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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nghiên cứu tương tác giữa chùm hạt tích điện nhẹ và vật chất đóng vai trò then chốt trong vật lý hạt nhân hiện đại. Tại mức năng lượng proton 27 MeV từ máy gia tốc Cyclotron KIRAMS - MC50, các phản ứng hạt nhân trên bia Molipđen tự nhiên (natMo) và Ziconi tự nhiên (natZr) mở ra tiềm năng to lớn trong việc sản xuất đồng vị phóng xạ y học cũng như đánh giá độ an toàn vật liệu lò phản ứng. Vấn đề cốt lõi đặt ra là số liệu thực nghiệm về suất lượng và tiết diện phản ứng gây bởi proton đối với các bia nguyên tố tự nhiên hiện nay còn khá hạn chế, đồng thời mức độ tương thích giữa mô hình lý thuyết thống kê với dữ liệu đo đạc thực tế chưa đạt độ chuẩn xác cao.

Mục tiêu cụ thể của công trình là xác định chính xác suất lượng, tiết diện phản ứng và tỷ số tiết diện tạo cặp đồng phân 89m,gNb trên các bia kim loại độ tinh khiết cao. Nghiên cứu được thực hiện tại Viện Khoa học Y học Phóng xạ Hàn Quốc (KIRAMS) kết hợp với quá trình xử lý số liệu tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội. Ý nghĩa của đề tài được lượng hóa rõ nét thông qua việc cung cấp tập dữ liệu hạt nhân thực nghiệm với độ không đảm bảo đo được kiểm soát chặt chẽ dưới 7%, phục vụ trực tiếp cho việc tối ưu hóa hiệu suất điều chế các dược chất phóng xạ như 99mTc, 94mTc, 96Tc và 89Zr dùng trong kỹ thuật chụp cắt lớp phát xạ positron (PET) và SPECT, đồng thời nâng cao độ chính xác khi tính toán che chắn an toàn bức xạ hạt nhân.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu dựa trên mô hình phản ứng hạt nhân hợp phần của Niels Bohr kết hợp với mô hình tiền cân bằng và cơ chế tương tác trực tiếp. Khi hạt proton mang động năng 27 MeV va chạm với hạt nhân bia, quá trình truyền năng lượng kích thích diễn ra qua các tầng va chạm nội hạt nhân trước khi hệ đạt trạng thái cân bằng thống kê. Sự tương tác của hạt tích điện nhẹ với hạt nhân bia chịu sự chi phối mạnh mẽ bởi hàng rào thế Coulomb và hàng rào thế xuyên tâm, quyết định xác suất đâm xuyên và phân bố góc của các hạt phát ra.

Các khái niệm then chốt bao gồm: suất lượng phản ứng (Yield - Y), biểu thị số biến đổi hạt nhân xảy ra trên một đơn vị khối lượng bia trong một đơn vị thời gian dưới tác dụng của dòng hạt tới; tiết diện phản ứng vi phân và toàn phần, đo lường xác suất tương tác; tỷ số tiết diện đồng phân (Isomeric cross-section ratio), phản ánh sự phụ thuộc của spin vào mật độ mức năng lượng hạt nhân; và định luật dừng Bethe-Bloch mô tả sự suy giảm năng lượng của hạt tích điện khi truyền qua môi trường vật chất.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kích hoạt proton kết hợp kỹ thuật phổ kế gamma độ phân giải cao. Cỡ mẫu thực nghiệm gồm 3 lá kim loại mỏng độc lập: lá natMo có bề dày 0.1 mm (độ giàu đồng vị 92Mo chiếm 14.63%), lá natZr có bề dày 0.1 mm (độ giàu đồng vị 90Zr chiếm 51.8%) và lá monitor chuẩn natCu có bề dày 0.1 mm (độ giàu đồng vị 63Cu chiếm 69.2%). Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu kim loại lá nguyên chất công nghiệp với độ tinh khiết đạt trên 99.9% nhằm loại trừ hoàn toàn các tương tác hạt nhân từ tạp chất gây nhiễu phổ đo.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích phổ gamma bán dẫn Ge siêu tinh khiết (HPGe model GMX 20P, điện áp phân cực 2500V, độ phân giải FWHM đạt 1.8 keV tại đỉnh 1332 keV của 60Co) là vì hệ đo này có khả năng tách các đỉnh phổ năng lượng rất gần nhau và giảm thiểu sai số chồng chập xung. Timeline thực nghiệm được kiểm soát nghiêm ngặt: mẫu natMo được chiếu xạ trong 10 phút với cường độ dòng proton 2.5 µA, mẫu natZr và natCu được chiếu trong 3 phút với dòng 50 nA. Hoạt độ phóng xạ được đo lặp lại nhiều lần với các mốc thời gian làm nguội từ 1070 giây đến 83400 giây và thời gian đo từ 300 giây đến 1200 giây để định danh chính xác các đồng vị sống ngắn và sống dài.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích số liệu phổ gamma bằng phần mềm chuyên dụng GammaVision 5.1 đã mang lại 4 phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, trên bia natMo, nghiên cứu đã nhận diện và định lượng chính xác 4 đồng vị technetium phóng xạ gồm 93gTc, 94gTc, 95gTc và 96gTc, trong đó đồng vị 93gTc (chu kỳ bán rã 2.75 giờ) đạt suất lượng thực nghiệm lên tới 1.13 x 10^5 phân rã/giây/mg/µA, còn 96gTc có chu kỳ bán rã dài 4.28 ngày.

Thứ hai, trên bia natZr, hệ đo đã xác định được 4 hạt nhân sản phẩm gồm 89mNb, 89gNb, 90gNb và 89Zr. Đáng chú ý, đồng vị 89Zr có chu kỳ bán rã 78.41 giờ được ghi nhận với hoạt độ rõ nét, khẳng định kênh phản ứng natZr(p,xn)89Zr là giải pháp hữu hiệu để sản xuất hạt nhân đánh dấu cho kháng thể miễn dịch.

Thứ ba, tỷ số tiết diện tạo cặp đồng phân 89m,gNb từ phản ứng natZr(p,xn)89m,gNb được xác định chính xác thông qua việc giải hệ phương trình vi phân biến thiên số hạt nhân mẹ - con, chứng minh sự chi phối của hiệu ứng mômen động lượng quỹ đạo lên mật độ mức kích thích.

Thứ tư, mô phỏng truyền hạt bằng phần mềm SRIM-2008 cho thấy độ suy giảm năng lượng của chùm proton 27 MeV khi xuyên qua lá Zr 0.1 mm giảm xuống còn 26.0 MeV, qua lá Cu giảm còn 25.1 MeV và qua lá Mo giảm còn 25.4 MeV, tương ứng mức mất mát năng lượng từ 3.7% đến 7.0%.

Thảo luận kết quả

Các kết quả thực nghiệm phản ánh rõ nét bản chất cơ chế phản ứng hạt nhân ở vùng năng lượng trung bình. Ở mức 27 MeV, năng lượng hạt tới vượt qua hàng rào thế Coulomb (khoảng 8.5 MeV đối với Zr và 9.2 MeV đối với Mo), khiến phản ứng bốc bay nhiều neutron (p,xn) chiếm ưu thế áp đảo. Dữ liệu thực nghiệm được trình bày trực quan thông qua đồ thị hàm kích thích và bảng phân bố suất lượng theo năng lượng hạt tới, giúp phân biệt rõ ràng đóng góp của quá trình kích hoạt trực tiếp và phân rã nối tầng.

So sánh với cơ sở dữ liệu hạt nhân quốc tế EXFOR của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) và các tính toán lý thuyết từ mô hình TALYS, số liệu đo đạc của luận văn có độ tương thích cao với độ lệch tương đối chỉ dao động trong khoảng 8% đến 12%. Sự sai khác nhỏ này được giải thích là do các tính toán lý thuyết trước đây chưa tính đầy đủ các hiệu chỉnh tự hấp thụ trong mẫu (được chứng minh là chiếm khoảng 0.01% ở dải 50 - 2000 keV) và hiệu ứng cộng đỉnh (summing effect) gây mất mát số đếm tại các đỉnh gamma kép như tia 778 keV và 848.9 keV của 96gTc.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm phát huy giá trị ứng dụng của các kết quả nghiên cứu, 4 đề xuất chiến lược được đưa ra như sau:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình sản xuất đồng vị phóng xạ y học: Các trung tâm cyclotron y tế (như Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt và các bệnh viện lớn) cần ứng dụng cấu hình chiếu xạ proton dải năng lượng 20 - 27 MeV trên bia natMo và natZr để tối ưu hóa sản lượng hoạt độ phóng xạ 89Zr và 99mTc, hướng tới mục tiêu tăng hiệu suất thu nhận dược chất thêm 20% trong giai đoạn 2026 - 2028.

Thứ hai, tích hợp dữ liệu vào hệ thống thư viện hạt nhân quốc gia: Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam chủ trì việc cập nhật các giá trị suất lượng và tiết diện phản ứng thực nghiệm thu được vào cơ sở dữ liệu số liệu hạt nhân quốc gia trước quý 4 năm 2027, làm tài liệu tham chiếu chuẩn cho các tính toán che chắn bức xạ máy gia tốc.

Thứ ba, nâng cấp thuật toán xử lý phổ phóng xạ: Các phòng thí nghiệm phân tích hạt nhân cần triển khai áp dụng các thuật toán hiệu chỉnh tự động cho hiệu ứng cộng đỉnh và tự hấp thụ trên phần mềm phổ kế HPGe, đảm bảo giảm thiểu sai số đo lường xuống dưới mức 3% từ năm 2026.

Thứ tư, quan trắc độ hao mòn vật liệu vỏ bọc thanh nhiên liệu: Các đơn vị quản lý lò phản ứng nghiên cứu cần định kỳ 6 tháng một lần thực hiện đánh giá sự tích tụ hoạt độ phóng xạ và độ suy giảm cơ lý hóa của các hợp kim chứa Zirconium dưới tác động của thông lượng hạt mang điện và neutron nhanh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cao cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

Nhà nghiên cứu vật lý hạt nhân thực nghiệm: Tiếp cận phương pháp kích hoạt hạt nhân tiên tiến, kỹ thuật đo phổ gamma bán dẫn HPGe và thuật toán xử lý số liệu hiệu chỉnh sai số chính xác.

Bác sĩ và chuyên gia y học hạt nhân: Nắm bắt các thông số vật lý và chu kỳ phân rã của các đồng vị 89Zr, 96Tc, 94gTc để ứng dụng trong thiết kế dược chất phóng xạ chẩn đoán khối u qua xạ hình PET/SPECT.

Kỹ sư thiết kế máy gia tốc và lò phản ứng hạt nhân: Khai thác số liệu về độ suy giảm năng lượng chùm proton và tiết diện phản ứng trên vật liệu Mo, Zr nhằm tính toán độ bền vật liệu và hệ thống tường che chắn an toàn bức xạ.

Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Hạt nhân: Sử dụng làm tài liệu học tập chuẩn mực về động học phản ứng hạt nhân, nguyên lý máy gia tốc cyclotron AVF và kỹ năng thực hành phân tích phổ kế phóng xạ.

Câu hỏi thường gặp

Suất lượng phản ứng hạt nhân khác với tiết diện phản ứng như thế nào? Suất lượng phản ứng biểu thị số biến đổi hạt nhân thực tế xảy ra trên một đơn vị khối lượng bia trong một đơn vị thời gian dưới một thông lượng hạt tới xác định. Trong khi đó, tiết diện phản ứng là một đại lượng vật lý đặc trưng cho xác suất xảy ra tương tác giữa một hạt đạn và một hạt nhân bia đơn lẻ, không phụ thuộc vào khối lượng mẫu đo.

Tại sao đồng vị Molipđen và Ziconi lại được lựa chọn để chiếu xạ proton? Molipđen và Ziconi là hai vật liệu nền tảng trong công nghệ hạt nhân; Ziconi có tiết diện bắt neutron thấp nên chuyên dùng làm vỏ thanh nhiên liệu, còn Molipđen là tiền chất điều chế các đồng vị Technetium y học. Nghiên cứu tương tác proton giúp giải quyết đồng thời bài toán an toàn bức xạ và bài toán sản xuất đồng vị chẩn đoán.

Vai trò của lá kim loại Đồng trong thí nghiệm là gì? Lá đồng tự nhiên được đặt cùng vị trí bia để làm monitor chuẩn đo thông lượng dòng proton thông qua phản ứng 65Cu(p,n)62Zn với đỉnh phát xạ gamma 548.35 keV. Phương pháp gián tiếp này giúp xác định chính xác mật độ dòng hạt tới mà không cần sử dụng hệ thống đo dòng Faraday cup phức tạp và đắt tiền.

Tại sao bắt buộc phải hiệu chỉnh hiệu ứng cộng đỉnh trong phép đo HPGe? Khi hai tia gamma phát ra đồng thời trong một chuỗi phân rã nối tầng đi vào detector cùng lúc, hệ ghi nhận sẽ xem đó là một xung duy nhất có năng lượng tổng. Điều này làm sụt giảm giả tạo diện tích của các đỉnh năng lượng thành phần, dẫn đến sai số âm trong phép tính hoạt độ phóng xạ nếu không được hiệu chỉnh.

Dữ liệu của luận văn đóng góp gì cho công nghệ sản xuất đồng vị phóng xạ y học? Luận văn cung cấp chính xác ngưỡng năng lượng, suất lượng và thời gian chiếu xạ tối ưu để tạo ra các đồng vị sạch như 89Zr (thời gian bán rã 78.41 giờ) và 93gTc (2.75 giờ). Các thông số này giúp các cơ sở cyclotron y tế thiết lập quy trình điều chế dược chất với độ tinh khiết hạt nhân phóng xạ cao nhất.

Kết luận

• Xác định thành công suất lượng và tiết diện của các phản ứng hạt nhân trên bia natMo và natZr dưới chùm proton 27 MeV tại máy gia tốc Cyclotron KIRAMS - MC50.
• Nhận diện và định lượng chính xác 8 đồng vị phóng xạ quan trọng gồm 93gTc, 94gTc, 95gTc, 96gTc, 89mNb, 89gNb, 90gNb và 89Zr với độ tin cậy thực nghiệm cao.
• Thiết lập quy trình hiệu chỉnh hoàn chỉnh cho hiệu ứng tự hấp thụ, cộng đỉnh phổ gamma và độ suy giảm năng lượng proton bằng mô phỏng SRIM-2008.
• Tính toán chính xác tỷ số tiết diện tạo cặp đồng phân 89m,gNb, đóng góp dữ liệu thực nghiệm giá trị vào kho tàng vật lý hạt nhân hạt tích điện.
• Mở ra hướng ứng dụng thực tiễn trong công nghệ sản xuất đồng vị y tế PET/SPECT và đánh giá an toàn bức xạ vật liệu lò phản ứng.

Kế hoạch tiếp theo giai đoạn 2026 - 2027 tập trung mở rộng dải năng lượng đo đạc từ 15 MeV đến 50 MeV và thử nghiệm trên các bia đồng vị làm giàu cao. Hãy liên hệ các trung tâm nghiên cứu hạt nhân uy tín để cùng hợp tác, khai thác và chuyển giao công nghệ ứng dụng bức xạ tiên tiến này.

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.