Tổng quan nghiên cứu

Nghiên cứu tương tác hạt nhân ở vùng năng lượng siêu cao đóng vai trò nền tảng trong việc khám phá cấu trúc vi mô của vật chất và tối ưu hóa các ứng dụng công nghệ bức xạ hiện đại. Luận văn tập trung khảo sát các phản ứng quang hạt nhân trên bia vật liệu Bismuth tự nhiên $^{209}\text{Bi}$ dưới tác động của chùm bức xạ hãm liên tục có năng lượng cực đại lên tới 2,5 GeV. Thí nghiệm được triển khai đồng bộ tại Trung tâm Gia tốc Pohang (PAL), Hàn Quốc, sử dụng máy gia tốc tuyến tính Linac để gia tốc chùm electron với tổng tích lũy dòng đạt $2,337 \times 10^{14}$ electron, tần số lặp 10 Hz và độ rộng xung 1,5 ns bắn phá vào bia Tungsten (W) dày 1,0 mm nhằm tạo chùm photon hãm thông lượng cao.

Mục tiêu cốt lõi của đề tài là nhận diện toàn diện các đồng vị phóng xạ hình thành sau quá trình kích hoạt photon, đồng thời định lượng chính xác suất lượng phản ứng đối với hai kênh tương tác chính: phản ứng sinh nhiều nơtron $(\gamma, xn)$ và phản ứng quang phân hạch $(\gamma, f)$. Trong giai đoạn thực hiện từ năm 2015 đến năm 2017, nghiên cứu đã giải quyết bài toán thiếu hụt dữ liệu hạt nhân thực nghiệm tại dải năng lượng GeV trên các bia trước nhóm actinide (preactinides). Kết quả đạt được ghi nhận 76 đồng vị phóng xạ, trong đó có 24 sản phẩm quang phân hạch với độ tin cậy cao. Các chỉ số thực nghiệm này cung cấp hệ dữ liệu chuẩn xác phục vụ trực tiếp cho việc thiết kế hệ thống lò phản ứng lai năng lượng cao (ADS), công nghệ chuyển hóa chất thải phóng xạ nguy hại và mô hình hóa che chắn bức xạ trong vật lý thiên văn cũng như y học hạt nhân.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết tương tác photon - hạt nhân đa cơ chế theo từng dải năng lượng:

  • Cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ (Giant Dipole Resonance - GDR): Chiếm ưu thế tại vùng năng lượng từ 10 MeV đến 30 MeV, đặc trưng bởi dao động tập thể ngược pha giữa toàn bộ các proton và nơtron trong hạt nhân, dẫn đến quá trình khử kích thích chủ yếu thông qua phát xạ 1 đến 2 nơtron.
  • Mô hình giả đơtron (Quasi-deuteron Model): Vận hành trong khoảng năng lượng từ 30 MeV đến 140 MeV, khi bước sóng của photon giảm, photon tới ưu tiên tương tác trực tiếp với các cặp nucleon nơtron - proton liên kết bên trong hạt nhân thay vì toàn bộ thể tích hạt nhân.
  • Cơ chế sinh meson pion và thác lũ hạt nhân (Intranuclear Cascade & Photospallation): Khi năng lượng photon vượt ngưỡng 140 MeV, sự kích thích trực tiếp tạo hạt pion dẫn tới dòng thác lũ nucleon thứ cấp bên trong hạt nhân bia, tiếp nối bằng giai đoạn bay hơi hạt (evaporation) giải phóng nơtron, proton năng lượng thấp và kích hoạt phân hạch hạt nhân preactinide.

Bên cạnh đó, nghiên cứu vận dụng phương trình động học bức xạ hãm với các đại lượng cơ bản: năng lượng tới hạn $E_c = 800 / (Z + 1,2)\text{ MeV}$, chiều dài làm chậm bức xạ $X_0$, và khái niệm suất lượng phản ứng tích phân $Y = \int_{E_{th}}^{E_{max}} \phi(E)\sigma(E)dE$ thay thế cho tiết diện vi phân khi chùm photon có phổ liên tục.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp kích hoạt phóng xạ gamma không phá hủy mẫu và phổ kế gamma bán dẫn đa kênh độ phân giải cao:

  • Mẫu thực nghiệm và chế độ chiếu xạ: Bia $^{209}\text{Bi}$ kim loại siêu tinh khiết có kích thước hình học $18 \times 18\text{ mm}$, bề dày mỏng 0,15 mm nhằm hạn chế tối đa hiệu ứng tự hấp thụ tia gamma. Mẫu được chiếu xạ trực tiếp trong 4 giờ liên tục dưới chùm photon hãm phát sinh từ bia chuyển đổi W.
  • Hệ đo phổ kế gamma: Sử dụng hai hệ phổ kế HPGe thể tích 100 cm$^3$ độ phân giải 1,8 keV và 2,0 keV tại đỉnh chuẩn 1332 keV của $^{60}\text{Co}$, kết nối các khối biến đổi tương tự số (ADC) và phần mềm chuyên dụng Genie 2000, Gamma Vision.
  • Quy trình thu thập dữ liệu: Tiến hành 13 phép đo liên tục với thời gian phơi mẫu kéo dài từ 2 giờ 44 phút đến 23 ngày 11 giờ 50 phút, và thời gian đo từ 300 giây (5 phút) đến 108.000 giây (30 giờ), cho phép phân tách trọn vẹn các đồng vị có chu kỳ bán rã từ vài chục phút đến hàng chục năm.
  • Hiệu chỉnh sai số hệ thống: Thực hiện chuẩn hóa nghiêm ngặt hệ số tự hấp thụ gamma trong mẫu ($F \approx 0,995$ tại 100 keV), khống chế thời gian chết của hệ đo dưới 5%, khử hiện tượng chồng chập xung, xử lý hiệu ứng cộng đỉnh (sai số 2% đến 5%) và bóc tách các đỉnh phổ can nhiễu năng lượng gần kề.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm đã định danh và xác định suất lượng chính xác của 76 đồng vị phóng xạ tạo thành sau phản ứng:

  • Kênh phản ứng sinh nhiều nơtron $^{209}\text{Bi}(\gamma, xn)^{209-x}\text{Bi}$: Ghi nhận chuỗi phản ứng từ $x = 2$ đến $x = 10$, bắt đầu từ $^{207}\text{Bi}$ (chu kỳ bán rã 31,55 năm, năng lượng ngưỡng 14,36 MeV, vạch gamma 569,702 keV và 1063,662 keV) kéo dài đến $^{200m}\text{Bi}$ (chu kỳ bán rã 31 phút, năng lượng ngưỡng 70,55 MeV, vạch gamma 1026,5 keV). Suất lượng phản ứng đạt đỉnh cao nhất ở các kênh phát xạ ít nơtron ($x = 2, 3, 4$) và suy giảm có quy luật khi số nơtron thoát ra tăng lên.
  • Kênh phản ứng quang vỡ hạt nhân (Photospallation): Nhận diện hàng loạt đồng vị chì ($^{196-203}\text{Pb}$) qua kênh $(\gamma, 1pxn)$ và thallium ($^{201-202}\text{Tl}$) qua kênh $(\gamma, 2pxn)$, minh chứng cho sự tham gia của các tương tác giải phóng đồng thời proton và nơtron ở mức kích thích trên 40 MeV đến 96 MeV.
  • Kênh phản ứng quang phân hạch $^{209}\text{Bi}(\gamma, f)$: Xác định 24 hạt nhân phân hạch có số khối trải dài từ dải trung bình đến nặng ($A \approx 60 - 130$), tiêu biểu như $^{126}\text{I}$, $^{97}\text{Zr}$, $^{84}\text{Rb}$, $^{96}\text{Tc}$.

Thảo luận kết quả

Dữ liệu thực nghiệm thu được làm sáng tỏ bản chất động học của phản ứng quang hạt nhân năng lượng cao. Phân bố suất lượng của các mảnh quang phân hạch theo số khối và điện tích hạt nhân thể hiện dạng đường cong phân bố Gauss đối xứng hoàn hảo, với đỉnh xác suất cực đại tập trung tại vùng số khối $A \approx 92 - 100$. Kết quả này phản ánh cơ chế phân hạch đồng pha ở vùng kích thích cao, hoàn toàn khác biệt với cơ chế phân hạch bất đối xứng hai đỉnh thường thấy ở các hạt nhân phân hạch nhiệt như $^{235}\text{U}$.

Dữ liệu có thể được mô tả trực quan qua đồ thị phân bố suất lượng theo số nơtron phát ra ($x$) và bảng đối sánh tham số hạt nhân giữa các thực nghiệm độc lập. Khi so sánh với các công bố quốc tế của Ermakov, Haba (chùm photon 1 GeV) và Naik (chùm photon 2,5 GeV), số liệu của luận văn thể hiện sự nhất quán cao với độ lệch sai số thống kê dưới 8%, đồng thời bổ sung thêm các giá trị suất lượng chi tiết cho các kênh phân rã có chu kỳ bán rã ngắn. Điều này khẳng định rằng ở mức năng lượng 2,5 GeV, cơ chế sinh pion và thác hadronic đóng vai trò chủ đạo trong việc truyền năng lượng kích thích lớn vào hạt nhân $^{209}\text{Bi}$.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm tối ưu hóa việc khai thác dữ liệu hạt nhân và hoàn thiện các quy trình thực nghiệm tương lai, nghiên cứu đưa ra 4 giải pháp cụ thể:

  • Tối ưu hóa thiết kế bia chuyển đổi bức xạ hãm: Thiết kế và chế tạo hệ bia hãm kim loại W có cấu trúc nhiều lớp làm mát với bề dày tiêu chuẩn từ 1,0 mm đến 1,5 mm. Giải pháp này giúp gia tăng thông lượng photon hữu ích thêm 12% đến 15%, đồng thời giảm thất thoát năng lượng do tự hấp thụ bên trong bia xuống dưới mức 0,8%, thực hiện bởi các nhóm kỹ thuật máy gia tốc trong vòng 6 tháng.
  • Tích hợp mô phỏng Geant4 nâng cao vào thiết kế che chắn ADS: Áp dụng bộ số liệu thực nghiệm suất lượng phân hạch 2,5 GeV của $^{209}\text{Bi}$ để hiệu chỉnh thư viện tiết diện hạt nhân trong phần mềm mô phỏng Geant4 và MCNPX. Mục tiêu là nâng cao độ chuẩn xác của việc tính toán liều bức xạ che chắn trong hệ thống biến đổi chất thải hạt nhân lên 20% trong giai đoạn 2024-2025 do các viện nghiên cứu năng lượng hạt nhân chủ trì.
  • Chuẩn hóa quy trình đo phổ gamma đa thời điểm: Ban hành quy chuẩn đo kích hoạt đồng vị ngắn hạn và dài hạn với hệ thống tự động kiểm soát thời gian chết dưới 3% và hiệu chỉnh chồng chập xung bằng máy phát xung chuẩn thời gian thực. Đơn vị thực hiện là các phòng thí nghiệm phổ kế hạt nhân với lộ trình triển khai 12 tháng.
  • Mở rộng dải đo thực nghiệm trên các bia kim loại nặng lân cận: Tổ chức các đợt chiếu xạ mới trên các bia $^{197}\text{Au}$, $^{nat}\text{Pb}$ tại các dải năng lượng từ 1,0 GeV đến 3,0 GeV nhằm xây dựng bảng dữ liệu toàn diện về tiết diện quang phân hạch preactinide trong kế hoạch nghiên cứu 2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Nhà nghiên cứu và chuyên gia vật lý hạt nhân thực nghiệm: Tìm thấy tài liệu tham khảo giá trị về phương pháp kích hoạt photon năng lượng cao, kỹ thuật xử lý phổ gamma phức tạp, cũng như các thuật toán hiệu chỉnh can nhiễu và cộng đỉnh với sai số dưới 5%.
  • Kỹ sư thiết kế hệ thống lò phản ứng tái sinh và ADS: Sử dụng dữ liệu thực nghiệm về suất lượng sinh nơtron và phân hạch trên bismuth – thành phần chính trong hợp kim chì - bismuth làm chất tải nhiệt (Lead-Bismuth Eutectic) – để mô hình hóa an toàn lõi lò.
  • Chuyên viên sản xuất đồng vị phóng xạ y tế: Khai thác các kênh phản ứng quang hạt nhân $(\gamma, xn)$ và $(\gamma, pxn)$ để đánh giá tiềm năng sản xuất các đồng vị tinh khiết không cần chất mang phục vụ chẩn đoán hình ảnh và xạ trị điều trị ung thư.
  • Giảng viên và học viên cao học ngành Vật lý nguyên tử: Sử dụng công trình như một giáo trình thực hành mẫu mực về việc vận hành máy gia tốc Linac, tích hợp phần mềm Genie 2000/Gamma Vision và phân tích dữ liệu hạt nhân quốc tế.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao nghiên cứu chọn bia $^{209}\text{Bi}$ và mức năng lượng cực đại 2,5 GeV thay vì năng lượng thấp?
Hạt nhân $^{209}\text{Bi}$ là hạt nhân preactinide bền nặng nhất với ngưỡng quang phân hạch cao trên 50 MeV. Sử dụng năng lượng 2,5 GeV cho phép kích hoạt đầy đủ các cơ chế vật lý phức tạp như tương tác giả đơtron, sinh meson pion và thác lũ hạt nhân, giúp làm sáng tỏ toàn diện bức tranh động học phân hạch mà các mức năng lượng dưới 100 MeV không thể tạo ra.

Suất lượng phản ứng khác với tiết diện phản ứng như thế nào trong trường hợp chùm bức xạ hãm?
Tiết diện phản ứng đo xác suất tương tác tại một mức năng lượng đơn sắc cố định. Trong khi đó, chùm bức xạ hãm có phổ năng lượng photon liên tục từ 0 đến $E_{max}$, do đó suất lượng phản ứng là đại lượng tích phân biểu thị tổng số biến cố hạt nhân xảy ra trên một hạt nhân bia trong một đơn vị thời gian dưới toàn bộ phổ photon tới.

Phương pháp nào được dùng để kiểm soát và khử sai số thời gian chết trong đo phổ gamma?
Nghiên cứu đã điều chỉnh khoảng cách hình học đo giữa nguồn mẫu và đêtector bán dẫn HPGe nhằm đảm bảo thời gian chết của bộ phân tích ADC luôn ở mức an toàn dưới 5%. Đồng thời, hệ đo ứng dụng chế độ thời gian đo thực (Live Time) kết hợp máy phát xung chuẩn để tự động bù trừ số đếm bị thất thoát.

Tại sao phân bố khối lượng sản phẩm quang phân hạch của $^{209}\text{Bi}$ lại có dạng hình chuông Gauss đối xứng?
Ở năng lượng kích thích 2,5 GeV, hạt nhân hợp phần thu nhận năng lượng kích hoạt rất lớn làm triệt tiêu các hiệu ứng cấu trúc vỏ hạt nhân đơn lẻ. Quá trình phân hạch diễn ra theo mô hình giọt chất lỏng cổ điển ở trạng thái kích thích cao, dẫn đến sự phân chia hạt nhân mẹ thành hai mảnh có khối lượng xấp xỉ tương đương nhau quanh trục $A \approx 92 - 100$.

Các số liệu phản ứng $(\gamma, xn)$ có ý nghĩa thực tiễn gì trong công nghệ hạt nhân hiện đại?
Chuỗi suất lượng $(\gamma, 2n)$ đến $(\gamma, 10n)$ cung cấp tham số chuẩn xác về mật độ nơtron thứ cấp phát sinh khi chùm photon năng lượng cao tương tác với vật liệu bia. Đây là thông số bắt buộc để tính toán hệ số nhân nơtron, tối ưu hóa độ dày tường chắn bức xạ máy gia tốc và dự đoán mức độ kích hoạt phóng xạ của linh kiện thiết bị.

Kết luận

  • Luận văn đã thực hiện thành công việc chiếu xạ kích hoạt bia $^{209}\text{Bi}$ bằng chùm bức xạ hãm năng lượng cực đại 2,5 GeV trên máy gia tốc Linac tại PAL, đo phổ gamma trên 13 chu kỳ thời gian khác nhau.
  • Nhận diện và xác lập dữ liệu phổ chuẩn xác cho 76 đồng vị phóng xạ, bao gồm các chuỗi phát xạ đa nơtron $(\gamma, xn)$ từ $x = 2$ đến $x = 10$, các phản ứng $(\gamma, 1pxn)$, $(\gamma, 2pxn)$ và 24 đồng vị quang phân hạch.
  • Chứng minh quy luật phân bố suất lượng quang phân hạch preactinide ở vùng GeV tuân theo hàm Gauss đối xứng với đỉnh cực đại tại dải số khối $A \approx 92 - 100$, xác nhận sự áp đảo của cơ chế thác lũ nucleon và sinh pion.
  • Thiết lập hệ thống hiệu chỉnh thực nghiệm hoàn chỉnh đối với hiệu ứng tự hấp thụ ($F \approx 0,995$), thời gian chết ($\le 5%$) và cộng đỉnh (sai số 2% đến 5%), tạo nguồn dữ liệu hạt nhân đáng tin cậy.
  • Đóng góp nguồn cơ sở dữ liệu thực nghiệm quan trọng phục vụ trực tiếp cho các chương trình phát triển hệ lò phản ứng lai ADS, xử lý rác thải hạt nhân và thiết kế che chắn bức xạ công nghệ cao.