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: 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 hoàn 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 27 28 Al(p,γ) Si 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 27 28 Al(p,γ) Si 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 ADC ANSTO ERDA FWHM GUPIX IBA LOD MCA MeV NAA NEC NIST NRA PIGE PIXE vi ppm RBS RF RF Source RNRA SDD SNICS TTPIXE XRD XRF 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 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 27 28 Al(p,γ) Si48 Hình 3.6 Vị trí đỉnh cộng hưởng mẫu dày mỏng nhơm 49 Hình 3.7 Sơ đồ mức kích thích 28Si 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 UBACK P+ Si N- Si N+ Si SiO2 Kim loại UCR Hình P2.12 Cơ chế hoạt động SDD Khi điện áp đặt vào chip detector SDD tia X vào tạo đám mây electron với điện tích tỷ lệ thuận với lượng tia X Những electron nhảy lên vùng dẫn chất bán dẫn silicon để lại lỗ trống có vai trị giống điện tích dương Các electron sau 'trường cuốn' gradient điện trường áp đặt vòng điện cực đồng tâm electron thu thập anode P2.6.4 Tiền khuếch đại (TKĐ) SDD Trên Hình P2.13 sơ đồ chi tiết TKĐ detector SDD [P4] Trong ta thấy rõ transistor trường (FET) nằm khơng gian detector 128 Hình P2.13 Cấu tạo mạch TKĐ detector SDD Để hiểu rõ chế hoạt động detector SDD TKĐ nó, dạng xung điện thời điểm khác trình khuếch đại ta xem Hình P2.14 [P3] Hình P2.14 Cơ chế hoạt động detector SDD TKĐ kèm 129 Tài liệu tham khảo [P1] www.canberra.com [P2] Bui Van Loat, Le Tuan Anh, Dong Van Thanh, Nguyen The Nghia, Pham Duc Khue (2012), “Measurement of some characteristics of the BEGe detector”, VNU Jour Sci., Math.-Physics Vol 28, 19-25 [P3] www.oxford-instruments.com [P4] http://www.amptek.com 130 Phụ lục (Kết phân tích PIXE 476 mẫu địa chất với bốn nguyên tố Ti, Zr, Sn W) TT Tên mẫu 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 BD-029 BD-122 BD-126 BD-136 BD-140 BD-140 BD-142 BD-145 BD-148 BD-149 BD-153 BD-160 BD-161 BD-175 BD-177 BD-180 BD-182 BD-187 BD-188 BD-212 BD-214 BD-217 BD-223 BD-224 BD-225 BD-226 BD-237 BD-239 BD-241 BD-249 BD-254 BD-260 BD-261 BD-263 BD-264 BD-266 BD-268 BD-269 BD-273 BD-288 131 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 132 BD-293 BD-296 BD-300 BD-302 BD-307 BD-307 BD-312 BD-313 BD-315 BD-318 BD-333 BD-337 BD-338 BD-339 BD-351 BD-353 BD-359 BD-363 BD-366 BD-368 BD-369 BD-370 BD-374 BD-378 BD-379 BD-381 BD-382 BD-384 BD-393 BD-399 BD-406 BD-417 BD-418 BD-430 BD-433 BD-437 BD-440 BD-443 BD-445 BD-446 BD-449 BD-456 BD-459 BD-460 BD-466 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 BD-469 BD-472 BD-474 BD-478 BD-480 BD-483 BD-486 BD-488 BD-489 BD-490 BD-493 BD-494 BD-497 BD-509 BD-512 BD-515 BD-517 BD-518 BD-519 BD-520 BD-525 BD-528 BD-530 BD-531 BD-532 BD-533 BD-534 BD-535 BD-539 BD-540 BD-541 BD-542 BD-543 BD-543 BD-544 BD-545 BD-550 BD-552 BD-556 BD-557 BD-559 BD-561 BD-562 BD-563 BD-564 133 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 134 BD-565 BD-571 BD-572 BD-573 BD-575 BD-576 BD-578 BD-579 BD-580 BD-581 BD-582 BD-585 BD-586 BD-587 BD-588 BD-589 BD-590 BD-591 BD-593 BD-595 BD-595 BD-596 BD-597 BD-600 BD-601 BD-604 BD-605 BD-606 BD-607 BD-608 BD-609 BD-610 BD-613 BD-617 BD-620 BD-623 BD-624 BD-626 BD-629 BD-641 BD-649 BD-651 BD-652 BD-656 BD-662 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 135 BD-675 BD-702 BD-703 BD-718 BD-720 BD-722 BD-724 BD-726 BD-728 BD-730 BD-732 BD-733 BD-735 BD-738 BD-741 BD-744 BD-746 BD-749 BD-751 BD-753 BD-755 BD-759 BD-761 BD-763 BD-765 BD-773 BD-778 BD-780 BD-783 BD-786 BD-788 BD-794 BD-800 BD-802 BD-804 BD-807 BD-812 BD-815 BD-818 BD-821 BD-824 BD-827 BD-830 BD-833 BD-836 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 136 BD-846 BD-849 BD-852 BD-855 BD-858 BD-861 BD-864 BD-868 BD-869 BD-870 BD-871 BD-872 BD-874 BD-875 BD-876 BD-877 BD-884 BD-887 BD-890 BD-893 BD-896 BD-899 BD-902 BD-905 BD-908 BD-910 BD-913 BD-916 BD-918 BD-919 BD-922 BD-925 BD-928 BD-931 BD-936 BD-950 BD-952 BD-955 BD-958 BD-961 BD-964 BD-967 BD-970 BD-975 BD-980 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 137 BD-983 BD-986 BD-989 BD-992 BD-995 BD-996 BD-998 BD-1001 BD-1006 BD-1017 BD-1020 BD-1023 BD-1026 BD-1027 BD-1028 BD-1032 BD-1035 BD-1037 BD-1038 BD-1043 BD-1046 BD-1049 BD-1050 BD-1052 BD-1055 BD-1058 BD-1062 BD-1080 BD-1083 BD-1087 BD-1089 BD-1092 BD-1095 BD-1099 BD-1100 BD-1103 BD-1106 BD-1109 BD-1110 BD-1113 BD-1120 BD-1132 BD-1133 BD-1134 BD-1137 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 331 332 333 334 335 336 337 338 339 340 341 342 343 344 345 346 347 348 349 350 351 352 353 354 355 138 BD-1140 BD-1140 BD-1143 BD-1146 BD-1149 BD-1152 BD-1160 BD-1163 BD-1166 BD-1172 BD-1174 BD-1186 BD-1192 BD-1195 BD-1198 BD-1201 BD-1203 BD-1204 BD-1207 BD-1210 BD-1213 BD-1216 BD-1217 BD-1218 BD-1219 BD-1222 BD-1232 BD-1233 BD-1235 BD-1238 BD-1241 BD-1247 BD-1250 BD-1251 BD-1254 BD-1257 BD-1260 BD-1263 BD-1265 BD-1267 BD-1277 BD-1280 BD-1283 BD-1286 BD-1289 356 357 358 359 360 361 362 363 364 365 366 367 368 369 370 371 372 373 374 375 376 377 378 379 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389 390 391 392 393 394 395 396 397 398 399 400 139 BD-1292 BD-1293 BD-1296 BD-1299 BD-1305 BD-1313 BD-1317 BD-1320 BD-1320 BD-1323 BD-1329 BD-1332 BD-1333 BD-1336 BD-1339 BD-1342 BD-1345 BD-1346 BD-1347 BD-1348 BD-1351 BD-1354 BD-1354 BD-1357 BD-1360 BD-1363 BD-1372 BD-1374 BD-1380 BD-1383 BD-1386 BD-1387 BD-1390 BD-1395 BD-1396 BD-1399 BD-1422 BD-1425 BD-1428 BD-1434 BD-1454 BD-1455 BD-1457 BD-12KTN_Z15 BD-12KTN_Z17 401 402 403 404 405 406 407 408 409 410 411 412 413 414 415 416 417 418 419 420 421 422 423 424 425 426 427 428 429 430 431 432 433 434 435 436 437 438 439 440 441 442 140 BD-12KTN_Z46 BD-12KTN-Z08 BD-12KTNZ1 BD-12KTN-Z10 BD-12KTNZ11 BD-12KTNZ13 BD-12ktnz16 BD-12ktnz19 BD-12ktnz2 BD-12KTNZ20 BD-12KTNZ21 BD-12KTNZ22 BD-12KTN-Z23 BD-12ktnz25 BD-12KTNZ26 BD-12ktnz27 BD-12ktnz28 BD-12KTN-Z29 BD-12ktnz3 BD-12KTN-Z30 BD-12KTNZ31 BD-12KTNZ32 BD-12ktnz33 BD-12ktnz34 BD-12KTN-Z35 BD-12KTNZ36 BD-12KTNZ37 BD-12KTNZ39 BD-12KTNZ4 BD-12KTNZ40 BD-12KTNZ41 BD-12KTNZ42 BD-12KTNZ43 BD-12KTNZ45 BD-12KTNZ48 BD-12KTN-Z5 BD-12KTNZ50 BD-12ktnz51 BD-544p40_80cm BD-559p120-140cm BD-559p40-80cm BD-559p80_120cm 443 444 445 446 447 448 449 450 451 452 453 454 455 456 457 458 459 460 461 462 463 464 465 466 467 468 469 470 471 472 473 474 475 476 141 BD-586P0-40cm BD-587-p0-40cm-Q10 BD-587p120-160cm BD-587p80-120cm BD-588P0-40 BD-588p-120-160cm BD-588p-40-80cm BD-588p80-120cm BD-589p120-160cm BD-589p-40-80cm BD-589P80-120cm BD-595-0-40cm-do hat BD-611p-0-40cm BD-611p40-80cm BD-615p0-40cm BD-618p40-60cm BD-659P0-40cm BD-659p-40-60cm BD-660p120-140cm BD-683p-120-150cm BD-683P40-80cm BD-683p80-120cm BD-722P40-80cm-dohat BD-732p0-40cm-dohat BD-757P0-40cm BD-757P120-160cm BD-757p40-80cm BD-757p80-120cm-dohat BD-760p40-80cm BD-760p80_120cm BD-799p-40-60cm BD-801p-40-80cm BD-809p0-40cm BD-không tên ... ? ?Nghiên cứu ứng dụng số phản ứng hạt nhân gây chùm hạt tích điện máy gia tốc tĩnh điện phân tích? ?? thực Mục đích đề tài : Nghiên cứu ứng dụng số phản ứng hạt nhân gây chùm hạt tích điện máy gia. .. 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... hạt tích điện máy gia tốc, phản ứng hạt nhân nguyên tố nhẹ gây proton ứng dụng để chuẩn hóa lượng máy gia tốc Nghiên cứu ứng dụng chùm hạt tích điện phân tích, mà cụ thể phân tích PIXE RBS Như vậy,