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 Tuấn Khải, Trung tâm Nghiên cứu Cơ bản và Tính toán, Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân, người thầy đầu tiên cho tôi cơ hội tiếp cận và bước đầu làm quen với nghiên cứu thực nghiệm hạt nhân. Nhân đây cho phép tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với sự quan tâm, giúp đỡ của thầy trong suốt thời gian làm việc tại trung tâm. Tôi xin chân thành cảm ơn các anh, chị và các bạn đang làm việc tại Trung tâm Nghiên cứu Cơ bản và Tính toán, Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân đã tạo mọi điều kiện và giúp đỡ tôi hoàn thành bản đồ án này. Đồng thời, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Viện Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường, Đại học Bách khoa Hà Nội đã trang bị những kiến thức cơ bản 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 đã luôn động viên, giúp đỡ và dành tình cảm cho tôi trong quá trình học tập tại trường. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và người thân đã luôn ủng hộ, động viên và khuyến khích tôi vươn lên trong học tập. Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đối với Bố Mẹ đã sinh thành và cho tôi cơ hội có ngày hôm nay. Hà Nội, ngày 30 tháng 05 năm 2011 Sinh viên Bùi Duy Linh 1 TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN Ngày nay, sự phát triển của các máy gia tốc hiện đại đã cho phép tạo ra các chùm iôn nặng (từ prôtôn đến 238 U) với năng lượng cao từ hàng chục MeV/u đến hàng trăm MeV/u, và cường độ ~10 6 ÷10 8 hạt/s. Điều đó đã cho phép các nhà vật lý tiến hành các hướng nghiên cứu thực nghiệm mới, các kiểu phản ứng hạt nhân khác nhau để tìm kiếm đồng vị mới và khám phá nhiều cấu trúc hạt nhân tinh tế. Trong số đó kênh phản ứng phân mảnh có đóng 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 của vật 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 tính toán và mô phỏng độ mất năng lượng của các hạt tích điện như prôtôn, đơtêri, triti, 3 He, 4 He, 6 He đi qua vật liệu nhấp nháy dẻo. Các chương trình này được viết bằng ngôn ngữ Fortran 77. Kết quả tính toán mô phỏng là cơ sở nhận diện hạt từ số liệu thu được của thực nghiệm . + Phần 2: Giới thiệu về thí nghiệm tạo phản ứng phân mảnh chùm 6 He khi được gia tốc tới năng lượng 70MeV/nuclêôn và bắn vào bia hyđrô. Các sản 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 đo tương quan độ mất năng lượng (phổ ΔE). Bằng cách sử dụng kỹ thuật phân tích trùng phùng “offline” đối với hệ thống đêtêctơ trong thí nghiệm cho phép nhận diện hạt alpha được tạo ra bởi phản ứng phân mảnh. 2 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN α: Hạt nhân 4 He (hạt alpha). α-2n: Cấu trúc α-2 nuclêôn. β: Vận tốc tương đối tính. γ: Hệ số tương đối tính. ε 2n : Năng lượng tách 2 nuclêôn. σ i : Tiết diện tương tác hạt nhân. τ s : Thời gian phát quang của chất nhấp nháy. θ α : Góc chắn của hạt alpha. ADC: (Analog to Digital Converters) bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số. c: Vận tốc ánh sáng. Plastic scintillator: chất nhấp nháy dẻo. d: Hạt đơtêri. dE, ΔE: Độ mất năng lượng. E: Năng lượng. 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. p: Hạt prôtôn. P: Xung lượng. 3 PM: Ống nhân quang. t: Hạt triti. TDC: (Time to Digital Converter) bộ chuyển đổi tín hiệu thời gian sang tín hiệu số. z: Số điện tích của hạt nhân. 4 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 1.6 Giới thiệu phương pháp nhận diện hạt 38 1.7 Xây dựng hàm phân bố năng lượng 40 5 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 6 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ TRÌNH BÀY TRONG ĐỒ ÁN Danh mục các bảng biểu Bảng 1.1: Một số các đồng vị có cấu trúc hạt nhân halô 15 Bảng 3.2: Quãng chạy của hạt tích điện nhẹ trong vật liệu nhấp nháy dẻo 41 Danh mục các hình vẽ 7 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 8 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 46 Hình 3.22: Kết quả phân tích sản phẩm phản ứng phân mảnh 48 Hình 3.23: Phổ nhận diện hạt của hạt 4He trong đầu dò α 49 9 LỜI MỞ ĐẦU Sự phát hiện lớp hạt nhân lạ nằm xa vùng bền-β có cấu trúc halô và cấu trúc da ở một vài hạt nhân nhẹ giàu nơtrôn là một trong những sự kiện quan trọng 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 liên kết, kích thước vùng halô, tương quan giữa các nuclêôn trong vùng halô, giữa chúng với lõi, thế tương tác,… đã mở ra một hướng nghiên cứu mới – đó là vật lý các hạt nhân không bền. Hiện nay hướng nghiên cứu này đang là một trong hướng nghiên cứu quan trọng và đang được quan tâm của vật lý hạt nhân hiện đại. Việt Nam cũng đã có nhiều nhà khoa học đang nghiên cứu về vật lý các hạt nhân không bền. Hiện nay có một nhóm các nhà nghiên cứu hợp tác giữa Việt Nam – Nhật Bản thực hiện thí nghiệm nghiên cứu với hạt 6 He, 6 Li 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 và tương quan n-n trong hạt nhân giàu nơtrôn 6 He và công bố trên một số tạp chí chuyên ngành trong nước và quốc tế. Ngoài giá trị khoa học của các công trình nghiên cứu cơ bản, kết quả thu được còn đóng góp vào dữ liệu hạt nhân toàn cầu do Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) quản lý mà thường xuyên được các nhà vật lý tra cứu, sử dụng cho cho các mục đích nghiên cứu cơ bản và ứng dụng. 10 [...]... He + p 5 He + d 4 He+n+d (chuyển 1n và phân rã) (*) (**) (***) p, d, 3He, 4He, 3H (phân mảnh) Phản ứng phân mảnh của hạt 6He có rất nhiều các kênh sản phẩm khác nhau Dưới đây là mô hình của một trong những phản ứng phân mảnh 6He mà khi nghiên cứu hạt halô người ta quan tâm Đó là phản ứng vỡ 6He thành hạt α và 2 nơtrôn: Hình 2.13: Mô hình mô tả 1 phản ứng phân mảnh hạt nhân 6He Các hạt alpha sẽ có quỹ...Các thực nghiệm của nhóm nghiên cứu tại RIKEN về hạt nhân halô 6 He, khi bắn chùm hạt nhân 6He được gia tốc tới năng lượng 70MeV/u vào bia hyđrô Số liệu thu được ngoài các kênh phản ứng trao đổi thì xuất hiện rất nhiều sự kiện của kênh phản ứng phân mảnh Xuất phát từ các nghiên cứu trên, tôi đã lựa chọn đề tài: Nghiên cứu phản ứng phân mảnh 6He → 4He + n + n tại năng lượng 70MeV/nuclêôn”... Các nghiên cứu thực nghiệm gần đây trên các hạt nhân nhẹ giàu nơtrôn 11 Li, 11Be, 6He, 8He, 14Be và 17B đã đặt ra 3 tiêu chuẩn đối với một hạt nhân halô nơtrôn đó là: (1) phân bố mật độ rộng, hoặc kích thước hạt nhân lớn rõ rệt so với các đồng vị bền; (2) phân bố xung lượng hẹp của phần lõi sau khi loại bỏ nơtrôn halô bởi phản ứng phân mảnh; (3) giá trị lớn của tiết diện phản ứng phân mảnh hoặc phân. .. chùm 6He và bia H2 có thể là tán xạ (p,p’) (scattering), phản ứng chuyển (transfer), phản ứng tước (stripping) Các phản ứng này và phản ứng hạt nhân gây bởi chùm 6He trong các vật liệu khác như cửa sổ bia, lớp polyethylene của buồng He có thể gây nền phông khá cao do hiệu ứng trùng phùng ngẫu nhiên (accidental coincidence) với chùm 6He Các phản ứng có khả năng xảy ra đối với 6He trên bia hyđrô là: 6... độ mất năng lượng của hạt + Hệ đạt độ phân giải năng lượng là 5% tại năng lượng 70 MeV/u + Trước hệ đo có đặt một buồng tỉ lệ nhiều dây (MWPC) dùng để xác định tọa độ hạt 1.5 Một số tính toán cho bài toán phân mảnh 35 Sản phẩm của phản ứng phân mảnh chùm 6He trên bia H2 và trong các đầu dò alpha có thể sinh ra các hạt tích điện nhẹ như p, d, 3H, 3He, α Các phản ứng hạt nhân có thể xảy ra giữa chùm 6He... 4He, 6He với đầu dò nhấp nháy dẻo Kết quả mô phỏng là cơ sở để nhận diện hạt tích điện trong 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 năng lượng khoảng 70MeV/nuclêôn trên bia hyđrô Các sản phẩm sau phản ứng bao gồm các hạt tích điện như prôtôn, đơtêri, triti, helium-3, alpha được nhận diện (đồng... dài của phân bố mật độ là halô nơtrôn (neutron halo) Các nơtrôn trong vùng mật độ thấp có liên kết 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 như một phát hiện lớn của vật lý hạt nhân trong hơn một thập kỉ qua 13 Năm 1992 tại Viện Nghiên Cứu Vật Lý và Hóa Học, RIKEN, Nhật Bản nhóm nghiên cứu của giáo... 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 “offline” đối với hệ thống đêtêctơ trong thí nghiệm để nhận diện hạt alpha được tạo ra bởi phản ứng phân mảnh 11 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 nhân các loại, nhưng... với phương tới ban đầu của hạt Hai đặc trưng này là kết quả của hai hiệu ứng: - Tán xạ không đàn hồi với các electron của vật liệu - Tán xạ đàn hồi hạt nhân Tuy nhiên không chỉ có hai hiệu ứng trên mà còn có một số hiệu ứng khác như: - Phát bức xạ Cherenkov - Phản ứng hạt nhân - Phát bức xạ hãm Khi so sánh các hiệu ứng thì hai hiệu ứng tán xạ không đàn hồi với các electron của vật liệu và tán xạ đàn hồi... hai ống nhân quang (hình 2.5) Hình 2.10: Cấu hình đầu dò sử dụng trong thí nghiệm Các sự kiện của phản ứng được ghi nhận bằng hệ đo trùng phùng n-d-α Qua những kết quả tính toán về tương quan năng lượng-góc tán xạ đối với các hạt đơtêri và nơtrôn, cùng với các tính toán về động học phản ứng của nhóm nghiên cứu tại RIKEN Các đầu dò và hệ đo được thiết kế như sau: a Hệ đo nơtrôn Phương pháp ghi nơtrôn dựa . ngoài các kênh phản ứng trao đổi thì xuất hiện rất nhiều sự kiện của kênh phản ứng phân mảnh. Xuất phát từ các nghiên cứu trên, tôi đã lựa chọn đề tài: Nghiên cứu phản ứng phân mảnh 6 He → 4 He. với các đồng vị bền; (2) phân bố xung lượng hẹp của phần lõi sau khi loại bỏ nơtrôn halô bởi phản ứng phân mảnh; (3) giá trị lớn của tiết diện phản ứng phân mảnh hoặc phân ly điện từ (Coulomb. hành các hướng nghiên cứu thực nghiệm mới, các kiểu phản ứng hạt nhân khác nhau để tìm kiếm đồng vị mới và khám phá nhiều cấu trúc hạt nhân tinh tế. Trong số đó kênh phản ứng phân mảnh có đóng