Nghiên cứu tỷ số đồng phân và hiệu ứng trong phản ứng quang hạt nhân và bắt neutron

Nghiên cứu tỷ số đồng phân và hiệu ứng trong phản ứng quang hạt nhân, phản ứng bắt neutron, cung cấp cái nhìn sâu sắc về cơ chế và ứng dụng.

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

luận án tiến sĩ

2022

185
1
0

Phí lưu trữ

45 Point

Mục lục chi tiết

Declaration of Authorship

Abstract

Acknowledgements

Contents

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

1.5. Neutron capture reaction

1.5.1. Neutron and neutron sources

1.5.2. Neutron capture reaction (n, γ)

1.5.3. 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. 195m,g Hg and 197m,g Hg

3.3. Isomeric Ratios in (n, γ) reactions

3.3.1. 109m,g Pd and 111m,g Pd

3.3.2. 115m,g 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 137m,g Ce, 115m,g Cd, 109m,g Pd, and 81m,g 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 OUTLOOK

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. 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 (phản ứng quang hạt nhân) và bắt neutron (bắt neutron). Tỷ số này được định nghĩa là tỷ lệ giữa số lượng các đồng phân khác nhau được tạo ra trong một phản ứng hạt nhân. Các yếu tố ảnh hưởng đến tỷ số đồng phân bao gồm cấu hình nucleon, sự khác biệt về spin, năng lượng kích thích và hiệu ứng kênh phản ứng. Việc nghiên cứu tỷ số đồng phân không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc hạt nhân mà còn có ứng dụng trong việc phát triển các công nghệ hạt nhân mới.

1.1 Định nghĩa và phân loại tỷ số đồng phân

Tỷ số đồng phân được định nghĩa là tỷ lệ giữa các trạng thái đồng phân của một hạt nhân cụ thể. Các đồng phân này có thể tồn tại trong các trạng thái năng lượng khác nhau và có thời gian sống khác nhau. Việc phân loại tỷ số đồng phân giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về các quá trình hạt nhân và các hiệu ứng liên quan đến chúng. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng tỷ số đồng phân có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào điều kiện phản ứng và loại hạt nhân tham gia.

1.2 Các hiệu ứng liên quan đến tỷ số đồng phân

Các hiệu ứng liên quan đến tỷ số đồng phân bao gồm hiệu ứng kênh phản ứng và cấu hình nucleon. Hiệu ứng kênh phản ứng đề cập đến cách mà các kênh phản ứng khác nhau có thể ảnh hưởng đến tỷ số đồng phân. Cấu hình nucleon, tức là cách mà các nucleon được sắp xếp trong hạt nhân, cũng có thể ảnh hưởng đến tỷ số này. Nghiên cứu các hiệu ứng này có thể cung cấp thông tin quý giá về cấu trúc hạt nhân và các quá trình hạt nhân phức tạp.

II. Phản ứng quang hạt nhân và bắt neutron

Phản ứng quang hạt nhân (phản ứng quang hạt nhân) là một trong những phương pháp chính để nghiên cứu cấu trúc hạt nhân. Trong phản ứng này, photon được sử dụng để kích thích hạt nhân, dẫn đến sự hình thành các đồng phân khác nhau. Nghiên cứu về phản ứng quang hạt nhân giúp hiểu rõ hơn về các quá trình tương tác giữa photon và hạt nhân. Bắt neutron (bắt neutron) cũng là một quá trình quan trọng trong vật lý hạt nhân, nơi neutron được hấp thụ bởi hạt nhân, dẫn đến sự hình thành các đồng phân mới. Cả hai loại phản ứng này đều có ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân và y học hạt nhân.

2.1 Cơ chế phản ứng quang hạt nhân

Cơ chế phản ứng quang hạt nhân liên quan đến sự tương tác giữa photon và hạt nhân. Khi photon có năng lượng đủ lớn, nó có thể kích thích hạt nhân, dẫn đến sự phát sinh các đồng phân. Nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc hạt nhân mà còn có thể ứng dụng trong việc phát triển các nguồn năng lượng hạt nhân hiệu quả hơn.

2.2 Bắt neutron và ứng dụng

Bắt neutron là một quá trình quan trọng trong vật lý hạt nhân, nơi neutron được hấp thụ bởi hạt nhân, dẫn đến sự hình thành các đồng phân mới. Quá trình này có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng thực tiễn, bao gồm sản xuất năng lượng hạt nhân và nghiên cứu y học. Việc hiểu rõ về bắt neutron và các yếu tố ảnh hưởng đến nó có thể giúp cải thiện hiệu suất của các phản ứng hạt nhân.

III. Phân tích và kết quả

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng tỷ số đồng phân có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm cấu hình nucleon và hiệu ứng kênh phản ứng. Các kết quả thu được từ các phản ứng quang hạt nhân và bắt neutron đã được so sánh với các dữ liệu lý thuyết và thực nghiệm trước đó. Sự khác biệt giữa các tỷ số đồng phân trong các phản ứng khác nhau cho thấy sự phức tạp của các quá trình hạt nhân và cần có thêm nghiên cứu để hiểu rõ hơn về chúng.

3.1 Kết quả từ phản ứng quang hạt nhân

Kết quả từ các phản ứng quang hạt nhân cho thấy rằng tỷ số đồng phân có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào năng lượng photon. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các đồng phân được tạo ra từ phản ứng này có thể có thời gian sống khác nhau, điều này có thể ảnh hưởng đến ứng dụng thực tiễn của chúng trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân.

3.2 Kết quả từ phản ứng bắt neutron

Kết quả từ các phản ứng bắt neutron cho thấy rằng tỷ số đồng phân cũng có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như cấu hình nucleon và hiệu ứng kênh phản ứng. Nghiên cứu này đã cung cấp thông tin quý giá về cách mà các phản ứng này diễn ra và có thể giúp cải thiện hiệu suất của các phản ứng hạt nhân trong tương lai.

01/02/2025

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

Bài viết với tiêu đề "Tỷ số đồng phân và hiệu ứng trong phản ứng quang hạt nhân và bắt neutron" khám phá các khía cạnh quan trọng của phản ứng quang hạt nhân và cách mà tỷ số đồng phân ảnh hưởng đến các quá trình này. Tác giả trình bày chi tiết về các hiệu ứng vật lý liên quan, giúp người đọc hiểu rõ hơn về sự tương tác giữa các hạt và vai trò của chúng trong các ứng dụng thực tiễn, đặc biệt trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân và nghiên cứu vật lý hạt.

Để mở rộng kiến thức của bạn về các chủ đề liên quan, bạn có thể tham khảo thêm bài viết "Luận văn thạc sĩ bổ chính susy qcd cho sinh cặp squark trong quá trình hủy cặp e e với tham số phức", nơi nghiên cứu về các tương tác hạt trong các quá trình hủy cặp. Ngoài ra, bài viết "Luận án thiết kế chế tạo hệ tách xung nơtron và gamma sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số" sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về công nghệ tách xung trong nghiên cứu hạt nhân. Cuối cùng, bạn cũng có thể tìm hiểu về "Luận văn thạc sĩ nghiên cứu xác định nhanh sr 90 y 90 ứng dụng trong phân tích môi trường và y học hạt nhân", một nghiên cứu quan trọng trong ứng dụng y học hạt nhân. Những tài liệu này sẽ giúp bạn có cái nhìn toàn diện hơn về lĩnh vực vật lý hạt và ứng dụng của nó trong thực tiễn.