + σ(γ, f r) (1.1)

1.1.4 Phản ứng photospallation

Phản ứng spallation liên quan đến các phản ứng hạt nhân xảy ra khi hạt

có động năng rất lớn (ví dụ như proton, nơtron, photon hoặc pion) tương tácvới hạt nhân nguyên tử, kết quả tạo thành rất nhiều loại sản phẩm khác nhau.Phản ứng spallation có thể coi là một quá trình hai giai đoạn Trong giai đoạnđầu tiên, hạt sơ cấp tương tác với các nucleon (nơtron và proton) bên trong hạtnhân Các phản ứng tiếp theo tạo ra một dòng thác lũ proton, nơtron và pionnăng lượng cao (lớn hơn 20 MeV) trong hạt nhân Suốt quá trình thác lũ, một sốhadron mang động năng thoát ra đóng vai trò là các hạt thứ cấp Số còn lại tíchlũy động năng trong hạt nhân và tồn tại ở trạng thái kích thích.Trong giai đoạnthứ 2 (giai đoạn khử kích thích hạt nhân), sự bay hơi diễn ra khi hạt nhân kíchthích giải phóng năng lượng bằng cách phát ra các hạt nơtron, proton, anphanăng lượng thấp (nhỏ hơn 20 MeV) với phần lớn là các nơtron Các nơtron nănglượng thấp được tạo ra trong quá trình khử kích thích là rất quan trọng đối vớimột nguồn spallation bởi vì chúng có thể được điểu chỉnh (giảm đi) đến nănglượng thấp hơn để sử dụng làm đầu dò nghiên cứu Sau khi bay hơi, các hạtnhân còn lại có thể phát xạ và có thể phát xạ tia gamma

Các hạt năng lượng cao thứ cấp được tạo ra trong suốt quá trình thác lũ dichuyển gần theo hướng của hạt tới và có thể va chạm với các hạt nhân khác

tạo ra nhiều hơn nữa các hạt thứ cấp và nơtron năng lượng thấp Thác hadronicđược gọi là sự tích tụ của tất cả các phản ứng gây bởi hạt sơ cấp và thứ cấptrong bia.

1.1.5 Phản ứng quang phân hạch

Hiện tượng quang phân hạch (photofission) ở năng lượng cao là quá trìnhđộng học rất phức tạp của sự kích thích các hạt nhân nặng so với quá trình phânhạch gây bởi các hadron (nơtron, proton), do photon tương tác điện từ với cáchạt nhân thông qua cộng hưởng khổng lồ, cơ chế giả deutron, và phát xạ pion.Đối với các hạt nhân trước actinide (preactinide) quá trình phân hạch xảy ra ởngưỡng năng lượng rất cao và chủ yếu do có chế giả deutron và quá trình pionproduction, các photon tương tác với một cặp nơtron - proton hoặc các nucleonriêng lẻ và truyền phần lớn năng lượng của nó, tuy nhiên lại truyền một momengóc rất nhỏ [10]

Khả năng phân hạch của các hạt nhân preactinide phụ thuộc mạnh vào nănglượng kích thích (Hình 1.2) [16] Trong đó khả năng phân hạch của các hạt nhânpreactinide được xác định bằng tỷ số giữa tiết diện xảy ra phản ứng quang phânhạch trên tiết diện hấp thụ toàn phần xảy ra phản ứng quang hạt nhân

f = σf

σatrong đó: σf là tiết diện phản ứng quang phân hạch hạt nhân và σa là tiết diệnhấp thụ toàn phần phản ứng quang hạt nhân

Hình 1.2: Sự phụ thuộc của khả năng phân hạch vào năng lượng photon đối với

các bia W, Pt, Au, Pb và Bi

Phân bố suất lượng của các sản phẩm phân hạch theo số khối có dạng đốixứng gauss [11] H Haba và đồng nghiệp đã xác định và tính suất lượng của

58 hạt nhân sản phẩm với số khối từ 42 - 131 từ phản ứng quang phân hạchhạt nhân trên bia 197Au gây bởi chùm bức xạ hãm trong khoảng năng lượngtrung bình từ 300 tới 1100 MeV Các kết quả nghiên cứu cho thấy suất lượngphản ứng tăng một cách nhanh chóng từ E0 lên tới 600 MeV Hình 1.3 mô tảsuất lượng phản ứng quang hạt nhân trên bia197Au với các năng lượng E0 khácnhau Phân bố suất lượng phản ứng quang hạt nhân theo số khối được mô tảbởi hàm Gauss với xác suất lớn nhất tại số khối A = 92 ± 1 đơn vị khối lượng(m.u) và với bề rộng nửa chiều cao là 39 ± 1 đơn vị khối lượng (m.u) [11]

Hình 1.3: Phân bố suất lượng quang phân hạch trên bia 197Au với chùm

photon năng lượng từ 300 MeV – 1100 MeV

Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về phản ứng quang phânhạch hạt nhân Các nghiên cứu đã để lại những giá trị to lớn, góp phần làmsáng tỏ cơ chế phản ứng quang hạt nhân nói chung và phản ứng quang phânhạch hạt nhân nói riêng

Đối với phản ứng photofission 209Bi(γ,f) năng lượng của chùm photon tới vàokhoảng 50 MeV thì phản ứng phân hạch bắt đầu xảy ra Hình 1.4 biểu diễn sựphụ thuộc của tiết diện phản ứng phân hạch vào năng lượng cực đại của photontới đối với 209Bi [8] A.P Kormar và đồng nghiệp trong công bố [9] đã đo phân

bố khối của các mảnh phân hạch trên bia Bi với chùm bức xạ hãm 1000 MeV

trên máy gia tốc U-2000 tại Kharkov, Nga (Hình 1.5).

Hình 1.4: Tiết diện quang phân hạch 209Bi

Hình 1.5: Phân bố suất lượng phản ứng quang phân hạch hạt nhân theo số

khối

Năm 1975, trên tạp chí Khoa học "Nuclear Physics", số 251, trang 418-432,tác giả M Areskoug và đồng nghiệp đã báo cáo kết quả thí nghiệm phản ứngquang phân hạch hạt nhân gây bởi chùm bức xạ hãm năng lượng 600 MeV trênbia 209Bi với thời gian chiếu xạ lên tới 70 giờ Sau khi chiếu xạ, bia được ghinhận bởi đêtectơ Ge(Li) với thể tích 35 cm3 Kết quả thí nghiệm đã nhận diện

và tính suất lượng 43 sản phẩm phân hạch tạo thành từ 59Fe đến 131Ba Hình1.6 mô tả kết quả phân bố suất lượng phản ứng quang phân hạch hạt nhân theo

ra rằng tiết diện phản ứng vào khoảng 7-8 mb Hình 1.7a và hình 1.7b trình bày

phân bố tiết diện phản ứng theo số khối và theo điện tích hạt nhân sản phẩmtạo thành từ suất lượng phản ứng trong thí nghiệm [16].

Hình 1.7: (a).Tiết diện phản ứng theo số khối hạt nhân sản phẩm (b).Tiết

diện phản ứng theo điện tích hạt nhân sản phẩm

Hiromitsu Haba (2002), trên tạp chí "Journal of Nuclear and RadiochemicalSciences", Vol 3, No.2, pp A11-A20 đã công bố kết quả nghiên cứu phân bốsuất lượng của các mảnh phân hạch từ các bia 209Bi và 197Au với chùm photonhãm năng lượng cực đại 1 GeV [12] Kết quả thực nghiệm được so sánh vớicác tính toán lý thuyết Hình 1.8 biểu diễn suất lượng phản ứng của các phảnứng quang hạt nhân trên bia 197Au và bia 209Bi theo thực nghiệm và tính toánPICA3/GEM [12]

Hình 1.8: Suất lượng của các phản ứng quang hạt nhân trên bia 197Au và bia

209Bi với năng lượng chùm bức xạ hãm 1 GeV

Gần đây nhất vào năm 2009, tác giả H Naik và đồng nghiệp đã nghiên cứuphản ứng quang hạt nhân gây bởi chùm bức xạ hãm năng lượng cao 2,5 GeVlên bia 209Bi Hình 1.9 mô tả phân bố suất lượng phản ứng tạo thành từ phảnứng quang hạt nhân trên bia 209Bi [10]

Hình 1.9: Phân bố suất lượng phản ứng quang hạt nhân trên bia 209Bi gây bởi

chùm bức xạ hãm năng lượng cực đại 2,5 GeV

Dù đã có khá nhiều báo cáo nghiên cứu về phản ứng quang phân hạch hạtnhân, tuy nhiên hầu hết tập trung ở vùng năng lượng trung bình Các báo cáonghiên cứu về phản ứng quang phân hạch trong vùng năng lượng cao như 2,5GeV vẫn còn rất ít Cần phải có nhiều hơn nữa các nghiên cứu về phản ứngquang phân hạch ở vùng năng lượng cao trên các bia khác nhau để có cái nhìnđúng đắn về cơ chế phản ứng quang hạt nhân trong vùng năng lượng này

1.3.1 Máy gia tốc electron tuyến tính 2,5 GeV

Máy gia tốc electron tuyến tính tại Trung tâm Gia tốc Pohang (PAL), Hànquốc cung cấp năng lượng 2,5 GeV kể từ năm 2002 Đây là một máy gia tốc lớn

có thể tạo ra chùm electron năng lượng lên tới 2,5 GeV, độ rộng xung 1,5 ns,

Hình 1.10: Hình ảnh máy gia tốc electron tuyến tính 2,5 GeV tại PAL, Hàn

Quốc

Hệ thống RF của linac 2,5 GeV bao gồm bốn hốc đơn, mỗi hốc được cungcấp bởi một ngồn điện 500 MHz/60 kW Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng vềnăng lượng và cường độ, Linac đã được cài đặt các thiết bị mới, đó là chươngtrình nâng cấp hệ thống RF thay thế klystron công suất 60 kW bằng hệ thống

RF công suất 75 kW và lắp đặt thêm một RF công suất 75 kW Máy gia tốcelectron tuyến tính có thể cung cấp chùm electron năng lượng đến 3 GeV chothiết bị tạo nguồn bức xạ synchotron (storage ring), ngoài ra còn có thể tạo ranguồn bức xạ hãm và nơtron năng lượng cao phục vụ nhiều mục đích nghiêncứu và ứng dụng khác nhau

Bảng 1.1 mô tả các thông số chính của máy gia tốc tuyến tính 2,5 GeV tạiPohang, Hàn Quốc

Nguồn bức xạ hãm trên máy gia tốc tuyến tính 2,5 GeV được tạo thành khibắn chùm electron được gia tốc tới năng lượng 2,5 GeV vào bia hãm W có bềdày 2 mm Bức xạ hãm có phổ liên tục và năng lượng đạt giá trị cực đại đúngbằng động năng của electron tới (2,5 GeV) Hình 1.11 biểu diễn phổ bức xạ hãmcủa bia W khi bắn phá bởi chùm electron năng lượng 2,5 GeV

Bảng 1.1: Các thông số chính của Linac tại PAL.

Năng lượng chùm (GeV) 2,5Chiều dài xung dòng (ns) 1,5Cường độ xung (A) >2Chiều dài bó 17∼ 20

Chế độ vận hành 2π/3Tần số vận hành (MHz) 2,856Chiều dài xung () 4,0

Năng lượng đầu ra của Klystron(MW) 80Tổng chiều dài của Linac (m) 160Nhiệt độ của cột gia tốc (oC) 45±0,2

Số lượng bộ ba nam châm tứ cực 7

Số lượng nam châm lái dòng 6

Số lượng nam châm uốn dòng 3

1.3.2 Cơ chế tạo chùm bức xạ hãm trên máy gia tốc

Máy gia tốc electron tuyến tính PLS năng lượng cực đại 2,5 GeV cung cấpchùm electron năng lượng cao cho thiết bị tạo nguồn bức xạ synchrotron, ngoài

ra còn có thể tạo ra nguồn bức xạ hãm và nơtron năng lượng cao phục vụ nhiềumục đích nghiên cứu và ứng dụng khác nhau

Khi chùm electron năng lượng cao tương tác với môi trường vật chất sẽ bịmất mát năng lượng chủ yếu nhờ hai quá trình ion hóa do va chạm và phát bức

xạ hãm Sự mất năng lượng do va chạm là kết quả của sự tán xạ không đàn hồicủa electron với electron nguyên tử Do khối lượng của electron rất nhỏ nên cóthêm một cơ chế mất năng lượng nữa đó là các electron được gia tốc tương tác

hay còn gọi là bức xạ hãm.

Hình 1.11: 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

Độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm tăng theo hàm logarit tự nhiêncủa năng lượng Khi năng lượng tăng, độ mất mát năng lượng do phát bức xạhãm tăng theo, trong khi đó độ mất mát năng lượng do ion hóa hầu như khôngđổi Khi năng lượng của electron cỡ vài MeV trở lên, mối liên hệ giữa độ mấtmát năng lượng do phát bức xạ hãm và do ion hóa tỷ lệ với với nguyên tử số Zcủa môi trường theo công thức sau:

dE dx

rad dE dx

tử số môi trường được xác định bởi công thức sau:

EC = 800

Khi năng lượng electron lớn hơn nhiều năng lượng tới hạn, sự mất năng lượngcủa nó chủ yếu do phát bức xạ hãm Để đặc trưng cho khả năng hãm bức xạ củamôi trường, người ta đưa ra khái niệm chiều dài bức xạ Chiều dài làm chậmbức xạ của một chất là khoảng cách mà năng lượng của electron giảm đi hệ số1/e do phát bức xạ hãm Chiều dài bức xạ của một chất phụ thuộc vào số khốiđồng thời phụ thuộc vào nguyên tử số môi trường Chiều dài bức xạ ký hiệu là

X0 được xác định theo công thức:

X0 = 716, 4 × AZ(Z + 1)ln287√

Z

(1.4)

trong đó Z là nguyên tử số, A là số khối của nguyên tử môi trường

Khi đi trong môi trường do tương tác của electron với vật chất, năng lượngcủa nó giảm dần Khi năng lượng của electron lớn hơn năng lượng tới hạn, độmất mát năng lượng của electron chủ yếu do phát bức xạ hãm Sự thay đổi nănglượng trung bình E như là một hàm của đường đi x của electron trong môitrường, được xác định bởi công thức sau:

để làm bia phát bức xạ Từ công thức 1.5 ta nhận thấy sự mất mát năng lượngcủa chùm hạt electron tỷ lệ với chiều dài đường đi của nó trong môi trường vậtchất, hay năng suất hãm sẽ tăng khi bề dày bia tăng Tuy nhiên, thực tế thì khi

bề dày quá lớn sẽ kéo theo nhiều hiệu ứng không mong muốn Khi bề dày quálớn, năng lượng của electron bị mất không do phát bức xạ hãm tăng lên Mặtkhác, các photon của bức xạ sinh ra sẽ bị hấp thụ một phần ngay bên trong bia

Do đó, việc tính toán bề dày bia cũng đóng vai trò vô cùng quan trọng quyếtđịnh hiệu suất chùm bức xạ hãm Khi nghiên cứu hiệu suất chùm bức xạ hãm,với mỗi năng lượng xác định, đường cong phân bố sự phụ thuộc của hiệu suấtchùm bức xạ hãm vào bề dày của các bia về cơ bản có dạng như hình 1.12 [6]

Hình 1.12: Sự phụ thuộc hiệu suất chùm bức xạ hãm vào bề dày bia W

Ngoài ra, năng suất chùm bức xạ hãm còn phụ thuộc mạnh vào năng lượngcủa chùm electron Đối với các bia làm bằng nguyên tố nặng, năng suất hãmđược xác định bởi công thức:

P = 82 × E02,63 (1.6)

trong đó: E0 là năng lượng ban đầu của electron

xạ từ hạt nhân sản phẩm đều có thể được đo bằng đêtector thích hợp Do đó,

từ việc ghi nhận phổ gamma, ta có các dữ liệu định tính và định lượng của đốitượng, kết hợp với các dữ liệu hạt nhân sẵn có như năng lượng đỉnh gamma đặctrưng, chu kỳ bán rã, hệ số phân nhánh ta có thể nhận diện đồng thời nhiềuđồng vị phóng xạ mà không cần phải tách hóa học

Đối với nguồn bức xạ kích hoạt làm việc ở chế độ liên tục Trong thời giankích hoạt mẫu có 2 quá trình diễn ra đồng thời:

ứng xảy ra hay trong thời gian chiếu.

• Thứ hai là quá trình tạo thành hạt nhân phóng xạ làm giảm số hạt nhânphóng xạ có trong bia Quá trình này phụ thuộc vào chu kỳ bán rã của hạtnhân phóng xạ tạo thành

Gọi số hạt nhân bia là N0 (hạt nhân X), φ là thông lượng bức xạ kích hoạt(n/cm2/giây), σ là tiết diện phản ứng hạt nhân (cm2), λ là hằng số phân rã(1/giây) Gọi số hạt nhân mới được tạo thành (hạt nhân Y) trong một đơn vịthời gian là: N0σφ

Trong khoảng thời gian dt thì số hạt nhân Y được sinh ra là:

A(ti, t) = N0φσ(1 − e−λti )e−λt (2.7)

Đo hoạt độ phóng xạ từ thời điểm t1 đến thời điểm t2 (t2>t1>ti) thì tổnghoạt độ là:

có hình dạng và kích thước như mẫu phân tích, chứa nguyên tố phóng xạ.Bên cạnh đó có một số tia gamma bị hấp thụ ngay trong mẫu (được gọi là tựhấp thụ), một phần số đếm bị mất do thời gian chết, hiệu ứng cộng đỉnh, hiệuứng chồng chập xung, làm cho tỷ lệ giữa số xung đo được và số xung thực ≤

1 Sử dụng hệ số f là hệ số hiệu chỉnh tính đến sự mất số đếm do các hiệu ứngthời gian chết, sự chồng chập xung, tự hấp thụ tia gamma trong mẫu, khi

đó f ≤ 1 Vậy phương trình (2.8) được viết lại theo kết quả đo thực tế như sau:A(ti, t1, t2) =

trong đó: Eth là năng lượng ngưỡng của phản ứng, Emax là năng lượng cực đạicủa chùm bức xạ tới.

Hình 2.1: Sự phụ thuộc của hoạt độ phóng xạ vào thời gian kích hoạt (ti), thời

gian phân rã (td) và thời gian đo (tm)[4]

Suất lượng ở đây được định nghĩa là số phản ứng xảy ra trong một đơn vịthời gian (thường là 1 giây) và trên một hạt nhân nguyên tử:

số phân rã λđã biết, cường độ Iγ ứng với bức xạ đặc trưng của vạch gamma đặctrưng được lựa chọn để phân tích được tra trong bảng số liệu hạt nhân Thờigian chiếu mẫu, thời gian phơi mẫu và thời gian đo hoàn toàn xác định được

Hiệu suất ghi của đêtector ε xác định bằng thực nghiệm Độ chính xác khi xácđịnh suất lượng phản ứng phụ thuộc vào độ chính xác khi xác định diện tíchđỉnh hấp thụ toàn phần của bức xạ gamma đặc trưng cũng như các hiệu chỉnhliên quan tới việc xác định hoạt độ của hạt nhân phóng xạ tạo thành trong phảnứng [1,3,4,5].

tinh khiết HPGe dùng trong ghi nhận bức xạ

Phần lớn các đồng vị phóng xạ đều có khả năng phát ra bức xạ gamma vớinăng lượng và cường độ khác nhau Để ghi nhận phổ gamma do một đồng vịphát ra, phải dựa vào tương tác giữa tia gamma với vật chất, ở đây chính là cácđêtector Do tương tác giữa vật chất trong đêtector và tia gamma rất phức tạpnên thay vì chỉ ghi nhận được một vạch năng lượng ứng với năng lượng đỉnhgamma, ta sẽ ghi nhận được một phổ phân bố (hình 2.1) Phổ gamma trongthực nghiệm là một sự phân bố liên tục của các độ cao xung (pulse height) trong

đó có chứa các đỉnh năng lượng toàn phần có bề rộng xác định Các quá trìnhhình thành phổ gamma gồm có:

• Một tia gamma (photon) có năng lượng E đi vào đêtector

• Các electron sơ cấp với tổng động năng E sinh ra trong vùng nhạy củađêtector bởi sự tương tác của photon với vật chất (chủ yếu là các electronmôi trường) trong vùng này

• Các electron sơ cấp này lại tiếp tục tạo ra một lượng lớn các cặp electronthứ cấp – lỗ trống thông qua các phản ứng ion hóa hay kích thích

• Một tín hiệu xung có biên độ V được sinh ra ở đầu vào tiền khuếch đại với

• Điện thế V được khuếch đại và biến đổi thành số chỉ vị trí kênh bởi thiết

bị chuyển đổi tương tự - số (Analog – to – Digital Converter – ADC) của

Bộ phân tích đa kênh ( Multi-channel Analyzer – MCA), một số đếm đượccộng vào số đếm tổng tại vị trí kênh tương ứng

• Nhiều tia gamma được ghi nhận và sự phân bố độ cao của xung được hìnhthành (phổ gamma)

Hình 2.2: Minh họa phổ gamma thực tế (bên trái) và phổ gamma lý tưởng

(bên phải) được ghi nhận bởi đêtector

Việc ghi nhận phổ gamma chủ yếu sử dụng các hệ phổ kế gamma đa kênh,bao gồm: Đêtectơ bán dẫn Germani siêu tinh khiết HPGe, các hệ điện tử nhưtiền khuếch đại, khuếch đại, bộ biến đổi tương tự số (ADC), máy phân tích biên

độ đakênh, nguồn nuôi cao áp, Ngoài ra còn có thể có các bộ phận khác nhưmáy phát xung chuẩn hoặc bộ loại trừ chồng chập xung để hiệu chỉnh các hiệuứng gây mất số đếm trong trường hợp tốc độ đếm lớn, Hệ phổ kế được ghépnối với máy tính, việc ghi nhận và xử lý phổ được thực hiện bằng các phần mềmchuyên dụng

Phổ kế gamma đa kênh có ưu điểm hơn hẳn so với máy đếm đơn kênh Nókhông chỉ đơn thuần đếm số hạt bay đến đêtectơ mà còn phân biệt chúng theonăng lượng Vì sản phẩm sau phản ứng gồm nhiều đồng vị khác nhau, phát racác bức xạ gamma có năng lượng khác nhau, do đó việc sử dụng phổ kế gamma

đa kênh giúp cho ta có thể nhận diện được các đồng vị tạo thành và xác địnhsuất lượng của chúng.

Hình 2.3: Hệ sơ đồ khối thiết bị ghi nhận phổ gamma

Trong thí nghiệm nghiên cứu đã sử dụng hai hệ phổ kế gamma của Trungtâm Gia tốc Pohang, Hàn Quốc :

• Đêtector bán dẫn HPGe model 2002 CSL (CANBERRA), thể tích 100 cm3,phân giải năng lượng 1,8 keV tại đỉnh 1332 keV, các bộ phận điện tử chứcnăng được đặt trong một khối riêng, INSPECTOR, và được kết nối vớimáy tính Việc ghi nhận và xử lý phổ gamma thông qua phần mềm Genie2000

• Đêtector bán dẫn HPGe model GEM-20180-p (ORTEC), thể tích 100 cm3,phân giải năng lượng 2 keV tại đỉnh 1332 keV, khuyếch đại phổ model 501,ADC model 901, 8K MCA card Phổ gamma được ghi nhận và xử lý bằngphần mềm Gamma Vision [17,18]

2.3 Thí nghiệm

Thí nghiệm trong luận văn được thực hiện tại Trung tâm Gia tốc Pohang,Hàn Quốc, sử dụng máy gia tốc tuyến tính với chùm electron năng lượng 2,5GeV, dòng electron tổng cộng là 2,337 × 1014 electron, tốc độ lặp 10 Hz và độrộng xung là 1ns, chiếu vào bia W với thể tích 50 mm × 50 mm × 1 mm đểtạo thành chùm bức xạ hãm có năng lượng cực đại 2,5 GeV Chùm bức xạ hãmđược tạo thành sau đó chiếu vào bia 209Bi kích cỡ 18 × 18 mm, bề dày 0,15 mm

để thực hiện phương pháp kích hoạt Thời gian chiếu mẫu trong 4 giờ Sơ đồ thínghiệm được mô tả trên hình 2.4

Hình 2.4: Sơ đồ thí nghiệm chiếu xạ bia Bi bằng chùm bức xạ hãm 2,5 GeV

Mẫu Bi sau khi chiếu được đo bởi hệ phổ kế gamma đa kênh HPGe, ghi nhậnthành phổ gamma, phục vụ cho việc nhận diện các đồng vị tạo thành, đồng thờixác định suất lượng phản ứng Các mẫu được đo ở các thời điểm khác nhau vàghi nhận thành các phổ gamma khác nhau Bảng 2.1 mô tả thời gian phơi vàthời gian đo mẫu