Dự thảo tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu cấu trúc của một số hạt nhân phóng xạ giàu nơtron trên thiết bị tạo chùm đồng vị phóng xạ tại RIKEN

Mục đích chính của nghiên cứu thực nghiệm trong khuôn khổ nội dung của luận án là: Tiến hành đo các thuộc tính phân rã β bao gồm thời gian bán rã và xác suất phát nơtron trễ của các đồng vị Sn, In, Cd và Ag nằm ở vùng hạt nhân “đông bắc” của hạt nhân hai lần magic 132Sn.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _ Vi Hồ Phong NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC CỦA MỘT SỐ HẠT NHÂN PHÓNG XẠ GIÀU NƠTRON TRÊN THIẾT BỊ TẠO CHÙM ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TẠI RIKEN Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số: 9440130.04 (DỰ THẢO) TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội – 2019 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: GS TS Lê Hồng Khiêm TS Shunji Nishimura Phản biện: Phản biện: Phản biện: Luận án bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN vào hồi ngày tháng năm 20 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội Mở đầu Hạt nhân nguyên tử hệ lượng tử nhiều hạt gồm hai loại fermion: proton nơtron Tương tác chúng trường trung bình dẫn đến khái niệm cấu trúc vỏ hạt nhân, với số riêng biệt (gọi số magic): 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 Mẫu vỏ hạt nhân, tảng Vật lý hạt nhân, thành công việc giải thích tượng magic hạt nhân gần đường bền Tuy nhiên, câu hỏi gần đặt vấn đề liệu tượng magic cho hạt nhân vùng xa đường bền (còn gọi hạt nhân lạ) Thời gian bán rã β xác suất phát nơtron trễ từ phân rã β đại lượng dùng để khảo sát tượng Trong bảng đồng vị hạt nhân, vùng giao số magic hạt nhân nơtron proton xa đường bền đưa điểm chuẩn cho mẫu vỏ hạt nhân Vùng hạt nhân liên quan tới nghiên cứu trình bắt nơtron thiên văn học Riêng vùng hạt nhân nằm phía “đơng bắc” hạt nhân hai lần magic 132 Sn, cụ thể hạt nhân với số hiệu nguyên tử Z ≤ 50 số nơtron N ≥ 82, chủ đề hấp dẫn nghiên cứu cấu trúc hạt nhân thiên văn học hạt nhân Nghiên cứu trạng thái giả bền (các trạng thái isomer) vùng hạt nhân cung cấp thông tin quan trọng lớp vỏ hạt nhân tương tác nucleon Nghiên cứu thuộc tính phân rã (phân rã β γ) hạt nhân giàu nơtron đẩy mạnh với việc vận hành xây dựng hệ sở tạo chùm đồng vị phóng xạ xây dựng giới Cơ sở RIBF (Radioactive isotope beam facility) viện nghiên cứu RIKEN Nhật Bản sở in-flight hệ tạo chùm hạt nhân giàu nơtron với suất lượng cao Dựa vào sở trên, chọn nội dung đề tài: Nghiên cứu cấu trúc số hạt nhân phóng xạ giàu nơtron thiết bị tạo chùm đồng vị phóng xạ RIKEN Các công việc luận án phần dự án “Beta-delayed neutrons at RIKEN” (BRIKEN), dự án hợp tác quốc tế tiến hành nghiên cứu thực nghiệm thuộc tính q trình phát nơtron trễ từ phân rã β (các đại lượng T1/2 Pxn ) hạt nhân giàu nơtron tạo sở RIBF Mục đích luận án: Các mục đích nghiên cứu thực nghiệm khn khổ nội dung luận án là: • Tiến hành đo thuộc tính phân rã β bao gồm thời gian bán rã xác suất phát nơtron trễ đồng vị Sn, In, Cd Ag nằm vùng hạt nhân “đông bắc” hạt nhân hai lần magic 132 Sn (trong Hình 1) Hình 1: Vùng hạt nhân giàu nơtron phía “đơng bắc” hạt nhân 132 Sn, hình vng nhỏ thể đồng vị Thang màu đại diện cho số lượng hạt nhân không bền tạo thí nghiệm Vùng bên hộp vuông màu xanh đại diện cho hạt nhân liên quan đến trình bắt nơtron nhanh (r-process) thiên văn hạt nhân Vùng đồng vị quan tâm luận án nằm hộp vuông màu đỏ • Tiến hành thực nghiệm phân tích phổ trạng thái đồng phân để tìm kiếm dịch chuyển từ trạng thái đồng phân đồng vị Ag In nằm vùng đông bắc hạt nhân hai lần magic 132 Sn với cấu hình hạt lỗ nơtronproton • Thảo luận chứng cấu trúc vỏ hạt nhân dựa vào khuynh hướng đại lượng xác suất phát nơtron trễ từ phân rã β đo • Diễn giải kết thực nghiệm phổ trạng thái đồng phân phân rã β thông qua việc so sánh với mô hình hạt nhân có • Thảo luận ảnh hưởng kết thực nghiệm xác suất phát nơtron trễ từ phân rã β trình bắt nơtron nhanh (r-process) thiên văn hạt nhân Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung vào nghiên cứu thực nghiệm phân rã β phổ trạng thái đồng phân (isomeric spectroscopy) hạt nhân giàu nơtron nằm vùng hạt nhân đông bắc hạt nhân hai lần magic 132 Sn Chùm tia có giàu nơtron cường độ lớn tạo sở tạo chùm đồng vị phóng xạ RIBF sử dụng nghiên cứu Một hệ detector có hiệu suất cao bao gồm hệ dừng chùm tia chủ động bao quanh hệ ống đếm đo nơtron sử dụng để nghiên cứu thuộc tính phân rã β phổ trạng thái đồng phân hạt nhân quan tâm Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài: Vùng hạt nhân xung quanh hạt nhân hai lần magic 132 Sn chủ đề thực nghiệm hấp dẫn việc khảo sát trạng thái kích thích thấp thuộc tính phân rã β vùng hạt nhân cung cấp thông tin quan trọng cho việc phát triển tranh mẫu vỏ hạt nhân vùng giàu nơtron có khối lượng trung bình tương ứng với lớp vỏ đóng proton Z=50 nơtron N=82 hiệu ứng liên quan đến tương tác protonnơtron Tuy nhiên mặt thực nghiệm, vùng hạt nhân khó để tiếp cận suất lượng tạo thành tương đối thấp Vì kết thực nghiệm phân rã β dịch chuyển γ từ trạng thái đồng phân vùng hạt nhân đóng ghóp phần để mở rộng hiểu biết thuộc tính hạt nhân vùng Các kết thực nghiệm đóng ghóp thông tin quan trọng cho việc phát triển mẫu cấu trúc hạt nhân hạt nhân giàu nơtron Thêm vào đó, chúng liệu đầu vào tính tốn q trình hình thành nguyên tố chế bắt nhanh nơtron (r-process) Một số kỹ thuật thực nghiệm có luận án sử dung số ứng dụng thực tiễn, ví dụ như: (1) Việc xác định xác suất phát nơtron trễ từ phân rã β với độ xác cao giúp cải thiện sở liệu hạt nhân cho ứng dụng lò phản ứng: (2) Phát triển hệ detector nơtron sử dụng ống đếm He cho ứng dụng an toàn hạt nhân chống phổ biến vũ khí hạt nhân; (3) Sử dụng cơng cụ mơ GEANT4 cho ứng dụng y học hạt nhân, an toàn xạ, Bố cục luận án: Nội dung luận án (trừ phần mở đầu kết luận) chia thành chương sau: Chương 1: Giới thiệu phát triển nghiên cứu chùm đồng vị phóng xạ sở tạo chùm đồng vị phóng xạ giới lý thuyết liên quan đến phân rã β trạng thái đồng phân Chương 2: Mô tả thiết bị thực nghiệm bố trí thí nghiệm Chương 3: Trình bày kỹ thuật phân tích số liệu áp dụng cho số liệu hệ detector, tập trung chủ yếu vào hệ detector cấy ion AIDA Trình bày quy trình xử lý số liệu kiện tương ứng để thực phép đo tương quan kiện cấy ion - kiện γ, kiện cấy ion - kiện β, kiện cấy ion - kiện β - kiện nơtron Chapter 4: Trình bày thảo luận kết luận án phân rã γ từ trạng thái đồng phân phân rã β hạt nhân khuôn khổ nghiên cứu Chương 1: Tổng quan Hiện nay, nghiên cứu đồng vị phóng xạ lĩnh vực tiên phong Vật lý hạt nhân đại Có thể kể đến hai phương pháp thường sử dụng để tạo chùm đồng vị phóng xạ này: Phương pháp phân mảnh, phân hạch in-flight phương pháp phân tách đồng vị online (ISOL) Trong đó, phương pháp in-flight sử dụng để tạo hạt nhân không bền khuôn khổ luận án, ưu điểm phương pháp việc tạo nhiều loại hạt nhân có thời gian sống ngắn sử dụng hệ phổ kế từ thay trình hoá học phương pháp ISOL Trong chương này, sở lý thuyết cấu trúc vỏ hạt nhân tóm tắt Bắt đầu từ mơ hình đơn hạt độc lập, mơ hình sử dụng để mơ tả trạng thái kích thích hạt nhân với vài hạt/lỗ liên kết với lõi đóng hai lần magic Tiếp theo, tranh cấu trúc vỏ hạt nhân xa đường bền mô tả ảnh hưởng tương tác thặng dư Cơ sở tương tác tặng dư quỹ đạo không tương đương (non-equivalent orbits) sử dụng để giải thích quy luật parabol cấu hình nhiều hạt Dựa vào sở lý thuyết trên, nghiên cứu thực nghiệm trước vùng hạt nhân đông bắc hạt nhân hai lần magic 132 Sn tác gỉa phân tích đánh giá, nhấn mạnh thơng tin thực nghiệm cịn thiếu trạng thái kích thích thấp vùng hạt nhân Việc đo phân (dịch chuyển) γ từ mức lượng hạt nhân cho phép nghiên cứu vấn đề Trong chương này, sở lý thuyết phân rã γ nêu, bao gồm ước lượng Weisskopt sử dụng để dự đoán độ đa cực dịch chuyển γ, với định nghĩa trạng thái đồng phân dịch chuyển γ từ trạng thái đồng phân Nghiên cứu thuộc tính phân rã β, có xác suất phát nơtron trễ từ phân rã β (Pxn , x số nơtron trễ phát ra) thời gian bán rã β cung cấp thông tin quan trọng cấu trúc hạt nhân thiên văn học hạt nhân Trong chương này, tác giả xem xét lý thuyết phân rã β, phân loại phân rã β: Dịch chuyển Gamow-Teller, Fermi dịch chuyển cấm, với định nghĩa lý thuyết xác suất phát nơtron trễ từ phân rã β thành phần quan trọng tính tốn lý thuyết cho đại lượng Ảnh hưởng liệu xác suất phát nơtron trễ từ phân rã β cho hạt nhân giàu nơtron tính tốn thiên văn học hạt nhân liên quan đến trình bắt nhanh nơtron thảo luận Cuối chương, tác giả thảo luận số phương pháp thực nghiệm để đo đại lượng Pxn bao gồm phép đo gián tiếp phép đo trực tiếp sử dụng detector đo nơtron Chương 2: Cấu hình thí nghiệm Các hạt nhân giàu nơtron xung quanh vùng hạt nhân có số nơtron N=82 tạo sở tạo chùm đồng vị phóng xạ RIBF RIKEN Cơ sở bao gồm máy gia tốc cyclotron máy gia tốc thẳng LINAC Ngoài ra, nhiều thiết bị thử nghiệm sử dụng chùm hạt sơ cấp gia tốc đặt đường dẫn (beam-line) khác Trong nghiên cứu này, chùm hạt 238 U gia tốc tầng máy gia tốc Hình Hình 2.1.2 mơ tả bố trí thí nghiệm đề tài luận án, lối vào tầng gia tốc cuối (máy gia tốc Cyclotron với nam châm siêu dẫn SRC) Chùm tia sơ cấp sau khỏi SRC dẫn đến bia dày làm Beryllium, vật liệu có số hiệu nguyên tử nhỏ tiết diện tạo mảnh vỡ giàu nơtron lớn thông qua chế phản ứng cọ sát-phân hạch (abrasion-fission) Các mảnh sản phẩm, với độ toè góc mômen lớn việc sử dụng bia dày, vào hệ phổ kế Big RIKEN Projectile Fragment Separator (BigRIPS) Với thiết kế có độ chấp nhận (acceptance) lớn, hệ phổ kế BigRIPS lượng lớn ion thứ cấp sinh từ bia thu nhận vận chuyển thông qua phân tách hai tầng (tandem) Việc xác định mảnh sản phẩm tiến hành tầng thứ hai hệ phổ kế BigRIPS, nằm sau tiêu cực hội tụ F3 nam châm tứ cực, sử dụng detector dọc theo đường chùm tia (beamline detector) detector nhấp nháy plastic, ống đếm thác lũ dạng song song (Parallel Plate Avalanche Counter -PPAC) buồng ion hoá (ionization chamber-IC) Chùm hạt nhân gồm nhiều loại khác (cocktail beam) vận chuyển đến hệ thí nghiệm đo phân rã β đặt điểm hội tụ cuối F11 Tại đây, hệ detector cấy ion AIDA (Advanced Implantation Detector Array) dừng chùm tia - ghi đo (active stopper) gồm detector Silicon phân dải hai mặt đặt vị trí để dừng hồn tồn ion ghi đo phân rã β từ ion cấy vào Quá trình sau cấy ion sau phân rã β phát rã xạ γ nơtron đo detector bán dẫn Ge siêu tinh khiết (HpGE) dạng bốn ống đếm đo nơtron bố trí xung quanh Sơ đồ bố trí thí nghiệm điểm hội tụ F11 cho Hình 2.2 Trong chương này, mơ tả chi tiết detector thí nghiệm đưa Tác giả đề xuất thiết kế cho detector đo nơtron BRIKEN sử dụng công cụ mô GEANT4 Công cụ sử dụng để ước lượng hiệu suất ghi nơtron cho cấu hình cuối detector đo nơtron BRIKEN Hình Hình2.1: 2: Sơ đồ tổng thể bố trí thí nghiệm Chương 3: Phân tích số liệu Trong chương này, phương pháp phân tích áp dụng cho số liệu thực nghiệm đưa Các số liệu đo từ hệ ghi nhận số liệu (DAQ): BigRIPS, AIDA BRIKEN phân tích Hình Hình2.2: 3: Sơ đồ bố trí thí nghiệm điểm hội tụ F11 (Hình cung cấp TS.Iris Dillmann, thành viên nhóm thí nghiệm) (sort) riêng trước ghộp chung lại dựa thông tin thời gian Nhận diện hạt Thực nghiệm khuôn khổ luận án có mục đích đo phân rã β và phân rã γ từ trạng thái đồng phân dải rộng hạt nhân xung quanh vùng có khối lượng A = 130 Do đó, hệ phổ kế BigRIPS điều chỉnh chế độ chấp nhận lớn (large acceptance mode) để chấp nhận nhiều loại ion (hạt nhân) khác xung quanh vùng có khối lượng A = 130, tương ứng với dải giá trị độ cứng từ Bρ lớn Trước cấy chùm tia gồm nhiều loại hạt nhân vào hệ thí nghiệm BRIKEN điểm hội tụ F11, việc phân tích nhận diện hạt theo kiện (event-by-event) cần thiết cho phép phân tích Việc nhận diện hạt (PID) tương ứng với việc cung cấp thông tin số hiệu nguyên tử Z tỉ số khối lượng điện tích A/Q mảnh sản phẩm (fragments) sử dụng kỹ thuật gọi ∆E − Bρ − T OF Cụ thể việc nhận diện hạt bao gồm bước đo vận tốc sử dụng thông tin thời gian bay (time-of-flight), xác định số hiệu nguyên tử sử dụng buồng ion hoá xác định tỉ số A/Q dựa vào việc tính tốn giá trị Bρ Các phép chuẩn (calibration) thực detector AIDA, BRIKEN Clover Với hệ detector phân chia thành nhiều vùng (segment) lượng hấp thụ kiện tán xạ Compton lượng cao, tác giả sử dụng thuật toán cộng lượng (addback) tương ứng tín hiệu ghi nhận từ tinh thể gần detector khoảng thời gian µs Đường chuẩn hiệu suất ghi sau áp dụng thuật toán addback so sánh với đường chuẩn ban đầu biểu thị Hình Hình3.14 Ngồi ra, tác giả xét đến hiệu ứng sai thời gian (time-walk effect) phụ thuộc lượng tia γ ghi nhận detector Đồ thị biểu diễn lượng thời gian tương ứng tín hiệu ghi nhận detector sử dụng để hiệu chỉnh hiệu ứng Hình Hình3.14: 4: Đường chuẩn hiệu suất ghi tổng cộng detector bán dẫn Ge tinh khiết sau áp dụng thuật tốn addback (đường màu tím) trước áp dụng thuật toán addback (đường màu đỏ) Trong chương này, tác giả mô tả phương pháp phân tích để tái xây dựng kiện phân rã β cấy ion detector AIDA Các kiện phân loại thành cụm (cluster) hit lượng cao lượng thấp dải detector silicon phân dải hai mặt (DSSD) dựa vào thơng tin vị trí thời gian Xử lý số liệu Ở phần này, tác giả trình bày quy trình ghộp số liệu từ hệ ghi nhân số liệu (DAQ) độc lập sử dụng thông tin thời gian Trong bước này, thông tin riêng biệt loại kiện đo hệ ghi nhận số liệu kết hợp cho bước phân tích 10 Quy trình phân tích tương quan kiện cấy ion - β nơtron Trong bước phân tích này, kiện cấy ion detector AIDA xác định với số hiệu nguyên tử Z tỉ số khối lượng điện tích A/Q (Hình (Hình3.25) 5) Từ liệu ghộp, phép trùng phùng kép kiện cấy-sự kiện tia γ trùng phùng trễ kiện cấy-sự kiện phân rã β tiến hành offline Phép trùng phùng thực kết hợp với điều kiện tương quan không gian để gán kiện phân rã β với kiện cấy ion tương ứng Sử dụng điều kiện trùng phùng này, đường cong phân rã cuối xây dựng cho đồng vị nhận diện với điều kiện gate tương ứng với kiện nơtron ghi nhận detector BRIKEN Có thể coi điều kiện tương ứng với phép trùng phùng kiện cấy ion - phân rã β nơtron Thêm vào đó, tác giả sử dụng điều kiện phản trùng phùng tín hiệu nơtron tín hiệu ghi nhận detector nhấp nháy plastic phía trước detector BRIKEN để làm giảm lượng lớn phông nơtron liên quan đến chùm tia tới Chương 4: Kết thảo luận Phổ γ từ trạng thái đồng phân Trong phần này, tác giả trình bày kết từ quan sát phân rã từ trạng thái đồng phân đồng vị 134 In đồng vị khác vùng hạt nhân quan tâm Ở bước đầu tiên, cấu hình hệ đo phổ phân rã từ trạng thái đồng phân kiểm chứng sử dụng trạng thái đồng phân 10+ biết từ đồng vị 128 Cd Tất tia γ từ trạng thái đồng phân nhận diện dựa vào phổ lượng tia γ ghi nhận sau kiện cấy ion 128 Cd vào detector AIDA Bằng cách khớp liệu phân bố thời gian với gate lượng tia γ 538 keV, tác giả xác định giá trị thời gian bán rã tương ứng trạng thái đồng phân 3.6(4) µs Kết thời gian bán rã tương thích tốt với kết 11 Hình Hình3.25: 5: Đồ thị mơ tả số hiệu ngun tử Z tỉ số khối lượng điện tích tương ứng A/Q (c) tham chiếu tương ứng lên trục A/Q đồng vị Sn (a) vùng tham chiếu nằm đường màu đỏ phần hình (c) Phần hình (b) thể đị thị phân bố tổng cộng, tham chiếu trục số hiệu nguyên tử cho tất đồng vị với hàm khớp dạng Gaus thể đường màu đỏ 12 cơng bố trước Sử dụng quy trình phân tích tương tự với đồng vị 128 Cd, tia γ phát từ trạng thái đồng phân tương quan thời gian với kiện cấy ion đồng vị 132 In, 134 In 130 Ag kiểm tra Tia γ đơn với lượng 56.7(1) keV quan sát rõ ràng đồng vị 134 In, tác giả khơng tìm thấy chứng trạng thái đồng phân tương tự đồng vị 132 In 130 Ag Sử dụng phân bố thời gian tia γ lượng 56.7(1) keV, tác giả xác định thời gian bán rã tương ứng 3.5(4) µs (Hình (Hình4.2) 6) Xác suất dịch chuyển điện tương ứng xác định B(E2; 56.7keV ) = 0.53(6)W.u Hình Hình4.2: 6: Phần hình bên trái (a): Phân bố lượng thời gian kiện tia γ ghi nhận cho đồng vị 132 In, 134 In 130 Ag Phần hình bên phải (b): Các phổ lượng tương ứng đồ thị phân bố phần hình (a) Hình phụ bên phải phần hình thể đường khớp hợp lý thang log (log-likelihood) để xác định thời gian sống trạng thái đồng phân đồng vị 134 In Từ việc so sánh với ước lượng Weisskopf với độ đa cực/loại dịch chuyển khác liệt kê Bảng Bảng 4.1 giả thiết phân rã trực tiếp trạng thái đồng phân trạng thái bản, dịch chuyển loại E2 nhận định độ đa cực/loại dịch chuyển Dịch chuyển loại M2 dịch chuyển 13 yêu cầu thay đổi chẵn lẻ trạng thái, loại trừ vào việc so sánh với lượng đơn hạt vùng hạt nhân Các lượng đơn hạt lớn lượng dịch chuyển γ quan sát (56.7 keV) Bảng4.1: 1: Ước lượng Weisskopf tương ứng thời gian bán rã (T1/2 ) Bảng với loại dịch chuyển/độ đa cực khác phân rã từ trạng thái đồng phân 134 In Giá trị tương thích với thời gian bán rã thực nghiệm 3.5(4) µs tương ứng với trường hợp loại dịch chuyển E2 Dịch chuyển Eλ; M λ hạt nhân T1/2 (µs) nguyên tử trung hồ T1/2 (µs) B(Eλ; M λ) W.u E1 M1 E2 M2 E3 M3 1.4 × 10−6 1.2 × 104 23.7 2.0 × 103 6.0 × 108 5.2 × 1010 7.6 × 10−7 3.4 × 10−5 1.9 43.7 2.1 × 106 8.3 × 107 2.2 × 10−7 9.6 × 10−6 0.53 12.5 6.1 × 105 2.4 × 107 Để thêm tính thuyết phục giả thuyết loại dịch chuyển E2 phân rã từ trạng thái đồng phân này, tác giả so sánh kết thu với tính tốn mẫu vỏ dựa mơ hình lõi trơ 132 Sn với không gian mẫu (model space) bao gồm quỹ đạo proton quỹ đạo nơtron Chi tiết tương tác proton-proton, nơtron-nơtron nơtron-proton mơ tả tính tốn mẫu vỏ Tính tốn mẫu vỏ đưa dự đốn trạng thái yrast 5- nằm trạng thái 6- dẫn đến trạng thái 5- phân rã trạng thái 7- thông qua dịch chuyển E2 với giá trị B(E2) nhỏ, từ trạng thái 5- trạng thái đồng phân Thêm vào đó, giá trị tính tốn từ mẫu vỏ: B(E2; 5− → 7− ) = 26.6 e2 f m4 (8.1W.u) tương ứng với thời gian bán rã 2.85 µs phù hợp tốt với giá trị thực nghiệm: 3.5(4) µs Tính tốn mẫu vỏ dự đốn trạng thái đồng phân 5của 132 In 130 Ag Tuy nhiên, thực nghiệm khơng tìm thấy chứng phân rã trạng thái đồng phân 132 In, mặc 14 dù hạt nhân 132 In cấy với cường độ lớn so với 134 In Điều gợi ý thứ tự trạng thái 5- 6- bị đảo ngược, từ phản ánh sai số lớn tính tốn mẫu vỏ dự đốn trạng thái đồng phân hạt nhân lẻ-lẻ việc thiếu liệu thực nghiệm liên quan tới tương tác proton-nơtron vùng hạt nhân Trong khuôn khổ luận án, tác giả xác định tỉ số suất lượng đồng phân từ dịch chuyển phát tia γ quan sát từ hạt nhân 128 Cd 134 In Các kết cho Bảng Bảng 4.2 Kết thu phù hợp tương đối tốt với kết thực nghiệm trước Dữ liệu tỉ số suất lượng đồng phân đo được sử dụng chuẩn để lên kế hoạch cho nghiên cứu thực nghiệm phân rã từ trạng thái đồng phân sở tạo chùm đồng vị phóng xạ phương pháp phân hạch in-flight Bảng4.2: 2: Bảng tổng hợp tỉ số suất lượng đồng phân xác định Bảng khuôn khổ luận án Rexp tỉ số suất lượng đo được, Rlit tỉ số suất lượng từ tài liệu tham khảo [Taprogge2015] Đồng vị, Spin Loại dịch chuyển E λ M T1/2 µs Eγ (keV) (%) Rexp (%) Rlit (%) 128 Cd, E1 E2 M1 3.6 ± 0.4 3.5 ± 0.4 3.5 ± 0.4 538 56.7 56.7 3.3 ± 0.3 7.2 ± 0.4 7.2 ± 0.4 8.0 ± 1.5 46 ± 13 ± 6.8 ± 0.4 10+ 5134 In, 4134 In, γ Xác suất phát nơtron từ phân rã β cho hạt nhân giàu nơtron thuộc vùng hạt nhân đông bắc hạt nhân đông bắc 132 Sn Trong phần này, tác giả đưa hai kỹ thuật phân tích cho bước cuối để xác định đồng thời giá trị Pxn thời gian sống Trong kỹ thuật đầu tiên, phương pháp mô MonteCarlo sử dụng để thu liệu cấy ion-phân rã β nơtron mô lại điều kiện thực nghiệm đo xác suất phát nơtron trễ từ phân rã β sở tạo chùm đồng vị phương 15 pháp in-flight Tác giả phát triển quy trình khớp hàm nhiều thành phần để thu cách đồng thời giá trị thời gian bán rã β xác suất phát nơtron trễ từ phân rã β Quy trình kiểm tra sử dụng liệu mô Tác giả sử dụng ví dụ hạt nhân phát hai nơtron trễ từ phân rã β 134 In để tạo rã số liệu mô với giả thuyết thời gian bán rã T1/2 =140 ms hai giả thuyết xác suất phát nơtron trễ từ phân rã β (Pxn ) hạt nhân mẹ là: (1) P1n = 50% and P2n = 50%, (2) P1n = 50% and P2n = 25% Giá trị uớc lượng tốt (best estimate) sau thực quy trình khớp hàm cho kết trường hợp thứ là: T1/2 =140.2(3) ms, P1n = 50.1(2)%, P2n = 50.05(16) % trường hợp thứ hai là: T1/2 =140.1(3) ms, P1n = 49.9(2)%, P2n = 25.07(12) % Sự phù hợp tốt hàm khớp với đường cong phân rã với gate số hạt nơtron (neutron multiplicity) khơng có gate số hạt nơtron cho thấy khả sử dụng phương pháp phân tích để đưa ước lượng tốt cho giá trị T1/2 Pxn Ngoài ra, phương pháp khớp hợp lý (likelihood) liệu khơng có bin kiểm tra sử dụng số liệu mơ Phương pháp sau áp dụng cho số liệu thực nghiệm để trích xuất giá trị T1/2 Pxn Trong kỹ thuật thứ hai, khảo suát thực nghiệm độ nhạy phân bố kiện ghi nhận nơtron không gian (phân bố hit) với lượng nơtron trễ từ phân rã β đồng vị giàu nơtron vùng hạt nhân quan tâm tiến hành Tác giả tiến hành xây dựng cấu hình thực nghiệm mô GEAN4 thu phân bố hit từ nơtron đơn với mục đích so sánh Kết ban đầu cho thấy khác biệt rõ ràng phân bố hit từ nơtron trễ đồng vị khác từ nơtron đơn có lượng khác Tác giả tìm thấy chứng tương quan tham số phân bố hit với cửa số Qβn mà liên quan tương ứng giới hạn cho phép phổ lượng nơtron Ngoài ra, kết gợi ý lượng trung bình nơtron đánh giá cách so sánh phân bố hit chuẩn từ nơtron đơn 16 thu mô GEANT4 Các kết sau sử dụng để thu giá trị thực nghiệm hiệu suất ghi detector nơtron Giá trị hiệu suất ghi thu phương pháp có phù hợp tốt với kết tính tốn sử dụng phổ tia γ trễ phát từ phân rã β Hình đưa ví dụ liệu đường cong phân rã thực Hình 4.15 nghiệm khớp hạt nhân 135 In Sử dụng quy trình khớp hàm vậy, tác giả xác định thời gian bán rã xác suất phát nơtron trễ từ phân rã β đồng vị giàu nơtron Ag, Cd, In Sn Kết thời gian bán rã thu mặt tổng thể phù hợp tốt với giá trị cơng bố trước (Hình (Hình4.16) 8) Khuynh hướng giá trị Pxn mô tả Hình Hình4.17 Kết cho thấy tăng đột ngột giá trị Pxn từ số nơtron N=83 tới số nơtron N=84 giải thích tương quan giá trị Pxn với giá trị Qβ lượng tách nơtron Sn Hình Hình4.15: 7: Đường cong phân rã khớp 135 In Thời gian bán rã thu T1/2 = 104.1 ± 3.5 ms, với giá trị P1n =84.2 ± 2.4 % P2n =10.07 ± 1.05 % Các đồ thị thặng dư (residual) tương ứng cho phần đường cong phân rã khớp Các kết so sánh với liệu từ tính tốn mơ hình lý thuyết đại diện (Hình (Hình4.19) 10) Trong tính tốn lý thuyết này, tính tốn từ mơ hình vi mơ - vĩ mơ QRPA-HF 17 Hình Hình4.16: 8: Giá trị thời gian bán rã thu so sánh với giá trị thực nghiệm trước từ tài liệu tham khảo [Lorusso2015] Hình4.17: 9: Khuynh hướng giá trị P1n , P2n Pn = P1n + P2n Hình hàm số nơtron đồng vị Ag, Sn, Cd In Các giá trị Pn thu được so sánh với giá trị thực nghiệm trước từ sở liệu NNDC 18 [Moller2019] mơ hình tượng luận hàm mật độ hiệu dụng EDM [Mienik2014] cho thấy phù hợp tốt với kết thực nghiệm, đặt biệt đồng vị In Trong đó, khơng có mẫu số dự đốn tốt kết thực nghiệm cho đồng vị Cd Sn Hai tính tốn kể sử dụng vài thành phần mơ hình thống kê dùng để mơ tả phát nơtron theo trình tự q trình cạnh tranh kênh phát hạt (cụ thể cạnh tranh kênh phát vài nơtron, cạnh tranh kênh phát nơtron xạ γ) mơ hình tổng thể phát nơtron trễ từ phân rã β Điều gợi ý mơ hình lý thuyết cần phải có thêm xử lý liên quan đến trình phát hạt Thêm vào đó, phù hợp tốt mơ hình lý thuyết đồng vị In so với đồng vị khác giải thích dựa vào việc cấu trúc kích thích hạt nhân từ phân rã đồng vị Cd Sn (cụ thể đồng vị In Sb tương ứng ) phức tạp so với trường hợp phân rã đồng vị In cấu hình proton-nơtron đồng vị so với cấu hình đơn giản đồng vị Sn (đồng vị trao phân rã đồng vị In nuclei) Từ nhấn mạnh cần thiết việc nghiên cứu trạng thái kích thích thấp vùng hạt nhân đông hạt nhân 132 Sn, hiệu ứng liên quan đến tương tác proton-nơtron thiếu Để làm rõ ảnh hưởng kết thu Pxn lên tính tốn q trình bắt nhanh nơtron thiên văn hạt nhân (r-process), tác giả tiến hành tính tốn sử dụng mơ hình động học mạng lưới phản ứng (dynamic reaction-network) sử dụng chương trình phát triển Skynet [Lippuner2017] Hình4.23 11 thể ảnh hưởng kết thực nghiệm Hình tính tốn độ phổ biến đồng vị theo số khối A Ở tác giả đẫ so sánh kết hai tính tốn: Tính tốn dựa sở liệu hạt nhân Reaclib [Cyburt2010] sở liệu có cập nhật giá trị thực nghiệm Pxn Ngoài ảnh hưởng kết thực nghiệm Pxn phân bố độ phổ biến nguyên tố khảo sát Giá trị tỉ lệ độ phổ biến thang loga [Ba/Te], giá trị thường sử dụng để biểu thị cho cường độ 19 Hình Hình4.19: 10: So sánh cách hệ thống giá trị thực nghiệm P2n (phần hình trên), P1n (phần hình dưới) tính tốn lý thuyết khác q trình bắt nơtron nhanh, tính toán −0.436, giá trị thu dược sử dụng liệu hạt nhân cũ cho kết −0.401 Kết luận Để nghiên cứu ảnh hưởng cấu trúc hạt nhân vào thuộc tính phân rã β trạng thái đồng phân vùng hạt nhân đông bắc hạt nhân 132 Sn (N ≤ 82, Z ≥ 50), tác giả tiến hành thực nghiệm sử dụng hệ detector BRIKEN, hệ detector xây dựng cho nghiên cứu phổ phân rã sở tạo chùm đồng vị phóng xạ RIKEN (RIBF) Do mục tiêu thực nghiệm nhằm đo thuộc tính phân rã β trạng thái đồng phân hạt nhân giàu nơtron vùng hạt nhân gần xung quanh hạt nhân hai lần magic 132 Sn, thực nghiệm tiến hành sở RIBF RIKEN, với lợi sử dụng chùm tia sơ cấp 238 U có cường độ lớn 20 Hình4.23: 11: Phân bố độ phổ biến tương đối thu từ mơ q Hình trình bắt nơtron nhanh hàm số khối A, chuẩn hoá 153 Eu Các điểm hình trịn đen tương ứng với độ phổ biến đồng vị hệ mặt trời từ tài liệu tham khảo [Goriely1999] Các hạt nhân quan tâm sinh từ phản ứng phân hạch in-flight chùm tia sơ cấp 238 U đập vào bia Be phân tách hệ phổ kế BigRIPS Các xác suất phát nơtron trễ từ phân rã β trạng thái đồng phân xác định thông qua kỹ thuật trùng phùng: trùng phùng kiện cấy ion - phân rã β - nơtron trùng phùng kép kiện cấy ion - phát tia γ Trùng phùng kiện cấy ion - phân rã β thực phép đo kiện cấy ion, phân rã riêng biệt sử dụng hệ detector silicon có độ phân chia lớn (detector AIDA) đặt vị trí điểm hội tụ cuối hệ phổ kế BigRIPS-ZeroDegree Các nơtron trễ sinh từ kiện phân rã β nhận diện sau đo detector đo nơtron BRIKEN đặt xung quanh detector AIDA, từ cho phép tiến hành phép đo trùng phùng ba kiện cấy ion - phân rã β - nơtron Với việc sử dụng detector đo nơtron BRIKEN với hiệu suất ghi cao không thay đổi theo lượng, đường cong phân rã từ kiện cấy ion-phân rã β với gate kiện nơtron xây dựng sau sử dụng để xác định đồng thời giá trị thời gian bán rã xác suất phát nơtron trễ từ phân rã β 21 Thêm vào đó, detector bán dẫn Ge siêu tinh khiết đo γ loại bốn sử dụng để đo tia γ trễ phát từ phân rã trạng thái đồng phân hạt nhân cấy vào detector AIDA Tác giả trình bày hai kỹ thuật phân tích phát triển: phương pháp khớp đường cong phân rã để trích xuất đồng thời thời gian bán rã xác suất phát nơtron trễ từ phân rã β mà kiểm tra số liệu từ mô Monte-Carlo kiện cấy ion-phân rã β nơtron trễ đo hệ detector BRIKEN; phương pháp để ước lượng phổ lượng nơtron từ phân bố không gian nơtron hệ ống đếm He khối làm chậm Phương pháp sử dụng ước lượng giá trị hiệu suất ghi nơtron hạt nhân phát nơtron trễ từ phân rã β có phổ lượng nơtron khác Tác giả xác định xác suất phát nơtron trễ từ phân rã β 17 đồng vị giàu nơtron Ag, Cd, In Sn Các thời gian bán rã xác định đồng thời có độ phù hợp tốt với số liệu đo từ cơng bố trước Ngồi ra, tác giả xác định trạng thái đồng phân thông qua dịch chuyển γ lượng 56.7 keV từ hạt nhân 134 In với thời gian bán rã 3.5(4) µs tỉ số suất lượng đồng phân 46(6)% Trạng thái đồng phân − xác định trạng thái yrast 5- với cấu hình hạt lỗ π0g9/2 1f7/2 chiếm ưu thê dựa vào tính tốn mẫu vỏ Đây trạng thái đồng phân đồng vị giàu nơtron vùng hạt nhân đông bắc hạt nhân 132 Sn Việc không quan sát trạng thái đồng phân 5- tương tự hạt nhân gần đường bền 132 In gợi ý thứ tự trạng thái 5- 6- hai đồng vị bị đảo ngược Ngồi ra, tác giả khơng tìm thấy chứng trạng thái đồng phân hạt nhân 130 Ag với cấu hình tương tự Do chi tiết mức lượng kích thích thấp đói với đồng vị phụ thuộc mạnh vào tương tác proton - nơtron cấu hình kép (multiplet) đơn giản chiếm ưu trạng thái này, ba đồng vị có đóng ghóp quan trọng để xây dựng Hamiltonian hiệu dụng vùng hạt nhân Dựa vào kết thực nghiệm xác suất phát nơtron từ 22 phân rã β (Pxn ), hạt nhân 133 Cd, 134 In and 135 In xác định hạt nhân phát nơtron từ phân rã β Các khuynh hướng Pxn cung cấp thông tin gián tiếp hiệu ứng mạnh lớp vỏ đóng số nơtron N=82 số proton Z=50, giá trị Pxn phụ thuộc mạnh vào sổ Qβn Tác giả đưa so sánh với tính tốn lý thuyết Kết cho thấy phù hợp tốt giá trị Pxn đồng vị In tính tốn lý thuyết sử dụng mẫu thống kê trình phát nơtron trễ Điều gợi ý mẫu thống kê tương tự cần phải sử dụng tính tốn q trình phát nơtron từ phân rã β Từ kết sử dụng thơng tin quan trọng tính toán lý thuyết giúp cải thiện khả dự đốn tính tốn vùng hạt nhân giàu nơtron mà thực nghiệm chưa thể tiếp cận Để làm rõ ảnh hưởng số liệu Pxn đo trình bắt nhanh nơtron (r-process) thiên văn hạt nhân, tác giả tiến hành tính tốn sử dụng mạng lưới phản ứng hạt nhân, với giả thiết trình sát nhập hai nơtron Hiệu ứng rõ ràng phân bố độ phổ biến đồng vị theo khối lượng quan sát, với thay đổi nhỏ tỉ lệ độ phổ biến hai nguyên tố Ba Te Điều cho thấy mức độ ảnh hưởng liệu hạt nhân từ thực nghiệm giá trị Pxn đóng ghóp vào sở liệu hạt nhân cần thiết để mơ xác q trình r-process Tài liệu tham khảo [Taprogge2015] J.Taprogge, Decay spectroscopy of neutronrich cadmium isotopes Doctoral dissertation, Universidad Autónoma de Madrid (2015) [Lorusso2015] G Lorusso et al., Phys Rev Lett 114.19,192501 (2015) [Moller2019] P Moller et al., Atomic Data and Nuclear Data Tables 125 1-192, (2019) [Mienik2014] K Miernik, Phys Rev C 90.5, 054306 (2014) [Lippuner2017] J Lippuner and Luke F Roberts, Astrophys Jour Supp 233.2,18 (2017) 23 Danh mục công trình khoa học tác giả liên quan đến luận án Phong V H., Lorusso G., et al (2019) “Observation of a µs isomer in 134 49 In85 : proton-neutron coupling south-east of 132 Sn ” Physical Review C 100.1, p 011302 82 50 Phong V H., Nishimura S and Khiem L H (2018) “Evaluation of Simultaneous Fitting Method for β-Decay Half-Lives and β-Delayed Multi Neutron Emission Probabilities Developed for the Briken Experiment” Communications in Physics, 28(4), pp 311-321 Phong V H., Nishimura S., Lorusso G., and Algora A (2017) “Impact of the β-Delayed Neutron Emission Probabilities Around A=100-125 on the r-Process and the BRIKEN Project” In Proceedings of the 14th International Symposium on Nuclei in the Cosmos (NIC2016), p 020620 Rasco B.C., Brewer N.T., Yokoyama R., Grzywacz R., Rykaczewski K.P., Tolosa-Delgado A., Agramunt J., Tain J.L., Algora A., Hall O., Griffin C., Davinson T., Phong V H., Liu J., Nishimura S., Kiss G.G., Nepal N., Estrade A (2018) “ The ORNL analysis technique for extracting β-delayed multi-neutron branching ratios with BRIKEN” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, 911, pp 79-86 24 ... viện nghiên cứu RIKEN Nhật Bản sở in-flight hệ tạo chùm hạt nhân giàu nơtron với suất lượng cao Dựa vào sở trên, chọn nội dung đề tài: Nghiên cứu cấu trúc số hạt nhân phóng xạ giàu nơtron thiết bị. .. bị tạo chùm đồng vị phóng xạ RIKEN Các cơng việc luận án phần dự án “Beta-delayed neutrons at RIKEN? ?? (BRIKEN), dự án hợp tác quốc tế tiến hành nghiên cứu thực nghiệm thuộc tính trình phát nơtron. .. học hạt nhân, an toàn xạ, Bố cục luận án: Nội dung luận án (trừ phần mở đầu kết luận) chia thành chương sau: Chương 1: Giới thiệu phát triển nghiên cứu chùm đồng vị phóng xạ sở tạo chùm đồng vị