Nghiên Cứu Tỷ Số Đồng Phân và Các Hiệu Ứng Liên Quan Trong Phản Ứng Quang Hạt Nhân và Bắt Neutron

• Tác giả: Bùi Minh Huệ
• Người hướng dẫn: Dr Trần Đức Thiệp
• Trường học: Graduate University of Science and Technology
• Chuyên ngành: Atomic and Nuclear Physics
• Đề tài: Nghiên Cứu Tỷ Số Đồng Phân Trong Phản Ứng Quang Hạt Nhân và Bắt Neutron
• Loại tài liệu: Doctoral Thesis
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• Declaration of Authorship
• Abstract
• Acknowledgements
• Contents
• List of Abbreviations
• List of Physical Quantities
• List of Tables
• List of Figures
• Introduction
• 1. CHƯƠNG 1: OVERVIEW
• 1.1. Formation and classification of isomers
• 1.2. Isomeric ratio and related effects
• 1.2.1. Definition of isomeric ratio
• 1.2.2. Nuclear effects on isomeric ratio
• 1.2.3. Theoretical IR calculation
• 1.3. Formation of photonuclear reaction and photon sources
• 1.4. Cross-section of photonuclear reaction
• 1.4.1. Above particle emission threshold up to 30 MeV
• 1.4.2. Below particle emission threshold
• 1.4.3. In the energy range of 30 to 140 MeV
• 1.5. Neutron capture reaction
• 1.5.1. Neutron and neutron sources
• 1.5.2. Neutron capture cross-section
• 1.6. Level density and γ-ray strength function
• 1.6.1. Nuclear level density
• 1.6.2. Gamma-ray strength function
• 2. CHƯƠNG 2: EXPERIMENTAL AND THEORETICAL METHODS
• 2.1. Thermal and epithermal neutron source
• 2.2. Experimental IR determination
• 2.3. Spectrum analysis - necessary correction
• 2.3.1. Self-absorption effect
• 2.3.2. Coincidence summing corrections
• 2.4. Theoretical IR calculation in (γ, n) reaction
• 2.4.1. Bremsstrahlung spectra simulation in GEANT4
• 2.4.2. Cross-section calculation in TALYS
• 3. CHƯƠNG 3: RESULTS AND DISCUSSION
• 3.1. Isomeric Ratios in (γ, n) reactions
• 3.2. Hg and Hg
• 3.3. Isomeric Ratios in (n, γ) reactions
• 3.3.1. Pd and 111m,g Pd
• 3.3.2. Cd and 117m,g Cd
• 3.4. Influence of nuclear channel effect on IRs in (γ, n) and (n, γ) reactions
• 3.5. IRs of Ce, Cd, Pd, and Se in inverse reactions
• 3.6. Theoretically calculated IRs in (γ, n) reactions
• 3.6.1. Bremsstrahlung spectra simulation
• 3.6.2. Cross-section calculation
• 3.6.3. IRs in (γ, n) reactions
• 4. CONCLUSIONS AND OUTLOOKS
• List of Publications used for the Thesis content
• References
• A Geant4 simulation codes
• B Input file of TALYS code
• C CERN ROOT analysis code to calculate IRs using energy flux spectra from GEANT4 and the cross-section outputs from TALYS

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Tỷ Số Đồng Phân Phản Ứng Hạt Nhân

Nghiên cứu về tỷ số đồng phân (IR) trong các phản ứng hạt nhân là một lĩnh vực quan trọng trong vật lý hạt nhân. Nó cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc hạt nhân, cơ chế phản ứng và các hiệu ứng liên quan. Các phản ứng quang hạt nhân và bắt neutron là hai phương pháp chính để tạo ra các trạng thái kích thích trong hạt nhân, từ đó dẫn đến sự hình thành các đồng phân. Việc nghiên cứu IR giúp chúng ta hiểu rõ hơn về sự phân bố spin, parity và năng lượng kích thích trong hạt nhân. Theo tài liệu gốc, "Việc nghiên cứu IR, là tỷ lệ xác suất...", cho thấy tầm quan trọng của việc định lượng các trạng thái hạt nhân khác nhau sau phản ứng.

1.1. Định Nghĩa và Phân Loại Đồng Phân Hạt Nhân

Đồng phân hạt nhân là các trạng thái kích thích metastable của hạt nhân có thời gian sống đủ dài để có thể quan sát được. Chúng được phân loại dựa trên cơ chế phân rã, bao gồm phân rã gamma và phân rã beta. Thời gian sống của các đồng phân có thể dao động từ nanosecond đến hàng năm. Sự tồn tại của đồng phân cho thấy sự phức tạp trong cấu trúc hạt nhân và các quy tắc lựa chọn trong quá trình phân rã. Hình 1.1 trong tài liệu gốc minh họa các trạng thái đồng phân với thời gian sống lớn hơn 100 ns.

1.2. Tỷ Số Đồng Phân Isomeric Ratio và Các Yếu Tố Ảnh Hưởng

Tỷ số đồng phân (IR) là tỷ lệ giữa số lượng hạt nhân được tạo ra ở trạng thái đồng phân và trạng thái cơ bản sau một phản ứng hạt nhân. IR phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm năng lượng kích thích, spin hạt nhân, parity hạt nhân, và cơ chế phản ứng. Nghiên cứu IR cung cấp thông tin về sự phân bố spin và năng lượng trong hạt nhân sau phản ứng. Các yếu tố này ảnh hưởng đến xác suất chuyển đổi giữa các trạng thái hạt nhân khác nhau.

II. Phản Ứng Quang Hạt Nhân Cơ Chế và Mặt Cắt Ngang

Phản ứng quang hạt nhân là quá trình hạt nhân hấp thụ một photon và sau đó phát ra một hoặc nhiều hạt khác, chẳng hạn như neutron hoặc proton. Phản ứng này thường xảy ra ở vùng cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ (GDR), nơi mà mặt cắt ngang phản ứng đạt giá trị cực đại. Nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân cung cấp thông tin về cấu trúc và động lực học của hạt nhân ở trạng thái kích thích cao. Theo tài liệu, "Phản ứng hạt nhân có thể xảy ra trong nhiều quá trình khác nhau như hợp chất, tiền cân bằng hoặc trực tiếp...", nhấn mạnh tính đa dạng của các cơ chế phản ứng.

2.1. Sự Hình Thành Phản Ứng Quang Hạt Nhân và Nguồn Photon

Phản ứng quang hạt nhân xảy ra khi một hạt nhân hấp thụ một photon có năng lượng đủ lớn để vượt qua năng lượng liên kết của các nucleon. Nguồn photon có thể là bức xạ hãm (bremsstrahlung) được tạo ra từ máy gia tốc electron, hoặc photon gamma từ các nguồn phóng xạ. Năng lượng của photon quyết định loại phản ứng và các hạt được phát ra. Hình 1.2 trong tài liệu gốc mô tả tổ chức các luồng đầu vào-đầu ra và các thành phần của mô hình hạt nhân trong chương trình TALYS.

2.2. Mặt Cắt Ngang Phản Ứng Quang Hạt Nhân Lý Thuyết và Thực Nghiệm

Mặt cắt ngang phản ứng quang hạt nhân là một đại lượng đo xác suất xảy ra phản ứng. Nó phụ thuộc vào năng lượng của photon và cấu trúc của hạt nhân. Mặt cắt ngang thường được tính toán bằng các mô hình lý thuyết, chẳng hạn như mô hình thống kê và mô hình tiền cân bằng, và được so sánh với dữ liệu thực nghiệm. Sự phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm cho phép chúng ta kiểm chứng các mô hình hạt nhân.

III. Phản Ứng Bắt Neutron Cơ Chế và Ứng Dụng Thực Tiễn

Phản ứng bắt neutron là quá trình hạt nhân hấp thụ một neutron, dẫn đến sự hình thành một hạt nhân mới ở trạng thái kích thích. Hạt nhân này sau đó có thể phân rã bằng cách phát ra photon gamma hoặc các hạt khác. Phản ứng bắt neutron được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm y học hạt nhân, năng lượng hạt nhân, và phân tích kích hoạt neutron. Theo tài liệu, "Phản ứng bắt neutron được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực...", cho thấy tầm quan trọng của nó trong các ứng dụng khác nhau.

3.1. Nguồn Neutron và Các Loại Phản Ứng Bắt Neutron

Neutron có thể được tạo ra từ các phản ứng hạt nhân khác, chẳng hạn như phản ứng phân hạch hoặc phản ứng (α, n). Các loại phản ứng bắt neutron bao gồm bắt neutron nhiệt, bắt neutron cộng hưởng, và bắt neutron nhanh, tùy thuộc vào năng lượng của neutron. Mỗi loại phản ứng có đặc điểm và ứng dụng riêng.

3.2. Mặt Cắt Ngang Bắt Neutron và Các Mô Hình Tính Toán

Mặt cắt ngang bắt neutron là một đại lượng đo xác suất xảy ra phản ứng bắt neutron. Nó phụ thuộc vào năng lượng của neutron và cấu trúc của hạt nhân. Mặt cắt ngang thường được tính toán bằng các mô hình thống kê, chẳng hạn như mô hình Hauser-Feshbach, và được so sánh với dữ liệu thực nghiệm. Các mô hình này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cơ chế phản ứng và cấu trúc hạt nhân.

3.3. Ứng Dụng Phản Ứng Bắt Neutron Trong Y Học và Công Nghiệp

Phản ứng bắt neutron có nhiều ứng dụng quan trọng trong y học hạt nhân, chẳng hạn như sản xuất đồng vị phóng xạ cho chẩn đoán và điều trị bệnh. Trong công nghiệp, nó được sử dụng trong phân tích kích hoạt neutron để xác định thành phần nguyên tố của vật liệu. Các ứng dụng này đóng góp vào sự phát triển của khoa học và công nghệ.

IV. Phương Pháp Thực Nghiệm và Mô Phỏng Tỷ Số Đồng Phân

Việc xác định tỷ số đồng phân (IR) đòi hỏi các phương pháp thực nghiệm chính xác và các công cụ mô phỏng mạnh mẽ. Các phương pháp thực nghiệm thường sử dụng kỹ thuật kích hoạt và đo phổ gamma để xác định số lượng hạt nhân ở trạng thái đồng phân và trạng thái cơ bản. Các công cụ mô phỏng, chẳng hạn như code TALYS và code EMPIRE, được sử dụng để tính toán mặt cắt ngang phản ứng và dự đoán IR. Theo tài liệu, "Hoạt động của đồng vị phóng xạ được xác định bằng máy dò HPGe gamma có độ phân giải cao và phần mềm phân tích chuyên dụng...", nhấn mạnh tầm quan trọng của thiết bị hiện đại.

4.1. Kỹ Thuật Kích Hoạt và Đo Phổ Gamma Độ Phân Giải Cao

Kỹ thuật kích hoạt bao gồm chiếu xạ mẫu bằng photon hoặc neutron để tạo ra các hạt nhân ở trạng thái kích thích. Sau đó, phổ gamma được đo bằng các detector độ phân giải cao, chẳng hạn như detector HPGe, để xác định năng lượng và cường độ của các photon gamma được phát ra từ quá trình phân rã của các hạt nhân. Dữ liệu này được sử dụng để tính toán IR.

4.2. Mô Phỏng Bức Xạ Hãm Bremsstrahlung bằng GEANT4

Bức xạ hãm (bremsstrahlung) là một nguồn photon quan trọng trong các phản ứng quang hạt nhân. Phần mềm GEANT4 được sử dụng để mô phỏng quá trình tạo ra bremsstrahlung và tính toán phổ năng lượng của photon. Thông tin này là cần thiết để tính toán mặt cắt ngang phản ứng và dự đoán IR.

4.3. Tính Toán Mặt Cắt Ngang Phản Ứng bằng Code TALYS

Code TALYS là một công cụ mạnh mẽ để tính toán mặt cắt ngang phản ứng hạt nhân. Nó sử dụng các mô hình thống kê và mô hình tiền cân bằng để mô tả quá trình phản ứng. TALYS có thể được sử dụng để tính toán mặt cắt ngang cho cả phản ứng quang hạt nhân và phản ứng bắt neutron. Kết quả tính toán được so sánh với dữ liệu thực nghiệm để kiểm chứng các mô hình hạt nhân.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Tỷ Số Đồng Phân Phản Ứng γ n và n γ

Nghiên cứu này trình bày kết quả thực nghiệm và lý thuyết về tỷ số đồng phân (IR) trong các phản ứng quang hạt nhân (γ, n) và phản ứng bắt neutron (n, γ). Các kết quả thực nghiệm được thu thập bằng cách sử dụng kỹ thuật kích hoạt và đo phổ gamma. Các kết quả lý thuyết được tính toán bằng code TALYS và GEANT4. Sự so sánh giữa lý thuyết và thực nghiệm cho phép chúng ta hiểu rõ hơn về cơ chế phản ứng và cấu trúc hạt nhân. Theo tài liệu, "Công trình này báo cáo, thu được từ các phản ứng (γ, n), IR của 195m,g Hg trong khoảng 14 - 24 MeV...", cho thấy những đóng góp mới vào lĩnh vực này.

5.1. Tỷ Số Đồng Phân trong Phản Ứng Quang Hạt Nhân γ n

Các kết quả về IR trong phản ứng quang hạt nhân (γ, n) cho thấy sự phụ thuộc của IR vào năng lượng photon, spin hạt nhân, và parity hạt nhân. Các kết quả này được so sánh với các kết quả trước đây và với các tính toán lý thuyết. Sự phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm cho phép chúng ta kiểm chứng các mô hình hạt nhân.

5.2. Tỷ Số Đồng Phân trong Phản Ứng Bắt Neutron n γ

Các kết quả về IR trong phản ứng bắt neutron (n, γ) cho thấy sự phụ thuộc của IR vào năng lượng neutron, spin hạt nhân, và parity hạt nhân. Các kết quả này được so sánh với các kết quả trước đây và với các tính toán lý thuyết. Sự phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm cho phép chúng ta kiểm chứng các mô hình hạt nhân.

5.3. Ảnh Hưởng của Hiệu Ứng Kênh Hạt Nhân đến Tỷ Số Đồng Phân

Hiệu ứng kênh hạt nhân, chẳng hạn như sự cạnh tranh giữa các kênh phân rã khác nhau, có thể ảnh hưởng đến tỷ số đồng phân. Nghiên cứu này xem xét ảnh hưởng của các hiệu ứng này đến IR trong cả phản ứng quang hạt nhân và phản ứng bắt neutron. Việc hiểu rõ các hiệu ứng này là cần thiết để có được một bức tranh đầy đủ về cơ chế phản ứng.

VI. Kết Luận và Triển Vọng Nghiên Cứu Tỷ Số Đồng Phân

Nghiên cứu về tỷ số đồng phân (IR) trong các phản ứng quang hạt nhân và phản ứng bắt neutron là một lĩnh vực quan trọng trong vật lý hạt nhân. Các kết quả của nghiên cứu này cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc hạt nhân, cơ chế phản ứng, và các hiệu ứng liên quan. Trong tương lai, việc nghiên cứu IR có thể được mở rộng sang các hạt nhân khác và các loại phản ứng khác, cũng như sử dụng các phương pháp thực nghiệm và lý thuyết tiên tiến hơn. Theo tài liệu, "...tạo ra những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đáng chú ý về đồng phân...", cho thấy sự phát triển nhanh chóng của lĩnh vực này.

6.1. Tóm Tắt Các Kết Quả Chính và Đóng Góp của Nghiên Cứu

Nghiên cứu này đã đạt được những kết quả quan trọng trong việc xác định tỷ số đồng phân (IR) trong các phản ứng quang hạt nhân và phản ứng bắt neutron. Các kết quả này đã cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc hạt nhân, cơ chế phản ứng, và các hiệu ứng liên quan. Nghiên cứu này cũng đã đóng góp vào việc phát triển các phương pháp thực nghiệm và lý thuyết để nghiên cứu IR.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai và Ứng Dụng Tiềm Năng

Trong tương lai, việc nghiên cứu tỷ số đồng phân (IR) có thể được mở rộng sang các hạt nhân khác và các loại phản ứng khác. Các phương pháp thực nghiệm và lý thuyết tiên tiến hơn, chẳng hạn như sử dụng chùm tia đồng vị phóng xạ (RIB) và các mô hình hạt nhân phức tạp hơn, có thể được sử dụng để nghiên cứu IR. Các ứng dụng tiềm năng của nghiên cứu IR bao gồm y học hạt nhân, năng lượng hạt nhân, và vật lý thiên văn hạt nhân.