Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tỷ số suất lượng đồng phân của phản ứng hạt nhân 116cdy n115m g cd sau vùng năng lượng cộng hưởng khổng lồ

Luận văn thạc sĩ phân tích nghiên cứu tỷ số suất lượng đồng phân của phản ứng hạt nhân 116cdy n115m g cd sau vùng năng lượng, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

• Tác giả: Lại Văn Thắng
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Đức Khê
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao
• Đề tài: Nghiên cứu tỷ số suất lượng đồng phân của phản ứng hạt nhân 116Cd(γ,n)115m,gCd sau vùng năng lượng cộng hưởng khổng lồ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: PHẢN ỨNG QUANG HẠT NHÂN VÀ HẠT NHÂN ĐỒNG PHÂN
• 1.1. Mô ̣t số đặc trƣng của phản ƣ́ng quang hạt nhân
• 1.1.1. Phân loại phản ứng quang hạt nhân
• 1.2. Hiện tượng cộng hưởng khổ ng lồ
• 1.3. Cơ chế giả đơtron
• 1.4. Hạt nhân đồng phân
• 1.5. Tỷ số đồng phân
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Nguồn photon hãm từ máy gia tốc Linac
• 2.2. Nguyên lý hoạt động của máy gia tố c linac
• 2.3. Cơ chế tạo photon hãm tƣ̀ máy gia tố c electron
• 2.4. Máy gia tốc linac 100 MeV Pohang, Hàn quốc
• 2.5. Phƣơng pháp kích hoạt và đo phổ Gamma
• 2.6. Nguyên lý của phƣơng pháp kích hoạt phóng xạ
• 2.7. Ghi nhận và phân tích phổ gamma
• 2.8. Hệ phổ kế gamma
• 2.9. Phân tích phổ Gamma
• 2.10. Một số biện pháp nâng cao độ chính xác của phép đo
• 2.11. Hiệu chỉnh can nhiễu phóng xạ
• 2.12. Hiệu ứng hấp thụ tia gamma trong mẫu
• 2.13. Hiệu ứng cộng đỉnh
• 3. CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH TỶ SỐ SUẤT LƯỢNG ĐỒNG PHÂN
• 3.1. Thí nghiệm xác định tỷ số suất lƣợng đồng phân
• 3.2. Nhận diện đồng vị phóng xạ và phản ứng hạt nhân
• 3.3. Xác định tỷ số suất lƣợng đồng phân bằng thực nghiệm
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu tỷ số suất lượng đồng phân phản ứng hạt nhân

Nghiên cứu tỷ số suất lượng đồng phân phản ứng hạt nhân là một lĩnh vực quan trọng trong vật lý hạt nhân. Tỷ số này cung cấp thông tin về các cơ chế phản ứng hạt nhân, sự phân bố năng lượng và spin của các hạt nhân. Các nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc hạt nhân mà còn có ứng dụng thực tiễn trong nhiều lĩnh vực như phân tích kích hoạt và chế tạo đồng vị.

1.1. Định nghĩa và ý nghĩa của tỷ số suất lượng đồng phân

Tỷ số suất lượng đồng phân được định nghĩa là tỷ số tiết diện của phản ứng hạt nhân tạo thành trạng thái giả bền và trạng thái cơ bản. Thông số này rất quan trọng trong việc hiểu rõ các cơ chế của phản ứng hạt nhân và sự phụ thuộc của chúng vào năng lượng.

1.2. Lịch sử nghiên cứu tỷ số suất lượng đồng phân

Lịch sử nghiên cứu tỷ số suất lượng đồng phân bắt đầu từ những năm đầu thế kỷ 20. Các nghiên cứu ban đầu đã chỉ ra sự tồn tại của các trạng thái đồng phân và vai trò của chúng trong các phản ứng hạt nhân. Qua thời gian, nhiều phương pháp đã được phát triển để xác định tỷ số này một cách chính xác hơn.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu tỷ số suất lượng đồng phân

Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về tỷ số suất lượng đồng phân, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trong việc thu thập dữ liệu chính xác. Các vấn đề như độ chính xác của thiết bị đo, sự phức tạp của các phản ứng hạt nhân và sự thiếu hụt dữ liệu ở các vùng năng lượng cao hơn là những thách thức lớn.

2.1. Độ chính xác của thiết bị đo trong nghiên cứu

Độ chính xác của thiết bị đo là yếu tố quyết định trong việc xác định tỷ số suất lượng đồng phân. Các thiết bị như máy gia tốc và hệ phổ kế gamma cần được hiệu chỉnh thường xuyên để đảm bảo độ chính xác cao nhất.

2.2. Thiếu hụt dữ liệu ở vùng năng lượng cao

Nhiều nghiên cứu hiện tại vẫn thiếu dữ liệu ở vùng năng lượng cao, đặc biệt là sau vùng cộng hưởng khổng lồ. Điều này gây khó khăn trong việc hiểu rõ các cơ chế phản ứng hạt nhân ở các năng lượng này.

III. Phương pháp nghiên cứu tỷ số suất lượng đồng phân hiệu quả

Để nghiên cứu tỷ số suất lượng đồng phân, nhiều phương pháp đã được áp dụng, bao gồm phương pháp kích hoạt và đo phổ gamma. Những phương pháp này giúp thu thập dữ liệu chính xác và đáng tin cậy.

3.1. Phương pháp kích hoạt trong nghiên cứu

Phương pháp kích hoạt là một trong những phương pháp chính để xác định tỷ số suất lượng đồng phân. Phương pháp này sử dụng bức xạ gamma để kích thích các hạt nhân và ghi nhận các phản ứng xảy ra.

3.2. Đo phổ gamma và phân tích dữ liệu

Đo phổ gamma là bước quan trọng trong việc xác định tỷ số suất lượng đồng phân. Các dữ liệu thu được từ phổ gamma cần được phân tích kỹ lưỡng để rút ra các thông tin cần thiết về phản ứng hạt nhân.

IV. Ứng dụng thực tiễn của tỷ số suất lượng đồng phân trong nghiên cứu

Tỷ số suất lượng đồng phân có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như phân tích kích hoạt, chế tạo đồng vị và che chắn phóng xạ. Những ứng dụng này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả nghiên cứu mà còn có ý nghĩa quan trọng trong công nghiệp và y tế.

4.1. Ứng dụng trong phân tích kích hoạt

Trong phân tích kích hoạt, tỷ số suất lượng đồng phân giúp xác định hoạt độ của mẫu và tối ưu hóa các điều kiện thực nghiệm. Điều này rất quan trọng trong việc phát hiện và phân tích các đồng vị phóng xạ.

4.2. Chế tạo đồng vị và che chắn phóng xạ

Tỷ số suất lượng đồng phân cũng được sử dụng trong việc chế tạo đồng vị và che chắn phóng xạ. Các số liệu này giúp thiết kế các hệ thống bảo vệ an toàn trong các ứng dụng hạt nhân.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu tỷ số suất lượng đồng phân

Nghiên cứu tỷ số suất lượng đồng phân phản ứng hạt nhân là một lĩnh vực đầy tiềm năng. Các kết quả thu được không chỉ góp phần làm sáng tỏ các cơ chế phản ứng hạt nhân mà còn mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới trong tương lai.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tỷ số suất lượng đồng phân có sự phụ thuộc mạnh vào năng lượng bức xạ. Những kết quả này cần được tiếp tục khai thác để hiểu rõ hơn về các cơ chế phản ứng hạt nhân.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để thu thập thêm dữ liệu ở các vùng năng lượng cao hơn. Điều này sẽ giúp làm rõ hơn các cơ chế phản ứng hạt nhân và mở rộng ứng dụng của tỷ số suất lượng đồng phân trong thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I: Phản ứng quang hạt nhân và hạt nhân đồng phân: Trình bày tóm tắt mô ̣t số đặc trưng của phản ứng quang hạt nhân, hiện tươ ̣ng đồng phân hạt nhân và tỷ số đồng phân. Chương II: Nguồn photon hãm từ máy gia tốc: Trình bày nguyên lý hoạt động của máy gia tốc electron tuyế n tính , cơ chế tạo bức xa ̣ hãm từ máy gia tốc và giới thiệu về máy gia tốc Linac 100 MeV tại Pohang, Hàn Quốc. Chương III: Phương pháp kích hoạt và đo phổ gamma: Trình bày nguyên lý của phương pháp kích hoạt phóng xạ và ghi nhận phổ gamma, thiế t lâ ̣p mố i liên hê ̣ giữa số đế m diê ̣n tích đỉnh phổ gamma và các tham số thực nghiê ̣m. Một số biện pháp hiệu chỉnh nhằm nâng cao độ chính xác của phép đo.

Chương IV: Xác định tỷ số suất lượng đồng phân thực nghiệm: Trình bày thí nghiệm và phân tích số liệu xác định tỷ số suất lượng đồng phân của phản ứng quang hạt nhân116Cd(γ,n)115m,gCd, nghiên cứu sự phu ̣ thuô ̣c của tỷ số đồ ng phân vào năng lượng của bức xạ hãm. Bản luận văn gồ m 52 trang, 14 hình vẽ và đồ thị, 8 bảng biểu. Thí nghiệm được thực hiện tại Trung tâm Gia tốc Pohang, Hàn Quốc. Việc phân tích số liệu và hoàn thành bản luận văn được thực hiện tại Trung tâm Vật lý hạt nhân, Viện Vật lý.

Lại Văn Thắng 2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn thạc si ̃ khoa học CHƢƠNG 1. PHẢN ỨNG QUANG HẠT NHÂN VÀ HẠT NHÂN ĐỒNG PHÂN 1. Mô ̣t số đă ̣c trƣng của phản ƣ́ng quang ha ̣t nhân 1. Phân loại phản ứng quang ha ̣t nhân Do các bức xạ gamma là sóng điện từ không mang điện tích nên khi đi vào vật chất không xảy ra nhiều va chạm không đàn hồi như các hạt mang điện.

Các tương tác chủ yếu của bức xạ gamma với vật chất là: hiệu ứng hấp thụ quang điện, hiệu ứng Compton, hiệu ứng tạo cặp và các phản ứng quang hạt nhân. Tiết diện tương tác toàn phần    phot   Com   pair + TA, trong đó tiết Z5 diện do hiệu ứng quang điện  phot  , tiết diện do hiệu ứng tán xạ Compton E7 / 2 Z là  Com  , tiết diện do hiệu ứng tạo cặp  pair  Z 2 ln(2E ) , TA là tiết diện E tổng cộng của các phản ứng quang hạt nhân. Hiệu ứng quang điện là cơ chế chủ yếu trong tương tác của bức xạ gamma với vật chất ở vùng năng lượng thấp, tán xạ Compton chiếm vai trò chính ở vùng năng lượng trung bình, còn hiệu ứng tạo cặp và phản ứng quang hạt nhân ưu tiên đố i với vùng năng lượng cao [4]. Phản ứng quang hạt nhân là sự hấp thụ photon dẫn đến hình thành trạng thái hạt nhân hợp phần.

Các hạt nhân này có thể phân rã theo nhiều cách, ví dụ như phát xạ nơtron, proton hoặc các loại hạt khác. Điều kiện để những phản ứng này xảy ra là năng lượng của lượng tử  cần phải lớn hơn năng lượng tách hạt, còn gọi là năng lượng ngưỡng của phản ứng hạt nhân (E  Eth ). Bức xạ gamma có thể t ạo ra từ các nguồ n phóng xa ̣  đồng vị, tuy nhiên các lượng tử  này thường có năng lư ợng thấp. Để có được chùm bức xạ gamma tới có năng lượng và thông lượng lớn, có thể dùng chùm bức xạ hãm trên các máy gia tốc hạt.

Lý thuyết gi ải thích phản ứng quang hạt nhân đươ ̣c d ựa vào mẫu hấp thụ photon. Mẫu phản ứng quang hạt nhân đề câ ̣p đ ến cơ chế phản ứng quang hạt nhân khác nhau bao gồm quá trình kích thích quang hạt nhân ban đầu, và cả phân rã tiếp theo của hạt nhân kích thích bằng cách phát ra các hạt và tia gamma. Cũng như các phản ứng hạt nhân dưới tác dụng của các hạt tích điện và nơtron, phản ứng quang hạt nhân phụ thuộc mạnh vào năng lượng của chùm Lại Văn Thắng 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn thạc si ̃ khoa học lượng tử gamma tới. Tùy theo năng lượng gamma tới, phản ứng quang hạt nhân phát xạ nơtron, proton hoặc các loại hạt khác tương ứng với nhiều loại phản ứng khác nhau như: phản ứng đơn giản: (,n), (,p); phản ứng sinh nhiều nơtron: (,xn), phân hạch hạt nhân: (,f); phản ứng photospallation: (,xnyp); phản ứng tạo meson (,xn), hiện tượng phân mảnh (,fr)… Các quá trình chính của ph ản ứng quang hạt nhân là : cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ (giant dipole resonance, GDR) (E<30 MeV), cơ chế giả đơtron (quasi–deutron, QDM) (30 MeVE140 MeV) và ph át xạ pion (E>140 MeV).1 biểu diễn mối liên hệ giữa tiết diện phản ứng quang hạt nhân và năng lượng của photon [6].

Tiết diện phản ứng E (MeV) 1 10 100 I II III IV Hình 1. Tiết diện phản ứng quang hạt nhân theo năng lượng photon. Trong vùng I năng lượng photon dưới ngưỡng của phản ứng (,n) do đó chỉ có các tán xạ đàn hồi và không đàn hồi của photon, đường cong tiết diện đôi khi các cực đại là do sự dịch chuyển giữa các mức của hạt nhân bia. Trong vùng II các mức năng lượng vẫn còn tách rời nhau điều này thể hiện trong cấu trúc tinh tế của tiết diện.

Vùng III tương ứng với sự chồng chập các mức của hạt nhân hợp phần. Tiết diện phản ứng quang hạt nhân đạt cực đại và có dạng hình gauss được gọi là cộng hưởng khổng lồ. Vùng IV với photon năng lượng hàng trăm MeV đây là vùng xảy ra các hiệu ứng phức tạp như hiệu ứng giả đơtron, phát xạ các photomeson, pion và các hạt cơ bản khác. Lại Văn Thắng 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn thạc si ̃ khoa học 1.

Hiê ̣n tượng cộng hưởng khổ ng lồ Ở vùng năng lượng photon dưới 30 MeV, sự hấp thụ photon dẫn đến hình thành trạng thái hạt nhân hợp phần, các hạt nhân này có thể phân rã theo nhiều cách như phát xạ nơtron, proton hoặc các loại hạt khác: (,xn), (,p), (,pn); (,f). Khi nghiên cứu sự phu ̣ th uô ̣c của tiế t diê ̣n phản ứng (γ,n) và (γ,p) vào năng lươ ̣ng photon thì thấ y các tiế t diê ̣n này tăng châ ̣m từ năng lươ ̣ng ngưỡng của phản ứng và có giá trị khoảng 1 mb khi Eγ ≈ 10 MeV; tuy nhiên khi Eγ ≈ 15 – 25 MeV thì quan sát thấ y có cộng hưởng khá phổ biến ở các hạt nhân nghiên cứu. Đặc trưng tiêu biểu của cộng hưởng này là độ rộng nửa cực đại Γ lớn và năng lươ ̣ng cô ̣ng hưởng, (Eγ)res, phụ thuộc vào số khối A: ( E ) res  A0.1) Hiê ̣n tươ ̣ng này đươ ̣c go ̣i là cô ̣ng hưởng khổ ng lồ , vùng năng lượng photon 10 ÷ 20 MeV đươ ̣c go ̣i là vùng năng lươ ̣ng cô ̣ng hưởng khổ ng lồ (giant dipole resonance – GDR). Cho đế n nay phầ n lớn các thông tin liên quan tới phản ứng quang hạt nhân tập trung ở vùng năng lượng này (E < 30 MeV).

Có thể giải thích cộng hưởng hiê ̣n tươ ̣ng cô ̣ng hưởng khổng lồ trên cơ sở các dao động hạt nhân do trường điện từ của lượng tử . Goldhaber và Teller giả thiết nơtron và proton của hạt nhân như là hai chất lỏng riêng biệt, hạt nhân nhận năng lượng do hấp thụ các photon tạo ra sự dao động của hai loại chất lỏng này. Hiện tượng cộng hưởng khổng lồ tương ứng với tần số cực đại của dao động. Sau đó Wikinson xem cộng hưởng khổng lồ như là một sự chồng chập (superposition) do sự đóng góp của tất cả các nucleon riêng lẻ.

Mỗi một nucleon nhận một phần năng lượng từ sự hấp thụ photon. Cộng hưởng khổng lồ là tổng tất cả các cộng hưởng nhỏ đó [4]. Hiện tượng này có thể hình dung như sau: Lượng tử gamma với năng lượng E có bước sóng: hc 1, 2x10-10   (1.2) E E trong đó  có đơn vị cm và E (MeV). Điều này có nghĩa là đối với năng lượng E = 10 ÷ 20 MeV thì lượng tử có bước sóng  >> Rnucl.

Xem xét hai cơ chế sau, hai cơ chế có một chút khác nhau: Lại Văn Thắng 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn thạc si ̃ khoa học Theo như cơ chế thứ nhất (Goldhaber-Teller model), toàn bộ proton của hạt nhân được thay thế bởi toàn bộ nơtron, do đó gây nên sự phân cực trong hạt nhân (hình 1. Dưới tác dụng của lực đàn hồi hạt nhân bị biến đổi thành các pha đối lập. Tập hợp của các dao động lưỡng cực trong hạt nhân có tần số dao K động được đánh giá qua công thức   , với K là suất đàn hồi và M là khối M lượng của hạt nhân. Trong cơ chế này, vai trò của lực đàn hồi được thực hiện bởi tương tác của các nucleon với hạt nhân bia.

Khi suất đàn hồi tỉ lệ với diện tích bề K R2 1 mặt của hạt nhân, K R và khi đó   2  3   A1/ 6. Goldhaber và M R R Teller đưa ra công thức (E)res = 35 A-1/6 (MeV). Theo như cơ chế thứ hai (Steinwedel-Jensen model), cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ có thể được hình dung như sự thay thế xen kẽ lần lượt của các proton và nơtron, trong khi mật độ các nucleon không thay đổi (hình 1. Trong trường hợp này lực đàn hồi tỉ lệ với khoảng cách, K  R  A1/3.

Do đó tần K 1 số dao động thu được theo công thức     A1/ 3. Migdal đưa ra giá trị M R (E)res = 60 A-1/3 (MeV). So sánh các kết quả với thực nghiệm chỉ ra rằng sự phụ thuộc của năng lượng kích thích vào số khối có thể mô tả một cách chính xác hơn bằng cách kết hợp hai cơ chế này, hay W = 31,2 A-1/3 + 20,6 A-1/6 (MeV). Sự phân cực hạt nhân Theo như công thức xấp xỉ này thì vị trí của cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ vào thang năng lượng kích thích thay đổi từ 25,5 đến 13,5 MeV đối với các hạt Lại Văn Thắng 6 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn thạc si ̃ khoa học nhân có số khối từ 16 -> 250.

Có thể biểu diễn đơn giản hơn W = 78 A-1/3 (MeV) cho trường hợp đối với hạt nhân nặng. Tiết diện phản ứng (xác suất xảy ra phản ứng trên một hạt nhân trong một giây khi thông lượng của dòng hạt tới bằng 1 hạt/cm2.