Luận văn thạc sĩ hus xác định chất lượng của các phản ứng hạt nhân trên bia natmo và natzr gây bởi chùm proton năng lượng 27 mev

Luận văn thạc sĩ phân tích hus xác định chất lượng của các phản ứng hạt nhân trên bia natmo và natzr gây bởi chùm proton năng, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

• Tác giả: Lê Tuấn Anh
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Đức Khuê
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao
• Đề tài: Xác định suất lượng của các phản ứng hạt nhân trên bia natMo và natZr gây bởi chùm proton năng lượng 27 MeV
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ khoa học
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
• 1.1. Tóm lược về phản ứng hạt nhân
• 1.2. Phân loại phản ứng hạt nhân
• 1.3. Các định luật bảo toàn
• 1.4. Động học phản ứng hạt nhân
• 1.5. Suất lượng và tiết diện của phản ứng hạt nhân
• 1.5.1. Suất lượng phản ứng hạt nhân
• 1.5.2. Tiết diện phản ứng hạt nhân
• 2. MÁY GIA TỐC CYCLOTRON KIRAMS - MC50
• 2.1. Giới thiệu chung về cyclotron
• 2.2. Cơ sở vật lý của máy gia tốc cyclotron
• 2.3. Nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc Cyclotron KIRAMS - MC 50
• 3. THÍ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU
• 3.1. Thí nghiệm xác định suất lượng của phản ứng hạt nhân
• 3.2. Ghi nhận và phân tích phổ gamma của các mẫu sau khi chiếu
• 3.3. Phổ kế gamma
• 3.4. Chuẩn năng lượng
• 3.5. Chuẩn hiệu suất ghi
• 3.6. Phương pháp xác định suất lượng và tiết diện phản ứng hạt nhân
• 3.7. Xác định tỉ số tiết diện đồng phân
• 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Nhận diện đồng vị phóng xạ tạo thành từ phản ứng hạt nhân
• 4.2. Một số kết quả hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác
• 4.2.1. Hiệu chính tự hấp thụ trong mẫu
• 4.2.2. Hiệu chỉnh hiệu ứng cộng đỉnh
• 4.2.3. Sự suy giảm năng lượng chùm proton khi đi qua mẫu
• 4.3. Xác định suất lượng của các phản ứng proton lên bia natMo và natZr
• 4.4. Xác định tiết diện phản ứng hạt nhân với proton trên bia natZr
• 4.5. Xác định tỷ số tiết diện tạo cặp đồng phân 89m,gNb từ phản ứng hạt nhân nat Zr(p,xn)89m,gNb
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu phản ứng hạt nhân trên bia natMo và natZr

Nghiên cứu chất lượng phản ứng hạt nhân trên bia natMo và natZr với chùm proton 27 MeV là một lĩnh vực quan trọng trong vật lý hạt nhân. Phản ứng hạt nhân không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc hạt nhân mà còn có ứng dụng thực tiễn trong y học hạt nhân và công nghệ năng lượng. Bài viết này sẽ trình bày tổng quan về các phản ứng hạt nhân, đặc biệt là phản ứng xảy ra trên các bia natMo và natZr.

1.1. Đặc điểm của phản ứng hạt nhân và vai trò của bia natMo natZr

Phản ứng hạt nhân xảy ra khi một chùm hạt tương tác với hạt nhân bia. Bia natMo và natZr được chọn vì chúng có tính chất vật lý đặc biệt, ảnh hưởng đến suất lượng và tiết diện phản ứng. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng natMo và natZr có khả năng tạo ra các đồng vị phóng xạ quan trọng, phục vụ cho nhiều ứng dụng trong y học và công nghệ.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu và tầm quan trọng của nó

Mục tiêu của nghiên cứu này là xác định suất lượng và tiết diện của các phản ứng hạt nhân trên bia natMo và natZr khi chiếu bằng chùm proton năng lượng 27 MeV. Kết quả nghiên cứu không chỉ cung cấp dữ liệu quan trọng cho lý thuyết mà còn hỗ trợ trong việc phát triển công nghệ chế tạo đồng vị phóng xạ.

II. Thách thức trong nghiên cứu phản ứng hạt nhân trên bia natMo và natZr

Mặc dù có nhiều nghiên cứu về phản ứng hạt nhân, nhưng việc xác định chính xác suất lượng và tiết diện phản ứng trên bia natMo và natZr vẫn gặp nhiều thách thức. Các yếu tố như năng lượng chùm proton, cấu trúc hạt nhân và các hiệu ứng vật lý khác có thể ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến suất lượng phản ứng hạt nhân

Suất lượng phản ứng hạt nhân phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm năng lượng của chùm proton và cấu trúc của hạt nhân bia. Nghiên cứu cho thấy rằng năng lượng proton 27 MeV có thể tạo ra các phản ứng khác nhau trên bia natMo và natZr, dẫn đến sự khác biệt trong suất lượng.

2.2. Khó khăn trong việc đo lường và phân tích dữ liệu

Việc đo lường và phân tích dữ liệu từ các phản ứng hạt nhân là một thách thức lớn. Cần sử dụng các thiết bị hiện đại như phổ kế gamma để xác định chính xác hoạt độ phóng xạ của các sản phẩm phản ứng. Điều này đòi hỏi kỹ thuật cao và sự chính xác trong quá trình thực nghiệm.

III. Phương pháp nghiên cứu phản ứng hạt nhân trên bia natMo và natZr

Để nghiên cứu phản ứng hạt nhân trên bia natMo và natZr, phương pháp kích hoạt phóng xạ và đo phổ gamma đã được áp dụng. Phương pháp này cho phép xác định suất lượng và tiết diện phản ứng một cách chính xác.

3.1. Phương pháp kích hoạt phóng xạ

Phương pháp kích hoạt phóng xạ là một kỹ thuật quan trọng trong nghiên cứu phản ứng hạt nhân. Kỹ thuật này cho phép xác định các sản phẩm phản ứng thông qua việc đo lường năng lượng tia gamma phát ra từ các đồng vị phóng xạ. Điều này giúp xác định suất lượng và tiết diện phản ứng một cách chính xác.

3.2. Phân tích dữ liệu và hiệu chỉnh kết quả

Sau khi thu thập dữ liệu, việc phân tích và hiệu chỉnh kết quả là rất quan trọng. Các hiệu chỉnh cần thiết được thực hiện để nâng cao độ tin cậy của kết quả thực nghiệm. Điều này bao gồm việc điều chỉnh hiệu suất ghi và chuẩn năng lượng của thiết bị đo.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy suất lượng và tiết diện phản ứng hạt nhân trên bia natMo và natZr có sự khác biệt rõ rệt. Những dữ liệu này có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong y học hạt nhân và công nghệ năng lượng.

4.1. Nhận diện đồng vị phóng xạ và ứng dụng trong y học

Các đồng vị phóng xạ tạo thành từ phản ứng hạt nhân trên bia natMo và natZr có thể được sử dụng trong y học hạt nhân. Ví dụ, đồng vị 99mTc là một trong những đồng vị quan trọng nhất trong chẩn đoán hình ảnh y tế.

4.2. Ứng dụng trong công nghệ lò phản ứng và máy gia tốc

Kết quả nghiên cứu cũng có thể được áp dụng trong việc phát triển công nghệ lò phản ứng và máy gia tốc. Việc hiểu rõ về suất lượng và tiết diện phản ứng sẽ giúp cải thiện hiệu suất và độ an toàn của các thiết bị này.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu chất lượng phản ứng hạt nhân trên bia natMo và natZr với chùm proton 27 MeV đã cung cấp những dữ liệu quan trọng cho lĩnh vực vật lý hạt nhân. Kết quả nghiên cứu không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã xác định được suất lượng và tiết diện phản ứng hạt nhân trên bia natMo và natZr. Những dữ liệu này sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực vật lý hạt nhân.

5.2. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để làm rõ hơn về cơ chế của phản ứng hạt nhân và phát triển các ứng dụng mới trong y học và công nghệ năng lượng. Việc mở rộng nghiên cứu sang các vật liệu khác cũng là một hướng đi tiềm năng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 trình bày một số đặc trưng cơ bản của phản ứng hạt nhân, phản ứng gây bởi hạt tích điện nhẹ. Chương 2 tìm hiểu nguyên lý cấu tạo và hoạt động của máy gia tốc cyclotron, tập trung vào máy gia tốc Cyclotron MC- 50 tại KIRAMS, Hàn Quốc. Chương 3 tìm hiểu thí nghiệm và các kỹ thuật phân tích số liệu nhằm xác định suất lượng, tiết diện và tỷ số đồng phân của các phản ứng hạt nhân gây bởi proton. Chương 4 trình bày các kết quả thực nghiệm thu được.

Bản luận văn dài 68 trang, trong đó có 20 bảng biểu, 27 hình vẽ và 30 tài liệu tham khảo. Lê Tuấn Anh 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp CHƢƠNG 1. MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CỦA PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 1. Tóm lƣợc về phản ứng hạt nhân 1.

Phân loại phản ứng hạt nhân Phản ứng hạt nhân xảy ra khi một chùm hạt hoặc bức xạ tương tác với hạt nhân ở khoảng cách gần cỡ 10 13cm và sau phản ứng hạt nhân có sự phân bố lại năng lượng, xung lượng và phát ra một hoặc nhiều hạt, bức xạ. Có nhiều cách phân loại phản ứng hạt nhân, có thể phân loại theo hạt tới, hạt sản phẩm hay theo cơ chế phản ứng. Nếu xét theo các sản phẩm tạo thành ta có thể phân phản ứng hạt nhân thành các loại sau: Tán xạ đàn hồi X(a,a)X: hạt tới chỉ thay đổi hướng chuyển động (có thể cả hướng spin), sau phản ứng hạt tới và hạt nhân bia vẫn ở trạng thái cơ bản. Tán xạ không đàn hồi X(a,a’)X*: hạt tới truyền một phần động năng cho hạt nhân bia, sau phản ứng hạt nhân bia ở trạng thái kích thích, độ lớn moment của các hạt thay đổi.

Tán xạ giả đàn hồi X(a,ap)Y, hoặc X(a,ad)Y.: khi năng lượng truyền trong phản ứng lớn hơn năng lượng tách các mảnh hạt nhân (như nuclôn, đơtơri.), hạt nhân sẽ phát ra một hạt. Hạt tới bị mất năng lượng ở trạng thái cuối. Phản ứng biến đổi X(a,b)Y: là phản ứng mà hạt đạn và hạt nhân dư khác nhau số khối A. Trong phản ứng này cần kể đến phản ứng tước hạt (stripping reaction), một nucleon của hạt tới bị hấp thụ bởi hạt nhân bia, phần hạt còn lại tiếp tục chuyển động qua bia; phản ứng đoạt hạt (pickup reaction), hạt tới đoạt một nucleon của hạt nhân bia; ngoài ra còn có các phản ứng trao đổi điện tích (charge exchange) và phản ứng knock-out.

Dựa trên cơ chế phản ứng ta có thể phân chia phản ứng hạt nhân thành các loại sau: Phản ứng hạt nhân hợp phần: có hai quá trình liên tiếp xảy ra. Hạt nhân bia bắt hạt đạn, hình thành nên hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích cao, năng lượng kích thích được phân bố lại cho các nuclôn. Sau đó một hoặc một nhóm nuclôn có thể nhận được đủ năng lượng bay ra khỏi hạt nhân hợp phần. Phản ứng hạt nhân trực tiếp: là phản ứng mà giữa kênh vào và kênh ra không tồn tại trạng thái trung gian.

Lê Tuấn Anh 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Phản ứng hạt nhân tiền cân bằng là phản ứng nằm giữa phản ứng trực tiếp và phản ứng hợp phần. Năng lượng của hạt đến được truyền cho một nhóm các nuclôn trong hạt nhân bia. Các nuclôn này khởi xướng cho một loạt các phản ứng nối tầng, tại một tầng nào đó một hạt sẽ được phát ra (trước khi hạt nhân hợp phần đạt trạng thái cân bằng thống kê). Phản ứng hạt nhân không phải hoàn toàn là tương tác mạnh, nó tùy thuộc vào hạt tới.

Phản ứng hạt nhân là tương tác mạnh nếu hạt đến là proton, nơtron, ions. Phản ứng hạt nhân có thể là tương tác điện từ nếu hạt đến là photon, electron, ions. Còn khi hạt đến là nơtrino thì phản ứng hạt nhân thuộc loại tương tác yếu. Đối với bia và hạt tới nhất định, phụ thuộc vào năng lượng của hạt tới mà phản ứng xảy ra theo cơ chế nào đó.

Bên cạnh đó, xác suất tồn tại trạng thái kích thích cao cũng phụ thuộc vào năng lượng. Sự tập trung lực kích thích trong một vùng năng lượng nào đó gọi là cộng hưởng khổng lồ. Sau phản ứng hạt nhân thường có hai hoặc ba hạt tạo thành. Nếu rất nhiều hạt tạo thành ta có phản ứng vỡ vụn (spallation).

Khi hạt nhân bia bắt nơtron, hạt nhân hợp phần tách ra thành các hạt có số khối tương đương nhau, ta có phản ứng phân hạch. Xác suất xảy ra phản ứng phân hạch tỉ lệ với Z2/A. Phản ứng phân hạch cùng với phản ứng nhiệt hạch là những phản ứng tỏa ra năng lượng lớn. Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng tổng hợp hai hạt nhân nhẹ.

Thang thời gian của phản ứng hạt nhân cỡ 10-22 s, thời gian phản ứng trực tiếp có bậc độ lớn là 10-22 (s), còn thời gian phản ứng hạt nhân hợp phần vào cỡ 10- 16 -10-15 s với chùm năng lượng thấp và khoảng 10-21-10-20 s với chùm năng lượng cao. Có rất nhiều mẫu hạt nhân đã được đưa ra để giải thích cơ chế của các phản ứng hạt nhân. Mỗi mẫu chỉ có thể áp dụng cho một hoặc một vài loại phản ứng hạt nhân. Các định luật bảo toàn Khi một phản ứng hạt nhân xảy ra, dù là trực tiếp hay hợp phần cũng đều bị tri phối bởi các định luật bảo toàn: Định luật bảo toàn điện tích và số baryon: trong phản ứng hạt nhân, tổng điện tích của hạt tới tham gia phản ứng bằng với tổng điện tích của các hạt sản phẩm.

Và trong bất kỳ phản ứng hạt nhân nào, tổng số barion phải là một hằng số. Định luật bảo toàn số barion cho phép giải thích tính bền vững của proton [7]. Lê Tuấn Anh 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Định luật bảo toàn năng lượng: phát biểu là năng lượng toàn phần trước phản ứng và sau phản ứng bằng nhau. Đối với quá trình (1.1) định luật bảo toàn năng lượng được viết: E01 T1 E02 T2 (1.1) trong đó E01, E02 lần lượt là tổng năng lượng nghỉ của các hạt trước và sau phản ứng.

Còn T1, T2 lần lượt là tổng động năng của các hạt trước và sau phản ứng [7]. Định luật bảo toàn moment động lượng: trong phản ứng A(a,b)B, gọi , , , là moment động lượng của các hạt tham gia phản ứng, định luật bảo toàn moment động lượng được viết:     pa p A pB pb (1.2) Định luật bảo toàn moment góc: tổng moment góc của các hạt tham gia phản ứng là bảo toàn cũng như thành phần hình chiếu lên phương được chọn. Áp dụng cho phản ứng A(a,b)B ta có:       ia I A l Aa I B ib lBb (1.3) với , , , là spin tương ứng với các hạt tham gia phản ứng. Các spin này có thể đo bằng thực nghiệm hoặc tính toán (dùng mẫu vỏ).

Proton có spin là ½, các hạt nhân chẵn-chẵn có spin bằng không. Spin của hạt nhân là moment góc riêng của hạt nhân ở trạng thái cơ bản. Các đại lượng , là moment góc quỹ đạo của các cặp hạt tương ứng, đặc trưng cho chuyển động tương đối giữa các hạt. Momen quỹ đạo góc nhận các giá trị nguyên (0,1,2.) và giá trị cụ thể được xác định thông qua bản chất chuyển động của các hạt [7].

Định luật bảo toàn chẵn lẻ: Trong tương tác điện từ và tương tác mạnh, tính chẵn lẻ được bảo toàn. Phản ứng hạt nhân cũng thuộc vào các loại tương tác này, nên định luật bảo toàn chẵn lẻ cũng có giá trị. Xét phản ứng A(a,b)B, định luật bảo toàn chẵn lẻ được viết: Pa PA ( 1)lAa PB Pb ( 1)lBb (1.4) Lê Tuấn Anh 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Pa, PA, PB, Pb là tính chẵn lẻ riêng tương ứng với từng hạt tham gia phản ứng. Cũng như các định luật bảo toàn khác, định luật bảo toàn chẵn lẽ dẫn đến quy tắc chọn lọc làm giới hạn các phản ứng có thể xảy ra.

Định luật bảo toàn spin đồng vị: Xét phản ứng A(a,b)B thuộc loại tương tác mạnh, nên cũng tuân theo định luật bảo toàn spin đồng vị. Theo định luật này thì spin toàn phần của các hạt trước và sau phản ứng bằng nhau:     Ta TA TB Tb (1.5) Spin đồng vị đặc trưng cho mức hạt nhân, có nghĩa là các hạt nhân ở các trạng thái năng lượng khác nhau thì có spin đồng vị khác nhau, thay đổi từ Tmin=(N-Z)/2 đến Tmax=A/2. Trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích yếu nhận giá trị spin đồng vị thấp nhất [7]. Các định luật bảo toàn đưa ra giới hạn nhất định đối với phản ứng hạt nhân, và do đó cho phép chúng ta viết ra được chính xác các phản ứng hạt nhân có thể xảy ra và có được các thông tin quan trọng về các đặc tính của các hạt tham gia phản ứng và các hạt sản phẩm.

Nghiên cứu các phản ứng hạt nhân chính là việc đo đạc tiết diện phản ứng vi phân như là hàm của năng lượng, cũng như các thông số khác của hạt bay ra, và xác định phân bố góc và năng lượng của các hạt sản phẩm cũng như các trạng thái lượng tử của chúng. Động học phản ứng hạt nhân Xét phản ứng A(a,b)B, theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có: (ma mA )c2 Ta TA (mb mB )c 2 Tb TB (1.6) trong đó T là động năng của các hạt, m là khối lượng nghỉ. Giá trị Q của phản ứng được định nghĩa là tổng năng lượng nghỉ trước phản ứng trừ đi tổng năng lượng nghỉ sau phản ứng: Q (minitial m final )c 2 Tinitial T final Tb TB Ta TA (1.7) Giá trị Q có thể là âm, dương hoặc bằng không. Nếu Q>0 ( ) phản ứng được gọi là tỏa nhiệt, khi đó năng lượng liên kết giải phóng dưới dạng động năng của các hạt sản phẩm.

Nếu Q<0 ( ) phản ứng được gọi là thu nhiệt, và trong trường hợp này động năng của các hạt ban đầu chuyển thành Lê Tuấn Anh 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp năng lượng liên kết. Theo thuyết tương đối, sự thay đổi giữa năng lượng và khối lượng phải thỏa mãn hệ thức ΔE=Δmc2. Các phương trình (1.7) đúng cho bất kỳ hệ quy chiếu nào. Xét trong hệ quy chiếu phòng thí nghiệm, khi đó coi hạt nhân bia đứng yên.

Áp dụng định luật bảo toàn động lượng ta có: pa pb cos pB cos (1.8) 0 pb sin pB sin (1.9) trong phản ứng, Q coi như đã biết, Ta là thông số điều khiển được, khi đó phương trình (1.