Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu tỷ số đồng phân trong phản ứng quang hạt nhân - Bùi Minh Huệ 2023

Nghiên cứu tỷ lệ đồng phân và ảnh hưởng liên quan trong phản ứng photon hạt nhân và bắt giữ neutron. Tìm hiểu sâu về cơ chế và ứng dụng.

• 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

Mục lục chi tiết

• 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

Tóm tắt

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.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Nghiên cứu cấu trúc và tính chất hạt nhân nguyên tử thông qua lực tương tác giữa các nucleon là một trong những nhiệm vụ trọng tâm của Vật lý hạt nhân. Trong các phản ứng hạt nhân, hạt nhân tàn dư có thể được hình thành ở trạng thái cơ bản (ground state - $g$) hoặc trạng thái đồng phân (isomeric state - $m$). Trạng thái đồng phân là trạng thái kích thích giả bền của hạt nhân có thời gian sống dài do sự suy giảm xác suất phân rã bức xạ gamma. Tỷ số đồng phân (Isomeric Ratio - IR), được định nghĩa là tỷ số xác suất hình thành giữa trạng thái đồng phân và trạng thái cơ bản, phản ánh cấu trúc mức năng lượng, mật độ mức, sự phân bố spin và cơ chế phản ứng hạt nhân.

Trong vùng năng lượng cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ (Giant Dipole Resonance - GDR) của phản ứng quang hạt nhân $(\gamma, n)$ và các phản ứng bắt neutron $(n, \gamma)$ ở vùng năng lượng nhiệt - cộng hưởng, số liệu thực nghiệm về tỷ số đồng phân của nhiều hạt nhân trung bình và nặng còn thiếu hoặc có sự phân tán lớn giữa các nhóm tác giả. Luận án tiến sĩ của nghiên cứu sinh Bùi Minh Huệ tập trung giải quyết các vấn đề này thông qua các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể:

1. Đo đạc thực nghiệm tỷ số đồng phân của các cặp đồng phân $^{195m,g}\text{Hg}$, $^{197m,g}\text{Hg}$ trong phản ứng $^{196,198}\text{Hg}(\gamma, n)$ và $^{152m1,m2}\text{Eu}$ trong phản ứng $^{153}\text{Eu}(\gamma, n)$ được kích hoạt bởi bức xạ hãm (bremsstrahlung) với năng lượng cực đại trong toàn bộ vùng GDR.
2. Xác định thực nghiệm tỷ số đồng phân của $^{109m,g}\text{Pd}$, $^{111m,g}\text{Pd}$ và $^{115m,g}\text{Cd}$, $^{117m,g}\text{Cd}$ trong các phản ứng $^{108,110}\text{Pd}(n, \gamma)$ và $^{114,116}\text{Cd}(n, \gamma)$ gây ra bởi neutron nhiệt, neutron cộng hưởng và hỗn hợp neutron nhiệt - cộng hưởng.
3. Khảo sát các hiệu ứng ảnh hưởng đến tỷ số đồng phân như: độ chênh lệch spin ($\Delta J$), năng lượng kích thích của hạt nhân hợp phần, cấu hình nucleon (số khối $A$, số proton $Z$, số neutron $N$), sự truyền mômen xung lượng và hiệu ứng kênh phản ứng.
4. Áp dụng chương trình tính toán phản ứng hạt nhân TALYS 1.95 kết hợp 6 mô hình mật độ mức và 8 hàm lực bức xạ gamma cùng bộ công cụ mô phỏng GEANT4 để tính toán lý thuyết tỷ số đồng phân trong phản ứng quang hạt nhân, so sánh với số liệu thực nghiệm của luận án và các công bố quốc tế.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là các đồng vị thủy ngân ($^{196,198}\text{Hg}$), europi ($^{153}\text{Eu}$), palađi ($^{108,110}\text{Pd}$), cadmi ($^{114,116}\text{Cd}$), cùng các hạt nhân xeri ($^{138}\text{Ce}$) và selen ($^{82}\text{Se}$). Các phép đo thực nghiệm được thực hiện trên máy gia tốc Microtron MT-25 tại Phòng thí nghiệm Phản ứng Hạt nhân Flerov (FLNR), Viện Liên hiệp Nghiên cứu Hạt nhân Dubna (JINR), Liên bang Nga.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Khái niệm đồng phân hạt nhân được F. Soddy đề xuất năm 1917, và O. Hahn xác nhận thực nghiệm lần đầu năm 1921 trên đồng vị $^{234}\text{Pa}$ ($UZ$) và $^{234m}\text{Pa}$ ($UX2$). Năm 1936, C. F. von Weizsäcker giải thích sự tồn tại của đồng phân thông qua sự suy giảm xác suất chuyển mức gamma do độ biến thiên mômen xung lượng lớn kết hợp với năng lượng chuyển mức thấp. Đầu thập niên 1950, A. Bohr và B. R. Mottelson phát triển mô hình biến dạng trục cho đồng phân $^{180}\text{Hf}$ dựa trên chuyển mức trong dải quay.

Về phương diện mô hình lý thuyết tỷ số đồng phân, J. R. Huizenga và R. Vandenbosch (1960) đã thiết lập mô hình thống kê (mô hình Huizenga-Vandebosch - HVM) dựa trên sự bảo toàn mômen xung lượng, quá trình bay hơi hạt và phát chùm gamma tầng. Sau đó, N. Kolev (1995) cải tiến mô hình HVM bằng việc bổ sung phân tích phát xạ hạt tích điện. Các công trình của A. S. Danagulyan, Junhua, M. T. Palvanov, V. M. Mazur, S. Makwana, M. S. Rahman, H. Naik và A. N. Vodin đã ứng dụng các mã mô hình thống kê như STAPRE, COMPLET, EMPIRE và TALYS để phân tích tiết diện và tỷ số đồng phân. Về ảnh hưởng của kênh phản ứng và cấu hình nucleon, các tác giả F. Cserpak, S. Sudar, S. M. Qaim, B. Strohmaier, B. C. Nesaraja, A. P. Tonchev, Trần Đức Thiệp và cộng sự đã công bố nhiều số liệu trên các bia hạt nhân khác nhau.

Tuy nhiên, trong vùng phản ứng quang hạt nhân GDR (10 - 30 MeV), số liệu thực nghiệm IR của các đồng phân thủy ngân ($^{195m,g}\text{Hg}$, $^{197m,g}\text{Hg}$) và europi ($^{152m1,m2}\text{Eu}$) còn thiếu hụt hoặc có sự sai biệt đáng kể giữa các phép đo trước đó. Đối với phản ứng bắt neutron, hầu như chưa có số liệu thực nghiệm về tỷ số đồng phân của $^{109m,g;111m,g}\text{Pd}$ và $^{115m,g;117m,g}\text{Cd}$ trong trường neutron hỗn hợp nhiệt - cộng hưởng, cũng như số liệu của $^{111m,g}\text{Pd}$ trong phản ứng bắt neutron cộng hưởng. Luận án giải quyết trực tiếp các khoảng trống dữ liệu này bằng phương pháp thực nghiệm đo phổ kế gamma độ phân giải cao kết hợp mô phỏng bức xạ và tính toán lý thuyết chi tiết.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

Đồng phân hạt nhân được phân loại thành 5 dạng chính dựa trên cơ chế kìm hãm phân rã:

• Đồng phân spin (spin isomer) ở các hạt nhân hình cầu gần số ảo (magic numbers).
• Đồng phân seniority (seniority isomer) ở các hạt nhân bán ảo.
• Đồng phân $K$ ($K$-isomer) ở các hạt nhân biến dạng trục đối xứng, tuân theo quy tắc chọn lọc hình chiếu mômen xung lượng $K$.
• Đồng phân phân hạch (fission isomer) ở các hạt nhân nặng có rào phân hạch kép.
• Đồng phân hình dạng (shape isomer) ở các hạt nhân có sự cùng tồn tại trạng thái biến dạng khác nhau.
• Đồng phân năng lượng cực thấp (Extremely Low Energy - ELE isomer), ví dụ mức kích thích 8 eV ở $^{229}\text{Th}$.

Xác suất chuyển mức điện từ chuyển tiếp từ trạng thái ban đầu $J_i$ sang trạng thái cuối $J_f$ phát bức xạ gamma đa cực $\alpha L$ ($\alpha = E$ hoặc $M$) được tính theo định luật vàng Fermi và biểu thức Weisskopf:

$$T_{fi}^{\alpha L} = \frac{8\pi(L+1)}{\epsilon_0 \hbar L[(2L+1)!!]^2} \left(\frac{E_\gamma}{\hbar c}\right)^{2L+1} B(\alpha L; J_i \to J_f)(1 + \alpha_{IC})$$

Trong đó $\alpha_{IC} = N_e / N_\gamma$ là hệ số chuyển đổi nội (Internal Conversion).

Tỷ số đồng phân được xác định thông qua tỷ số tiết diện phản ứng $\text{IR} = \sigma_m / \sigma_g$ (với chùm hạt đơn năng) hoặc tỷ số hiệu suất phản ứng $\text{IR} = Y_m / Y_g$ (với chùm hạt liên tục):

$$\text{IR} = \frac{Y_m}{Y_g} = \frac{\int_{E_{th}}^{E_{\gamma m}} \sigma_m(E)\phi(E)dE}{\int_{E_{th}}^{E_{\gamma g}} \sigma_g(E)\phi(E)dE}$$

Đối với phản ứng quang hạt nhân trong vùng GDR, tương tác chủ yếu là sự hấp thụ bức xạ lưỡng cực điện $E1$. Thiết diện hấp thụ photon được mô tả bằng hàm phân bố Lorentzian:

$$\sigma_{GDR}(E_\gamma) = \sum_i \sigma_i \frac{(E_\gamma \Gamma_i)^2}{(E_\gamma^2 - E_i^2)^2 + (E_\gamma \Gamma_i)^2}$$

Đối với phản ứng bắt neutron $(n, \gamma)$ vùng năng lượng thấp, hạt nhân hợp phần hình thành do neutron sóng $s$ ($l=0$) và tiết diện được mô tả bởi công thức Breit-Wigner:

$$\sigma(E) = g \frac{\pi}{k^2} \frac{\Gamma_0 \Gamma_f}{(E - E_r)^2 + \Gamma^2/4}$$

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp chặt chẽ giữa kỹ thuật thực nghiệm hạt nhân và mô phỏng tính toán:

Hạng mục	Phương tiện / Phương pháp thực hiện	Mục đích / Chức năng
Nguồn kích hoạt	Máy gia tốc Microtron MT-25 (FLNR, JINR, Dubna)	Tạo chùm electron năng lượng lên đến 25 MeV, tạo bức xạ hãm và nguồn neutron nhiệt/cộng hưởng
Phương pháp thực nghiệm	Kỹ thuật kích hoạt (Activation technique) và đo phổ gamma ngoại tuyến (Off-line $\gamma$-spectroscopy)	Chiếu xạ mẫu bia và đo phổ phân rã gamma của các hạt nhân sản phẩm theo thời gian
Hệ phổ kế gamma	Đầu dò bán dẫn HPGe siêu tinh khiết, phần mềm phân tích Gamma Vision	Ghi nhận phổ bức xạ gamma với độ phân giải năng lượng cao, xác định diện tích đỉnh phổ
Hiệu chỉnh phổ	Hiệu chỉnh tự hấp thụ (Self-absorption) và hiệu ứng trùng phùng tổng (Coincidence summing)	Loại bỏ sai số hệ thống do kích thước mẫu và sơ đồ phân rã gamma phức tạp
Mô phỏng bức xạ	Bộ công cụ GEANT4 (500 triệu hạt electron ban đầu)	Mô phỏng phổ thông lượng bức xạ hãm $\phi(E)$ và phổ năng lượng neutron trong hình thái hình học thực tế
Mô hình hóa phản ứng	Chương trình TALYS 1.95 (6 mô hình mật độ mức, 8 hàm lực gamma $\gamma\text{SF}$)	Tính toán tiết diện vi phân $\sigma_m(E), \sigma_g(E)$ từ ngưỡng phản ứng đến vùng GDR
Tích phân dữ liệu	Đoạn mã phân tích trên nền tảng CERN ROOT	Tích hợp phổ thông lượng GEANT4 với tiết diện TALYS để tính tỷ số đồng phân lý thuyết

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan (Overview)

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về đồng phân hạt nhân, các quy tắc chọn lọc phát xạ gamma và các cơ chế kìm hãm phân rã. Tác giả trình bày chi tiết định nghĩa tỷ số đồng phân và các yếu tố ảnh hưởng, bao gồm năng lượng kích thích, cấu hình nucleon (số khối của các đồng vị và đồng neutron), kênh phản ứng, cấu trúc trạng thái trung gian, spin và độ chênh lệch spin giữa các mức.

Chương này cũng tổng quan cơ chế phản ứng quang hạt nhân trong các dải năng lượng:

• Vùng dưới ngưỡng phát hạt (tán xạ đàn hồi Thomson, huỳnh quang cộng hưởng hạt nhân, cộng hưởng Pygmy $E1/E2$, cộng hưởng Scissors $M1$, cộng hưởng spin-flip $M1$).
• Vùng cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ GDR (từ ngưỡng phát hạt đến 30 MeV) với mô hình Goldhaber-Teller và Steinwedel-Jensen.
• Vùng năng lượng 30 - 140 MeV đặc trưng bởi cơ chế chuẩn deuteron (Quasi-Deuteron - QD) theo mô hình Levinger.

Đồng thời, chương 1 trình bày đặc trưng của phản ứng bắt neutron $(n, \gamma)$ từ vùng nhiệt ($<0{,}5\text{ eV}$), trên nhiệt đến vùng cộng hưởng (10 - 300 eV), giới thiệu thư viện số liệu JEFF-3.3, nguyên lý mô hình thống kê Huizenga-Vandebosch (HVM), cấu trúc của chương trình tính toán phản ứng TALYS và bộ công cụ mô phỏng GEANT4.

Chương 2: Phương pháp thực nghiệm và lý thuyết (Experimental and theoretical methods)

Chương 2 mô tả chi tiết các điều kiện thực nghiệm trên máy gia tốc Microtron MT-25:

• Tạo chùm bức xạ hãm bằng cách cho chùm electron năng lượng cao bắn phá bia vonfram dày.
• Tạo nguồn neutron nhiệt và cộng hưởng thông qua bộ làm chậm (moderator) bằng nước/paraffin và sử dụng lá lọc Cadmi (Cd-foil cut-off $0{,}5\text{ eV}$) để tách biệt thành phần neutron nhiệt và neutron cộng hưởng (phương pháp chênh lệch Cadmi).

Quy trình đo phổ gamma ngoại tuyến được thực hiện trên đầu dò bán dẫn HPGe được chuẩn chuẩn năng lượng và hiệu suất đỉnh hấp thụ toàn phần. Tác giả trình bày phương pháp giải tích để đưa vào các hệ số hiệu chỉnh:

• Hệ số hiệu chỉnh tự hấp thụ của tia gamma trong mẫu bia có độ dày hữu hạn.
• Hệ số hiệu chỉnh mất mát do hiệu ứng trùng phùng tổng thực của các photon gamma phát ra đồng thời trong sơ đồ phân rã.

Phần phương pháp lý thuyết trình bày quy trình xây dựng hình học thực nghiệm trong GEANT4 với các lớp vật liệu bia, bộ làm chậm, nguồn phát để thu được phổ thông lượng bức xạ $\phi(E)$, sau đó kết hợp với tiết diện vi phân từ mã TALYS 1.95 để xuất ra tỷ số đồng phân phân tích qua phần mềm CERN ROOT.

Chương 3: Kết quả và thảo luận (Results and Discussion)

Chương 3 trình bày toàn bộ số liệu thực nghiệm và kết quả tính toán lý thuyết:

Phản ứng hạt nhân	Năng lượng chùm hạt	Cặp đồng phân khảo sát	Trạng thái Spin ($J^\pi$)	Kết quả đo thực nghiệm
$^{196}\text{Hg}(\gamma, n)$	14 - 24 MeV (Bức xạ hãm)	$^{195m,g}\text{Hg}$	$13/2^+$ (m) / $1/2^-$ (g)	Xác định IR trong dải năng lượng 14 - 24 MeV lần đầu tiên
$^{198}\text{Hg}(\gamma, n)$	18 - 24 MeV (Bức xạ hãm)	$^{197m,g}\text{Hg}$	$13/2^+$ (m) / $1/2^-$ (g)	Xác định IR trong dải năng lượng 18 - 24 MeV lần đầu tiên
$^{153}\text{Eu}(\gamma, n)$	19, 21, 23 MeV (Bức xạ hãm)	$^{152m1,m2}\text{Eu}$	$8^-$ ($m_1$) / $0^-$ ($m_2$)	Xác định IR tại 19, 21, 23 MeV lần đầu tiên
$^{108,110}\text{Pd}(n, \gamma)$	Neutron nhiệt, cộng hưởng, hỗn hợp	$^{109m,g}\text{Pd}$, $^{111m,g}\text{Pd}$	$11/2^-$ (m) / $5/2^+$ (g)	Phép đo đầu tiên cho neutron hỗn hợp và neutron cộng hưởng trên $^{110}\text{Pd}$
$^{114,116}\text{Cd}(n, \gamma)$	Neutron nhiệt, cộng hưởng, hỗn hợp	$^{115m,g}\text{Cd}$, $^{117m,g}\text{Cd}$	$11/2^-$ (m) / $1/2^+$ (g)	Phép đo đầu tiên trong trường neutron hỗn hợp nhiệt - cộng hưởng

Phần thảo luận phân tích sâu sắc các hiệu ứng vật lý hạt nhân:

• Hiệu ứng năng lượng kích thích: Tỷ số đồng phân trong phản ứng $(\gamma, n)$ tăng khi năng lượng cực đại của bức xạ hãm tăng trong vùng GDR và đạt giá trị bão hòa ở cuối vùng GDR do sự đóng góp của quá trình tiền cân bằng và trực tiếp.
• Hiệu ứng truyền mômen xung lượng và kênh phản ứng: So sánh các phản ứng thuận - nghịch trên các cặp đồng phân $^{137m,g}\text{Ce}$, $^{115m,g}\text{Cd}$, $^{109m,g}\text{Pd}$, $^{81m,g}\text{Se}$. Xung lượng truyền từ hạt neutron lớn hơn so với photon gamma, dẫn đến tỷ số đồng phân tạo thành trạng thái spin cao trong phản ứng do neutron kích thích luôn lớn hơn so với phản ứng quang hạt nhân.
• Hiệu ứng độ chênh spin ($\Delta J$): Khi độ chênh lệch spin giữa trạng thái đồng phân và trạng thái cơ bản càng lớn, xác suất tạo thành trạng thái spin cao càng giảm, làm giảm giá trị IR.
• Tính toán lý thuyết TALYS 1.95: Khảo sát 6 mô hình mật độ mức (bao gồm mô hình nhiệt độ không đổi CTM, mô hình khí Fermi dịch lùi BSFG, mô hình siêu chảy tổng quát GSM và các mô hình vi mô Hartree-Fock-Bogolyubov) và 8 hàm lực bức xạ gamma (SLO, GLO, QRPA...). Kết quả chỉ ra rằng sự phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm phụ thuộc chặt chẽ vào việc lựa chọn tham số mật độ mức và hàm lực bức xạ tương ứng cho từng vùng khối lượng hạt nhân.

---

Kết quả và những đóng góp mới

1. Đóng góp về số liệu thực nghiệm:

   • Cung cấp số liệu thực nghiệm đầu tiên về tỷ số đồng phân của $^{195m,g}\text{Hg}$ trong dải năng lượng 14 - 24 MeV và $^{197m,g}\text{Hg}$ trong dải 18 - 24 MeV trong phản ứng $(\gamma, n)$.
   • Bổ sung số liệu thực nghiệm mới về tỷ số đồng phân của $^{152m1,m2}\text{Eu}$ tại các mốc năng lượng 19, 21 và 23 MeV trong phản ứng $(\gamma, n)$.
   • Xác định lần đầu tiên tỷ số đồng phân của $^{109m,g}\text{Pd}$, $^{111m,g}\text{Pd}$, $^{115m,g}\text{Cd}$ và $^{117m,g}\text{Cd}$ trong phản ứng bắt neutron hỗn hợp nhiệt - cộng hưởng, cũng như số liệu của $^{111m,g}\text{Pd}$ trong phản ứng bắt neutron cộng hưởng.

2. Đóng góp về phân tích lý thuyết và cơ chế phản ứng:

   • Làm rõ quy luật phụ thuộc của tỷ số đồng phân vào năng lượng kích thích hạt nhân, cấu hình nucleon, độ chênh lệch spin và mômen xung lượng truyền của hạt tới.
   • Thiết lập quy trình tính toán tỷ số đồng phân quang hạt nhân tích hợp giữa mã mô phỏng hạt GEANT4, chương trình phản ứng hạt nhân TALYS 1.95 và công cụ phân tích CERN ROOT, cho phép đánh giá định lượng các mô hình mật độ mức và hàm lực bức xạ gamma trong vùng GDR.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Nguồn photon sử dụng trong nghiên cứu là bức xạ hãm liên tục phát ra từ bia chuyển đổi của máy gia tốc Microtron MT-25 chứ không phải chùm photon đơn năng, do đó tiết diện phản ứng thực nghiệm thu được là tiết diện trung bình trọng số theo phổ thông lượng. Ngoài ra, mã TALYS 1.95 chưa hỗ trợ đầy đủ việc mô hình hóa trực tiếp các phản ứng bắt neutron ở dải năng lượng nhiệt và trên nhiệt.
• Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng nghiên cứu đo đạc tỷ số đồng phân trên các nguồn photon bán đơn năng (ví dụ Laser Compton Backscattering) khi điều kiện kỹ thuật cho phép; tiếp tục đo đạc tỷ số đồng phân trên các hạt nhân biến dạng và hạt nhân giàu neutron khác; tinh chỉnh các bộ tham số mật độ mức và hàm lực gamma trong các mô hình lý thuyết thống kê hạt nhân.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo hữu ích cho:

• Nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Vật lý hạt nhân và Vật lý nguyên tử: Tham khảo phương pháp kích hoạt hạt nhân, kỹ thuật phổ kế gamma độ phân giải cao sử dụng đầu dò HPGe, phương pháp xử lý hiệu chỉnh tự hấp thụ và trùng phùng tổng.
• Các nhà vật lý thực nghiệm và lý thuyết hạt nhân: Sử dụng bộ số liệu thực nghiệm tỷ số đồng phân chính xác cao để đối sánh, kiểm chứng và hoàn thiện các mô hình phản ứng hạt nhân, các tham số cấu trúc mức trong các cơ sở dữ liệu hạt nhân quốc tế (như EXFOR của IAEA).
• Kỹ sư và chuyên gia ứng dụng bức xạ: Áp dụng phương pháp mô phỏng kết hợp GEANT4 và TALYS trong tính toán chuyển hóa hạt nhân, che chắn bức xạ, sản xuất đồng vị phóng xạ y học và đo lường hạt nhân.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ sở để lựa chọn các hạt nhân bia Thủy ngân ($^{196,198}\text{Hg}$) và Europi ($^{153}\text{Eu}$) trong phản ứng quang hạt nhân là gì?
Các hạt nhân chẵn-chẵn $^{196,198}\text{Hg}$ ($J^\pi = 0^+$) nằm ở vùng chuyển tiếp giữa biến dạng mạnh và hình cầu gần $A=208$, với các orbital ngoài cùng có mômen xung lượng cao ($1h_{11/2}$, $1i_{13/2}$), thuận lợi tạo đồng phân spin cao. Hạt nhân lẻ-chẵn $^{153}\text{Eu}$ biến dạng mạnh ($J^\pi = 5/2^+$), khi phản ứng $(\gamma, n)$ sẽ tạo thành $^{152}\text{Eu}$ với trạng thái cơ bản ($3^-$) và hai trạng thái đồng phân có spin rất khác biệt ($8^-$ và $0^-$), là đối tượng lý tưởng để kiểm tra mô hình spin.

2. Nguồn bức xạ hãm và nguồn neutron trong luận án được tạo ra như thế nào?
Cả hai nguồn đều được tạo ra từ máy gia tốc Microtron MT-25 tại FLNR (JINR, Dubna). Bức xạ hãm được tạo ra bằng cách cho chùm electron năng lượng 14 - 25 MeV bắn phá bia vonfram. Nguồn neutron nhiệt và cộng hưởng được tạo ra từ phản ứng quang neutron trên bia kim loại nặng kết hợp với khối làm chậm nước/paraffin và các lá lọc Cadmi để tách phổ.

3. Tại sao tỷ số đồng phân trong phản ứng do neutron kích thích lại cao hơn trong phản ứng do photon kích thích trên cùng một cặp đồng phân?
Do neutron có khối lượng nghỉ và mang mômen xung lượng truyền vào hạt nhân hợp phần lớn hơn so với lượng tử gamma $E1$ ở cùng năng lượng kích thích, làm tăng xác suất kích hoạt các trạng thái kích thích có spin cao của hạt nhân tàn dư, dẫn đến tỷ số đồng phân $\text{IR} = Y_h / Y_l$ lớn hơn.

4. Hai hiệu chỉnh phổ quan trọng nhất được áp dụng trong phép đo phổ gamma ngoại tuyến là gì?
Đó là hiệu chỉnh tự hấp thụ bức xạ gamma trong bản thân thể tích mẫu bia (Self-absorption correction) và hiệu chỉnh trùng phùng tổng thực (Coincidence summing correction) xảy ra khi hai hoặc nhiều photon gamma phát ra đồng thời trong một phân rã tầng cùng đi vào đầu dò HPGe.

5. Phương pháp kết hợp giữa TALYS 1.95 và GEANT4 được thực hiện như thế nào để tính tỷ số đồng phân lý thuyết?
Bộ công cụ GEANT4 mô phỏng tương tác chùm electron trên bia để tính toán phân bố phổ thông lượng bức xạ hãm $\phi(E)$. Mã TALYS 1.95 tính toán tiết diện vi phân tạo thành trạng thái đồng phân $\sigma_m(E)$ và trạng thái cơ bản $\sigma_g(E)$. Sau đó, chương trình CERN ROOT thực hiện tích phân tích số giữa thông lượng và tiết diện theo năng lượng để xác định tỷ số hiệu suất phản ứng lý thuyết.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Bùi Minh Huệ đã hoàn thành việc xác định thực nghiệm tỷ số đồng phân của các cặp đồng phân $^{195m,g;197m,g}\text{Hg}$ và $^{152m1,m2}\text{Eu}$ trong phản ứng quang hạt nhân $(\gamma, n)$ vùng GDR, cùng các cặp $^{109m,g;111m,g}\text{Pd}$ và $^{115m,g;117m,g}\text{Cd}$ trong phản ứng bắt neutron $(n, \gamma)$ trên máy gia tốc Microtron MT-25. Công trình cung cấp nhiều số liệu thực nghiệm mới được đo đạc lần đầu, làm sáng tỏ các hiệu ứng cấu hình nucleon, năng lượng kích thích và kênh phản ứng lên xác suất hình thành đồng phân. Đồng thời, việc tích hợp mô phỏng GEANT4 với mã TALYS 1.95 đã cung cấp một quy trình tính toán lý thuyết hoàn chỉnh để kiểm chứng các mô hình cấu trúc và phản ứng hạt nhân hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION VIETNAM ACADEMY AND TRAINING OF SCIENCE AND TECHNOLOGY GRADUATE UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY ----------------------------- BÙI MINH HUỆ STUDY OF ISOMERIC RATIO AND RELATED EFFECTS IN PHOTONUCLEAR AND NEUTRON CAPTURE REACTIONS ATOMIC AND NUCLEAR PHYSICS DOCTORAL THESIS Ha Noi – 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- BÙI MINH HUỆ NGHIÊN CỨU TỶ SỐ ĐỒNG PHÂN VÀ CÁC HIỆU ỨNG LIÊN QUAN TRONG PHẢN ỨNG QUANG HẠT NHÂN VÀ PHẢN ỨNG BẮT NEUTRON LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ NGUYÊN TỬ VÀ HẠT NHÂN Hà Nội – 2023 MINISTRY OF EDUCATION VIETNAM ACADEMY AND TRAINING OF SCIENCE AND TECHNOLOGY GRADUATE UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY ----------------------------- BÙI MINH HUỆ Major: Atomic and Nuclear Physics Code: 9440106 STUDY OF ISOMERIC RATIO AND RELATED EFFECTS IN PHOTONUCLEAR AND NEUTRON CAPTURE REACTIONS ATOMIC AND NUCLEAR PHYSICS DOCTORAL THESIS SUPERVISORS: 1. Dr Trần Đức Thiệp 2. Sergey Mikhailovich Lukyanov Ha Noi – 2023 ii Abstract The isomeric ratio (IR) of 152m1,m2 Eu, 195m,g;197m,g Hg, 115m,g Cd, 109m,g Pd, 137m,g Ce and 81m,g Se produced from photonuclear reactions (γ, n) with bremsstrahlung endpoint energies in the Giant Dipole Resonance region and IR of 115m,g;117m,g Cd, 109m,g;111m,g Pd, 137m,g Ce and 81m,g Se in thermal- epithermal neutron capture reactions (n, γ) have been experimentally determined using the activation technique and measurement of off-line γ-ray spectroscopy. The bremsstrahlung photons and neutrons were generated using the MT-25 Microtron of the Flerov Laboratory of Nuclear Reaction (FLNR), JINR, Dubna, Russia.

Radioisotope activity was determined with a high-resolution γ-ray HPGe detector and dedicated analysis software. This work reports, obtained from reactions (γ, n), the IRs of 195m,g Hg within 14 - 24 MeV, 197m,g Hg within 18 - 24 MeV, and 152m1,m2 Eu at 19, 21 and 23 MeV for the őrst time. Furthermore, the IR results of 109m,g;111m,g Pd and 115m,g;117m,g Cd in mixed thermal resonant neutron capture reactions (n, γ), as well as those of 111m,g Pd in the resonance neutron capture reaction (n, γ) have been the őrst measurements. The impact of the nucleon conőguration, spin difference, excitation energy, and reaction channel effects on the experimental IRs was considered.

The measured IRs were compared not only with the literature but also with the theoretically calculated IRs for the cases in the photonuclear reaction. The calculated IRs were yielded from calculated cross sections based on TALYS 1.95 code in conjunction with simulated bremsstrahlung based on the GEANT4 toolkit. Six-level density models and eight radiative strength functions were taken into consideration for the theoretical calculations. iii Acknowledgements Honestly, I could not complete this thesis without the support and help of many people.

First and foremost, I owe special and great thanks to my supervisors, Prof.Tran Duc Thiep and Dr.Sergey Mikhailovich Lukyanov, for allowing me to start my Ph. and for their guidance, support, and inspiration. I am always thankful for them and consider them not only my supervisor, but also my father.Tran Duc Thiep inspired and encouraged me on the abrupt road to science since 2012, when I started as a junior researcher at the Center for Nuclear Physics, Institute of Physics. He was always available to illuminate my questions.

I have gained a lot of knowledge and experience from him in research, work, and life. I would also like to thank Dr.Truong Thi An, Dr.Phan Viet Cuong and Dr.Le Tuan Anh for cooperating on the research projects. I am grateful to the Board of Directors, Mrs.Nguyen Thi Dieu Hong, and the staff of the Institute of Physics, as well as my colleagues at the Center for Nuclear Physics for always helping, encouraging, and giving me convenience. I had precious time and beautiful memories in Dubna.

I always remember the warm hugs and the advice of Prof. I am thankful for the opportunity to exchange ideas and discuss work with my colleagues at the FLNR, JINR, made me feel like part of their group. I express my deepest gratitude to the MT-25 Microtron crew for providing the irradiation beam as well as the chemistry of the transactinides department of the Flerov Laboratory of Nuclear Reaction, JINR for furnishing the experimental apparatus. I am also grateful to Mrs.Trinh Thi Thu My and my Vietnamese friends in Dubna for making my stay very pleasant.

I always had you by my side when I took a lunch break or gathered for BBQs on the Volga riverside. I am also thankful to Dr.Nishimura for lending me the equipment when I was at RIKEN. I am grateful to the Board of Directors and employees of the Graduate University of Science and Technology (GUST) for helping and supporting me throughout the process of doing this thesis. I would like to acknowledge the scientiőc research support of the GUST for excellent Ph.

And I offer my gratitude and special thanks to Vingroup JSC and Ph. Scholarship Programme of Vingroup Innovation Foundation (VINIF), Institute of Big Data, for funding and supporting my Ph. studies within two years under the VINIF. Last but not least, from the bottom of my heart, I would like to express my deepest thanks to my family and my parents-in-law who supported and cherished me on this long journey.

I am very grateful to my aunt, N.Mai, for helping and taking care of me in the stressful period of őnalizing this thesis. Especially, I would like to thank my honey husband, Dr.Vi Ho Phong, for helping me a lot with coding. He has always encouraged and given me a happy life. He is the main motivation for me to carry out the present thesis.

iv Contents Declaration of Authorship i Abstract ii Acknowledgements iii Contents iv List of Abbreviations vii List of Physical Quantities ix List of Tables xi List of Figures xiii Introduction xvii 1 Overview 1 1.1 Formation and classiőcation of isomers .2 Isomeric ratio and related effects .1 Deőnition of isomeric ratio .2 Nuclear effects on isomeric ratio .3 Theoretical IR calculation .1 Formation of photonuclear reaction and photon sources .2 Cross-section of photonuclear reaction. 18 Above particle emission threshold up to 30 MeV. 19 Below particle emission threshold. 21 In the energy range of 30 to 140 MeV .4 Neutron capture reaction .1 Neutron and neutron sources .3 Neutron capture cross-section .5 Level density and γ-ray strength function .1 Nuclear level density .2 Gamma-ray strength function.

36 2 Experimental and theoretical methods 37 2. 39 Thermal and epithermal neutron source .4 Experimental IR determination .5 Spectrum analysis-necessary correction. 49 Self-absorption effect. 49 Coincidence summing corrections .2 Theoretical IR calculation in (γ, n) reaction .1 Bremsstrahlung spectra simulation in GEANT4 .2 Cross-section calculation in TALYS.

52 3 Results and Discussion 56 3.1 Isomeric Ratios in (γ, n) reactions .2 Hg and Hg .2 Isomeric Ratios in (n, γ) reactions .1 Pd and 111m,g Pd .2 Cd and 117m,g Cd .3 Inŕuence of nuclear channel effect on IRs in (γ, n) and (n, γ) reactions .4 IRs of Ce, Cd, Pd, and Se in inverse reactions .5 Theoretically calculated IRs in (γ, n) reactions .1 Bremsstrahlung spectra simulation .2 Cross-section calculation .3 IRs in (γ, n) reactions. 99 Conclusions and Outlooks 117 List of Publications used for the Thesis content 120 References 122 vi A Geant4 simulation codes A1 A. A15 B Input őle of TALYS code A18 C CERN ROOT analysis code to calculate IRs using energy ŕux spectra from GEANT4 and the cross-section outputs from TALYS A20 vii List of Abbreviations ADC Analogue to Digital Converter BCS Bardeen-Cooper-Schrieffer BSFG Back-Shifted Fermi Gas CTM Constant Temperature Model EXFOR Experimental Nuclear Reaction Data Library ENSDF Evaluated Nuclear Structure Data File FLNR Flerov Laboratory of Nuclear Reaction GDR Giant Dipole Resonance GEANT GEometry ANd Tracking GEDR Giant Electric Dipole Resonance GMR Giant Monopole Resonance GLO Generalized Lorentzian Model GQR Giant Quadrupole Resonance GSM Generalized Superŕuid Model HF Hauser-Feshbach HFB Hartree-Fock-Bogolyubov HPGe High Purity Germanium HVM Huizenga-Vandebosch Model IAEA International Atomic Energy Agency IC Internal Conversion IR Isomeric Ratio JINR Joint Institute for Nuclear Research LD Level Density PDR Pygmy Dipole Resonance RIB Radioactive Ion Beam RIPL Reference Input Parameter Library QD Quasi-Deuteron QRPA Quasiparticle Random Phase Approximation SLO Standard Lorentzian γSF γ-ray Strength Function ix List of Physical Quantities A mass number a level density parameter ã asymptotic level density parameter a(Sn ) LD parameter at the neutron separation energy D0 experimental and theoretical average resonance spacing J angular momentum L multipolarity π i , πf parities of the initial and őnal states t1/2 half-life λ decay constant N neutron number Z atomic number R nuclear radius ϵ0 electric constant (= 8.8542 x 10−12 F/m) h̄ reduced Planck’s constant (= 1.s) c velocity of light (= 3.108 m/s) Eγ gamma-ray energy Eu energy of isomeric state Ed energy of ground state σi cross-section Y yield ϕ ŕux ρ level density fXL gamma strength function TXL transmission coefficient σ spin cut-off parameter Γ decay width γ shell damping parameter ∆ pairing energy δW shell correction energy Nlow , Ntop levels for the matching problem T nuclear temperature x σ(Sn ) spin cut-off parameter at the neutron separation energy σ0 (M1) strengths of magnetic dipole resonance peak σ0 (E1) strengths of electric dipole resonance peak E(M1) centroid energy of magnetic dipole resonance peak E(E1) centroid energy of electric dipole resonance peak Γ(M1) width of magnetic dipole resonance peak Γ(E1) width of electric dipole resonance peak xi List of Tables 2.1 Main parameters of MT-25 microtron [116, 118].2 Characteristics of the irradiated samples, electron current and energy, and irradiation time.1 γ-rays decay properties of the reaction products of 152m1,m2 Eu used in the IR calculation [138].2 A summary of corrections for self-absorption and summing coincidence for given γ-ray energies.3 The IR of 152m1,m2 Eu in reaction (γ, n).4 A summary of error sources considered in the IR calculation of 152m1,m2 Eu.5 γ-rays decay properties of the reaction products of 195m,g Hg and 197m,g Hg used in the IR calculation [138].6 A summary of corrections for self-absorption and summing coincidence for given γ-ray energies.7 Summary of IRs determined for 195m,g;197m,g Hg isomeric pairs produced in reaction (γ, n) [128].8 Summary of IRs determined for 197m,g Hg and 195m,g Hg isomeric pairs produced in various nuclear reactions.9 γ-rays decay properties of reaction products of 109m,g Pd and 111m,g Pd used in the IR calculation [138].10 A summary of corrections for self-absorption and summing coincidence for given γ-ray energies of 109m,g Pd and 111m,g Pd.11 A summary of IR results for 109m,g;111m,g Pd in thermal, resonance, and mixed thermal-resonant neutron-induced reactions and also in a (γ, n) reaction.12 A summary of the error sources considered in the IR calculation of 109m,g Pd.13 The decay properties of selected γ-rays for IR calculations for 115m,g Cd and 117m,g Cd isomeric pairs [138].14 A summary of self-absorption and summing coincidence correction fac- tors for the γ-rays of interest of 115m,g;117m,g Cd [130].15 A summary of IR results for 115m,g Cd and 117m,g Cd isomeric pairs pro- duced in different types of nuclear reactions.16 A summary of the error sources considered in the IR calculations of 115m,g;117m,g Cd.17 The IRs of 109m,g Pd in thermal, resonance and mixed thermal-resonant neutron capture reactions and in (γ, n) reaction.18 The IRs of 115m,g Cd produced in different nuclear reactions.19 Selected gamma rays and spectroscopic characteristic data [138].20 The IRs of the studied inverse reactions. 94 xiii List of Figures 1.1 Nuclear chart displaying isomeric states with T1/2 ≥ 100 ns (NUBASE 2020) [13].2 Organization of input-output ŕows and components of the nuclear model in the TALYS program.

Image taken from [56].3 The general total photon absorption cross-section below 30 MeV (taken from the presented slice of N.Tsoneva at ERICE2014).