Bộ tham số hoá này sẽ không chỉ có ích cho ELI-NP mà cả những cở sở nghiên cứu có sử dụng phản ứng quang phân hạch trên thế giới.. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Các mục tiêu của luân á
Trang 11
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-
Lê Tuấn Anh
NGHIÊN CỨU THAM SỐ HOÁ TIẾT DIỆN QUANG PHÂN HẠCH CỦA 238 U VÀ MÔ PHỎNG TỐI ƯU SỬ DỤNG GEANT4 PHỤC VỤ CHO THIẾT KẾ HỆ THIẾT BỊ
IGISOL TẠI DỰ ÁN ELI-NP
Chuyên ngành: Vật lý Nguyên tử và Hạt nhân
Mã số: 9440106
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT
HÀ NỘI - Năm 2021
Trang 22
Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
Người hướng dẫn khoa học 1: TS Phan Việt Cương
Người hướng dẫn khoa học 2: GS TS Dimiter L Balabanski
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
Trang 3MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của luận án
Trung tâm nghiên cứu ELI-NP (The Extreme Light Infrastructure- Nuclear Physics)được mong đợi trở thành cơ sở nghiên cứu tiên tiến nhất thế giới về lĩnh vực vật lý quang hạtnhân (photonuclear physics), cũng như mở ra hướng nghiên cứu liên ngành đầu tiên kết hợpgiữa laser công suất cao và vật lý hạt nhân ELI-NP sẽ cung cấp chùm gamma đơn năng, phân
cự cao và năng lượng có thể điều chỉnh để lựa chọn trong dải từ 200 keV đến 19.5 MeV
Chùm gamma ở ELI-NP phù hợp cho việc tạo ra chùm đồng vị phóng xạ (RIB) thôngqua phản ứng quang phân hạch của Uranium Một hệ thiết bị IGISOL (Ion Guide IsotopeSeparation On-line) sẽ được xây dựng tại ELI-NP nhằm thu các mảnh phân hạch để tạo thànhRIB Việc tính toán chính xác tiết diện điện quang phân hạch rất quan trọng trong việc hỗ trợ
ý tưởng này Do đó, điều cần thiết là phát triển một công cụ tính toán tin cậy dựa trên tham
số hoá số liệu thực nghiệm Bộ tham số hoá này sẽ không chỉ có ích cho ELI-NP mà cả những
cở sở nghiên cứu có sử dụng phản ứng quang phân hạch trên thế giới Ngoài ra, cần tiến hànhmột loạt các tính toán mà mô phỏng tiên quyết nhằm đưa ra thiết kế mẫu cho buồng CSC(Cryogenic Stopping Cell) cụ thể cho thiết bị IGISOL ở ELI-NP
2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Các mục tiêu của luân án bao gồm: i) Phát triển bộ tham số hoá tin cậy cho việc tínhtoán tiết diện phản ứng quang phân hạch trong một dải rộng dưới 30 MeV ii) Xây dựngchương trình Geant4 và thực hiện một loạt các mô phỏng nhằm tối ưu thiết kế cho buồng CSC
ở ELI-NP
3 Các nội dung nghiên cứu chính của luận án
• Tổng quan về dự án ELI-NP, quá trình quang phân hạch, các phương pháp tạo chùmđồng vị phóng xạ, bộ công cụ mô phỏng ELI-NP và các ứng dụng của nó
• Xây dựng bộ tham số hoá cho việc tính toán tiết diện, phân bố khối lượng (mass yield)
và điện tích (isobaric charge distribution) của quá trình quang phân hạch
• Dự đoán suất lượng của các hạt nhân giàu neutron
• Đưa quá trình quang phân hạch vào Geant4 Xây dựng chương trình Geant4 hoàn chỉnhcho việc mô phỏng phản ứng quang phân hạch, tán xạ Compton ngược cũng như cácquá trình điện từ trường của các hạt (ion, gamma, electron) với vật chất Sau đó, chươngtrình này sẽ được dùng để tối ưu thiết kế cho buồng CSC ở ELI-NP
Trang 4Chương 1.TỔNG QUAN1.1.Trung tâm nghiên cứu ELI-NP
ELI (The Extreme Light Infrastructure) là một trong những dự án nghiên cứu đượcquan tâm của liên minh châu Âu ELI sẽ bao gồm ba cơ sở nghiên cứu nằm ở các nước khácnhau là Séc, Hungary và Romania với mục đích nghiên cứu tương tác của photon với vật chất
ở cường độ cao và khung thời gian ngắn Trung tâm nghiên cứu ELI-NP được đặt tại Romania
là một trong ba cơ sở của dự án ELI ELi-NP sẽ tập trung vào việc nghiên cứu sử dụng haichùm tia laser công suất 10 PW và chùm gamma cường độ cao tạo thành từ tán xạ Comptonngược (CBS) ELI-NP sẽ bao gồm hai khu vực nghiên cứu chính là HPLS (High-Power LaserSystem) và GBS (Gamma Beam System) Hình 1.1 là hình ảnh phác thảo của các thiết bị vàkhu vực nghiên cứu tại ELI-NP
1.1.1.Chùm gamma tại ELI-NP
Trung tâm ELI-NP sẽ tạo ra chùm gamma phân cực cao (≥ 95%) với năng lượng cóthể đìiều chỉnh được và với thông lượng lên tới 104 photons/(s.eV ) trong dải 200 keV đến 19.5MeV Độ đơn năng của chùm gamma đạt đến độ phân giải ≥ 0.3% Chùm gamma này đượctạo ra từ tán xạ Compton ngược của laser trên chùm electron được gia tốc từ máy gia tốctuyến tính Tán xạ Compton ngược được coi như là một "máy gia tốc photon" Hình 1.2 mô tả
electron, tương tác với electron có năng lượng Ee
Hai loại chùm tia có thể tạo ra ở ELI-NP được được mô tả trong Hình 1.3 Chùm tiarộng được trình bày bằng các chấm xanh có dải năng lượng 10 − 18.5 MeV Chùm này được
đỏ thể hiện chùm tia mảnh với năng lượng quanh 12.9 MeV Chùm tia mảnh đạt được với
Dựa trên các loại chùm tia gamma như vậy, ELI-NP sẽ cung cấp các thí nghiệm nhưhuỳnh quang cộng hưởng hạt nhân (NRF), phản ứng hạt nhân trên ngưỡng tách neutron, thínghiệm quang phân hạch và thí nghiệm tạo chùm đồng vị phóng xạ
Trong kỹ thuật ISOL (Isotope Separation On-line), các chùm đồng vị phóng xạ được tạo
ra từ phản ứng ’spallation’ hoặc phân hạch gây bởi các ion nhẹ trên bia actinide dày Các phảnứng phân hạch có thể tạo ra bởi neutron nhiệt, neutron nhanh, proton hoặc photon Phươngpháp này yêu cầu cường độ chùm sơ cấp cường độ cao cũng như bia nóng và dày Lợi thế lớncủa việc dùng bia dày là tạo ra được suất lượng phân hạch lớn Thậm chí, đối với những hạtnhân hiếm (exotic nuclei) với tiết diện tạo thành cực kỳ thấp vẫn có thể thu được Tuy nhiên,không thể thu được các đồng vị có thời gian sống ngắn vì các ion cần có thời gian để khuếchtán và đi ra ngoài bề mặt bia Một nhược điểm khác của phương pháp ISOL là khó đạt được
độ tinh khiết của chùm tia cao do có nhiều hạt nhân đồng khối của các nguyên tố khác nhauđược tạo ra đồng thời trong bia Hơn nữa, các nguyên tố chịu lửa nói chung rất khó tạo ra docần nhiệt độ đủ cao để làm cho chúng dễ bay hơi, xem hình 1.6
Trang 5Hình 1.1: Sơ đồ các khu vực thí nghiệm và các thiết bị tại ELI-NP: HPLS High Power LaserSystem; OPCPA: Optical Parametric Chirped Pulse Amplification; XPW: Cross Polarised Wavesystem; LBTS: Laser Beam Transport System; GBS Gamma Beam System; DPSSL: DiodePumped Solid State Laser; E1-E8 Experimental areas
Hình 1.2: Sơ đồ tán xạ Compton ngược của photon laser lên một electron
Hình 1.3: Kết quả mô phỏng mối tương quan năng lượng-góc của hai chùm gamma
Trang 6số hạt nhân hiếm cũng có thể thấp hơn một chút.
1.2.3.Phương pháp IGISOL
Hình 1.7 minh hoạ nguyên lý của phương pháp IGISOL dựa trên thiết kế sơ khai Ýtưởng của kỹ thuật này là các sản phẩm phản ứng hạt nhân phóng ra từ bia sẽ bị làm chậmlại và nhiệt hóa trong buồng khí đến trạng thái điện tích 1+ Khí đệm thường là heli còn argon
có thể được sử dụng trong một số trường hợp đặc biệt IGIGOL tương tự như ISOL, ngoại trừ
Trang 7Hình 1.6: Điểm sôi và nóng chảy của các nguyên tố
Hình 1.7: Nguyên lý của phương pháp IGISOLphần bia Trong phương pháp này, thay vì sử dụng bia dày, một hoặc một số bia mỏng được sửdụng Các ion bị cuốn theo dòng khí ra khỏi buồng khí và được đẩy vào bộ tách đồng vị thôngqua hệ thống điện cực Độ dày của bia được giới hạn bởi quãng chạy của ion trong bia nhằmthu được hiệu suất thoát khỏi bia cao nhất
1.2.4.Phương pháp tạo đồng vị phóng xạ tại ELI-NP
Tại ELI-NP, chùm đồng vị phóng xạ sẽ được tạo thông qua phản ứng phân hạch gây bởichùm photon Do đó, như đề cập ở phần 1.2.2, phương pháp In-flight không phù hợp Trongkhi đó, phương pháp ISOL có vẻ phù hợp với chùm tới là gamma Tuy nhiên, ELI-NP sẽ chútrọng đến việc tạo chùm đồng vị phóng xạ để nghiên cứu hạt nhân hiếm giàu neutron trongvùng Zr-Mo-Rh, tức là vùng nguyên tố chịu nhiệt Trong hình 1.6, vùng Zr-Mo-Rh có nhiệt độsôi và nóng chảy rất cao Do đó, chúng không thể khuếch tán ra bề mặt bia bằng nhiệt được.Như vậy, phương pháp ISOL không phù hợp để tạo chùm đồng vị phóng xạ ở ELI-NP
Trong khi đó, với việc dùng bia mỏng, phương pháp IGISOL là phương pháp tối ưu choviệc tạo chùm đồng vị phóng xạ của các nguyên tố chịu nhiệt Do đó, một hệ IGISOL sẽ đượcxây dựng ở ELI-NP
Trang 81.3.Hệ thiết bị IGISOL tương lai tại ELI-NP
Hình 1.8 mô tả bố trí của hệ GBS (Gamma Beam System) bên trong khu gia tốc Chiềudài của khu gia tốc xấp xỉ 90m Dự kiến sẽ có hai điểm tương tác: Điểm thứ nhất sẽ cho nănglượng electron E=300 MeV, gọi là điểm tương tác năng lượng thấp (LIP); Điểm thứ hai sẽcho tương tác của electron năng lượng E=720 MeV, còn gọi là điểm tương tác năng lượng cao(HIP) Chùm gamma dành cho việc tạo đồng vị phóng xạ sẽ đến từ điểm thứ hai
Tại ELI-NP, chùm đồng vị phóng xạ sẽ được hình thành từ sản phẩm của quá trình
CSC chứa đầy khí Helium Các mảnh phân hạch sẽ được lấy ra và đưa đến khu vực ghi đothông qua một RFQ (radio frequency quadrupole), nam châm phân tích và một khối phổ kếMR-TOF-MS Buồng CSC, chuẩn trực và RFQ sẽ được đặt trên cùng một mặt phẳng Chúng
có thể dễ dàng lắp đặt vào đường beam-line Cần nhấn mạnh rằng, chùm gamma gây phảnứng quang phân hạch sẽ đến từ điểm tương tác có năng lượng cao Có hai vị trí khả dĩ để đặtbuồng CSC Vị trí đầu cách 7m so với điểm HIP, trong khi vị trí thứ 2 sẽ cách 40m
Cần phải thực hiện một loạt các mô phỏng để tính toán số lượng tối ưu, góc nghiêng,
độ dày, kích thước và khoảng cách của các bia uranium để có được chùm phóng xạ với cường
độ cao nhất Để giải quyết vấn đề này, tôi sử dụng bộ thư viện mô phỏng Geant4
1.4.Introduction of Geant4 toolkit
Geant4 là bộ thư viện được xây dựng dựa trên phương pháp Monte-Carlo để giải bàitoán mô phỏng chuyển động của các hạt (heavy ions, light ions, γ, e, ) trong vật chất Nó
đã được sử dụng trong các ứng dụng trong vật lý hạt, vật lý hạt nhân, thiết kế máy gia tốc,
kỹ thuật không gian và vật lý y tế
Geant4 được chọn vì nó cung cấp cho người dùng nhiều mô hình để mô phỏng sự vậnchuyển của các hạt trong vật chất Trong trường hợp của chúng tôi, việc mô phỏng các mảnhphân hạch di chuyển trong bia và khí sẽ giúp tối ưu hóa thiết kế của CSC Tuy nhiên, quá trìnhquang phân hạch (photofission) không có sẵn trong Geant4 Do đó, một mô hình mới cần đượcđưa vào Geant4 để mô phỏng phản ứng này Để thực hiện được việc này thì cần nghiên cứuphản ứng quang phân hạch, đặc biệt là tiết diện của nó
1.5.Quá trình quang phân hạch
Năm 1939, Bohr và Wheeler đưa ra lý thuyết giải thích cơ chế của quá trình phân hạchhạt nhân Lý thuyết cho thấy rằng khi một hạt nhân nặng được cung cấp đủ năng lượng kíchthích thì sự phân chia của hạt nhân sẽ xảy ra Năng lượng kích thích có thể được cung cấpthông qua bắt giữ các hạt (n,p,e ) hoặc lượng tử gamma Quá trình quang phân hạch đượcđịnh nghĩa là quá trình phân hạch bởi hạt gamma Phản ứng phân hạch lần đầu tiên đượcquan sát vào năm 1940 bởi Haxby và các cộng sự bằng cách chiếu xạ uranium và thorium vớichùm γ 6.3 MeV cường độ cao từ flo Từ đó, phản ứng quang phân hạch, đặc biệt là phản ứngquang phân hạch tại vùng năng lượng thấp đã được nghiên cứu rộng rãi.Các nghiên cứu vềquang phân hạch này rất quan trọng không chỉ để hiểu cơ chế phân hạch mà còn để khám phácác hiệu ứng cấu trúc hạt nhân
Gần đây, phản ứng quang phân hạch được quan tâm nhiều hơn bởi vì nó cho phép tạo
ra chùm hạt nhân phóng xạ hiếm giàu neutron mà gần với quá trình r-process (r-process path)
Ví dụ, phản ứng quang phân hạch của bia Uranium đã và sẽ được sử dụng ở cở sở nghiêncứu ALTO tại IPN Orsay, trung tâm nghiên cứu DRIBs tại JINR, ARIEL ở TRIUMF, việnANURIB ở VECC, và trên hệ thiết bị IGISOL tại trung tâm nghiên cứu ELI-NP
Để tạo hạt nhân giàu neutron, viêc tính toán chính xác tiết diện tạo ra các mảnh phanhạch là rất quan trọng trong thiết kế các thí nghiệm vật lý hạt nhân hay rất nhiều ứng dụng
Trang 9Hình 1.8: Sơ đồ bố trí của hệ thống tạo chùm Gamma (GBS)
Trang 10cả vùng cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ (GDR) đang được quan tâm trong việc ước tính suấtlượng tạo ra của các mảnh phân hạch giàu neutron và tối ưu hóa các thí nghiệm vật lý hạt nhân
ở cơ sở nghiên cứu đã đề cập ở trên Các mẫu phân hạch tổng quát, như GEF và FIPRODY đãđược phát triển để dự đoán các đa phân hạch quan sát được ở nhiều hệ phân hạch Tuy nhiên,
các tính toán bởi những mô hình phân hạch thống kê này có thể rất tốn thời gian nên cần cómột bộ tham số thực nghiệm nhanh chóng và chính xác để tính toán tiết diện tạo thành cácmảnh phân hạch Gần đây, một bộ tham số thực nghiệm dựa trên phân bố khối lượng tại nănglượng trung bình của photon 13.7 MeV đã được phát triển để tính toán tiết diện các mảnh
hoá này không mô tả được suất lượng ở vùng năng lượng dưới 30 MeV, đặc biệt các mode phânhạch có sự phụ thuộc mạnh vào năng lượng như mode đối xứng Vì vậy cần phát triển một bộtham số thực nghiệm đáng tin cậy hơn cho các ứng dụng đã đề cập ở trên
Trang 11Chương 2.NGHIÊN CỨU VỀ THAM SỐ HOÁ TIẾT DIỆN PHẢN ỨNG
Như đã trình bày ở chương trước, cần phải phát triển một bộ tham số thực nghiệm đểtính toán được chính xác tiết diện tạo thành các hạt nhân giàu neutron sinh ra trong phản
bày quá trình xây dựng bộ tham số này Bộ tham số hoá này bao gồm ba phần: tiết diện tổngphản ứng quang phân hạch, phân bố khối lượng và điện tích hạt nhân
2.1.Thực nghiệm tham số hoá cho tiết diện tổng, phân bố khối lượng và điện tích
Tiết diện để tạo ra một mảnh phân hạch xác định với số khối A và điện tích Z trong
σf(Eγ) là tiết diện quang phân hạch tại năng lượng photon tới Eγ và Y(A,Z) là suất lượng độclập tính trên 100 phân hạch Chi tiết về các thành phần này sẽ được trình bày bên dưới.2.1.1.Tham số hoá tiết diện tổng
được tham số hoá bằng tổng của hai hàm Lorentz:
σi, Ei , và Γilần lượt là chiều cao đỉnh (peak height), năng lượng cộng hưởng (resonance energy)
và độ rộng tại nửa chiều cao cực đại (full width at half maximum) Các đại lượng này được xácđịnh bằng cách làm khớp với số liệu thực nghiệm trên 5.93 MeV Tiết diện quang phân hạch
Giá trị của các tham số t1, t2, and t3 thu được từ việc làm khớp Eq (2.3) trên số liệu thựcnghiệm ở vùng năng lượng thấp và được liệt kê trong Bảng 2.1
tính toán dựa trên các công thức (2.2) và (2.3)
2.1.2.Tham số hoá cho phân bố khối lượng
Dựa trên mô hình phân hạch đa phương thức (The multimodal fission model), phân bốkhối lượng của các mạch phân hạch có thể được diễn tả bằng tổng các đóng góp từ ba modephân hạch khác nhau: một mode đối xứng (SM) và hai mode bất đối xứng (ASMI và ASMII)
Do đó, suất lượng tổng của mảnh phân hạch với số khối A (tính trên 100 phân hạch) có thể
Trang 12Hình 2.1: Tiết diện quang phân hạch của 238U
được mô tả bẳng tổng của năm hàm Gaussian:
(2.4)Biên độ của mode đối xứng được tham số hoá bởi:
và độ rộng của mode đối xứng được thể hiện bởi:
Trang 13Bảng 2.2: Giá trị của các tham số cho phân bố số khối của các hạt nhân sinh ra trong phản
Hình 2.2: Số liệu thực nghiệm cho phân bố số khối của phản ứng quang phân hạch gây bởi bức
xạ hãm có các năng lượng cực đại 12, 19.5, 29.1, và, 70 MeV
Các giá trị tham số hoá được trình bày trong Bảng 2.2
2.1.3.Tham số hoá cho phân bố điện tích
Sau khi xác định được phân bố khối lượng, suất lượng độc lập của mảnh phân hạch cụthể với A và Z cho trước (tính trên 100 phân hạch) được tính như sau:
với phân bố điện tích của các mảnh phân hạch có số khối A được mô tả xấp xỉ bằng một hàm
Cp là độ rộng của phân bố điện tích Suất lượng Y(A) được tính bởi công thức (2.4)
Trang 14Nprob = 82, tương ứng với lớp vỏ neutron đóng 82 (closed neutron shell).
Hình 2.3: So sánh giữa giá trị thực nghiệm Zprob đo bởi Donzaud et al., Frenne et al., cũng như
khối lượng của mẫu vỏ:
2/3)/(2x)]
