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.

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

doctoral thesis

2022

185
3
0

Phí lưu trữ

45 Point

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.

01/03/2025

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.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Tài liệu "Nghiên cứu tỷ số đồng phân và hiệu ứng trong phản ứng quang hạt nhân và bắt neutron" cung cấp cái nhìn sâu sắc về các khía cạnh lý thuyết và thực nghiệm liên quan đến phản ứng quang hạt nhân, đặc biệt là trong việc phân tích tỷ số đồng phân và các hiệu ứng đi kèm. Nội dung nghiên cứu không chỉ giúp người đọc hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của các phản ứng này mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong lĩnh vực vật lý hạt nhân và công nghệ năng lượng.

Để mở rộng kiến thức của bạn về các chủ đề liên quan, bạn có thể tham khảo thêm tài liệu tóm tắt luận án tiến sĩ tiếng việt ncs nguyễn khắc tấn, nơi cung cấp cái nhìn tổng quan về các nghiên cứu tiên tiến trong lĩnh vực khoa học. Bên cạnh đó, tài liệu luận văn thạc sĩ hóa học phân tích và đánh giá chất lượng nước giếng khu vực phía đông vùng kinh tế dung quất huyện bình sơn tỉnh quảng ngãi cũng sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về các phương pháp phân tích trong hóa học, có thể áp dụng trong nghiên cứu vật lý. Cuối cùng, tài liệu luận văn thạc sĩ khoa học xác định mức độ ô nhiễm các hợp chất hydrocarbons thơm đa vòng pahs trong trà cà phê tại việt nam và đánh giá rủi ro đến sức khỏe con người sẽ cung cấp thêm thông tin về các nghiên cứu liên quan đến ô nhiễm và tác động của nó đến sức khỏe, một vấn đề quan trọng trong nghiên cứu môi trường hiện nay.

Những tài liệu này không chỉ bổ sung kiến thức mà còn mở ra nhiều hướng nghiên cứu thú vị cho bạn.