Tổng quan nghiên cứu

Máy gia tốc hạt tích điện năng lượng thấp ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu vật lý hạt nhân, vật lý nguyên tử và nhiều lĩnh vực khoa học khác như y tế, sinh học, khoa học vật liệu, môi trường và khảo cổ học. Một trong những tham số quan trọng nhất là năng lượng của chùm hạt sau khi ra khỏi buồng gia tốc, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của các phép đo phản ứng hạt nhân. Việc xác định chính xác năng lượng này là điều kiện tiên quyết để đảm bảo độ tin cậy của các kết quả nghiên cứu, đặc biệt trong các phản ứng hạt nhân cộng hưởng có độ rộng rất nhỏ, chỉ khoảng vài chục eV.

Luận văn tập trung vào việc chuẩn năng lượng cho máy gia tốc Pelletron 5SDH-2 tại Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, sử dụng phản ứng hạt nhân 27Al(p,γ)28Si làm chuẩn. Phản ứng này có nhiều mức cộng hưởng với độ rộng khoảng 80 eV tại năng lượng proton 991.9 keV, rất phù hợp để chuẩn năng lượng cho máy gia tốc hạt năng lượng thấp và trung bình. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2011-2013, với mục tiêu xây dựng đường cong chuẩn năng lượng chính xác, từ đó nâng cao độ chính xác của các phép đo phản ứng hạt nhân trên hệ máy này.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc chuẩn năng lượng cho máy gia tốc mà còn góp phần phát triển các phương pháp chuẩn năng lượng độc lập, giảm thiểu sai số do độ bất định của chùm hạt, đồng thời mở rộng khả năng nghiên cứu các phản ứng hạt nhân cộng hưởng phục vụ cho vật lý thiên văn học và các ứng dụng kỹ thuật hạt nhân khác.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Phản ứng hạt nhân cộng hưởng: Phản ứng 27Al(p,γ)28Si được xem là phản ứng hợp phần, trong đó hạt nhân 27Al bắt proton tạo thành hạt nhân hợp phần 28Si ở trạng thái kích thích cao, sau đó phát gamma khi trở về trạng thái cơ bản. Đặc điểm của phản ứng này là có nhiều mức cộng hưởng với độ rộng nhỏ, cho phép xác định năng lượng chùm proton với độ chính xác cao.

  • Định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân: Bao gồm bảo toàn điện tích, số baryon, năng lượng, moment động lượng, moment góc, chẵn lẻ và spin đồng vị. Các định luật này giúp xác định các phản ứng có thể xảy ra và các đặc tính của hạt nhân hợp phần.

  • Động học phản ứng hạt nhân: Mô tả mối quan hệ giữa năng lượng hạt tới, năng lượng hạt bay ra và giá trị Q của phản ứng, từ đó xác định năng lượng ngưỡng và các đặc điểm động học của phản ứng.

  • Mô hình R-Matrix: Được sử dụng để phân tích đường cong kích thích của phản ứng hạt nhân, giúp xác định cường độ và vị trí các mức cộng hưởng trong dải năng lượng proton từ 800 đến 2000 keV.

  • Cơ sở vật lý máy gia tốc Pelletron 5SDH-2: Máy gia tốc tĩnh điện kép với điện áp tối đa 1.7 MV, gia tốc ion đơn lên đến 3.4 MeV. Nguyên lý hoạt động dựa trên gia tốc ion âm, tước electron tại điểm giữa buồng gia tốc để tạo ion dương, sau đó gia tốc lần hai. Các bộ phận hội tụ chùm tia sử dụng điện trường và từ trường để điều chỉnh chùm hạt.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ thí nghiệm trên máy gia tốc Pelletron 5SDH-2 tại Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN, sử dụng chùm proton có năng lượng thay đổi từ 800 đến 2000 keV với bước năng lượng 1 keV. Bia thí nghiệm là lá nhôm mỏng 2 µm tinh khiết 99.9999%, đặt trong buồng chân không khoảng 10^-6 mmHg.

  • Thiết bị đo: Hệ phổ kế gamma NaI(Tl) kích thước 3” x 3” dùng để ghi nhận bức xạ gamma phát ra từ phản ứng hạt nhân. Phần mềm MAESTRO được sử dụng để thu nhận và phân tích phổ gamma, xây dựng đường cong chuẩn năng lượng và hiệu suất ghi.

  • Phương pháp phân tích: Xây dựng đường cong chuẩn năng lượng cho hệ phổ kế gamma bằng cách sử dụng các nguồn chuẩn gamma có năng lượng đã biết. Xác định hiệu suất ghi tuyệt đối của detector bằng phương pháp thực nghiệm và mô phỏng Monte-Carlo. Đường cong chuẩn năng lượng của máy gia tốc được xây dựng dựa trên sự phụ thuộc của vị trí đỉnh gamma 1779 keV theo thế gia tốc.

  • Cỡ mẫu và timeline: Thí nghiệm được thực hiện trong khoảng thời gian 2011-2013, với nhiều lần đo lặp lại để đảm bảo độ chính xác. Cỡ mẫu là các điểm dữ liệu thu thập tại các mức năng lượng proton khác nhau, tổng cộng khoảng vài chục điểm trong dải năng lượng quan tâm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xác định đỉnh gamma chuẩn 1779 keV: Đỉnh gamma này ứng với chuyển đổi từ trạng thái kích thích thứ nhất về trạng thái cơ bản của hạt nhân 28Si, có tỉ số phát gamma lớn và ít bị chồng đỉnh, phù hợp làm chuẩn đo lường. Diện tích đỉnh gamma thay đổi theo năng lượng proton, đạt cực đại tại năng lượng cộng hưởng 991.9 keV.

  2. Đường cong chuẩn năng lượng của máy gia tốc: Được xây dựng bằng cách ghi nhận vị trí đỉnh gamma 1779 keV theo thế gia tốc, với độ tòe năng lượng giảm từ 9 xuống 5 khi thu hẹp khe điều chỉnh năng lượng. Đường cong này cho phép xác định năng lượng proton với độ chính xác cao, sai số dưới 1%.

  3. Hiệu suất ghi của detector NaI(Tl): Đường cong hiệu suất ghi tuyệt đối được xác định thực nghiệm, cho thấy hiệu suất giảm dần theo năng lượng gamma từ 0.1 MeV đến 3 MeV, phù hợp với các kết quả mô phỏng Monte-Carlo. Hiệu suất ghi tại 1779 keV khoảng 15%, đảm bảo độ nhạy cao cho phép đo.

  4. So sánh với các nghiên cứu trước: Kết quả về vị trí và độ rộng cộng hưởng của phản ứng 27Al(p,γ)28Si tương đồng với các báo cáo quốc tế, khẳng định tính chính xác của phương pháp chuẩn năng lượng sử dụng phản ứng này trên máy gia tốc Pelletron 5SDH-2.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp đạt được độ chính xác cao trong chuẩn năng lượng là việc lựa chọn phản ứng 27Al(p,γ)28Si với mức cộng hưởng hẹp (khoảng 80 eV) và vị trí cộng hưởng rõ ràng tại 991.9 keV. Việc sử dụng lá nhôm mỏng 2 µm làm bia giúp giảm thiểu mất năng lượng của proton khi đi qua, đảm bảo tính chính xác của năng lượng chùm hạt tới.

Phương pháp sử dụng phổ gamma NaI(Tl) kết hợp phần mềm MAESTRO cho phép thu nhận phổ gamma với độ phân giải và độ nhạy cao, đồng thời phân tích phổ chính xác nhờ các thuật toán làm khớp phi tuyến. Đường cong hiệu suất ghi được xây dựng chi tiết giúp hiệu chỉnh số liệu đo, giảm sai số thống kê.

So với các nghiên cứu khác, phương pháp chuẩn năng lượng độc lập này không chỉ xác nhận độ chính xác của phần mềm tính năng lượng do nhà sản xuất cung cấp mà còn giảm thiểu sai số do các yếu tố bất định trong máy gia tốc. Kết quả có thể được trình bày qua biểu đồ phổ gamma tại các năng lượng proton khác nhau, đồ thị đường cong chuẩn năng lượng và hiệu suất ghi, giúp minh họa rõ ràng mối quan hệ giữa năng lượng chùm hạt và tín hiệu gamma thu được.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường độ chính xác của khe điều chỉnh năng lượng: Thu hẹp độ mở khe điều chỉnh năng lượng xuống dưới 1 mm để giảm độ tòe năng lượng chùm proton, nâng cao độ chính xác chuẩn năng lượng. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể: Ban kỹ thuật vận hành máy gia tốc.

  2. Ứng dụng kỹ thuật bia hoạt (active target): Nghiên cứu và triển khai sử dụng bia hoạt để xác định chính xác vị trí tương tác và năng lượng mất mát của proton trong bia, giảm sai số trong phân tích phổ gamma. Thời gian thực hiện: 1-2 năm. Chủ thể: Nhóm nghiên cứu vật lý hạt nhân.

  3. Phát triển phần mềm phân tích phổ nâng cao: Tích hợp các thuật toán mô phỏng Monte-Carlo và xử lý tín hiệu nâng cao vào phần mềm MAESTRO hoặc phát triển phần mềm mới để tự động hiệu chỉnh hiệu suất ghi và phân tích phổ gamma. Thời gian thực hiện: 1 năm. Chủ thể: Bộ phận công nghệ thông tin và nhóm nghiên cứu.

  4. Mở rộng nghiên cứu chuẩn năng lượng cho các phản ứng khác: Áp dụng phương pháp chuẩn năng lượng này cho các phản ứng hạt nhân khác như 19F(p,α)16O, 13C(p,γ)14N để đa dạng hóa chuẩn năng lượng và phục vụ các nghiên cứu chuyên sâu hơn. Thời gian thực hiện: 2 năm. Chủ thể: Nhóm nghiên cứu vật lý hạt nhân.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật lý hạt nhân thực nghiệm: Luận văn cung cấp phương pháp chuẩn năng lượng chính xác cho máy gia tốc, giúp cải thiện độ tin cậy của các phép đo phản ứng hạt nhân cộng hưởng.

  2. Kỹ sư vận hành máy gia tốc: Tham khảo để hiểu rõ cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác năng lượng chùm hạt, từ đó tối ưu hóa vận hành máy.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành vật lý nguyên tử, hạt nhân: Tài liệu học thuật chi tiết về phản ứng hạt nhân, kỹ thuật đo phổ gamma và ứng dụng máy gia tốc trong nghiên cứu, hỗ trợ đào tạo và nghiên cứu khoa học.

  4. Chuyên gia phát triển thiết bị đo lường hạt nhân: Tham khảo các phương pháp xây dựng đường cong chuẩn năng lượng và hiệu suất ghi, từ đó cải tiến thiết bị detector và phần mềm phân tích phổ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn phản ứng 27Al(p,γ)28Si để chuẩn năng lượng?
    Phản ứng này có mức cộng hưởng hẹp khoảng 80 eV tại năng lượng proton 991.9 keV, giúp xác định năng lượng chùm proton với độ chính xác cao. Ngoài ra, phản ứng phổ biến và có nhiều dữ liệu tham khảo quốc tế, thuận tiện cho việc chuẩn hóa.

  2. Lá nhôm mỏng 2 µm có ảnh hưởng gì đến kết quả thí nghiệm?
    Lá nhôm mỏng đủ để proton đi qua mà mất năng lượng rất nhỏ (gần 0 theo tính toán SRIM 2013), giúp quan sát các cộng hưởng chính xác mà không bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng thứ cấp hay mất năng lượng lớn.

  3. Phương pháp xây dựng đường cong chuẩn năng lượng như thế nào?
    Dựa trên việc ghi nhận vị trí đỉnh gamma 1779 keV theo thế gia tốc của máy, sau đó khớp đa thức bậc nhất để mô tả sự phụ thuộc năng lượng gamma vào kênh phổ, từ đó xác định năng lượng proton tương ứng.

  4. Hiệu suất ghi của detector ảnh hưởng ra sao đến kết quả?
    Hiệu suất ghi quyết định số lượng gamma được thu nhận, ảnh hưởng đến độ nhạy và sai số thống kê. Việc xác định chính xác hiệu suất ghi giúp hiệu chỉnh số liệu, đảm bảo kết quả đo phản ứng hạt nhân chính xác.

  5. Có thể áp dụng phương pháp này cho các máy gia tốc khác không?
    Có thể, nhưng cần điều chỉnh phù hợp với đặc điểm kỹ thuật của từng máy và phản ứng chuẩn tương ứng. Phương pháp chuẩn năng lượng độc lập này có thể được mở rộng cho nhiều loại máy gia tốc và phản ứng hạt nhân khác nhau.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công đường cong chuẩn năng lượng cho máy gia tốc Pelletron 5SDH-2 sử dụng phản ứng 27Al(p,γ)28Si với độ chính xác cao, sai số dưới 1%.
  • Xác định đỉnh gamma 1779 keV làm chuẩn đo lường, đảm bảo độ tin cậy trong phân tích phổ gamma.
  • Hiệu suất ghi của detector NaI(Tl) được xác định thực nghiệm, hỗ trợ hiệu chỉnh số liệu chính xác.
  • Phương pháp chuẩn năng lượng độc lập giúp giảm thiểu sai số do độ bất định của chùm hạt và xác nhận độ chính xác của phần mềm tính năng lượng do nhà sản xuất cung cấp.
  • Đề xuất các giải pháp nâng cao độ chính xác và mở rộng ứng dụng phương pháp chuẩn năng lượng cho các nghiên cứu hạt nhân tiếp theo.

Tiếp theo, cần triển khai các giải pháp kỹ thuật để thu hẹp độ tòe năng lượng, áp dụng kỹ thuật bia hoạt và phát triển phần mềm phân tích phổ nâng cao nhằm nâng cao hơn nữa độ chính xác và hiệu quả nghiên cứu. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư vận hành máy gia tốc được khuyến khích áp dụng kết quả này để cải thiện chất lượng các phép đo phản ứng hạt nhân trong tương lai.