Xác định chất lượng của các phản ứng hạt nhân trên bia natmo và natzr gây bởi chùm proton năng lượng 27 mev

--- oOo---LÊ TUẤN ANH XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG CỦA CÁC PHẢN ỨNG GÂY BỞI CHÙM PROTON NĂNG LƯỢNG 27 MeV Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao Mã số: 60 44 05 LUẬN VĂN THẠC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

oOo -LÊ TUẤN ANH

XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG CỦA CÁC PHẢN ỨNG

GÂY BỞI CHÙM PROTON NĂNG LƯỢNG 27 MeV

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

-

oOo -LÊ TUẤN ANH

XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG CỦA CÁC PHẢN ỨNG

GÂY BỞI CHÙM PROTON NĂNG LƯỢNG 27 MeV

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao

Mã số: 60 44 05

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Cán bộ hướng dẫn: TS Phạm Đức Khuê

Hà Nội - 2011

Luận văn tốt nghiệp

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

1.1 Tóm lược về phản ứng hạt nhân

1.1.1 Phân loại phản ứng hạt nhân

1.1.2 Các định luật bảo toàn

1.1.3 Động học phản ứng hạt nhân

1.1.4 Suất lượng và tiết diện của phản ứng hạt nhân

1.1.4.1 Suất lượng phản ứng hạt nhân

1.1.4.2 Tiết diện phản ứng hạt nhân

1.1.5 Hạt nhân đồng phân và tỉ số tiết diện đồng phân

1.2 Phản ứng hạt nhân gây bởi hạt tích điện nhẹ

1.2.1.Vai trò của hàng rào thế Coulomb

1.2.2 Vai trò của hàng rào thế xuyên tâm

1.2.3 Phản ứng hạt nhân gây bởi proton

CHƯƠNG 2 MÁY GIA TỐC CYCLOTRON KIRAMS - MC50

2.1 Giới thiệu chung về cyclotron

2.2 Cơ sở vật lý của máy gia tốc cyclotron

2.3 Nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc Cyclotron KIRAMS - MC 50

CHƯƠNG 3 THÍ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU

3.1 Thí nghiệm xác định suất lượng của phản ứng hạt nhân

3.3 Ghi nhận và phân tích phổ gamma của các mẫu sau khi chiếu .

3.3.1 Giới thiệu

3.3.2 Phổ kế gamma

3.3.2.1 Chuẩn năng lượng

3.3.2.2 Chuẩn hiệu suất ghi

3.4 Phương pháp xác định suất lượng và tiết diện phản ứng hạt nhân

3.5 Xác định tỉ số tiết diện đồng phân

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN

4.1 Nhận diện đồng vị phóng xạ tạo thành từ phản ứng hạt nhân

4.2 Một số kết quả hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác 43

4.2.1 Hiệu chính tự hấp thụ trong mẫu 43

4.2.2 Hiệu chỉnh hiệu ứng cộng đỉnh 44

4.2.3 Sự suy giảm năng lượng chùm proton khi đi qua mẫu 46

4.3 Xác định suất lƣợng của các phản ứng proton lên bia Mo và nat nat Zr 48

4.4 Xác định tiết diện phản ứng hạt nhân với proton trên bia nat Zr 51

4.5 Xác định tỷ số tiết diện tạo cặp đồng phân 89m,g Nb từ phản ứng hạt nhân nat Zr(p,xn) 89m,g Nb 55

KẾT LUẬN 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

PHỤ LỤC 60

Lê Tuấn Anh

Luận văn tốt nghiệp

MỞ ĐẦU

Xác suất tạo thành các hạt nhân phóng xạ từ các phản ứng hạt nhân phụthuộc vào loại hạt tới, năng lượng hạt tới và hạt nhân bia Hai đại lượng đặc trưngquan trọng của phản ứng hạt nhân là suất lượng và tiết diện phản ứng Suất lượngphản ứng là số phản ứng hạt nhân xảy ra trên bia gây bởi chùm hạt tới trong mộtđơn vị thời gian Tiết diện phản ứng là thước đo xác suất xảy ra phản ứng hạt nhân.Các số liệu về suất lượng và tiết diện phản ứng có ý nghĩa quan trọng trongnghiên cứu cơ bản cũng như ứng dụng thực tiễn Đối với phản ứng với proton, sốliệu hạt nhân còn rất hạn chế, sự phù hợp giữa các kết quả thực nghiệm và các tínhtoán lý thuyết chưa cao Thực tế đó đòi hỏi cần tiếp tục tiến hành các nghiên cứuthực nghiệm nhằm tạo ra các số liệu chính xác, góp phần làm rõ hơn về cơ chế củaphản ứng hạt nhân, đồng thời là cơ sở để đánh giá mức độ tin cậy và hoàn thiệnthêm các tính toán lý thuyết Về mặt ứng dụng, các kết quả nghiên cứu có thể sửdụng trong việc chế tạo đồng vị phóng xạ, nghiên cứu công nghệ lò phản ứng, máygia tốc hạt, công nghệ xử lý chất thải hạt nhân, tính toán che chắn an toàn bức xạ hạtnhân [12-15]

Molipđen và Ziconi là những vật liệu sử dụng nhiều trong công nghệ lò phảnứng và máy gia tốc hạt, ví dụ Ziconi là nguyên tố có tiết diện bắt nơtron thấp, có độbền cơ học và hóa học cao, dẫn nhiệt tốt thường được sử dụng làm vỏ viên nhiênliệu của lò phản ứng hạt nhân Các nghiên cứu về suất lượng và tiết diện phản ứnghạt nhân của các nguyên tố này giúp cho việc tính toán tốc độ hao mòn cũng nhưcác vấn đề liên quan đến an toàn bức xạ Bên cạnh đó, các sản phẩm của các phảnứng Mo(p,X), Zr(p,X) như 99mTc, 94mTc, 93mTc, 93gTc, 96Tc; 88Zr, 89Zr là nhữngđồng vị được sử dụng nhiều trong y học hạt nhân [15, 22]

Bản luận văn với đề tài “Xác định suất lƣợng của các phản ứng hạt nhân

trên bia nat Mo và nat Zr gây bởi chùm proton năng lƣợng 27 MeV” với mục đích

nghiên cứu một số đặc trưng của các phản ứng hạt nhân gây bởi chùm proton, xácđịnh suất lượng và tiết diện của các phản ứng hạt nhân ghi nhận được trên các biaMolipđen và Ziconi khi được chiếu bằng chùm proton có năng lượng 27 MeV trênmáy gia tốc Cyclotron MC-50 tại Viện Khoa học Y học phóng xạ Hàn Quốc (KoreaInstitute of Radiological & Medical Sciences (KIRAMS))

Phương pháp kích hoạt phóng xạ và đo phổ gamma đã được sử dụng trong cácnghiên cứu thực nghiệm Các sản phẩm phản ứng hạt nhân được nhận diện dựa trênnăng lượng tia gamma và chu kì bán rã của các đồng vị phóng xạ tạo thành Suấtlượng và tiết diện phản ứng được xác định căn cứ vào kết quả đo hoạt độ phóng xạcủa các hạt nhân sản phẩm sử dụng hệ phổ kế gamma bán dẫn Gecmani siêu tinhkhiết (HPGe) có độ phân giải năng lượng cao Trong nghiên cứu đã thực hiện nhữnghiệu chính cần thiết nhằm nâng cao độ tin cậy của các kết quả thực nghiệm [1- 4]

Bố cục của luận văn bao gồm phần mở đầu, 4 chương, phần kết luận, tài liệutham khảo và phụ lục Chương 1 trình bày một số đặc trưng cơ bản của phản ứnghạt nhân, phản ứng gây bởi hạt tích điện nhẹ Chương 2 tìm hiểu nguyên lý cấu tạo

và hoạt động của máy gia tốc cyclotron, tập trung vào máy gia tốc Cyclotron

MC-50tại KIRAMS, Hàn Quốc Chương 3 tìm hiểu thí nghiệm và các kỹ thuật phân tích

số liệu nhằm xác định suất lượng, tiết diện và tỷ số đồng phân của các phản ứng hạtnhân gây bởi proton Chương 4 trình bày các kết quả thực nghiệm thu được Bảnluận văn dài 68 trang, trong đó có 20 bảng biểu, 27 hình vẽ và 30 tài liệu tham khảo.

Lê Tuấn Anh

Luận văn tốt nghiệp

CHƯƠNG 1 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 1.1 Tóm lược về phản ứng hạt nhân

1.1.1 Phân loại phản ứng hạt nhân

Phản ứng hạt nhân xảy ra khi một chùm hạt hoặc bức xạ tương tác với hạtnhân ở khoảng cách gần cỡ 10 13cm và sau phản ứng hạt nhân có sự phân bố lạinăng lượng, xung lượng và phát ra một hoặc nhiều hạt, bức xạ Có nhiều cách phânloại phản ứng hạt nhân, có thể phân loại theo hạt tới, hạt sản phẩm hay theo cơ chếphản ứng

Nếu xét theo các sản phẩm tạo thành ta có thể phân phản ứng hạt nhân thànhcác loại sau:

Tán xạ đàn hồi X(a,a)X: hạt tới chỉ thay đổi hướng chuyển động (có thể cảhướng spin), sau phản ứng hạt tới và hạt nhân bia vẫn ở trạng thái cơ bản

Tán xạ không đàn hồi X(a,a’)X*: hạt tới truyền một phần động năng cho hạtnhân bia, sau phản ứng hạt nhân bia ở trạng thái kích thích, độ lớn moment của cáchạt thay đổi

Tán xạ giả đàn hồi X(a,ap)Y, hoặc X(a,ad)Y : khi năng lượng truyền trongphản ứng lớn hơn năng lượng tách các mảnh hạt nhân (như nuclôn, đơtơri ), hạtnhân sẽ phát ra một hạt Hạt tới bị mất năng lượng ở trạng thái cuối

Phản ứng biến đổi X(a,b)Y: là phản ứng mà hạt đạn và hạt nhân dư khácnhau số khối A Trong phản ứng này cần kể đến phản ứng tước hạt (strippingreaction), một nucleon của hạt tới bị hấp thụ bởi hạt nhân bia, phần hạt còn lại tiếptục chuyển động qua bia; phản ứng đoạt hạt (pickup reaction), hạt tới đoạt mộtnucleon của hạt nhân bia; ngoài ra còn có các phản ứng trao đổi điện tích (chargeexchange) và phản ứng knock-out

Dựa trên cơ chế phản ứng ta có thể phân chia phản ứng hạt nhân thành cácloại sau:

Phản ứng hạt nhân hợp phần: có hai quá trình liên tiếp xảy ra Hạt nhân biabắt hạt đạn, hình thành nên hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích cao, nănglượng kích thích được phân bố lại cho các nuclôn Sau đó một hoặc một nhómnuclôn có thể nhận được đủ năng lượng bay ra khỏi hạt nhân hợp phần

Phản ứng hạt nhân trực tiếp: là phản ứng mà giữa kênh vào và kênh ra khôngtồn tại trạng thái trung gian

Phản ứng hạt nhân tiền cân bằng là phản ứng nằm giữa phản ứng trực tiếp vàphản ứng hợp phần Năng lượng của hạt đến được truyền cho một nhóm các nuclôntrong hạt nhân bia Các nuclôn này khởi xướng cho một loạt các phản ứng nối tầng,tại một tầng nào đó một hạt sẽ được phát ra (trước khi hạt nhân hợp phần đạt trạngthái cân bằng thống kê).

Phản ứng hạt nhân không phải hoàn toàn là tương tác mạnh, nó tùy thuộc vàohạt 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

Đối với bia và hạt tới nhất định, phụ thuộc vào năng lượng của hạt tới màphản ứng xảy ra theo cơ chế nào đó Bên cạnh đó, xác suất tồn tại trạng thái kíchthích cao cũng phụ thuộc vào năng lượng Sự tập trung lực kích thích trong mộtvùng năng lượng nào đó gọi là cộng hưởng khổng lồ

Sau phản ứng hạt nhân thường có hai hoặc ba hạt tạo thành Nếu rất nhiềuhạt tạo thành ta có phản ứng vỡ vụn (spallation) Khi hạt nhân bia bắt nơtron, hạtnhân hợp phần tách ra thành các hạt có số khối tương đương nhau, ta có phản ứngphân hạch Xác suất xảy ra phản ứng phân hạch tỉ lệ với Z2/A Phản ứng phân hạchcùng với phản ứng nhiệt hạch là những phản ứng tỏa ra năng lượng lớn Phản ứngnhiệt hạch là phản ứng tổng hợp hai hạt nhân nhẹ

Thang thời gian của phản ứng hạt nhân cỡ 10-22 s, thời gian phản ứng trựctiếp 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 lượngcao

Có rất nhiều mẫu hạt nhân đã được đưa ra để giải thích cơ chế của các phảnứng hạt nhân Mỗi mẫu chỉ có thể áp dụng cho một hoặc một vài loại phản ứng hạtnhân

1.1.2 Các định luật bảo toàn

Khi một phản ứng hạt nhân xảy ra, dù là trực tiếp hay hợp phần cũng đều bị triphối bởi các định luật bảo toàn:

Định luật bảo toàn điện tích và số baryon: trong phản ứng hạt nhân, tổng điện

tích của hạt tới tham gia phản ứng bằng với tổng điện tích của các hạt sản phẩm Vàtrong bất kỳ phản ứng hạt nhân nào, tổng số barion phải là một hằng số Định luậtbảo toàn số barion cho phép giải thích tính bền vững của proton [7]

Lê Tuấn Anh

Luận văn tốt nghiệp

Định luật bảo toàn năng lượng: phát biểu là năng lượng toàn phần trước phản

ứng và sau phản ứng bằng nhau Đối với quá trình (1.1) định luật bảo toàn năng

lượng được viết:

ứng Còn T1, T2 lần lượt là tổng động năng của các hạt trước và sau phản ứng [7]

Định luật bảo toàn moment động lượng: trong phản ứng A(a,b)B, gọi

,là moment động lượng của các hạt tham gia phản ứng, định luật bảo toànmoment động lượng được viết:

pa

Định luật bảo toàn moment góc: tổng moment góc của các hạt tham gia phản

ứng là bảo toàn cũng như thành phần hình chiếu lên phương được chọn Áp dụng

cho phản ứng A(a,b)B ta có:

với , , , là spin tương ứng với các hạt tham gia phản ứng Các spin này có

thể đo bằng thực nghiệm hoặc tính toán (dùng mẫu vỏ) Proton có spin là ½, các hạt

nhân chẵn-chẵn có spin bằng không Spin của hạt nhân là moment góc riêng của

hạt nhân ở trạng thái cơ bản Các đại lượng , là moment góc quỹ đạo của các

cặp hạt tương ứng, đặc trưng cho chuyển động tương đối giữa các hạt Momen quỹ

đạo góc nhận các giá trị nguyên (0,1,2 ) và giá trị cụ thể được xác định thông qua

bản chất chuyển động của các hạt [7]

Định luật bảo toàn chẵn lẻ: Trong tương tác điện từ và tương tác mạnh, tính

chẵn lẻ được bảo toàn Phản ứng hạt nhân cũng thuộc vào các loại tương tác này,

nên định luật bảo toàn chẵn lẻ cũng có giá trị Xét phản ứng A(a,b)B, định luật bảo

toàn chẵn lẻ được viết:

P P ( 1) l Aa

a A

Pa, PA, PB, Pb là tính chẵn lẻ riêng tương ứng với từng hạt tham gia phản ứng Cũngnhư các định luật bảo toàn khác, định luật bảo toàn chẵn lẽ dẫn đến quy tắc chọn lọclàm giới hạn các phản ứng có thể xảy ra.

Định luật bảo toàn spin đồng vị: Xét phản ứng A(a,b)B thuộc loại tương tác

mạnh, nên cũng tuân theo định luật bảo toàn spin đồng vị Theo định luật này thìspin toàn phần của các hạt trước và sau phản ứng bằng nhau:

Spin đồng vị đặc trưng cho mức hạt nhân, có nghĩa là các hạt nhân ở các trạngthái năng lượng khác nhau thì có spin đồng vị khác nhau, thay đổi từ Tmin=(N-Z)/2đến Tmax=A/2 Trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích yếu nhận giá trị spin đồng

vị thấp nhất [7]

Các định luật bảo toàn đưa ra giới hạn nhất định đối với phản ứng hạt nhân, và

do đó cho phép chúng ta viết ra được chính xác các phản ứng hạt nhân có thể xảy ra

và có được các thông tin quan trọng về các đặc tính của các hạt tham gia phản ứng

và các hạt sản phẩm Nghiên cứu các phản ứng hạt nhân chính là việc đo đạc tiếtdiện phản ứng vi phân như là hàm của năng lượng, cũng như các thông số khác củahạt bay ra, và xác định phân bố góc và năng lượng của các hạt sản phẩm cũng nhưcác trạng thái lượng tử của chúng

Q ( m

initial

Giá trị Q có thể là âm, dương hoặc bằng không Nếu Q>0 ( )phản ứng được gọi là tỏa nhiệt, khi đó năng lượng liên kết giải phóng dưới dạngđộng năng của các hạt sản phẩm Nếu Q<0 ( ) phản ứng được gọi làthu nhiệt, và trong trường hợp này động năng của các hạt ban đầu chuyển thành

Lê Tuấn Anh

m A )c 2 m B )c 2

Luận văn tốt nghiệp

năng lượng liên kết Theo thuyết tương đối, sự thay đổi giữa năng lượng và khối

lượng phải thỏa mãn hệ thức ΔE=Δmc2

Các phương trình (1.6) và (1.7) đúng cho bất kỳ hệ quy chiếu nào Xét trong

hệ quy chiếu phòng thí nghiệm, khi đó coi hạt nhân bia đứng yên Áp dụng định luật

bảo toàn động lượng ta có:

p a p b cos

0 p b sin

trong phản ứng, Q coi như đã biết, Ta là thông số điều khiển được, khi đó phương

trình (1.6), (1.8) và (1.9) lập thành hệ ba phương trình nhưng có bốn ẩn (θ,ξ,Tb và

TB), vì vậy không có lời giải duy nhất Rút ξ và TB từ các phương trình trên ta được

mối liên hệ giữa Ta và Tb:

m m T cos

T b

a b a

Hình 1.1: Mối liên hệ giữa T b và T a trong phản ứng 3 H(p,n) 3 He

Hình 1.1 minh họa mối liên hệ giữa động năng Ta và Tb đối với phản ứng

3

H(p,n)3He (Q = -763.75 keV) Từ hình vẽ ta thấy có hai vùng: thứ nhất là từ 1.019

đến 1.147 keV, trong vùng này với giá trị θ chọn để quan sát thì ứng với một giá trịcủa Ta có hai giá trị Tb thỏa mãn (vùng giá trị kép) Vùng thứ hai từ 1.147 keV trở

đi, trong vùng này Tb liên hệ đơn trị với Ta

Từ phương trình 1.10 có thể rút ra được các đặc điểm của phản ứng hạt nhân:

- Nếu Q<0, Ta có một giá trị cực tiểu mà dưới giá trị đó phản ứng không xảy ra, giá trị đó gọi là năng lượng ngưỡng của phản ứng:

T

Điều kiện ngưỡng luôn xảy ra với θ=0 Nếu Q>0, phản ứng xảy ra ngay cả vớinăng lượng hạt tới nhỏ, nhưng khi đó cần xét tới ảnh hưởng của hàng rào thếCoublom

- Giá trị kép xảy ra khi hạt tới có năng lượng nằm trong khoảng Tth tới giới hạn

trên:

T a' ( Q)

Trường hợp này cũng chỉ xảy ra với phản ứng có Q<0, và chỉ có vai trò quantrọng với phản ứng mà các hạt nhân có khối lượng tương đương nhau Từ phươngtrình 1.11 và 1.12 ta lấy xấp xỉ:

Lê Tuấn Anh

Trong thực nghiệm, với góc θ và Ta cho trước, tiến hành đo Tb, qua đó tính được Q

và rút ra mối liên hệ khối lượng giữa các hạt Nếu biết trước ma, mA, mb, thì sẽ tínhđược khối lượng mY, từ phương trình 1.10 ta có:

1.1.4 Suất lượng và tiết diện của phản ứng hạt nhân

1.1.4.1 Suất lượng phản ứng hạt nhân

Suất lượng của phản ứng là số phản ứng xảy ra trên bia trong một đơn vị thờigian Suất lượng của phản ứng hạt nhân ký hiệu là Y, trong trường hợp chùm hạtđơn năng, suất lượng Y được xác định theo công thức:

là dR được xác định theo công thức:

dR = (E) (E)dE

Tốc độ phản ứng dR thực chất là số phản ứng xảy ra trên một hạt nhân trongmột đơn vị thời gian do các hạt tới có năng lượng từ E đến E+dE gây ra Tích phânhai vế của phương trình (1.18), ta có:

Lê Tuấn Anh

Luận văn tốt nghiệp

0trong đó R chính là tốc độ phản ứng hay số phản ứng xảy ra trên một hạt nhân biatrong một đơn vị thời gian

Xét trường hợp phản ứng có ngưỡng là Eth, chùm bức xạ tới có năng lượngcực đại là Emax Do tiết diện phản ứng bằng không khi năng lượng chùm hạt tới nhỏhơn ngưỡng của phản ứng Khi đó biểu thức (1.19) được viết lại như sau:

1.1.4.2 Tiết diện phản ứng hạt nhân

Tiết diện phản ứng là thước đo xác suất tương đối để phản ứng hạt nhân xảy

ra Nếu đặt một detector để ghi hạt b bay ra theo phương (θ,Φ) so với phương chùmhạt tới, detector chiếm giữ một góc khối nhỏ dΩ Gọi Ia là cường độ dòng tới (số hạttrên một đơn vị thời gian), n là số hạt nhân bia trên một đơn vị diện tích, Rb là số hạt

b bay ra trong một đơn vị thời gian, khi đó ta có:

R b

I a N

Detector chỉ chắn một góc khối nhỏ dΩ nên không ghi nhận hết được hạt bay

ra Thực tế chỉ ghi nhận được dRb, do đó chỉ rút ra được một phần tiết diện phảnứng dζ Hơn nữa, các hạt bay ra nói chung không đẳng hướng, chúng sẽ tuân theomột phân bố góc r(θ,Φ) nào đó phụ thuộc vào θ hoặc có thể cả góc Φ Khi đó ta có

dRb=r(θ,Φ)dΩ/4π và tiết diện vi phân góc được định nghĩa:

d

d

Tiết diện vi phân cho thông tin quan trọng về phân bố góc của sản phẩm phảnứng Tích phân 1.23 theo toàn bộ góc khối sẽ thu được tiết diện phản ứng VớidΩ=sinθdθdΦ ta có:

d

Trong nhiều ứng dụng hạt nhân, không chỉ quan tâm đến xác suất tìm thấy hạt

b tại một góc nào đấy mà còn quan tâm đến năng lượng của hạt b Từ đó người tađưa ra khái niệm tiết diện vi phân kép d2ζ/dEbdΩ Đối với các trạng thái gián đoạn,khi đó chỉ có một mức năng lượng nằm trong dải dEb, nên việc phân chia tiết diện

vi phân kép và tiết diện vi phân góc là không cần thiết Nếu không quan tâm tới gócbay ra của hạt b, mà chỉ quan tâm tới năng lượng của hạt b, thì ta có tiết diện viphân theo năng lương dζ/dE, khi đó E có thể là năng lượng kích thích của hạt nhânY

Bảng 1.1: Một số loại tiết diện phản ứng hạt nhân [28].

Lê Tuấn Anh

Tiết diện tổng ζt chính là tổng của các tiết diện phản ứng của tất cả các hạt bay

ra Tiết diện này có thể tính được bằng cách đo sự suy giảm chùm tia khi cho mộtchùm tia chuẩn trực đi qua bia

Khi nghiên cứu một phản ứng cụ thể nào đó, tiết diện mà ta quan tâm sẽ phụthuộc vào chúng ta đo cái gì Bảng 1.1 tổng kết các loại tiết diện, cùng với ứng dụngcủa chúng

Hình 1.2: Hàm kích thích của phản ứng nat Mo(p,xn) 96 Tc

Hình 1.3: Hàm kích thích của phản ứng nat Zr(p,xn) 90 Nb

Lê Tuấn Anh

Luận văn tốt nghiệp

Hình 1.2 và 1.3 là hàm kích thích hay tiết diện vi phân theo năng lượng củacác phản ứng hạt nhân natMo(p,xn)96Tc và natZr(p,xn)90Nb [14,15]

1.1.5 Hạt nhân đồng phân và tỉ số tiết diện đồng phân

các trạng thái lượng tử ốngnhau Đồng phân hạt nhân là trạng thái giả bền (metastable state) của hạt nhân đượctạo thành do sự kích thích một hoặc nhiều nucleon trong nó và có thời gian sống lớnhơn 10-9 giây Các hạt nhân đồ

, trạng thái spin, chẵn lẻ

Một trong những thông số quan trọng liên quan tới phản ứng hạt nhân là tỷ số

tiết diện tạo thành trạng thái đồng phân ( m ) và trạng thái cơ bản không bền ( g ), IR=

m / g Việc nghiên cứu tỷ số đồng phân là một sự tiếp cận quan trọng nhằm làm sáng

tỏ các cơ chế của phản ứng hạt nhân, cho các thông tin quan trọng về sự phụ thuộccủa spin vào mật độ mức hạt nhân, hiệu ứng momen góc, Tỷ số đồng phân còncho những thông tin có giá trị về bản chất của các hạt nhân kích thích cao, phân bốnăng lượng và spin của chúng cũng như các thông tin về quá trình khử kích thích[17, 27 ]

1.2 Phản ứng hạt nhân gây bởi hạt tích điện nhẹ

1.2.1.Vai trò của hàng rào thế Coulomb

Khi hạt tích điện tương tác với vật hạt nhân, đường cong thế năng có dạng nhưhình 1.4 Đường cong nằm bên trên trục hoành là do lực đẩy Coulomb của hạt nhân

và hạt tích điện Thế năng trong vùng này phụ thuộc vào khoảng cách theo côngthức:

r<R phần thế năng này là do lực hút hạt nhân Tương tác Coulomb của hạt tích điệnvới hạt nhân đặc trưng bởi hàng rào thế Coulomb:

D exp

trong đó μ là khối lượng rút gọn, T là động năng trong hệ khối tâm Giới hạn dướicủa tích phân được coi bằng bán kính hạt nhân, còn giới hạn trên thu được khi giảiphương trình T = Zze2/r2 Tích phân (1.27) dẫn tới:

D exp g

sóng Broglie tương ứng với động năng của hạt tới bằng hàng rào thế Coulomb

Hình 1.4: Thế năng tương tác

Lê Tuấn Anh

1.2.2 Vai trò của hàng rào thế xuyên tâm

Xét tương tác của hạt tới với hạt nhân có thông số va chạm khác không Trong

cơ học lượng tử, hàm sóng mô phỏng tương tác này ứng có số lượng tử quỹ đạo l≠0.Thế xuyên tâm khi đó được biễu diễn bởi công thức [11]:

Vxt

Khi r=R bán kính hạt nhân, ta có hàng rào thế xuyên tâm: B xt

giá trị (Bxt)min ứng với l=1;

Khi nơtron tương tác với hạt nhân, hàng rào thế này làm giảm xác suất tươngtác giống như hàng rào coulomb làm giảm xác suất tương tác của hạt tích điện Vớihạt mang điện, thế xuyên tâm cùng với thế Coulomb miêu tả tương tác của hạt tíchđiện với hạt nhân Giá trị (Bxt)min chỉ lớn hơn BC với các hạt nhân nhẹ (Z<8) Cáchạt nhân nằm từ giữa bản Tuần hoàn các nguyên tố trở đi, ta luôn có BC>>(Bxt)min

dẫn đến BC+(Bxt)min≈BC Các hạt tích điện tương tác với các hạt nhân nặng với(T<BC) xảy ra với cùng một xác suất cho cả hai giá trị l=0 và l=1; Khi l tăng, hàngrào thế xuyên tâm tăng, xác suất tương tác giảm Tuy nhiên, với l nhỏ (l≤l0), điềukiện BC>Bxt tiếp tục làm cho xác suất tương tác không phụ thuôc vào l Chỉ với l>l0

rất nhiều thì vai trò của hàng rào thế xuyên tâm mới lớn Giá trị l0 có thể tính đượckhi cho giải phương trình Bxt=BC, ta có: l0

Luận văn tốt nghiệp

1.2.3 Phản ứng hạt nhân gây bởi proton

Proton có thể gây ra các phản ứng sau: (p,α), (p,n), (p,p), (p,γ) và (p,d) (rấthiếm) Chúng ta sẽ xem xét những đặc trưng chính của các phản ứng này

Phản ứng (p,α): phản ứng này là phản ứng tỏa nhiệt Động năng của phản ứng

Q=εa-εb [11], với εa là năng lượng liên kết của hạt tới, còn εb là năng lượng liên kếtcảu hạt bảy ra trong hạt nhân hợp phần Đối với phản ứng (p,α), Q=εp-εα Với tất cảcác hạt nhân bền β trong bảng tuần hoàn, εp≈ const và vào cỡ khoảng 8MeV Cònnăng lượng liên kết của α thay đổi từ giá trị nhỏ nhất εα =0 với Z=60 đến giá trị caonhất εα =8 với Z=8, với Z>60 thi năng lượng liên kết của α mang giá trị âm Do đó:

Q

p

Chú ý thứ hai liên quan tới phản ứng (p,α) là xác xuất xảy ra phản ứng Xácsuất này là không lớn đối với các hạt nhân nặng, do hạt α bay ra khỏi hạt nhân bịcấm mạnh bởi hàng rào thế Coulomb (bằng 28 MeV với Z=80) Hàng rào thế chỉcho các hạt alpha nhanh bay ra khỏi hạt nhân Hạt alpha bay ra làm hạt nhân dịchchuyển xuống các mức thấp hơn (và do đó xắp xếp thưa hơn) Do trọng số thống kêcủa một trạng thái được định nghĩa bởi mật độ mức hạt nhân, nên dẫn đến xác suấtphản ứng (p,α) thấp Điều kiện này không áp dụng hạt nhân nhẹ, vì khi đó hàng ràothế Coulomb nhỏ

Phản ứng (p,n): Đối với các hạt nhân bền, phản ứng loại này luôn là phản ứng

thu nhiệt với ngưỡng phản ứng lớn hơn 0.8MeV Thật vậy, xét phản ứng A(p,n)B tacó[7]:m n m p

Nếu điều kiện thứ hai không thỏa mãn thì hạt nhân A sẽ chuyển thành hạt

nhân B thông qua phân rã beta Năng lượng của phản ứng:

Mặt khác theo công thức tính năng lượng, suy ra Tth>0.8 MeV

Phản ứng (p,p): Nếu động năng của hạt tới cao hơn hàng rào Coulomb xác

suất của phản ứng loại này tương đương với xác suất của phản ứng (p,n) Trongvùng năng lượng thấp hơn, phản ứng (p,p) được dùng trong các trường hợp phảnứng (p,n) không xảy ra

Phản ứng (p,γ): Do xác suất phát ra các hạt từ hạt nhân hợp phần cao hơn xác

suất phát lượng tử γ, nên phản ứng (p,γ) có suất lượng rất thấp Tuy nhiên, vì một

vài lý do nào đó hạt phát ra bị cấm, thì lúc đó phản ứng (p,γ) đóng vai trò quan trọng.

Ví dụ, nếu Tp<Tth của phản ứng (p,n), thì sẽ quan sát được phản ứng (p,γ) bên cạnhphản ứng (p,p) Một thí dụ thú ví về phản ứng (p,γ) có suất lượng cao chính là

Phản ứng (p,d): So với các phản ứng khác, phản ứng này rất hiếm vì đơteron

là hạt có liên kết yếu (εd = 2.22 MeV), và cần lượng lớn năng lượng để hình thành

nó Do đó, phản ứng (p,d) thường là phản ứng thu nhiệt, còn nếu là phản ứng tỏanhiệt thì giá trị Q rất nhỏ (ví dụ như có Q=0.56 MeV)

Lê Tuấn Anh

Luận văn tốt nghiệp

CHƯƠNG 2 MÁY GIA TỐC CYCLOTRON KIRAMS - MC50

2.1 Giới thiệu chung về cyclotron

Cấu trúc và tính chất của vật chất được phát hiện dựa trên sự tương tác củacác hạt cơ bản cũng như các ion với vật chất Để có được khả năng như vậy các hạtphải có năng lượng nhất định và cường độ của chúng phải đủ lớn Để nghiên cứucấu trúc nguyên tử cần chùm hạt có năng lượng từ vài chục tới hàng trăm keV.Trong trường hợp hạt nhân, năng lượng liên kết trung bình của các nucleon tronghạt nhân khoảng 7- 8 MeV Để tách một nucleon ra khỏi hạt nhân thì năng lượngcủa chùm hạt bắn phá phải lớn hơn năng lượng liên kết Trong thực tế muốn nghiêncứu cấu trúc hạt nhân và phản ứng hạt nhân cần các hạt bắn phá có năng lượng từhàng chục tới hàng trăm MeV Để nghiên cứu cấu trúc các nucleon, các hạt cơ bảncần tới năng lượng hàng trăm ngàn MeV đến nhiều TeV Đó chính là những lý doquan trọng thúc đẩy sự ra đời không những chỉ của các máy gia tốc có năng lượngthấp hoặc trung bình mà còn của cả các máy gia tốc có năng lượng cao và rất cao

Năm 1929 E Lawrence, nhà khoa học người Mỹ đã thiết kế thành công chiếcmáy gia tốc Cyclotron đầu tiên trên thế giới, có thể gia tốc ion hydro (proton) tớinăng lượng 80 keV Năm 1931 máy gia tốc Cyclotron của Lawrence tạo được chùmproton 1.25 MeV gây ra phản ứng hạt nhân và tách được nguyên tử chỉ vài tuần sauphản ứng hạt nhân nhân tạo đầu tiên của Cockcroft & Walton Lawrence nhận giảiNobel vào năm 1939 Máy gia tốc Cyclotron chủ yếu để gia tốc proton và các ionnặng

Trong cyclotron các hạt được gia tốc nhờ điện trường tần số cao (RF) khôngđổi trong một từ trường đồng nhất Các hạt chuyển động theo quỹ đạo xoáy trôn ốctheo sự điều khiển của từ trường Các ion xuất phát từ tâm của từ trường nằm giữa 2điện cực có dạng nửa hình tròn được gọi là "Dee - hình chữ D" Các hạt chuyểnđộng xoáy trôn ốc với bán kính lớn dần, nó được gia tốc mỗi khi đi qua khe giữa hainửa hình chữ D Quãng đường đi được trong 1 chu kỳ tăng dần cùng với vận tốc hạt

để đảm bảo sự phù hợp về pha với sóng cao tần Thời gian hạt hoàn thành 1 quỹ đạo

là không đổi Khi hạt chuyển động hết một chu kỳ pha của điện áp xoay chiều thayđổi 1800 Các Dee được đặt trong buồng chân không cao, cả buồng đặt giữa hai cựccủa một nam châm đồng nhất Các ion được đưa vào tâm buồng, trong khe giữa haiDee Bằng cách chọn tần số phù hợp của điện áp xoay chiều, đảm bảo khi các ion đi

từ Dee này sang Dee khác có sự đổi dấu của điện thế giữa các Dee sao cho các ionđược gia tốc Sau khi gia tốc các hạt được tách ra khỏi buồng gia tốc bằng bộ làmlệch (deflector), sau đó tiếp tục được dẫn ra các kênh bằng hệ thống các nam châmuốn cong, hội tụ… Hình 2.1 là sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy gia tốc

cyclotron Các hệ thống phụ quan trọng cấu thành cyclotron là: Nguồn ion; Hệthống RF; Hệ thống nam châm; Hệ thống tách chiết chùm; Hệ thống chân không;

Hệ thống điều khiển

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy gia tốc cyclotron

Ở năng lượng cao hơn, do hiệu ứng tương đối tính khối lượng của hạt tăngtheo vận tốc, dẫn đến việc khả năng tăng tốc độ hạt nhỏ dần Các hạt không thể điqua khe gia tốc ở đúng thời điểm cần thiết Kết quả là không đồng bộ được với điệntrường gia tốc, tức là điều kiện cộng hưởng bị phá vỡ Đây chính là hạn chế của loạimáy Cyclotron truyền thống về mặt năng lượng

Để khắc phục hiệu ứng tương đối tính, năm 1945 Milan và Veksler tìm ra cơchế đồng bộ bằng cách thay đổi tần số Khi hạt tăng khối lượng dẫn đến giảm tốc độ

và hạt lại giảm khối lượng, do đo sẽ tồn tại một quỹ đạo ổn định mà hạt không mấtnăng lượng Khi hạt đạt được quỹ đạo ổn định, nếu giảm tần số tại giá trị không đổicủa từ trường thì điều kiện đồng bộ sẽ giữ nguyên Máy gia tốc Cyclotron sử dụngviệc thay đổi tần số còn được gọi là Synchrocyclotron hay Phasotron

Một loại máy cyclotron khác có thể khắc phục được hiệu ứng tương đối tính

là máy gia tốc hội tụ quạt sử dụng từ trường biến đổi theo góc phương vị AVF

Lê Tuấn Anh

Luận văn tốt nghiệp

(Azimuthally Varying Fields), giữ nguyên tần số RF không đổi và hiệu chỉnh hiệuứng tương đối tính bằng cách thay đổi từ trường Từ trường trung bình sẽ là mộthàm của bán kính, có thể tăng sao cho tần số quay của các ion giữ nguyên mặc dù

có sự tăng của khối lượng các ion được gia tốc Năng lượng hạt chỉ bị giới hạn bởikích thước của nam châm Cyclotron hội tụ quạt lớn nhất hiện nay có thể gia tốcproton lên tới năng lượng 600 MeV Hình 2.2 là hình ảnh máy gia tốc cyclotronMC-50, tại Viện KIRAMS, Hàn Quốc Đây là loại máy cyclotron hoạt động theonguyên lý từ trường biến đổi theo góc phương vị, hay hội tụ quạt (AVF)

Hình 2.2: Máy gia tốc cyclotron - C50, tại Viện KIRAMS, Hàn Quốc

2.2 Cơ sở vật lý của máy gia tốc cyclotron

Đối với hạt có điện tích q chuyển động với vận tốc v trong điện từ trường(E,B), lực Lorentz được biểu diễn như sau:

F q(E v B)

trong đó: F: lực tác dụng lên hạt; q: điện tích hạt; E: véc tơ điện trường; B: véc tơ

từ trường; v: véc tơ vận tốc hạt

Máy gia tốc cung cấp năng lượng cho hạt tích điện, do đó tăng xung lượngcủa chúng Để làm việc đó cần phải có một điện trường dọc theo hướng của xunglượng ban đầu:

Trong từ trường đồng nhất hạt chuyển động theo quỹ đạo tròn Từ điều kiệncân bằng của lực hướng tâm và lực Lorentz:

Lê Tuấn Anh

trong đó : V: điện áp gia tốc, : pha của sóng

Động năng của hạt là:

2Năng lượng hạt phụ thuộc vào điện tích của chúng Trong cùng một cyclotron

các hạt anpha được gia tốc với năng lượng cao hơn proton

2.3 Nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc Cyclotron KIRAMS - MC 50

Trong thí nghiệm này chúng tôi sử dụng máy gia tốc cyclotron loại từ trường

biến đổi theo góc phương vị (AVF) MC-50 tại Viện Khoa học Y học phóng xạ Hàn

Quốc (KIRAMS) Máy gia tốc cyclotron được đưa vào hoạt động từ năm 1985 chủ

yếu phục vụ cho các nghiên cứu xạ trị ung thư và chế tạo đồng vị Bên cạnh đó

MC-50 còn được sử dụng nhiều trong các nghiên cứu về phản ứng hạt nhân, năng phổ

gamma, năng phổ nơtron và các nghiên cứu ứng dụng về hiệu ứng sinh học và chụp

ảnh phóng xạ nơtron [26] Hình 2.3 là sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc

cyclotron MC-50

Nguồn ion trong MC50 là thuộc loại PIG Người ta đã phát triển nguồn ion

mao dẫn thành nguồn PIG (Penning ion Gauge) Trong PIG, vật liệu phát electron là

tantan, đặt ở đáy các cột dạng ống rỗng (chimney) Còn ở đỉnh các cột chimney, có

các catốt tantan Thế của các catốt là như nhau Các electron được đẩy từ cả hai đầu

của ống chimney, và không chuyển động sang bên được do từ trường mạnh Do đó,

mật độ electron cao hình thành ở tâm chimney và hiệu suất ion hóa hydro tăng lên,

kết quả là cho dòng ra cao vào dòng dò hydro nhỏ PIG của MC-50 là loại điện cực

lạnh, điện cực là LaB6 (N=1), HfC (N=2), được lắp đặt thẳng đứng giữa tâm

cyclotron, cho dòng cực đại là 2A/3kV [6]

Lê Tuấn Anh

Luận văn tốt nghiệp

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc cyclotron MC - 50

Hệ RF có chức năng cung cấp thế gia tốc cho Dee Mối liên hệ giữa thế của Dee vànguồn RF phụ thuộc vào đặc trưng của mạch điện Về nguyên tắc, thế giữa khe củahai Dee có thể rất nhỏ Thế

này xác định số vòng quay của

hạt là bao nhiêu để nó đạt được

năng lượng mong muốn

Nguồn RF của KIRAMS –

MC50 có tần số từ 15.5~26.8

MHz, thế của Dee từ 30-50kV

Nguồn RF có hai số điều hòa,

là 1 và 2 Số điều hòa h là mối

liên hệ giữa vận tốc góc của

RF và vận tốc góc của mỗi

vòng quay ωRF= hωrev Với Hình 2.4: Nam châm điện cho AVF cyclotron

h=1, độ lệch pha giữa Dee 1 va

Dee 2 là 1800 khi đó RF ở chế độ Push-pull (đẩy kéo), còn với h=2 Dee 1 và Dee 2 cùng pha, RF ở chế độ Push-Push, (hình 2.4) [6]

Nam châm điện của KIRAMS-MC50 có ba sector, đạt được từ trường trungbình cực đại là 1.75 Tesla Hình 2.4 là hình ảnh nam châm điện cyclotron MC-50.Bảng 2.1 và 2.2 liệt kê các thông số kỹ thuật chính của máy gia tốc cyclotronKIRAMS-MC50, [6].

Hình 2.5: Mối liên hệ giữa vận tốc góc của RF và vận tốc góc của mỗi vòng quay

Chùm ion gia tốc được lấy ra từ cyclotron MC50 sẽ đi vào một trong ba kênh.Với hệ máy gia tốc này, các chùm proton, đơtơri được gia tốc lên tới tận 50 MeV, vàchất lượng của chùm tia cao Năng lượng của chùm ion gia tốc trên một nuclôn(E/A) đối với cyclotron được tính bởi E/A=K(q/M)2, trong đó K là hệ số hiệu suất,phụ thuộc vào từ trường trong Dee cũng như kích thước của cyclotron, còn q/M là tỉ

số điện tích trên khối lượng của ion MC-50 tại KIRAMS có K=50, do đó nănglượng cực đại của chùm proton là 50 MeV, còn với đơtơri là 25 MeV

Bảng 2.1: Một số thông số kỹ thuật của máy gia tốc KIRAMS-MC50.

Nguồn ion

Nam châm

Lê Tuấn Anh

Luận văn tốt nghiệp

RF

Bảng 2.2: Thông số của các chùm ion từ máy gia tốc cyclotron KIRAMS-MC50.

Loại ionProtonĐơtronHe-3He-4

Hình 2.5 là sơ đồ khối của hệ máy gia tốc cyclotron MC - 50 tại KIRAMS, Hàn Quốc [ 6]

Hình 2.6: Sơ đồ khối của hệ máy gia tốc cyclotron MC - 50,

tại Viện KIRAMS, Hàn Quốc

Máy gia tốc cyclotron KIRAMS-MC50 có ba kênh ra, kênh thứ nhất là kênh

xạ trị bằng nơtron Sau khi ra khỏi máy ra tốc, chùm proton đập vào bia 9Be, gây raphản ứng 9Be(p,n)9B tạo thành nơtron Hai kênh còn lại hợp với kênh thứ nhất 300.Trong đó có một kênh sản xuất đồng vị phóng xạ, đặc biệt là các đồng vị sống ngắn

để phục vụ cho chẩn đoán và điều trị bệnh như 11C, 18F, 67Ga, 123I, 201Tl Kênh cuốicùng là kênh để thực hiện các nghiên cứu về vật lý hạt nhân, và khoa học vật liệunhư đo tiết diện phản ứng hạt nhân, đo cấu trúc thời gian của chùm xung proton 50MeV, đo sự phân cực tuyến tính của các tia gamma, phương pháp đánh giá khôngphá hủy, Các thí nghiệm nghiên cứu phản ứng hạt nhân gây bởi chùm protonthuộc đề tài luận văn được thực hiện trên kênh thứ ba

Lê Tuấn Anh

Luận văn tốt nghiệp

CHƯƠNG 3 THÍ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU

3.1 Thí nghiệm xác định suất lượng của phản ứng hạt nhân

Phương pháp kích hoạt phóng xạ kết hợp với đo phổ gamma sử dụng đetectơbán dẫn gecmani siêu tinh khiết HPGe đã được lựa chọn trong nghiên cứu xác địnhsuất lượng và tiết diện của các phản ứng hạt nhân gây bởi chùm proton Nguyên lýcủa phương pháp kích hoạt hạt nhân là thông qua các phản ứng hạt nhân tạo thànhnhững đồng vị phóng xạ Trên cơ sở đo phổ bức xạ gamma phát ra từ các đồng vịphóng xạ tạo thành, dựa trên các số liệu hạt nhân như năng lượng, cường độ các tiagamma, chu kỳ bán rã của các đồng vị phóng xạ ta có thể nhận diện được các sảnphẩm tạo thành sau phản ứng hạt nhân Suất lượng của các phản ứng được xác địnhthông qua hoạt độ phóng xạ hay chính là diện tích đỉnh phổ gamma đặc trưng đođược

Các thí nghiệm được thực hiện trên máy gia tốc cyclotron MC-50 tạiKRIAMS, Hàn Quốc với chùm p có năng lượng 27 MeV Sơ đồ khối thí nghiệmchiếu mẫu được mô tả như trên hình 3.1

Mẫu nghiên cứu là các lá kim loại natMo và natZr có độ tinh khiết cao, lá natCuđược sử dụng như là một monitor thông lượng chùm proton Đặc trưng của các mẫuđược liệt kê trong bảng 3.1 Các thông số của thí nghiệm được liệt kê trong bảng3.2

Hình 3.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm

Bảng 3.1: Đặc trưng của các mẫu được sử dụng

Bảng 3.2: Thông số thí nghiệm chiếu mẫu

Thí nghiệm

Thí nghiệm 1

Thí nghiệm 2

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

gamm ẫn gecmani siêu tinh khiết HPGe Trong thí nghiệm, các phổ gamma được đo

nhiều lần với thời gian đo và thời gian phân rã khác nhau nhằm ghi nhận được các

đồng vị có thời gian bán rã khác nhau và giảm thiểu các sai số thống kê cũng như

sai số hình học đo

Lê Tuấn Anh

Luận văn tốt nghiệp

3.3 Ghi nhận và phân tích phổ gamma của các mẫu sau khi chiếu.

3.3.1 Giới thiệu

Lượng tử gamma được phát ra từ sự phân rã hạt nhân và mang năng lượng đặctrưng cho hạt nhân, chúng có thể được ghi nhận bằng các loại đetector thích hợpthông qua tương tác của chúng với vật liệu đetectơ Các tinh thể bán dẫn, ví dụ nhưSi(Li), Ge(Li) hay HPGe thường được dùng làm đetectơ ghi nhận bức xạ gamma.Tương tác các tia gamma với tinh thể bán dẫn tạo lên các hạt mạng điện Trong ghinhận bức xạ, ba cơ chế đóng vai trò quan trọng là hấp thụ quang điện, tán xạCompton và hiệu ứng tạo cặp Điện tích tạo ra khi tinh thể hấp thụ toàn bộ nănglượng photon tỉ lệ với năng lượng của tia bị hấp thụ Sau đó, thông qua khuếch đại

sẽ tạo thành xung Các xung tương tự này lại được số hóa bằng ADC và được đưađến hệ phân tích đa kênh MCA xử lý

Trong phổ, các lượng tử gamma bị hấp thụ hết năng lượng, tạo thành đỉnhnăng lượng toàn phần, có phân bố Gauss là do sai số thống kê của quá trình tạo điệntích và do độ ồn điện tử Thực tế, nhiều khi đỉnh phổ bị lệch khỏi phân bố Gauss, cóthể do hai nguyên nhân: sự hấp thụ điện tích không hết trong tinh thể dẫn đến hìnhthành đuôi ở vùng năng lượng thấp, thứ hai là do tốc độ đếm cao, hiệu ứng pile-uplớn, dẫn đến hình thành đuôi ở vùng năng lượng cao

3.3.2 Phổ kế gamma

Thí nghiệm dùng hệ phổ kế gamma với đêtectơ bán dẫn Germani siêu tinhkhiết HPGe (ORTEC-USA) tại Viện Khoa học Y học phóng xạ Hàn Quốc, modelGMX 20P, serial: 42-TN21688A, điện áp sử dụng 2500V, có độ phân giải nănglượng (FWHM) 1.8 keV tại đỉnh 1332 keV của 60Co Phổ gamma được ghi nhận và

xử lí bằng chương trình GammaVision (ORTEC)

3.3.2.1 Chuẩn năng lượng

Trong phổ kế gamma, chiều cao của xung phải được chuẩn về năng lượngtuyệt đối của tia gamma, để từ đó nhận diện được các tia gamma ứng với đỉnh nàotrong phổ Phương pháp chuẩn chính xác là dùng nguồn chuẩn đã biết chính xácnăng lượng tia gamma Các nguồn được dùng là các nguồn đơn năng, nếu là cácnguồn đa năng thì chọn các đỉnh có cường độ lớn và nằm xa các đỉnh khác Do mỗi

hệ phổ kế dù tốt đến mấy đều có độ phi tuyến tại một hoặc hai kênh, do đó nênchuẩn nhiều đỉnh, đối với các phép đo dài, có thể bị trôi kênh trong quá trình đo,nên cần tiến hành chuẩn lại Độ chính xác của việc xác định tâm đỉnh phụ thuộc vào

độ phân giải của hệ phổ kế và độ ổn định trong suốt quá trình đo

3.3.2.2 Chuẩn hiệu suất ghi

Để đo hoạt độ của đồng vị phóng xạ, cần phải chuẩn hiệu suất ghi của hệ phổ

kế Hiệu suất ghi của hệ đo thường được chia làm hai loại: hiệu suất ghi tuyệt đối vàhiệu suất ghi nội tại Hiệu suất ghi tuyệt đối được định nghĩa là:

(3.1)

Hiệu suất ghi tuyệt đối phụ thuộc vào loại detector và hình học đo Còn hiệusuất ghi nội tại được định nghĩa là:

(3.2)Không phụ thuộc vào hình học đo Hai hiệu suất ghi có mối liên hệ:

4

Với Ω là góc đặc detector chắn so với nguồn

Đối với hệ phổ kế gamma, các loại hiệu suất ghi thường sử dụng bao gồm:hiệu suất ghi đỉnh hấp thụ toàn phần, hiệu suất ghi tổng cộng, hiệu suất tương đối sovới đêtectơ nhấp nháy NaI(Tl)

Có thể xác định hiệu suất ghi của hệ phổ kế bằng tính toán lý thuyết hoặc đođạc thực nghiệm Bằng phương pháp thực nghiệm, hiệu suất ghi tuyệt đối đỉnh hấpthụ toàn phần của hệ phổ kế được xác định theo biểu thức dưới đây [1]:

abs

trong đó:

Np là diện tích đỉnh gamma

Iγ là cường độ tia gamma tính theo %

Lê Tuấn Anh

Luận văn tốt nghiệp

tref là thời gian phân rã Td là thời gian ghi phổ

Aref là hoạt độ của nguồn chuẩn theo ngày sản xuất

λ là hằng số phân rã

Mục đích của việc xác định hiệu suất ghi là thiết lập công thức tính bán thựcnghiệm mô tả đường cong hiệu suất trên toàn bộ vùng năng lượng mà chúng ta quantâm, bằng cách làm khớp các kết quả thực nghiệm với một hàm toán học thích hợp.Với detector bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết HPGe trong dải năng lượng ghi nhận

từ 50 keV tới 2500 keV người ta thường sử dụng hàm khớp có dạng sau [ 9]:

0.1

Nang luong tia gamma (keV)

Hìn 3.2: Đường cong hiệu suất ghi với các khoảng cách khác nhau

Hiệu suất ghi của hệ phổ kế gamma được xác định bằng thực nghiệm sử dụng cácnguồn chuẩn gamma sau: 241Am (59,54keV,T1/2=433năm), 109Cd (88,04keV,

T1/2=453,226 ngày), 137Cs (661,66 keV, T1/2=30,1 năm), 65Zn (1115,53 keV,

T1/2=243,8 ngày), 60Co (1173,24 keV và 1332,50 keV, T1/2 = 5,27 năm), 22Na (511

keV và 1274,54 keV, T1/2=2,6 năm) Hình 3.2 là các đường cong hiệu suất ghi của

detector dùng trong luận văn với các khoảng cách khác nhau

3.4 Phương pháp xác định suất lượng và tiết diện phản ứng hạt nhân

Trong quá trình kích hoạt đồng thời diễn ra hai quá trình: Sự tạo thành các

hạt nhân phóng xạ từ hạt nhân bền sau phản ứng và sự phân rã của các hạt nhân

phóng xạ

Khi một bia mỏng được bắn phá bởi một chùm hạt tới Trong trường hợp

kích thước của mẫu nhỏ hơn tiết diện của chùm hạt tới, tốc độ tạo thành hạt nhân

phóng xạ (số hạt nhân tạo thành trong một đơn vị thời gian) là [25]:

dN

N 0dt

trong đó, là tiết diện phản ứng hạt nhân (cm2), là thông lượng chùm hạt tới (số hạt

trên một đơn vị diện tích và trên một đơn vị thời gian), N0 là tổng số nguyên tử có

trong mẫu (N0 = (m/M) NA, trong đó m khối lượng của nguyên tố trong mẫu, M là

trọng lượng nguyên tử , NA = 6,02 1023 là số Avogadro)

Tuy nhiên các hạt nhân phóng xạ không chỉ được tạo thành mà còn phân rã

trong thời gian chiếu xạ Phân rã phóng xạ là một quá trình thống kê, nếu số hạt

nhân phóng xạ ở thời điểm t là N thì tốc độ phân rã được tính như sau :

dN

Ndt

trong đo là hằng số phân rã , ( =ln2/T1/2, T1/2 là thời gian bán rã)

Tích phân phương trình (3.7), ta được phương trình phân rã phóng xạ :

N(t) N 0 e t

trong đó N0 là số hạt nhân ban đầu (t=0)

Kết hợp phương trình (3.6) và (3.7) ta nhận được tốc độ thay đổi của số hạt

nhân phóng xạ trong thời gian chiếu xạ :