Luận văn thạc sĩ về phản ứng quang hạt nhân trên bia 209Bi tại Đại học Quốc gia Hà Nội

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên bia 209Bi với chùm bức xạ hãm năng lượng 2.5 GeV, khám phá tiềm năng ứng dụng.

• Tác giả: Bùi Thị Hồng
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Đức Khuê
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
• Đề tài: Nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên bia 209Bi
• 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
• 1.1.4. Phản ứng photospallation
• 1.1.5. Phản ứng quang phân hạch
• 1.1.6. Tổng quan một số kết quả nghiên cứu về phản ứng quang phân hạch 209 Bi
• 1.2. Nguồn bức xạ hãm trên máy gia tốc linac
• 1.2.1. Máy gia tốc electron tuyến tính 2,5 GeV
• 1.2.2. Cơ chế tạo chùm bức xạ hãm trên máy gia tốc
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Xác định suất lượng phản ứng bằng thực nghiệm
• 2.2. Phổ kế gamma với đêtector bán dẫn siêu tinh khiết HPGe dùng trong ghi nhận bức xạ
• 2.3. Một số hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác
• 2.3.1. Hiệu ứng thời gian chết và chồng chập xung
• 2.3.2. Hiệu ứng tự hấp thụ tia gamma trong mẫu
• 2.3.3. Hiệu chỉnh can nhiễu phóng xạ
• 2.3.4. Hiệu ứng cộng đỉnh
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nhận diện đồng vị phóng xạ tạo thành từ các phản ứng quang hạt nhân trên bia 209 Bi
• 3.2. Xác định suất lượng các phản ứng sinh nhiều nơtron
• 3.3. Xác định suất lượng phản ứng quang phân hạch 209 Bi(γ ,f)
• Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt và từ khoá
• 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 về phản ứng quang hạt nhân trên bia 209Bi là một lĩnh vực quan trọng trong vật lý hạt nhân. Phản ứng này 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. Tầm quan trọng của phản ứng này nằm ở khả năng tạo ra các đồng vị phóng xạ, phục vụ cho nhiều ứng dụng trong thực tiễn.

1.2. Lịch sử nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân

Nghiên cứu về phản ứng quang hạt nhân bắt đầu từ những năm 1930. Các nhà khoa học như Chadwick và Goldhaber đã có những đóng góp quan trọng trong việc hiểu rõ hơn về cơ chế của phản ứng này. Sự phát triển của công nghệ gia tốc đã mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu mới.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân, vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua. Một trong những vấn đề chính là việc xác định chính xác suất lượng phản ứng. 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 gặp khó khăn do sự phức tạp trong việc ghi nhận và phân tích dữ liệu. Các yếu tố như hiệu ứng tự hấp thụ và thời gian chết của detector cũng ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả.

2.2. Thách thức trong việc sử dụng chùm bức xạ hãm

Chùm bức xạ hãm năng lượng cao có thể tạo ra nhiều phản ứng khác nhau, làm cho việc phân tích kết quả trở nên phức tạp. Cần có các phương pháp phân tích hiệu quả để tách biệt các phản ứng khác nhau.

III. Phương pháp nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên bia 209Bi

Nghiên cứu sử dụng máy gia tốc electron tuyến tính 2,5 GeV để tạo ra chùm bức xạ hãm. Phương pháp thực nghiệm bao gồm việc ghi nhận phổ gamma bằng detector siêu tinh khiết HPGe. Các bước thực hiện được thiết kế để đảm bảo độ chính xác cao trong việc xác định suất lượng phản ứng.

3.1. Thiết lập thí nghiệm với máy gia tốc 2 5 GeV

Máy gia tốc 2,5 GeV được sử dụng để tạo ra chùm bức xạ hãm với thông lượng lớn. Chùm bức xạ này được chiếu vào bia 209Bi để tạo ra các phản ứng quang hạt nhân.

3.2. Phương pháp ghi nhận và phân tích dữ liệu

Sử dụng detector HPGe để ghi nhận phổ gamma, từ đó xác định các đồng vị phóng xạ tạo thành. Phân tích dữ liệu được thực hiện để xác định suất lượng phản ứng một cách chính xác.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy suất lượng phản ứng quang hạt nhân trên bia 209Bi có thể đạt được ở mức cao khi sử dụng chùm bức xạ hãm năng lượng cao. Những đồng vị phóng xạ tạo thành có thể được ứng dụng trong y học và nghiên cứu vật lý hạt nhân.

4.1. Nhận diện các đồng vị phóng xạ từ phản ứng quang hạt nhân

Các đồng vị phóng xạ được nhận diện thông qua các đỉnh năng lượng gamma đặc trưng. Kết quả cho thấy sự đa dạng trong các sản phẩm phản ứng, mở ra hướng nghiên cứu mới.

4.2. Ứng dụng của các đồng vị phóng xạ trong thực tiễn

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, chúng cũng có thể được sử dụng trong nghiên cứu vật lý thiên văn.

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

Nghiên cứu về phản ứng quang hạt nhân trên bia 209Bi đã mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực vật lý hạt nhân. Các kết quả thu được không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có thể ứng dụng thực tiễn. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều khám phá mới.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã xác định được suất lượng phản ứng quang hạt nhân và các đồng vị phóng xạ tạo thành. Những phát hiện này có thể đóng góp vào việc phát triển các ứng dụng mới trong vật lý hạt nhân.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc mở rộng phạm vi năng lượng của chùm bức xạ hãm và nghiên cứu sâu hơn về cơ chế phản ứng quang hạt nhân. Điều này sẽ giúp hiểu rõ hơn về các phản ứng hạt nhân ở năng lượng cao.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Phản ứng quang hạt nhân là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong vật lý nguyên tử, giúp hiểu sâu sắc về cấu trúc vi mô của hạt nhân nguyên tử và các cơ chế tương tác giữa photon năng lượng cao với hạt nhân. Theo ước tính, phản ứng quang hạt nhân xảy ra khi photon có năng lượng lớn hơn ngưỡng năng lượng nhất định tương tác với hạt nhân, dẫn đến phát xạ neutron, proton hoặc các hạt khác. Nghiên cứu này tập trung vào phản ứng quang hạt nhân trên bia 209Bi gây bởi chùm bức xạ hãm năng lượng cực đại 2,5 GeV, sử dụng máy gia tốc electron tuyến tính tại Trung tâm Gia tốc Pohang, Hàn Quốc.

Mục tiêu chính của luận văn là nhận diện các đồng vị phóng xạ tạo thành sau phản ứng, xác định suất lượng phản ứng sinh nhiều neutron (γ, xn) và phản ứng quang phân hạch (γ, f) trên bia 209Bi. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thí nghiệm chiếu xạ bia 209Bi bằng chùm photon hãm có phổ liên tục từ 0 đến 2,5 GeV, thời gian chiếu mẫu 4 giờ, với các phép đo phổ gamma được thực hiện nhiều lần nhằm ghi nhận các đồng vị có chu kỳ bán rã khác nhau.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp số liệu thực nghiệm về suất lượng phản ứng quang hạt nhân ở vùng năng lượng cao, góp phần làm sáng tỏ cơ chế phản ứng quang phân hạch trên các hạt nhân nặng, đồng thời hỗ trợ phát triển các ứng dụng trong vật lý hạt nhân, y học hạt nhân và công nghệ năng lượng hạt nhân.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Phản ứng quang hạt nhân: Tương tác giữa photon năng lượng cao và hạt nhân, dẫn đến sự hấp thụ photon và phát xạ các hạt như neutron, proton, hoặc phân hạch hạt nhân. Tiết diện phản ứng phụ thuộc vào năng lượng photon tới và đặc tính hạt nhân bia.

• Cơ chế tạo chùm bức xạ hãm (Bremsstrahlung): Khi chùm electron năng lượng cao tương tác với hạt nhân của bia W, electron bị hãm lại và phát ra bức xạ hãm có phổ liên tục, năng lượng cực đại bằng động năng electron (2,5 GeV). Công thức tính năng suất bức xạ hãm phụ thuộc vào năng lượng electron và nguyên tử số của môi trường.

• Phản ứng quang phân hạch (Photofission): Quá trình phân hạch hạt nhân nặng do photon kích thích, đặc biệt quan trọng ở vùng năng lượng cao, với sự tham gia của các cơ chế như cộng hưởng khổng lồ, giả đơtron và tạo pion.

• Phương pháp kích hoạt phóng xạ: Dựa trên việc kích hoạt hạt nhân bia thành các đồng vị phóng xạ, sau đó ghi nhận phổ gamma đặc trưng để nhận diện đồng vị và xác định suất lượng phản ứng.

Các khái niệm chính bao gồm: tiết diện phản ứng, suất lượng phản ứng, hiệu ứng thời gian chết, hiệu ứng chồng chập xung, hiệu ứng tự hấp thụ gamma, và hiệu ứng cộng đỉnh trong phổ gamma.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các phép đo thực nghiệm tại Trung tâm Gia tốc Pohang, Hàn Quốc, sử dụng máy gia tốc electron tuyến tính 2,5 GeV. Cỡ mẫu là bia 209Bi kích thước 18 × 18 mm, dày 0,15 mm, được chiếu xạ bởi chùm photon hãm tạo thành từ chùm electron bắn phá bia W.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Phương pháp kích hoạt phóng xạ kết hợp với phổ kế gamma đa kênh sử dụng đêtectơ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe có độ phân giải năng lượng cao (1,8 - 2 keV tại 1332 keV).

• Ghi nhận phổ gamma ở nhiều thời điểm khác nhau sau chiếu xạ, với thời gian đo từ 5 phút đến 30 giờ, nhằm nhận diện các đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã khác nhau.

• Hiệu chỉnh các hiệu ứng ảnh hưởng đến độ chính xác như thời gian chết, chồng chập xung, tự hấp thụ gamma trong mẫu, can nhiễu phóng xạ và hiệu ứng cộng đỉnh.

• Phân tích số liệu dựa trên công thức kích hoạt phóng xạ, tính suất lượng phản ứng từ diện tích đỉnh gamma đặc trưng, hiệu suất ghi đêtectơ, và các thông số thời gian chiếu, phơi, đo.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong quá trình chiếu xạ, đo phổ và xử lý số liệu, với tổng thời gian đo mẫu lên đến 23 ngày 11 giờ 50 phút cho các phép đo dài hạn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Nhận diện đồng vị phóng xạ: Thực nghiệm đã nhận diện được 76 đồng vị phóng xạ tạo thành từ các phản ứng (γ, xn), (γ, xnyp), (γ, π xn) và đặc biệt 24 đồng vị từ phản ứng quang phân hạch trên bia 209Bi. Ví dụ, đồng vị 207Bi được tạo thành qua phản ứng (γ, 2n) với chu kỳ bán rã 31,55 năm, đồng vị 206Bi qua (γ, 3n) với chu kỳ 6,243 ngày.

2. Xác định suất lượng phản ứng sinh nhiều neutron (γ, xn): Suất lượng phản ứng được xác định dựa trên diện tích đỉnh gamma đặc trưng, hiệu suất đêtectơ và các hiệu chỉnh. Kết quả cho thấy suất lượng phản ứng tăng theo số neutron phát ra, với các giá trị cụ thể được so sánh với các nghiên cứu trước đó.

3. Suất lượng phản ứng quang phân hạch (γ, f): Đã xác định suất lượng phản ứng quang phân hạch trên bia 209Bi với chùm photon năng lượng cực đại 2,5 GeV. Kết quả cho thấy sự phụ thuộc rõ rệt của suất lượng vào năng lượng photon, phù hợp với các mô hình lý thuyết và các kết quả thực nghiệm trước đó ở vùng năng lượng thấp hơn.

4. So sánh với các nghiên cứu khác: Kết quả thực nghiệm được so sánh với các báo cáo của các tác giả như H. Naik và M. Areskoug, cho thấy sự tương đồng về xu hướng và giá trị suất lượng, tuy nhiên nghiên cứu này mở rộng phạm vi năng lượng lên đến 2,5 GeV, cung cấp dữ liệu mới cho vùng năng lượng cao.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện được giải thích dựa trên cơ chế tương tác photon với hạt nhân, bao gồm cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ, tương tác với giả đơtron và tạo pion, dẫn đến các kênh phản ứng khác nhau như phát xạ neutron, proton và phân hạch. Sự tăng suất lượng phản ứng quang phân hạch ở vùng năng lượng cao phản ánh sự gia tăng tiết diện hấp thụ photon và các quá trình thác lũ hadronic bên trong hạt nhân.

So với các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung ở vùng năng lượng trung bình (300 MeV - 1 GeV), nghiên cứu này cung cấp số liệu thực nghiệm quan trọng ở vùng năng lượng cao 2,5 GeV, giúp hoàn thiện bức tranh về cơ chế phản ứng quang hạt nhân. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố suất lượng theo số neutron phát ra và theo số khối hạt nhân sản phẩm, cũng như bảng so sánh suất lượng với các nghiên cứu khác.

Ý nghĩa của kết quả nằm ở việc cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm cho các mô hình lý thuyết, hỗ trợ phát triển các ứng dụng trong vật lý hạt nhân và công nghệ năng lượng hạt nhân.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Mở rộng nghiên cứu phản ứng quang phân hạch ở vùng năng lượng cao: Tiến hành các thí nghiệm với các bia hạt nhân khác nhau và chùm photon có năng lượng cao hơn 2,5 GeV để hoàn thiện cơ chế phản ứng và phân bố sản phẩm phân hạch.

2. Nâng cao độ chính xác đo phổ gamma: Áp dụng các kỹ thuật hiệu chỉnh nâng cao như giảm hiệu ứng cộng đỉnh, cải thiện hiệu suất đêtectơ và giảm thời gian chết để tăng độ tin cậy của số liệu suất lượng phản ứng.

3. Phát triển mô hình lý thuyết mô phỏng phản ứng quang hạt nhân: Kết hợp dữ liệu thực nghiệm với các phần mềm mô phỏng như Geant4 để dự đoán và phân tích chi tiết các kênh phản ứng và sản phẩm tạo thành.

4. Ứng dụng kết quả nghiên cứu trong công nghiệp và y học: Khai thác các đồng vị phóng xạ tạo thành trong phản ứng quang hạt nhân phục vụ cho y học hạt nhân, phân tích nguyên tố và xử lý chất thải hạt nhân.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 3-5 năm tới, với sự phối hợp giữa các trung tâm nghiên cứu vật lý hạt nhân trong và ngoài nước.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật lý hạt nhân: Sử dụng số liệu và phương pháp nghiên cứu để phát triển các mô hình lý thuyết và thực nghiệm về phản ứng quang hạt nhân.

2. Kỹ sư và chuyên gia công nghệ hạt nhân: Áp dụng kết quả nghiên cứu trong thiết kế máy gia tốc, nguồn bức xạ hãm và các ứng dụng công nghiệp liên quan.

3. Chuyên gia y học hạt nhân: Khai thác các đồng vị phóng xạ tạo thành trong phản ứng để phát triển kỹ thuật chẩn đoán và điều trị bệnh.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành vật lý nguyên tử: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật đo phổ gamma và phân tích dữ liệu trong lĩnh vực phản ứng hạt nhân.

Mỗi nhóm đối tượng có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả công việc, phát triển nghiên cứu chuyên sâu hoặc ứng dụng thực tiễn.

Câu hỏi thường gặp

1. Phản ứng quang hạt nhân là gì?
   Phản ứng quang hạt nhân là quá trình tương tác giữa photon năng lượng cao và hạt nhân nguyên tử, dẫn đến phát xạ neutron, proton hoặc phân hạch hạt nhân. Ví dụ, photon có năng lượng lớn hơn ngưỡng năng lượng sẽ kích thích hạt nhân phát xạ neutron.

2. Tại sao sử dụng máy gia tốc electron tuyến tính 2,5 GeV?
   Máy gia tốc này tạo ra chùm electron năng lượng cao, khi bắn phá bia W sẽ sinh ra chùm photon hãm có phổ liên tục đến 2,5 GeV, phù hợp để nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân ở vùng năng lượng cao.

3. Phương pháp kích hoạt phóng xạ hoạt động như thế nào?
   Phương pháp này kích hoạt hạt nhân bia thành đồng vị phóng xạ bằng chùm hạt hoặc photon, sau đó đo phổ gamma đặc trưng để nhận diện đồng vị và tính suất lượng phản ứng.

4. Làm thế nào để hiệu chỉnh các hiệu ứng ảnh hưởng đến đo phổ gamma?
   Các hiệu ứng như thời gian chết, chồng chập xung, tự hấp thụ gamma và cộng đỉnh được hiệu chỉnh bằng các phương pháp phần cứng, phần mềm và sử dụng mẫu chuẩn để đảm bảo độ chính xác.

5. Ý nghĩa của việc xác định suất lượng phản ứng quang phân hạch?
   Suất lượng phản ứng phản ánh số phản ứng xảy ra trên một hạt nhân trong một đơn vị thời gian, giúp hiểu cơ chế phân hạch và ứng dụng trong phát triển nguồn năng lượng hạt nhân và vật lý hạt nhân ứng dụng.

Kết luận

• Đã nhận diện thành công 76 đồng vị phóng xạ tạo thành từ phản ứng quang hạt nhân trên bia 209Bi với chùm photon năng lượng cực đại 2,5 GeV.
• Xác định suất lượng phản ứng sinh nhiều neutron và phản ứng quang phân hạch với độ chính xác cao, cung cấp dữ liệu thực nghiệm mới cho vùng năng lượng cao.
• Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trước đây, đồng thời mở rộng phạm vi nghiên cứu lên vùng năng lượng 2,5 GeV.
• Phương pháp kích hoạt phóng xạ kết hợp phổ kế gamma HPGe là công cụ hiệu quả trong nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu, nâng cao kỹ thuật đo và phát triển mô hình lý thuyết để ứng dụng trong vật lý hạt nhân và công nghệ năng lượng hạt nhân.

Tiếp theo, cần triển khai các thí nghiệm bổ sung với các loại bia khác và cải tiến kỹ thuật đo để hoàn thiện bức tranh cơ chế phản ứng quang hạt nhân ở vùng năng lượng cao. Mời các nhà nghiên cứu và chuyên gia trong lĩnh vực vật lý hạt nhân tiếp cận và ứng dụng kết quả nghiên cứu này.

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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : [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].