Xác định chất lượng của các phản ứng hạt nhân trên bia natmo và natzr gây bởi chùm proton năng lượng 27 mev

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - oOo - LÊ TUẤN ANH XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG CỦA CÁC PHẢN ỨNG nat nat HẠT NHÂN TRÊN BIA Mo VÀ Zr GÂY BỞI CHÙM PROTON NĂNG LƯỢNG 27 MeV LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - oOo - LÊ TUẤN ANH XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG CỦA CÁC PHẢN ỨNG nat nat HẠT NHÂN TRÊN BIA Mo VÀ Zr GÂY BỞI CHÙM PROTON NĂNG LƯỢNG 27 MeV Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân lượng cao Mã số: 60 44 05 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Cán hướng dẫn: TS Phạm Đức Khuê Hà Nội - 2011 Luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CỦA PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 1.1 Tóm lƣợc phản ứng hạt nhân 1.1.1 Phân loại phản ứng hạt nhân 1.1.2 Các định luật bảo toàn 1.1.3 Động học phản ứng hạt nhân 1.1.4 Suất lượng tiết diện phản ứng hạt nhân 1.1.4.1 Suất lượng phản ứng hạt nhân 1.1.4.2 Tiết diện phản ứng hạt nhân 1.1.5 Hạt nhân đồng phân tỉ số tiết diện đồng phân 1.2 Phản ứng hạt nhân gây hạt tích điện nhẹ 1.2.1.Vai trò hàng rào Coulomb 1.2.2 Vai trò hàng rào xuyên tâm 1.2.3 Phản ứng hạt nhân gây proton CHƢƠNG MÁY GIA TỐC CYCLOTRON KIRAMS - MC50 2.1 Giới thiệu chung cyclotron 2.2 Cơ sở vật lý máy gia tốc cyclotron 2.3 Nguyên lý cấu tạo máy gia tốc Cyclotron KIRAMS - MC 50 CHƢƠNG THÍ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU 3.1 Thí nghiệm xác định suất lƣợng phản ứng hạt nhân 3.3 Ghi nhận phân tích phổ gamma mẫu sau chiếu 3.3.1 Giới thiệu 3.3.2 Phổ kế gamma 3.3.2.1 Chuẩn lượng 3.3.2.2 Chuẩn hiệu suất ghi 3.4 Phƣơng pháp xác định suất lƣợng tiết diện phản ứng hạt nhân 3.5 Xác định tỉ số tiết diện đồng phân CHƢƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 4.1 Nhận diện đồng vị phóng xạ tạo thành từ phản ứng hạt nhân Lê Tuấn Anh Luận văn tốt nghiệp 4.2 Một số kết hiệu chỉnh nâng cao độ xác .43 4.2.1 Hiệu tự hấp thụ mẫu 43 4.2.2 Hiệu chỉnh hiệu ứng cộng đỉnh 44 4.2.3 Sự suy giảm lượng chùm proton qua mẫu 46 4.3 Xác định suất lƣợng phản ứng proton lên bia nat Mo 4.4 Xác định tiết diện phản ứng hạt nhân với proton bia 4.5 Xác định tỷ số tiết diện tạo cặp đồng phân nat Zr(p,xn) nat nat Zr .48 Zr .51 89m,g Nb từ phản ứng hạt nhân 89m,g Nb 55 KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 PHỤ LỤC 60 Lê Tuấn Anh Luận văn tốt nghiệp MỞ ĐẦU Xác suất tạo thành hạt nhân phóng xạ từ phản ứng hạt nhân phụ thuộc vào loại hạt tới, lượng hạt tới hạt nhân bia Hai đại lượng đặc trưng quan trọng phản ứng hạt nhân suất lượng tiết diện phản ứng Suất lượng phản ứng số phản ứng hạt nhân xảy bia gây chùm hạt tới đơn vị thời gian Tiết diện phản ứng thước đo xác suất xảy phản ứng hạt nhân Các số liệu suất lượng tiết diện phản ứng có ý nghĩa quan trọng nghiên cứu ứng dụng thực tiễn Đối với phản ứng với proton, số liệu hạt nhân hạn chế, phù hợp kết thực nghiệm tính tốn lý thuyết chưa cao Thực tế đòi hỏi cần tiếp tục tiến hành nghiên cứu thực nghiệm nhằm tạo số liệu xác, góp phần làm rõ chế phản ứng hạt nhân, đồng thời sở để đánh giá mức độ tin cậy hoàn thiện thêm tính tốn lý thuyết Về mặt ứng dụng, kết nghiên cứu sử dụng việc chế tạo đồng vị phóng xạ, nghiên cứu cơng nghệ lị phản ứng, máy gia tốc hạt, công nghệ xử lý chất thải hạt nhân, tính tốn che chắn an tồn xạ hạt nhân [12-15] Molipđen Ziconi vật liệu sử dụng nhiều cơng nghệ lị phản ứng máy gia tốc hạt, ví dụ Ziconi nguyên tố có tiết diện bắt nơtron thấp, có độ bền học hóa học cao, dẫn nhiệt tốt thường sử dụng làm vỏ viên nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân Các nghiên cứu suất lượng tiết diện phản ứng hạt nhân ngun tố giúp cho việc tính tốn tốc độ hao mòn vấn đề liên quan đến an tồn xạ Bên cạnh đó, sản phẩm phản ứng Mo(p,X), Zr(p,X) 99m Tc, 94m Tc, 93m Tc , 93g Tc, 96 Tc; 88 Zr, 89 Zr đồng vị sử dụng nhiều y học hạt nhân [15, 22] Bản luận văn với đề tài “Xác định suất lƣợng phản ứng hạt nhân nat nat bia Mo Zr gây chùm proton lƣợng 27 MeV” với mục đích nghiên cứu số đặc trưng phản ứng hạt nhân gây chùm proton, xác định suất lượng tiết diện phản ứng hạt nhân ghi nhận bia Molipđen Ziconi chiếu chùm proton có lượng 27 MeV máy gia tốc Cyclotron MC-50 Viện Khoa học Y học phóng xạ Hàn Quốc (Korea Institute of Radiological & Medical Sciences (KIRAMS)) Lê Tuấn Anh Luận văn tốt nghiệp Phương pháp kích hoạt phóng xạ đo phổ gamma sử dụng nghiên cứu thực nghiệm Các sản phẩm phản ứng hạt nhân nhận diện dựa lượng tia gamma chu kì bán rã đồng vị phóng xạ tạo thành Suất lượng tiết diện phản ứng xác định vào kết đo hoạt độ phóng xạ hạt nhân sản phẩm sử dụng hệ phổ kế gamma bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết (HPGe) có độ phân giải lượng cao Trong nghiên cứu thực hiệu cần thiết nhằm nâng cao độ tin cậy kết thực nghiệm [1- 4] Bố cục luận văn bao gồm phần mở đầu, chương, phần kết luận, tài liệu tham khảo phụ lục Chương trình bày số đặc trưng phản ứng hạt nhân, phản ứng gây hạt tích điện nhẹ Chương tìm hiểu nguyên lý cấu tạo hoạt động máy gia tốc cyclotron, tập trung vào máy gia tốc Cyclotron MC50 KIRAMS, Hàn Quốc Chương tìm hiểu thí nghiệm kỹ thuật phân tích số liệu nhằm xác định suất lượng, tiết diện tỷ số đồng phân phản ứng hạt nhân gây proton Chương trình bày kết thực nghiệm thu Bản luận văn dài 68 trang, có 20 bảng biểu, 27 hình vẽ 30 tài liệu tham khảo Lê Tuấn Anh Luận văn tốt nghiệp CHƢƠNG MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CỦA PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 1.1 Tóm lƣợc phản ứng hạt nhân 1.1.1 Phân loại phản ứng hạt nhân Phản ứng hạt nhân xảy chùm hạt xạ tương tác với hạt 13 nhân khoảng cách gần cỡ 10 cm sau phản ứng hạt nhân có phân bố lại lượng, xung lượng phát nhiều hạt, xạ Có nhiều cách phân loại phản ứng hạt nhân, phân loại theo hạt tới, hạt sản phẩm hay theo chế phản ứng Nếu xét theo sản phẩm tạo thành ta phân phản ứng hạt nhân thành loại sau: Tán xạ đàn hồi X(a,a)X: hạt tới thay đổi hướng chuyển động (có thể hướng spin), sau phản ứng hạt tới hạt nhân bia trạng thái ’ * Tán xạ không đàn hồi X(a,a )X : hạt tới truyền phần động cho hạt nhân bia, sau phản ứng hạt nhân bia trạng thái kích thích, độ lớn moment hạt thay đổi Tán xạ giả đàn hồi X(a,ap)Y, X(a,ad)Y : lượng truyền phản ứng lớn lượng tách mảnh hạt nhân (như nuclôn, đơtơri ), hạt nhân phát hạt Hạt tới bị lượng trạng thái cuối Phản ứng biến đổi X(a,b)Y: phản ứng mà hạt đạn hạt nhân dư khác số khối A Trong phản ứng cần kể đến phản ứng tước hạt (stripping reaction), nucleon hạt tới bị hấp thụ hạt nhân bia, phần hạt lại tiếp tục chuyển động qua bia; phản ứng đoạt hạt (pickup reaction), hạt tới đoạt nucleon hạt nhân bia; ngồi cịn có phản ứng trao đổi điện tích (charge exchange) phản ứng knock-out Dựa chế phản ứng ta phân chia phản ứng hạt nhân thành loại sau: Phản ứng hạt nhân hợp phần: có hai q trình liên tiếp xảy Hạt nhân bia bắt hạt đạn, hình thành nên hạt nhân hợp phần trạng thái kích thích cao, lượng kích thích phân bố lại cho nuclơn Sau một nhóm nuclơn nhận đủ lượng bay khỏi hạt nhân hợp phần Phản ứng hạt nhân trực tiếp: phản ứng mà kênh vào kênh không tồn trạng thái trung gian Lê Tuấn Anh Luận văn tốt nghiệp Phản ứng hạt nhân tiền cân phản ứng nằm phản ứng trực tiếp phản ứng hợp phần Năng lượng hạt đến truyền cho nhóm nuclơn hạt nhân bia Các nuclôn khởi xướng cho loạt phản ứng nối tầng, tầng hạt phát (trước hạt nhân hợp phần đạt trạng thái cân thống kê) Phản ứng hạt nhân khơng phải hồn tồn tương tác mạnh, tùy thuộc vào hạt tới Phản ứng hạt nhân tương tác mạnh hạt đến proton, nơtron, ions Phản ứng hạt nhân tương tác điện từ hạt đến photon, electron, ions Cịn hạt đến nơtrino phản ứng hạt nhân thuộc loại tương tác yếu Đối với bia hạt tới định, phụ thuộc vào lượng hạt tới mà phản ứng xảy theo chế Bên cạnh đó, xác suất tồn trạng thái kích thích cao phụ thuộc vào lượng Sự tập trung lực kích thích vùng lượng gọi cộng hưởng khổng lồ Sau phản ứng hạt nhân thường có hai ba hạt tạo thành Nếu nhiều hạt tạo thành ta có phản ứng vỡ vụn (spallation) Khi hạt nhân bia bắt nơtron, hạt nhân hợp phần tách thành hạt có số khối tương đương nhau, ta có phản ứng phân hạch Xác suất xảy phản ứng phân hạch tỉ lệ với Z /A Phản ứng phân hạch với phản ứng nhiệt hạch phản ứng tỏa lượng lớn Phản ứng nhiệt hạch phản ứng tổng hợp hai hạt nhân nhẹ Thang thời gian phản ứng hạt nhân cỡ 10 tiếp có bậc độ lớn 10 16 -15 -10 cao -22 -22 s, thời gian phản ứng trực (s), thời gian phản ứng hạt nhân hợp phần vào cỡ 10 s với chùm lượng thấp khoảng 10 -21 -20 -10 - s với chùm lượng Có nhiều mẫu hạt nhân đưa để giải thích chế phản ứng hạt nhân Mỗi mẫu áp dụng cho một vài loại phản ứng hạt nhân 1.1.2 Các định luật bảo toàn Khi phản ứng hạt nhân xảy ra, dù trực tiếp hay hợp phần bị tri phối định luật bảo toàn: Định luật bảo tồn điện tích số baryon: phản ứng hạt nhân, tổng điện tích hạt tới tham gia phản ứng với tổng điện tích hạt sản phẩm Và phản ứng hạt nhân nào, tổng số barion phải số Định luật bảo tồn số barion cho phép giải thích tính bền vững proton [7] Lê Tuấn Anh Luận văn tốt nghiệp Định luật bảo toàn lượng: phát biểu lượng toàn phần trước phản ứng sau phản ứng Đối với trình (1.1) định luật bảo toàn lượng viết: ET 01 E 02 T E01, E02 tổng lượng nghỉ hạt trước sau phản ứng Còn T1, T2 tổng động hạt trước sau phản ứng [7] Định luật bảo toàn moment động lượng: phản ứng A( ,là moment động lượng hạt tham gia phản ứng, định moment động lượng viết: pa Định luật bảo tồn moment góc: tổng moment góc hạt tham gia phản ứng bảo toàn thành phần hình chiếu lên phương chọn Áp dụng cho phản ứng A(a,b)B ta có: ia IA với , , , spin tương ứng với hạt tham gia phản ứng Các spin đo thực nghiệm tính tốn (dùng mẫu vỏ) Proton có spin ½, hạt nhân chẵn-chẵn có spin khơng Spin hạt nhân moment góc riêng hạt nhân trạng thái Các đại lượng , moment góc quỹ đạo cặp hạt tương ứng, đặc trưng cho chuyển động tương đối hạt Momen quỹ đạo góc nhận giá trị nguyên (0,1,2 ) giá trị cụ thể xác định thông qua chất chuyển động hạt [7] Định luật bảo toàn chẵn lẻ: Trong tương tác điện từ tương tác mạnh, tính chẵn lẻ bảo toàn Phản ứng hạt nhân thuộc vào loại tương tác này, nên định luật bảo toàn chẵn lẻ có giá trị Xét phản ứng A(a,b)B, định luật bảo toàn chẵn lẻ viết: P P ( 1) l Aa a A Lê Tuấn Anh Luận văn tốt nghiệp Pa, PA, PB, Pb tính chẵn lẻ riêng tương ứng với hạt tham gia phản ứng Cũng định luật bảo toàn khác, định luật bảo toàn chẵn lẽ dẫn đến quy tắc chọn lọc làm giới hạn phản ứng xảy Định luật bảo toàn spin đồng vị: Xét phản ứng A(a,b)B thuộc loại tương tác mạnh, nên tuân theo định luật bảo toàn spin đồng vị Theo định luật spin tồn phần hạt trước sau phản ứng nhau: Ta TA Spin đồng vị đặc trưng cho mức hạt nhân, có nghĩa hạt nhân trạng thái lượng khác có spin đồng vị khác nhau, thay đổi từ T min=(N-Z)/2 đến Tmax=A/2 Trạng thái trạng thái kích thích yếu nhận giá trị spin đồng vị thấp [7] Các định luật bảo toàn đưa giới hạn định phản ứng hạt nhân, cho phép viết xác phản ứng hạt nhân xảy có thơng tin quan trọng đặc tính hạt tham gia phản ứng hạt sản phẩm Nghiên cứu phản ứng hạt nhân việc đo đạc tiết diện phản ứng vi phân hàm lượng, thông số khác hạt bay ra, xác định phân bố góc lượng hạt sản phẩm trạng thái lượng tử chúng 1.1.3 Động học phản ứng hạt nhân Xét phản ứng A(a,b)B, theo định luật bảo toàn lượng, ta có: ( ma mA )c Ta TA ( mb mB )c Tb TB (1.6) T động hạt, m khối lượng nghỉ Giá trị Q phản ứng định nghĩa tổng lượng nghỉ trước phản ứng trừ tổng lượng nghỉ sau phản ứng: Q (m initial Giá trị Q âm, dương không Nếu Q>0 ( phản ứng gọi tỏa nhiệt, lượng liên kết giải phóng dạng ) động hạt sản phẩm Nếu Q