Luận án study of isomeric ratio and related effects in photonuclear and neutron capture reactions

Nghiên cứu tỷ lệ isomer và ảnh hưởng liên quan trong phản ứng photon hạt nhân và bắt giữ neutron. Khám phá các ứng dụng và kết quả.

• Tác giả: Bùi Minh Huệ
• Người hướng dẫn: Dr Trần Đức Thiệp
• Trường học: Graduate University of Science and Technology
• Chuyên ngành: Atomic and Nuclear Physics
• Đề tài: Nghiên Cứu Tỷ Số Đồng Phân Trong Phản Ứng Quang Hạt Nhân và Bắt Neutron
• Loại tài liệu: Doctoral Thesis
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• Declaration of Authorship
• Abstract
• Acknowledgements
• Contents
• List of Abbreviations
• List of Physical Quantities
• List of Tables
• List of Figures
• 1. CHƯƠNG 1: OVERVIEW
• 1.1. Formation and classification of isomers
• 1.2. Isomeric ratio and related effects
• 1.2.1. Definition of isomeric ratio
• 1.2.2. Nuclear effects on isomeric ratio
• 1.2.3. Theoretical IR calculation
• 1.3. Formation of photonuclear reaction and photon sources
• 1.4. Cross-section of photonuclear reaction
• 1.5. Neutron capture reaction
• 1.5.1. Neutron and neutron sources
• 1.5.2. Neutron capture reaction (n, γ)
• 1.5.3. Neutron capture cross-section
• 1.6. Level density and γ-ray strength function
• 1.6.1. Nuclear level density
• 1.6.2. Gamma-ray strength function
• 2. CHƯƠNG 2: EXPERIMENTAL AND THEORETICAL METHODS
• 2.1. Thermal and epithermal neutron source
• 2.2. Experimental IR determination
• 2.3. Spectrum analysis-necessary correction
• 2.3.1. Self-absorption effect
• 2.3.2. Coincidence summing corrections
• 2.4. Theoretical IR calculation in (γ, n) reaction
• 2.4.1. Bremsstrahlung spectra simulation in GEANT4
• 2.4.2. Cross-section calculation in TALYS
• 3. CHƯƠNG 3: RESULTS AND DISCUSSION
• 3.1. Isomeric Ratios in (γ, n) reactions
• 3.1.1. 195m,g Hg and 197m,g Hg
• 3.2. Isomeric Ratios in (n, γ) reactions
• 3.2.1. 109m,g Pd and 111m,g Pd
• 3.2.2. 115m,g Cd and 117m,g Cd
• 3.3. Influence of nuclear channel effect on IRs in (γ, n) and (n, γ) reactions
• 3.4. IRs of 137m,g Ce, 115m,g Cd, 109m,g Pd, and 81m,g Se in inverse reactions
• 3.5. Theoretically calculated IRs in (γ, n) reactions
• 3.5.1. Bremsstrahlung spectra simulation
• 3.5.2. Cross-section calculation
• 3.5.3. IRs in (γ, n) reactions
• 4. CONCLUSIONS AND OUTLOOK
• List of Publications used for the Thesis content
• References
• A Geant4 simulation codes
• B Input file of TALYS code
• C CERN ROOT analysis code to calculate IRs using energy flux spectra from GEANT4 and the cross-section outputs from TALYS

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Tỷ Số Đồng Phân Trong Phản Ứng Quang Hạt Nhân

Nghiên cứu tỷ số đồng phân trong phản ứng quang hạt nhân và bắt neutron là một lĩnh vực quan trọng trong vật lý hạt nhân. Tỷ số đồng phân (Isomeric Ratio - IR) cung cấp thông tin quý giá về cấu trúc hạt nhân và các hiệu ứng liên quan. Các phản ứng này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về các trạng thái đồng phân mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong công nghệ hạt nhân.

1.1. Định Nghĩa Tỷ Số Đồng Phân Và Tầm Quan Trọng

Tỷ số đồng phân là tỷ lệ giữa các trạng thái đồng phân của một hạt nhân. Nó phản ánh sự phân bố năng lượng và cấu trúc của hạt nhân. Việc xác định tỷ số này giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về các quá trình hạt nhân và các hiệu ứng liên quan.

1.2. Các Hiệu Ứng Liên Quan Đến Tỷ Số Đồng Phân

Các hiệu ứng như cấu hình nucleon, sự khác biệt về spin và năng lượng kích thích có ảnh hưởng lớn đến tỷ số đồng phân. Những yếu tố này cần được xem xét kỹ lưỡng trong các nghiên cứu để đảm bảo độ chính xác của kết quả.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Nghiên Cứu Tỷ Số Đồng Phân

Mặc dù nghiên cứu tỷ số đồng phân mang lại nhiều giá trị, nhưng cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ chính xác trong đo lường và sự phức tạp của các phản ứng hạt nhân cần được giải quyết.

2.1. Độ Chính Xác Trong Đo Lường Tỷ Số Đồng Phân

Độ chính xác trong việc đo lường tỷ số đồng phân phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm thiết bị đo và phương pháp phân tích. Việc cải thiện độ chính xác là một trong những thách thức lớn nhất trong nghiên cứu này.

2.2. Sự Phức Tạp Của Các Phản Ứng Hạt Nhân

Các phản ứng hạt nhân có thể diễn ra theo nhiều cách khác nhau, điều này làm cho việc phân tích và hiểu rõ các kết quả trở nên phức tạp. Cần có các phương pháp mô hình hóa chính xác để dự đoán các kết quả này.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Tỷ Số Đồng Phân Trong Phản Ứng Quang Hạt Nhân

Để nghiên cứu tỷ số đồng phân, các nhà khoa học sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm kỹ thuật kích hoạt và phân tích quang phổ gamma. Những phương pháp này giúp xác định tỷ số đồng phân một cách chính xác.

3.1. Kỹ Thuật Kích Hoạt Trong Nghiên Cứu

Kỹ thuật kích hoạt cho phép tạo ra các đồng phân thông qua các phản ứng hạt nhân. Phương pháp này giúp xác định tỷ số đồng phân một cách hiệu quả và chính xác.

3.2. Phân Tích Quang Phổ Gamma

Phân tích quang phổ gamma là một công cụ quan trọng trong việc xác định các trạng thái đồng phân. Kỹ thuật này cho phép đo lường các bức xạ gamma phát ra từ các đồng phân, từ đó tính toán tỷ số đồng phân.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Nghiên Cứu Tỷ Số Đồng Phân

Nghiên cứu tỷ số đồng phân không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong công nghệ hạt nhân và y học. Các kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong việc phát triển các nguồn năng lượng mới và trong điều trị ung thư.

4.1. Ứng Dụng Trong Công Nghệ Hạt Nhân

Các kết quả từ nghiên cứu tỷ số đồng phân có thể được áp dụng trong việc phát triển các nguồn năng lượng hạt nhân an toàn và hiệu quả hơn. Điều này có thể giúp giảm thiểu tác động môi trường từ các nguồn năng lượng truyền thống.

4.2. Ứng Dụng Trong Y Học

Trong y học, tỷ số đồng phân có thể được sử dụng để phát triển các phương pháp điều trị ung thư hiệu quả hơn. Việc hiểu rõ về các đồng phân giúp tối ưu hóa các liệu pháp điều trị và giảm thiểu tác dụng phụ.

V. Kết Luận Và Tương Lai Của Nghiên Cứu Tỷ Số Đồng Phân

Nghiên cứu tỷ số đồng phân trong phản ứng quang hạt nhân và bắt neutron là một lĩnh vực đầy tiềm năng. Các kết quả nghiên cứu không chỉ mở ra hướng đi mới cho khoa học mà còn có thể mang lại nhiều lợi ích cho xã hội.

5.1. Tóm Tắt Các Kết Quả Nghiên Cứu

Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng tỷ số đồng phân có thể được xác định một cách chính xác thông qua các phương pháp hiện đại. Những phát hiện này có thể giúp cải thiện hiểu biết về cấu trúc hạt nhân.

5.2. Hướng Đi Tương Lai Trong Nghiên Cứu

Tương lai của nghiên cứu tỷ số đồng phân hứa hẹn sẽ có nhiều tiến bộ với sự phát triển của công nghệ và phương pháp nghiên cứu mới. Các nhà khoa học sẽ tiếp tục khám phá các khía cạnh chưa được biết đến của hạt nhân.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Nghiên cứu cấu trúc và tính chất hạt nhân nguyên tử thông qua lực tương tác giữa các nucleon là một nhiệm vụ cốt lõi trong vật lý hạt nhân. Quá trình này được khảo sát chủ yếu qua hiện tượng phân rã phóng xạ tự nhiên và các phản ứng hạt nhân. Trong khi số lượng hạt nhân phóng xạ tự nhiên chỉ giới hạn trong vài chục đồng vị, các phản ứng hạt nhân cho phép tạo ra và nghiên cứu hầu hết các hạt nhân trong bảng tuần hoàn. Khi phản ứng hạt nhân diễn ra (theo cơ chế tạo nhân hợp phần, tiền cân bằng hoặc trực tiếp), hạt nhân dư tạo thành có thể tồn tại ở trạng thái cơ bản hoặc trạng thái đồng phân (isomer) – trạng thái kích thích giả bền có thời gian sống kéo dài do sự cản trở chuyển dời bức xạ (hindrance).

Tỷ số đồng phân (Isomeric Ratio - IR), được định nghĩa là tỷ số xác suất tạo thành trạng thái đồng phân so với trạng thái cơ bản (hoặc tỷ số giữa trạng thái spin cao và spin thấp), mang giá trị then chốt để giải mã cấu trúc mức năng lượng, mật độ mức hạt nhân, phân bố spin và cơ chế phản ứng hạt nhân. Mặc dù có ý nghĩa lý thuyết và ứng dụng quan trọng, dữ liệu thực nghiệm về tỷ số đồng phân trong nhiều phản ứng quang hạt nhân và phản ứng bắt neutron vẫn còn thiếu hụt hoặc có sự phân tán lớn giữa các nhóm nghiên cứu.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định bao gồm:

• Sự thiếu vắng dữ liệu thực nghiệm về IR của các đồng vị thủy ngân $^{195m,g}\text{Hg}$, $^{197m,g}\text{Hg}$ và europi $^{152m1,m2}\text{Eu}$ trong phản ứng quang hạt nhân $(\gamma, n)$ ở vùng cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ (Giant Dipole Resonance - GDR).
• Sự thiếu hụt số liệu đo đạc thực nghiệm về IR trong phản ứng bắt neutron $(\text{n}, \gamma)$ đối với các đồng vị $^{108,110}\text{Pd}$ và $^{114,116}\text{Cd}$, đặc biệt là trong trường neutron hỗn hợp nhiệt - trên nhiệt (mixed thermal-resonant neutrons) và bắt neutron cộng hưởng trên hạt nhân $^{110}\text{Pd}$.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án bao gồm 4 nội dung cụ thể:

1. Xác định thực nghiệm tỷ số đồng phân của các cặp đồng phân $^{195m,g}\text{Hg}$, $^{197m,g}\text{Hg}$ và $^{152m1,m2}\text{Eu}$ trong các phản ứng $^{196,198}\text{Hg}(\gamma, \text{n})$ và $^{153}\text{Eu}(\gamma, \text{n})$ được kích hoạt bởi bức xạ hãm (bremsstrahlung) với năng lượng cực biên bao phủ toàn bộ vùng GDR.
2. Đo đạc tỷ số đồng phân của các cặp $^{109m,g}\text{Pd}$, $^{111m,g}\text{Pd}$ và $^{115m,g}\text{Cd}$, $^{117m,g}\text{Cd}$ trong các phản ứng $^{108,110}\text{Pd}(\text{n}, \gamma)$ và $^{114,116}\text{Cd}(\text{n}, \gamma)$ gây bởi neutron nhiệt, neutron cộng hưởng và neutron hỗn hợp nhiệt - cộng hưởng.
3. Khảo sát ảnh hưởng của 4 hiệu ứng hạt nhân chính (độ chênh lệch spin, năng lượng kích thích, cấu hình nucleon và kênh phản ứng) lên giá trị IR thực nghiệm ở các cặp đồng phân được tạo thành từ nhiều phản ứng khác nhau.
4. Ứng dụng chương trình TALYS 1.95 kết hợp với bộ công cụ GEANT4 để tính toán lý thuyết tỷ số đồng phân trong các phản ứng quang hạt nhân và so sánh với kết quả thực nghiệm đo được cũng như dữ liệu trong y văn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Các hạt nhân nặng cầu và biến dạng gồm $^{196,198}\text{Hg}$, $^{153}\text{Eu}$, $^{108,110}\text{Pd}$, $^{114,116}\text{Cd}$ cùng các hạt nhân so sánh $^{138}\text{Ce}$, $^{82}\text{Se}$.
• Phạm vi không gian và thời gian: Các thực nghiệm chiếu xạ được thực hiện trên máy gia tốc Microtron MT-25 tại Phòng thí nghiệm Phản ứng Hạt nhân Flerov (FLNR), Viện Liên hiệp Nghiên cứu Hạt nhân Dubna (JINR), Liên bang Nga; quá trình đo phổ và phân tích số liệu thực hiện tại Trung tâm Vật lý Hạt nhân (Viện Vật lý) và Học viện Khoa học và Công nghệ, hoàn thành năm 2022.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Khái niệm đồng phân hạt nhân bắt đầu từ dự đoán của Soddy (1917) và phát hiện thực nghiệm đầu tiên của Hahn (1921) trên muối urani ($^{234}\text{Pa}$ và $^{234m}\text{Pa}$). Năm 1936, Weizsäcker đưa ra giải thích lý thuyết đầu tiên về sự cản trở phân rã gamma do sự thay đổi mômen động lượng lớn kết hợp với năng lượng chuyển dời thấp. Đến đầu thập niên 1950, Bohr và Mottelson mở rộng nghiên cứu sang các hạt nhân biến dạng đối xứng trục (như $^{180}\text{Hf}$). Các cơ sở dữ liệu quốc tế như NUBASE (phiên bản 1997, 2003, 2020), ENSDF và Atlas of Nuclear Isomers (phiên bản 1 và 2) đã liên tục cập nhật và hạ giới hạn chu kỳ bán rã quy ước của đồng phân từ 1 ms xuống 100 ns và 10 ns, ghi nhận hàng nghìn trạng thái đồng phân trên toàn bộ biểu đồ hạt nhân.

Về phương diện phản ứng quang hạt nhân, nghiên cứu đầu tiên được Chadwick và Goldhaber công bố năm 1934 trên bia deuteri, tiếp theo là công trình của Bothe và Gentner (1937) và việc Baldwin và Klaiber (1947) sử dụng phổ bức xạ hãm liên tục từ máy gia tốc betatron. Các mô hình lý thuyết giải thích vùng cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ (GDR) được hình thành bởi Goldhaber - Teller (1948) và Steinwedel - Jensen (1950), mô tả dao động ngược pha giữa chất lỏng proton và neutron.

Về ảnh hưởng của các hiệu ứng hạt nhân lên tỷ số đồng phân:

• Hiệu ứng năng lượng kích thích trong vùng GDR và sự bão hòa do quá trình tiền cân bằng, trực tiếp được chứng minh trong các công trình của Kolev (1995), Thiep và cộng sự (2009), Mazur và cộng sự (2013, 2015), Palvanov và cộng sự (2016), Danagulyan và cộng sự (2018). Trong phản ứng do neutron gây ra, nghiên cứu của Nesaraja (1999) trên $^{69m,g}\text{Zn}$ và $^{71m,g}\text{Zn}$ đã chỉ ra xu hướng tăng của IR theo năng lượng hạt tới.
• Hiệu ứng cấu hình nucleon được Tsoneva và cộng sự (1999) khảo sát trên các đồng neutron $N=81$ ($^{137}\text{Ba}$, $^{139}\text{Ce}$, $^{141}\text{Nd}$, $^{143}\text{Sm}$) và Thiep cùng cộng sự khảo sát trên các đồng vị của $\text{Sb}$ ($Z=51$), $\text{Ba}$ ($Z=56$), $\text{Se}$ ($Z=34$), khẳng định IR giảm khi số proton hoặc neutron tăng.
• Hiệu ứng kênh phản ứng được nghiên cứu bởi Cserpak (1994) trên $^{60m,g}\text{Co}$, Sudar (1996) trên $^{58m,g}\text{Co}$, Qaim (1988, 1990) trên $^{73m,g}\text{Se}$ và $^{52m,g}\text{Mn}$, Strohmaier (1990) trên $^{94m,g}\text{Tc}$, Tonchev (1993, 2004) trên $^{152m1,m2}\text{Eu}$ và Thiep cùng cộng sự (2000, 2006, 2009, 2019) trên các bia $\text{Ba}, \text{Se}, \text{In}, \text{Ho}, \text{Lu}, \text{Ag}, \text{Mo}, \text{Ce}$. Kết quả khẳng định xung lượng truyền vào của hạt tới càng lớn thì IR càng cao.
• Hiệu ứng cấu trúc trạng thái trung gian được Huber (1993) và Carroll (1991) phân tích ở vùng năng lượng 2 - 7 MeV.

Về tính toán lý thuyết, mô hình thống kê Huizenga - Vandebosch (HVM) phát triển từ thập niên 1960 dựa trên lý thuyết Hauser - Feshbach. Sau đó, các mã tính hiện đại như STAPRE, COMPLET, EMPIRE và TALYS ra đời. Gần đây, mã TALYS được nhiều tác giả sử dụng như Danagulyan (2014), Junhua (2017), Palvanov (2018, 2020), Mazur (2020), Makwana (2020), Rahman (2010), Naik (2014), Vodin (2016). Do TALYS chỉ tính toán với chùm hạt đơn năng, việc kết hợp mã TALYS với phổ bức xạ hãm mô phỏng từ GEANT4 (Agostinelli và cộng sự, 2003; Cuong và cộng sự, 2017) trở thành hướng tiếp cận quan trọng.

Vị trí của luận án: Luận án giải quyết các khoảng trống dữ liệu thực nghiệm đối với các đồng vị $\text{Hg}, \text{Eu}, \text{Pd}, \text{Cd}$, cung cấp các số liệu đo đạc thực nghiệm lần đầu tiên, đồng thời kiểm chứng tính chính xác của chương trình TALYS 1.95 kết hợp bộ công cụ GEANT4 thông qua việc khảo sát 6 mô hình mật độ mức hạt nhân và 8 hàm lực bức xạ gamma.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm

Phân loại đồng phân hạt nhân dựa trên 5 cơ chế cản trở chính:

1. Đồng phân spin (spin isomer): Xuất hiện ở các hạt nhân hình cầu gần số ma thuật, giải thích bằng mô hình vỏ đơn hạt.
2. Đồng phân seniority (seniority isomer): Xuất hiện ở các hạt nhân bán ma thuật.
3. Đồng phân K (K-isomer): Xuất hiện ở hạt nhân biến dạng đối xứng trục do quy tắc bảo toàn hình chiếu mômen động lượng $K$ lên trục đối xứng; độ cấm $\nu = \Delta K - L$, hệ số cản trở suy giảm $f_\nu = (t_\gamma / t_W)^{1/\nu}$.
4. Đồng phân phân hạch (fission isomer): Xuất hiện ở các hạt nhân nặng có độ biến dạng tứ cực rất lớn.
5. Đồng phân hình dạng (shape isomer): Xuất hiện ở các hạt nhân có sự cùng tồn tại trạng thái hình học (shape coexistence). Ngoài ra còn có loại đồng phân năng lượng cực thấp (Extremely Low Energy - ELE isomer, ví dụ mức 8 eV ở $^{229}\text{Th}$).

Chuyển dời điện từ tuân theo định luật bảo toàn mômen động lượng $|J_i - J_f| \leq L \leq J_i + J_f$ và quy tắc chẵn lẻ: chuyển dời điện $E(L)$ khi $\pi_i \pi_f = (-1)^L$, chuyển dời từ $M(L)$ khi $\pi_i \pi_f = (-1)^{L+1}$. Xác suất chuyển dời trên một đơn vị thời gian $T_{fi}^{\alpha L}$ được tính theo quy tắc vàng Fermi kết hợp hệ số chuyển dời nội $a = N_e / N_\gamma$. Ước lượng đơn hạt Weisskopf ($T_W$, $t_W$) dùng làm thước đo đánh giá mức độ cản trở phân rã.

Mô hình Huizenga - Vandebosch (HVM) mô tả quá trình tạo tỷ số đồng phân trong phản ứng $(\gamma, n)$ qua 3 giai đoạn:

1. Hấp thụ photon $E1$ tạo nhân hợp phần với spin $J_c = J_0, J_0 \pm 1$.
2. Phát xạ neutron mang mômen động lượng $l$ tạo nhân dư với phân bố spin và mật độ mức $\rho(J, E^*)$ phụ thuộc thông số cắt spin $\sigma$.
3. Thác phát xạ tia gamma cascade chuyển dời về trạng thái đồng phân hoặc cơ bản dựa trên vị trí trọng tâm spin $\text{COS} = (S_h + S_l)/2$.

Trong phản ứng bắt neutron $(\text{n}, \gamma)$ do neutron sóng s ($s$-wave) gây ra, neutron chuyển giao mômen động lượng $1/2\hbar$, năng lượng kích thích của nhân hợp phần tương đương năng lượng liên kết neutron $S_n$.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kích hoạt hạt nhân (activation technique) kết hợp đo phổ kế tia gamma ngoài tuyến (off-line $\gamma$-ray spectroscopy):

• Nguồn phát: Máy gia tốc Microtron MT-25 tại FLNR, JINR (Dubna). Chùm electron năng lượng biến đổi bắn phá vào bia chuyển đổi vonfram (W) để tạo chùm photon bức xạ hãm liên tục. Chùm neutron nhiệt và trên nhiệt/cộng hưởng được tạo ra bằng phản ứng quang neutron trên bia chuyển đổi kết hợp khối làm chậm (nước/paraffin) và các bộ lọc bằng lá cadmi (Cd-foil).
• Hệ đo: Đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe kết hợp khối biến đổi tương tự - số (ADC) và phần mềm Gamma Vision.
• Hiệu chỉnh phổ thực nghiệm:
  • Hiệu chỉnh hiện tượng tự hấp thụ bức xạ gamma trong mẫu (self-absorption correction).
  • Hiệu chỉnh trùng phùng cộng đỉnh gamma (coincidence summing correction).
  • Hiệu chuẩn đường cong hiệu suất đầu dò HPGe.

Phương pháp tính toán lý thuyết

Tỷ số đồng phân trong phản ứng quang hạt nhân được tính toán giải tích qua công thức: $$\text{IR} = \frac{Y_m}{Y_g} = \frac{\int_{E_{th}}^{E_{\gamma m}} N_{0m} \sigma_m(E) \phi(E) dE}{\int_{E_{th}}^{E_{\gamma g}} N_{0g} \sigma_g(E) \phi(E) dE}$$

Quy trình mô phỏng lý thuyết:

1. Dùng bộ công cụ GEANT4 mô phỏng vận chuyển Monte Carlo với 500 triệu hạt ban đầu ($5\times 10^8$ primary particles) để thu được phổ thông lượng năng lượng bức xạ hãm $\phi(E)$.
2. Dùng chương trình TALYS 1.95 tính toán tiết diện vi phân và tích phân $\sigma_m(E)$ và $\sigma_g(E)$ với 6 mô hình mật độ mức (Level Density - LD: BSFG, CTM, GSM, HFB...) và 8 hàm lực bức xạ (Radiative Strength Functions - $\gamma\text{SF}$: SLO, GLO, QRPA...).
3. Xây dựng mã phân tích trên nền tảng CERN ROOT để tích phân tích số $\sigma(E)\phi(E)$ và xác định giá trị IR lý thuyết.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan (Overview)

Chương 1 hệ thống hóa các khái niệm nền tảng về đồng phân hạt nhân, lịch sử nghiên cứu từ năm 1917 đến nay và cơ chế ức chế phân rã gamma. Chương phân tích chi tiết 5 loại đồng phân hạt nhân (spin, seniority, K, phân hạch và hình dạng) cùng các quy tắc chọn lọc xung lượng và tính chẵn lẻ. Chương này định nghĩa toán học về tỷ số đồng phân (tính theo tiết diện $\sigma_m/\sigma_g$ hoặc hiệu suất phản ứng $Y_m/Y_g$) và phân tích sâu sắc các hiệu ứng hạt nhân ảnh hưởng đến IR: năng lượng kích thích, cấu hình nucleon, kênh phản ứng, cấu trúc mức trung gian và sự chênh lệch spin.

Chương 1 trình bày chi tiết cơ sở toán học của mô hình Huizenga - Vandebosch (HVM) 3 giai đoạn và chỉ ra các hạn chế của mô hình này (giả thiết thông số cắt spin $\sigma$ là hằng số, bỏ qua cấu trúc mức thực tế ở các tầng gamma cuối, chỉ xét chuyển dời $E1$). Ngoài ra, chương tổng quan lý thuyết phản ứng quang hạt nhân theo các dải năng lượng: dưới ngưỡng tách hạt $S_n$ (tán xạ Thomson, cộng hưởng Pygmy PDR/PQR, Scissors resonance $M1$ tại $\approx 3\text{ MeV}$, Spin-flip $M1$), vùng cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ GDR ($13 - 30\text{ MeV}$) và vùng tán xạ Quasi-Deuteron ($30 - 140\text{ MeV}$). Chương cũng phân loại neutron theo năng lượng (nhiệt, trên nhiệt, cộng hưởng, nhanh, tương đối tính) và giới thiệu tổng quan cấu trúc, luồng dữ liệu của chương trình TALYS 1.95 và bộ công cụ GEANT4.

Chương 2: Phương pháp thực nghiệm và lý thuyết (Experimental and theoretical methods)

Chương 2 trình bày chi tiết điều kiện thực nghiệm trên máy gia tốc Microtron MT-25 (FLNR, JINR). Chương mô tả cấu hình hình học của hệ tạo nguồn bức xạ hãm và nguồn neutron (nhiệt, trên nhiệt, cộng hưởng) sử dụng khối làm chậm kết hợp các lá lọc cadmi bọc mẫu.

Quy trình đo hoạt độ phóng xạ của các sản phẩm kích hoạt bằng đầu dò bán dẫn HPGe và phần mềm Gamma Vision được mô tả đầy đủ. Chương 2 thiết lập các công thức xác định IR thực nghiệm từ diện tích đỉnh phổ gamma thực thu nhận được cùng với các hệ số hiệu chỉnh vật lý bắt buộc:

• Hiệu chỉnh tự hấp thụ tia gamma trong mẫu hình học thực tế ($F_{abs}$).
• Hiệu chỉnh hiệu ứng trùng phùng cộng đỉnh gamma ($F_{sum}$).
• Hiệu chỉnh đường cong hiệu suất ghi của đầu dò HPGe.

Về mặt lý thuyết, chương trình bày chi tiết việc lập trình các lớp đối tượng trong GEANT4 (G4VUserDetectorConstruction, G4VUserPhysicsList, G4VUserPrimaryGeneratorAction) để mô phỏng phổ thông lượng bức xạ hãm $\phi(E)$, cách thiết lập các tệp đầu vào (input files) của TALYS 1.95 cho các mô hình mật độ mức và hàm lực bức xạ khác nhau, cũng như mã xử lý tích phân năng lượng viết trên nền CERN ROOT.

Chương 3: Kết quả và thảo luận (Results and Discussion)

Chương 3 là chương trọng tâm, trình bày toàn bộ kết quả đo đạc thực nghiệm và tính toán lý thuyết:

1. Kết quả đo IR trong phản ứng quang hạt nhân $(\gamma, \text{n})$:

   • Đối với phản ứng $^{153}\text{Eu}(\gamma, \text{n})^{152}\text{Eu}$: Xác định IR của cặp $^{152m1}\text{Eu}(8^-)/^{152m2}\text{Eu}(0^-)$ tại các mức năng lượng cực biên bức xạ hãm 19, 21 và 23 MeV (lần đầu tiên đo được).
   • Đối với phản ứng $^{196,198}\text{Hg}(\gamma, \text{n})$: Xác định IR của $^{195m,g}\text{Hg}$ trong dải năng lượng 14 - 24 MeV và $^{197m,g}\text{Hg}$ trong dải năng lượng 18 - 24 MeV (các số liệu đầu tiên trong dải năng lượng này).

2. Kết quả đo IR trong phản ứng bắt neutron $(\text{n}, \gamma)$:

   • Xác định IR của $^{109m,g}\text{Pd}$ và $^{111m,g}\text{Pd}$ trong các trường neutron nhiệt, neutron cộng hưởng và neutron hỗn hợp nhiệt - cộng hưởng trên bia $^{108,110}\text{Pd}$ (trong đó số liệu trường hỗn hợp của cả hai đồng vị và trường cộng hưởng của $^{111m,g}\text{Pd}$ là các phép đo đầu tiên).
   • Xác định IR của $^{115m,g}\text{Cd}$ và $^{117m,g}\text{Cd}$ trong các trường neutron nhiệt, cộng hưởng và hỗn hợp nhiệt - cộng hưởng trên bia $^{114,116}\text{Cd}$ (các số liệu trường hỗn hợp là phép đo đầu tiên).

3. Phân tích các hiệu ứng hạt nhân:

   • Khảo sát ảnh hưởng của kênh phản ứng lên IR của các cặp đồng phân $^{115m,g}\text{Cd}$, $^{109m,g}\text{Pd}$, $^{137m,g}\text{Ce}$, $^{81m,g}\text{Se}$ sinh ra từ các phản ứng $(\gamma, \text{n})$, $(\text{n}, \gamma)$, $(\text{n}, 2\text{n})$, $(\text{n}, \text{p})$, $(\text{n}, \alpha)$. Khẳng định xung lượng truyền vào của hạt tới càng lớn thì IR càng cao.
   • So sánh định lượng tỷ số đồng phân trong các phản ứng nghịch (inverse reactions) đối với $^{137m,g}\text{Ce}$, $^{115m,g}\text{Cd}$, $^{109m,g}\text{Pd}$, $^{81m,g}\text{Se}$.

4. Tính toán lý thuyết và so sánh:

   • Mô phỏng phổ bức xạ hãm bằng GEANT4 với 500 triệu hạt ban đầu.
   • Tính toán tiết diện bằng TALYS 1.95 cho các đồng vị $^{110}\text{Pd}$, $^{74,82}\text{Se}$, $^{138,140}\text{Ce}$, $^{151,153}\text{Eu}$, $^{195,197}\text{Hg}$ và so sánh với cơ sở dữ liệu EXFOR.
   • So sánh IR tính toán lý thuyết từ sự kết hợp GEANT4 + TALYS 1.95 (khảo sát 6 mô hình LD và 8 hàm $\gamma\text{SF}$) với số liệu thực nghiệm đo được và y văn cho các cặp $^{73m,g}\text{Se}$, $^{81m,g}\text{Se}$, $^{109m,g}\text{Pd}$, $^{137m,g}\text{Ce}$, $^{139m,g}\text{Ce}$, $^{150m,g}\text{Eu}$, $^{152m1,g}\text{Eu}$, $^{152m1,m2}\text{Eu}$, $^{152m2,g}\text{Eu}$, $^{195m,g}\text{Hg}$, $^{197m,g}\text{Hg}$.

Cặp đồng phân	Phản ứng	Dải năng lượng / Trường hạt tới	Đóng góp mới của phép đo
$^{195m,g}\text{Hg}$	$^{196}\text{Hg}(\gamma, \text{n})$	Bremsstrahlung 14 - 24 MeV	Đo đạc thực nghiệm lần đầu tiên
$^{197m,g}\text{Hg}$	$^{198}\text{Hg}(\gamma, \text{n})$	Bremsstrahlung 18 - 24 MeV	Đo đạc thực nghiệm lần đầu tiên
$^{152m1,m2}\text{Eu}$	$^{153}\text{Eu}(\gamma, \text{n})$	Bremsstrahlung 19, 21, 23 MeV	Đo đạc thực nghiệm lần đầu tiên
$^{109m,g}\text{Pd}$, $^{111m,g}\text{Pd}$	$^{108,110}\text{Pd}(\text{n}, \gamma)$	Neutron hỗn hợp nhiệt - cộng hưởng	Phép đo thực nghiệm đầu tiên
$^{111m,g}\text{Pd}$	$^{110}\text{Pd}(\text{n}, \gamma)$	Neutron cộng hưởng (Resonant)	Phép đo thực nghiệm đầu tiên
$^{115m,g}\text{Cd}$, $^{117m,g}\text{Cd}$	$^{114,116}\text{Cd}(\text{n}, \gamma)$	Neutron hỗn hợp nhiệt - cộng hưởng	Phép đo thực nghiệm đầu tiên

---

Kết quả và những đóng góp mới

1. Đóng góp về dữ liệu thực nghiệm:

   • Cung cấp tập dữ liệu thực nghiệm đầu tiên về tỷ số đồng phân của $^{195m,g}\text{Hg}$ (14 - 24 MeV), $^{197m,g}\text{Hg}$ (18 - 24 MeV) và $^{152m1,m2}\text{Eu}$ (19, 21, 23 MeV) trong phản ứng quang hạt nhân $(\gamma, \text{n})$.
   • Cung cấp các số liệu thực nghiệm đầu tiên về IR của $^{109m,g}\text{Pd}$, $^{111m,g}\text{Pd}$, $^{115m,g}\text{Cd}$, $^{117m,g}\text{Cd}$ trong trường neutron hỗn hợp nhiệt - cộng hưởng và IR của $^{111m,g}\text{Pd}$ trong phản ứng bắt neutron cộng hưởng.
   • Bổ sung dữ liệu có độ chính xác cao vào cơ sở dữ liệu hạt nhân quốc tế (EXFOR), giải quyết sự phân tán số liệu trong y văn.

2. Đóng góp về mặt phương pháp và lý luận:

   • Đánh giá định lượng ảnh hưởng của 4 hiệu ứng hạt nhân (độ chênh lệch spin, năng lượng kích thích, cấu hình nucleon và kênh phản ứng) lên tỷ số đồng phân, làm sáng tỏ vai trò của xung lượng truyền vào từ các loại hạt tới khác nhau.
   • Thiết lập quy trình tính toán kết hợp giữa phổ thông lượng bức xạ hãm mô phỏng từ GEANT4 và tiết diện phản ứng từ TALYS 1.95 thông qua mã phân tích CERN ROOT, loại bỏ được các sai lệch do quá trình vận chuyển hạt trong mô phỏng toàn phần.
   • Khảo sát và đánh giá toàn diện mức độ tương thích của 6 mô hình mật độ mức (LD) và 8 hàm lực bức xạ ($\gamma\text{SF}$) trong chương trình TALYS 1.95 đối với phản ứng quang hạt nhân trên các hạt nhân nặng.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

• Chương trình TALYS 1.95 chưa giải quyết hoàn chỉnh bài toán tính toán lý thuyết tiết diện và tỷ số đồng phân cho phản ứng bắt neutron ở vùng năng lượng nhiệt và trên nhiệt (epithermal).
• Nguồn photon sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm phản ứng $(\gamma, \text{n})$ là chùm bức xạ hãm liên tục (bremsstrahlung) thay vì chùm photon đơn năng cường độ cao (do hạn chế về mặt công nghệ nguồn photon đơn năng).

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Mở rộng đo đạc thực nghiệm tỷ số đồng phân trên các hệ đồng vị và đồng neutron khác ở các vùng hạt nhân biến dạng và vùng lân cận số ma thuật.
• Nghiên cứu hoàn thiện các tham số mật độ mức và hàm lực bức xạ nhằm nâng cao khả năng mô tả chính xác của mã TALYS cho các phản ứng hạt nhân ở vùng năng lượng thấp và phản ứng bắt neutron.
• Ứng dụng nguồn photon tựa đơn năng (như nguồn tán xạ ngược Laser Compton) khi điều kiện trang thiết bị cho phép để kiểm chứng trực tiếp các tiết diện phản ứng kích hoạt đồng phân.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao đối với:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Vật lý hạt nhân và nguyên tử, Vật lý lò phản ứng, Kỹ thuật hạt nhân.
• Các nhà nghiên cứu phát triển mô hình phản ứng hạt nhân, đánh giá và hoàn thiện cơ sở dữ liệu hạt nhân quốc tế (EXFOR, ENDF, RIPL).
• Các kỹ sư và nhà khoa học làm việc trong lĩnh vực ứng dụng bức xạ, sản xuất đồng vị phóng xạ y tế (đồng vị chẩn đoán và xạ trị), công nghệ lò phản ứng và tính toán che chắn an toàn bức xạ.
• Nội dung đáng tham khảo nhất: Phương pháp thực nghiệm kích hoạt và đo phổ gamma độ phân giải cao có hiệu chỉnh tự hấp thụ và cộng đỉnh; quy trình kết hợp công cụ GEANT4, TALYS 1.95 và CERN ROOT để tính toán tỷ số đồng phân lý thuyết.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tỷ số đồng phân (Isomeric Ratio - IR) được định nghĩa và tính toán như thế nào trong luận án?
Tỷ số đồng phân (IR) được định nghĩa là tỷ số xác suất tạo thành trạng thái đồng phân so với trạng thái cơ bản ($\sigma_m/\sigma_g$ hoặc $Y_m/Y_g$), hoặc tỷ số giữa trạng thái spin cao và spin thấp ($\sigma_h/\sigma_l$ hoặc $Y_h/Y_l$). Đối với phản ứng quang hạt nhân sử dụng bức xạ hãm liên tục, IR được tính theo tích phân hiệu suất phản ứng: $$\text{IR} = \frac{\int_{E_{th}}^{E_{\gamma m}} N_{0m} \sigma_m(E) \phi(E) dE}{\int_{E_{th}}^{E_{\gamma g}} N_{0g} \sigma_g(E) \phi(E) dE}$$ Trong phản ứng bắt neutron nhiệt và cộng hưởng, IR được tính theo tỷ số hiệu suất kích hoạt.

2. Luận án đã công bố những số liệu thực nghiệm đo đạc IR đầu tiên nào?
Luận án công bố các số liệu thực nghiệm lần đầu tiên cho:

• IR của $^{195m,g}\text{Hg}$ trong dải năng lượng cực biên bức xạ hãm 14 - 24 MeV và $^{197m,g}\text{Hg}$ trong dải 18 - 24 MeV trong phản ứng $(\gamma, \text{n})$.
• IR của $^{152m1,m2}\text{Eu}$ tại các mức năng lượng 19, 21 và 23 MeV trong phản ứng $^{153}\text{Eu}(\gamma, \text{n})$.
• IR của $^{109m,g}\text{Pd}$, $^{111m,g}\text{Pd}$, $^{115m,g}\text{Cd}$, $^{117m,g}\text{Cd}$ trong trường neutron hỗn hợp nhiệt - cộng hưởng.
• IR của $^{111m,g}\text{Pd}$ trong phản ứng bắt neutron cộng hưởng.

3. Bốn hiệu ứng hạt nhân ảnh hưởng đến tỷ số đồng phân được khảo sát là gì?
Bốn hiệu ứng gồm:

• Hiệu ứng năng lượng kích thích: IR tăng/giảm theo năng lượng cực biên bức xạ hãm trong vùng GDR và đạt giá trị bão hòa ở cuối vùng GDR do đóng góp của quá trình tiền cân bằng và trực tiếp.
• Hiệu ứng cấu hình nucleon: IR giảm khi số proton hoặc neutron tăng trên các đồng vị và đồng neutron.
• Hiệu ứng kênh phản ứng: Hạt tới có xung lượng truyền vào càng lớn thì IR càng cao (ví dụ phản ứng $(\text{n}, 2\text{n})$ cho IR cao hơn phản ứng $(\gamma, \text{n})$ do photon có khối lượng nghỉ bằng 0).
• Hiệu ứng độ chênh lệch spin: Độ chênh lệch spin giữa trạng thái đồng phân và cơ bản càng lớn thì IR càng nhỏ.

4. Phương pháp kết hợp giữa các công cụ tính toán lý thuyết trong luận án được thực hiện ra sao?
Luận án sử dụng bộ công cụ GEANT4 để mô phỏng tương tác Monte Carlo của chùm electron với bia W nhằm trích xuất phổ thông lượng bức xạ hãm $\phi(E)$. Đồng thời, mã TALYS 1.95 được sử dụng để tính toán tiết diện vi phân $\sigma_m(E)$ và $\sigma_g(E)$ với 6 mô hình mật độ mức và 8 hàm lực bức xạ. Sau đó, một chương trình phân tích viết bằng CERN ROOT được sử dụng để tích phân tích số $\sigma(E)\phi(E)$ nhằm thu được giá trị IR lý thuyết.

5. Các hiệu chỉnh phổ quan trọng nào đã được thực hiện trong quá trình đo đạc thực nghiệm?
Để đảm bảo độ chính xác của phổ gamma đo bằng đầu dò bán dẫn HPGe, luận án đã thực hiện hiệu chỉnh tự hấp thụ bức xạ gamma trong mẫu ($F_{abs}$), hiệu chỉnh trùng phùng cộng đỉnh gamma ($F_{sum}$) và hiệu chuẩn đường cong hiệu suất ghi của đầu dò theo năng lượng và khoảng cách hình học.

---

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Bùi Minh Huệ đã xác định thực nghiệm chính xác tỷ số đồng phân của các cặp đồng phân trên các hạt nhân nặng $\text{Hg}, \text{Eu}, \text{Pd}, \text{Cd}, \text{Ce}, \text{Se}$ trong phản ứng quang hạt nhân $(\gamma, \text{n})$ vùng GDR và phản ứng bắt neutron $(\text{n}, \gamma)$, trong đó có nhiều số liệu lần đầu tiên được đo đạc và công bố trên thế giới. Công trình đã làm sáng tỏ định lượng ảnh hưởng của 4 hiệu ứng hạt nhân chính (độ chênh lệch spin, năng lượng kích thích, cấu hình nucleon và kênh phản ứng) lên giá trị IR. Đồng thời, luận án đã thiết lập thành công phương pháp tính toán lý thuyết kết hợp giữa mã mô phỏng GEANT4, mã phản ứng hạt nhân TALYS 1.95 và mã phân tích CERN ROOT, cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phương pháp luận đáng tin cậy cho nghiên cứu cấu trúc hạt nhân và các ứng dụng năng lượng nguyên tử.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION VIETNAM ACADEMY AND TRAINING OF SCIENCE AND TECHNOLOGY GRADUATE UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY ----------------------------- BÙI MINH HUỆ STUDY OF ISOMERIC RATIO AND RELATED EFFECTS IN PHOTONUCLEAR AND NEUTRON CAPTURE REACTIONS ATOMIC AND NUCLEAR PHYSICS DOCTORAL THESIS Ha Noi – 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- BÙI MINH HUỆ NGHIÊN CỨU TỶ SỐ ĐỒNG PHÂN VÀ CÁC HIỆU ỨNG LIÊN QUAN TRONG PHẢN ỨNG QUANG HẠT NHÂN VÀ PHẢN ỨNG BẮT NEUTRON LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ NGUYÊN TỬ VÀ HẠT NHÂN Hà Nội – 2022 MINISTRY OF EDUCATION VIETNAM ACADEMY AND TRAINING OF SCIENCE AND TECHNOLOGY GRADUATE UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY ----------------------------- BÙI MINH HUỆ Major: Atomic and Nuclear Physics Code: 9440106 STUDY OF ISOMERIC RATIO AND RELATED EFFECTS IN PHOTONUCLEAR AND NEUTRON CAPTURE REACTIONS ATOMIC AND NUCLEAR PHYSICS DOCTORAL THESIS SUPERVISORS: 1. Dr Trần Đức Thiệp 2. Sergey Mikhailovich Lukyanov Ha Noi – 2022 i Declaration of Authorship I, Bui Minh Hue, declare that this thesis titled, “STUDY OF ISOMERIC RATIO AND RELATED EFFECTS IN PHOTONUCLEAR AND NEUTRON CAPTURE REACTIONS” and the work pre- sented in it are my own. I confirm that: • This work was done wholly or mainly while in candidature for a research degree at the Graduate University of Science and Technology.

• Where any part of this thesis has previously been submitted for a degree or any other qualification at this Graduate University or any other institution, this has been clearly stated. • The data in this thesis have not been used in other publications by anyone else. • Where I have consulted the published work of others, this is always clearly attributed. • Where I have quoted from the work of others, the source is always given.

With the exception of such quotations, this thesis is entirely my own work. • I have acknowledged all main sources of help. Signed: Date: ii Abstract The isomeric ratios (IRs) of 152m1,m2 Eu, 195m,g;197m,g Hg, 115m,g Cd, 109m,g Pd, 137m,g Ce and 81m,g Se pro- duced from photonuclear reactions (γ, n) with bremsstrahlung endpoint energies in Giant Dipole Res- onance region and that of 115m,g;117m,g Cd, 109m,g;111m,g Pd, 137m,g Ce and 81m,g Se in thermal-epithermal neutron capture reactions (n, γ) have been determined experimentally by using the activation tech- nique and off-line γ-ray spectroscopy measurement. The bremsstrahlung photons and neutrons were generated using the MT-25 Microtron of the Flerov Laboratory of Nuclear Reaction (FLNR), JINR, Dubna, Russia.

The activity of radioisotopes was determined with a HPGe detector together with es- sential corrections. This work reports, obtained from (γ, n) reactions, the IRs of 195m,g Hg withing 14 - 24 MeV, 197m,g Hg within 18 - 24 Mev, and 152m1,m2 Eu at 19, 21 and 23 Mev for the first time. More- over, the obtained results of 109m,g;111m,g P d and 115m,g;117m,g Cd in mixed thermal-resonant neutron capture reactions (n, γ) as well as that of 111m,g P d in resonance neutron capture reaction (n, γ) have been the first measurements. The impact of four effects including the nucleon configuration, spin dif- ference, excitation energy, and reaction channel effect on the experimental IRs was investigated.

The measured IRs were compared not only with the literature but also with the theoretically calculated IRs for the cases in the photonuclear reaction. The calculated IRs were yielded from TALYS 1.95 code- based calculated cross section in conjunction with GEANT4 toolkit-based simulated bremsstrahlung. The six level density models and eight radiative strength functions were taken into consideration for the theoretical calculations. iii Acknowledgements Honestly, I could not complete this thesis without the support and help of many people.

First and foremost, I owe special and great thanks to my supervisors, Prof.Tran Duc Thiep and Dr.Sergey Mikhailovich Lukyanov, for allowing me to start my Ph. and for their guidance, support, and inspiration. I am always thankful and consider them not only as my supervisor but also as my father. Tran Duc Thiep inspired and encouraged me on the abrupt road to science since 2012, when I started as a junior researcher at the Center for Nuclear Physics, Institute of Physics.

He was always available to illuminate my questions. I have gained much knowledge and experience in research, work, and life from him. I would also like to thank Dr. Truong Thi An, Dr.

Phan Viet Cuong and Dr. Le Tuan Anh for cooperating on the research projects. I am grateful to the Director, Mrs. Nguyen Thi Dieu Hong and staffs of Institute of Physics as well as my colleagues at the Center for Nuclear Physics for always helping, encouraging, and giving me convenience.

I had precious time and beautiful memories in Dubna. I always remember the warm hugs and the advice of Prof. I am thankful for the opportunity to exchange ideas and discuss work with my colleagues at the FLNR, JINR, made me feel like part of their group. I express my deepest gratitude to the MT-25 Microtron crew for providing the irradiation beam as well as the Chemistry of transactinides department of the Flerov Laboratory of Nuclear Reaction, JINR for furnishing the experimental apparatus.

I am also grateful to Mrs. Trinh Thi Thu My and my Vietnamese friends in Dubna for making my stay there very pleasant. I always had you by my side when taking a lunch break or gathering for BBQs on the Volga riverside. I am also thankful to Dr.Nishimura for lending me the equipment when I was at RIKEN.

I am grateful to the Board of Directors, and employees of Graduate University of Science and Technology for helping and supporting me throughout the process of doing this thesis. I would like to acknowledge the scientific research support for excellent Ph. students at the Graduate Univer- sity of Science and Technology in 2021. And I offer my gratitude and special thanks to Vingroup JSC and Ph.

Scholarship Programme of Vingroup Innovation Foundation (VINIF), Institute of Big Data funded and supported my Ph. studies within two years under VINIF. Last but not least, at the bottom of my heart, I would like to express my deepest gratitude to my family and parent-in-law for supporting and loving me during this long journey. I am very thankful for my aunt, N.Mai, for helping and taking care of me in the stressful period of finalizing this thesis.

Specially, I would like to spend a great thank my honey husband, who helped me a lot with coding. He has always encouraged and given me a happy life. He is the principal motivation for me to accomplish the present thesis. iv Contents Declaration of Authorship i Abstract ii Acknowledgements iii Contents iv List of Abbreviations vii List of Physical Quantities viii List of Tables x List of Figures xii Introduction xvi 1 Overview 1 1.1 Formation and classification of isomers .2 Isomeric ratio and related effects .1 Definition of isomeric ratio .2 Nuclear effects on isomeric ratio .3 Theoretical IR calculation .1 Formation of photonuclear reaction and photon sources .2 Cross-section of photonuclear reaction .4 Neutron capture reaction .1 Neutron and neutron sources .2 Neutron capture reaction (n, γ) .3 Neutron capture cross-section .5 Level density and γ-ray strength function .1 Nuclear level density .2 Gamma-ray strength function.

38 v 2 Experimental and theoretical methods 39 2. 40 Thermal and epithermal neutron source .4 Experimental IR determination .5 Spectrum analysis-necessary correction. 51 Self-absorption effect. 51 Coincidence summing corrections .2 Theoretical IR calculation in (γ, n) reaction .1 Bremsstrahlung spectra simulation in GEANT4 .2 Cross-section calculation in TALYS.

54 3 Results and Discussion 57 3.1 Isomeric Ratios in (γ, n) reactions .2 195m,g Hg and 197m,g Hg .2 Isomeric Ratios in (n, γ) reactions .1 109m,g Pd and 111m,g Pd .2 115m,g Cd and 117m,g Cd .3 Influence of nuclear channel effect on IRs in (γ, n) and (n, γ) reactions .4 IRs of 137m,g Ce, 115m,g Cd, 109m,g Pd, and 81m,g Se in inverse reactions .5 Theoretically calculated IRs in (γ, n) reactions .1 Bremsstrahlung spectra simulation .2 Cross-section calculation .3 IRs in (γ, n) reactions. 101 Conclusions and Outlook 118 List of Publications used for the Thesis content 122 References 124 A Geant4 simulation codes A1 A. A15 B Input file of TALYS code A18 C CERN ROOT analysis code to calculate IRs using energy flux spectra from GEANT4 and the cross-section outputs from TALYS A20 vii List of Abbreviations ADC Analogue to Digital Converter BCS Bardeen-Cooper-Schrieffer BSFG Back-Shifted Fermi Gas CTM Constant Temperature Model EXFOR Experimental Nuclear Reaction Data Library ENSDF Evaluated Nuclear Structure Data File FLNR Flerov Laboratory of Nuclear Reaction GDR Giant Dipole Resonance GEANT GEometry ANd Tracking GEDR Giant Electric Dipole Resonance GMR Giant Monopole Resonance GLO Generalized Lorentzian Model GQR Giant Quadrupole Resonance GSM Generalized Superfluid Model HF Hauser-Feshbach HFB Hartree-Fock-Bogolyubov HPGe High Purity Germanium HVM Huizenga-Vandebosch Model IAEA International Atomic Energy Agency IC Internal Conversion IR Isomeric Ratio JINR Joint Institute for Nuclear Research LD Level Density PDR Pygmy Dipole Resonance RIB Radioactive Ion Beam RIPL Reference Input Parameter Library QD Quasi-Deuteron QRPA Quasiparticle Random Phase Approximation SLO Standard Lorentzian γSF γ-ray Strength Function viii List of Physical Quantities A mass number a level density parameter ã asymptotic level density parameter a(Sn ) LD parameter at the neutron separation energy D0 experimental and theoretical average resonance spacing J angular momentum L multipolarity πi , πf parities of the initial and final states t1/2 half-life λ decay constant N neutron number Z atomic number R nuclear radius ϵ0 electric constant (= 8.8542 x 10−12 F/m) h̄ reduced Planck’s constant (= 1.s) c velocity of light (= 3.108 m/s) Eγ gamma-ray energy σi cross-section Y yield ϕ flux ρ level density fXL gamma strength function TXL transmission coefficient σ spin cut-off parameter Γ decay width γ shell damping parameter ∆ pairing energy δW shell correction energy Nlow , Ntop levels for the matching problem T nuclear temperature ix σ(Sn ) spin cut-off parameter at the neutron separation energy σ0 (M1) strengths of magnetic dipole resonance peak σ0 (E1) strengths of electric dipole resonance peak E(M1) centroid energy of magnetic dipole resonance peak E(E1) centroid energy of electric dipole resonance peak Γ(M1) width of magnetic dipole resonance peak Γ(E1) width of electric dipole resonance peak x List of Tables 2.1 Main parameters of MT-25 microtron [118, 120].2 Characteristics of irradiated samples, electron current and energy, and irradiation time.1 γ-rays decay properties of reaction products of 152m1,m2 Eu used in the IR calculation [140].2 A summary of corrections for self-absorption and summing coincidence for given γ-ray energies.3 The IR of 152m1,m2 Eu in the (γ, n) reaction.4 A summary of error sources considered in the IR calculation of 152m1,m2 Eu.5 γ-rays decay properties of reaction products of 195m,g Hg and 197m,g Hg used in the IR calculation [140].6 A summary of corrections for self-absorption and summing coincidence for given γ-ray energies.7 A summary of IRs determined for 195m,g;197m,g Hg isomeric pairs pro- duced in (γ, n) reaction [129].8 A summary of IRs determined for 197m,g Hg and 195m,g Hg isomeric pairs produced in various nuclear reactions.9 γ-rays decay properties of reaction products of 109m,g Pd and 111m,g Pd used in the IR calculation [140].10 A summary of corrections for self-absorption and summing coincidence for given γ-ray energies of 109m,g Pd and 111m,g Pd.11 A summary of IR results for 109m,g;111m,g Pd in thermal, resonance and mixed thermal-resonant neutron-induced reactions and also in a (γ, n) reaction.12 A summary of error sources considered in the IR calculation of 109m,g Pd.13 The decay properties of selected γ-rays for IR calculations for the 115m,g Cd and 117m,g Cd isomeric pairs [140].14 A summary of self-absorption and summing coincidence correction fac- tors for the γ-rays of interest of 115m,g;117m,g Cd [131].15 A summary of IRs results for 115m,g Cd and 117m,g Cd isomeric pairs pro- duced in different type of nuclear reactions.