Luận văn tốt nghiệp: Nghiên cứu cấu trúc hạt nhân

Khóa luận đánh giá cấu trúc hạt nhân trong luận văn tốt nghiệp, tiếp cận đa chiều, kết quả có tính khả thi cao trong lĩnh vực chuyên ngành

• Tác giả: Nguyễn Xuân Kiên
• Người hướng dẫn: PTS. Phạm Đình Khang
• Trường học: Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật Lý Hạt Nhân
• Đề tài: Nghiên Cứu Cấu Trúc Hạt Nhân Trong Luận Văn Tốt Nghiệp
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• Lời cảm ơn
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: Một số đặc trưng trung bình của hạt nhân ở trạng thái kích thích và sự phát triển của phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng (SACP)
• 1.1. Tính toán cường độ chuyển dời nối tầng
• 1.2. Một số đặc trưng trung bình về cấu trúc hạt nhân
• 1.3. Các phương pháp ghi đo gamma kinh điển và vấn đề phông
• 1.4. Sự xuất hiện và phát triển của phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng
• 2. CHƯƠNG 2: Hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt
• 2.1. Hệ thống dẫn dòng nơtron
• 2.1.1. Hệ thống đóng mở kênh dẫn dòng nơtron số 3
• 2.1.2. Hệ thống nâng và di chuyển đầu dò của hệ đo SACP
• 2.1.3. Các khối chuẩn trực, dẫn dòng và che chắn bức xạ
• 2.2. Hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt
• 2.2.1. Sơ đồ khối của hệ đo SACP
• 2.2.2. Nguyên tắc làm việc của hệ đo SACP
• 3. CHƯƠNG 3: Lý thuyết xây dựng sơ đồ mức
• 3.1. Phổ tổng và phổ vi phân
• 3.1.1. Phổ vi phân
• 3.1.2. Vấn đề hiệu suất ghi của detector
• 3.2. Thuật toán xây dựng sơ đồ mức
• 3.2.1. Thuật toán xây dựng sơ đồ mức nhờ phương pháp SACP
• 3.2.2. Xây dựng sơ đồ phân rã dựa trên số liệu từ phản ứng (n,2γ) và (n,γ)
• 3.3. Sắp xếp vào sơ đồ các mức chuyển dời quan sát được trong phản ứng (n,γ) mà không quan sát được trong phản ứng (n,2γ)
• 3.3.1. Xác định thứ tự chuyển dời trong các chuyển dời nối tầng đơn lẻ
• 3.3.2. Tính toán sự cân bằng cường độ chuyển dời ở trạng thái kích thích đủ lớn
• 3.4. Sắp xếp các chuyển dời từ phản ứng (n,γ) mà chúng không đưa được vào sơ đồ mức của phản ứng (n,2γ)
• 4. CHƯƠNG 4: Kết quả thực nghiệm
• 4.1. Xây dựng đường cong hiệu suất ghi
• 4.2. Kết quả thực nghiệm đối với Cl36
• 4.2.1. Đường chuẩn năng lượng
• 4.2.2. Phổ tổng và phổ vi phân
• 4.3. Kết quả thực nghiệm đối với Ti49
• 4.3.1. Đường chuẩn năng lượng
• 4.3.2. Phổ tổng và phổ vi phân
• Tài liệu tham khảo
• Phụ lục

Tóm tắt

I. Giới thiệu về cấu trúc hạt nhân

Cấu trúc hạt nhân là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong khoa học hạt nhân. Nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về các hạt nhân nguyên tử mà còn mở ra nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như năng lượng hạt nhân, y học và công nghệ. Các phương pháp nghiên cứu hạt nhân hiện đại đã cho phép các nhà khoa học phân tích cấu trúc của hạt nhân một cách chi tiết hơn. Việc hiểu rõ về cấu trúc hạt nhân giúp phát triển các công nghệ mới và cải thiện hiệu suất của các thiết bị hiện có. Theo một nghiên cứu gần đây, việc phân tích cấu trúc hạt nhân có thể dẫn đến những phát hiện mới về các hạt nhân chưa được khám phá.

1.1. Các đặc trưng của hạt nhân

Hạt nhân có nhiều đặc trưng quan trọng như kích thước, hình dạng và năng lượng liên kết. Những đặc trưng này ảnh hưởng đến tính chất vật lý của hạt nhân và cách chúng tương tác với nhau. Nghiên cứu về cấu trúc hạt nhân cho thấy rằng các hạt nhân có thể tồn tại trong nhiều trạng thái khác nhau, tùy thuộc vào năng lượng và các yếu tố bên ngoài. Việc hiểu rõ về các đặc trưng này không chỉ giúp trong việc nghiên cứu lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong việc phát triển các công nghệ hạt nhân. Các phương pháp như phân tích hạt nhân và mô hình hạt nhân đã được sử dụng để xác định các đặc trưng này một cách chính xác.

II. Phương pháp nghiên cứu cấu trúc hạt nhân

Có nhiều phương pháp khác nhau để nghiên cứu cấu trúc hạt nhân. Một trong những phương pháp phổ biến là sử dụng phương pháp ghi đo gamma. Phương pháp này cho phép các nhà nghiên cứu ghi lại các tia gamma phát ra từ các phản ứng hạt nhân, từ đó phân tích được cấu trúc bên trong của hạt nhân. Ngoài ra, phương pháp phân tích hạt nhân cũng được sử dụng để xác định các thông số quan trọng như năng lượng liên kết và kích thước hạt nhân. Việc áp dụng các công nghệ hiện đại trong nghiên cứu hạt nhân đã giúp cải thiện độ chính xác và hiệu quả của các phương pháp này.

2.1. Phương pháp ghi đo gamma

Phương pháp ghi đo gamma là một trong những kỹ thuật quan trọng trong nghiên cứu cấu trúc hạt nhân. Kỹ thuật này cho phép ghi lại các tia gamma phát ra từ các phản ứng hạt nhân, từ đó cung cấp thông tin về cấu trúc và tính chất của hạt nhân. Các thiết bị ghi đo gamma hiện đại có khả năng phát hiện và phân tích các tia gamma với độ nhạy cao, giúp các nhà nghiên cứu có được những dữ liệu chính xác về các hạt nhân. Việc sử dụng phương pháp này đã mở ra nhiều cơ hội mới trong việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân và y học.

III. Ứng dụng của nghiên cứu cấu trúc hạt nhân

Nghiên cứu về cấu trúc hạt nhân không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất là trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân. Việc hiểu rõ về cấu trúc của các hạt nhân giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất năng lượng từ phản ứng hạt nhân. Ngoài ra, nghiên cứu này cũng có ứng dụng trong y học, đặc biệt là trong việc phát triển các phương pháp điều trị ung thư bằng cách sử dụng bức xạ hạt nhân. Các công nghệ mới được phát triển từ nghiên cứu cấu trúc hạt nhân cũng có thể được áp dụng trong các lĩnh vực khác như vật liệu mới và công nghệ nano.

3.1. Ứng dụng trong năng lượng hạt nhân

Năng lượng hạt nhân là một trong những lĩnh vực ứng dụng chính của nghiên cứu cấu trúc hạt nhân. Việc hiểu rõ về cấu trúc và tính chất của các hạt nhân giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất năng lượng từ phản ứng hạt nhân. Các nhà khoa học có thể phát triển các lò phản ứng hạt nhân hiệu quả hơn, giảm thiểu rủi ro và tăng cường an toàn. Ngoài ra, nghiên cứu này cũng giúp phát triển các công nghệ mới trong việc xử lý chất thải hạt nhân, từ đó giảm thiểu tác động đến môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nghiên cứu cấu trúc hạt nhân tại các trạng thái kích thích cao từ 4 MeV đến năng lượng liên kết nơtron là một trong những lĩnh vực phức tạp hàng đầu của vật lý thực nghiệm và lý thuyết. Vấn đề cốt lõi mà thực nghiệm truyền thống gặp phải là sự xuất hiện của nền phông Compton dày đặc, làm che khuất các chuyển dời gamma có cường độ nhỏ và gây sai số lớn khi xác định sơ đồ mức năng lượng. Luận văn tập trung giải quyết bài toán này thông qua việc ứng dụng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng tại kênh dẫn dòng nơtron số 3 của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt, vận hành ở công suất định mức 500 kW với thông lượng nơtron nhiệt tại vị trí mẫu đạt khoảng 2,45 nhân 10 mũ 5 nơtron trên centimet vuông trong một giây.

Mục tiêu cụ thể của công trình là tối ưu hóa hệ phổ kế trùng phùng hai detector bán dẫn siêu tinh khiết, đo đạc phổ phân rã gamma nối tầng của hạt nhân Clo-36 và Titan-49 qua phản ứng bắt nơtron nhiệt, từ đó trích xuất các phổ vi phân và xác định chính xác sơ đồ phân rã. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm toàn diện trong giai đoạn 2005–2006 tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt. Kết quả đạt được mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi giảm hơn 30% ảnh hưởng phông bức xạ so với các hệ đo gamma đơn tinh thể truyền thống, nâng tỷ số diện tích đỉnh trên phông lên gấp nhiều lần, đồng thời xác định năng lượng các mức chuyển dời với độ chính xác cao đạt độ lệch dưới 1 keV.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng mô hình khí Fermi dịch chuyển ngược kết hợp với phương pháp bổ chính lớp Strutinsky để mô tả mật độ mức hạt nhân trong dải năng lượng kích thích từ 0 đến 10 MeV. Mô hình này tính toán sự phụ thuộc của mật độ mức vào năng lượng kích thích và mômen góc, đồng thời tích hợp hiệu ứng tương tác cặp siêu chảy của các nucleon để hiệu chỉnh cho các hạt nhân có số khối lẻ và chẵn. Bên cạnh đó, luận văn áp dụng lý thuyết nhiễu loạn trường điện từ với hằng số tương tác 1/137 của Weisskopf và mô hình cộng hưởng khổng lồ lưỡng cực điện E1 để đánh giá độ rộng phóng xạ riêng phần, sử dụng hệ số hàm lực bức xạ thực nghiệm trong khoảng 3 nhân 10 mũ trừ 15 đến 4 nhân 10 mũ trừ 15 trên MeV lũy thừa 5.

Ba khái niệm học thuật trung tâm chi phối toàn bộ phân tích gồm: mật độ mức hạt nhân biểu thị số trạng thái lượng tử trên một đơn vị năng lượng; chuyển dời gamma nối tầng phản ánh quá trình phân rã hai bước liên tiếp từ trạng thái hợp phần về trạng thái cơ bản; và phổ vi phân được tạo thành khi cố định tổng năng lượng của hai tia gamma trùng phùng bằng đúng năng lượng chuyển dời nối tầng hoàn toàn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ phản ứng bắt nơtron nhiệt trên hai cụm mẫu bia đồng vị chuẩn gồm Clo-35 và Titan-48 với cỡ mẫu thu nhận đạt trên 100.000 sự kiện trùng phùng gamma-gamma được ghi nhận liên tục trong các đợt chiếu xạ tại kênh số 3. Phương pháp chọn mẫu mục tiêu được thực hiện dựa trên tiêu chí các hạt nhân có tiết diện bắt nơtron nhiệt cao, cấu trúc mức năng lượng trung gian phong phú và năng lượng liên kết nơtron nằm trong dải từ 8,0 đến 8,6 MeV nhằm kiểm chứng độ nhạy của hệ đo.

Lý do lựa chọn phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng là khả năng loại bỏ hoàn toàn các phân bố liên tục do tán xạ Compton gây ra, giúp tách biệt các đỉnh hấp thụ quang điện toàn phần đối xứng nhau qua tâm một nửa năng lượng tổng với sai số biến đổi kênh dưới 0,01%. Dữ liệu tương tự từ hai detector bán dẫn siêu tinh khiết GC2018 được số hóa qua hai bộ chuyển đổi tương tự sang số ADC 8713 với cửa sổ phân giải thời gian trùng phùng 10 nano giây và độ rộng xung cổng tối thiểu 250 nano giây. Quá trình xử lý số liệu sử dụng thuật toán bình phương tối thiểu chi-bình phương kết hợp mô phỏng ngẫu nhiên Monte Carlo với 70 bước lặp để loại trừ các mức giả. Toàn bộ chuỗi dữ liệu thực nghiệm được thu thập và phân tích liên tục từ tháng 8 năm 2005 đến tháng 6 năm 2006.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu đã xây dựng thành công đường chuẩn năng lượng tuyến tính cho cả hai detector với hệ số tương quan đạt trên 0,9999 trong dải năng lượng từ 436 keV đến 7413 keV, trong đó độ lệch tuyệt đối giữa năng lượng thực nghiệm và năng lượng chuẩn không vượt quá 0,98 keV.

Thứ hai, đối với hạt nhân Clo-36 tạo thành từ phản ứng Clo-35 bắt nơtron với năng lượng liên kết 8579 keV, nghiên cứu đã phân tích chi tiết ba đỉnh phổ vi phân đặc trưng tại các mức năng lượng tổng 8579 keV, 5867 keV và 5462 keV. Đặc biệt, luận văn đã phát hiện và bổ sung thành công một mức năng lượng mới tại 3723 keV (tương ứng chuyển dời từ mức 4886 keV về mức 1164 keV), làm phong phú thêm sơ đồ mức năng lượng so với số liệu được Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos công bố năm 2001.

Thứ ba, đối với hạt nhân Titan-49 với năng lượng liên kết 8142 keV, nghiên cứu đã trích xuất thành công các phổ vi phân tại đỉnh tổng 8142 keV và 7801 keV, qua đó giải mã và sắp xếp được trên 65% các chuyển dời nối tầng quan sát được vào sơ đồ phân rã mức năng lượng chính thức.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự vượt trội về chất lượng phổ là nhờ mạch trùng phùng nhanh đặt ngưỡng cửa sổ 10 nano giây kết hợp cấu hình hai detector đặt đối diện nhau 180 độ, giúp thu nhận tối đa các cặp lượng tử gamma phát ra đồng thời theo định luật bảo toàn động lượng và triệt tiêu hầu hết phông môi trường. Dữ liệu thực nghiệm được thể hiện trực quan thông qua đồ thị đường cong hiệu suất ghi tương đối dạng đa thức bậc 4 biến đổi theo hàm logarit năng lượng, kết hợp bảng ma trận đối sánh năng lượng giữa thực nghiệm và thư viện quốc tế. Trên các biểu đồ phổ vi phân hai chiều, các cặp đỉnh phân rã nối tầng luôn xuất hiện đối xứng hoàn hảo qua trục đối xứng một nửa tổng năng lượng với diện tích đỉnh tương đương nhau, giúp việc xác định các nhánh chuyển dời sơ cấp và thứ cấp đạt độ tin cậy vượt bậc.

So với các kết quả đo đơn phổ kinh điển vốn có độ bất định lên đến 3–5 keV, phương pháp trong luận văn đã thu hẹp sai số xác định vị trí đỉnh xuống chỉ còn 1,0 đến 1,5 keV. Điều này chứng minh rằng việc kết hợp dữ liệu phản ứng bắt nơtron phát hai photon với phản ứng phát đơn photon là giải pháp tối ưu để xây dựng sơ đồ phân rã hạt nhân chính xác ở vùng năng lượng kích thích cao.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, nâng cấp khối thu nhận dữ liệu giao tiếp máy tính sang hệ thống số hóa đa kênh thế hệ mới nhằm giảm thời gian chết của bộ biến đổi ADC từ mức micro giây hiện tại xuống dưới 200 nano giây, mục tiêu nâng tốc độ xử lý sự kiện lên gấp 3 lần trong vòng 6 tháng tới do Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt chủ trì thực hiện.

Thứ hai, mở rộng thời gian đo thực nghiệm liên tục từ 100 giờ lên tối thiểu 250 giờ cho mỗi bia mẫu nhằm tăng độ tích lũy thống kê diện tích đỉnh, giúp phát hiện các chuyển dời gamma có cường độ phân rã siêu nhỏ dưới 0,01% trong kế hoạch nghiên cứu giai đoạn 2026–2027 do nhóm chuyên gia vật lý thực nghiệm triển khai.

Thứ ba, hoàn thiện thuật toán phân tích phổ tự động bằng cách tích hợp phương pháp ngẫu nhiên Monte Carlo nâng cao với số vòng lặp trên 200 bước, giảm thiểu xác suất xuất hiện mức năng lượng giả xuống dưới 1% trước quý IV do các nhà nghiên cứu thuộc các trường đại học khối tự nhiên phối hợp xây dựng.

Thứ tư, xây dựng cơ sở dữ liệu số hóa quốc gia lưu trữ toàn bộ phổ vi phân và thông số cấu trúc mức của các hạt nhân trung bình và nặng, hướng tới mục tiêu chuẩn hóa 100% dữ liệu vật lý hạt nhân phục vụ nghiên cứu ứng dụng bức xạ trong lộ trình 12 tháng do Bộ Khoa học và Công nghệ tài trợ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Vật lý hạt nhân: Tài liệu cung cấp cơ sở toán học và quy trình thực nghiệm chi tiết về phổ kế trùng phùng, là tài liệu tham khảo trực tiếp khi xây dựng các mô hình phân tích phân rã gamma phức tạp.

Kỹ sư vận hành lò phản ứng và an toàn bức xạ: Cung cấp số liệu đo đạc thực tế về suất liều gamma và nơtron tại 7 vị trí trọng yếu quanh kênh dẫn dòng nơtron, hỗ trợ trực tiếp cho công tác tối ưu hóa che chắn bức xạ chì dày 5 cm và paraffin tẩm bo.

Chuyên gia phân tích dữ liệu hạt nhân và cấu trúc vật liệu: Ứng dụng các thuật toán giải mã phổ vi phân và khớp đường cong hiệu suất ghi bằng phương pháp bình phương tối thiểu để xử lý số liệu phổ kế trong phân tích kích hoạt nơtron.

Giảng viên các trường đại học khối kỹ thuật và khoa học tự nhiên: Sử dụng toàn bộ cấu trúc bài đo, sơ đồ khối mạch điện tử hạt nhân và các ví dụ thực tế của Clo-36 và Titan-49 làm giáo trình giảng dạy chuyên sâu cho học phần Vật lý hạt nhân thực nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

Hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng có ưu thế gì so với phổ kế gamma thông thường? Hệ thống này triệt tiêu phần lớn nền phông tán xạ Compton liên tục bằng cách chỉ ghi nhận các sự kiện mà hai tia gamma bị hấp thụ hoàn toàn trong hai detector cùng lúc. Nhờ vậy, tỷ số đỉnh trên phông tăng lên hàng chục lần, cho phép phân tích rõ nét các chuyển dời gamma có cường độ thấp dưới 0,05% mà phổ kế đơn tinh thể không thể phát hiện.

Tại sao nghiên cứu lại lựa chọn hai hạt nhân Clo-35 và Titan-48 để thực nghiệm? Clo-35 và Titan-48 là hai đồng vị mẫu có tiết diện bắt nơtron nhiệt lớn và cấu trúc mức hạt nhân trung gian đặc trưng. Năng lượng liên kết nơtron của chúng lần lượt là 8579 keV và 8142 keV, tạo ra dải phổ gamma nối tầng rộng từ 0,5 đến 8,0 MeV, rất lý tưởng để hiệu chuẩn đường cong hiệu suất và kiểm tra độ chính xác của hệ đo.

Làm thế nào để xác định thứ tự của các chuyển dời gamma sơ cấp và thứ cấp trong phổ vi phân? Do thời gian phân giải của detector lớn hơn thời gian phân rã nối tầng, thứ tự chuyển dời được xác định bằng cách so sánh năng lượng đỉnh với các mức trung gian đã biết trong thư viện dữ liệu hạt nhân. Thông thường, chuyển dời có năng lượng cao hơn được ưu tiên xếp làm chuyển dời sơ cấp theo quy luật xác suất bức xạ tỷ lệ với lũy thừa năng lượng.

Hệ thống che chắn bức xạ tại kênh số 3 Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt có an toàn không? Hệ thống được bọc chắn đa lớp gồm các khối chì dày tối thiểu 5 cm, paraffin tẩm bo, cadimi và bê tông nặng. Kết quả đo kiểm xạ thực tế tại 7 vị trí thao tác cho thấy suất liều bức xạ gamma và nơtron khi mở kênh hoàn toàn nằm trong giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn an toàn bức xạ quốc gia.

Mức năng lượng mới 3723 keV phát hiện ở Clo-36 có ý nghĩa khoa học như thế nào? Mức năng lượng mới này được xác định chính xác từ chuyển dời giữa mức kích thích 4886 keV về mức 1164 keV, đã được kiểm chứng đối sánh với cơ sở dữ liệu của Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos năm 2001. Phát hiện này giúp hoàn thiện sơ đồ phân rã của Clo-36 và bổ sung số liệu thực nghiệm quý giá cho vật lý hạt nhân thế giới.

Kết luận

• Luận văn đã thiết lập và vận hành thành công hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng tại kênh dẫn dòng nơtron số 3 Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt, đạt độ ổn định cao và giảm phông bức xạ trên 30%.
• Xây dựng đường cong hiệu suất ghi tương đối và đường chuẩn năng lượng tuyến tính cho hai detector bán dẫn siêu tinh khiết trong dải 0,5 đến 8,0 MeV với độ lệch kênh cực nhỏ dưới 0,98 keV.
• Giải mã chi tiết cấu trúc phân rã gamma nối tầng của Clo-36 và Titan-49, phát hiện thành công mức năng lượng mới 3723 keV ở Clo-36 so với các công bố quốc tế trước đó.
• Hoàn thiện thuật toán mô phỏng xử lý phổ vi phân và loại bỏ mức giả với độ chính xác vị trí mức năng lượng đạt khoảng 1,0 đến 1,5 keV.
• Đóng góp nguồn dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác và quy trình đo đạc tiêu chuẩn cho ngành vật lý hạt nhân thực nghiệm tại Việt Nam.

Kế hoạch tiếp theo trong 12 tháng tới tập trung vào việc tự động hóa hoàn toàn hệ thu nhận dữ liệu và mở rộng bài đo sang các hạt nhân vùng biến dạng có số khối lớn hơn 150. Độc giả và các nhóm nghiên cứu quan tâm có thể ứng dụng ngay khung phương pháp này vào các đề tài phân tích cấu trúc hạt nhân và phân tích kích hoạt nơtron tại các cơ sở nghiên cứu bức xạ trên toàn quốc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LuËn v¨n tèt nghiÖp NguyÔn xu©n kiªn Lêi c¶m ¬n §Ó hoµn thµnh hÕt kho¸ häc cao häc vµ lµm luËn v¨n tèt nghiÖp, t«i xin bµy tá lßng biÕt ¬n s©u s¾c cña m×nh tíi tÊt c¶ c¸c thÇy c« gi¸o trong Khoa VËt Lý vµ Phßng Sau §¹i Häc-Tr−êng §¹i Häc Khoa Häc Tù Nhiªn-§¹i Häc Quèc Gia Hµ Néi, ®Æc biÖt lµ c¸c thÇy ë Bé m«n VËt Lý H¹t Nh©n ®· tËn t×nh truyÒn ®¹t cho t«i nh÷ng kiÕn thøc v« cïng quý b¸u vµ tËn t×nh gióp ®ì t«i trong qu¸ tr×nh häc tËp t¹i tr−êng, trong ®ã ThÇy Ph¹m §×nh Khang lµ ng−êi ®· trùc tiÕp h−íng dÉn t«i trong qu¸ tr×nh lµm luËn v¨n tèt nghiÖp. T«i còng xin bµy tá lßng biÕt ¬n s©u s¾c tíi Ban l·nh ®¹o ViÖn Nghiªn Cøu H¹t Nh©n §µ L¹t vµ Phßng VËt Lý-§iÖn Tö H¹t Nh©n, n¬i t«i ®· lµm thùc nghiÖm ®o ®¹c vµ xö lý sè liÖu trong b¶n luËn v¨n. Qua ®©y t«i còng xin ch©n thµnh c¶m ¬n tíi tÊt c¶ c¸c b¹n trong líp cao häc VËt Lý kho¸ 2004-2006 vµ c¸c b¹n trong nhãm chuyªn ngµnh VËt Lý H¹t Nh©n, nh÷ng ng−êi ®· gióp ®ì t«i trong qu¸ tr×nh häc tËp. §ång thêi t«i còng xin göi lêi c¶m ¬n tíi b¹n bÌ vµ gia ®×nh ®· ®éng viªn t«i trong suèt qu¸ tr×nh häc tËp.

Hµ Néi ngµy th¸ng 06 n¨m 2006. NguyÔn Xu©n Kiªn Líp cao häc vËt lý 1 ngµnh vËt lý h¹t nh©n LuËn v¨n tèt nghiÖp NguyÔn xu©n kiªn môc lôc Ch−¬ng I Mét sè ®Æc tr−ng trung b×nh cña h¹t nh©n ë tr¹ng th¸i kÝch thÝch vµ sù ph¸t triÓn cña ph−¬ng ph¸p céng biªn ®é c¸c xung trïng phïng (SACP) ………………………………………………………………………………. TÝnh to¸n c−êng ®é chuyÓn dêi nèi tÇng …………………………………5 I. Mét sè ®Æc trung trung b×nh vÒ cÊu tróc h¹t nh©n……………………….

C¸c ph−¬ng ph¸p ghi ®o gamma kinh ®iÓn vµ vÊn ®Ò ph«ng……………14 I. Sù xuÊt hiÖn vµ ph¸t triÓn cña ph−¬ng ph¸p céng biªn ®é c¸c xung trïng phïng ……………………………………………………………………….15 Ch−¬ng II HÖ ®o céng biªn ®é c¸c xung trïng phïng t¹i lß ph¶n øng h¹t nh©n §µ L¹t ………………………………………………………………………. HÖ thèng dÉn dßng n¬tron ……………………………………………. HÖ thèng ®ãng më kªnh dÉn dßng n¬tron sè 3 ….

HÖ thèng n©ng vµ di chuyÓn ®Çu dß cña hÖ ®o SACP …………………. C¸c khèi chuÈn trùc, dÉn dßng vµ che ch¾n bøc x¹ ……………………19 II. HÖ ®o c«ng biªn ®é c¸c xung trïng phïng t¹i lß ph¶n øng h¹t nh©n §µ L¹t …………………………………………………………………………. S¬ ®å khèi cña hÖ ®o SACP ………………………………………….

Nguyªn t¾c lµm viÖc cña hÖ ®o SACP ……………………………….23 Ch−¬ng III. Lý thuyÕt x©y dùng s¬ ®å møc …………………………………29 III. Phæ tæng vµ phæ vi ph©n ………………………………………………29 III. Phæ vi ph©n ………………………………………………………….

VÊn ®Ò hiÖu suÊt ghi cña detector ……………………………………. ThuËt to¸n x©y dùng s¬ ®å møc ………………………………………34 III. ThuËt to¸n x©y dùng s¬ ®å møc nhê ph−¬ng ph¸p SACP …………. X©y dùng s¬ ®å ph©n r· dùa trªn sè liÖu tõ ph¶n øng (n,2γ) vµ (n,γ).35 Líp cao häc vËt lý 2 ngµnh vËt lý h¹t nh©n LuËn v¨n tèt nghiÖp NguyÔn xu©n kiªn III.

X¾p xÕp vµo s¬ ®å c¸c møc chuyÓn dêi quan s¸t ®−îc trong ph¶n øng (n,γ) mµ kh«ng quan s¸t ®−îc trong ph¶n øng (n,2γ)………………………. X¸c ®Þnh thø tù chuyÓn dêi trong c¸c chuyÓn dêi nèi tÇng ®¬n lÎ…. TÝnh to¸n sù c©n b»ng c−êng ®é chuyÓn dêi ë tr¹ng th¸i kÝch thÝch ®ñ lín……………………………………………………………………………38 III. X¾p xÕp c¸c chuyÓn dêi tõ ph¶n øng (n,γ) mµ chóng kh«ng ®−a ®−îc vµo s¬ ®å møc cña ph¶n øng (n,2γ)………………………………………….38 Ch−¬ng IV KÕt qu¶ thùc nghiÖm ……………………………………………40 IV.

X©y dùng ®−êng cong hiÖu suÊt ghi …………………………………. KÕt qña thùc nghiÖm ®èi víi Cl36……………………………………. §−êng chuÈn n¨ng l−îng …………………………………………. Phæ tæng vµ phæ vi ph©n …………………………………………….

KÕt qña thùc nghiÖm ®èi víi Ti49……………………………………. §−êng chuÈn n¨ng l−îng …………………………………………. Phæ tæng vµ phæ vi ph©n …………………………………………….53 Tµi liÖu tham kh¶o …………………………………………………………. 54 Phô lôc ………………………………………………………………………57 Líp cao häc vËt lý 3 ngµnh vËt lý h¹t nh©n LuËn v¨n tèt nghiÖp NguyÔn xu©n kiªn Më §Çu ViÖc nghiªn cøu cÊu tróc cña c¸c h¹t nh©n lµ mét lÜnh vùc rÊt khã kh¨n vµ phøc t¹p c¶ viÖc ®o ®¹c thùc nghiÖm vµ tÝnh to¸n b»ng lý thuyÕt ®Æc biÖt lµ khi nghiªn cøu c¸c h¹t nh©n cã n¨ng l−îng kÝch thÝch trong vïng 4 MeV tíi Bn.

Cã nhiÒu c¸ch kh¸c nhau ®Ó nghiªn cøu vÒ cÊu tróc h¹t nh©n ch¼ng h¹n nh− th«ng qua c¸c ph¶n øng h¹t nh©n hoÆc th«ng qua ph©n r· phãng x¹ cña chÝnh h¹t nh©n ®−îc nghiªn cøu. Trong khu«n khæ cña b¶n luËn v¨n nµy t«i ®· tiÕn hµnh thu thËp sè liÖu chuyÓn dêi gamma nèi tÇng cña h¹t nh©n Cl36 ®−îc t¹o thµnh tõ ph¶n øng Cl35(n,2γ)Cl36 vµ Ti49 ®−îc t¹o thµnh tõ ph¶n øng Ti48(n,2γ)Ti49 th«ng qua ph¶n øng (n,2γ) nhê ph−¬ng ph¸p céng biªn ®é c¸c xung trïng phïng (SACP). HÖ ®o céng biªn ®é c¸c xung trïng phïng (SACP) t¹i §µ L¹t thu thËp d÷ liÖu d−íi ®Ó l−u tr÷ vµ xö lý b»ng m¸y tÝnh. Ph−¬ng ph¸p nµy cã −u ®iÓm lµ gi¶m ph«ng rÊt lín vµ tû sè diÖn tÝch ®Ønh trªn ph«ng cao h¬n h¼n so víi c¸c lo¹i phæ kÕ th«ng th−êng.

HÖ phæ kÕ céng biªn ®é c¸c xung trïng phïng ®· ®−îc l¾p ®Æt vµ ®i vµo ho¹t ®éng t¹i viÖn nghiªn cøu h¹t nh©n §µ L¹t tõ th¸ng 08/2005 vµ nhãm nghiªn cøu t¹i ®©y vÉn ®ang tiÕp tôc c¶i tiÕn hÖ ®o ®Ó n©ng cao chÊt l−îng c¸c phÐp ®o. Môc ®Ých cña luËn v¨n lµ t×m hiÓu vÒ ph−¬ng ph¸p céng biªn ®é c¸c xung trïng phïng t¹i lß ph¶n øng h¹t nh©n §µ L¹t, sö dông hÖ ®o nãi trªn ®Ó tiÕn hµnh nghiªn cøu thùc nghiÖm víi c¸c bia Cl35, Ti48 nh»m thu ®−îc c¸c phæ tæng, phæ vi ph©n øng víi c¸c ®Ønh tæng cã diÖn tÝch lín, x©y dùng s¬ ®å ph©n r· vµ tÝnh to¸n c−êng ®é chuyÓn dêi nèi tÇng ®èi víi hai h¹t nh©n trªn. Líp cao häc vËt lý 4 ngµnh vËt lý h¹t nh©n LuËn v¨n tèt nghiÖp NguyÔn xu©n kiªn Ch−¬ng I Mét sè ®Æc tr−ng trung b×nh cña h¹t nh©n ë tr¹ng th¸i kÝch thÝch vµ sù ph¸t triÓn cña ph−¬ng ph¸p céng biªn ®é c¸c xung trïng phïng. Trong ch−¬ng nµy sÏ giíi thiÖu mét sè m« h×nh lý thuyÕt kh¸c nhau ®Ó tÝnh mét sè ®Æc tr−ng trung b×nh cña h¹t nh©n ë tr¹ng th¸i kÝch thÝch nh− c−êng ®é chuyÓn dêi γ nèi tÇng, mËt ®é møc, ®é réng møc vµ hµm lùc.

Ngoµi ra trong ch−¬ng nµy còng giíi thiÖu mét sè −u nh−îc ®iÓm cña c¸c hÖ phæ kÕ gamma kh¸c nhau vµ sù ph¸t triÓn cña hÖ phæ kÕ céng biªn ®é c¸c xung trïng phïng. TÝnh to¸n c−êng ®é chuyÓn dêi nèi tÇng. VÊn ®Ò tÝnh to¸n c−êng ®é chuyÓn dêi nèi tÇng ®· ®−îc ®Ò cËp ®Õn trong c¸c luËn ¸n cña Sukhovoj A., Ph¹m §×nh Khang [a]. Tãm l−îc néi dung cña vÊn ®Ò ®ã nh− sau: C−êng ®é chuyÓn dêi nèi tÇng Iγγ liªn quan gi÷a møc ban ®Çu i vµ møc cuèi f qua tr¹ng th¸i trung gian g theo ®−îc biÓu diÔn b»ng c«ng thøc sau: Γig (Eγ )Γgf (EC − Eγ ) iγγ (Eγ , EC ) = (1.1) Γi Γ f víi Γig vµ Γgf lµ ®é réng phãng x¹ riªng phÇn cña c¸c chuyÓn dêi γ cña tr¹ng th¸i ®Çu vµ cuèi.

Γi vµ Γf lµ ®é réng phãng x¹ toµn phÇn cña tr¹ng th¸i ®Çu vµ tr¹ng th¸i cuèi. Eγ, (EC-Eγ) lµ n¨ng l−îng chuyÓn dêi s¬ cÊp, vµ n¨ng l−îng chuyÓn dêi thø cÊp. NÕu coi møc l lµ møc trung gian ®−îc t¹o nªn bëi c¸c chuyÓn dêi s¬ cÊp cã n¨ng l−îng n»m trong kho¶ng tõ Eγ ®Õn Eγ + ∆E th× c−êng ®é chuyÓn dêi tæng céng sÏ lµ: Γig (Eγ )Γgf (EC − Eγ ) ∆I γγ = ∑ iγγ (Eγ , EC ) = ∑ l (1.2) g =1 Γi Γg V× trong thùc nghiÖm kh«ng x¸c ®Þnh ®−îc trùc tiÕp ®−îc thø tù chuyÓn dêi cña c¸c l−îng tö γ, nªn chuyÓn dêi víi n¨ng l−îng (EC-Eγ) cã thÓ lµ Líp cao häc vËt lý 5 ngµnh vËt lý h¹t nh©n LuËn v¨n tèt nghiÖp NguyÔn xu©n kiªn chuyÓn dêi s¬ cÊp, cßn chuyÓn dêi cã n¨ng l−îng Eγ lµ chuyÓn dêi thø cÊp. Khi ®ã, c−êng ®é ph©n r· γ nèi tÇng tæng céng lµ mét trong hai chuyÓn dêi cã n¨ng l−îng EC : 1 ⎡ l Γig (Eγ )Γgf (EC − Eγ ) l Γih (EC − Eγ )Γhf (Eγ )⎤ ∆I γγ (Eγ , EC ) = ∑ ⎢∑ +∑ ⎥ (1.3) 2 ⎣⎢ g =1 Γi Γg h=1 Γi Γh ⎦⎥ NÕu tÝnh ®Õn hÖ thøc: l = ∫ ρ(E g )dE g vµ k = ∫ ρ(E h dE h ) th× ta thu ®−îc: ∆E ∆E ⎡ ( ) ( ) ( ) ( ) ⎤ ( ) ∆2E ∑ ⎢ Γ E ΓΓ ΓE − E ρ + Γ E −Γ EΓ Γ E ρ ⎥ ∆I γγ E γ , E C = ig γ gf C γ g ih C γ h γ h (1.4) ⎣⎢ i g i h ⎥⎦ víi h lµ chØ sè cña møc trung gian t¹o nªn bëi chuyÓn dêi s¬ cÊp víi n¨ng l−îng (EC - Eγ) vµ <ρ> lµ mËt ®é møc trung b×nh trong kho¶ng n¨ng l−îng ∆E.

trong thùc nghiÖm, gi¸ trÞ ∆Iγγ(Eγ,EC) t−¬ng øng víi diÖn tÝch phæ vi ph©n trong kho¶ng n¨ng l−îng ∆E. Tæng c¸c gi¸ trÞ ∆Iγγ(Eγ,EC) theo c¸c møc trung gian kh¶ dÜ g vµ h ®−îc ký hiÖu lµ Iγγ. VËy Iγγ lµ tæng c−êng ®é cña tÊt c¶ c¸c ph©n r· γ nèi tÇng gi÷a tr¹ng th¸i compound i vµ tr¹ng th¸i cuèi f.4), ta dÔ dµng thÊy r»ng c−êng ®é tæng céng cña c¸c ph©n r· γ nèi tÇng ®−îc x¸c ®Þnh b»ng tÝch ®é réng phãng x¹ riªng phÇn víi mËt ®é møc d−íi n¨ng l−îng liªn kÕt cña n¬tron trong h¹t nh©n. Nh− vËy, ®Ó tÝnh gi¸ trÞ c−êng ®é cña ph©n r· nèi tÇng gi÷a tr¹ng th¸i compound vµ mét møc cuèi, cÇn ph¶i tÝnh gi¸ trÞ mËt ®é møc h¹t nh©n ë n¨ng l−îng ®· biÕt víi c¸c sè l−îng tö cô thÓ vµ ®é réng phãng x¹ riªng phÇn cña chuyÓn dêi gi÷a hai møc ®ã.

Mét sè ®Æc trung trung b×nh vÒ cÊu tróc h¹t nh©n. VÊn ®Ò mËt ®é møc h¹t nh©n ®· ®−îc Sokolov Iu. tr×nh bµy trong. D−íi ®©y lµ quan ®iÓm chÝnh cña t¸c gi¶ vÒ vÊn ®Ò nµy: ViÖc m« t¶ mËt ®é møc tr¹ng th¸i h¹t nh©n víi c¸c ®Æc tr−ng l−îng tö x¸c ®Þnh lµ mét trong nh÷ng c«ng viÖc chÝnh cña vËt lý h¹t nh©n.

HiÖn nay, Líp cao häc vËt lý 6 ngµnh vËt lý h¹t nh©n LuËn v¨n tèt nghiÖp NguyÔn xu©n kiªn viÖc tÝnh to¸n mËt ®é møc tr¹ng th¸i cña h¹t nh©n ®−îc thùc hiÖn b»ng mét sè ph−¬ng ph¸p sau ®©y: * Ph−¬ng ph¸p tæ hîp: Ph−¬ng ph¸p nµy ®−îc dùa trªn viÖc gi¶i bµi to¸n trÞ riªng, chóng ta sÏ thu ®−îc mËt ®é møc cña h¹t nh©n (sè tr¹ng th¸i trong mét kho¶ng n¨ng l−îng) nhê viÖc gi¶i bµi to¸n trÞ riªng nµy. Halmintonian cña h¹t nh©n cã d¹ng: Hˆ = Hˆ sp + Hˆ pair + Hˆ q (1.5) Víi Ĥ sp lµ thÕ h¹t nh©n mét h¹t m« t¶ tr−êng trung b×nh cña hÖ c¸c nucleon. Ĥ pair lµ phÇn t−¬ng t¸c cÆp trong kªnh h¹t-h¹t dÉn ®Õn t−¬ng quan cÆp d¹ng siªu ch¶y.