Xác định chất lượng của các phản ứng hạt nhân trên bia natMo và natZr gây bởi chùm proton năng lượng 27 MeV

Bản luận văn với đề tài “Xác định suất lƣợng của các phản ứng hạt nhân trên bia nat Mo và nat Zr gây bởi chùm proton năng lƣợng 27 MeV” với mục đích nghiên cứu một số đặc trưng của các

LÊ TUẤN ANH

Zr GÂY BỞI CHÙM PROTON NĂNG LƯỢNG 27 MeV

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội - 2011

LÊ TUẤN ANH

XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG CỦA CÁC PHẢN ỨNG

Zr GÂY BỞI CHÙM PROTON NĂNG LƯỢNG 27 MeV

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao

Mã số: 60 44 05

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Cán bộ hướng dẫn: TS Phạm Đức Khuê

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 5

1.1 Tóm lược về phản ứng hạt nhân 5

1.1.1 Phân loại phản ứng hạt nhân 5

1.1.2 Các định luật bảo toàn 6

1.1.3 Động học phản ứng hạt nhân 8

1.1.4 Suất lượng và tiết diện của phản ứng hạt nhân 11

1.1.4.1 Suất lượng phản ứng hạt nhân 11

1.1.4.2 Tiết diện phản ứng hạt nhân 12

1.1.5 Hạt nhân đồng phân và tỉ số tiết diện đồng phân 15

1.2 Phản ứng hạt nhân gây bởi hạt tích điện nhẹ 15

1.2.1.Vai trò của hàng rào thế Coulomb 15

1.2.2 Vai trò của hàng rào thế xuyên tâm 17

1.2.3 Phản ứng hạt nhân gây bởi proton 18

CHƯƠNG 2 MÁY GIA TỐC CYCLOTRON KIRAMS - MC50 20

2.1 Giới thiệu chung về cyclotron 20

2.2 Cơ sở vật lý của máy gia tốc cyclotron 22

2.3 Nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc Cyclotron KIRAMS - MC 50 24

CHƯƠNG 3 THÍ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU 29

3.1 Thí nghiệm xác định suất lượng của phản ứng hạt nhân 29

3.3 Ghi nhận và phân tích phổ gamma của các mẫu sau khi chiếu 31

3.3.1 Giới thiệu 31

3.3.2 Phổ kế gamma 31

3.3.2.1 Chuẩn năng lượng 31

3.3.2.2 Chuẩn hiệu suất ghi 32

3.4 Phương pháp xác định suất lượng và tiết diện phản ứng hạt nhân 34

3.5 Xác định tỉ số tiết diện đồng phân 37

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 40

4.1 Nhận diện đồng vị phóng xạ tạo thành từ phản ứng hạt nhân 40

4.2 Một số kết quả hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác 43

4.2.1 Hiệu chính tự hấp thụ trong mẫu 43

4.2.2 Hiệu chỉnh hiệu ứng cộng đỉnh 44

4.2.3 Sự suy giảm năng lượng chùm proton khi đi qua mẫu 46

4.3 Xác định suất lƣợng của các phản ứng proton lên bia nat Mo và nat Zr 48

4.4 Xác định tiết diện phản ứng hạt nhân với proton trên bia nat Zr 51

4.5 Xác định tỷ số tiết diện tạo cặp đồng phân 89m,g Nb từ phản ứng hạt nhân nat Zr(p,xn) 89m,g Nb 55

KẾT LUẬN 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

PHỤ LỤC 60

MỞ ĐẦU

Xác suất tạo thành các hạt nhân phóng xạ từ các phản ứng hạt nhân phụ thuộc vào loại hạt tới, năng lượng hạt tới và hạt nhân bia Hai đại lượng đặc trưng quan trọng của phản ứng hạt nhân là suất lượng và tiết diện phản ứng Suất lượng phản ứng là số phản ứng hạt nhân xảy ra trên bia gây bởi chùm hạt tới trong một đơn vị thời gian Tiết diện phản ứng là thước đo xác suất xảy ra phản ứng hạt nhân Các số liệu về suất lượng và tiết diện phản ứng có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu cơ bản cũng như ứng dụng thực tiễn Đối với phản ứng với proton, số liệu hạt nhân còn rất hạn chế, sự phù hợp giữa các kết quả thực nghiệm và các tính toán lý thuyết chưa cao Thực tế đó đòi hỏi cần tiếp tục tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm nhằm tạo ra các số liệu chính xác, góp phần làm rõ hơn về cơ chế của phản ứng hạt nhân, đồng thời là cơ sở để đánh giá mức độ tin cậy và hoàn thiện thêm các tính toán lý thuyết Về mặt ứng dụng, các kết quả nghiên cứu có thể sử dụng trong việc chế tạo đồng vị phóng xạ, nghiên cứu công nghệ lò phản ứng, máy gia tốc hạt, công nghệ xử lý chất thải hạt nhân, tính toán che chắn an toàn bức xạ hạt nhân [12-15]

Molipđen và Ziconi là những vật liệu sử dụng nhiều trong công nghệ lò phản ứng và máy gia tốc hạt, ví dụ Ziconi là nguyên tố có tiết diện bắt nơtron thấp, có độ bền cơ học và hóa học cao, dẫn nhiệt tốt thường được sử dụng làm vỏ viên nhiên liệu của lò phản ứng hạt nhân Các nghiên cứu về suất lượng và tiết diện phản ứng hạt nhân của các nguyên tố này giúp cho việc tính toán tốc độ hao mòn cũng như các vấn đề liên quan đến an toàn bức xạ Bên cạnh đó, các sản phẩm của các phản ứng Mo(p,X), Zr(p,X) như 99mTc, 94mTc, 93mTc, 93gTc, 96Tc;

88Zr, 89Zr là những đồng vị được sử dụng nhiều trong y học hạt nhân [15, 22]

Bản luận văn với đề tài “Xác định suất lƣợng của các phản ứng hạt nhân

trên bia nat Mo và nat Zr gây bởi chùm proton năng lƣợng 27 MeV” với mục

đích nghiên cứu một số đặc trưng của các phản ứng hạt nhân gây bởi chùm proton, xác định suất lượng và tiết diện của các phản ứng hạt nhân ghi nhận được trên các bia Molipđen và Ziconi khi được chiếu bằng chùm proton có năng lượng 27 MeV trên máy gia tốc Cyclotron MC-50 tại Viện Khoa học Y học phóng xạ Hàn Quốc (Korea Institute of Radiological & Medical Sciences (KIRAMS))

Phương pháp kích hoạt phóng xạ và đo phổ gamma đã được sử dụng trong các nghiên cứu thực nghiệm Các sản phẩm phản ứng hạt nhân được nhận diện dựa trên năng lượng tia gamma và chu kì bán rã của các đồng vị phóng xạ tạo thành Suất lượng và tiết diện phản ứng được xác định căn cứ vào kết quả đo hoạt độ phóng xạ của các hạt nhân sản phẩm sử dụng hệ phổ kế gamma bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết (HPGe) có độ phân giải năng lượng cao Trong nghiên cứu đã thực hiện những hiệu chính cần thiết nhằm nâng cao độ tin cậy của các kết quả thực nghiệm [1- 4]

Bố cục của luận văn bao gồm phần mở đầu, 4 chương, phần kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục Chương 1 trình bày một số đặc trưng cơ bản của phản ứng hạt nhân, phản ứng gây bởi hạt tích điện nhẹ Chương 2 tìm hiểu nguyên lý cấu tạo

và hoạt động của máy gia tốc cyclotron, tập trung vào máy gia tốc Cyclotron

MC-50 tại KIRAMS, Hàn Quốc Chương 3 tìm hiểu thí nghiệm và các kỹ thuật phân tích

số liệu nhằm xác định suất lượng, tiết diện và tỷ số đồng phân của các phản ứng hạt nhân gây bởi proton Chương 4 trình bày các kết quả thực nghiệm thu được Bản luận văn dài 68 trang, trong đó có 20 bảng biểu, 27 hình vẽ và 30 tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 1.1 Tóm lược về phản ứng hạt nhân

1.1.1 Phân loại phản ứng hạt nhân

Phản ứng hạt nhân xảy ra khi một chùm hạt hoặc bức xạ tương tác với hạt nhân ở khoảng cách gần cỡ 10 13cm và sau phản ứng hạt nhân có sự phân bố lại năng lượng, xung lượng và phát ra một hoặc nhiều hạt, bức xạ Có nhiều cách phân loại phản ứng hạt nhân, có thể phân loại theo hạt tới, hạt sản phẩm hay theo cơ chế phản ứng

Nếu xét theo các sản phẩm tạo thành ta có thể phân phản ứng hạt nhân thành các loại sau:

Tán xạ đàn hồi X(a,a)X: hạt tới chỉ thay đổi hướng chuyển động (có thể cả hướng spin), sau phản ứng hạt tới và hạt nhân bia vẫn ở trạng thái cơ bản

Tán xạ không đàn hồi X(a,a’)X*: hạt tới truyền một phần động năng cho hạt nhân bia, sau phản ứng hạt nhân bia ở trạng thái kích thích, độ lớn moment của các hạt thay đổi

Tán xạ giả đàn hồi X(a,ap)Y, hoặc X(a,ad)Y : khi năng lượng truyền trong phản ứng lớn hơn năng lượng tách các mảnh hạt nhân (như nuclôn, đơtơri ), hạt nhân sẽ phát ra một hạt Hạt tới bị mất năng lượng ở trạng thái cuối

Phản ứng biến đổi X(a,b)Y: là phản ứng mà hạt đạn và hạt nhân dư khác nhau số khối A Trong phản ứng này cần kể đến phản ứng tước hạt (stripping reaction), một nucleon của hạt tới bị hấp thụ bởi hạt nhân bia, phần hạt còn lại tiếp tục chuyển động qua bia; phản ứng đoạt hạt (pickup reaction), hạt tới đoạt một nucleon của hạt nhân bia; ngoài ra còn có các phản ứng trao đổi điện tích (charge exchange) và phản ứng knock-out

Dựa trên cơ chế phản ứng ta có thể phân chia phản ứng hạt nhân thành các loại sau:

Phản ứng hạt nhân hợp phần: có hai quá trình liên tiếp xảy ra Hạt nhân bia bắt hạt đạn, hình thành nên hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích cao, năng lượng kích thích được phân bố lại cho các nuclôn Sau đó một hoặc một nhóm nuclôn có thể nhận được đủ năng lượng bay ra khỏi hạt nhân hợp phần

Phản ứng hạt nhân trực tiếp: là phản ứng mà giữa kênh vào và kênh ra không tồn tại trạng thái trung gian

Phản ứng hạt nhân tiền cân bằng là phản ứng nằm giữa phản ứng trực tiếp và phản ứng hợp phần Năng lượng của hạt đến được truyền cho một nhóm các nuclôn trong hạt nhân bia Các nuclôn này khởi xướng cho một loạt các phản ứng nối tầng, tại một tầng nào đó một hạt sẽ được phát ra (trước khi hạt nhân hợp phần đạt trạng thái cân bằng thống kê)

Phản ứng hạt nhân không phải hoàn toàn là tương tác mạnh, nó tùy thuộc vào hạt tới Phản ứng hạt nhân là tương tác mạnh nếu hạt đến là proton, nơtron, ions Phản ứng hạt nhân có thể là tương tác điện từ nếu hạt đến là photon, electron, ions Còn khi hạt đến là nơtrino thì phản ứng hạt nhân thuộc loại tương tác yếu

Đối với bia và hạt tới nhất định, phụ thuộc vào năng lượng của hạt tới mà phản ứng xảy ra theo cơ chế nào đó Bên cạnh đó, xác suất tồn tại trạng thái kích thích cao cũng phụ thuộc vào năng lượng Sự tập trung lực kích thích trong một vùng năng lượng nào đó gọi là cộng hưởng khổng lồ

Sau phản ứng hạt nhân thường có hai hoặc ba hạt tạo thành Nếu rất nhiều hạt tạo thành ta có phản ứng vỡ vụn (spallation) Khi hạt nhân bia bắt nơtron, hạt nhân hợp phần tách ra thành các hạt có số khối tương đương nhau, ta có phản ứng phân hạch Xác suất xảy ra phản ứng phân hạch tỉ lệ với Z2/A Phản ứng phân hạch cùng với phản ứng nhiệt hạch là những phản ứng tỏa ra năng lượng lớn Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng tổng hợp hai hạt nhân nhẹ

Thang thời gian của phản ứng hạt nhân cỡ 10-22 s, thời gian phản ứng trực tiếp có bậc độ lớn là 10-22 (s), còn thời gian phản ứng hạt nhân hợp phần vào cỡ 10-

16-10-15 s với chùm năng lượng thấp và khoảng 10-21-10-20 s với chùm năng lượng cao

Có rất nhiều mẫu hạt nhân đã được đưa ra để giải thích cơ chế của các phản ứng hạt nhân Mỗi mẫu chỉ có thể áp dụng cho một hoặc một vài loại phản ứng hạt nhân

1.1.2 Các định luật bảo toàn

Khi một phản ứng hạt nhân xảy ra, dù là trực tiếp hay hợp phần cũng đều bị tri phối bởi các định luật bảo toàn:

Định luật bảo toàn điện tích và số baryon: trong phản ứng hạt nhân, tổng điện

tích của hạt tới tham gia phản ứng bằng với tổng điện tích của các hạt sản phẩm Và trong bất kỳ phản ứng hạt nhân nào, tổng số barion phải là một hằng số Định luật bảo toàn số barion cho phép giải thích tính bền vững của proton [7]

Định luật bảo toàn năng lượng: phát biểu là năng lượng toàn phần trước phản

ứng và sau phản ứng bằng nhau Đối với quá trình (1.1) định luật bảo toàn năng lượng được viết:

01 1 02 2

E T E T (1.1)

trong đó E01, E02 lần lượt là tổng năng lượng nghỉ của các hạt trước và sau phản ứng Còn T1, T2 lần lượt là tổng động năng của các hạt trước và sau phản ứng [7]

Định luật bảo toàn moment động lượng: trong phản ứng A(a,b)B, gọi , ,

, là moment động lượng của các hạt tham gia phản ứng, định luật bảo toàn moment động lượng được viết:

   

(1.2)

Định luật bảo toàn moment góc: tổng moment góc của các hạt tham gia phản

ứng là bảo toàn cũng như thành phần hình chiếu lên phương được chọn Áp dụng cho phản ứng A(a,b)B ta có:

i       I l I i l

(1.3) với , , , là spin tương ứng với các hạt tham gia phản ứng Các spin này có thể đo bằng thực nghiệm hoặc tính toán (dùng mẫu vỏ) Proton có spin là ½, các hạt nhân chẵn-chẵn có spin bằng không Spin của hạt nhân là moment góc riêng của hạt nhân ở trạng thái cơ bản Các đại lượng , là moment góc quỹ đạo của các cặp hạt tương ứng, đặc trưng cho chuyển động tương đối giữa các hạt Momen quỹ đạo góc nhận các giá trị nguyên (0,1,2 ) và giá trị cụ thể được xác định thông qua bản chất chuyển động của các hạt [7]

Định luật bảo toàn chẵn lẻ: Trong tương tác điện từ và tương tác mạnh, tính

chẵn lẻ được bảo toàn Phản ứng hạt nhân cũng thuộc vào các loại tương tác này, nên định luật bảo toàn chẵn lẻ cũng có giá trị Xét phản ứng A(a,b)B, định luật bảo toàn chẵn lẻ được viết:

P P P P (1.4)

Pa, PA, PB, Pb là tính chẵn lẻ riêng tương ứng với từng hạt tham gia phản ứng Cũng

như các định luật bảo toàn khác, định luật bảo toàn chẵn lẽ dẫn đến quy tắc chọn lọc

làm giới hạn các phản ứng có thể xảy ra

Định luật bảo toàn spin đồng vị: Xét phản ứng A(a,b)B thuộc loại tương tác

mạnh, nên cũng tuân theo định luật bảo toàn spin đồng vị Theo định luật này thì

spin toàn phần của các hạt trước và sau phản ứng bằng nhau:

(1.5) Spin đồng vị đặc trưng cho mức hạt nhân, có nghĩa là các hạt nhân ở các trạng

thái năng lượng khác nhau thì có spin đồng vị khác nhau, thay đổi từ Tmin=(N-Z)/2

đến Tmax=A/2 Trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích yếu nhận giá trị spin đồng

vị thấp nhất [7]

Các định luật bảo toàn đưa ra giới hạn nhất định đối với phản ứng hạt nhân, và

do đó cho phép chúng ta viết ra được chính xác các phản ứng hạt nhân có thể xảy ra

và có được các thông tin quan trọng về các đặc tính của các hạt tham gia phản ứng

và các hạt sản phẩm Nghiên cứu các phản ứng hạt nhân chính là việc đo đạc tiết

diện phản ứng vi phân như là hàm của năng lượng, cũng như các thông số khác của

hạt bay ra, và xác định phân bố góc và năng lượng của các hạt sản phẩm cũng như

các trạng thái lượng tử của chúng

1.1.3 Động học phản ứng hạt nhân

Xét phản ứng A(a,b)B, theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có:

( ma m cA) Ta TA ( mb m cB) Tb TB (1.6) trong đó T là động năng của các hạt, m là khối lượng nghỉ Giá trị Q của phản ứng

được định nghĩa là tổng năng lượng nghỉ trước phản ứng trừ đi tổng năng lượng

nghỉ sau phản ứng:

Q (m initial m final)c2 T initial T final T b T B T a T (1.7) A

Giá trị Q có thể là âm, dương hoặc bằng không Nếu Q>0 ( )

phản ứng được gọi là tỏa nhiệt, khi đó năng lượng liên kết giải phóng dưới dạng

động năng của các hạt sản phẩm Nếu Q<0 ( ) phản ứng được gọi là

thu nhiệt, và trong trường hợp này động năng của các hạt ban đầu chuyển thành

năng lượng liên kết Theo thuyết tương đối, sự thay đổi giữa năng lượng và khối lượng phải thỏa mãn hệ thức ΔE=Δmc2

Các phương trình (1.6) và (1.7) đúng cho bất kỳ hệ quy chiếu nào Xét trong

hệ quy chiếu phòng thí nghiệm, khi đó coi hạt nhân bia đứng yên Áp dụng định luật bảo toàn động lượng ta có:

p a p bcos p Bcos (1.8)

0 p bsin p Bsin (1.9) trong phản ứng, Q coi như đã biết, Ta là thông số điều khiển được, khi đó phương trình (1.6), (1.8) và (1.9) lập thành hệ ba phương trình nhưng có bốn ẩn (θ,ξ,Tb và

TB), vì vậy không có lời giải duy nhất Rút ξ và TB từ các phương trình trên ta được mối liên hệ giữa Ta và Tb:

Hình 1.1: Mối liên hệ giữa T b và T a trong phản ứng 3 H(p,n) 3 He

Hình 1.1 minh họa mối liên hệ giữa động năng Ta và Tb đối với phản ứng

3

H(p,n)3He (Q = -763.75 keV) Từ hình vẽ ta thấy có hai vùng: thứ nhất là từ 1.019

đến 1.147 keV, trong vùng này với giá trị θ chọn để quan sát thì ứng với một giá trị của Ta có hai giá trị Tb thỏa mãn (vùng giá trị kép) Vùng thứ hai từ 1.147 keV trở

đi, trong vùng này Tb liên hệ đơn trị với Ta

Từ phương trình 1.10 có thể rút ra được các đặc điểm của phản ứng hạt nhân:

- Nếu Q<0, Ta có một giá trị cực tiểu mà dưới giá trị đó phản ứng không xảy ra, giá trị đó gọi là năng lượng ngưỡng của phản ứng:

- Giá trị kép xảy ra khi hạt tới có năng lượng nằm trong khoảng Tth tới giới hạn trên:

'

( ) B a

Trong thực nghiệm, với góc θ và Ta cho trước, tiến hành đo Tb, qua đó tính được Q

và rút ra mối liên hệ khối lượng giữa các hạt Nếu biết trước ma, mA, mb, thì sẽ tính được khối lượng mY, từ phương trình 1.10 ta có:

1.1.4 Suất lượng và tiết diện của phản ứng hạt nhân

1.1.4.1 Suất lượng phản ứng hạt nhân

Suất lượng của phản ứng là số phản ứng xảy ra trên bia trong một đơn vị thời gian Suất lượng của phản ứng hạt nhân ký hiệu là Y, trong trường hợp chùm hạt đơn năng, suất lượng Y được xác định theo công thức:

Y = N 0 (1.17) trong đó là hệ số hình học, N0 là số hạt nhân trên bia; là thông lượng chùm hạt tới; là tiết diện phản ứng hạt nhân

Trường hợp chùm hạt tới có phổ năng lượng liên tục, gọi (E) là thông lượng chùm bức xạ trong vùng năng lượng E, còn (E) là tiết diện phản ứng trong vùng năng lượng E Hàm (E) (E) được gọi là hàm hưởng ứng hay hàm kích thích trong vùng năng lượng E Tốc độ phản ứng, đối với hạt tới có năng lượng từ E đến E+dE

là dR được xác định theo công thức:

dR = (E) (E)dE (1.18)

Tốc độ phản ứng dR thực chất là số phản ứng xảy ra trên một hạt nhân trong một đơn vị thời gian do các hạt tới có năng lượng từ E đến E+dE gây ra Tích phân hai vế của phương trình (1.18), ta có:

0

)()

max

)()

(

E

E th

dE E E

Y (1.21)

1.1.4.2 Tiết diện phản ứng hạt nhân

Tiết diện phản ứng là thước đo xác suất tương đối để phản ứng hạt nhân xảy

ra Nếu đặt một detector để ghi hạt b bay ra theo phương (θ,Φ) so với phương chùm hạt tới, detector chiếm giữ một góc khối nhỏ dΩ Gọi Ia là cường độ dòng tới (số hạt trên một đơn vị thời gian), n là số hạt nhân bia trên một đơn vị diện tích, Rb là số hạt

b bay ra trong một đơn vị thời gian, khi đó ta có:

b

a

R

I N (1.22)

Detector chỉ chắn một góc khối nhỏ dΩ nên không ghi nhận hết được hạt bay

ra Thực tế chỉ ghi nhận được dRb, do đó chỉ rút ra được một phần tiết diện phản ứng dζ Hơn nữa, các hạt bay ra nói chung không đẳng hướng, chúng sẽ tuân theo một phân bố góc r(θ,Φ) nào đó phụ thuộc vào θ hoặc có thể cả góc Φ Khi đó ta có

dRb=r(θ,Φ)dΩ/4π và tiết diện vi phân góc được định nghĩa:

d r

d I n (1.23) Tiết diện vi phân cho thông tin quan trọng về phân bố góc của sản phẩm phản ứng Tích phân 1.23 theo toàn bộ góc khối sẽ thu được tiết diện phản ứng Với dΩ=sinθdθdΦ ta có:

Trong nhiều ứng dụng hạt nhân, không chỉ quan tâm đến xác suất tìm thấy hạt

b tại một góc nào đấy mà còn quan tâm đến năng lượng của hạt b Từ đó người ta đưa ra khái niệm tiết diện vi phân kép d2ζ/dEbdΩ Đối với các trạng thái gián đoạn, khi đó chỉ có một mức năng lượng nằm trong dải dEb, nên việc phân chia tiết diện vi phân kép và tiết diện vi phân góc là không cần thiết Nếu không quan tâm tới góc bay ra của hạt b, mà chỉ quan tâm tới năng lượng của hạt b, thì ta có tiết diện vi phân theo năng lương dζ/dE, khi đó E có thể là năng lượng kích thích của hạt nhân

Y

Bảng 1.1: Một số loại tiết diện phản ứng hạt nhân [28]

Tiết diện Ký hiệu Kỹ thuật đo Ứng dụng có thể

Tiết diện vi

phân góc

dζ/dΩ Đo b tại góc (θ,Φ) lấy tổng

theo tất cả năng lượng

Sự hình thành hạt b theo hương nào đó

Tiết diện tổng ζt chính là tổng của các tiết diện phản ứng của tất cả các hạt bay

ra Tiết diện này có thể tính được bằng cách đo sự suy giảm chùm tia khi cho một chùm tia chuẩn trực đi qua bia

Khi nghiên cứu một phản ứng cụ thể nào đó, tiết diện mà ta quan tâm sẽ phụ thuộc vào chúng ta đo cái gì Bảng 1.1 tổng kết các loại tiết diện, cùng với ứng dụng của chúng

Hình 1.2: Hàm kích thích của phản ứng nat Mo(p,xn) 96 Tc

Hình 1.3: Hàm kích thích của phản ứng nat Zr(p,xn) 90 Nb

Hình 1.2 và 1.3 là hàm kích thích hay tiết diện vi phân theo năng lượng của các phản ứng hạt nhân natMo(p,xn)96Tc và natZr(p,xn)90Nb [14,15].

1.1.5 Hạt nhân đồng phân và tỉ số tiết diện đồng phân

các trạng thái lượng tử ống nhau Đồng phân hạt nhân là trạng thái giả bền (metastable state) của hạt nhân được tạo thành do sự kích thích một hoặc nhiều nucleon trong nó và có thời gian sống lớn hơn 10-9 giây Các hạt nhân đồ ở trạng thái cơ bản không bề

, nhưng, trạng thái spin, chẵn lẻ

Một trong những thông số quan trọng liên quan tới phản ứng hạt nhân là tỷ số

tiết diện tạo thành trạng thái đồng phân ( m ) và trạng thái cơ bản không bền ( g ),

IR= m / g Việc nghiên cứu tỷ số đồng phân là một sự tiếp cận quan trọng nhằm

làm sáng tỏ các cơ chế của phản ứng hạt nhân, cho các thông tin quan trọng về sự phụ thuộc của spin vào mật độ mức hạt nhân, hiệu ứng momen góc, Tỷ số đồng phân còn cho những thông tin có giá trị về bản chất của các hạt nhân kích thích cao, phân bố năng lượng và spin của chúng cũng như các thông tin về quá trình khử kích thích [17, 27 ]

1.2 Phản ứng hạt nhân gây bởi hạt tích điện nhẹ

1.2.1.Vai trò của hàng rào thế Coulomb

Khi hạt tích điện tương tác với vật hạt nhân, đường cong thế năng có dạng như hình 1.4 Đường cong nằm bên trên trục hoành là do lực đẩy Coulomb của hạt nhân

và hạt tích điện Thế năng trong vùng này phụ thuộc vào khoảng cách theo công thức:

2

V r

r (1.25) Với Z, z lần lượt là điện tích hạt nhân và hạt tích điện, r là khoảng cách giữa hạt nhân và hạt tích điện Tại r=R (bán kính hạt nhân), đường cong giảm nhanh,khi

r<R phần thế năng này là do lực hút hạt nhân Tương tác Coulomb của hạt tích điện với hạt nhân đặc trưng bởi hàng rào thế Coulomb:

2

C

Zze B

R (1.26) Xét hạt đến có động năng T<BC, theo cơ học cổ điển thì hạt không đi được vào hạt nhân trong trường hợp này Tuy nhiên, theo cơ học lượng tử, hạt với động năng T<BC vẫn có xác suất đi qua hàng rào thế Xác suất để hạt đi qua hàng rào thế, hay còn gọi là độ thấm thấu được cho bởi công thức [11]:

2 1

/r2 Tích phân (1.27) dẫn tới:

D exp g (1.28)

với g = 2πR/λ; ; là bước sóng Broglie tương ứng với động năng của hạt tới bằng hàng rào thế Coulomb

Hình 1.4: Thế năng tương tác

1.2.2 Vai trò của hàng rào thế xuyên tâm

Xét tương tác của hạt tới với hạt nhân có thông số va chạm khác không Trong

cơ học lượng tử, hàm sóng mô phỏng tương tác này ứng có số lượng tử quỹ đạo l≠0 Thế xuyên tâm khi đó được biễu diễn bởi công thức [11]:

2 2

1 2

xt

l l V

xt

l l B

mR



có giá trị (Bxt)min ứng với l=1;

Khi nơtron tương tác với hạt nhân, hàng rào thế này làm giảm xác suất tương tác giống như hàng rào coulomb làm giảm xác suất tương tác của hạt tích điện Với hạt mang điện, thế xuyên tâm cùng với thế Coulomb miêu tả tương tác của hạt tích điện với hạt nhân Giá trị (Bxt)min chỉ lớn hơn BC với các hạt nhân nhẹ (Z<8) Các hạt nhân nằm từ giữa bản Tuần hoàn các nguyên tố trở đi, ta luôn có BC>>(Bxt)mindẫn đến BC+(Bxt)min≈BC Các hạt tích điện tương tác với các hạt nhân nặng với (T<BC) xảy ra với cùng một xác suất cho cả hai giá trị l=0 và l=1; Khi l tăng, hàng rào thế xuyên tâm tăng, xác suất tương tác giảm Tuy nhiên, với l nhỏ (l≤l0), điều kiện BC>Bxt tiếp tục làm cho xác suất tương tác không phụ thuôc vào l Chỉ với l>l0rất nhiều thì vai trò của hàng rào thế xuyên tâm mới lớn Giá trị l0 có thể tính được khi cho giải phương trình Bxt=BC, ta có: 0 2

T T B B (1.30) Nếu năng lượng T của hạt tới xác định, tương tác quan sát được với l<lΔT, với

lΔT thỏa mãn lΔT ≈ 2πR/λΔT

1.2.3 Phản ứng hạt nhân gây bởi proton

Proton có thể gây ra các phản ứng sau: (p,α), (p,n), (p,p), (p,γ) và (p,d) (rất

hiếm) Chúng ta sẽ xem xét những đặc trưng chính của các phản ứng này

Phản ứng (p,α): phản ứng này là phản ứng tỏa nhiệt Động năng của phản ứng

Q=εa-εb [11], với εa là năng lượng liên kết của hạt tới, còn εb là năng lượng liên kết

cảu hạt bảy ra trong hạt nhân hợp phần Đối với phản ứng (p,α), Q=εp-εα Với tất cả

các hạt nhân bền β trong bảng tuần hoàn, εp≈ const và vào cỡ khoảng 8MeV Còn

năng lượng liên kết của α thay đổi từ giá trị nhỏ nhất εα =0 với Z=60 đến giá trị cao

nhất εα =8 với Z=8, với Z>60 thi năng lượng liên kết của α mang giá trị âm Do đó:

p

Q (1.31)

Chú ý thứ hai liên quan tới phản ứng (p,α) là xác xuất xảy ra phản ứng Xác

suất này là không lớn đối với các hạt nhân nặng, do hạt α bay ra khỏi hạt nhân bị

cấm mạnh bởi hàng rào thế Coulomb (bằng 28 MeV với Z=80) Hàng rào thế chỉ

cho các hạt alpha nhanh bay ra khỏi hạt nhân Hạt alpha bay ra làm hạt nhân dịch

chuyển xuống các mức thấp hơn (và do đó xắp xếp thưa hơn) Do trọng số thống kê

của một trạng thái được định nghĩa bởi mật độ mức hạt nhân, nên dẫn đến xác suất

phản ứng (p,α) thấp Điều kiện này không áp dụng hạt nhân nhẹ, vì khi đó hàng rào

thế Coulomb nhỏ

Phản ứng (p,n): Đối với các hạt nhân bền, phản ứng loại này luôn là phản ứng

thu nhiệt với ngưỡng phản ứng lớn hơn 0.8MeV Thật vậy, xét phản ứng A(p,n)B ta

có[7]: m n m p 1.3MeV (1.32)

0.5

M M MeV (1.33) Nếu điều kiện thứ hai không thỏa mãn thì hạt nhân A sẽ chuyển thành hạt

nhân B thông qua phân rã beta Năng lượng của phản ứng:

Q M m M m MeV (1.34) Mặt khác theo công thức tính năng lượng, suy ra Tth>0.8 MeV

Phản ứng (p,p): Nếu động năng của hạt tới cao hơn hàng rào Coulomb xác

suất của phản ứng loại này tương đương với xác suất của phản ứng (p,n) Trong

vùng năng lượng thấp hơn, phản ứng (p,p) được dùng trong các trường hợp phản

ứng (p,n) không xảy ra

Phản ứng (p,γ): Do xác suất phát ra các hạt từ hạt nhân hợp phần cao hơn xác

suất phát lượng tử γ, nên phản ứng (p,γ) có suất lượng rất thấp Tuy nhiên, vì một

vài lý do nào đó hạt phát ra bị cấm, thì lúc đó phản ứng (p,γ) đóng vai trò quan trọng Ví dụ, nếu Tp<Tth của phản ứng (p,n), thì sẽ quan sát được phản ứng (p,γ) bên cạnh phản ứng (p,p) Một thí dụ thú ví về phản ứng (p,γ) có suất lượng cao chính là phản ứng

Phản ứng (p,d): So với các phản ứng khác, phản ứng này rất hiếm vì đơteron

là hạt có liên kết yếu (εd = 2.22 MeV), và cần lượng lớn năng lượng để hình thành

nó Do đó, phản ứng (p,d) thường là phản ứng thu nhiệt, còn nếu là phản ứng tỏa nhiệt thì giá trị Q rất nhỏ (ví dụ như có Q=0.56 MeV)

CHƯƠNG 2 MÁY GIA TỐC CYCLOTRON KIRAMS - MC50

2.1 Giới thiệu chung về cyclotron

Cấu trúc và tính chất của vật chất được phát hiện dựa trên sự tương tác của các hạt cơ bản cũng như các ion với vật chất Để có được khả năng như vậy các hạt phải có năng lượng nhất định và cường độ của chúng phải đủ lớn Để nghiên cứu cấu trúc nguyên tử cần chùm hạt có năng lượng từ vài chục tới hàng trăm keV Trong trường hợp hạt nhân, năng lượng liên kết trung bình của các nucleon trong hạt nhân khoảng 7- 8 MeV Để tách một nucleon ra khỏi hạt nhân thì năng lượng của chùm hạt bắn phá phải lớn hơn năng lượng liên kết Trong thực tế muốn nghiên cứu cấu trúc hạt nhân và phản ứng hạt nhân cần các hạt bắn phá có năng lượng từ hàng chục tới hàng trăm MeV Để nghiên cứu cấu trúc các nucleon, các hạt cơ bản cần tới năng lượng hàng trăm ngàn MeV đến nhiều TeV Đó chính là những lý do quan trọng thúc đẩy sự ra đời không những chỉ của các máy gia tốc có năng lượng thấp hoặc trung bình mà còn của cả các máy gia tốc có năng lượng cao và rất cao

Năm 1929 E Lawrence, nhà khoa học người Mỹ đã thiết kế thành công chiếc máy gia tốc Cyclotron đầu tiên trên thế giới, có thể gia tốc ion hydro (proton) tới năng lượng 80 keV Năm 1931 máy gia tốc Cyclotron của Lawrence tạo được chùm proton 1.25 MeV gây ra phản ứng hạt nhân và tách được nguyên tử chỉ vài tuần sau phản ứng hạt nhân nhân tạo đầu tiên của Cockcroft & Walton Lawrence nhận giải Nobel vào năm 1939 Máy gia tốc Cyclotron chủ yếu để gia tốc proton và các ion nặng

Trong cyclotron các hạt được gia tốc nhờ điện trường tần số cao (RF) không đổi trong một từ trường đồng nhất Các hạt chuyển động theo quỹ đạo xoáy trôn ốc theo sự điều khiển của từ trường Các ion xuất phát từ tâm của từ trường nằm giữa 2 điện cực có dạng nửa hình tròn được gọi là "Dee - hình chữ D" Các hạt chuyển động xoáy trôn ốc với bán kính lớn dần, nó được gia tốc mỗi khi đi qua khe giữa hai nửa hình chữ D Quãng đường đi được trong 1 chu kỳ tăng dần cùng với vận tốc hạt

để đảm bảo sự phù hợp về pha với sóng cao tần Thời gian hạt hoàn thành 1 quỹ đạo

là không đổi Khi hạt chuyển động hết một chu kỳ pha của điện áp xoay chiều thay đổi 1800 Các Dee được đặt trong buồng chân không cao, cả buồng đặt giữa hai cực của một nam châm đồng nhất Các ion được đưa vào tâm buồng, trong khe giữa hai Dee Bằng cách chọn tần số phù hợp của điện áp xoay chiều, đảm bảo khi các ion đi

từ Dee này sang Dee khác có sự đổi dấu của điện thế giữa các Dee sao cho các ion được gia tốc Sau khi gia tốc các hạt được tách ra khỏi buồng gia tốc bằng bộ làm lệch (deflector), sau đó tiếp tục được dẫn ra các kênh bằng hệ thống các nam châm uốn cong, hội tụ… Hình 2.1 là sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy gia tốc cyclotron Các hệ thống phụ quan trọng cấu thành cyclotron là: Nguồn ion; Hệ thống RF; Hệ thống nam châm; Hệ thống tách chiết chùm; Hệ thống chân không;

Hệ thống điều khiển

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy gia tốc cyclotron

Ở năng lượng cao hơn, do hiệu ứng tương đối tính khối lượng của hạt tăng theo vận tốc, dẫn đến việc khả năng tăng tốc độ hạt nhỏ dần Các hạt không thể đi qua khe gia tốc ở đúng thời điểm cần thiết Kết quả là không đồng bộ được với điện trường gia tốc, tức là điều kiện cộng hưởng bị phá vỡ Đây chính là hạn chế của loại máy Cyclotron truyền thống về mặt năng lượng

Để khắc phục hiệu ứng tương đối tính, năm 1945 Milan và Veksler tìm ra cơ chế đồng bộ bằng cách thay đổi tần số Khi hạt tăng khối lượng dẫn đến giảm tốc độ

và hạt lại giảm khối lượng, do đo sẽ tồn tại một quỹ đạo ổn định mà hạt không mất năng lượng Khi hạt đạt được quỹ đạo ổn định, nếu giảm tần số tại giá trị không đổi của từ trường thì điều kiện đồng bộ sẽ giữ nguyên Máy gia tốc Cyclotron sử dụng việc thay đổi tần số còn được gọi là Synchrocyclotron hay Phasotron

Một loại máy cyclotron khác có thể khắc phục được hiệu ứng tương đối tính

là máy gia tốc hội tụ quạt sử dụng từ trường biến đổi theo góc phương vị AVF

(Azimuthally Varying Fields), giữ nguyên tần số RF không đổi và hiệu chỉnh hiệu ứng tương đối tính bằng cách thay đổi từ trường Từ trường trung bình sẽ là một hàm của bán kính, có thể tăng sao cho tần số quay của các ion giữ nguyên mặc dù

có sự tăng của khối lượng các ion được gia tốc Năng lượng hạt chỉ bị giới hạn bởi kích thước của nam châm Cyclotron hội tụ quạt lớn nhất hiện nay có thể gia tốc proton lên tới năng lượng 600 MeV Hình 2.2 là hình ảnh máy gia tốc cyclotron MC-50, tại Viện KIRAMS, Hàn Quốc Đây là loại máy cyclotron hoạt động theo nguyên lý từ trường biến đổi theo góc phương vị, hay hội tụ quạt (AVF)

Hình 2.2: Máy gia tốc cyclotron - C50, tại Viện KIRAMS, Hàn Quốc

2.2 Cơ sở vật lý của máy gia tốc cyclotron

Đối với hạt có điện tích q chuyển động với vận tốc v trong điện từ trường (E,B), lực Lorentz được biểu diễn như sau:

) ( E v B q

trong đó: F: lực tác dụng lên hạt; q: điện tích hạt; E: véc tơ điện trường; B: véc tơ

từ trường; v: véc tơ vận tốc hạt

Máy gia tốc cung cấp năng lượng cho hạt tích điện, do đó tăng xung lượng của chúng Để làm việc đó cần phải có một điện trường dọc theo hướng của xung lượng ban đầu:

qE dt

trong đó : V: điện áp gia tốc, : pha của sóng

Động năng của hạt là:

2 2 2 2

2.3 Nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc Cyclotron KIRAMS - MC 50

Trong thí nghiệm này chúng tôi sử dụng máy gia tốc cyclotron loại từ trường biến đổi theo góc phương vị (AVF) MC-50 tại Viện Khoa học Y học phóng xạ Hàn Quốc (KIRAMS) Máy gia tốc cyclotron được đưa vào hoạt động từ năm 1985 chủ yếu phục vụ cho các nghiên cứu xạ trị ung thư và chế tạo đồng vị Bên cạnh đó MC-

50 còn được sử dụng nhiều trong các nghiên cứu về phản ứng hạt nhân, năng phổ gamma, năng phổ nơtron và các nghiên cứu ứng dụng về hiệu ứng sinh học và chụp ảnh phóng xạ nơtron [26] Hình 2.3 là sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc cyclotron MC-50

Nguồn ion trong MC50 là thuộc loại PIG Người ta đã phát triển nguồn ion mao dẫn thành nguồn PIG (Penning ion Gauge) Trong PIG, vật liệu phát electron là tantan, đặt ở đáy các cột dạng ống rỗng (chimney) Còn ở đỉnh các cột chimney, có các catốt tantan Thế của các catốt là như nhau Các electron được đẩy từ cả hai đầu của ống chimney, và không chuyển động sang bên được do từ trường mạnh Do đó, mật độ electron cao hình thành ở tâm chimney và hiệu suất ion hóa hydro tăng lên, kết quả là cho dòng ra cao vào dòng dò hydro nhỏ PIG của MC-50 là loại điện cực lạnh, điện cực là LaB6 (N=1), HfC (N=2), được lắp đặt thẳng đứng giữa tâm cyclotron, cho dòng cực đại là 2A/3kV [6]

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc cyclotron MC - 50

Hệ RF có chức năng cung cấp thế gia tốc cho Dee Mối liên hệ giữa thế của Dee và nguồn RF phụ thuộc vào đặc trưng của mạch điện Về nguyên tắc, thế giữa khe của hai Dee có thể rất nhỏ Thế

này xác định số vòng quay của

hạt là bao nhiêu để nó đạt

được năng lượng mong muốn

Nguồn RF của KIRAMS –

MC50 có tần số từ 15.5~26.8

MHz, thế của Dee từ 30-50kV

Nguồn RF có hai số điều hòa,

là 1 và 2 Số điều hòa h là mối

liên hệ giữa vận tốc góc của

RF và vận tốc góc của mỗi

vòng quay ωRF = hωrev Với

h=1, độ lệch pha giữa Dee 1 va

Dee 2 là 1800 khi đó RF ở chế độ Push-pull (đẩy kéo), còn với h=2 Dee 1 và Dee 2 cùng pha, RF ở chế độ Push-Push, (hình 2.4) [6]

Hình 2.4: Nam châm điện cho AVF cyclotron

Nam châm điện của KIRAMS-MC50 có ba sector, đạt được từ trường trung bình cực đại là 1.75 Tesla Hình 2.4 là hình ảnh nam châm điện cyclotron MC-50 Bảng 2.1 và 2.2 liệt kê các thông số kỹ thuật chính của máy gia tốc cyclotron KIRAMS-MC50, [6]

a: h = 1 b: h = 2

Hình 2.5: Mối liên hệ giữa vận tốc góc của RF và vận tốc góc của mỗi vòng quay

Chùm ion gia tốc được lấy ra từ cyclotron MC50 sẽ đi vào một trong ba kênh Với hệ máy gia tốc này, các chùm proton, đơtơri được gia tốc lên tới tận 50 MeV,

và chất lượng của chùm tia cao Năng lượng của chùm ion gia tốc trên một nuclôn (E/A) đối với cyclotron được tính bởi E/A=K(q/M)2, trong đó K là hệ số hiệu suất, phụ thuộc vào từ trường trong Dee cũng như kích thước của cyclotron, còn q/M là tỉ

số điện tích trên khối lượng của ion MC-50 tại KIRAMS có K=50, do đó năng lượng cực đại của chùm proton là 50 MeV, còn với đơtơri là 25 MeV

Bảng 2.1: Một số thông số kỹ thuật của máy gia tốc KIRAMS-MC50

Nguồn ion Nguồn ion lạnh PIG

Max.Arc current/Voltage 2A/3Kv Catốt LaB6(N=1); HfC(N=2)

Số séc tơ 3 Khe giữa phần cao/ phần thấp 11.5/20.5cm Góc của phần cao ~70

Từ trường cực đại của phần cao 2.05 Tesla

Từ trường trung bình cực đại 1.75 Tesla Bán kính tách dòng 57cm Đường kính cực 155cm Góc xoắn cực đại 550

Số vòng cuộn dây nam châm 16(H)x20(W)

RF Số điều hòa h=1: push-pull

h=2: push-push Thế Dee 30-50 kV Góc của Dee 900

Tần số RF 15.5~26.8 Kích thước chùm 20mm Công suất ra cực đại 30kW

Bảng 2.2: Thông số của các chùm ion từ máy gia tốc cyclotron KIRAMS-MC50

Loại ion Năng lượng chùm ion Cường độ dòng cực đại

Proton 20 - 51 MeV 60 μA

Đơtron 10 - 25 MeV 30 μA

He-3 20 - 70 MeV 20 μA

He-4 25 - 52 MeV 30 μA

Hình 2.5 là sơ đồ khối của hệ máy gia tốc cyclotron MC - 50 tại KIRAMS, Hàn Quốc [ 6]

Hình 2.6: Sơ đồ khối của hệ máy gia tốc cyclotron MC - 50,

tại Viện KIRAMS, Hàn Quốc

Máy gia tốc cyclotron KIRAMS-MC50 có ba kênh ra, kênh thứ nhất là kênh

xạ trị bằng nơtron Sau khi ra khỏi máy ra tốc, chùm proton đập vào bia 9Be, gây ra phản ứng 9Be(p,n)9B tạo thành nơtron Hai kênh còn lại hợp với kênh thứ nhất 300 Trong đó có một kênh sản xuất đồng vị phóng xạ, đặc biệt là các đồng vị sống ngắn

để phục vụ cho chẩn đoán và điều trị bệnh như 11C, 18F, 67Ga, 123I, 201Tl Kênh cuối cùng là kênh để thực hiện các nghiên cứu về vật lý hạt nhân, và khoa học vật liệu như đo tiết diện phản ứng hạt nhân, đo cấu trúc thời gian của chùm xung proton 50 MeV, đo sự phân cực tuyến tính của các tia gamma, phương pháp đánh giá không phá hủy, Các thí nghiệm nghiên cứu phản ứng hạt nhân gây bởi chùm proton

thuộc đề tài luận văn được thực hiện trên kênh thứ ba

CHƯƠNG 3 THÍ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU

3.1 Thí nghiệm xác định suất lượng của phản ứng hạt nhân

Phương pháp kích hoạt phóng xạ kết hợp với đo phổ gamma sử dụng đetectơ bán dẫn gecmani siêu tinh khiết HPGe đã được lựa chọn trong nghiên cứu xác định

suất lượng và tiết diện của các phản ứng hạt nhân gây bởi chùm proton Nguyên lý

của phương pháp kích hoạt hạt nhân là thông qua các phản ứng hạt nhân tạo thành những đồng vị phóng xạ Trên cơ sở đo phổ bức xạ gamma phát ra từ các đồng vị phóng xạ tạo thành, dựa trên các số liệu hạt nhân như năng lượng, cường độ các tia gamma, chu kỳ bán rã của các đồng vị phóng xạ ta có thể nhận diện được các sản phẩm tạo thành sau phản ứng hạt nhân Suất lượng của các phản ứng được xác định thông qua hoạt độ phóng xạ hay chính là diện tích đỉnh phổ gamma đặc trưng đo được

Các thí nghiệm được thực hiện trên máy gia tốc cyclotron MC-50 tại KRIAMS, Hàn Quốc với chùm p có năng lượng 27 MeV Sơ đồ khối thí nghiệm chiếu mẫu được mô tả như trên hình 3.1

Mẫu nghiên cứu là các lá kim loại natMo và natZr có độ tinh khiết cao, lá natCu được sử dụng như là một monitor thông lượng chùm proton Đặc trưng của các mẫu được liệt kê trong bảng 3.1 Các thông số của thí nghiệm được liệt kê trong bảng 3.2

Hình 3.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm

Bảng 3.1: Đặc trưng của các mẫu được sử dụng

Khối lượng (g)

Độ tinh khiết (%)

natMo 92Mo(14.84%), 94Mo(9.25%),

Bảng 3.2: Thông số thí nghiệm chiếu mẫu

Thí nghiệm Mẫu Dòng ra Năng lượng

proton (MeV)

Thời gian chiếu (phút)

Thí nghiệm 1 natMo 2.5 μA 27 10

Thí nghiệm 2 natZr, natCu 50 nA 27 3

Sau khi chiếu hoạt độ phóng xạ của các mẫu được đo trên hệ đo phổ kế gamm ẫn gecmani siêu tinh khiết HPGe Trong thí nghiệm, các phổ gamma được đo nhiều lần với thời gian đo và thời gian phân rã khác nhau nhằm ghi nhận được các đồng vị có thời gian bán rã khác nhau và giảm thiểu các sai

số thống kê cũng như sai số hình học đo

3.3 Ghi nhận và phân tích phổ gamma của các mẫu sau khi chiếu

3.3.1 Giới thiệu

Lượng tử gamma được phát ra từ sự phân rã hạt nhân và mang năng lượng đặc trưng cho hạt nhân, chúng có thể được ghi nhận bằng các loại đetector thích hợp thông qua tương tác của chúng với vật liệu đetectơ Các tinh thể bán dẫn, ví dụ như Si(Li), Ge(Li) hay HPGe thường được dùng làm đetectơ ghi nhận bức xạ gamma Tương tác các tia gamma với tinh thể bán dẫn tạo lên các hạt mạng điện Trong ghi nhận bức xạ, ba cơ chế đóng vai trò quan trọng là hấp thụ quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp Điện tích tạo ra khi tinh thể hấp thụ toàn bộ năng lượng photon tỉ lệ với năng lượng của tia bị hấp thụ Sau đó, thông qua khuếch đại

sẽ tạo thành xung Các xung tương tự này lại được số hóa bằng ADC và được đưa đến hệ phân tích đa kênh MCA xử lý

Trong phổ, các lượng tử gamma bị hấp thụ hết năng lượng, tạo thành đỉnh năng lượng toàn phần, có phân bố Gauss là do sai số thống kê của quá trình tạo điện tích và do độ ồn điện tử Thực tế, nhiều khi đỉnh phổ bị lệch khỏi phân bố Gauss, có thể do hai nguyên nhân: sự hấp thụ điện tích không hết trong tinh thể dẫn đến hình thành đuôi ở vùng năng lượng thấp, thứ hai là do tốc độ đếm cao, hiệu ứng pile-up lớn, dẫn đến hình thành đuôi ở vùng năng lượng cao

3.3.2 Phổ kế gamma

Thí nghiệm dùng hệ phổ kế gamma với đêtectơ bán dẫn Germani siêu tinh khiết HPGe (ORTEC-USA) tại Viện Khoa học Y học phóng xạ Hàn Quốc, model GMX 20P, serial: 42-TN21688A, điện áp sử dụng 2500V, có độ phân giải năng lượng (FWHM) 1.8 keV tại đỉnh 1332 keV của 60Co Phổ gamma được ghi nhận và

xử lí bằng chương trình GammaVision (ORTEC)

3.3.2.1 Chuẩn năng lượng

Trong phổ kế gamma, chiều cao của xung phải được chuẩn về năng lượng tuyệt đối của tia gamma, để từ đó nhận diện được các tia gamma ứng với đỉnh nào trong phổ Phương pháp chuẩn chính xác là dùng nguồn chuẩn đã biết chính xác năng lượng tia gamma Các nguồn được dùng là các nguồn đơn năng, nếu là các nguồn đa năng thì chọn các đỉnh có cường độ lớn và nằm xa các đỉnh khác Do mỗi

hệ phổ kế dù tốt đến mấy đều có độ phi tuyến tại một hoặc hai kênh, do đó nên chuẩn nhiều đỉnh, đối với các phép đo dài, có thể bị trôi kênh trong quá trình đo, nên cần tiến hành chuẩn lại Độ chính xác của việc xác định tâm đỉnh phụ thuộc vào

độ phân giải của hệ phổ kế và độ ổn định trong suốt quá trình đo

3.3.2.2 Chuẩn hiệu suất ghi

Để đo hoạt độ của đồng vị phóng xạ, cần phải chuẩn hiệu suất ghi của hệ phổ

kế Hiệu suất ghi của hệ đo thường được chia làm hai loại: hiệu suất ghi tuyệt đối và hiệu suất ghi nội tại Hiệu suất ghi tuyệt đối được định nghĩa là:

Đối với hệ phổ kế gamma, các loại hiệu suất ghi thường sử dụng bao gồm: hiệu suất ghi đỉnh hấp thụ toàn phần, hiệu suất ghi tổng cộng, hiệu suất tương đối so với đêtectơ nhấp nháy NaI(Tl)

Có thể xác định hiệu suất ghi của hệ phổ kế bằng tính toán lý thuyết hoặc đo đạc thực nghiệm Bằng phương pháp thực nghiệm, hiệu suất ghi tuyệt đối đỉnh hấp thụ toàn phần của hệ phổ kế được xác định theo biểu thức dưới đây [1]:

tref là thời gian phân rã Td là thời gian ghi phổ

Aref là hoạt độ của nguồn chuẩn theo ngày sản xuất

λ là hằng số phân rã

Mục đích của việc xác định hiệu suất ghi là thiết lập công thức tính bán thực nghiệm mô tả đường cong hiệu suất trên toàn bộ vùng năng lượng mà chúng ta quan tâm, bằng cách làm khớp các kết quả thực nghiệm với một hàm toán học thích hợp Với detector bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết HPGe trong dải năng lượng ghi nhận từ

50 keV tới 2500 keV người ta thường sử dụng hàm khớp có dạng sau [ 9]:

Hìn 3.2: Đường cong hiệu suất ghi với các khoảng cách khác nhau

Hiệu suất ghi của hệ phổ kế gamma được xác định bằng thực nghiệm sử dụng các nguồn chuẩn gamma sau: 241Am (59,54keV,T1/2=433năm), 109

Cd (88,04keV,

T1/2=453,226 ngày), 137Cs (661,66 keV, T1/2=30,1 năm), 65Zn (1115,53 keV,

T1/2=243,8 ngày), 60Co (1173,24 keV và 1332,50 keV, T1/2 = 5,27 năm), 22Na (511