Nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên bia 209Bi gây bởi chùm bức xạ hãm năng lượng 2,5 GeV

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hus nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên bia 209bi gây bởi chùm bức xạ hãm năng lượng cực đại 2, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Bùi Thị Hồng
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Đức Khuê
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
• Đề tài: Nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên bia 209Bi gây bởi chùm bức xạ hãm năng lượng cực đại 2,5 GeV
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: PHẢN ỨNG QUANG HẠT NHÂN VỚI CHÙM PHOTON HÃM NĂNG LƯỢNG CAO
• 1.1. Phản ứng quang hạt nhân
• 1.1.1. Khái niệm phản ứng quang hạt nhân
• 1.1.2. Sự hấp thụ photon bởi hạt nhân
• 1.1.3. Sự khử kích thích của hạt nhân sau khi hấp thụ một photon
• 1.2. Phản ứng photospallation
• 1.3. Phản ứng quang phân hạch
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ TỪ KHÓA
• DANH SÁCH HÌNH VẼ
• DANH SÁCH BẢNG

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên bia 209Bi

Nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên bia 209Bi với chùm bức xạ hãm 2,5 GeV là một lĩnh vực quan trọng trong vật lý hạt nhân. Phản ứng quang hạt nhân xảy ra khi bức xạ gamma tương tác với hạt nhân, dẫn đến sự phát xạ nơtron, proton hoặc các hạt khác. Bia 209Bi được chọn vì tính chất đặc biệt của nó trong các phản ứng hạt nhân. Nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế phản ứng mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong y học và năng lượng hạt nhân.

1.1. Khái niệm và tầm quan trọng của phản ứng quang hạt nhân

Phản ứng quang hạt nhân là quá trình xảy ra khi photon tương tác với hạt nhân, dẫn đến sự phát xạ các hạt như nơtron và proton. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các công nghệ mới trong vật lý hạt nhân và y học. Nghiên cứu này giúp xác định các đồng vị phóng xạ và suất lượng phản ứng, từ đó ứng dụng vào thực tiễn.

1.2. Lịch sử và tiến trình nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân

Nghiên cứu về phản ứng quang hạt nhân bắt đầu từ những năm 1930 và đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển. Các nghiên cứu ban đầu chủ yếu tập trung vào các phản ứng với năng lượng thấp. Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ máy gia tốc, nghiên cứu đã mở rộng đến các năng lượng cao, đặc biệt là 2,5 GeV, cho phép khám phá các cơ chế phức tạp hơn.

II. Thách thức trong nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên bia 209Bi

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân, vẫn tồn tại nhiều thách thức cần giải quyết. Một trong những thách thức lớn nhất là xác định chính xác suất lượng phản ứng và các đồng vị phóng xạ tạo thành. Điều này đòi hỏi các phương pháp thực nghiệm chính xác và công nghệ hiện đại.

2.1. Khó khăn trong việc xác định suất lượng phản ứng

Việc xác định suất lượng phản ứng quang hạt nhân là một thách thức lớn. Các yếu tố như độ chính xác của thiết bị đo và điều kiện thí nghiệm có thể ảnh hưởng đến kết quả. Cần có các phương pháp hiệu chỉnh để đảm bảo độ chính xác cao trong các phép đo.

2.2. Ảnh hưởng của năng lượng chùm bức xạ hãm

Năng lượng của chùm bức xạ hãm 2,5 GeV có thể tạo ra nhiều phản ứng khác nhau. Tuy nhiên, việc kiểm soát và phân tích các phản ứng này là rất phức tạp. Cần có các mô hình lý thuyết và thực nghiệm để dự đoán và phân tích các kết quả.

III. Phương pháp nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân hiệu quả

Để nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên bia 209Bi, các phương pháp thực nghiệm hiện đại được áp dụng. Sử dụng máy gia tốc tuyến tính 2,5 GeV, chùm electron được gia tốc và bắn vào bia W để tạo ra chùm photon hãm. Sau đó, chùm photon này được chiếu vào bia 209Bi để tạo ra các phản ứng quang hạt nhân.

3.1. Sử dụng máy gia tốc tuyến tính 2 5 GeV

Máy gia tốc tuyến tính 2,5 GeV tại trung tâm Pohang, Hàn Quốc, là thiết bị chính trong nghiên cứu này. Nó cho phép tạo ra chùm bức xạ hãm với thông lượng lớn, cần thiết cho các phản ứng quang hạt nhân. Việc điều chỉnh và tối ưu hóa các thông số của máy gia tốc là rất quan trọng để đạt được kết quả tốt nhất.

3.2. Phương pháp ghi nhận phổ gamma

Phương pháp ghi nhận phổ gamma sử dụng đêtector bán dẫn siêu tinh khiết HPGe. Thiết bị này có độ phân giải năng lượng cao, cho phép nhận diện các đồng vị phóng xạ tạo thành sau phản ứng. Các đỉnh năng lượng gamma đặc trưng cho từng đồng vị giúp xác định suất lượng phản ứng một cách chính xác.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên bia 209Bi đã chỉ ra rằng chùm bức xạ hãm 2,5 GeV có thể tạo ra nhiều đồng vị phóng xạ khác nhau. Các số liệu thu được từ thực nghiệm cho thấy suất lượng phản ứng quang phân hạch và phản ứng sinh nhiều nơtron có thể được xác định một cách chính xác.

4.1. Nhận diện các đồng vị phóng xạ

Nghiên cứu đã xác định được nhiều đồng vị phóng xạ từ phản ứng quang hạt nhân. Việc nhận diện này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế phản ứng mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong y học và năng lượng hạt nhân.

4.2. Ứng dụng trong y học và năng lượng hạt nhân

Các đồng vị phóng xạ tạo thành từ phản ứng quang hạt nhân có thể được ứng dụng trong y học, đặc biệt trong chẩn đoán và điều trị bệnh. Ngoài ra, nghiên cứu này cũng có thể đóng góp vào việc phát triển các nguồn năng lượng hạt nhân an toàn và hiệu quả.

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

Nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên bia 209Bi với chùm bức xạ hãm 2,5 GeV đã mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực vật lý hạt nhân. Kết quả nghiên cứu không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có thể ứng dụng thực tiễn trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của công nghệ hiện đại.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong vật lý hạt nhân

Nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu rõ hơn về cấu trúc hạt nhân và các phản ứng hạt nhân. Điều này có thể dẫn đến những phát hiện mới trong vật lý hạt nhân và các ứng dụng thực tiễn.

5.2. Hướng đi mới cho nghiên cứu trong tương lai

Với sự phát triển của công nghệ máy gia tốc và các phương pháp thực nghiệm hiện đại, nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân sẽ tiếp tục mở rộng. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào các năng lượng cao hơn và các loại bia khác nhau để khám phá thêm nhiều cơ chế phản ứng mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Phản ứng quang hạt nhân với chùm photon hãm năng lượng cao 1. Phản ứng quang hạt nhân 1. Khái niệm phản ứng quang hạt nhân Photon là hạt truyền tương tác điện từ. Lực điện từ không chỉ tác động lên toàn bộ hạt nhân mà còn tác động ở mức độ nhỏ hơn nữa của hạt nhân.

Do đó sự tương tác này rất hữu ích cho việc tìm ra các đặc tính chung và từng phần của hạt nhân nguyên tử. Phản ứng quang hạt nhân là phản ứng hạt nhân xảy ra khi có sự tương tác giữa photon với hạt nhân, sau tương tác hạt nhân có thể phát xạ nơtron, proton hoặc các loại hạt khác. Phản ứng quang hạt nhân là phản ứng thu năng lượng, do đó điều kiện để một phản ứng có thể xảy ra là năng lượng photon (Eγ ) phải lớn hơn năng lượng ngưỡng (Eth ). Để có chùm photon với thông lượng và năng lượng lớn, người ta thường sử dụng chùm bức xạ hãm sinh ra khi các electron được gia tốc tương tác với các hạt nhân bia nặng.

4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc s Bùi Thị Hồng Các nghiên cứu về phản ứng quang hạt nhân bắt đầu từ năm 1934, khi mà Chadwick và Goldhaber công bố một báo cáo về phản ứng của đơteri bị bắn phá bởi chùm gamma phát ra từ 208 Tl (E = 2,62 MeV). Cũng trong năm đó, hai báo cáo về phản ứng quang nơtron của 7 Be, một của Chalmers và một của Gentner và Szillard được công bố một cách độc lập. Cho tới khi có nguồn beta năng lượng cao vào đầu những năm 1940, các phản ứng quang hạt nhân chỉ có thể được nghiên cứu là các quá trình phân tách trong 2 D và Be vì chỉ có các nguyên tố này (trừ một vài hạt nhân dễ dàng phân hạch qua phản ứng photofission ở năng lượng thấp) có năng lượng ngưỡng đủ thấp bị phân rã bởi các photon từ các nguồn phóng xạ gamma phát ra. Một ngoại lệ là nghiên cứu của Bothe và Gentner đã sử dụng tia gamma phát ra ngay từ phản ứng proton như môt nguồn kích hoạt.

Các nghiên cứu một cách hệ thống về phản ứng quang hạt nhân bắt đầu vào năm 1950, sử dụng chùm beta, và dữ liệu chính xác đã được xây dựng bắt đầu từ năm 1960. Sử dụng các chùm photon gần như đơn năng (quaisi-monoenergetic photons) sinh ra trong quá trình positron tương tác với vật chất mất năng lượng trên quãng đường bay của nó [6]. Sự hấp thụ photon bởi hạt nhân Phản ứng hạt nhân gây bởi bức xạ điện từ có thể được mô tả bởi hai quá trình. Sự hấp thụ một photon dẫn tới một trạng thái kích thích trung gian của hạt nhân, được gọi là hạt nhân hợp phần, sau đó bị phân rã bằng cách phát xạ photon, nơtron hoặc các hạt tích điện.

Tiết diện toàn phần cho sự hấp thụ photon bởi hạt nhân được biểu diễn trên hình 1. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc s Bùi Thị Hồng Hình 1.1: Tiết diện toàn phần cuả quá trình hấp thụ photon bởi hạt nhân. • Sự kích thích của các mức năng lượng hạt nhân rời rạc: Với năng lượng dưới 10 MeV, các mức năng lượng hạt nhân rời rạc ở trạng thái kích thích. Nếu photon tới chỉ có năng lượng đúng bằng năng lượng để kích thích một mức hạt nhân duy nhất thì tiết diện toàn phần tăng mạnh trên một đỉnh cộng hưởng hẹp.

• Vùng cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ (Giant Resonance): Vùng năng lượng từ 10 - 30 MeV, một cộng hưởng rất rộng được quan sát thấy trong tiết diện hấp thụ photon toàn phần. Trái với sự kích thích các mức năng lượng hạt nhân bị cô lập ở mức năng lượng photon thấp, cái gọi là cộng hưởng khổng lồ được đặc trưng bởi dao động tập thể của proton và nơtron bên trong hạt nhân. Sự đóng góp quan trọng nhất của cộng hưởng khổng lồ được kích thích bởi photon đó là bởi vì chế độ lưỡng cực điện. Cộng hưởng lưỡng cực điện khổng lồ thường được giải thích như là một chuyển động tập thể của toàn bộ proton ngược chiều với toàn bộ nơtron.

• Tương tác với photon năng lượng cao: 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc s Bùi Thị Hồng Với chùm photon tới năng lượng cao bị hấp thụ sẽ tương tác với từng nucleon riêng lẻ hoặc nhóm các nucleon. Sau vùng cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ (30 < E < 140 MeV) các cơ chế tương tác khác trở nên quan trọng, photon tới sẽ ưu tiên tương tác với cặp nucleon nơtron-proton (hay còn gọi là giả đơtron). Trong mô hình này, giả thiết rằng photon tương tác với một cặp n-p (đơtron) bên trong của hạt nhân làm tăng phát xạ nucleon trực tiếp nếu không có sự tham gia của các hạt nhân khác. Do sự tương tác của photon năng lượng cao với chỉ một số ít các nucleon, nên tiết diện hấp thụ là tương đối nhỏ so với vùng cộng hưởng khổng lồ.

Cuối cùng, các photon với năng lượng trên 140 MeV có thể tạo ra pion (pion production). Tương tác giữa photon và các nucleon riêng lẻ bên trong hạt nhân dẫn tới đồng khối được tạo ra bên trong hạt nhân bia, đồng khối này phân rã thành một pion và một nucleon, quá trình này cạnh tranh với quá trình hấp thụ photon của các giả đơtron. Tán xạ của các pion và các nucleon giật lùi cũng như sự hấp thụ các pion bên trong hạt nhân bia tạo thành một thác lũ các nucleon (intranuclear cascade) bên trong hạt nhân và dẫn tới sự phát xạ các nơtron cũng như proton và các pion. Các hạt này cũng phát triển thành quá trình thác lũ nối tầng.

Do sự sinh ra các pion mà tiết diện hấp thụ toàn phần tăng lên lần nữa vượt ra ngoài ngưỡng của quá trình này [6]. Sự khử kích thích của hạt nhân sau khi hấp thụ một photon Năng lượng kích thích có thể được giải phóng từ hạt nhân bởi: • Tái phát xạ một photon có cùng năng lượng với photon tới. Quá trình này được gọi là tán xạ đàn hồi hay phản ứng (γ, γ). • Phát xạ photon với năng lượng thấp hơn.

Loại phản ứng này được biết 0 như là tán xạ photon không đàn hồi hoặc phản ứng (γ, γ ). • Phát xạ nơtron, proton hoặc hạt tích điện hợp phần nếu năng lượng kích thích cuả các hạt nhân vượt quá năng lượng ngưỡng tách hạt. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc s Bùi Thị Hồng Phản ứng quang hạt nhân phụ thuộc mạnh vào năng lượng của chùm photon tới. Tùy theo năng lượng photon tới mà phản ứng quang hạt nhân phát xạ neutron hoặc proton hoặc các loại hạt khác tương ứng với nhiều loại phản ứng khác nhau như: phản ứng (γ, n), (γ, p), phản ứng sinh nhiều neutron (γ, xn), phản ứng photospallation (γ, xnyp); phản ứng tạo pion(γ , π xn), phản ứng phân hạch hạt nhân (γ, f ), hiện tượng phân mảnh (γ, f r),.

Tiết diện toàn phần của phản ứng quang hạt nhân bao gồm: T = σ(γ, n) + σ(γ, p) + σ(γ, xn) + σ(γ, xnyp) + σ(γ, f ) + σ(γ, f r) σγA (1. Phản ứng photospallation Phản ứng spallation liên quan đến các phản ứng hạt nhân xảy ra khi hạt có động năng rất lớn (ví dụ như proton, nơtron, photon hoặc pion) tương tác với hạt nhân nguyên tử, kết quả tạo thành rất nhiều loại sản phẩm khác nhau. Phản ứng spallation có thể coi là một quá trình hai giai đoạn. Trong giai đoạn đầu tiên, hạt sơ cấp tương tác với các nucleon (nơtron và proton) bên trong hạt nhân.

Các phản ứng tiếp theo tạo ra một dòng thác lũ proton, nơtron và pion năng lượng cao (lớn hơn 20 MeV) trong hạt nhân. Suốt quá trình thác lũ, một số hadron mang động năng thoát ra đóng vai trò là các hạt thứ cấp. Số còn lại tích lũy động năng trong hạt nhân và tồn tại ở trạng thái kích thích.Trong giai đoạn thứ 2 (giai đoạn khử kích thích hạt nhân), sự bay hơi diễn ra khi hạt nhân kích thích giải phóng năng lượng bằng cách phát ra các hạt nơtron, proton, anpha năng lượng thấp (nhỏ hơn 20 MeV) với phần lớn là các nơtron. Các nơtron năng lượng thấp được tạo ra trong quá trình khử kích thích là rất quan trọng đối với một nguồn spallation bởi vì chúng có thể được điểu chỉnh (giảm đi) đến năng lượng thấp hơn để sử dụng làm đầu dò nghiên cứu.

Sau khi bay hơi, các hạt nhân còn lại có thể phát xạ và có thể phát xạ tia gamma. Các hạt năng lượng cao thứ cấp được tạo ra trong suốt quá trình thác lũ di chuyển gần theo hướng của hạt tới và có thể va chạm với các hạt nhân khác trong bia. Các phản ứng tiếp theo là một chuỗi các phản ứng thác lũ thứ cấp mà 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc s Bùi Thị Hồng tạo ra nhiều hơn nữa các hạt thứ cấp và nơtron năng lượng thấp. Thác hadronic được gọi là sự tích tụ của tất cả các phản ứng gây bởi hạt sơ cấp và thứ cấp trong bia.

Phản ứng quang phân hạch Hiện tượng quang phân hạch (photofission) ở năng lượng cao là quá trình động học rất phức tạp của sự kích thích các hạt nhân nặng so với quá trình phân hạch gây bởi các hadron (nơtron, proton), do photon tương tác điện từ với các hạt nhân thông qua cộng hưởng khổng lồ, cơ chế giả deutron, và phát xạ pion. Đối với các hạt nhân trước actinide (preactinide) quá trình phân hạch xảy ra ở ngưỡng năng lượng rất cao và chủ yếu do có chế giả deutron và quá trình pion production, các photon tương tác với một cặp nơtron - proton hoặc các nucleon riêng lẻ và truyền phần lớn năng lượng của nó, tuy nhiên lại truyền một momen góc rất nhỏ [10]. Khả năng phân hạch của các hạt nhân preactinide phụ thuộc mạnh vào năng lượng kích thích (Hình 1. Trong đó khả năng phân hạch của các hạt nhân preactinide được xác định bằng tỷ số giữa tiết diện xảy ra phản ứng quang phân hạch trên tiết diện hấp thụ toàn phần xảy ra phản ứng quang hạt nhân.

σf f= σa trong đó: σf là tiết diện phản ứng quang phân hạch hạt nhân và σa là tiết diện hấp thụ toàn phần phản ứng quang hạt nhân. 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc s Bùi Thị Hồng Hình 1.2: Sự phụ thuộc của khả năng phân hạch vào năng lượng photon đối với các bia W, Pt, Au, Pb và Bi. Phân bố suất lượng của các sản phẩm phân hạch theo số khối có dạng đối xứng gauss [11].