Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Các Phản Ứng Hạt Nhân Thiết Yếu Trong Thiên Văn Học

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu các phản ứng hạt nhân quan trọng trong thiên văn học, góp phần hiểu sâu hơn về nguồn gốc và tiến hóa của vũ trụ.

Trường đại học

Vietnam Atomic Energy Institute

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

thesis

2013

153
2
0

Phí lưu trữ

45 Point

Mục lục chi tiết

Statement of authorship

Acknowledgements

Symbols and abbreviation

Contents

1. CHƯƠNG 1: OVERVIEW

1.1. Origin of matter in the universe

1.2. Nucleosynthesis on stars

1.3. Nucleosynthesis involving up to Fe

1.4. Nucleosynthesis involving beyond Fe

1.5. Type II Supernovae

1.6. Motivation of the study of 26Si and 22Mg(α,α)22Mg scattering

1.7. Reaction rate of 22Mg(α,p)25Al

1.8. Distribution of 26Al in the Galaxy

1.9. Nuclear structure of 26Si above α-threshold

1.10. The goals of this work

1.11. Stellar reaction rate

1.12. Non-resonant reaction rate

1.13. Resonant reaction rate

1.14. Experimental measurement of 22Mg + α reaction

1.15. Estimation of the interest energy region

1.16. Thick target in inverse kinematic mechanism

1.17. Beam monitor PPAC

1.18. Design of the silicon-detector telescopes

1.19. Design the active-gas-target detector GEM-MSTPC

1.20. Setup of 22Mg + α reaction

1.21. Radioactive Ion beam production of 22Mg

1.22. Estimation of the production reactions

1.23. 22Mg beam production

2. CHƯƠNG 2: DATA ANALYSIS AND RESULTS

2.1. RI beam identification

2.2. Energy loss correction

2.3. Data analysis of 22Mg(α,α)22Mg

2.4. Computer codes for data analysis

2.5. Differential cross section and resonances

2.6. R-matrix analysis for 22Mg(α,α)22Mg reaction

2.7. Excited states above the alpha threshold of 26Si

2.8. Rate of the stellar reaction 22Mg(α,p)25Al

3. CHƯƠNG 3: CONCLUSION AND OUTLOOK

Appendix

A. Energy calibration and Energy loss correction

B. Several main computer codes which were used for data analysis

C. Geometry solution for scattering angles

D. Transformation between the Laboratory and the Center-of-Mass Frame

E. A part of energy levels of 24Mg

F. The rate of the 22Mg+α interaction calculated by NON-SMOKER code

G. Several photos during this work

H. The proof of the experiment at CRIB facility

List of figures

List of tables

Abstract

Tóm tắt

I. Phản ứng hạt nhân và thiên văn học

Phản ứng hạt nhân đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu các hiện tượng thiên văn. Các phản ứng hạt nhân xảy ra trong các ngôi sao và siêu tân tinh là nền tảng cho quá trình tổng hợp hạt nhân, tạo ra các nguyên tố nặng hơn hydro và heli. Thiên văn học kết hợp với vật lý hạt nhân tạo thành lĩnh vực vật lý thiên văn, giúp giải thích nguồn gốc và sự tiến hóa của vũ trụ. Luận văn này tập trung vào việc nghiên cứu phản ứng hạt nhân quan trọng trong các môi trường thiên văn, đặc biệt là phản ứng 22Mg(α,p)25Al, có ý nghĩa lớn trong quá trình tổng hợp hạt nhân trong siêu tân tinh và các vụ nổ tia X.

1.1. Tổng hợp hạt nhân trong các ngôi sao

Quá trình tổng hợp hạt nhân trong các ngôi sao là cơ chế chính tạo ra các nguyên tố nặng. Các phản ứng hạt nhân như chuỗi proton-proton (pp-chain) và chu trình CNO là nền tảng cho sự tiến hóa của các ngôi sao. Nucleosynthesis liên quan đến các phản ứng hạt nhân từ hydro đến sắt và các nguyên tố nặng hơn. Phản ứng 22Mg(α,p)25Al là một trong những phản ứng nhạy cảm trong quá trình này, ảnh hưởng đến sự tiến hóa của các ngôi sao và sự phân bố các nguyên tố trong thiên hà.

1.2. Phản ứng hạt nhân trong siêu tân tinh

Siêu tân tinh loại II là nơi xảy ra các phản ứng hạt nhân mạnh mẽ, tạo ra các nguyên tố nặng hơn sắt. Phản ứng 22Mg(α,p)25Al đóng vai trò quan trọng trong quá trình rp-process, xảy ra trong các vụ nổ tia X và siêu tân tinh. Nghiên cứu này tập trung vào việc đo lường trực tiếp phản ứng này để xác định cấu trúc hạt nhân của 26Si và tính toán tốc độ phản ứng trong các điều kiện nhiệt độ cao của siêu tân tinh.

II. Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

Luận văn sử dụng các phương pháp thực nghiệm hiện đại để nghiên cứu phản ứng hạt nhân. Cơ sở CRIB tại Nhật Bản được sử dụng để tạo chùm ion phóng xạ 22Mg và đo lường phản ứng 22Mg(α,α)22Mg. Các kỹ thuật như thick target in inverse kinematicsactive-gas-target detector GEM-MSTPC được áp dụng để đạt độ chính xác cao trong việc đo lường các thông số phản ứng.

2.1. Sản xuất chùm ion phóng xạ

Chùm ion phóng xạ 22Mg được tạo ra bằng cách bắn phá chùm 20Ne vào bia carbon. Quá trình này được thực hiện tại cơ sở CRIB, sử dụng các thiết bị như Wien FilterPPAC để tách và xác định chùm ion. Kết quả cho thấy chùm 22Mg có độ tinh khiết cao, phù hợp cho các thí nghiệm đo lường phản ứng hạt nhân.

2.2. Thiết kế và thiết lập thí nghiệm

Thí nghiệm được thiết kế với các detector silicon và hệ thống GEM-MSTPC để đo lường năng lượng và góc tán xạ của các hạt sau phản ứng. Các detector được hiệu chuẩn chính xác bằng nguồn alpha và chùm ion phóng xạ. Hệ thống điện tử được thiết lập để thu thập dữ liệu với độ phân giải cao, đảm bảo độ chính xác trong việc phân tích kết quả.

III. Phân tích dữ liệu và kết quả

Dữ liệu từ thí nghiệm được phân tích để xác định các thông số phản ứng và cấu trúc hạt nhân của 26Si. Phương pháp R-matrix được sử dụng để phân tích các trạng thái cộng hưởng và tính toán tốc độ phản ứng 22Mg(α,p)25Al. Kết quả cho thấy các trạng thái cộng hưởng trên ngưỡng alpha của 26Si có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định tốc độ phản ứng trong các điều kiện nhiệt độ cao của siêu tân tinh.

3.1. Xác định các trạng thái cộng hưởng

Các trạng thái cộng hưởng của 26Si được xác định thông qua việc đo lường tiết diện tán xạ alpha. Kết quả cho thấy các trạng thái cộng hưởng có spin và parity khác nhau, ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng 22Mg(α,p)25Al. Phương pháp R-matrix được sử dụng để phân tích các trạng thái này và so sánh với các nghiên cứu trước đây.

3.2. Tính toán tốc độ phản ứng

Tốc độ phản ứng 22Mg(α,p)25Al được tính toán dựa trên các trạng thái cộng hưởng xác định được từ thí nghiệm. Kết quả cho thấy tốc độ phản ứng tăng đáng kể trong các điều kiện nhiệt độ cao, phù hợp với môi trường của siêu tân tinh và các vụ nổ tia X. Kết quả này cung cấp thông tin quan trọng cho các mô hình tiến hóa sao và sự phân bố các nguyên tố trong thiên hà.

02/03/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING MINISTRY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY VIETNAM ATOMIC ENERGY INSTITUTE ------ ------ Nguyen Ngoc Duy STUDY OF NUCLEAR REACTIONS FOR ASTROPHYSICS Thesis Submitted for the Doctoral Degree of Science Hanoi – 2013 e MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING MINISTRY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY VIETNAM ATOMIC ENERGY INSTITUTE ------ ------ Nguyen Ngoc Duy STUDY OF NUCLEAR REACTIONS FOR ASTROPHYSICS Subject: Atomic and Nuclear Physics. Code number: 62 44 05 01 Thesis Submitted for the Doctoral Degree of Science Thesis Supervisors 1. Le Hong Khiem 2. Vuong Huu Tan Hanoi - 2013 e Statement of authorship I hereby certify that the present dissertation is my own research work under guidance of my supervisors.

All the data and results presented in this dissertation are true and correct. They are based on the results and conclusions of eleven papers written in co- authorship with my collaborators. All of them have been published in peer-review journals and science reports. These results have also been reported at European Nuclear Physics Conference 2012 and seminars in Romania, Japan and Vietnam.

This approbation process guarantees that these results have never been published by anyone else in any other works or articles. Some results from other studies used to compare and discuss with our new data are noted clearly as references. Nguyen Ngoc Duy i-1 e Acknowledgements First, I would like to thank my supervisors in Vietnam, Ass. Le Hong Khiem and Ass.

Vuong Huu Tan. They are my good supervisors since they are always able to give me kind suggestions and talk with me like a friend. As the supervisors, they are very kind to give me scientific knowledge. They give me a chance to go abroad to study at many classes and attend many wonderful conferences.

They teach and direct me carefully to complete this thesis. Second, I would like to give my deeply thank to my supervisor in Japan, Prof. Shigeru Kubono at the University of Tokyo. He is not only a famous scientist but also a very kind supervisor.

He always very nicely gives me clear and patient guidance that helps me to conduct my research. He supports me in science as well as finance to study and perform the experiment of this work during I stay in Japan. I also owe my thanks to Dr. Pham Dinh Khang, Ass.

Nguyen Nhi Dien and Dr. Phu Chi Hoa who give me many meaningful advices and help me to finish the PhD course. Thanks to their kind encouragement and organization for the thesis committee. It would be inappropriate not to mention Dr.

Nguyen Xuan Hai, Dr. Dam Nguyen Binh and Mr. Nguyen Duy Ly for their kind discussion. I must emphasize their readiness to share their knowledge and experience.

I would also like to thank all of our collaborators at the CRIB facility for their help to perform my experiment successfully. I especially thank Dr. Hidetoshi Yamaguchi and David Miles Kahl at CNS who helped me with their best efforts during the beam time. Last but not least, I thank my family and my friends for supporting me all the time.

This thesis is as a present sent to my lovely departed father. Although he was very sore because of cancer, during his hospital time, he encouraged me a lot. i-2 e Symbols and abbreviation List of Symbols and Abbreviations ADC : Analoge – Digital Converter. CAMAC : Computer Automated Measurement and Control.

enA : electron-nanoAmpere. FADC : Flash ADC. GK : Giga Kelvin (109 K) GSI : The GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research. GEM : Gas-Electron Multiplier.

HDD : Hard disk. JINA : Joint Institute for Nuclear Astrophysics-Michigan State University K : temperature scale Kelvin. keV : kilo-electron-Volt. kHz : kilo Hertz.

kV : kilo-Volt. MeV : Mega-electronVolt. MeV/u : Mega-electronVolt per nucleon. i-3 e Symbols and abbreviation MHz : Mega-Hertz.

MK : Mega-Kelvin (106 K) mm : millimeter. msr : mili-steradian. mV : mili-Volt. n : neutron or the number of events.

nm : nano-meter (10-9 m) ns : nano-second (10-9 s) NSCL : National Superconducting Cyclotron Laboratory (Michigan USA) p : proton. pC : pico-Coulomb (10-12 C). ps : pico-second (10-12 s). PID : Particle Identification.

q : charge of particles. RF : Radio Frequency of accelerator. RI : Radioactive Ion. sccm : Standard Cubic Centimeters per Minute.

T : temperature or Tesla. T1/2 : half-life of isotopes. T6 : temperature in the scale of 106 T9 : temperature in the scale of 109. TDC : time-to-digital converter.

Tm : Tesla-meter (Magnetic field). i-4 e Symbols and abbreviation torr : unit of pressure (torricelli). TRIUMF : Canada's national laboratory for particle and nuclear physics. VME : Computer control interface for data acquisition of experiment.

µ : reduce mass of nuclear system. amu : atomic mass unit. i-5 e Contents CONTENTS Overview. Origin of matter in the universe.

Nucleosynthesis on stars. Nucleosynthesis involving up to Fe. Nucleosynthesis involving beyond Fe. Type II Supernovae.

Motivation of the study of 26Si and 22Mg(α,α)22Mg scattering. Reaction rate of 22Mg(α,p)25Al. Distribution of 26Al in the Galaxy. Reaction rate of 25Al(p,γ)26Si.

Nuclear structure of 26Si above α-threshold. The goals of this work. Stellar reaction rate. Non-resonant reaction rate.

Resonant reaction rate. Experimental measurement of 22Mg + α reaction. Estimation of the interest energy region. Thick target in inverse kinematic mechanism.

Beam monitor PPAC. Design of the silicon-detector telescopes. Design the active-gas-target detector GEM-MSTPC. Setup of 22Mg + α reaction.

Radioactive Ion beam production of 22Mg. Estimation of the production reactions. 22Mg beam production. Data Analysis and Results.

RI beam identification. Energy loss correction. Data analysis of 22Mg(α,α)22Mg. Computer codes for data analysis.

Differential cross section and resonances. R-matrix analysis for 22Mg(α,α)22Mg reaction. Excited states above the alpha threshold of 26Si. Rate of the stellar reaction 22Mg(α,p)25Al.

81 Conclusion and Outlook. 89 i-7 e Contents List of Publications. 94 Appendix Appendix A: Energy calibration and Energy loss correction. A-1 Appendix B: Several main computer codes which were used for data analysis.

A-3 Appendix C: Geometry solution for scattering angles. A-23 Appendix D: Transformation between the Laboratory and the Center-of-Mass Frame. A-26 Appendix E: A part of energy levels of 24Mg. A-28 Appendix F: The rate of the 22Mg+α interaction calculated by NON-SMOKER code.

A-29 Appendix G: Several photos during this work. A-30 Appendix H: The proof of the experiment at CRIB facility. A-32 i-8 e List of figures Figure 1. Abundance ratio of isotopes to Silicon (106) in the Solar system.

Potential of 22Mg and 22Mg(α,p)25Al reaction in the hydrongen burning via NeNa-MgAl cycles. Nuclear level scheme of 26Si and its mirror nucleus, 26Mg. Gamow window is as a result of high energies following Maxwellian distribution and Coulomb barrier penentrability of particles. Resonant reaction is processed via compound mechanism.

An enhance of the narrow resonance. Illustration of excitation function measurement by using thick target in inverse kinematics. A plane view of the CRIB separator. Design of the cryogenic gas target system at CRIB.

Side view of the Wien Filter structure. Structure of the monitor PPAC. An image of SSD with 16 strips is similar to the 8-strips SSD. Schematic of downstream telescopes (a) and side telescopes (b).

Main structure of the active-target detector GEM-MSTPC. Schematic of proportional counter region with GEM foils and read- out pad structure. Setup of the experiment using GEM-MSTPC. Top view of detector system inside the reaction chamber.

A diagram of electronic system for the experiment. The diagram of electronic system for trigger and DAQ. The TDC and ADC were installed in VME and CAMAC, while the Flash ADCs COPPER were mounted in VME. Timing chart of the coincident gate for out-put trigger.

The yield of radioactive beam 22Mg is as a function of primary beam current of 20Ne. The error bar (7%) indicate the fluctuation of intensity of 22Mg due to small instability of 20Ne from the ion source HyperECR. The plot shows particle identification at F2 based on time of flight (ToF) and energy E from measured data (a) and simulation (b). It points out that the 22Mg12+ can be distinguished easily from other contaminants.

The histogram indicates X-position of the particles on the PPACa at F3 plane. Here, the main contaminants are only primary beam 20Ne10+ and 21Na11+. We can distinguish the interested beam by RF signal and energy at F3. The beam was focused on the target at the F3 focal plane.

Energy spectrum of triple-alpha source was measured by strip No. The inset shows correlation between alpha energy and channel of the calibration. Calibration of high-gain region with triple-alpha source. Calibration of low-gain region during experiment schedule with the RI beam including 20Ne10+, 21Na11+ and 22Mg12+.

Bragg curves of 22Mg, 21Na and 20Ne were measured by the active target detector. The 22Mg12+ was gated by using the windows of ∆E- Pad number. Identification of ejectiles coming from the reaction by the ∆E-E method. The measured and calculated energy loss of 22Mg at 18.48 MeV after passing through He+CO2 (10%) with different pressures.

The measured and calculated energy loss of alpha at 5.795 MeV after passing through He+CO2 (10%) with different pressures. Fitting curve of energy loss of 22Mg was measured and calculated by SRIM2010. Fitting curve of energy loss of alpha which was measured and calculated by SRIM2010. Data channels in each event which is needed to be extracted in the algorithm.

Gating 22Mg beam based on energy loss distribution in one pad. Schematic of the kinematic solutions. Energy uncertainty as a function of reaction energy at different angles. The illustration of solid angle determination in a given angular range.

The excitation function of the alpha scattering cross sections in center-of-mass system at θlab = 0 - 5 degrees. The excitation function of the alpha scattering cross sections in center-of-mass system at θlab = 5 - 10 degrees. The best fitting curve by R-matrix analysis with Jπ of the first and the last resonances are 2+ and 0+, respectively. Reaction rates of the stellar reaction 22Mg(α,p)25Al calculated by resonant states in 26Si from the alpha scattering measurement in the energy region corresponding to stellar temperature of 1.

The result which is out of the temperature range is extrapolation. Reaction rates for 22Mg(p,γ)23Al reported in ref [105]. Reaction rates were calculated from the experimental cross sections in this work (solid line) and from the statistical cross sections obtained by NON-SMOKERWEB (dash line). S-factor as a function of energy.

Geomertry of the detector setup. A sketch of SSD telescopes including segments which are used to calculate the scattering angles. The relationship between laboratory and center-of-mass frames A-26 i-11 e Photo G. Analog signal from readout pad of GEM-MSTPC.

The production target vessel and liquid nitrogen bottle were being prepared for the experiment at CRIB. GEM-MSTPC inside F3 chamber. A part of electronic system for DAQ of the experiment. Preparation for the experiment.

A-31 i-12 e List of tables Table 1. A summary of pp-chain in Hydrogen burning process. List of main reaction chains of hydrogen burning in CNO and Hot CNO cycles. Parameters of Gamow windows in the interest energy region.

Details of CRIB design. Operating bias which were Alied to the GEM-MSTPC during the experiment. Energies of alpha emitted from the isotopes in the source. The calibrated parameters for the low- and high-gain regions.

The open channels of (22Mg + α) interaction at Ecm = 3. Fitting parameters of measurement and SRIM calculation. Format of the file containing parameters of each event. Relative energies of resonances obtained from the excitation function of cross sections, which would be used to input into AZURE code.

The initial parameters of Eresonances for AZURE .

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Nghiên cứu phản ứng hạt nhân quan trọng trong thiên văn học - Luận văn thạc sĩ là một tài liệu chuyên sâu tập trung vào việc phân tích các phản ứng hạt nhân đóng vai trò then chốt trong lĩnh vực thiên văn học. Nghiên cứu này không chỉ làm sáng tỏ các quá trình vật lý hạt nhân diễn ra trong vũ trụ mà còn cung cấp cái nhìn sâu sắc về sự hình thành và tiến hóa của các ngôi sao, hành tinh và các thiên thể khác. Đối với độc giả, tài liệu này mang lại giá trị lớn trong việc hiểu rõ hơn về cơ chế vận hành của vũ trụ, đồng thời mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực vật lý thiên văn và năng lượng hạt nhân.

Để mở rộng kiến thức về các nghiên cứu chuyên sâu khác, bạn có thể tham khảo 2 tóm tắt luận án tiến sĩ tiếng việt ncs nguyễn khắc tấn, một tài liệu cung cấp cái nhìn tổng quan về các nghiên cứu khoa học ở cấp độ cao hơn. Ngoài ra, Luận văn thạc sĩ khoa học xác định mức độ ô nhiễm các hợp chất hydrocarbons thơm đa vòng pahs trong trà cà phê tại việt nam và đánh giá rủi ro đến sức khỏe con người cũng là một nghiên cứu đáng chú ý, giúp hiểu rõ hơn về tác động của các chất hóa học đến môi trường và sức khỏe. Cuối cùng, Luận văn đề xuất các giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả áp dụng sẽ cung cấp những phương pháp hữu ích để tối ưu hóa quá trình nghiên cứu khoa học.