Nghiên cứu phản ứng phân mảnh

[Đồ án] Nghiên cứu phản ứng phân mảnh

LỜI CẢM ƠN

Đồ án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn TuấnKhải, Trung tâm Nghiên cứu Cơ bản và Tính toán, Viện Khoa học và Kỹthuật Hạt nhân, người thầy đầu tiên cho tôi cơ hội tiếp cận và bước đầu làmquen với nghiên cứu thực nghiệm hạt nhân Nhân đây cho phép tôi xin bày tỏlòng biết ơn sâu sắc đối với sự quan tâm, giúp đỡ của thầy trong suốt thời gianlàm việc tại trung tâm

Tôi xin chân thành cảm ơn các anh, chị và các bạn đang làm việc tạiTrung tâm Nghiên cứu Cơ bản và Tính toán, Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạtnhân đã tạo mọi điều kiện và giúp đỡ tôi hoàn thành bản đồ án này Đồngthời, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Viện Kỹ thuật Hạt nhân vàVật lý Môi trường, Đại học Bách khoa Hà Nội đã trang bị những kiến thức cơbản làm hành trang trên con đường nghiên cứu khoa học

Tôi xin cảm ơn các bạn lớp Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường,Vật liệu Điện tử, Kỹ thuật Ánh sáng – K51, Đại học Bách khoa Hà Nội đãluôn động viên, giúp đỡ và dành tình cảm cho tôi trong quá trình học tập tạitrường

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và người thân đã luônủng hộ, động viên và khuyến khích tôi vươn lên trong học tập Đặc biệt, tôixin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đối với Bố Mẹ đã sinh thành và cho tôi cơhội có ngày hôm nay

Hà Nội, ngày 30 tháng 05 năm 2011

Sinh viên

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN

Ngày nay, sự phát triển của các máy gia tốc hiện đại đã cho phép tạo racác chùm iôn nặng (từ prôtôn đến 238U) với năng lượng cao từ hàng chụcMeV/u đến hàng trăm MeV/u, và cường độ ~106 ÷108 hạt/s Điều đó đã chophép các nhà vật lý tiến hành các hướng nghiên cứu thực nghiệm mới, cáckiểu phản ứng hạt nhân khác nhau để tìm kiếm đồng vị mới và khám phánhiều cấu trúc hạt nhân tinh tế Trong số đó kênh phản ứng phân mảnh cóđóng góp quan trọng trong việc phát hiện các đồng vị phóng xạ giàu nơtrôn ở

xa vùng bền β Đề tài này là một trong những hướng nghiên cứu cơ bản củavật lý hạt nhân hiện nay Nội dung của đồ án bao gồm hai phần chính:

+ Phần 1: Giới thiệu phương pháp nhận diện hạt Viết chương trình tínhtoán và mô phỏng độ mất năng lượng của các hạt tích điện như prôtôn, đơtêri,triti, 3He, 4He, 6He đi qua vật liệu nhấp nháy dẻo Các chương trình này đượcviết bằng ngôn ngữ Fortran 77 Kết quả tính toán mô phỏng là cơ sở nhậndiện hạt từ số liệu thu được của thực nghiệm

+ Phần 2: Giới thiệu về thí nghiệm tạo phản ứng phân mảnh chùm 6Hekhi được gia tốc tới năng lượng 70MeV/nuclêôn và bắn vào bia hyđrô Cácsản phẩm sau phản ứng bao gồm các hạt tích điện như prôtôn, đơtêri, triti,helium-3, helium-4 được nhận diện (đồng nhất) thông qua phương pháp đotương quan độ mất năng lượng (phổ ΔE) Bằng cách sử dụng kỹ thuật phântích trùng phùng “offline” đối với hệ thống đêtêctơ trong thí nghiệm cho phépnhận diện hạt alpha được tạo ra bởi phản ứng phân mảnh

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT

ε2n : Năng lượng tách 2 nuclêôn

σi: Tiết diện tương tác hạt nhân

τs: Thời gian phát quang của chất nhấp nháy

fm: fermimét (đơn vị đo = 1.0 x 10−15 m)

MeV/u: Năng lượng tính cho 1 nuclêôn bên trong hạt nhân

MeV/u/c: Xung lượng tính cho 1 nuclêôn bên trong hạt nhân

MWPC: (the Multi-wire Proportional Chamber) Buồng tỉ lệ nhiều dây.n: Hạt nơtrôn

NB: (Neutron Back) đầu dò nơtrôn phía trước tính từ phía chùm hạt tới.NF: (Neutron Font) đầu dò nơtrôn phía trước tính từ phía chùm hạt tới.Offline : Sau khi kết thúc thí nghiệm

MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN…… ……….1

TÓM TẮT NỘI DUNG ……….2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT……….3

MỤC LỤC ……… 5

DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU………7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ……… 7

LỜI MỞ ĐẦU……… 9

TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN NHẬN DIỆN HẠT 12

1.1 Hạt nhân halo và những nghiên cứu gần đây 12

1.2 Độ mất năng lượng của hạt tích điện 16

1.2.1 Bản chất của tương tác hạt tích điện với vật chất 16

1.2.2 Năng suất hãm và công thức Bethe – Bloch 17

1.2.3 Quãng chạy của hạt mang điện nặng 21

HỆ THỰC NGHIỆM VÀ BÀI TOÁN PHÂN MẢNH 26

1.3 Mô tả thí nghiệm 26

2.1.1Tạo chùm 6He 26

3.1.2Bố trí các hệ đo 28

1.4 Thiết kế đầu dò đo độ mất năng lượng 29

2.2.1Cấu tạo và nguyên lý làm việc của đầu dò nhấp nháy 30

2.2.2Đầu dò sử dụng trong thí nghiệm 32

1.5 Một số tính toán cho bài toán phân mảnh 35

TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG 38

VÀ KẾT QUẢ PHÂN TÍCH 38

1.8 Kết quả mô phỏng độ mất năng lượng của một số hạt tích điện 44

1.9 Xử lý số liệu thực nghiệm dựa trên kết quả mô phỏng mô 46

KẾT LUẬN 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 50

PHỤ LỤC ……….52

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ TRÌNH BÀY

Hình 1.1: Mô hình của hạt nhân halô 6He 14

Hình 1.2: Độ mất năng lượng của hạt mang điện trong không khí 20

Hình 1.3: Tổn hao năng lượng riêng dọc theo đường đi của hạt alpha 21

Hình 1.4: Mô hình thí nghiệm đo cường độ chùm hạt alpha truyền qua (a) và đường cong hấp thụ (b) biểu diễn sự thay đổi cường độ theo độ dày hấp thụ t .23

Hình 1.5: Đồ thị quãng chạy của một số hạt mang điện năng trong nhôm 24

Hình 2.6: Sơ đồ bố trí của các loại đầu dò trong thí nghiệm 26

Hình 2.7: Sơ đồ bố trí thí nghiệm 27

Hình 2.8: Mô tả bố trí của các hệ đo 29

Hình 2.9: Sơ đồ cấu tạo, nguyên lý hoạt động của đầu dò nhấp nháy 31

Hình 2.10: Cấu hình đầu dò sử dụng trong thí nghiệm 32

Hình 2.11: Cấu trúc hệ đo nơtrôn 33

Hình 2.12: Hệ đo đơtêri với cấu trúc 12 dây bán khuyên đồng tâm 35

Hình 2.13: Mô hình mô tả 1 phản ứng phân mảnh hạt nhân 6He 36

Hình 3.14: Tổn hao năng lượng riêng dọc theo đường đi của hạt hyđrô và alpha 38

Hình 3.15: Tương quan độ mất năng lượng của các hạt p, d, t, 3He, 4He tại năng lượng 70MeV/u trong tấm thứ nhất và thứ hai (hình bên trái), trong tấm thứ hai và thứ ba (hình bên phải) 40

Hình 3.16: Phân bố năng lượng chùm hạt alpha tới đầu dò 41

Hình 3.17: Tương quan độ mất năng lượng của các hạt p, d, t, 3He, 4He với đầu dò có độ phân giải 2% của năng lượng chùm hạt tới (74 MeV/u) 42

Hình 3.18: Tương quan độ mất năng lượng của các hạt p, d, t, 3He, 4He với đầu dò có độ phân giải 5% của năng lượng chùm hạt tới (74 MeV/u) 43

Hình 3.19: Kết quả mô phỏng sự tương quan độ mất năng lượng của các hạt p, d, t, 3He, 4He, 6He trong đầu dò- α 44

Hình 3.20: So sánh sự tương quan độ mất năng lượng của từng hạt p, d, t, 3He, 4He trong đầu dò-α 45

Hình 3.21: Kết quả nhận diện hạt dựa trên phân tích thực nghiệm tương quan

độ mất năng lượng của hạt trong các đầu do-α 46Hình 3.22: Kết quả phân tích sản phẩm phản ứng phân mảnh 48Hình 3.23: Phổ nhận diện hạt của hạt 4He trong đầu dò α 49

LỜI MỞ ĐẦU

Sự phát hiện lớp hạt nhân lạ nằm xa vùng bền-β có cấu trúc halô và cấutrúc da ở một vài hạt nhân nhẹ giàu nơtrôn là một trong những sự kiện quantrọng nhất của vật lý hạt nhân trong hơn hai thập kỷ qua Nghiên cứu cấu trúc

và đặc trưng của các hạt nhân này như hàm phân bố mật độ, năng lượng liênkết, kích thước vùng halô, tương quan giữa các nuclêôn trong vùng halô, giữachúng với lõi, thế tương tác,… đã mở ra một hướng nghiên cứu mới – đó làvật lý các hạt nhân không bền Hiện nay hướng nghiên cứu này đang là mộttrong hướng nghiên cứu quan trọng và đang được quan tâm của vật lý hạtnhân hiện đại

Việt Nam cũng đã có nhiều nhà khoa học đang nghiên cứu về vật lý cáchạt nhân không bền Hiện nay có một nhóm các nhà nghiên cứu hợp tác giữaViệt Nam – Nhật Bản thực hiện thí nghiệm nghiên cứu với hạt 6He, 6Li và một

số hạt khác, tại Viện Nghiên Cứu Vật Lý và Hóa Học (RIKEN), Nhật Bản.Nhóm nghiên cứu trên đã thu được một số kết quả quan trọng về cấu trúc vàtương quan n-n trong hạt nhân giàu nơtrôn 6He và công bố trên một số tạp chíchuyên ngành trong nước và quốc tế Ngoài giá trị khoa học của các côngtrình nghiên cứu cơ bản, kết quả thu được còn đóng góp vào dữ liệu hạt nhântoàn cầu do Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) quản lý màthường xuyên được các nhà vật lý tra cứu, sử dụng cho cho các mục đíchnghiên cứu cơ bản và ứng dụng

Các thực nghiệm của nhóm nghiên cứu tại RIKEN về hạt nhân halô

6He, khi bắn chùm hạt nhân 6He được gia tốc tới năng lượng 70MeV/u vào biahyđrô Số liệu thu được ngoài các kênh phản ứng trao đổi thì xuất hiện rấtnhiều sự kiện của kênh phản ứng phân mảnh Xuất phát từ các nghiên cứutrên, tôi đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu phản ứng phân mảnh 6He → 4He + n+ n tại năng lượng 70MeV/nuclêôn” Đồ án có cấu trúc ba phần: mở đầu, nộidung và kết luận Trong đó phần nội dung gồm ba chương:

- Chương 1: Tổng quan về bài toán nhận diện hạt

Giới thiệu về một số kết quả nghiên cứu về hạt nhân halô Nghiên cứumột số yếu tố ảnh hưởng đến độ mất năng lượng của hạt tích điện, và một vàitính toán về bài toán phân mảnh Đây là cơ sở lý thuyết sử dụng trong tínhtoán mô phỏng

- Chương 2: Tính toán mô phỏng nhận diện hạt

Trình bày phương pháp nhận diện hạt bằng đo độ mất năng lượng Xâydựng chương trình tính toán mô phỏng độ mất năng lượng theo công thứcBethe-Bloch cho các hạt mang điện như prôtôn, đơtêri, triti, 3He, 4He, 6He vớiđầu dò nhấp nháy dẻo Kết quả mô phỏng là cơ sở để nhận diện hạt tích điệntrong phân tích số liệu thực nghiệm ở chương 3

- Chương 3: Hệ thực nghiệm và kết quả phân tích

Trình bày thí nghiệm tạo ra phản ứng phân mảnh chùm 6He tại nănglượng khoảng 70MeV/nuclêôn trên bia hyđrô Các sản phẩm sau phản ứngbao gồm các hạt tích điện như prôtôn, đơtêri, triti, helium-3, alpha được nhậndiện (đồng nhất) thông qua phương pháp đo tương quan độ mất năng lượng(phổ ΔE) bằng cách áp dụng kết quả tính toán mô phỏng trong chương 2

Ngoài ra, chúng tôi đã sử dụng kỹ thuật phân tích trùng phùng

TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN NHẬN DIỆN HẠT

1.1 Hạt nhân halo và những nghiên cứu gần đây

Các nhà lý thuyết hạt nhân tiên đoán có thể tồn tại đến 6000 hạt nhâncác loại, nhưng hiện nay các nhà khoa học chỉ mới phát hiện được khoảng 1/3trong số các hạt nhân này Với các hạt nhân đã biết rõ về cấu trúc, đặc trưngphân bố như: mật độ nuclêôn, mật độ điện tích thì đa số chúng đều là cácđồng vị ở gần đường bền-bêta (β) Đối với các hạt nhân gần đường bền-bêta

có tỉ số giữa (số nơtơrôn)/(số prôtôn) thay đổi khoảng từ 1,0 (đối với hạt nhânnhẹ và trung bình) đến 1,5 (đối với hạt nhân nặng), bán kính phân bố nơtrôn

và phân bố prôtôn gần bằng nhau Ví dụ, đối với hạt nhân 48Ca (N – Z = 8),bán kính phân bố nơtrôn lớn hơn bán kính phân bố prôtôn khoảng gần 0,2 fm;còn hạt nhân 208Pb (N – Z = 44) sự khác nhau này là khoảng 0,15 fm

Năm 1985 giáo sư I.Tanihata và các đồng sự đã thực hiện thí nghiệm

đo tiết diện tương tác của các đồng vị 6,7,8,9,11Li trên tổ hợp gia tốc Bevalac tạiphòng thí nghiệm Berkeley, trường đại học tổng hợp California, Hoa Kỳ.Ngoài 6,7Li là hai hạt nhân bền thì 8,9,11Li có thời gian sống lần lượt là 840,3;178,3 và 8,75 mili giây Trong thí nghiệm này các đồng vị 6,7,8,9Li được tạo ra

từ phản ứng phân mảnh chùm hạt nhân sơ cấp 11B, còn đồng vị 11Li được tạo

từ sự phân mảnh chùm 20Ne tại năng lượng 800 MeV/nuclêôn trên các bia Be,

C và Al Một phát hiện rất quan trọng thu được từ thực nghiệm này là giá trịcủa tiết diện tương tác (σi) đối với đồng vị 11Li lớn gấp khoảng 1,5 lần so vớicác đồng vị Li khác Thí nghiệm đo khối lượng hạt nhân đặc biệt 11Li sau đó

đã cho giá trị năng lượng liên kết 2 nơtrôn cuối cùng ε2n ~ 0,25 MeV, nghĩa làrất nhỏ so với năng lượng liên kết trung bình của nuclêôn trong hạt nhân.Người ta gọi hạt nhân giàu nơtrôn 11Li với cấu trúc đuôi dài của phân bố mật

độ là halô nơtrôn (neutron halo) Các nơtrôn trong vùng mật độ thấp có liênkết yếu với phần còn lại của hạt nhân gọi là nơtrôn halô hoặc nơtrôn hóa trị(valent neutron) Các kết quả nghiên cứu trên hạt nhân 11Li được đánh giá nhưmột phát hiện lớn của vật lý hạt nhân trong hơn một thập kỉ qua

Năm 1992 tại Viện Nghiên Cứu Vật Lý và Hóa Học, RIKEN, Nhật Bảnnhóm nghiên cứu của giáo sư I Tanihata thực hiện thí nghiệm đo tiết diệntương tác và tiết diện phân mảnh của đồng vị 4,6,8He tại năng lượng800MeV/u, (4He là hạt nhân bền còn 6,8He là hai hạt nhân có thời gian sống cỡ806,7 và 119,0 mili giây) Từ sự phân tích tổng hợp tiết diện tương tác (σi) thìthu được kết quả là tiết diện loại bỏ 2 nơtrôn (σ2n) của hạt nhân 6He và tiếtdiện loại bỏ 4 nơtrôn (σ4n) của hạt nhân 8He, họ phát hiện thấy sự tồn tại củamột vành đai nơtrôn ngoài cùng liên kết yếu với phần còn lại của hạt nhân.Thí nghiệm đã xác định năng lương tách 2 nơtrôn ε2n ~ 0,97 MeV đối với 6He,

ε2n = 2,13 MeV đối với 8He, tương ứng với kích thước vành đai nơtrôn là 0.9

fm và 0.95 fm Người ta gọi hạt nhân có cấu trúc vành đại như vậy là hạt nhân

da nơtrôn (neutron skin) Dựa trên kết quả thực nghiệm này, Y Ogawa, K.Yabana và Y Suzuki đưa ra quan điểm: có thể mô tả hạt nhân 6He như một hệ

ba vật thể liên kết bao gồm hạt nhân 4He (hạt-α) và hai nơtrôn ở lớp da (lớpvành đai ngoài) hay còn gọi là cấu trúc α-2n (hình 1.1)

Hình 1.1: Mô hình của hạt nhân halô 6 He

Các nghiên cứu thực nghiệm gần đây trên các hạt nhân nhẹ giàu nơtrôn

11Li, 11Be, 6He, 8He, 14Be và 17B đã đặt ra 3 tiêu chuẩn đối với một hạt nhânhalô nơtrôn đó là: (1) phân bố mật độ rộng, hoặc kích thước hạt nhân lớn rõrệt so với các đồng vị bền; (2) phân bố xung lượng hẹp của phần lõi sau khiloại bỏ nơtrôn halô bởi phản ứng phân mảnh; (3) giá trị lớn của tiết diện phảnứng phân mảnh hoặc phân ly điện từ (Coulomb dissociation) Riêng đối vớihạt nhân 11Be chỉ có 1 nơtrôn ngoài cùng Vì lý do này, nơtrôn halô còn có tên

là nơtrôn hóa trị Gần đây các nghiên cứu lý thuyết đã mô tả hạt nhân halôtheo cấu hình ba vật thể liên kết (còn gọi là cấu trúc bó – cluster structure)bao gồm hai nơtrôn hóa trị (2n) và phần còn lại – gọi là lõi, ví dụ như hạtnhân 11Li được cấu tạo từ lõi 9Li + 2n (ε2n = 0,25 MeV)

Bảng 1.1: Một số các đồng vị có cấu trúc hạt nhân halô

Tuy nhiên cho đến nay thì những kết quả thực nghiệm đã biết vẫn chưa

đủ để đưa ra định nghĩa rõ ràng về hạt nhân da nơtrôn và hạt nhân halônơtrôn Để phân biệt chúng người ta tạm thời căn cứ vào sự khác nhau của hệ

số dốc tại phần đuôi đường cong phân bố mật độ do sự liên hệ trực tiếp của nóvới năng lượng tách nơtrôn Theo căn cứ này, halô nơtrôn chỉ xuất hiện ở cáchạt nhân giàu nơtrôn có năng lượng tách các nơtrôn cuối cùng rất nhỏ chẳnghạn 11He (ε2n = 0,25 MeV) và 11Be (εn = 0,5 MeV) Đối với hai đồng vị 6He,

8He thì năng lượng tách hai nơtrôn (ε2n) tương ứng là 0,97 MeV và 2,13 MeV.Nên 8He gọi là hạt nhân da nơtrôn, còn 6He được gọi tùy ý là halô nơtrôn hoặc

da nơtrôn

1.2 Độ mất năng lượng của hạt tích điện

1.2.1 Bản chất của tương tác hạt tích điện với vật chất

Khi các hạt tích điện đi vào vật chất thì năng lượng mất chủ yếu do ionhóa và kích thích nguyên tử (ngoại trừ hạt ở vận tốc thấp, hạt tích điện mấtmột phần không đáng kể năng lượng trong tán xạ với hạt nhân) Sự di chuyểncủa hạt tích điện có ảnh hưởng đến lực Culông của các electrôn nguyên tử vàtruyền một phần năng lượng cho chúng Năng lượng mà hạt tích điện truyềncho electrôn có thể: (a) làm cho nó bứt ra khỏi nguyên tử (hiện tượng iôn hóanguyên tử) hoặc (b) làm cho electrôn nhảy lên lớp vỏ nguyên tử bên ngoàinằm ở mức năng lượng cao hơn (hiện tượng kích thích nguyên tử) Nếu hạttới có khối lượng M, động năng E thì năng lượng cực đại mà e- với khốilượng m0 có thể nhận được sau mỗi lần va cham là 4Em 0 /M, tức là vào khoảng

1/500 động năng của hạt tới tính trên 1 nuclêôn Vì vậy hạt mang điện sẽ mấtdần năng lượng sau nhiều lần tương tác cho đến khi dừng lại Trong các lầntán xạ với các electrôn như thế các hạt tích điện bị lệch đi góc rất nhỏ so vớiquỹ đạo ban đầu Vì vậy, một hạt tích điện đi trong vật chất với quỹ đạo gầnnhư là một đường thẳng

Nhìn từ khía cạch khác ta thấy có hai đặc trưng chủ yếu mô tả quá trìnhtương tác của hạt mang điện nặng trong vật chất: (1) độ mất năng lượng củahạt tích điện; (2) độ lệch của đường đi so với phương tới ban đầu của hạt Haiđặc trưng này là kết quả của hai hiệu ứng:

- Tán xạ không đàn hồi với các electron của vật liệu

1.2.2 Năng suất hãm và công thức Bethe – Bloch

Năng suất hãm của môi trường vật liệu tương tác, thường kí hiệu là S, đối với hạt tích điện, nó có giá trị bằng tỉ số giữa vi phân năng lượng dE bị

mất trên đoạn đường dx trong vật liệu tương tác và độ dài đoạn đường đó:

S còn được gọi là tổn hao năng lượng riêng hay tốc độ mất năng lượng

của hạt Đối với hạt mang điện tích z.e, sự phụ thuộc của S vào môi trường và

các đặc trưng của hạt tới được xác định bởi biểu thức Bethe - Bloch đã đượchiệu chỉnh như sau:

Với các đại lượng trong công thức được định nghĩa như sau:

= 0,1535 MeVcm2/g

: Bán kính cơ bản của electron = 2,817×10-13 cm

: Khối lượng nghỉ của electrôn

: Số Avôgađrô = 6,022×1023 mol-1

I : Thế năng kích thích và iôn hóa trung bình của vật liệu

Z : Nguyên tử số của vật liệu hấp thụ

A : Số khối của vật liệu hấp thụ

W max : Năng lượng cực đại được truyền trong 1 lần tán xạ

Hoặc một dạng khác của công thức Bethe – Bloch rút gọn thường được

sử dụng là:

Trong đó

v: tốc độ của hạt mang điện nặng

N, Z: số nguyên tử trong một cm3 và nguyên tử số của vật liệu hấp thụ

m 0: khối lượng nghỉ của electrôn

I : thế kích thích và iôn hóa trung bình của vật liệu hấp thụ

Cần phải chú ý biểu thức (1.2) và (1.2’) chỉ đúng khi tốc độ của hạt tớicòn lớn hơn so với tốc độ electrôn quỹ đạo trong nguyên tử

Trong biểu thức (1.3) thì B thay đổi chủ yếu theo năng lượng hạt tới

thông qua hàm lôga nên (-dE/dx) gần đúng tỷ lệ với 1/v 2 (nói cách khác là tỷ

lệ nghịch với năng lượng) Điều này giải thích vì sao vết của hạt mang điệnnặng để lại cho nhũ tương hạt nhân bị mở rộng về phía cuối của đường đi củahạt

Đối với hạt phi tương đối (v<<c, c là vận tốc ánh sáng) thay v 2 =2E/M

vào biểu thức (1.2’) và (1.3) ta thấy năng suất hãm tính cho một đơn vị điện

tích hạt tới gần đúng tỷ lệ tuyến tính với khối lượng hạt M nếu như các hạt đó

có cùng năng lượng (bỏ qua ảnh hưởng của M vào hệ số B) Tính chất này

được thể hiện rất rõ trong các đầu dò “vết”: vết gây bởi các hạt mang điệnnặng thường dày và ngắn hơn vết của các hạt mang điện nhẹ

Một điểm cần chú ý nhất trong biểu thức (1.2’) là (-dE/dx) tỷ lệ với z 2

Điều này nói lên hạt có điện tích càng lớn thì mất năng lượng càng nhanh.Như vậy độ tổn hao năng lượng của hạt α sẽ gấp khoảng 4 lần của hạt prôtônkhi hai hạt có cùng vận tốc

Xét đến các vật liệu chắn khác nhau thì (-dE/dx) phụ thuộc chủ yếu vào tích (N×Z) tức là vào mật độ electrôn Vì N×Z = ρ×N A ×Z/A (với ρ là mật độ,

đơn vị g/cm3; A là số nguyên tử số của môi trường; N A là số Avôgađrô) Tỷ số

Z/A thay đổi không nhiều từ chất này sang chất kia nên (-dE/d(xρ)) gần như nhau đối với các chất có Z khác nhau không quá xa (để bỏ qua ảnh hưởng yếu

của I )

Đại lượng (x×ρ) có thứ nguyên là g/cm2 được gọi là chiều dày khối, rấthay dùng trong thực nghiệm hạt nhân Vì vậy tổn hao năng lượng tính chomột đơn vị chiều dày khối và có thể coi gần như giống nhau với mọi chất

Sự thay đổi năng suất hãm S theo năng lượng đối với các hạt mang điện

khác nhau được chỉ ra trên hình 1.2 Ở năng lượng vài trăm MeV (v → c, hạt tương đối tính), (dE/dx) tiến tới giá trị cực tiểu không đổi, gần bằng 2

MeV/g/cm2 ở môi trường nhẹ

Hình 1.2: Độ mất năng lượng của hạt mang điện trong không khí

Công thức Bethe - Bloch không đúng ở vùng năng lượng nhỏ khi vậntốc hạt tới xấp xỉ bằng vận tốc của electrôn quỹ đạo Khi đó, sự trao đổi điệntích giữa hạt mang điện tới và môi trường bắt đầu đóng vai trò quan trọng: hạtmang điện tích dương có xu hướng bắt các electrôn từ vật liệu hấp thụ để

trung hòa dần và vì vậy điện tích của hạt giảm sẽ kéo theo sự giảm của S.

Hình 1.3: Tổn hao năng lượng riêng dọc theo đường đi của hạt alpha

Do vận tốc của hạt thay đổi, sự thay đổi ở đây là hạt bị chậm dần trongmôi trường, nên theo công thức (1.2’) độ tổn hao năng lượng riêng của hạtthay đổi theo đường đi Đồ thị biểu diễn sự thay đổi đó gọi là đường congBragg Dạng tổng quá của đường Bragg đối với hạt α có năng lượng vài MeV

mô tả trên hình 1.3 Đoạn đầu quãng đường (dE/dx) thay đổi gần đúng tỷ lệ nghịch với 1/E Ở cuối đường đi, tổn hao năng lượng riêng giảm rất nhanh do

điện tích hạt giảm thông qua quá trình bắt electrôn của nguyên tử môi trườngvật liệu hấp thụ

1.2.3 Quãng chạy của hạt mang điện nặng

Xét thí nghiệm ở hình 1.4a Nguồn α được chuẩn trục và đơn năng, đầu

dò Đ để đếm các hạt sau khi đi qua lớp hấp thụ dày t có thể thay đổi được Đồ

thị hình 1.4b biểu diễn sự thay đổi cường độ chùm hạt tương đối I/I 0 (I là

cường độ chùm hạt sau lớp dày t, I0 là cường độ chùm hạt khi t=0) theo độ dày lớp hấp thụ Z Khi t nhỏ thì tổng số hạt đến đầu dò gần như không đổi, chỉ

khi t tiến tới bằng độ dài vết ngắn nhất của hạt α trong chất hấp thụ thì cường

độ chùm bắt đầu giảm, đại lượng này sẽ giảm nhanh về 0 khi tiếp tục tăng bềdày t

Quãng chạy của hạt mang điện được xác định bằng khoảng cách màhầu như không một hạt mang điện nào có thể xuyên qua ra ngoài khoảng cáchđó

Từ đường cong hấp thụ hình 1.4b, quãng chạy của hạt được xác địnhnhư sau:

+ Quãng chạy trung bình kí hiệu là chiều dày lớp hấp thụ mà sau khiqua lớp đó cường độ chùm hạt giảm đi một nửa so với khi không có lớp hấpthụ

+ Quãng chạy ngoại suy kí hiệu RNS là kết quả thu được bằng cách kéo

dài đoạn tuyến tính ở cuối đường cong hấp thụ về phía I=0.

Hình 1.4: Mô hình thí nghiệm đo cường độ chùm hạt alpha truyền qua (a)

và đường cong hấp thụ (b) biểu diễn sự thay đổi cường độ theo độ dày hấp

thụ t

Quãng chạy là một đặc trưng quan trọng của hạt mang điện, biết quãngchạy có thể suy ra được năng lượng của hạt thông qua quan hệ giữa quãngchạy và năng lượng được biểu diễn bằng công thức:

Thay (dE/dx) từ biểu thức (1.2) vào (1.4), thu được:

M là khối lượng phân tử

Với z là điện tích của hạt

f(v) là hàm phụ thuộc vào v, đặc trưng cho mỗi chất hấp thụ, nó giống

nhau cho tất cả các hạt mang điện

Vì công thức (1.2’) không đúng ở vùng năng lượng nhỏ nơi mà sự traođổi điện tích bắt đầu xảy ra, nên tích phân (1.4) được chia thành 2 phần Phần

bắt đầu từ năng lượng ban đầu của hạt, đến năng lượng E th (khi mà công thức1.2’ còn đúng) và phần còn lại của quãng đường (sự bắt electrôn xảy ra bắt

đầu từ E th trở xuống) Phần thứ hai không phụ thuộc vào E 0 và được xác định

bởi hằng số C (C thay đổi ít theo loại hạt và môi trường) Do đó, biểu thức

hiệu chỉnh đầy đủ hơn với quãng chạy sẽ là:

Hình 1.5: Đồ thị quãng chạy của một số hạt mang điện năng trong nhôm

Trên hình 1.5 biểu diễn quãng chạy của các hạt như prôtôn, đơtêri,piôn, kaôn được tính theo công thức Bethe-Bloch (công thức 1.2)

Trong môi trường rắn, quãng chạy của hạt mang điện nặng như α, d,p

có năng lượng dưới 10MeV khoảng vài chục đến vài trăm μm

Nếu môi trường là hợp chất hay hỗn hợp, có thể đánh giá năng suấthãm cho bởi quy luật Bragg-Kleman như sau:

N là mật độ nguyên tử (cm-3)

dE/dx là năng suất hãm tuyến tính

w i là tỷ lệ khối lượng thành phần thứ i trong hợp chất hay hỗn hợp, cácđại lượng gắn với chữ “c” là chỉ hợp chất, chữ “i” là chỉ thành phần

So với thực nghiệm, kết quả đánh giá năng suất hãm theo công thức(1.7) khác nhau khoảng 10% - 20%

Quãng chạy của hạt trong hợp chất được tính gần đúng theo quãng chạycủa nó trong các nguyên tố thành phần như sau:

M c : khối lượng của phân tử hợp chất

n i : số nguyên tử của nguyên tố i trong phân tử

R i : quãng chạy của hạt trong chất gồm toàn nguyên tố i

Để xác định số liệu về quãng chạy của các hạt trong các chất thànhphần thì ta có thể tính sơ bộ các Ri dựa vào công thức bán thực nghiệm Bragg

- Kleman sau đây:

Chỉ số 0 và 1 gắn với ρ, A để chỉ các vật liệu hấp thụ khác nhau Để công thức (1.9) trở nên chính xác hơn ta nên chọn hai chất hấp thụ có A càng

gần nhau càng tốt

HỆ THỰC NGHIỆM VÀ BÀI TOÁN PHÂN MẢNH

1.3 Mô tả thí nghiệm

2.1.1 Tạo chùm 6 He

Hình 2.6: Sơ đồ bố trí của các loại đầu dò trong thí nghiệm

Dựa trên sơ đồ bố trí hình 2.1 nhóm nghiên cứu tại RIKEN đã tiến hànhthí nghiệm Thí nghiệm sử dụng tổ hợp gia tốc RARF ( RIKEN AcceleratorResearch Facility) Sơ đồ thí nghiệm bao gồm cả chùm sơ cấp, phổ kế từRIPS (RIKEN Projectile-facgment Separator), chùm thứ cấp, bia phản ứng vàcác bố trí hệ đo được mô tả như trên hình 3.2

Chùm ion sơ cấp 12C được gia tốc đến năng lượng 92 MeV/u bởixyclôtrôn K540 (Ring Cyclotron) để gây phản ứng phân mảnh trong bia 9Be.Quá trình tách mảnh để tạo ra các chùm thứ cấp 6He và 6Li được thực hiện bởiphổ kế từ RIPS Trong thí nghiệm, từ trường Bρ1 từ bia Be đến buồng F1 sẽlựa chọn hạt theo tỉ số A/Z xác định với thăng giáng xung lượng ΔPb/Pb =

±3% Một tấm nhôm hình chêm dùng để giảm năng lượng chùm thứ cấp tớigiá trị cần sử dụng Từ buồng F1 đến buồng F2 sự hội tụ chùm thứ cấp tiếptục được thực hiện bởi từ trường Bρ2

Chất lượng hội tụ chùm từ F2 đến bia phản ứng được đánh giá bởi haiđầu dò nhạy vị trí PPACa,b (Parallel Plate Avalanche Counters) đặt cách nhau

12 cm trong buồng F3 Tại lối ra của phổ kế từ chùm thứ cấp sẽ bay tới bia H2

rắn và gây ra phản ứng trao đổi nuclêôn với prôtôn (bia)

Trong sơ đồ thí nghiệm hình 2.2 sự chuẩn về độ rộng (beam size) vàgóc (angle straggling) được thực hiện bởi hai đầu dò nhấp nháy Coll 1, Coll 2đặt cách nhau 30cm (collimators) Trên mỗi đầu dò này có một lỗ trongđường kính 10 mm để hạt bay qua Sơ đồ điện tử được thiết kế để ghi nhậncác phản ứng xảy ra trong bia H2 với điều kiện hạt tới phải đi qua hoàn toàn

hệ chuẩn trực Tại lối ra của hệ chuẩn trực các chùm thứ cấp 6Li và 6He cónăng lượng tương ứng 70,2 và 71,5 MeV/u, cường độ cực đại 5x105 hạt/s với

độ rộng 10 mm trên bia và thăng giáng góc ±1,6o

Bia dùng trong thí nghiệm là bia hyđrô rắn (solid-H2 target) đường kính

30 mm dày 3mm Bia được đặt trong buồng chân không cửa sổ bia được làm

từ vật liệu kapton (C22H10N2O4), dày 10 μm, khối lượng riêng 1,425 g/cm3

±4o

+ Hệ đo đơtêri và nơtrôn được bố trí tại hai phía của mặt phẳng phảnứng, cùng chắng dải góc từ 5o đến 30o và cách bia lần lượt là 350 mm và 820

mm

+ Vêtô đối với nơtrôn là một đầu dò nhấp nháy kích thước 30 x 20 mm2

đặt theo hình học đồng dạng với hệ đo nơtrôn để nhận diện phông từ các hạttích điện Tức là vêtô sẽ có độ dày vài mm khi hạt tích điện đi qua thì sẽ chotín hiệu rõ ràng, còn hạt nơtrôn đi qua thì hầu như không gậy tín hiệu Khi đó

ta sẽ loại được các hạt mang điện và hầu hết phổ của prôtôn trực tiếp và thuđược phổ prôtôn gián tiếp từ nơtrôn tạo ra Khi đó khả năng loại bỏ phôngtrong phép đo nơtrôn đạt hiệu quả cao

Hình 2.8: Mô tả bố trí của các hệ đo

1.4 Thiết kế đầu dò đo độ mất năng lượng

Đầu dò đóng một vai trò quyết định đến kết quả hệ đo, chính vì vậyviệc thiết kế đầu dò là nhiệm vụ hàng đầu được đặt đối với mỗi thí nghiệm.Loại đầu do sử dụng trong thí nghiệm là loại đầu dò nhấp nháy dẻo (plasticscintillators), với những ưu điểm như: chất nhấp nháy dẻo nhạy với nănglượng; thời gian đáp ứng nhanh; có thể phân biệt sự khác nhau của các loạihạt bằng cách phân tích dạng phổ thu nhận; dễ chế tạo ở kích lớn, hình dạngphù hợp với bố trí thí nghiệm; giá thành rẻ Ngoài ra, thí nghiệm sử dụng

2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của đầu dò nhấp nháy

Dưới tác dụng của bức xạ iôn hóa hoặc bức xạ lượng tử, một số chấtphát ra các đốm sáng nhìn thấy được Hiện tượng trên gọi là hiện tượng phátquang (hay hiện tượng nháp nháy) Chất phát quang khi có bức xạ tới kíchthích được gọi là chất nhấp nháy

Hoạt động của đầu dò nhấp nháy dựa trên việc ghi các đốm sáng phát

ra từ chất nhấp nháy khi có chùm bức xạ rọi tới

Một đầu dò nhấp nháy gồm hai bộ phận chính cấu thành:

+ Chất nhấp nháy: làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng hạt bức xạ tớithành năng lượng ánh sáng

+ Thiết bị phát hiện đốm sáng (sensor): với chức năng là biến đổi ánhsáng thành tín hiện điện Để thực hiện chức năng này người ta dùng ống nhânnhân quang (viết tắt là PM: Photo-Multiplier) hoặc điốt quang điện (viết tắt làPD: Photo-Diot)

Hình 2.9: Sơ đồ cấu tạo, nguyên lý hoạt động của đầu dò nhấp nháy

Giả sử chùm bức xạ tới chất nhấp nháy là chùm tia gamma hình 2.4.Các phôtôn sinh ra do kết quả tương tác của tia gamma với chất nhấp nháy.Các phôtôn ánh sáng được góp vào Catốt sẽ gây ra hiệu ứng quang điện trênmặt phôtô Catốt Các electrôn quang điện thoát ra khỏi Catốt sẽ đến đập vàođinốt và bứt thêm các electrôn mới Số electrôn bứt ra lớn hơn số electrôn đếnđập vào nên dòng electrôn đi từ đinốt này đến đinốt khác sẽ được nhân lênnhiều lần Khi đến anốt, dòng electrôn sẽ tạo ra trên điện trở tải Rt một tínhiệu xung điện Chính vì thế ống PM mới được gọi là ống nhân quang Ống

PM cũng có thể làm việc ở chế độ dòng hoặc ở chế độ xung (mạch ra trên nhưhình 2.4)

Các chất nhấp nháy đang được sử dụng hiện nay được chia thành hailoại: chất nhấp nháy vô cơ và chất nhấp nháy hữu cơ

Các chất nhấp nháy vô cơ có hiệu suất phát quang và độ tuyến tính tốthơn, mật độ chất lớn, nguyên tử số Z của các nguyên tố cấu thành lớn nênchúng thích hợp cho phép đo năng lượng bức xạ gamma Nhưng nhược điểmcủa chúng là thời gian để phát quang khá dài nên khả năng đếm nhanh bị hạnchế Trong khi đó chất nhấp nháy hữu cơ lại có thời gian phát quang nhanh,

có thể chế tạo ở dạng tinh thể rắn, dạng dung dịch lỏng hay dạng dẻo (plastic).Các ưu điểm này đã mở rộng phạm vi sử dụng chúng trong các phép đo đặcbiệt Tuy nhiên hiệu suất phát quang của chất nhấp nháy hữu cơ nhỏ hơnnhiều so với chất nhấp nháy vô cơ

Một chất nhấp nháy lý tưởng phải có các tính chất sau:

+ Khả năng biến đổi năng lượng bức xạ tới thành ánh sáng có thể nhìnthấy được với hiệu suất biến đổi cao (tức là hiệu suất phát quang lớn)