Luận án nghiên cứu tỷ số đồng phân và các hiệu ứng trong phản ứng quang hạt nhân và bắt neutron

Luận án nghiên cứu tỷ số đồng phân và hiệu ứng liên quan trong phản ứng quang hạt nhân và bắt neutron, cung cấp phân tích chuyên sâu về cơ chế phản ứng hạt nhân.

• 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 Và Hiệu Ứng Trong Phản Ứng Quang Hạt Nhân Và Bắt Neutron
• Loại tài liệu: doctoral thesis
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• Lời cam đoan
• Tóm tắt luận án
• Lời cảm ơn
• Danh mục từ viết tắt
• Danh mục các đại lượng vật lý
• Danh mục bảng
• Danh mục hình vẽ
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Sự hình thành và phân loại các đồng phân
• 1.2. Tỷ số đồng phân và các hiệu ứng liên quan
• 1.2.1. Định nghĩa tỷ số đồng phân
• 1.2.2. Các hiệu ứng hạt nhân lên tỷ số đồng phân
• 1.3. Tính toán lý thuyết tỷ số đồng phân
• 1.3.1. Sự hình thành phản ứng quang hạt nhân và các nguồn photon
• 1.3.2. Tiết diện phản ứng quang hạt nhân
• 1.4. Phản ứng bắt neutron
• 1.4.1. Neutron và các nguồn neutron
• 1.4.2. Phản ứng bắt neutron (n, γ)
• 1.4.3. Tiết diện bắt neutron
• 1.5. Mật độ mức và hàm lực bức xạ gamma
• 1.5.1. Mật độ mức hạt nhân
• 1.5.2. Hàm lực bức xạ gamma
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀ LÝ THUYẾT
• 2.1. Nguồn neutron nhiệt và trên nhiệt
• 2.2. Xác định tỷ số đồng phân bằng thực nghiệm
• 2.3. Phân tích phổ - các hiệu chỉnh cần thiết
• 2.3.1. Hiệu ứng tự hấp thụ
• 2.3.2. Hiệu chỉnh tổng trùng phùng
• 2.4. Tính toán lý thuyết tỷ số đồng phân trong phản ứng (γ, n)
• 2.4.1. Mô phỏng phổ bức xạ hãm trong GEANT4
• 2.4.2. Tính toán tiết diện trong TALYS
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tỷ số đồng phân trong các phản ứng (γ, n)
• 3.1.2. 195m,g Hg và 197m,g Hg
• 3.2. Tỷ số đồng phân trong các phản ứng (n, γ)
• 3.2.1. 109m,g Pd và 111m,g Pd
• 3.2.2. 115m,g Cd và 117m,g Cd
• 3.3. Ảnh hưởng của hiệu ứng kênh hạt nhân lên tỷ số đồng phân trong các phản ứng (γ, n) và (n, γ)
• 3.4. Tỷ số đồng phân của 137m,g Ce, 115m,g Cd, 109m,g Pd và 81m,g Se trong các phản ứng nghịch
• 3.5. Tính toán lý thuyết tỷ số đồng phân trong các phản ứng (γ, n)
• 3.5.1. Mô phỏng phổ bức xạ hãm
• 3.5.2. Tính toán tiết diện
• 3.5.3. Tỷ số đồng phân trong các phản ứng (γ, n)
• Kết luận và triển vọng
• Danh mục các công trình công bố của tác giả
• Tài liệu tham khảo
• Phụ lục A: Mã mô phỏng Geant4
• Phụ lục B: Tệp đầu vào mã TALYS
• Phụ lục C: Mã phân tích CERN ROOT để tính tỷ số đồng phân sử dụng phổ thông lượng năng lượng từ GEANT4 và kết quả tiết diện từ TALYS

Tóm tắt

I. Tỷ số đồng phân và hiệu ứng liên quan

Tỷ số đồng phân (tỷ số đồng phân) là một khái niệm quan trọng trong vật lý hạt nhân, đặc biệt trong các phản ứng quang hạt nhân và bắt neutron. Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định và phân tích các tỷ số đồng phân của các đồng vị như 152m1,m2 Eu, 195m,g;197m,g Hg, 115m,g Cd, 109m,g Pd, 137m,g Ce và 81m,g Se. Các tỷ số này được xác định thông qua các phản ứng quang hạt nhân (phản ứng quang hạt nhân) và phản ứng bắt neutron. Kết quả cho thấy rằng các yếu tố như cấu hình nucleon, sự khác biệt về spin, năng lượng kích thích và hiệu ứng kênh phản ứng có ảnh hưởng đáng kể đến tỷ số đồng phân. Việc so sánh các tỷ số đồng phân đo được với các giá trị lý thuyết cho thấy sự phù hợp tốt, điều này khẳng định tính chính xác của các phương pháp thí nghiệm được sử dụng.

1.1. Định nghĩa tỷ số đồng phân

Tỷ số đồng phân được định nghĩa là tỷ lệ giữa số lượng các đồng phân khác nhau của một nguyên tố trong một phản ứng hạt nhân. Đặc biệt, trong các phản ứng quang hạt nhân, tỷ số này có thể thay đổi tùy thuộc vào các điều kiện như năng lượng bức xạ và loại hạt tương tác. Việc xác định chính xác tỷ số đồng phân là rất quan trọng để hiểu rõ hơn về cấu trúc hạt nhân và các quá trình hạt nhân xảy ra trong tự nhiên. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng tỷ số đồng phân có thể cung cấp thông tin quý giá về các trạng thái hạt nhân và các hiệu ứng liên quan đến chúng.

1.2. Hiệu ứng quang hạt nhân

Hiệu ứng quang hạt nhân liên quan đến sự tương tác giữa bức xạ gamma và hạt nhân, dẫn đến sự hình thành các đồng vị mới. Trong nghiên cứu này, các phản ứng quang hạt nhân được thực hiện với năng lượng bức xạ trong vùng cộng hưởng dipole khổng lồ. Kết quả cho thấy rằng các hiệu ứng như cấu hình nucleon và sự khác biệt về spin có thể làm thay đổi đáng kể tỷ số đồng phân. Việc phân tích các hiệu ứng này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về các phản ứng hạt nhân mà còn có thể ứng dụng trong các lĩnh vực như y học hạt nhân và năng lượng hạt nhân.

II. Phương pháp thí nghiệm và lý thuyết

Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp thí nghiệm hiện đại để xác định tỷ số đồng phân trong các phản ứng quang hạt nhân và bắt neutron. Các mẫu được chiếu xạ bằng bức xạ gamma từ microtron MT-25, và hoạt động của các đồng vị phóng xạ được đo bằng detector HPGe. Phân tích phổ gamma cho phép xác định chính xác các tỷ số đồng phân. Ngoài ra, các mô hình lý thuyết như TALYS và GEANT4 được sử dụng để tính toán các tỷ số đồng phân lý thuyết, từ đó so sánh với kết quả thực nghiệm. Sự kết hợp giữa phương pháp thí nghiệm và lý thuyết giúp cung cấp cái nhìn sâu sắc về các phản ứng hạt nhân và các yếu tố ảnh hưởng đến tỷ số đồng phân.

2.1. Phương pháp xác định tỷ số đồng phân

Phương pháp xác định tỷ số đồng phân bao gồm việc chiếu xạ mẫu bằng bức xạ gamma và sau đó phân tích phổ gamma để xác định các đồng vị phóng xạ. Các mẫu được chiếu xạ trong các điều kiện khác nhau để thu thập dữ liệu về tỷ số đồng phân trong các phản ứng quang hạt nhân. Kết quả thu được từ các thí nghiệm này cho phép xác định các tỷ số đồng phân một cách chính xác và đáng tin cậy. Việc sử dụng detector HPGe giúp nâng cao độ nhạy và độ chính xác trong việc đo lường các bức xạ gamma phát ra từ các đồng vị phóng xạ.

2.2. Mô hình lý thuyết

Mô hình lý thuyết được sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm TALYS và GEANT4, cho phép tính toán các tỷ số đồng phân lý thuyết dựa trên các thông số hạt nhân. TALYS cung cấp các công cụ để tính toán các mặt cắt ngang của các phản ứng hạt nhân, trong khi GEANT4 được sử dụng để mô phỏng các phổ bức xạ gamma. Sự kết hợp giữa các kết quả thực nghiệm và lý thuyết giúp xác nhận tính chính xác của các mô hình và cung cấp cái nhìn sâu sắc về các cơ chế hạt nhân liên quan đến tỷ số đồng phân.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng tỷ số đồng phân của các đồng vị như 195m,g Hg và 197m,g Hg có sự khác biệt rõ rệt trong các phản ứng quang hạt nhân và bắt neutron. Các tỷ số này không chỉ phụ thuộc vào loại phản ứng mà còn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như cấu hình nucleon và năng lượng kích thích. Việc so sánh các tỷ số đồng phân thực nghiệm với các giá trị lý thuyết cho thấy sự phù hợp tốt, điều này khẳng định tính chính xác của các phương pháp thí nghiệm và lý thuyết được sử dụng. Kết quả này có thể có ứng dụng trong việc phát triển các công nghệ mới trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân và y học hạt nhân.

3.1. Tỷ số đồng phân trong phản ứng quang hạt nhân

Tỷ số đồng phân trong các phản ứng quang hạt nhân được xác định cho các đồng vị như 195m,g Hg và 197m,g Hg. Kết quả cho thấy rằng tỷ số đồng phân có sự thay đổi đáng kể khi thay đổi năng lượng bức xạ gamma. Sự khác biệt này có thể được giải thích bằng các yếu tố như cấu hình nucleon và sự khác biệt về spin. Việc phân tích các tỷ số đồng phân này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về các phản ứng hạt nhân mà còn có thể ứng dụng trong các lĩnh vực như y học hạt nhân và năng lượng hạt nhân.

3.2. Tỷ số đồng phân trong phản ứng bắt neutron

Trong các phản ứng bắt neutron, tỷ số đồng phân của các đồng vị như 109m,g Pd và 111m,g Pd cũng được xác định. Kết quả cho thấy rằng tỷ số đồng phân trong các phản ứng này có sự khác biệt rõ rệt so với các phản ứng quang hạt nhân. Điều này cho thấy rằng các yếu tố như kênh phản ứng và cấu hình nucleon có ảnh hưởng lớn đến tỷ số đồng phân. Việc nghiên cứu các tỷ số đồng phân trong phản ứng bắt neutron có thể cung cấp thông tin quý giá cho việc phát triển các công nghệ mới trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Nghiên cứu cấu trúc và tính chất hạt nhân thông qua các tương tác nucleon là một chủ đề trọng tâm trong vật lý hạt nhân. Bên cạnh các đồng vị phóng xạ tự nhiên vốn chỉ giới hạn ở một số ít hạt nhân, các phản ứng hạt nhân cho phép khảo sát toàn diện cấu trúc mức năng lượng, cơ chế phản ứng và mật độ mức hạt nhân. Trong các phản ứng này, hạt nhân sản phẩm có thể tồn tại ở trạng thái cơ bản hoặc trạng thái giả bền đồng phân (isomer). Tỷ số đồng phân (Isomeric Ratio - IR), biểu thị tỷ lệ xác suất hình thành giữa trạng thái đồng phân và trạng thái cơ bản, phản ánh các đặc trưng về mômen động lượng, sự phân bố spin, năng lượng kích thích và cơ chế phản ứng.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án chỉ ra bao gồm sự thiếu hụt số liệu thực nghiệm về tỷ số đồng phân của các đồng vị thủy ngân ($^{195m,g}\text{Hg}$, $^{197m,g}\text{Hg}$) và europi ($^{152m1,m2}\text{Eu}$) trong vùng cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ (Giant Dipole Resonance - GDR). Đồng thời, các dữ liệu về tỷ số đồng phân trong phản ứng bắt neutron nhiệt, neutron cộng hưởng và hỗn hợp nhiệt - cộng hưởng trên các hạt nhân $^{108,110}\text{Pd}$, $^{114,116}\text{Cd}$ còn rất hạn chế hoặc chưa từng được đo đạc, trong khi số liệu đã công bố trong y văn có sự phân tán lớn.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 4 nội dung cụ thể:

1. Xác định thực nghiệm tỷ số đồng phân của các cặp đồng phân $^{195m,g;197m,g}\text{Hg}$ và $^{152m1,m2}\text{Eu}$ hình thành từ phản ứng $(\gamma, n)$ trên bia $^{196,198}\text{Hg}$ và $^{153}\text{Eu}$ dưới tác xạ của bức xạ hãm (bremsstrahlung) với năng lượng điểm cuối nằm trong toàn bộ vùng GDR.
2. Đo đạc tỷ số đồng phân của $^{109m,g;111m,g}\text{Pd}$ và $^{115m,g;117m,g}\text{Cd}$ trong các phản ứng bắt neutron $(n, \gamma)$ trên $^{108,110}\text{Pd}$ và $^{114,116}\text{Cd}$ gây ra bởi neutron nhiệt, neutron cộng hưởng và neutron hỗn hợp nhiệt - cộng hưởng.
3. Khảo sát ảnh hưởng của 4 hiệu ứng hạt nhân (độ chênh lệch spin, năng lượng kích thích, cấu hình nucleon và kênh phản ứng) lên các giá trị tỷ số đồng phân thực nghiệm của các cặp đồng phân nêu trên.
4. Ứng dụng chương trình tính toán TALYS 1.95 (khảo sát 6 mô hình mật độ mức hạt nhân và 8 hàm lực bức xạ gamma) kết hợp với bộ công cụ GEANT4 để mô phỏng và tính toán lý thuyết tỷ số đồng phân trong phản ứng quang hạt nhân, sau đó so sánh với số liệu thực nghiệm của luận án và y văn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Các phản ứng quang hạt nhân $(\gamma, n)$ trên các bia kim loại nặng dạng cầu hoặc biến dạng $^{196,198}\text{Hg}$, $^{153}\text{Eu}$ và phản ứng bắt neutron $(n, \gamma)$ trên $^{108,110}\text{Pd}$, $^{114,116}\text{Cd}$, cùng các phản ứng ngược và các kênh phản ứng khác đối với $^{137m,g}\text{Ce}$, $^{115m,g}\text{Cd}$, $^{109m,g}\text{Pd}$, $^{81m,g}\text{Se}$.
• Phạm vi thực nghiệm: Thực hiện tại máy gia tốc Microtron MT-25 thuộc Phòng thí nghiệm Phản ứng Hạt nhân Flerov (FLNR), Viện Liên hiệp Nghiên cứu Hạt nhân Dubna (JINR), Nga; dải năng lượng bức xạ hãm từ 14 MeV đến 24 MeV (vùng GDR) và các nguồn neutron nhiệt/trên nhiệt/cộng hưởng.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Lịch sử nghiên cứu đồng phân hạt nhân bắt đầu từ phát biểu của Soddy (1917) và phát hiện thực nghiệm đầu tiên của Hahn (1921) trên muối Uranium ($^{234}\text{Pa}$ và $^{234m}\text{Pa}$). Năm 1936, Weizsäcker giải thích sự tồn tại của trạng thái đồng phân dựa trên sự cản trở chuyển dời gamma do độ biến thiên mômen động lượng lớn kết hợp với năng lượng chuyển dời thấp. Trong thập niên 1950, Bohr và Mottelson nghiên cứu đồng phân trên hạt nhân biến dạng $^{180}\text{Hf}$. Các phân loại đồng phân sau đó được mở rộng dựa trên mô hình vỏ đơn hạt, quy tắc Nordheim, quy tắc Brennan và Bernstien, cũng như bảo toàn số lượng tử $K$. Cơ sở dữ liệu NUBASE 2020 ghi nhận 1.938 trạng thái đồng phân có thời gian bán rã $T_{1/2} \ge 100\text{ ns}$, trong khi danh mục Atlas of Nuclear Isomers (tái bản lần 2) thống kê 2.623 đồng phân với ngưỡng thời gian bán rã $T_{1/2} \ge 10\text{ ns}$.

Về các yếu tố ảnh hưởng lên tỷ số đồng phân:

• Hiệu ứng năng lượng kích thích trong phản ứng $(\gamma, n)$ và phản ứng do neutron gây ra được khảo sát bởi Nesaraja trên $^{69m,g}\text{Zn}$ và $^{71m,g}\text{Zn}$ (dải 6–12 MeV).
• Hiệu ứng cấu hình nucleon được N. Tsoneva và cộng sự nghiên cứu trên các đồng neutron $N=81$ ($^{137}\text{Ba}$, $^{139}\text{Ce}$, $^{141}\text{Nd}$, $^{143}\text{Sm}$); Trần Đức Thiệp và cộng sự phân tích trên các đồng vị của $\text{Sb}$ ($Z=51$), $\text{Ba}$ ($Z=56$), $\text{Se}$ ($Z=34$).
• Hiệu ứng kênh phản ứng được nghiên cứu bởi Cserpak ($^{60m,g}\text{Co}$), Sudar ($^{58m,g}\text{Co}$), Qaim ($^{73m,g}\text{Se}$, $^{52m,g}\text{Mn}$), Strohmaier ($^{94m,g}\text{Tc}$), Tonchev ($^{152m1,m2}\text{Eu}$), và Trần Đức Thiệp trên các bia $\text{Ba}$, $\text{Se}$, $\text{In}$, $\text{Ho}$, $\text{Lu}$, $\text{Ag}$, $\text{Mo}$, $\text{Ce}$.
• Ảnh hưởng của cấu trúc trạng thái trung gian ở năng lượng bức xạ hãm 2–7 MeV được Huber và Carroll đánh giá.
• Về tính toán lý thuyết, mô hình Huizenga-Vandebosch (HVM) được đề xuất từ những năm 1960. Các chương trình tính toán sau đó như STAPRE, COMPLET (Kolev), EMPIRE và TALYS được ứng dụng rộng rãi (Danagulyan, Junhua, Palvanov, Mazur, Makwana, Rahman, Naik, Vodin). Sự kết hợp giữa GEANT4 và TALYS được Cuong và cộng sự thực hiện vào năm 2018.

Khoảng trống được luận án giải quyết là cung cấp số liệu thực nghiệm chính xác cho các vùng năng lượng và phản ứng chưa từng có dữ liệu: tỷ số đồng phân của $^{195m,g}\text{Hg}$ (14–24 MeV), $^{197m,g}\text{Hg}$ (18–24 MeV), $^{152m1,m2}\text{Eu}$ (19, 21, 23 MeV) trong phản ứng $(\gamma, n)$; tỷ số đồng phân của $^{109m,g;111m,g}\text{Pd}$ và $^{115m,g;117m,g}\text{Cd}$ trong phản ứng bắt neutron hỗn hợp nhiệt - cộng hưởng, và $^{111m,g}\text{Pd}$ trong phản ứng bắt neutron cộng hưởng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

Tỷ số đồng phân được định nghĩa là tỷ số giữa xác suất tạo thành trạng thái đồng phân và trạng thái cơ bản trong phản ứng hạt nhân. Đối với chùm hạt đơn năng, tỷ số là tỷ lệ tiết diện $\text{IR} = \sigma_m / \sigma_g$ (hoặc tỷ số giữa trạng thái spin cao và spin thấp $\sigma_h / \sigma_l$). Đối với chùm bức xạ hãm liên tục, tỷ số được xác định qua tỷ số hiệu suất phản ứng:

$$\text{IR} = \frac{Y_m}{Y_g} = \frac{\int_{E_{\text{th}}}^{E_{\gamma m}} N_0 \sigma_m(E) \phi(E) dE}{\int_{E_{\text{th}}}^{E_{\gamma g}} N_0 \sigma_g(E) \phi(E) dE}$$

Các trạng thái đồng phân được phân thành 5 nhóm chính dựa trên cơ chế cản trở phân rã: đồng phân spin (spin isomer), đồng phân seniority, đồng phân $K$ (K-isomer), đồng phân phân hạch (fission isomer), và đồng phân hình dạng (shape isomer), cùng với nhóm đồng phân năng lượng cực thấp (ELE isomer).

Các mô hình phản ứng hạt nhân được áp dụng gồm:

• Mô hình nhân hợp phần (Hauser-Feshbach) dựa trên giả thuyết độc lập của Bohr.
• Mô hình tiền cân bằng (mô hình exciton).
• Mô hình phản ứng trực tiếp (xấp xỉ Born sóng biến dạng - DWBA cho hạt nhân gần cầu và phương trình kênh liên kết cho hạt nhân biến dạng).
• Mô hình thống kê Huizenga-Vandebosch (HVM) gồm 3 giai đoạn: tạo nhân hợp phần qua hấp thụ photon $E1$, bay hơi neutron tuân theo phân bố Maxwell, và phát chuỗi gamma $E1$ đến vùng cắt ngưỡng năng lượng.

Đối với phản ứng quang hạt nhân trong vùng GDR (10–30 MeV), tiết diện hấp thụ photon tuân theo hàm Lorentz, quy tắc tổng lưỡng cực và biểu thức năng lượng đỉnh cộng hưởng:

$$E_{\text{GDR}} = 31.2 A^{-1/3} + 20.6 A^{-1/6} \text{ (MeV)}$$

Đối với phản ứng bắt neutron $(n, \gamma)$, tương tác chủ yếu xảy ra qua hấp thụ neutron sóng $s$ ($l=0$), năng lượng kích thích của nhân hợp phần tương đương năng lượng liên kết neutron $S_n$, và spin nhân hợp phần nhận các giá trị $J_c = J_0 \pm 1/2$.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa thực nghiệm đo kích hoạt gamma ngoài tuyến và mô phỏng số lý thuyết:

Hạng mục	Phương pháp và Công cụ cụ thể
Nguồn bức xạ thực nghiệm	Máy gia tốc Microtron MT-25 (FLNR, JINR, Dubna, Nga). Tạo chùm bức xạ hãm (bia chuyển đổi W/U) và nguồn neutron nhiệt/trên nhiệt/cộng hưởng qua hệ làm chậm nước/paraffin và kỹ thuật bọc lá Cadmium (ngưỡng cắt $0.5\text{ eV}$).
Phép đo quang phổ gamma	Phương pháp kích hoạt (activation technique) kết hợp phổ kế gamma ngoài tuyến dùng đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe (Phòng Hóa học các nguyên tố siêu actini, FLNR) và phần mềm Gamma Vision.
Hiệu chỉnh phổ thực nghiệm	Hiệu chỉnh hiệu ứng tự hấp thụ tia gamma trong mẫu (self-absorption correction), hiệu chỉnh trùng phùng tổng (coincidence summing correction), và hiệu chuẩn đường cong hiệu suất đầu dò.
Mô phỏng phổ photon	Bộ công cụ Monte Carlo GEANT4 (C++) mô phỏng cấu hình hình học, vật liệu, chùm electron sơ cấp và phổ thông lượng bức xạ hãm với 500 triệu hạt ban đầu.
Tính toán tiết diện hạt nhân	Chương trình TALYS 1.95 kết hợp thư viện thông số cấu trúc RIPL, khảo sát 6 mô hình mật độ mức (LD) và 8 hàm lực bức xạ gamma ($\gamma$SF).
Tích hợp số liệu	Mã phân tích CERN ROOT xử lý tích chập thông lượng phổ từ GEANT4 và tiết diện vi phân từ TALYS để tính tỷ số đồng phân giải tích.

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, cơ chế hình thành và phân loại. Tác giả trình bày các quy tắc chọn lọc chuyển dời bức xạ điện từ, xấp xỉ đơn hạt Weisskopf, xác suất chuyển dời nội (Internal Conversion - IC) và cấu trúc mô hình vỏ.

Chương này định nghĩa tường minh tỷ số đồng phân và phân tích chi tiết 4 hiệu ứng hạt nhân:

• Hiệu ứng năng lượng kích thích: Giá trị IR tăng hoặc giảm theo năng lượng điểm cuối bức xạ hãm 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 cấu hình nucleon: IR giảm khi số proton hoặc neutron tăng trong các chuỗi đồng vị hoặc đồng neutron.
• Hiệu ứng kênh phản ứng: Sự khác biệt về xung lượng chuyển giao (intake impulse) của các hạt đạn khác nhau (ví dụ: photon có khối lượng nghỉ bằng 0 truyền xung lượng nhỏ hơn neutron) dẫn đến giá trị IR trong phản ứng $(n, 2n)$ cao hơn phản ứng $(\gamma, n)$.
• Hiệu ứng chênh lệch spin: Độ chênh lệch giữa spin trạng thái đồng phân và trạng thái cơ bản càng lớn thì IR càng nhỏ.

Ngoài ra, chương 1 tổng quan về các vùng năng lượng của phản ứng quang hạt nhân (dưới $S_n$, vùng GDR 10–30 MeV, vùng chuẩn-deuteron 30–140 MeV), các dạng cộng hưởng (GMR, GDR, GQR, PDR, Scissors resonance), phân loại neutron và phản ứng bắt neutron $(n, \gamma)$, cùng cấu trúc hoạt động của hai mã mô phỏng TALYS và GEANT4.

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

Chương 2 trình bày chi tiết sơ đồ bố trí thực nghiệm tại Microtron MT-25 để tạo ra bức xạ hãm và các nguồn neutron (nhiệt, trên nhiệt, cộng hưởng):

• Thông số vận hành của máy gia tốc Microtron MT-25 (dòng electron, mức năng lượng, bia chuyển đổi).
• Quy trình chiếu xạ các mẫu bia nguyên tố tự nhiên ($\text{Hg}$, $\text{Eu}$, $\text{Pd}$, $\text{Cd}$, $\text{Ce}$, $\text{Se}$), chế độ làm nguội và thời gian thu nhận phổ gamma bằng đầu dò HPGe.
• Phương pháp xác định diện tích đỉnh phổ thực và áp dụng các hệ số hiệu chỉnh: hiệu chỉnh tự hấp thụ tia gamma phụ thuộc hình học và thành phần mẫu; hiệu chỉnh trùng phùng tổng đối với các mức phát xạ gamma tầng.
• Quy trình mô phỏng phổ bức xạ hãm bằng GEANT4 với cấu hình hình học thực tế, phương pháp tính tiết diện kích hoạt trạng thái cơ bản và trạng thái đồng phân bằng TALYS 1.95, và thuật toán tích hợp phổ bằng CERN ROOT.

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

Chương 3 công bố và thảo luận các kết quả thực nghiệm và tính toán lý thuyết:

1. Kết quả đo IR trong phản ứng $(\gamma, n)$:
   • Cặp đồng phân $^{152m1,m2}\text{Eu}$: Xác định thực nghiệm tỷ số $^{152m1}\text{Eu}(8^-)/^{152m2}\text{Eu}(0^-)$ tại các mức năng lượng điểm cuối 19, 21 và 23 MeV.
   • Cặp đồng phân $^{195m,g}\text{Hg}$ ($13/2^+$ và $1/2^-$) trong dải 14–24 MeV và $^{197m,g}\text{Hg}$ ($13/2^+$ và $1/2^-$) trong dải 18–24 MeV. Đánh giá sự phụ thuộc của IR vào năng lượng bức xạ hãm điểm cuối trong vùng GDR.
2. Kết quả đo IR trong phản ứng $(n, \gamma)$:
   • Xác định IR của $^{109m,g}\text{Pd}$ và $^{111m,g}\text{Pd}$ trong phản ứng bắt neutron nhiệt, neutron cộng hưởng và hỗn hợp nhiệt - cộng hưởng.
   • Xác định IR của $^{115m,g}\text{Cd}$ và $^{117m,g}\text{Cd}$ trong các trường neutron tương ứng.
3. Phân tích các hiệu ứng hạt nhân:
   • Phân tích hiệu ứng kênh phản ứng thông qua việc so sánh các giá trị IR của $^{115m,g}\text{Cd}$ tạo ra từ các phản ứng $(n, \gamma)$, $(\gamma, n)$, $(n, 2n)$, $(n, p)$ và $(n, \alpha)$.
   • Khảo sát các phản ứng ngược (inverse reactions) đối với các cặp đồng phân $^{137m,g}\text{Ce}$, $^{115m,g}\text{Cd}$, $^{109m,g}\text{Pd}$ và $^{81m,g}\text{Se}$.
   • Khảo sát ảnh hưởng của cấu hình nucleon và độ chênh lệch spin lên giá trị IR thực nghiệm.
4. Kết quả tính toán lý thuyết và so sánh:
   • Mô phỏng phổ bức xạ hãm GEANT4 với 500 triệu hạt sơ cấp.
   • Tính toán tiết diện phản ứng $(\gamma, n)$ bằng TALYS 1.95 trên các hạt nhân $^{74,82}\text{Se}$, $^{108,110}\text{Pd}$, $^{138,140}\text{Ce}$, $^{151,153}\text{Eu}$, $^{196,198}\text{Hg}$.
   • So sánh tỷ số đồng phân tính toán lý thuyết (kết hợp 6 mô hình mật độ mức LD và 8 hàm lực bức xạ $\gamma$SF) với dữ liệu thực nghiệm và y văn cho các cặp đồng phân $^{73m,g}\text{Se}$, $^{81m,g}\text{Se}$, $^{109m,g}\text{Pd}$, $^{137m,g}\text{Ce}$, $^{139m,g}\text{Ce}$, $^{150m,g}\text{Eu}$, $^{152m1,m2,g}\text{Eu}$, $^{195m,g}\text{Hg}$, $^{197m,g}\text{Hg}$. Đánh giá sự phù hợp của từng mô hình lý thuyết đối với từng vùng khối lượng hạt nhân.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các kết quả và đóng góp mới sau:

Đóng góp về mặt thực nghiệm

• Bổ sung các giá trị tỷ số đồng phân thực nghiệm mới cho phản ứng quang hạt nhân $(\gamma, n)$ trong vùng GDR:
  • Cặp $^{195m,g}\text{Hg}$ trong dải năng lượng bức xạ hãm 14–24 MeV.
  • Cặp $^{197m,g}\text{Hg}$ trong dải năng lượng bức xạ hãm 18–24 MeV.
  • Cặp $^{152m1,m2}\text{Eu}$ tại các năng lượng 19, 21 và 23 MeV.
• Đo đạc lần đầu tiên tỷ số đồng phân trong phản ứng bắt neutron $(n, \gamma)$:
  • Các cặp $^{109m,g}\text{Pd}$, $^{111m,g}\text{Pd}$ và $^{115m,g}\text{Cd}$, $^{117m,g}\text{Cd}$ trong phản ứng bắt neutron hỗn hợp nhiệt - cộng hưởng.
  • Cặp $^{111m,g}\text{Pd}$ trong phản ứng bắt neutron cộng hưởng.

Đóng góp về mặt lý thuyết và phương pháp luận

• Đánh giá có hệ thống ảnh hưởng của 4 hiệu ứng hạt nhân (năng lượng kích thích, cấu hình nucleon, độ chênh lệch spin và kênh phản ứng) lên tỷ số đồng phân trên cùng một hệ thống số liệu nhất quán.
• Thiết lập quy trình tính toán tỷ số đồng phân lý thuyết bằng cách ghép nối phổ năng lượng bức xạ hãm mô phỏng từ GEANT4 với tiết diện phản ứng vi phân từ TALYS 1.95 qua mã phân tích CERN ROOT.
• Khảo sát và đánh giá định lượng mức độ tương thích của 6 mô hình mật độ mức hạt nhân và 8 hàm lực bức xạ gamma trong TALYS 1.95 đối với việc tái tạo số liệu thực nghiệm tỷ số đồng phân vùng GDR.

+---------------------------------------------------------------------------------------------------+
|                        BẢNG TỔNG HỢP CÁC PHẢN ỨNG VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CHÍNH                   |
+-------------------+--------------------+------------------------+---------------------------------+
| Loại phản ứng     | Hạt nhân bia       | Cặp đồng phân tạo thành| Đặc điểm / Đóng góp mới         |
+-------------------+--------------------+------------------------+---------------------------------+
| Quang hạt nhân    | 196,198 Hg         | 195m,g Hg, 197m,g Hg   | Đo lần đầu IR dải 14-24 MeV     |
| (γ, n)            | 153 Eu             | 152m1,m2 Eu            | Đo lần đầu IR tại 19, 21, 23 MeV|
|                   | Se, Pd, Ce         | 81m,g Se, 109m,g Pd... | So sánh mô hình TALYS + GEANT4  |
+-------------------+--------------------+------------------------+---------------------------------+
| Bắt neutron       | 108,110 Pd         | 109m,g Pd, 111m,g Pd   | Đo lần đầu IR hỗn hợp nhiệt-CR; |
| (n, γ)            | 114,116 Cd         | 115m,g Cd, 117m,g Cd   | Đo lần đầu 111m,g Pd neutron CR |
+-------------------+--------------------+------------------------+---------------------------------+
| Kênh phản ứng     | Ba, Se, In, Cd,    | 115m,g Cd, 137m,g Ce,  | Khảo sát phản ứng ngược và ảnh  |
| và phản ứng ngược | Ce, Pd, Se         | 109m,g Pd, 81m,g Se    | hưởng của xung lượng chuyển giao|
+-------------------+--------------------+------------------------+---------------------------------+

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

• Phổ photon kích hoạt thực nghiệm là phổ bức xạ hãm liên tục (bremsstrahlung) từ máy gia tốc Microtron do chưa có nguồn photon đơn năng cường độ cao, do đó tỷ số đồng phân đo được là giá trị trung bình tích chập trên toàn phổ năng lượng.
• Mã tính toán TALYS 1.95 chưa hỗ trợ xử lý đầy đủ và trực tiếp cho trường hợp phản ứng bắt neutron nhiệt và trên nhiệt trong vùng cộng hưởng thấp.

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Mở rộng phép đo tỷ số đồng phân trên các nguồn photon đơn năng hoặc giả đơn năng (như nguồn tán xạ ngược Laser Compton tại các cơ sở bức xạ tiên tiến) để thu nhận trực tiếp hàm kích thích đơn năng mà không cần giải tích phân phổ.
• Tiếp tục tinh chỉnh các tham số mật độ mức hạt nhân và hàm lực bức xạ gamma cho các hạt nhân biến dạng và các hạt nhân nằm xa đường ổn định beta.

Giá trị tham khảo

Luận án cung cấp tài liệu tham khảo cho:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Vật lý hạt nhân, Vật lý nguyên tử và Năng lượng nguyên tử: Tham khảo phương pháp kích hoạt thực nghiệm, kỹ thuật đo phổ gamma ngoài tuyến và quy trình xử lý hiệu chỉnh phổ (tự hấp thụ, trùng phùng tổng).
• Các nhà nghiên cứu và kỹ sư dữ liệu hạt nhân: Sử dụng các số liệu thực nghiệm mới về tỷ số đồng phân và tiết diện phản ứng để bổ sung vào thư viện dữ liệu hạt nhân quốc tế (EXFOR/IAEA), phục vụ tính toán che chắn bức xạ, thiết kế lò phản ứng hạt nhân và y học bức xạ.
• Các nhà phát triển mô hình tính toán: Tham khảo bộ mã nguồn mô phỏng GEANT4 (Phụ lục A), tệp thông số đầu vào TALYS (Phụ lục B) và mã phân tích CERN ROOT (Phụ lục C) để nghiên cứu cấu trúc hạt nhân và cơ chế phản ứng.

Câu hỏi thường gặp

1. Tỷ số đồng phân (IR) được định nghĩa và tính toán như thế nào trong luận án?

Tỷ số đồng phân (IR) là tỷ số giữa xác suất tạo thành trạng thái đồng phân ($m$) và trạng thái cơ bản ($g$) của hạt nhân sản phẩm trong phản ứng hạt nhân. Khi chiếu xạ bằng chùm hạt đơn năng, $\text{IR} = \sigma_m / \sigma_g$. Khi chiếu xạ bằng chùm phổ liên tục (như bức xạ hãm hoặc phổ neutron Maxwellian), IR được tính bằng tỷ số hiệu suất phản ứng: $\text{IR} = Y_m / Y_g$, trong đó hiệu suất $Y$ là tích phân của tiết diện phản ứng $\sigma(E)$ nhân với thông lượng hạt $\phi(E)$ theo năng lượng từ ngưỡng phản ứng $E_{\text{th}}$ đến năng lượng cực đại $E_{\text{max}}$.

2. Những số liệu thực nghiệm nào được công bố lần đầu tiên trong luận án này?

Luận án báo cáo các số liệu đo đạc thực nghiệm lần đầu tiên gồm:

• Tỷ số đồng phân của $^{195m,g}\text{Hg}$ trong dải năng lượng bức xạ hãm 14–24 MeV.
• Tỷ số đồng phân của $^{197m,g}\text{Hg}$ trong dải năng lượng bức xạ hãm 18–24 MeV.
• Tỷ số đồng phân của $^{152m1,m2}\text{Eu}$ tại các mức năng lượng 19, 21 và 23 MeV trong phản ứng $(\gamma, n)$.
• 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 $(n, \gamma)$.
• Tỷ số đồng phân của $^{111m,g}\text{Pd}$ trong phản ứng bắt neutron cộng hưởng $(n, \gamma)$.

3. Phương pháp kết hợp giữa GEANT4, TALYS 1.95 và CERN ROOT được thực hiện ra sao?

Bộ công cụ GEANT4 được sử dụng để mô phỏng cấu hình hình học buồng chiếu xạ và bia chuyển đổi, theo dõi quá trình tương tác của 500 triệu electron sơ cấp để trích xuất phân bố thông lượng phổ năng lượng bức xạ hãm $\phi(E)$. Mã TALYS 1.95 tính toán tiết diện vi phân tạo thành trạng thái cơ bản và trạng thái đồng phân $\sigma(E)$ dựa trên 6 mô hình mật độ mức và 8 hàm lực bức xạ. Mã chương trình viết trên nền tảng CERN ROOT thực hiện tích chập dữ liệu thông lượng từ GEANT4 và tiết diện từ TALYS để tính toán ra giá trị tỷ số đồng phân giải tích.

4. Bốn hiệu ứng hạt nhân ảnh hưởng đến tỷ số đồng phân được luận án kết luận như thế nào?

• Năng lượng kích thích: IR tăng hoặc giảm theo năng lượng điểm cuối bức xạ hãm trong vùng GDR và tiến tới giá trị bão hòa ở cuối vùng GDR do sự tham gia của quá trình tiền cân bằng và trực tiếp.
• Cấu hình nucleon: Trong các chuỗi đồng vị hoặc đồng neutron, IR có xu hướng giảm khi số proton hoặc neutron tăng lên.
• Độ chênh lệch spin: Độ chênh lệch spin giữa trạng thái đồng phân và trạng thái cơ bản càng lớn thì xác suất tạo trạng thái spin cao càng giảm, dẫn đến IR giảm.
• Kênh phản ứng: Kênh phản ứng truyền xung lượng (intake impulse) lớn hơn cho nhân hợp phần sẽ ưu tiên tạo thành trạng thái có spin cao hơn, dẫn đến IR lớn hơn (ví dụ IR trong $(n, 2n)$ lớn hơn trong $(\gamma, n)$).

5. Những hiệu chỉnh thực nghiệm nào đã được tác giả thực hiện khi xử lý phổ gamma?

Để đảm bảo độ chính xác của số liệu IR đo bằng đầu dò HPGe, tác giả đã thực hiện: (1) Hiệu chuẩn đường cong hiệu suất đầu dò HPGe; (2) Hiệu chỉnh hiệu ứng tự hấp thụ bức xạ gamma trong thể tích mẫu (self-absorption correction) dựa trên kích thước hình học và hệ số suy giảm tuyến tính của vật liệu; (3) Hiệu chỉnh hiệu ứng trùng phùng tổng (coincidence summing correction) phát sinh khi nhiều tia gamma phát ra liên tiếp trong cùng một phân rã bị đầu dò ghi nhận đồng thời.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của Bùi Minh Huệ đã xác định thực nghiệm chính xác tỷ số đồng phân của các cặp đồng phân trên các hạt nhân $\text{Hg}$, $\text{Eu}$, $\text{Pd}$, $\text{Cd}$, $\text{Ce}$, $\text{Se}$ trong phản ứng quang hạt nhân $(\gamma, n)$ và phản ứng bắt neutron $(n, \gamma)$ tại máy gia tốc Microtron MT-25 (Dubna, Nga). Nghiên cứu đã cung cấp các bộ số liệu thực nghiệm mới chưa từng công bố trong y văn cho các đồng vị $^{195m,g}\text{Hg}$, $^{197m,g}\text{Hg}$, $^{152m1,m2}\text{Eu}$, $^{109m,g;111m,g}\text{Pd}$ và $^{115m,g;117m,g}\text{Cd}$. Thông qua việc kết hợp mô phỏng GEANT4 và tính toán lý thuyết TALYS 1.95, luận án đã phân tích có hệ thống 4 hiệu ứng hạt nhân ảnh hưởng lên tỷ số đồng phân và đánh giá độ tin cậy của các mô hình mật độ mức cùng hàm lực bức xạ gamma. Dữ liệu và phương pháp của luận án đóng góp nguồn số liệu tham khảo cho cơ sở dữ liệu hạt nhân quốc tế và các ứng dụng vật lý hạt nhân thực nghiệm.

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 – 2022 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 – 2022 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 – 2022 i Declaration of Authorship I, Bui Minh Hue, declare that this thesis titled, “STUDY OF ISOMERIC RATIO AND RELATED EFFECTS IN PHOTONUCLEAR AND NEUTRON CAPTURE REACTIONS” and the work pre- sented in it are my own. I confirm that: • This work was done wholly or mainly while in candidature for a research degree at the Graduate University of Science and Technology.

• Where any part of this thesis has previously been submitted for a degree or any other qualification at this Graduate University or any other institution, this has been clearly stated. • The data in this thesis have not been used in other publications by anyone else. • Where I have consulted the published work of others, this is always clearly attributed. • Where I have quoted from the work of others, the source is always given.

With the exception of such quotations, this thesis is entirely my own work. • I have acknowledged all main sources of help. Signed: Date: ii Abstract The isomeric ratios (IRs) of 152m1,m2 Eu, 195m,g;197m,g Hg, 115m,g Cd, 109m,g Pd, 137m,g Ce and 81m,g Se pro- duced from photonuclear reactions (γ, n) with bremsstrahlung endpoint energies in Giant Dipole Res- onance region and that 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 determined experimentally by using the activation tech- nique and off-line γ-ray spectroscopy measurement. The bremsstrahlung photons and neutrons were generated using the MT-25 Microtron of the Flerov Laboratory of Nuclear Reaction (FLNR), JINR, Dubna, Russia.

The activity of radioisotopes was determined with a HPGe detector together with es- sential corrections. This work reports, obtained from (γ, n) reactions, the IRs of 195m,g Hg withing 14 - 24 MeV, 197m,g Hg within 18 - 24 Mev, and 152m1,m2 Eu at 19, 21 and 23 Mev for the first time. More- over, the obtained results of 109m,g;111m,g P d and 115m,g;117m,g Cd in mixed thermal-resonant neutron capture reactions (n, γ) as well as that of 111m,g P d in resonance neutron capture reaction (n, γ) have been the first measurements. The impact of four effects including the nucleon configuration, spin dif- ference, excitation energy, and reaction channel effect on the experimental IRs was investigated.

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 TALYS 1.95 code- based calculated cross section in conjunction with GEANT4 toolkit-based simulated bremsstrahlung. The 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 and consider them not only as my supervisor but also as 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 much knowledge and experience in research, work, and life from him. 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 Director, Mrs. Nguyen Thi Dieu Hong and staffs of 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 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 there very pleasant. I always had you by my side when taking a lunch break or gathering 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 Graduate University of Science and Technology for helping and supporting me throughout the process of doing this thesis. I would like to acknowledge the scientific research support for excellent Ph. students at the Graduate Univer- sity of Science and Technology in 2021. And I offer my gratitude and special thanks to Vingroup JSC and Ph.

Scholarship Programme of Vingroup Innovation Foundation (VINIF), Institute of Big Data funded and supported my Ph. studies within two years under VINIF. Last but not least, at the bottom of my heart, I would like to express my deepest gratitude to my family and parent-in-law for supporting and loving me during this long journey. I am very thankful for my aunt, N.Mai, for helping and taking care of me in the stressful period of finalizing this thesis.

Specially, I would like to spend a great thank my honey husband, who helped me a lot with coding. He has always encouraged and given me a happy life. He is the principal motivation for me to accomplish the present thesis. iv Contents Declaration of Authorship i Abstract ii Acknowledgements iii Contents iv List of Abbreviations vii List of Physical Quantities viii List of Tables x List of Figures xii Introduction xvi 1 Overview 1 1.1 Formation and classification of isomers .2 Isomeric ratio and related effects .1 Definition 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 .4 Neutron capture reaction .1 Neutron and neutron sources .2 Neutron capture reaction (n, γ) .3 Neutron capture cross-section .5 Level density and γ-ray strength function .1 Nuclear level density .2 Gamma-ray strength function.

38 v 2 Experimental and theoretical methods 39 2. 40 Thermal and epithermal neutron source .4 Experimental IR determination .5 Spectrum analysis-necessary correction. 51 Self-absorption effect. 51 Coincidence summing corrections .2 Theoretical IR calculation in (γ, n) reaction .1 Bremsstrahlung spectra simulation in GEANT4 .2 Cross-section calculation in TALYS.

54 3 Results and Discussion 57 3.1 Isomeric Ratios in (γ, n) reactions .2 195m,g Hg and 197m,g Hg .2 Isomeric Ratios in (n, γ) reactions .1 109m,g Pd and 111m,g Pd .2 115m,g Cd and 117m,g Cd .3 Influence of nuclear channel effect on IRs in (γ, n) and (n, γ) reactions .4 IRs of 137m,g Ce, 115m,g Cd, 109m,g Pd, and 81m,g 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. 101 Conclusions and Outlook 118 List of Publications used for the Thesis content 122 References 124 A Geant4 simulation codes A1 A. A15 B Input file of TALYS code A18 C CERN ROOT analysis code to calculate IRs using energy flux 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 Superfluid 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 viii 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 πi , πf parities of the initial and final 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 σi cross-section Y yield ϕ flux 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 ix 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 x List of Tables 2.1 Main parameters of MT-25 microtron [118, 120].2 Characteristics of irradiated samples, electron current and energy, and irradiation time.1 γ-rays decay properties of reaction products of 152m1,m2 Eu used in the IR calculation [140].2 A summary of corrections for self-absorption and summing coincidence for given γ-ray energies.3 The IR of 152m1,m2 Eu in the (γ, n) reaction.4 A summary of error sources considered in the IR calculation of 152m1,m2 Eu.5 γ-rays decay properties of reaction products of 195m,g Hg and 197m,g Hg used in the IR calculation [140].6 A summary of corrections for self-absorption and summing coincidence for given γ-ray energies.7 A summary of IRs determined for 195m,g;197m,g Hg isomeric pairs pro- duced in (γ, n) reaction [129].8 A 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 [140].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 error sources considered in the IR calculation of 109m,g Pd.13 The decay properties of selected γ-rays for IR calculations for the 115m,g Cd and 117m,g Cd isomeric pairs [140].14 A summary of self-absorption and summing coincidence correction fac- tors for the γ-rays of interest of 115m,g;117m,g Cd [131].15 A summary of IRs results for 115m,g Cd and 117m,g Cd isomeric pairs pro- duced in different type of nuclear reactions.