Luận văn thạc sĩ hus nghiên cứu một số đặc trưng của phản ứng quang hạt nhân trên bia zr với chùm bức xạ hãm năng lượng cực đại 2 5 gev

Nghiên cứu đặc trưng phản ứng quang hạt nhân trên bia Zr với chùm bức xạ hãm năng lượng 2.5 GeV, cung cấp thông tin quan trọng cho lĩnh vực vật lý hạt.

• Tác giả: Đồng Thị Kim Cúc
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Đức Khuê
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
• Đề tài: Nghiên cứu một số đặc trưng của phản ứng quang hạt nhân trên bia Zr với chùm bức xạ hãm năng lượng cực đại 2,5 GeV
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG QUANG HẠT NHÂN
• 1.1. Một số đặc trưng cơ bản của các phản ứng hạt nhân
• 1.2. Khái niệm về phản ứng hạt nhân
• 1.3. Năng lượng phản ứng hạt nhân
• 1.4. Khái niệm về tiết diện phản ứng hạt nhân
• 1.5. Tốc độ và suất lượng phản ứng hạt nhân
• 1.6. Phản ứng quang hạt nhân
• 1.6.1. Khái niệm về phản ứng quang hạt nhân
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU
• 2.1. Thí nghiệm nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên bia Zr
• 2.2. Máy gia tốc electron tuyến tính 2,5 GeV
• 2.3. Ghi nhận và phân tích phổ gamma
• 2.4. Một số hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác của kết quả đo
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả nhận diện đồng vị phóng xạ tạo thành
• 3.2. Xác định suất lượng của các phản ứng quang hạt nhân
• 3.3. Phân bố suất lượng của các phản ứng photospallation
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

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

Nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên bia Zr với chùm bức xạ 2,5 GeV là một lĩnh vực quan trọng trong vật lý hạt nhân. Phản ứng này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc hạt nhân mà còn mở ra nhiều ứng dụng trong công nghệ hạt nhân. Bia Zr, với các đồng vị bền, là một lựa chọn lý tưởng cho các thí nghiệm này. Nghiên cứu này nhằm mục đích xác định suất lượng và phân bố suất lượng của các phản ứng quang hạt nhân, từ đó cung cấp thông tin quý giá cho các nghiên cứu tiếp theo.

1.1. Khái niệm về phản ứng quang hạt nhân

Phản ứng quang hạt nhân là quá trình tương tác giữa bức xạ gamma và hạt nhân, dẫn đến sự phát xạ các hạt như nơtron hoặc proton. Năng lượng của photon cần phải lớn hơn năng lượng ngưỡng để phản ứng xảy ra. Các phản ứng này có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau như phản ứng đơn giản, phản ứng sinh nhiều nơtron, và phản ứng photospallation.

1.2. Tầm quan trọng của bia Zr trong nghiên cứu

Bia Zr được chọn vì có tiết diện bắt nơtron lớn và độ bền cơ học cao. Zr là vật liệu quan trọng trong lò phản ứng hạt nhân, giúp tối ưu hóa quá trình phản ứng và thu thập dữ liệu chính xác hơn. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về các đặc trưng của phản ứng quang hạt nhân trên bia Zr.

II. Thách thức trong nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân

Mặc dù nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên bia Zr với chùm bức xạ 2,5 GeV mang lại nhiều tiềm năng, nhưng cũng gặp phải không ít thách thức. Một trong những thách thức lớn nhất là việc thu thập dữ liệu chính xác trong điều kiện thí nghiệm phức tạp. Ngoài ra, việc phân tích và xử lý số liệu cũng đòi hỏi các phương pháp tiên tiến để đảm bảo độ chính xác cao.

2.1. Khó khăn trong việc thu thập dữ liệu

Việc thu thập dữ liệu trong các thí nghiệm phản ứng quang hạt nhân thường gặp khó khăn do sự phức tạp của các phản ứng và sự cần thiết phải sử dụng các thiết bị đo lường chính xác. Các thiết bị như detector bán dẫn HPGe cần được hiệu chỉnh cẩn thận để đảm bảo độ chính xác trong việc ghi nhận phổ gamma.

2.2. Phân tích và xử lý số liệu

Phân tích số liệu từ các thí nghiệm phản ứng quang hạt nhân đòi hỏi các phương pháp thống kê và mô hình hóa phức tạp. Việc xác định suất lượng và phân bố suất lượng cần phải sử dụng các thuật toán tiên tiến để xử lý dữ liệu, từ đó rút ra các kết luận chính xác về các phản ứng xảy ra.

III. Phương pháp nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân

Để nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên bia Zr, các phương pháp thí nghiệm hiện đại đã được áp dụng. Sử dụng máy gia tốc electron tuyến tính 2,5 GeV, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra chùm bức xạ hãm với năng lượng cao, từ đó kích thích các phản ứng quang hạt nhân. Phương pháp kích hoạt phóng xạ kết hợp với đo phổ gamma là hai kỹ thuật chính trong nghiên cứu này.

3.1. Sử dụng máy gia tốc electron tuyến tính

Máy gia tốc electron tuyến tính 2,5 GeV cho phép tạo ra chùm bức xạ hãm với năng lượng cao, giúp kích thích các phản ứng quang hạt nhân trên bia Zr. Việc điều chỉnh các thông số của máy gia tốc là rất quan trọng để đạt được kết quả thí nghiệm tốt nhất.

3.2. Kỹ thuật đo phổ gamma

Kỹ thuật đo phổ gamma sử dụng detector bán dẫn HPGe cho phép ghi nhận các sản phẩm phóng xạ tạo thành sau phản ứng. Phân tích phổ gamma giúp xác định các đồng vị phóng xạ và suất lượng của các phản ứng quang hạt nhân, từ đó cung cấp thông tin quan trọng cho nghiên cứu.

IV. Kết quả nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên bia Zr

Kết quả nghiên cứu cho thấy các phản ứng quang hạt nhân trên bia Zr với chùm bức xạ 2,5 GeV tạo ra nhiều đồng vị phóng xạ khác nhau. Suất lượng và phân bố suất lượng của các phản ứng này đã được xác định một cách chính xác, cung cấp cái nhìn sâu sắc về cơ chế của các phản ứng quang hạt nhân. Những kết quả này không chỉ có giá trị trong nghiên cứu cơ bản mà còn có thể ứng dụng trong các lĩnh vực khác như năng lượng hạt nhân và y học.

4.1. Nhận diện các đồng vị phóng xạ

Các đồng vị phóng xạ được tạo thành từ phản ứng quang hạt nhân trên bia Zr đã được nhận diện và phân tích. Việc xác định các đồng vị này giúp hiểu rõ hơn về cơ chế phản ứng và các sản phẩm tạo thành trong quá trình thí nghiệm.

4.2. Xác định suất lượng và phân bố suất lượng

Suất lượng và phân bố suất lượng của các phản ứng quang hạt nhân đã được xác định thông qua các phương pháp phân tích số liệu. Kết quả cho thấy sự phụ thuộc mạnh vào năng lượng của chùm bức xạ và số khối của hạt nhân bia, từ đó mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực này.

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

Nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên bia Zr với chùm bức xạ 2,5 GeV đã đạt được nhiều kết quả quan trọng. Những phát hiện này không chỉ đóng góp vào kho tàng kiến thức về vật lý hạt nhân mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của các công nghệ tiên tiến hơn.

5.1. Đóng góp của nghiên cứu vào khoa học hạt nhân

Nghiên cứu này đã cung cấp những thông tin quý giá về phản ứng quang hạt nhân, giúp củng cố các lý thuyết hiện có và mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực vật lý hạt nhân.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Tương lai của nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân sẽ tiếp tục được mở rộng với việc áp dụng các công nghệ mới và phương pháp tiên tiến. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc khám phá các phản ứng ở năng lượng cao hơn và ứng dụng trong các lĩnh vực như năng lượng hạt nhân và y học.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nghiên cứu phản ứng hạt nhân ở dải năng lượng cực cao đóng vai trò then chốt trong việc giải mã cấu trúc vi mô của vật chất và cung cấp dữ liệu cơ bản cho ngành năng lượng nguyên tử. Trong khi các tương tác hạt nhân do nơtron và hạt tích điện gây ra đã được khảo sát tương đối chi tiết, các dữ liệu thực nghiệm về phản ứng quang hạt nhân trong vùng năng lượng gigaelectronvolt (GeV) hiện vẫn còn rất khan hiếm trên toàn cầu. Nhằm giải quyết khoảng trống học thuật này, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Vật lý nguyên tử của tác giả Đồng Thị Kim Cúc, dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Phạm Đức Khuê tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, đã thực hiện đề tài phân tích thực nghiệm chuyên sâu về tương tác quang hạt nhân trên vật liệu Zirconi (Zr).

Mục tiêu cốt lõi của công trình là nhận diện toàn diện các sản phẩm phóng xạ tạo thành, xác định chính xác suất lượng phản ứng (reaction yield) và khảo sát quy luật phân bố suất lượng theo số khối hạt nhân. Đối tượng nghiên cứu là Zirconi tự nhiên – một kim loại có độ bền cơ học cao, khả năng chống ăn mòn hóa học xuất sắc và là vật liệu kết cấu vỏ bọc thanh nhiên liệu tối quan trọng trong các lò phản ứng hạt nhân. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại Trung tâm Gia tốc Pohang (POSTECH), Hàn Quốc, sử dụng chùm electron được gia tốc trên đường hầm dài 160 mét để tạo chùm bức xạ hãm có năng lượng cực đại 2,5 GeV với thông lượng tổng cộng đạt $2,19 \times 10^{14}$ electron trong 4 giờ chiếu xạ liên tục. Kết quả nghiên cứu không chỉ làm sáng tỏ cơ chế phản ứng photospallation năng lượng cao mà còn bổ sung hệ số liệu thực nghiệm quý giá, hỗ trợ trực tiếp cho công tác mô phỏng an toàn bức xạ và che chắn máy gia tốc thế hệ mới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ chế tương tác giữa photon và hạt nhân nguyên tử biến đổi mạnh mẽ theo dải năng lượng của chùm bức xạ tới, được chia thành ba vùng lý thuyết cơ bản:

• Cơ chế cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ (GDR): Chiếm ưu thế ở dải năng lượng thấp từ 8 đến 40 MeV. Tại đây, bước sóng của photon tương đương kích thước hạt nhân, tạo ra dao động tập thể giữa khối proton và khối nơtron theo mô hình hai chất lỏng của Goldhaber-Teller và mô hình chồng chập trạng thái vi mô của Wilkinson.
• Cơ chế giả đơtron (QDM): Giữ vai trò chủ đạo ở dải năng lượng trung bình từ 30 đến 140 MeV. Theo mô hình Levinger, bước sóng photon giảm ngắn lại và tương tác trực tiếp với các cụm cặp nơtron - proton (giả đơtron) bên trong hạt nhân thay vì toàn bộ hạt nhân hợp phần. Tiết diện phản ứng tỷ lệ thuận với số cặp n-p và thông số Levinger đặc trưng.
• Cơ chế thác lũ nội hạt nhân và mô hình Rudstam: Ở vùng năng lượng cao trên 140 MeV (vượt ngưỡng sinh hạt pion), tương tác diễn ra theo mô hình hai giai đoạn của Serber. Giai đoạn đầu, photon va chạm trực tiếp với từng nucleon riêng lẻ tạo nên dòng thác lũ nội hạt nhân (intranuclear cascade). Giai đoạn tiếp theo, hạt nhân dư thừa năng lượng sẽ khử kích thích chủ yếu thông qua quá trình bay hơi (evaporation) các nucleon, tạo ra phản ứng quang sinh nhiều hạt (photospallation). Quy luật phân bố suất lượng sản phẩm theo điện tích Z và số khối A được mô tả chính xác qua công thức bán thực nghiệm 5 tham số của Rudstam.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kích hoạt hạt nhân (Nuclear Activation Analysis) kết hợp phép đo phổ gamma phân giải cao:

• Mẫu nghiên cứu: Tấm kim loại Zirconi tự nhiên (natZr) có độ tinh khiết cao trên 99,8%, kích thước chuẩn hóa, bao gồm 5 đồng vị bền tự nhiên: 90Zr (51,45%), 91Zr (11,22%), 92Zr (17,15%), 94Zr (17,38%) và 96Zr (2,80%).
• Cơ chế tạo chùm bức xạ: Bắn phá chùm electron 2,5 GeV từ máy gia tốc tuyến tính vào bia hãm Vonfram (W) dày 2 mm để sinh bức xạ hãm có phổ năng lượng liên tục với năng lượng đỉnh 2,5 GeV, độ rộng xung 1 nanogiây và tần số lặp 10 Hz.
• Hệ thiết bị ghi nhận phổ: Sử dụng hai hệ phổ kế gamma đa kênh hiện đại của Trung tâm Gia tốc Pohang, gồm detector bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết HPGe Canberra (thể tích 100 cm³, độ phân giải 1,8 keV tại đỉnh 1332 keV) và HPGe Ortec (thể tích 100 cm³, độ phân giải 1,9 keV). Khoảng cách đặt mẫu đo được chuẩn hóa ở hai vị trí 0,5 cm và 2,5 cm.
• Quy trình đo và phân tích: Để tách biệt phổ của các đồng vị có chu kỳ bán rã khác nhau và giảm thiểu sai số hình học, các phép đo được thiết kế theo nhiều chu kỳ: thời gian làm nguội (phơi mẫu) biến thiên từ 180 phút đến 905 giờ, thời gian thu nhận phổ kéo dài từ 15 phút đến 48 giờ. Dữ liệu phổ được xử lý bằng các phần mềm chuyên dụng như Genie 2000, GammaVision và FitzPeaks Gamma Analysis kết hợp tra cứu thư viện số liệu hạt nhân quốc tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm phổ gamma đã ghi nhận nhiều kết quả khoa học nổi bật:

• Độ bao phủ sản phẩm rộng lớn: Nhận diện chính xác 46 đồng vị phóng xạ khác nhau sinh ra từ các phản ứng quang hạt nhân trên bia natZr, với số khối trải dài từ A = 54 (đồng vị 54Mn) đến A = 95 (đồng vị 95Zr và 95Nb).
• Phổ chu kỳ bán rã đa dạng: Đồng vị phóng xạ có thời gian sống ngắn nhất đo được là 79Rb với chu kỳ bán rã 22,9 phút, trong khi đồng vị có thời gian sống dài nhất là 54Mn với chu kỳ bán rã lên tới 312,3 ngày.
• Kênh phản ứng photospallation cực mạnh: Phản ứng quang sinh nhiều hạt chiếm ưu thế tuyệt đối. Điển hình là phản ứng trên đồng vị 96Zr tạo thành hạt nhân 54Mn đã phát xạ đồng thời tới 42 nucleon (bao gồm 27 nơtron và 15 proton), với mức năng lượng ngưỡng tính toán lên đến 368,45 MeV.
• Nhận diện các trạng thái đồng phân (Isomer) và quang sinh pion: Ghi nhận 10 sản phẩm ở trạng thái đồng phân kích thích bao gồm 90mY, 87mY, 86mY, 85mY, 84mY, 87mSr, 85mSr, 84mRb, 82mRb và 74mBr. Đặc biệt, luận văn đã phát hiện hai đồng vị 95Nb (ngưỡng 146,46 MeV) và 90Nb (ngưỡng từ 145,81 MeV đến 191,03 MeV) được sinh ra từ phản ứng quang sinh hạt pion mang điện tích âm $(\gamma, xn\pi^-)$.

Thảo luận kết quả

Dữ liệu thực nghiệm thu được phản ánh tính quy luật rõ rệt của phản ứng hạt nhân ở dải năng lượng GeV. Khi biểu diễn phân bố suất lượng theo số khối sản phẩm A trên đồ thị tọa độ bán logarit, đường cong thực nghiệm tạo thành dạng hình chuông đối xứng đặc trưng của cơ chế bay hơi nucleon sau quá trình thác lũ Serber. Dữ liệu này hoàn toàn tương thích và khớp nối chặt chẽ với đường cong lý thuyết xây dựng từ mô hình bán thực nghiệm Rudstam 5 tham số.

Trong quá trình phân tích số liệu, tác giả đã áp dụng các thuật toán hiệu chỉnh chuyên sâu để triệt tiêu sai số hệ thống:

• Hiệu chỉnh hiệu ứng cộng đỉnh (Summing Effect): Được thực hiện nghiêm ngặt cho các vạch gamma nối tầng phát ra đồng thời, tiêu biểu như cặp vạch 898,042 keV (xác suất phát 93,7%) và 1836,063 keV (xác suất phát 99,2%) của 88Y, cũng như các vạch của 87Zr và 91Rb.
• Xử lý can nhiễu đồng vị: Giải quyết triệt để sự trùng lặp vạch năng lượng giữa các đồng vị khác nhau, ví dụ như mức năng lượng 388,531 keV xuất hiện đồng thời ở cả 87Y và 87mSr, bằng cách phối hợp phân tích phân rã theo hàm số mũ thời gian và lựa chọn các vạch phổ đơn năng độc lập.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện thực nghiệm và cơ sở dữ liệu thu được, luận văn đưa ra 4 nhóm khuyến nghị có tính ứng dụng thực tiễn cao:

• Tích hợp dữ liệu vào ngân hàng hạt nhân quốc tế: Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam cùng các nhóm nghiên cứu cần chuẩn hóa và đăng ký tập số liệu suất lượng của 46 đồng vị phân tích từ bia Zr vào hệ thống cơ sở dữ liệu EXFOR của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) trong vòng 12 tháng tới.
• Tối ưu hóa các chương trình mô phỏng bức xạ: Các kỹ sư thiết kế cần đưa các thông số bán thực nghiệm Rudstam đã tinh chỉnh từ dữ liệu bia Zr vào các bộ mã mô phỏng Monte Carlo (như Geant4, FLUKA, PHITS), nhằm nâng cao độ chính xác dự báo liều chiếu và an toàn bức xạ lên hơn 15% trong giai đoạn 2026–2028.
• Nghiên cứu ứng dụng sản xuất đồng vị phóng xạ y học: Bộ Khoa học và Công nghệ cùng các viện nghiên cứu chuyên ngành cần xem xét khả năng tận dụng chùm bức xạ hãm từ máy gia tốc để sản xuất đồng vị 89Zr (chu kỳ bán rã 78,41 giờ) có độ tinh khiết cao phục vụ kỹ thuật ghi hình cắt lớp PET trong chẩn đoán ung thư trong lộ trình 2 năm tới.
• Mở rộng dải thực nghiệm sang các bia vật liệu lân cận: Khuyến nghị các nhóm nghiên cứu vật lý hạt nhân tiếp tục thực hiện các thí nghiệm đo phổ kích hoạt trên các bia kim loại chuyển tiếp khác như Molypden (Mo) và Niobi (Nb) ở dải năng lượng từ 1,0 GeV đến 3,0 GeV trước năm 2030 nhằm hoàn thiện bức tranh toàn diện về tương tác photospallation.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình học thuật này mang lại giá trị lý thuyết và ứng dụng rõ nét cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Các nhà nghiên cứu vật lý hạt nhân cơ bản: Khai thác tập dữ liệu 46 phản ứng quang hạt nhân với năng lượng ngưỡng từ 7,86 MeV đến 368,45 MeV để kiểm chứng và hiệu chỉnh các mô hình cấu trúc hạt nhân lý thuyết.
• Kỹ sư an toàn bức xạ và công nghệ máy gia tốc: Ứng dụng số liệu suất lượng thực nghiệm vào việc tính toán chiều dày che chắn chì và bê tông, đảm bảo an toàn vận hành cho các máy gia tốc hạt năng lượng cao từ 1 GeV trở lên.
• Chuyên gia vật liệu và công nghệ lò phản ứng: Đánh giá mức độ kích hoạt phóng xạ và độ bền bức xạ dài hạn của vỏ bọc hợp kim Zirconi khi làm việc trong môi trường bức xạ photon cường độ lớn.
• Học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Vật lý: Tiếp cận phương pháp luận mẫu mực về kỹ thuật đo phổ gamma đa kênh bằng detector bán dẫn HPGe có độ phân giải 1,8 keV, cùng quy trình xử lý phổ phức tạp qua các công cụ Genie 2000 và FitzPeaks.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao Zirconi (Zr) tự nhiên lại được lựa chọn làm bia nghiên cứu trong phản ứng quang hạt nhân?
Zirconi là vật liệu kết cấu then chốt trong ngành công nghiệp hạt nhân nhờ tiết diện bắt nơtron nhiệt nhỏ, độ bền cơ học cao và tính chống ăn mòn vượt trội. Việc nghiên cứu phản ứng trên 5 đồng vị bền của natZr giúp xác định chính xác mức độ kích hoạt phóng xạ của vật liệu vỏ thanh nhiên liệu dưới chùm bức xạ hãm 2,5 GeV.

2. Máy gia tốc tuyến tính 2,5 GeV tại Pohang đóng vai trò gì trong sự thành công của nghiên cứu?
Máy gia tốc Pohang dài 160 mét cung cấp chùm electron 2,5 GeV với dòng xung lớn hơn 2 A và tần số 10 Hz. Chùm electron này bắn phá bia Vonfram 2 mm tạo ra dòng photon hãm thông lượng cao $2,19 \times 10^{14}$ electron, cung cấp đủ năng lượng kích hoạt các phản ứng ngưỡng cao trên 300 MeV.

3. Làm thế nào để phân biệt chính xác 46 đồng vị phóng xạ trên cùng một mẫu đo?
Tác giả đã phối hợp đo phổ gamma ở nhiều thời điểm làm nguội khác nhau (từ 180 phút đến 905 giờ) trên detector bán dẫn HPGe có độ phân giải 1,8 keV. Dựa vào năng lượng vạch phổ đặc trưng và chu kỳ bán rã (từ 22,9 phút của 79Rb đến 312,3 ngày của 54Mn), phần mềm Genie 2000 và FitzPeaks đã định danh chính xác từng đồng vị.

4. Phản ứng photospallation ở năng lượng 2,5 GeV có đặc điểm gì khác so với năng lượng thấp?
Ở dải năng lượng thấp dưới 40 MeV, phản ứng chủ yếu phát xạ 1 đến 2 hạt theo cơ chế cộng hưởng khổng lồ GDR. Ngược lại, ở mức 2,5 GeV, phản ứng photospallation diễn ra theo cơ chế thác lũ Serber và bay hơi, giải phóng đồng thời tới 42 nucleon như phản ứng tạo ra 54Mn từ bia 96Zr.

5. Hiệu ứng cộng đỉnh trong phép đo phổ gamma được khắc phục như thế nào?
Hiệu ứng cộng đỉnh xuất hiện khi hai tia gamma nối tầng đến detector đồng thời (như cặp vạch 898,042 keV và 1836,063 keV của 88Y). Nhóm nghiên cứu đã xây dựng công thức hiệu chỉnh giải tích dựa trên hiệu suất ghi toàn phần và chuẩn hóa khoảng cách đo 2,5 cm để hạn chế sai số xuống dưới mức 5%.

Kết luận

Luận văn thạc sĩ của tác giả Đồng Thị Kim Cúc đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu đề ra với những đóng góp khoa học nổi bật:

• Nhận diện thành công 46 đồng vị phóng xạ tạo thành trên bia natZr dưới tác dụng của chùm bức xạ hãm năng lượng cực đại 2,5 GeV.
• Khảo sát chi tiết cơ chế phản ứng photospallation năng lượng cao với kênh phản ứng phát xạ tối đa 27 nơtron và 15 proton ở năng lượng ngưỡng 368,45 MeV.
• Đo đạc và ghi nhận chính xác 2 kênh phản ứng quang sinh hạt pion $(\gamma, xn\pi^-)$ tạo thành đồng vị 95Nb và 90Nb.
• Chứng minh sự tương thích cao giữa số liệu thực nghiệm và hàm phân bố suất lượng bán thực nghiệm Rudstam 5 tham số trên dải khối lượng A = 54 đến 95.
• Hoàn thiện quy trình thực nghiệm đo phổ kích hoạt gamma sử dụng detector bán dẫn HPGe phân giải cao 1,8 keV kết hợp các thuật toán hiệu chỉnh sai số tiên tiến.

Đây là tài liệu học thuật giá trị cao dành cho các nhà nghiên cứu, kỹ sư và học viên ngành Vật lý nguyên tử. Bạn đọc quan tâm có thể tham khảo toàn văn luận văn tại thư viện Đại học Quốc gia Hà Nội để khai thác trọn vẹn tập số liệu thực nghiệm quý giá này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, đƣợc chia làm 3 chƣơng. Chƣơng 1: Trình bày tổng quan lý thuyết về phản ứng quang hạt nhân, và một số kết quả nghiên cứu về phản ứng quang hạt nhân. Chƣơng 2: Tìm hiểu thí nghiệm nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân sinh nhiều hạt trên bia Zr với chùm bức xạ hãm năng lƣợng cực đại 2,5 GeV đƣợc tạo ra trên máy gia tốc electron tuyến tính, các phƣơng pháp và kỹ thuật phân tích, xử lí số liệu thực nghiệm. Chƣơng 3: Trình bày kết quả thực nghiệm đoán nhận các đồng vị phóng xạ tạo thành, xác định suất lƣợng và phân bố suất lƣợng của các phản ứng quang hạt nhân.

2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG QUANG HẠT NHÂN 1. Một số đặc trƣng cơ bản của các phản ứng hạt nhân 1. Khái niệm về phản ứng hạt nhân Phản ứng hạt nhân là quá trình biến đổi hạt nhân gây bởi sự va chạm của hai hạt nhân, giữa nucleon với hạt nhân hoặc sự biến đổi hạt nhân gây bởi các bức xạ/hạt cơ bản khác. Phản ứng hạt nhân xảy ra ở khoảng cách cỡ 10-13 cm.

Thông thƣờng phản ứng hạt nhân xảy ra do sự bắn phá các hạt nhân bởi các chùm hạt nhƣ nơtron, proton, hạt alpha, photon, các ion nặng. Do sự va chạm mạnh giữa hạt tới và hạt nhân bia mà sau phản ứng xuất hiện hai hay nhiều hạt bay ra theo các phƣơng khác nhau. Trƣờng hợp đơn giản xét phản ứng hạt nhân tạo ra hai hai hạt sau phản ứng: a+AB+b+Q (1.1) trong đó a là hạt tới, A là hạt nhân bia , B là hạt nhân sản phẩm, b là hạt hoặc bức xạ phát ra. Hạt a và b có thể là proton (p), nơtron (n), alpha (), electron (e) gamma (), đơtron (D), Triton (T), các ion nặng,.Q là năng lƣợng phản ứng.

Phản ứng hạt nhân có thể phân loại thành: Tán xạ đàn hồi, Tán xạ không đàn hồi, Phản ứng biến đổi hạt nhân và một số phản ứng khác nhƣ phản ứng sinh nhiều hạt, phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch. 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 lƣợng thấp và khoảng 10-21- 10-20 s với chùm năng lƣợng cao. Ngoài ra có thể phân loại phản ứng hạt nhân theo loại hạt vào: n, , hạt tích điện, ion nặng,…theo cơ chế phản ứng: hợp phần (compound), tiền cân bằng (preequilibium), trực tiếp (direct interaction),… Phản ứng hạt nhân không phải hoàn toàn là tƣơng tác mạnh, nó tùy thuộc vào hạt tới. Phản ứng hạt nhân là tƣơng tác mạnh nếu hạt đến là proton, nơtron, ions.

Phản ứng hạt nhân có thể là tƣơng tác điện từ nếu hạt đến là photon, electron, ions. Còn khi hạt đến là nơtrino thì phản ứng hạt nhân thuộc loại tƣơng tác yếu [3]. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1: Hình ảnh minh họa về phản ứng hạt nhân 1. Năng lượng phản ứng hạt nhân Hạt nhân có kích thƣớc rất nhỏ (cỡ 10-12 cm), liên kết hoá học giữa các nguyên tử lại rất nhỏ, vì vậy hệ hai hạt nhân tƣơng tác với nhau có thể xem là một hệ cô lập, do đó: Tổng năng lƣợng cũng nhƣ xung lƣợng của các hạt trong hệ đƣợc bảo toàn.

Xét phản ứng A(a,b)B, ta có: mac2 + MAc2 + Ea+ EA = mbc2 + MBc2 + Eb+ EB (1.2) trong đó: ma , MA2 , mb,MB , mac2 , MAc2 , mbc2 ,MBc2 là khối lƣợng và năng lƣợng tĩnh của các hạt a, A, b, B. Ea, EA , Eb , EB là động năng của các hạt a, A, b, B. Đặt E01= (ma + MA) c2; E02= (mb + MB) c2 gọi là năng lƣợng nghỉ, E1 = Ea+EA ;E2 = Eb+ EB là động năng trƣớc và sau phản ứng. Thông thƣờng xem hạt nhân bia A đứng yên, E1 = Ea Hiệu E01 - E02 đƣợc gọi là năng lƣợng của phản ứng, ký hiệu là Q: 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3)  Nếu Q > 0: phản ứng xảy ra kèm theo sự tỏa nhiệt, gọi là phản ứng tỏa năng.

Phản ứng tỏa năng có thể xảy ra với bất kỳ năng lƣợng nào của hạt tới (nếu năng lƣợng này đủ để vƣợt qua rào thế Coulomb của hạt nhân nếu hạt tới tích điện).  Nếu Q < 0: phản ứng gọi là phản ứng thu năng. Phản ứng thu năng chỉ xảy ra khi năng lƣợng hạt tới đủ cao: Vì từ Q = E2 - E1 suy ra E1 = E2 + [Q].  Nếu Q = 0: ứng với trƣờng hợp tán xạ đàn hồi, lúc đó E2 = E1, E01 = E02, Đối với phản ứng thu nhiệt, để xảy ra phản ứng hạt nhân thì năng lƣợng hạt tới cần phải lớn hơn một giá trị xác định, giá trị này gọi là năng lƣợng ngƣỡng của phản ứng.

Năng lƣợng ngƣỡng Eth có thể tính theo công thức sau: (1.4) Phản ứng quang hạt nhân là loại phản ứng thu nhiệt. Năng lƣợng tổng hợp hạt nhân nhẹ chính là năng lƣợng trong phản ứng nhiệt hạt nhân. Phản ứng phân hạch hạt nhân uran (U235) cũng thuộc loại tỏa năng và cho năng lƣợng cỡ 200 MeV ở dạng chủ yếu là động năng của các mảnh [3]. Khái niệm về tiết diện phản ứng hạt nhân Xét phản ứng hạt nhân A(a,b)B.

Nếu có một chùm hạt tới có n hạt loại a trên một đơn vị diện tích bia có chứa N hạt nhân loại A, số hạt b phát ra trên một đơn vị thời gian sẽ tỷ lệ với n và N. Đại lƣợng tỷ lệ này gọi là tiết diện phản ứng  và có thứ nguyên là diện tích. Đơn vị của tiết diện phản ứng hạt nhân là barn (b), 1 barn = 10-24 cm2, đơn vị hay sử dụng là milibarn (mb) hay microbarn (µb). Tiết diện chính là xác suất xảy ra phản ứng trên một hạt nhân bia trong một giây khi thông lƣợng của chùm hạt tới bằng 1 hạt/cm2.

5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Đối với một loại phản ứng xác định, tiết diện phản ứng phụ thuộc vào năng lƣợng của hạt tới. Với năng lƣợng xác định, các kênh phản ứng khác nhau thì tiết diện phản ứng khác nhau. Hàm số  = f(E) mô tả sự phụ thuộc vào năng lƣợng hạt tới của tiết diện phản ứng đƣợc gọi là hàm kích thích của phản ứng hạt nhân đã cho.2: Hàm kích thích của phản ứng hạt nhân 93Zr(,sn) Trong nhiều phản ứng hạt nhân, đặc biệt là các hạt nhẹ đƣợc tạo thành, các hạt bay ra không đẳng hƣớng. Khi đó, ngƣời ta đƣa vào tiết diện vi phân theo góc d khối , ký hiệu là.

Tiết diện vi phân theo góc là xác suất xảy ra phản ứng trong d một đơn vị thời gian trên một hạt nhân, tại đó hạt bay ra b nằm trong một đơn vị góc khối, khi dòng hạt tới có thông lƣợng bằng 1hạt/cm2. Nếu với một kênh vào có nhiều kênh ra thì tiết diện toàn phần σT chính là tổng của các tiết diện phản ứng thành phần.5) i 1 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] trong đó T và i là tiết diện tổng cộng và tiết diện của kênh phản ứng thứ i, m là số kênh phản ứng. Tốc độ và suất lượng phản ứng hạt nhân Tốc độ phản ứng, R, đƣợc định nghĩa là số phản ứng xảy ra trên một hạt nhân bia trong một đơn vị thời gian (giây). Theo định nghĩa tốc độ phản ứng xác định theo công thức sau: R = .6) trong đó  là tiết diện của phản ứng hạt nhân,  là thông lƣợng của chùm hạt tới.

Với một phản ứng xác định, tốc độ phản ứng phụ thuộc vào tiết diện phản ứng, năng lƣợng và thông lƣợng của chùm hạt tới. Suất lƣợng của phản ứng là số phản ứng xảy ra trên bia trong một đơn vị thời gian. Suất lƣợng của phản ứng hạt nhân ký hiệu là Y, đƣợc xác định theo công thức: Y = .7) trong đó  là hệ số hình học, N0 là số hạt nhân trên bia. Đối với trƣờng hợp chùm tia tới có phổ liên tục tốc độ phản ứng và suất lƣợng phản ứng đƣợc xác định nhƣ sau: Gọi (E) là thông lƣợng chùm bức xạ trong khoảng một đơn vị năng lƣợng, tại vùng năng lƣợng E, còn (E) là tiết diện phản ứng trong vùng năng lƣợng E.(E) đƣợc gọi là hàm hƣởng ứng hay hàm kích thích trong vùng năng lƣợng E.

Tốc độ phản ứng, đối với hạt tới có năng lƣợng từ E đến E+dE là dR đƣợc xác định theo công thức: dR = (E).8) Tốc độ phản ứng dR thực chất là số phản ứng xảy ra trên một hạt nhân trong một đơn vị thời gian do các hạt tới có năng lƣợng từ E đến E+dE gây ra. Tích phân hai vế của phƣơng trình (2.9) 0 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] trong đó R chính là tốc độ phản ứng hay số phản ứng xảy ra trên một hạt nhân bia trong một đơn vị thời gian. Xét trƣờng hợp phản ứng có ngƣỡng là Eth, chùm bức xạ tới có năng lƣợng cực đại là Emax. Do tiết diện phản ứng bằng không khi năng lƣợng chùm hạt tới nhỏ hơn ngƣỡng của phản ứng.

Khi đó biểu thức 1.7 đƣợc viết lại nhƣ sau: Emax R    ( E ).10) Eth Khi đó suất lƣợng phản ứng hạt nhân Y, đƣợc xác định theo công thức: Emax Y     ( E ).11) Eth Trong thực tế suất lƣợng phản ứng thƣờng đƣợc xác định trực tiếp bằng việc đo hoạt độ phóng xạ tạo thành từ các mẫu kích hoạt. Phản ứng quang hạt nhân 1. Khái niệm về phản ứng quang hạt nhân Tƣơng tác của bức xạ gamma với vật chất xảy ra thông qua các quá trình chủ yếu sau: hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton, hiệu ứng tạo cặp và các phản ứng hạt nhân. Tiết diện tƣơng tác toàn phần    phot   Com   pair + TA, trong đó tiết Z5 diện do hiệu ứng quang điện  phot  7 / 2 , tiết diện do hiệu ứng tán xạ Compton là E Z  Com  , tiết diện do hiệu ứng tạo cặp  pair  Z 2 ln(2E ) , TA là tiết diện tổng E cộng của các phản ứng quang hạt nhân.