07_59_72_7072

TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 01 - 2016 ISSN 2354-1482 NGHIÊN CỨU HẠT NHÂN KHÔNG BỀN TRÊN MÁY GIA TỐC TS Nguyễn Ngọc Duy1 ThS Nguyễn Kim Uyên2 TÓM TẮT Hiểu biết chế phản ứng hạt nhân tính chất hạt nhân nhiều hạn chế mà dừng lại việc nghiên cứu hạt nhân bền Trong đó, nghiên cứu hạt nhân khơng bền không cung cấp cho kiến thức khác xa so với hiểu biết hạt nhân bền mà giúp nghiên cứu sâu vũ trụ thông qua phản ứng tổng hợp nguyên tố Để nghiên cứu hạt nhân khơng bền máy gia tốc hệ phổ kế thiết bị khơng thể thiếu Trong viết này, chúng tơi trình bày kết nghiên cứu cấu trúc nhóm hạt nhân khơng bền 26 Si 11C với suất phản ứng 7Be(α,γ)11C 22Mg(,p)25Al thông qua việc đo đạc thực nghiệm tán xạ 7Be+ 22Mg+ thực máy gia tốc AVF hệ phổ kế CRIB trung tâm hạt nhân CNS Đại học Tokyo, Nhật Bản Từ khóa: CRIB, 26Si, 11C, cấu trúc nhóm alpha, hạt nhân khơng bền Giới thiệu Việc nghiên cứu chuyên sâu tính chất hạt nhân chế tương tác nucleon hay phản ứng hạt nhân có vai trị quan trọng vật lý đại Những thông tin thu từ nghiên cứu cung cấp tri thức cho văn minh nhân loại mà cịn góp phần cải biến giới với hàng loạt ứng dụng nhiều lĩnh vực y học, lượng, nông nghiệp, công nghiệp, môi trường, khảo cổ, thiên văn, v.v Trong tự nhiên, số lượng hạt nhân bền có khoảng 300, hạt nhân không bền lý thuyết dự đoán vào 6000 đồng vị, gấp 20 lần số lượng đồng vị bền Vì vậy, nói hiểu biết người hạt nhân dừng lại số hạt nhân bền Để nghiên cứu hạt nhân không bền, cần phải tạo chúng thông qua phản ứng hạt nhân với chùm hạt có lượng đủ lớn cường độ đủ mạnh máy gia tốc Với lý đó, hàng loạt tổ hợp gia tốc đại xây dựng giới : RIKEN (Nhật Bản), Dubna (Nga), CERN (Châu Âu), MSU (Mỹ), Catania (Italia), Lanzhou (Trung quốc) Khá nhiều khám phá phát thời gian gần đây, ví dụ tượng Halo [1], cấu trúc nhóm [2] hạt nhân nhẹ nằm xa đường bền, hay biến xuất số Magic [3] làm đảo lộn quan niệm cấu trúc hạt nhân chế phản ứng hạt Trường Đại học Đồng Nai Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh 59 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 01 - 2016 ISSN 2354-1482 nhân thông thường Ngoài ra, với kỹ thuật máy gia tốc đại, thực đồng thời việc nghiên cứu tính chất hạt nhân khơng bền mơ q trình tổng hợp ngun tố vũ trụ giải thích tượng bất thường quan sát thiên văn Trong số hạt nhân không bền nhẹ, đặc biệt quan tâm đến hạt 11C 26Si liên quan đến vấn đề cấu trúc nhóm (alpha cluster) hạt nhân thiên văn học Về mặt cấu trúc hạt nhân, trạng thái 3/2- mức kích thích 8.11 MeV 11C dự đốn có cấu trúc nhóm alpha, tương tự 12C [4], theo kết hợp ++3He dựa kết nghiên cứu hạt nhân gương 11B thông qua phản ứng tán xạ 11B(d,d)11B Đồng vị 11B có cấu trúc nhóm ++3H trạng thái kích thích mức lượng 8.56 MeV [5, 6] Đối với hạt không bền, giàu proton 26Si, số liệu hạt nhân nhiều hạn chế, vùng lượng ngưỡng alpha (9.17 MeV) Mật độ mức cộng hưởng ngưỡng alpha 26Si dự đoán cao dựa số liệu hạt nhân gương nó, 26Mg, có khoảng 152 mức kích thích [7] Tuy nhiên, nghiên cứu gần Matic Thomas [8, 9] ghi nhận vài mức cộng hưởng với độ sai số tương đối lớn Dựa vào quy luật nhóm alpha [10] kết tính tốn tiết diện phản ứng theo mẫu phi thống kê Briet-Wigner [11], số mức cộng hưởng 26Si dự đốn có cấu trúc dạng nhóm alpha Do đó, việc nghiên cứu mức kích thích cộng hưởng vùng lượng ngưỡng alpha hạt khơng bền có ý nghĩa quan trọng việc đánh giá mơ hình lý thuyết cấu trúc nhóm Ngồi ý nghĩa cấu trúc hạt nhân, mức cộng hưởng 11C 26Si chìa khóa làm sáng tỏ vấn đề thiên văn mà nhà khoa học giới quan tâm Thật vậy, diễn biến phản ứng bắt proton trình tổng hợp nguyên tố nặng helium vũ trụ trở nên phức tạp nhiệt độ lớn 0.2 GigaKelvin (T > GK) Khi đó, chuỗi pp bị bẻ gãy thành chuỗi phản ứng khác để tổng hợp hạt C, N, O mà không cần thông qua phản ứng ++ 12C (triple-alpha), là: Be(α,γ)11C(β+ν)11B(p,2α)4He, (a) Be(α,γ)11C(p,γ)12N(p,γ)13O(β+ν)13N(p,γ)14O, (b) Be(α,γ)11C(p,γ)12N(β+ν)12C(p,γ)13N(p,γ)14O, (c) Be(α,γ)11C(α,p)14N(p,γ)15O (d) Trong đó, tốc độ phản ứng 7Be(α,γ)11C quan trọng cho diễn biến hình thành C, N, O Các hạt nhân hạt mầm cho tổng hợp nguyên tố nặng giai đoạn hình thành ngơi phản ứng Be(α,γ)11C cho phép giải thích chế hình thành ngơi nặng nghèo nguyên tố kim loại 60 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 01 - 2016 ISSN 2354-1482 Trong 11C liên quan đến tồn nặng có xu hướng trở thành lùn trắng CO 26Si lại liên quan đến việc xác định tốc độ phản ứng 22 Mg(,p)25Al giúp làm sáng tỏ chờ 22Mg trình tổng hợp nguyên tố Phản ứng liên quan đến hàng loạt vấn đề thiên văn: quan sát tia gamma 1.275 MeV từ vũ trụ, độ phổ biến 22Na bất thường tỉ số 20 Ne/22Ne thiên thể Trong chu trình NeNa-MgAl q trình cháy hydrogen, vị trí 22Mg đóng vai trị điểm chờ Tại vị trí này, có tiến trình khác xảy theo chế: 22 Mg(,p)(p,)26Si(,p)(p,)30S(,p)(p,)34Ar(,p)(p,)38K… Nếu tốc độ phản ứng 22Mg(,p)25Al phản ứng 22Mg(p,γ)23Al chậm so với trình quang rã sau bắt proton phân rã bêta+ (+) diễn biến tổng hợp hạt nhân chờ theo thời gian sống 22Mg để có phân rã + Một 22Mg điểm chờ khả phân rã + tạo hạt 22Na suy giảm Chính điều tác động đến độ phổ biến đồng vị 22Ne (tác động đến tỉ số 22Ne/20Ne) việc quan sát tia gamma 1.275 MeV vũ trụ Tia gamma phát từ 22Ne trạng thái kích thích 22Na phân rã + Bức xạ dự đoán tồn vũ trụ, với tia 1.809 MeV Các nhà khoa học thuộc quan vũ trụ NASA thực nhiều truy tìm vệ tinh Tuy nhiên, đến năm 1983 quan sát tia gamma 1.809 phát từ hạt trạng thái kích thích 26Mg nay, chưa dị tia 1.275 MeV Điều giải thích dựa số liệu thực nghiệm phản ứng hạt nhân phân rã + điểm chờ 22Mg Nhằm nghiên cứu cấu trúc nhóm (alpha cluster) hạt không bền nhẹ 11C, 26 Si hạt nhân gương chúng (11B, 26Mg) vấn đề thiên văn vừa nêu, tiến hành đo đạc trực tiếp phản ứng 7Be+ 22Mg+ phòng nghiên cứu hạt nhân CRIB [12] Đại học Tổng hợp Tokyo đặt Viện nghiên cứu liên hợp quốc tế RIKEN, Nhật Bản Chúng ghi nhận 11 06 mức cộng hưởng ngưỡng alpha 11C 26Si Sử dụng mức cộng hưởng này, đánh giá cấu trúc hạt nhân 11C 26Si xác định suất phản ứng 7Be(α,γ)11C 22Mg(,p)25Al liên quan đến vấn đề thiên văn trình đề cập phần Thực nghiệm Các thực nghiệm đo phản ứng 7Be(α,γ)11C 22Mg(,p)25Al thực với kỹ thuật bia dày theo chế động học ngược Các chùm hạt gia tốc từ máy gia tốc cyclotron AVF, tổ hợp máy gia tốc viện nghiên cứu RIKEN Cơ chế động học ngược (chùm hạt không bền nặng bắn vào bia nhẹ) áp dụng cho 61 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 01 - 2016 ISSN 2354-1482 nghiên cứu Đây kỹ thuật đại cho phép nghiên cứu phản ứng với hạt nhân không bền cách sử dụng máy gia tốc Do hạt nhân không bền không tồn lâu, vài phần ngàn giây vài giây, dẫn đến khó khăn lớn dùng hạt nhân không bền làm bia sau thời gian sống ngắn (vài giây) bia “biến mất” Trong vơ số hạt không bền phản ứng với hạt không bền ln xảy liên tục vũ trụ Vì vậy, để nghiên cứu phản ứng hạt nhân thiên văn, người ta cần tạo chùm hạt khơng bền, hạt nặng bắn vào bia khí nhẹ Để tạo chùm hạt không bền người ta phải sử dụng phản ứng sơ cấp, đó, chùm hạt đến bia hạt nhân bền tiến hành máy gia tốc Vì vậy, việc chọn phản ứng sơ cấp từ nhiều phản ứng khác để tạo chùm hạt phóng xạ q trình nghiên cứu, tính tốn phức tạp (tiết diện phản ứng, công nghệ, thiết kế lọc lựa kênh phản ứng,…) Trong phép đo này, sử dụng phản ứng sơ cấp He(20Ne,22Mg)n để tạo chùm hạt 22Mg 7Li(p,7Be)n để tạo chùm 7Be có cường độ lớn lượng cần thiết cho phản ứng Trong đó, chùm hạt tạo ghi đo hệ thống detector xác định vị trí lượng hạt, PPAC [13] MCP [14] Hình sơ đồ cấu tạo hệ phổ kế CRIB dùng để tạo chùm hạt khơng bền có cường độ cao, chẳng hạn 22Mg 7Be Hình Hệ phổ kế CRIB với máy gia tốc AVF dùng để tạo chùm hạt không bền Chùm hạt khơng bền 7Be tạo có lượng 14.7 MeV với cường độ x 105 hạt/giây gia tốc chùm hạt sơ cấp 7Li tới lượng 5.0 MeV/u phản ứng với bia khí hydrogen có bề dày 2.3 mg/cm2 Chùm hạt 22Mg có cường độ 1.2 x 103 hạt/giây với lượng 25.5 MeV tạo gia tốc chùm hạt sơ cấp 20Ne đến lượng 6.2 MeV/u phản ứng với bia khí 3He có bề dày 2.6 mg/cm2 Chi tiết tính tốn, thiết kế kết tạo chùm hạt 22Mg 7Be công bố [15,16] 62 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 01 - 2016 ISSN 2354-1482 Việc đo đạc tán xạ alpha với chùm hạt không bền 22Mg 7Be ghi đo hệ thống detector bố trí buồng F3 hệ phổ kế Bia khí 4He bơm vào buồng tán xạ có áp suất tương ứng với độ dày bia cho chùm hạt tới dừng hồn tồn cuối bia Bia khí 4He có áp suất 140 torr 815 torr phản ứng 22 Mg+ 7Be+α Đối với phản ứng 22Mg(,p)25Al, hạt proton alpha đo đạc hai hệ thống detector, GEM-MSTPC telescope gồm detector bán dẫn silicon ghép theo kỹ thuật E-E Detector GEM-MSTPC [17] loại detector đại, thiết kế nhằm đo đồng thời hạt nặng hạt nhẹ Trong đó, vùng có gain thấp cho phép xác định đường độ lượng hạt chùm tới 22Mg giúp nhận dạng hạt; vùng có gain cao đo đường độ lượng alpha proton Nhờ đó, xác định lượng góc tán xạ phản ứng Các hạt alpha khỏi GEM-MSTPC tiếp tục đo hệ thống detector E-E nhằm ghi nhận lượng nhận biết alpha proton Cấu trúc phép đo 22Mg+ với detector buồng F3 trình bày hình Hình Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo 22Mg+ Đối với phản ứng 7Be(α,γ)11C, tia gamma ghi nhận ma trận detector nhấp nháy NaI bố trí dọc theo trục đường bay chùm hạt tới 7Be Các hạt alpha ghi nhận telescope E-E Hệ ghi đo phản ứng bố trí buồng F3 hình 63 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 01 - 2016 ISSN 2354-1482 Hình Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo 7Be+ Việc thu thập liệu từ detector thực thông qua hệ điện tử với 212 kênh số liệu, sử dụng ADC V185 TDC V1190, với Flash ADC COPPER nhóm nghiên cứu chế tạo cho GEM-MSTPC Trigger phép đo thiết lập PPACa với PPACb PPACa với MCP Silicon detector Các số liệu ghi vào ổ cứng máy tính với file có dung lượng cỡ 1GB/file dạng mã thập lục phân để xử lý offline Xử lý số liệu kết 3.1 Phản ứng 22Mg+ Các file số liệu dạng mã thập lục phân giải mã chương trình máy tính nhóm tác giả báo cáo cộng tự lập trình để tính tốn Việc chuẩn lượng cho detector thực nguồn alpha chùm hạt sơ cấp 20Ne với điện tích khác Nguồn alpha gồm đồng vị 237Np, 241Am 244Cm tương ứng với mức lượng 4.788 MeV, 5.486 MeV 5.795 MeV Chùm hạt sơ cấp có lượng xác định (được kiểm tra với phương pháp B) với điện tích 10+, 9+, 8+, 7+ 6+ phát từ máy gia tốc Việc phân tích số liệu thực nghiệm thực theo phương pháp kiện-sự kiện (event-by-event) nên cần nhận dạng hạt để biết kiện phản ứng xảy mà quan tâm (22Mg+) Chùm hạt không bền 22Mg bay vào bia lẫn số hạt 20Ne 21Na Các hạt nhận biết đường cong độ lượng ghi nhận trực tiếp detector GEM-MSTPC (hình 4a) Các hạt proton alpha nhận dạng theo phương pháp E-E (hình 4b) Trong đó, độ lượng E đo GEM-MSTPC E đo Silicon detector 64 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 01 - 2016 ISSN 2354-1482 Hình 4a Đường cong độ lượng hạt chùm hạt tới 22Mg Hình 4b Nhận dạng hạt  proton đo detector GEM-MSTPC theo phương pháp E-E Dựa vào thông tin ghi nhận từ detector, xác định lượng phản ứng Ecm góc tán xạ  tương ứng với góc khối d hạt alpha Từ đó, thu hàm tiết diện vi phân (d/ d) phản ứng xác định đỉnh cộng hưởng Kết đỉnh cộng hưởng hàm tiết diện vi phân ứng với góc tán xạ lab = 5-10 độ hình Hình Các đỉnh cộng hưởng hàm tiết diện vi phân phản ứng 22 Mg(,)22Mg Sử dụng chương trình máy tính AZURE [18] để khớp hàm theo phương pháp Rmatrix [19] với thông số đầu vào (giá trị lượng độ rộng đỉnh) từ đỉnh cộng hưởng thu hàm tiết diện vi phân Chúng xác định 06 mức kích thích hạt nhân hợp phần 26Si ngưỡng alpha phản ứng 22 Mg+, trình bày bảng Bảng Các mức kích thích 22 26 Mg+ 65 Si ngưỡng alpha nghiên cứu