Nghiên cứu một số đặc trưng của phản ứng quang hạt nhân trên bia zr với chùm bức xạ hãm năng lượng cực đại 2,5 gev

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐỒNG THỊ KIM CÚC NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CỦA PHẢN ỨNG QUANG HẠT NHÂN TRÊN BIA Zr VỚI CHÙM BỨC XẠ HÃM NĂNG LƢỢNG CỰC ĐẠI 2,5 GeV LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐỒNG THỊ KIM CÚC NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CỦA PHẢN ỨNG QUANG HẠT NHÂN TRÊN BIA Zr VỚI CHÙM BỨC XẠ HÃM NĂNG LƢỢNG CỰC ĐẠI 2,5 GeV Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số : 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS PHẠM ĐỨC KHUÊ Hà Nội – 2015 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Hình ảnh minh họa phản ứng hạt nhân……………… ………………4 Hình 1.2 Hàm kích thích phản ứng hạt nhân………………………… ……….9 Hình 1.3 Tiết diện phản ứng quang hạt nhân toàn phần cho ncleon với vùng lƣợng khác nhau…………………………… …………………….…10 Hình 1.4 Suất lƣợng phản ứng quang hật nhân bia 197 Au bia 209Bi với lƣợng chùm xạ hãm GeV………………………………… … …14 Hình 1.5 Phân bố suất lƣợng hạt nhân sản phẩm bia Cu gây chùm xạ hãm 1000MeV………………………………………………………………… ….… 16 Hình 1.6 Tốc độ lƣợng va chạm phát xạ eletron Cu…….17 Hình 1.7 Phổ xạ hãm phát từ bia Al W bắn phá chùm eletron lƣợng 165 MeV…………………………………………………………… …….18 Hình 2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu……………………………… …….19 Hình 2.2 Máy gia tốc tuyến tính 2,5 GeV Trung tâm Gia tốc Pohang, POSTECH, Hàn Quốc…………………………………………………………………… ……… 21 Hình 2.3 Phổ xạ hãm phát từ bia W bắn phá bở chùm eletron lƣợng 2,5 GeV đƣợc mô phần mềm Geant4………………………………… 21 Hình 2.5 Các detecto bán dẫn Ge siêu tinh khiết HPe (ORTEC CANBERRA) đƣợc sử dụng nghiên cứu……………………………………….……………23 Hình 2.6 Hệ điện tử máy tính kết nối ghi nhận phổ gamma………………… …….23 Hình 2.7 Đƣờng cong hiệu suất ghi đỉnh quang điện detecto bán dẫn HPGe (Canberra) sử dụng nghiên cứu…………………………………… ………25 Hình 2.8 Đƣờng cong hiệu suất ghi đỉnh quang điện detecto bán dẫn HPGe (ORTEC) sử dụng nghiên cứu………………………………………………25 Hình 2.9 Phổ gamma mẫu Zr với thời gian chiếu giờ, thời gian phơi 180 phút thời gian đo 15 phút…………………………………………… ………… 27 Hình 2.10 Phổ gamma mẫu Zr với thời gian chiếu giờ, thời gian phơi 905 thời gian đo 48 giờ…………………………………………………….……….28 Hình 2.11 Sự phụ thuộc hoạt độ phóng xạ vào thời gian kích hoạt (ti) thời gian phân rã (td) thời gian đo (tm)………………………………………………31 Hình 3.1 Phân bố suất lƣợng phản ứng bia nat Zr theo số khối hạt nhân sản phẩm……………………………………………………… ……….48 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Đặc trƣng mẫu Zr đƣợc sử dụng……………………………………19 Bảng 2.2 Các thông số thí nghiệm………………………… ……………….20 Bảng 3.1 Kết nhận diện phản ứng quang hạt nhân gây chùm xạ hãm 2,5 GeV bia Zr tự nhiên………………………………………………….36 Bảng 3.2 Suất lƣợng phản ứng quang hạt nhân thu đƣợc…………………… 45 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng anh Nghĩa tiếng việt HPGe High-purtity Germanium Bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG QUANG HẠT NHÂN .3 1.1 Một số đặc trƣng phản ứng hạt nhân 1.1.1 Khái niệm phản ứng hạt nhân 1.1.2 Năng lƣợng phản ứng hạt nhân 1.1.3 Khái niệm tiết diện phản ứng hạt nhân 1.1.4 Tốc độ suất lƣợng phản ứng hạt nhân 1.2.Phản ứng quang hạt nhân 1.2.1 Khái niệm phản ứng quang hạt nhân 1.2.2 Cộng hƣởng lƣỡng cực điện khổng lồ 11 1.2.3 Cơ chế giả đơtron 12 1.2.4 Phản ứng photospallation 13 1.3.Bức xạ hãm từ máy gia tốc electron 16 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU 19 2.1 Thí nghiệm nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân biaZr 19 2.2 Máy gia tốc electron tuyến tính 2,5 GeV 20 2.3 Ghi nhận phân tích phổ gamma 22 2.5 Một số hiệu chỉnh nâng cao độ xác kết đo 32 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36 3.1 Kết nhận diện đồng vị phóng xạ tạo thành 36 3.3 Xác định suất lƣợng phản ứng quang hạt nhân 44 3.4 Phân bố suất lƣợng phản ứng photospallation 46 KẾT LUẬN .49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 MỞ ĐẦU Với tiến không ngừng khoa học kĩ thuật, phản ứng hạt nhân không khái niệm xa lạ ngƣời Những nghiên cứu phản ứng hạt nhân đóng vai trò quan trọng phát triển khoa học công nghệ cao tìm hiểu sâu chất giới tự nhiên nhiều bí ẩn Nghiên cứu phản ứng hạt nhân thu đƣợc thông tin giúp nhận biết cấu trúc nhƣ tính chất hạt nhân, đồng thời triển khai kết nghiên cứu nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhƣ khai thác lƣợng hạt nhân, chế tạo ứng dụng đồng vị phóng xạ, sử dụng số liệu hạt nhân tính toán che chắn an toàn xạ, Chính mà ngày phản ứng hạt nhân trở thành hƣớng nghiên cứu quan trọng lĩnh vực nghiên cứu hạt nhân ứng dụng Cho tới đa số phản ứng hạt nhân đƣợc thực với chùm hạt tích điện với nơtron Các nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân chƣa nhiều, phần lớn tập trung vùng lƣợng thấp, số vùng lƣợng cao hơn, nhiên số liệu thực nghiệm vùng lƣợng GeV tƣơng đối tản mạn, chƣa đủ nhiều để xây dựng mẫu hạt nhân bán thực nghiệm kiểm tra phù hợp mô hình lý thuyết Trong năm gần nhờ phát triển máy gia tốc điện tử có khả sinh xạ hãm với lƣợng nằm giải rộng cƣờng độ lớn, tạo điều kiện cho việc đẩy mạnh nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân Nếu phản ứng hạt nhân xảy với hạt mang điện tích nơtron theo chế tƣơng tác mạnh phản ứng quang hạt nhân xảy theo chế tƣơng tác điên từ chế phản ứng phụ thuộc mạnh vào lƣợng/bƣớc sóng photon tới Cơ chế tƣơng tác photon với hạt nhân nguyên tử phân chia theo ba vùng lƣợng: vùng lƣợng 8-40 MeV photon có bƣớc sóng tƣơng đƣơng với kích thƣớc hạt nhân tƣơng tác trực tiếp với hạt nhân Các nuclon hạt nhân hấp thụ lƣợng photon, tạo dao động tập thể dẫn đến hấp thụ cộng hƣởng lƣỡng cực khổng lồ Khi lƣợng tăng bƣớc sóng photon giảm photon tƣơng tác với cặp n-p theo chế giả đơteri tƣơng tác trực tiếp với nuclon hạt nhân Ở lƣợng cao hơn150 MeV có tạo thành pion từ phản ứng sinh nhiều hạt Bản luận văn: “Nghiên cứu số đặc trƣng phản ứng quang hạt nhân bia Zr với chùm xạ hãm lƣợng cực đại 2,5 GeV.” nhằm tiếp cận với lĩnh vực nghiên cứu phản ứng hạt nhân vùng lƣợng GeV Mục đích luận án nhận diện sản phẩm phản ứng quang hạt nhân, xác định suất lƣợng phân bố suất lƣợng chúng Đối tƣợng nghiên cứu đƣợc chọn Zirconi tự nhiên có năm đồng vị bền 90Zr, 91Zr, 92Zr, 94Zr, 96Zr Zr kim loại có tiết diện bắt nơtron nhiệt lớn, có độ bền học cao khả chống ăn mòn hóa học tốt Zr loại vật liệu quan trọng vỏ bọc nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân Nghiên cứu thực nghiệm đƣợc tiến hành sở kết hợp phƣơng pháp kích hoạt phóng xạ với phƣơng pháp đo phổ gamma sản phẩm phóng xạ đƣợc taọ thành sau phản ứng sử dụng đetectơ bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết (HPGe) có độ phân giải lƣợng cao Thí nghiệm đƣợc thực máy gia tốc electron tuyến tính 2,5 GeV Trung tâm gia tốc Pohang, Hàn Quốc Bố cục luận văn phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo, đƣợc chia làm chƣơng Chƣơng 1: Trình bày tổng quan lý thuyết phản ứng quang hạt nhân, số kết nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân Chƣơng 2: Tìm hiểu thí nghiệm nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân sinh nhiều hạt bia Zr với chùm xạ hãm lƣợng cực đại 2,5 GeV đƣợc tạo máy gia tốc electron tuyến tính, phƣơng pháp kỹ thuật phân tích, xử lí số liệu thực nghiệm Chƣơng 3: Trình bày kết thực nghiệm đoán nhận đồng vị phóng xạ tạo thành, xác định suất lƣợng phân bố suất lƣợng phản ứng quang hạt nhân CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG QUANG HẠT NHÂN 1.1 Một số đặc trƣng phản ứng hạt nhân 1.1.1 Khái niệm phản ứng hạt nhân Phản ứng hạt nhân trình biến đổi hạt nhân gây va chạm hai hạt nhân, nucleon với hạt nhân biến đổi hạt nhân gây xạ/hạt khác Phản ứng hạt nhân xảy khoảng cách cỡ 10-13 cm Thông thƣờng phản ứng hạt nhân xảy bắn phá hạt nhân chùm hạt nhƣ nơtron, proton, hạt alpha, photon, ion nặng Do va chạm mạnh hạt tới hạt nhân bia mà sau phản ứng xuất hai hay nhiều hạt bay theo phƣơng khác Trƣờng hợp đơn giản xét phản ứng hạt nhân tạo hai hai hạt sau phản ứng: a+AB+b+Q (1.1) a hạt tới, A hạt nhân bia , B hạt nhân sản phẩm, b hạt xạ phát Hạt a b proton (p), nơtron (n), alpha (), electron (e) gamma (), đơtron (D), Triton (T), ion nặng, Q lƣợng phản ứng Phản ứng hạt nhân phân loại thành: Tán xạ đàn hồi, Tán xạ không đàn hồi, Phản ứng biến đổi hạt nhân số phản ứng khác nhƣ phản ứng sinh nhiều hạt, phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch Thang thời gian phản ứng hạt nhân cỡ 10-22 s, thời gian phản ứng trực tiếp có bậc độ lớn 10-22 s, thời gian phản ứng hạt nhân hợp phần vào cỡ 10-1610-15 s với chùm lƣợng thấp khoảng 10-21- 10-20 s với chùm lƣợng cao Ngoài phân loại phản ứng hạt nhân theo loại hạt vào: n, , hạt tích điện, ion nặng,…theo chế phản ứng: hợp phần (compound), tiền cân (preequilibium), trực tiếp (direct interaction),… Phản ứng hạt nhân hoàn toàn tƣơng tác mạnh, tùy thuộc vào hạt tới Phản ứng hạt nhân tƣơng tác mạnh hạt đến proton, nơtron, ions Phản ứng hạt nhân tƣơng tác điện từ hạt đến photon, electron, ions Còn hạt đến nơtrino phản ứng hạt nhân thuộc loại tƣơng tác yếu [3] Hình 1.1: Hình ảnh minh họa phản ứng hạt nhân 1.1.2 Năng lượng phản ứng hạt nhân Hạt nhân có kích thƣớc nhỏ (cỡ 10-12 cm), liên kết hoá học nguyên tử lại nhỏ, hệ hai hạt nhân tƣơng tác với xem hệ cô lập, đó: Tổng lƣợng nhƣ xung lƣợng hạt hệ đƣợc bảo toàn Xét phản ứng A(a,b)B, ta có: mac2 + MAc2 + Ea+ EA = mbc2 + MBc2 + Eb+ EB (1.2) đó: ma , MA2 , mb,MB , mac2 , MAc2 , mbc2 ,MBc2 khối lƣợng lƣợng tĩnh hạt a, A, b, B Ea, EA , Eb , EB động hạt a, A, b, B Đặt E01= (ma + MA) c2; E02= (mb + MB) c2 gọi lƣợng nghỉ, E1 = Ea+EA ;E2 = Eb+ EB động trƣớc sau phản ứng Thông thƣờng xem hạt nhân bia A đứng yên, E1 = Ea Hiệu E01 - E02 đƣợc gọi lƣợng phản ứng, ký hiệu Q: STT Đồng Phản ứng hạt nhân vị 16 17 85 Sr 85m Sr 19 20 21 80 84 Sr Rb 84m Rb bánrã, T1/2 keV (cƣờng độ, %) 64,84 ngày 514,006 (96) 67,63 phút 151,159 (12,9);231,67 (84,4) 32,41giờ 762,65 (30) 106,3 phút 589,05 (39); 175,4 (10,1) 32,77 ngày 881,610 (69) 29,26 phút 215,61 (29,5); 248,02 Zr(,9n2p)85Sr 91,61 94 Zr(,7n2p)85Sr 77,27 92 Zr(,5n2p)85Sr 62,31 91 Zr(,4n2p)85Sr 53,67 90 Zr(,3n2p)85Sr 46,47 96 Zr(,9n2p)85mSr 91,61 Zr(,7n2p)85mSr 77,27 Zr(,5n2p)85mSr 62,31 Zr(,4n2p)85mSr 53,67 Zr(,3n2p)85mSr 46,47 96 Zr(,11n2p)83Sr 112,08 94 Zr(,9n2p)83Sr 97,74 92 Zr(,7n2p)83Sr 82,77 91 Zr(,6n2p)83Sr 74,13 90 Zr(,5n2p)83Sr 66,93 96 Zr(,14n2p)80Sr 142,82 94 Zr(,12n2p)80Sr 130,42 92 Zr(,10n2p)80Sr 113,51 91 Zr(,9n2p)80Sr 105,57 90 Zr(,8n2p)80Sr 97,66 96 Zr(,9n3p)84Rb 100,26 94 Zr(,7n3p)84Rb 85,92 92 Zr(,5n3p)84Rb 91 Zr(,4n3p)84Rb 62,31 90 Zr(,3n3p)84Rb 55,12 96 Zr(,9n3p)84mRb 100,26 90 Sr (MeV) 96 91 18 Năng lƣợng gamma, Zr(,1n2p) 92 83 Chu kì 90 94 87m Eth Sr 26,54 70,96 39 STT Đồng Phản ứng hạt nhân vị 22 23 24 25 26 83 Rb 82m 81 79 Rb Rb Rb 79 Kr 84m Eth Chu kì Năng lƣợng gamma, (MeV) bánrã, T1/2 keV (cƣờng độ, %) 94 Zr(,7n3p) Rb 85,92 92 Zr(,5n3p)84mRb 70,96 91 Zr(,4n3p)84mRb 62,31 90 Zr(,3n3p)84mRb 55,12 96 Zr(,10n3p)83Rb 109,01 94 Zr(,8n3p)83Rb 94,68 92 Zr(,6n3p)83Rb 79,71 91 Zr(,5n3p)83Rb 71,07 90 Zr(,4n3p)83Rb 63,87 96 Zr(,11n3p)82mRb 119,99 94 Zr(,9n3p)82mRb 105,65 92 Zr(,7n3p)82mRb 90,68 91 Zr(,6n3p)82mRb 82,04 90 Zr(,5n3p)82mRb 74,83 96 Zr(,12n3p)81Rb 128,80 94 Zr(,10n3p)81Rb 114,47 92 Zr(,8n3p)81Rb 99,49 91 Zr(,7n3p)81Rb 90,85 90 Zr(,6n3p)81Rb 83,65 96 Zr(,14n3p)79Rb 149,63 94 Zr(,12n3p)79Rb 92 (60); 463,62 (36,1) 86,2 ngày 520,39 (44); 529,63 (29) 6,472 554,348 (62,4); 776,51 (84); 619,106 (37,976); 4,576 190,46 (64,01); 446,15 (23,2) 22,9 phút 135,29 129,76 (10,74); 147,08 (10,49); 182,78 (19,2); Zr(,10n3p)79Rb 120,31 505,4 (10,6) 91 Zr(,9n3p)79Rb 111,67 90 Zr(,8n3p)79Rb 104,47 96 Zr(,13n4p)79Kr 145,20 94 Zr(,11n4p)79Kr 130,86 92 Zr(,9n4p)79Kr 115,89 91 Zr(,8n4p)79Kr 107,24 40 35,04 261,36 (13); 397,54 (9,3); 606,09 (8,1) STT Đồng Phản ứng hạt nhân vị 27 28 29 30 31 032 77 76 Kr Kr 77 76 75 Br Br Br 74m Br 79 Eth Chu kì Năng lƣợng gamma, (MeV) bánrã, T1/2 keV (cƣờng độ, %) 74,4 phút 129,64 (81); 146,59 90 Zr(,7n4p) Kr 100,04 96 Zr(,15n4p)77Kr 166,62 94 Zr(,13n4p)77Kr 151,31 92 Zr(,11n4p)77Kr 136,33 91 Zr(,10n4p)77Kr 127,69 90 Zr(,9n4p)77Kr 120,48 96 Zr(,16n4p)76Kr 174,90 94 Zr(,14n4p)76Kr 160,55 92 Zr(,12n4p)76Kr 145,57 91 Zr(,11n4p)76Kr 136,93 90 Zr(,10n4p)76Kr 129,72 96 Zr(,14n5p)77Br 161,80 94 Zr(,12n5p)77Br 148,72 92 Zr(,10n5p)77Br 132,48 91 Zr(,9n5p)77Br 123,83 90 Zr(,8n5p)77Br 116,63 96 Zr(,15n5p)76Br 172,83 94 Zr(,13n5p)76Br 158,49 92 Zr(,11n5p)76Br 143,51 91 Zr(,10n5p)76Br 134,87 90 Zr(,9n5p)76Br 127,66 96 Zr(,16n5p)75Br 182,07 94 Zr(,14n5p)75Br 167,73 92 Zr(,12n5p)75Br 152,75 91 Zr(,11n5p)75Br 144,10 90 Zr(,10n5p)75Br 136,90 96 Zr(,17n5p)74mBr 194,00 94 Zr(,15n5p)74mBr 179,66 92 Zr(,13n5p)74mBr 164,68 41 (37,3) 14,8 270,2 (21,1); 315,7 (39); 406,5 (12,1) 57,036 238,996 (23); 520,639 (22,4) 16,2 559,101 (74); 657,04 (15,9); 1216,164 (8,8) 96,7 phút 141,31 (6,65); 286,57 (88) 46 phút 634,78 (91); 728,37 (35,6) STT Đồng Phản ứng hạt nhân vị 33 34 35 36 37 38 73 75 74 72 71 70 Se Se As As As As 74m Eth Chu kì Năng lƣợng gamma, (MeV) bánrã, T1/2 keV (cƣờng độ, %) 7,15giờ 67,03 (78); 360,8 (108) 91 Zr(,12n5p) Br 156,03 90 Zr(,11n5p)74mBr 148,82 96 Zr(,17n6p)73Se 198,39 94 Zr(,15n6p)73Se 184,05 92 Zr(,13n6p)73Se 169,06 91 Zr(,12n6p)73Se 160,41 90 Zr(,11n6p)73Se 153,21 96 Zr(,15n6p)75Se 178,25 119,779 136 (58,3); 264,6576 94 Zr(,13n6p)75Se 163,91 ngày 92 Zr(,11n6p)75Se 148,93 (58,9); 279,542 (24,99); 91 Zr(,10n6p)75Se 140,28 90 Zr(,9n6p)75Se 133,08 96 Zr(,15n7p)74As 186,87 17,77 ngày 595,85 (59); 634,78 94 Zr(,13n7p)74As 172,53 92 Zr(,11n7p)74As 157,54 91 Zr(,10n7p)74As 148,90 90 Zr(,9n7p)74As 141,69 96 Zr(,17n7p)72As 205,68 94 Zr(,15n7p)72As 191,34 92 Zr(,13n7p)72As 176,35 91 Zr(,12n7p)72As 167,70 90 Zr(,11n7p)72As 160,50 96 Zr(,18n7p)71As 214,11 94 Zr(,16n7p)71As 199,76 92 Zr(,14n7p)71As 184,78 91 Zr(,13n7p)71As 176,13 90 Zr(,12n7p)71As 168,92 96 Zr(,19n7p)70As 225,76 94 Zr(,17n7p)70As 211,41 42 (15,4) 26,0 834,01 (80), 629,95 (7,92) 65,28 174,954 (82) 52,6 phút 743,56 (21,5); 1039,20 (81) STT Đồng Phản ứng hạt nhân vị 39 40 41 42 43 44 69 67 66 Ge Ga Ga 65 58 54 Zn Co Mn 70 Eth Chu kì Năng lƣợng gamma, (MeV) bánrã, T1/2 keV (cƣờng độ, %) 39,05 574,17 (13,.3); 92 Zr(,15n7p) As 196,43 91 Zr(,14n7p)70As 187,78 90 Zr(,13n7p)70As 178,82 96 Zr(,19n8p)69Ge 230,30 94 Zr(,17n8p)69Ge 215,96 92 Zr(,15n8p)69Ge 200,97 91 Zr(,14n8p)69Ge 192,32 90 Zr(,13n8p)69Ge 185,11 96 Zr(,20n9p)67Ga 245,93 94 Zr(,18n9p)67Ga 231,58 92 Zr(,16n9p)67Ga 216,59 91 Zr(,15n9p)67Ga 207,93 90 Zr(,14n9p)67Ga 200,73 96 Zr(,21n9p)66Ga 257,18 94 Zr(,19n9p)66Ga 242,83 92 Zr(,17n9p)66Ga 227,84 91 Zr(,16n9p)66Ga 219,19 90 Zr(,15n9p)66Ga 211,98 96 Zr(,21n10p)65Zn 262,30 94 Zr(,19n10p)65Zn 247,95 92 Zr(,17n10p)65Zn 232,96 91 Zr(,16n10p)65Zn 224,30 90 Zr(,15n10p)65Zn 217,09 96 Zr(,25n13p)58Co 322,72 94 Zr(,23n13p)58Co 308,36 92 Zr(,21n13p)58Co 293,36 91 Zr(,20n13p)58Co 284,70 90 Zr(,19n13p)58Co 277,49 96 Zr(,27n15p)54Mn 368,45 43 1107,01 (36) 3,2612 ngày 93,311 (39,2); 184,577 (21,2); 300,219 (16,8) 9,49 833,537 (5,89); 1039,231 (37) 244,26 ngày 1115,55 (50,6) 70,86 ngày 810,77 (99) 312,3 ngày 834,85 (99,98) Đồng STT Phản ứng hạt nhân vị 95 45 Nb 54 Eth Chu kì Năng lƣợng gamma, (MeV) bánrã, T1/2 keV (cƣờng độ, %) 34,975 765,79 (100) 94 Zr(,25n15p) Mn 343,50 92 Zr(,23n15p)54Mn 328,50 91 Zr(,22n15p)54Mn 319,84 90 Zr(,21n15p)54Mn 312,62 96 Zr(,1n -)95Nb 146,46 ngày 90 46 Nb 96 Zr(,6n -)90Nb 191,03 94 Zr(,4n -)90Nb 176,64 92 Zr(,2n -)90Nb 161,66 91 Zr(,1n -)90Nb 153,01 90 Zr(, -)90Nb 145,81 14,6 141,18 (66,8); 1129,22 (92,7) Trong nghiên cứu nhận diện đƣợc 46 đồng vị phóng xạ đƣợc tạo thành từ phản ứng quang hạt nhân bia Zr, có đồng vị Zr từ phản ứng nat Zr(,xn) Phần lớn sản phẩm đƣợc tạo thành chủ yếu từ phản ứng photospallation 95 Nb 95,90 90 nat Zr(,xnyp) Đặc biệt ghi nhận đƣợc hai đồng vị Nb đƣợc tạo từ phản ứng quang hạt nhân sinh pion nat Zr(,xn-) Nb, x y số nơtron proton phát Các đồng vị có số khối từ 54 đến 95, đồng vị có thời gian sống ngắn 22,9 phút (79Rb) đồng vị có thời gian sống dài 312,3 ngày (54Mn) Và số sản phẩm phản ứng trạng thái isomer (90m, 87m, 86m, 85m, 84mY, 87m, 85mSr, 84m,82m Rb, ) Số nucleon phát nhiều 27 nơtron 15 proton từ phản ứng 96 Zr(,27n15p)54Mn, 01 nơtron từ phản ứng 96Zr(,n)95Zr 3.3 Xác định suất lƣợng phản ứng quang hạt nhân Suất lƣợng phản ứng hạt nhân hạt nhân nguyên tử giây đƣợc xác định thực nghiệm dựa việc đo hoạt độ gamma đồng vị phóng xạ tạo thành sau phản ứng Hoạt độ đồng vị phóng xạ đƣợc xác định từ diện tích đỉnh phổ gamma thu nhận đƣợc Mối liên hệ suất 44 lƣợng phản ứng diện tích đỉnh phổ gamma C, đƣợc biểu diễn phƣơng trình sau: Y  Emax Eth  ( E ) ( E )dE  C N oI  f (1  e ti )e td (1  e tc ) (3.1) đó:  thông lƣợng tích phân xạ kích hoạt, I cƣờng độ tia gamma  tiết diện kích hoạt,  số phân rã Nolà số hạt nhân bia,  hiệu suất ghi đêtectơ ti, td, tc thời gian chiếu, phơi đo Bảng 3.4 kết thực nghiệm xác định suất lƣợng tạo thành đồng vị đồng vị từ phản ứng quang hạt nhân bia Zr bắn phá chùm xạ hãm lƣợng cực đại 2,5 GeV Bảng 3.4 Suất lượng phản ứng quang hạt nhân thu Đồng vị Suất lƣợng Đồng vị 1018 (/s/atom) Suất lƣợng 1018 (/s/atom) 95 Zr 290,442±17,426 81 Rb 5,944±0,357 89 Zr 126,284±7,577 79 Rb 0,879±0,167 88 Zr 22,864±1,372 79 Kr 5,166±0,517 86 Zr 1,890±0,151 77 Kr 0,840±0,088 92 Y 0,742±0,074 76 Kr 0,501±0,090 90m 1,038±0,072 77 Br 3,471±0,312 88 Y 6,901±0,552 76 Br 1,810±0,163 87 Y 8,195±0,492 75 Br 1,016±0,110 87m 4,593±0,367 74m 0,152±0,030 86 6,901±0,552 73 Se 0,701±0,063 2,598±0,234 75 Se 3,868±0,348 Y Y Y 86m Y Br 45 Suất lƣợng Đồng vị 85 Suất lƣợng 1018 (/s/atom) Đồng vị 1018 (/s/atom) 1,082±0,108 74 As 1,263± 0,0126 85m 3,115±0,280 72 As 1,836± 0,208 84m 0,652±0,117 71 As 1,243± 0,112 87m 0,224±0,016 70 As 0,325± 0,065 85 12,522±0,751 69 Ge 0,793± 0,159 85m 2,105±0,316 67 Ga 1,435± 0,215 83 Sr 6,670±0,533 66 Ga 0,268±0,040 80 Sr 0,289±0,055 65 Zn 1,060 ± 0,212 84 Rb 2,129±0,213 58 Co 0,325 ± 0,058 84m 0,423±0,038 54 Mn 2,505± 0,376 83 10,132± 0,811 95 Nb 2,733± 0,492 3,026± 0,272 90 Nb 0,370± 0,074 Y Y Y Sr Sr Sr Rb Rb 82m Rb Kết xác định đƣợc suất lƣợng 46 hạt nhân sản phẩm từ phản ứng quang hạt nhân bia Zr tự nhiên Từ kết thu đƣợc cho thấy suất lƣợng tạo thành đồng vị đồng vị phóng xạ có giá trị phân bố khoảng 10-19 đến 10-16 /giây/hạt nhân Đồng vị có suất lƣợng lớn 95Zr đƣợc tạo thành từ phản ứng hạt nhân 96 Zr(,n)95Zr, đồng vị có suất lƣợng nhỏ ghi nhận đƣợc 74m Br tạo thành từ phản ứng natZr(,xnyp) 74mBr 3.4 Phân bố suất lƣợng phản ứng photospallation Các số liệu thực nghiệm đƣợc mô tả công thức bán thực nghiệm Rudstam sau: Y k R / P 1.79(e PAt  1) exp[ PA  R Z  SA  TA2 đó: 46 3/ ] (3.2) + Z điện tích hạt nhân sản phẩm + A số khối hạt nhân sản phẩm + At số khối hạt nhân bia (AZr = 91.224) +Các hệ số k, P, R, S, T,  hệ số bán thực nghiệm Giá trị hệ số công thức đƣợc xác định nhƣ sau: 1,13 k =2,9410-18,   (0,81  0,192 ln E max = 113,54  )A t R  11,8 At0, 45 =1,548; P  7,12  At0,89 = 0,1282; S = 0,484; T = 0,00039; At = 91.224; Emax = 2500 MeV ; Công thức Rudstam phản ứng hạt nhân photospallation (,xnyp), nhƣng không phù hợp phản ứng hạt nhân sinh nơtron (,xn) Suất lƣợng phản ứng (,xn) đƣợc mô tả công thức bán thực nghiệm dƣới đây[28]: Y ( , xn)  f  At0.684 exp[ 37 At0.893( x  1)5 / ] (3.3) đó: At số khối hạt nhân bia, x số nơtron phát ra, f = 2,473 10-17 Hình 3.1 đồ thị biểu diễn phân bố suất lƣợng phản ứng quang hạt nhân theo số khối đồng vị đƣợc tạo thành bia Zr gây chùm xạ hãm 2,5 GeV.Trong các hin ̀ h vẽ , biểu tƣợng điểm đƣợc xác định thực nghiệm, đƣờng cong đƣợc tính theo công thức Rudstam (3.2) công thức (3.3) mô tả phân bố suất lƣợng đồng vị sản phầm phản ứng Từ việc phân tích số liệu thu đƣơ ̣c nhận diện đƣợc Suất lƣợng tạo thành đồng vị 95Zr lớn nhất, suất lƣợng 46 đồng vị phóng xạ 90 Nb nhỏ Ta nhận thấy đồng vị nguyên tố có số khối gần đồng vị bền nguyên tố suất lƣợng tạo thành lớn 47 -15 Suat luong (/s/atom) 10 Zr Y Sr Rb Kr Br Se As -16 10 Ge Ga Zn Co Mn Nb cal nat Zr(,xn) nat Zr(,xnyp) -17 10 As Se Ga Br Rb Sr Y Zr Kr Nb Ge nat Zr(,xn-) Zn -18 10 Mn Co -19 10 -20 10 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 So khoi hat nhan san pham, A Hình 3.1 Phân bố suất lượng phản ứng quang hạt nhân bia natZr Các kết thu đƣợc hình 3.1 cho thấy phân bố suất lƣợng đồng vị có dạng gần với phân bố Gauss, số liệu thực nghiệm thu đƣợc phù hợp với đƣờng cong tính toán theo công thức bán thực nghiệm Rudstam Điều chứng tỏ có phù hợp kết thực nghiệm với tiên đoán lý thuyết phản ứng quang hạt nhân vùng lƣợng cao Trong thí nghiệm, mẫu Zr đƣợc kích hoạt chùm xạ hãm lƣợng cao 2,5 GeV tạo nhiều đồng vị phóng xạ khác cháu chúng gây nhiều khó khăn phân tích số liệu Việc loại trừ can nhiễu, thực phép hiệu cần thiết nhằm nâng cao độ xác kết thực nghiệm Sai số kết thực nghiệm đƣợc đánh giá từ 5% - 20%, chủ yếu nguồn sai số nhƣ sai số thống kê số đếm đỉnh gamma, sai số hiệu suất ghi đêtectơ, sai số xử lý phổ gamma, hiệu ứng cộng đỉnh, tự hấp thụ tia gamma mẫu, sai số từ số liệu hạt nhân nhƣ chu kỳ bán rã, xác xuất phát xạ, 48 KẾT LUẬN Bản luận văn trình bày kết nghiên cứu phân bố suất lƣợng đồng vị phóng xạ đƣợc sinh từ phản ứng quang hạt nhân bia Zr gây chùm xạ hãm lƣợng cực đại 2,5 GeV máy gia tốc electron tuyến tính Kỹ thuật kích hoạt phóng xạ đo phổ gamma đƣợc sử dụng nghiên cứu thực nghiệm Các đồng vị phóng xạ tạo thành sau phản ứng quang hạt nhân đƣợc nhận diện vào lƣợng tia gamma chu kỳ bán rã Suất lƣợng phản ứng đƣợc xác định dựa việc đo hoạt độ phóng xạ hạt nhân sản phẩm sử dụng đêtectơ bán dẫn gecmani siêu tinh khiết (HPGe) có độ phân giải lƣợng cao, sử dụng phần mềm Genie 2000, Gamma Vision Fitpeak để ghi nhận phân tích phổ gamma; phần mềm Mathematica Origin để tính toán phân tích số liệu Các kết thực nghiệm thu đƣợc bao gồm: Nhận diện đƣợc 46 đồng vị phóng xạ, 04 đồng vị tạo thành từ phản ứng sinh nhiều nơtron nat Zr(,xn), 40 đồng vị từ phản ứng photospallation natZr(,xnyp), 02 đồng vị từ phản ứng quang hạt nhân tạo pion natZr(,xn-) Xác định suất lƣợng tạo thành 46 hạt nhân sản phẩm từ phản ứng quang hạt nhân bia Zr Xác định đƣợc phân bố suất lƣợng phản ứng theo số khối hạt nhân sản phẩm sở tính toán bán thực nghiệm sử dụng công thức Rudstam Các kết nhận đƣợc cho thấy suất lƣợng tạo thành đồng vị đồng vị phóng xạ có phân bố gần nhƣ đối xứng theo số khối Các số liệu thực nghiệm phù hợp với tính toán theo công thức bán thực nghiệm Rudstam Cho đến phần lớn nghiên cứu liên quan tới phản ứng quang hạt nhân tập trung vùng lƣợng cộng hƣởng khổng lồ (≤ 30 MeV) Cơ chế phản ứng đƣợc giải thích cách đầy đủ phản ứng lƣợng thấp, 49 nhiên vùng lƣợng cao hơn, thông tin bị hạn chế Các số liệu thực nghiệm chƣa đủ nhiều để phản ánh đƣợc tranh đầy đủ chế phản ứng quang hạt nhân vùng lƣợng cao Các số liệu thực nghiệm suất lƣợng phản ứng bên cạnh việc bổ sung số liệu hạt nhân góp phần làm sáng tỏ chế phản ứng hạt nhân vùng lƣợng cao Về mặt ứng dụng sử dụng việc chế tạo đồng vị phóng xạ, tính toán che chắn an toàn xạ cho các máy gia tố c , phân tích kích hoạt… Qua viê ̣c thực luận văn , học viên đã trau dồi thêm đƣợc kiến thức vầ vật lý hạt nhân, làm quen với kỹ tính toán,thực nghiệm xử lý số liệu, đặc biệt khai thác sử dụng đƣợc số phần mềm chuyên dụng phân tích số liệu hạt nhân thực nghiệm 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng việt Nguyễn Văn Đỗ (2004), "Các phương pháp phân tích hạt nhân", NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội Lê Hồng Khiêm (2008), "Phân tích số liệu ghi nhận xạ", NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội Phạm Đức Khuê (2013), Tập giảng “Phản ứng hạt nhân”, Hà Nội 2013 Đặng Huy Uyên (2005), “Vật lý hạt nhân đại cương”, NXB Đại học quốc gia Hà Nội, Hà Nội Tài liệu tiếng anh A S Danagulyan, S Demekhina and G A Vartapetyan (1977), "Photonuclear reactions in medium weight nuclei 51V, 55Mn and Cu", Nucl Phys A 285, 482 D J S Findlay (1990), “Applications of photonuclear reactions”, Nucl Instr and Meth B 50, 314 G.J Kumbartzki, Ung Kim and Ch K Kwan (1991), “ Photonspallation of medium – heavy elements with bremsstrahlung of maximum energiesbetween 0.8 and 2.1 GeV”, Nucl Phys A 160, 237 G Kumbartzki and U Kim (1971), "High – energy photonuclear reactions in vanadium and ion", Nucl Phys A 176, 23 G Rudstam (1969), "The evaporation step in spallation reactions", Nucl Phys A 126, 401 10 Hiroshi Matsumura, Takahiro Aze, Yasuji Oura, Hidetoshi Kikunaga, Akihiko Yokoyama, Koichi Takamiya, Seiichi Shibata, Tsutomu Otsuki, Hideyuki Yuki, Koh Sakamoto, Hiromitsu Haba, Koshin Washiyama, Hisao Nagai, Hiroyuki Matsuzaki (2004), "Yield measurements for 7Be and 10Be productions from natCu, natAg and 197Au by bremsstrahlung irradation", Nucl Instr and Meth B 223 – 224, 807 51 11 J R Wu and C C Chang (1977), "Pre-equilibrium particle decay in the photonuclear reactions", Phys Rev C 46,1812 12 K Debertin and R.G.Heimer (1988), "Gamma and X – ray spectrometry with semiconductor detectors", North – Holland Elseiver, New York 13 K Lindgren and G G Jonsson (1972), "Photon – Induced Nuclear Reaction Above1 GeV", Nucl Phys A 197, 71 14 K N Mukhin (1987), "Experimental Nuclear Physics", Mir Publisher, 1987 15 Koh Sakamoto (2003), "Radiochemical Study on Photonuclear Reactions of complex nuclei at intermediate energies", J Nucl Radiochem Sci 4, 16 M L Terranova and O A P Tavares (1994), "Total Nuclear Photoabsorption Cross Section in the Range 0.2 – 1.0 GeV for Nuclei Throughout the Periodic Table", Phys Scri 49, 267 17 Nguyen Van Do, Pham Duc Khue, Kim Tien Thanh and Nguyen Thi Thanh Van (2009), "High energy photon induced nuclear reactions in natural copper", Communications in Physics, 19, 177 18 N M Bachschi, P David, J Debrus, F Lubke, H Mommsen and R Schoenmackers (1976), "Photonuclear reactions in 45Sc and natCu induced by 2GeV bremsstrahlung", Nucl Phys A 264, 493 19 Pham Duc Khue, Kim Tien Thanh and Nguyen Van Do (2010), "Study of photonuclear reactions 103 Rh ( , xnyp) induced by 2.5 GeV bremsstrahlung ", Proceedings of the topical conference on nuclear physics, high energy physics and astrophysics (NPHEAP-2010) 20 Pham Duc Khue, Kim Tien Thanh and Nguyen Van Do (2010), " Isomeric yield ratios of the nat Mo( , xn1 p)95m, g Nb photonuclear reaction induced by 50- , 60-, 70- MeV and 2.5 GeV bremsstrahlung", Proceedings of the topical conference on nuclear physics, high energy physics and astrophysics (NPHEAP-2010) 21 Richard B Fiestone (1996), “Table of Isotopes”, CD ROM Edition, WileyInterscience 22 R Serber (1974), "Nuclear Reaction at High Energies", Phys Rev 72, 1114 52 23 Sakamoto (2003), “Radionchemical Study on Photonuclear Reactions of Complex Nuclei at Intremediate Energies”, J.Nucl.Radiochem.Sci, Vol.4, No.2 24 Toyoaki Kato and Hui-Tuh Tsai (1974),"The yield distribution of radioactive nuclides produced by photospallation reactions in 133Cs and 139La with 250 MeV bremsstrahlung " , J inorg nucl Chem, Vol 36 25 Tran Duc Thiep, Phan Viet Cuong, Truong Thi An, Nguyen The Vinh, Nguyen Tuan Khai (2010), "Determination of the total bremsstrahlung photon flux from electron accelerators by activation method ", Proceedings of the topical conference on nuclear physics, high energy physics and astrophysics (NPHEAP-2010) 26 V.di Napoli, F Salvetti and M L Terranova (1978), "Photodisintegration of light and medium – weight nuclei at intermediate energies – III, Spalltion of Vandium, Manganese, Iron and Cobalt", J Inorg Nucl Chem 40, 175 27 V S Barashenkov, F G Gereshi, A S Iljnov, G G Jonsson and V D Toneev (1974), "A cascade- evaporation model for photonuclear reactions ", Nuclear Physics A 231, 462-476 28 W R Leo (1993), "Techniques for nuclear and particle physics experiment", Spinger Verlarg Berlin Heidelberg Các website tham khảo: 29 http://atom.kaeri.re.kr/ 30 http://cdfe.sinp.msu.ru/ 31 http://ie.lbl.gov/toi/ 32 http://nucleardata.nuclear.lu.se/nucleardata/toi/ 33 http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/ElemTab/z29.html 53 ... Chựm e-2, 5GeV 38,5 cm 24 cm Bờ tụng Bia W Zr Hinh 2.1 S b trớ thớ nghim nghiờn cu Mu nghiờn cu l tm Zr t nhiờn cú tinh khit cao ph cp ca cỏc ng v Zr bn l: Zr- 90 (51.45%); Zr- 91 (11.22%); Zr- 92... chn l Zirconi t nhiờn cú nm ng v bn l 9 0Zr, 9 1Zr, 9 2Zr, 9 4Zr, 9 6Zr Zr l kim loi cú tit din bt ntron nhit ln, cú bn c hc cao v kh nng chng n mũn húa hc tt Zr l mt loi vt liu quan trng l v bc nhiờn... phn ng quang ht nhõn trờn bia1 97Au v bia 209Bi theo thc nghim v tớnh toỏn PICA3/GEM.[23] Hinh 1.4 Sut lng ca cỏc phn ng quang ht nhõn trờn bia1 97Au v bia 209Bi vi nng lng chựm bc x hóm 1GeV 14