Nghiên cứu ứng dụng một số phản ứng hạt nhân gây bởi chùm hạt tích điện trên máy gia tốc tĩnh điện trong phân tích

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -*** - NGUYỄN THẾ NGHĨA NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MỘT SỐ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN GÂY BỞI CHÙM HẠT TÍCH ĐIỆN TRÊN MÁY GIA TỐC TĨNH ĐIỆN TRONG PHÂN TÍCH LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI - 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -*** - NGUYỄN THẾ NGHĨA NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MỘT SỐ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN GÂY BỞI CHÙM HẠT TÍCH ĐIỆN TRÊN MÁY GIA TỐC TĨNH ĐIỆN TRONG PHÂN TÍCH Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số: 62440106 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS Lê Hồng Khiêm PGS.TS Bùi Văn Lốt HÀ NỘI - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tôi, thực thời gian làm tiến sĩ máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Các số liệu, kết mà công bố luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2016 Tác giả Nguyễn Thế Nghĩa i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành Luận án này, nhận giúp đỡ nhiệt tình hai thầy hướng dẫn, GS.TS Lê Hồng Khiêm, Viện trưởng Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, PGS.TS Bùi Văn Loát, cán giảng dạy Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhên, ĐHQGHN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc hai thầy Trong q trình làm NCS, tơi nhận giúp đỡ, động viên chân tình cán thuộc Bộ môn Vật lý Hạt nhân cán thuộc Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhên, ĐHQGHN Tôi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ, động viên chân tình Tơi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Bộ môn, Khoa Vật lý, Phòng chức Lãnh đạo Nhà trường giúp đỡ tạo điều kiện cho tơi hồn thành Luận án Đặc biệt cán nhóm máy gia tốc giúp đỡ tơi nhiều suốt q trình tơi làm NCS Đây giúp đỡ cụ thể thường xun, tơi xin cảm ơn giúp đỡ q giá Cuối tình cảm người thân gia đình giúp cho tơi nhiều q trình tơi thực Luận án Tác giả luận án ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG I TỔNG QUAN CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SỬ DỤNG CHÙM ION TRÊN MÁY GIA TỐC TĨNH ĐIỆN 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Phương pháp phân tích sử dụng chùm ion 1.2.1 Phương pháp PIXE 1.2.2 So sánh PIXE với kỹ thuật phân tích tia X khác 1.2.3 So sánh phân tích PIXE XRF 1.3 Phân tích tán xạ ngược Rutherford (RBS) 1.3.1 Hệ số động học trình tán xạ đàn hồi 1.3.2 Tiết diện tán xạ Rutherford 11 1.4 Phân tích phản ứng hạt nhân (NRA) 13 1.5 Phân tích tán xạ đàn hồi giật lùi (EDRA) 15 1.5.1 Giới thiệu 15 1.5.2 Nguyên lý phân tích tán xạ đàn hồi giật lùi 15 1.5.3 Hệ số động học 16 1.5.4 Các yêu cầu phân tích tán xạ đàn hồi giật lùi 19 CHƢƠNG II MÁY GIA TỐC TĨNH ĐIỆN 5SDH-2 PELLETRON VÀ CÁC HỆ DETECTOR TRÊN MÁY GIA TỐC 20 2.1 Máy gia tốc tĩnh điện 5SDH-2 Pelletron 20 2.1.1 Nguồn ion 20 2.1.2 Buồng gia tốc 23 2.1.3 Hệ chân không 25 2.1.4 Bộ hội tụ điều chỉnh lái chùm tia 27 2.1.4.1 Phần hội tụ điều chỉnh chùm tia lượng thấp 28 2.1.4.2 Phần hội tụ điều chỉnh chùm tia lượng cao 29 2.1.5 Các kênh chùm ion 32 iii 2.2 Detector buồng phân tích 33 2.2.1 Các detector buồng phân tích 33 2.2.2 Các detector khác 34 CHƢƠNG III PHẢN ỨNG HẠT NHÂN TRÊN MÁY GIA TỐC 35 3.1 Một số phản ứng hạt nhân gây proton máy gia tốc tĩnh điện 35 3.1.1 Các đặc trưng phản ứng gây proton 35 3.1.2 Các phản ứng hạt nhân cộng hưởng gây proton 38 3.2 Ứng dụng để nghiên cứu đặc tính theo độ sâu (depth profile) 39 3.2.1 Ứng dụng để nghiên cứu phồng dộp nhiên liệu 39 3.2.2 Ứng dụng để nghiên cứu chế tạo mẫu chuẩn hydro 41 3.3 Phản ứng hạt nhân cộng hưởng nhôm máy gia tốc 44 3.3.1 Phản ứng bắt proton 44 3.3.2 Đặc trưng phản ứng hạt nhân cộng hưởng 27Al(p,γ)28Si 47 3.4 Ứng dụng để chuẩn hóa lượng chùm ion máy gia tốc 51 3.4.1 Cơ sở lựa chọn phản ứng hạt nhân 27Al(p,γ)28Si 52 3.4.2 Chuẩn bị thí nghiệm 53 3.4.3 Các bước chiếu mẫu làm thí nghiệm 56 3.4.4 Kết thí nghiệm 57 CHƢƠNG IV PHÂN TÍCH RBS, PIXE VÀ KẾT QUẢ 63 4.1 Kết phân tích RBS 63 4.1.1 Mẫu mạ nano Crom Zn 63 4.1.1.1 Quá trình xử lý mẫu 64 4.1.1.2 Kết phân tích 64 4.1.2 Mẫu mạ nano vàng huy chương 66 4.2 Kết phân tích PIXE 67 4.2.1 Mẫu phân tích PIXE loại mẫu mỏng 68 4.2.1.1 Chuẩn bị đo mẫu mỏng 69 4.2.1.2 Kết phân tích PIXE với mẫu mỏng 70 4.2.2 Phân tích PIXE với mẫu dày 76 iv 4.2.2.1 Mẫu dày biết ma trận mẫu 76 4.2.2.2 Mẫu dày chưa biết ma trận mẫu 81 4.2.3 Phân tích PIXE phương pháp chuẩn nội 85 4.2.3.1 Quá trình chuẩn bị 86 4.2.3.2 Quá trình chiếu mẫu 87 4.2.3.3 Kết phân tích 87 KẾT LUẬN 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 100 Phụ lục 101 Phụ lục 113 Phụ lục 131 v BẢNG KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt ADC Analog to Digital Converter Bộ biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ANSTO Australian Nuclear Science and Technology Organisation Cơ quan Khoa học Công nghệ Hạt nhân Úc ERDA Elastic Recoil Detection Analysis Phân tích tán xạ đàn hồi giật lùi FWHM Full Width at Half Maximum Độ rộng nửa chiều cao GUPIX is a versatile software package for fitting PIXE Một phần mềm đa phù hợp cho phân tích PIXE IBA Ion Beam Analysis Phương pháp phân tích chùm ion LOD Limit of Detection Giới hạn phát MCA Multi-Channel Analyzer Bộ phân tích đa kênh MeV Mega Electron Volt Năng lượng electron qua hiệu triệu vôn NAA Neutron Activation Analysis Phân tích kích hoạt Neutron NEC National Electrostatics Corporation Cơng ty Tĩnh điện Quốc gia (Hoa Kỳ) NIST The National Institute of Standards and Technology of the U.S Viện Công nghệ Tiêu chuẩn Quốc gia, Hoa Kỳ NRA Nuclear Reaction Analysis Phương pháp phân tích dựa vào phản ứng hạt nhân PIGE Proton Induced Gamma-ray Emission Phát xạ gamma cảm ứng proton PIXE Particle-Induced X-ray Emission Phân tích phát xạ tia X tạo chùm hạt vi ppm Part Per Million Một phần triệu RBS Rutherford Backscattering Spectrometry Phương pháp phổ tán xạ ngược Rutherford RF Radio Frequency Dao động vô tuyến cao tần RF Source Charge Exchange Ion Source Nguồn ion trao đổi điện tích RF RNRA Resonant Nuclear Reaction Analysis Phân tích phản ứng cộng hưởng hạt nhân SDD Silicon Drift Detector Detector tia X trường SNICS Source of Negative Ions by Cesium Sputtering Nguồn ion âm phún xạ ca tốt Xêsi (Cs) TTPIXE Thick Target Proton Induced X-ray Emission Mẫu dày cho phân tích PIXE XRD X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X XRF X-ray Fluorescence Phân tích huỳnh quang tia X vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ phát tia X đặc trưng Hình 1.2 Quá trình tán xạ đàn hồi hệ quy chiếu phịng thí nghiệm 10 Hình 1.3 Tiết diện ghi nhận ion tán xạ ngược 11 Hình 1.4 Sơ đồ trình phản ứng hạt nhân 14 Hình 1.5 Sơ đồ tán xạ đàn hồi Kí hiệu i ion tới, r hạt nhân bia 16 Hình 1.6 Các hệ số động học cho ion tán xạ (Ks) hạt nhân 17 Hình 1.7 Năng lượng tán xạ đàn hồi tiết diện hạt nhân giật lùi ion tới nhẹ (a) nặng (b) so với hạt nhân bia 17 Hình 2.1 Hình ảnh tổng thể máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron 20 Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo nguồn ion RF 21 Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo nguồn ion SNICS 22 Hình 2.4 Hình ảnh bên buồng gia tốc 23 Hình 2.5 Cấu tạo hoạt động tạo cao bên 23 Hình 2.6 Sơ đồ thấu kính tĩnh điện Einzel 29 Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý nam châm tứ cực từ kép 30 Hình 2.8 Quĩ đạo ion qua nam châm 32 Hình 3.1 Mơ hình hàng rào Coulomb hạt nhân 44 Hình 3.2 Tiết diện tương tác phản ứng 27Al(p,y)28Si cho lượng proton khác 46 Hình 3.3 Chu trình Mg-Al lõi ngơi đốt cháy Hydro 47 Hình 3.4 Các đỉnh phản ứng hạt nhân cộng hưởng 27Al(p,γ)28Si 48 Hình 3.5 Phổ phân rã gamma thu đỉnh cộng hưởng 27Al(p,γ)28Si48 Hình 3.6 Vị trí đỉnh cộng hưởng mẫu dày mỏng nhơm 49 Hình 3.7 Sơ đồ mức kích thích 28 Si cho đỉnh cộng hưởng Ep = 2517,7 keV phản ứng 27Al(p,γ)28Si 50 Hình 3.8 Các trạng thái phân rã 27Al(p,y)28Si đỉnh cộng hưởng có Ep 767 keV, 742 keV, 760,4 keV 773,6 keV 51 viii