Nghiên cứu tham số hoá tiết diện quang phân hạch của 238u và mô phỏng tối ưu sử dụng geant4 phục vụ cho thiết kế hệ thiết bị IGISOL tại dự án ELI NP TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Lê Tuấn Anh NGHIÊN CỨU THAM SỐ HOÁ TIẾT DIỆN QUANG PHÂN HẠCH CỦA 238U VÀ MÔ PHỎNG TỐI ƯU SỬ DỤNG GEANT4 PHỤC VỤ CHO THIẾT KẾ HỆ THIẾT BỊ IGISOL TẠI DỰ ÁN ELI-NP Chuyên ngành: Vật lý Nguyên tử Hạt nhân Mã số: 9440106 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT HÀ NỘI - Năm 2021 Cơng trình hồn thành tại: Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học 1: TS Phan Việt Cương Người hướng dẫn khoa học 2: GS TS Dimiter L Balabanski Phản biện 1: … Phản biện 2: … Phản biện 3: … Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi … ’, ngày … tháng … năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Trung tâm nghiên cứu ELI-NP (The Extreme Light Infrastructure- Nuclear Physics) mong đợi trở thành sở nghiên cứu tiên tiến giới lĩnh vực vật lý quang hạt nhân (photonuclear physics), mở hướng nghiên cứu liên ngành kết hợp laser công suất cao vật lý hạt nhân ELI-NP cung cấp chùm gamma đơn năng, phân cự cao lượng điều chỉnh để lựa chọn dải từ 200 keV đến 19.5 MeV Chùm gamma ELI-NP phù hợp cho việc tạo chùm đồng vị phóng xạ (RIB) thơng qua phản ứng quang phân hạch Uranium Một hệ thiết bị IGISOL (Ion Guide Isotope Separation On-line) xây dựng ELI-NP nhằm thu mảnh phân hạch để tạo thành RIB Việc tính tốn xác tiết diện điện quang phân hạch quan trọng việc hỗ trợ ý tưởng Do đó, điều cần thiết phát triển cơng cụ tính tốn tin cậy dựa tham số hoá số liệu thực nghiệm Bộ tham số hoá khơng có ích cho ELI-NP mà cở sở nghiên cứu có sử dụng phản ứng quang phân hạch giới Ngoài ra, cần tiến hành loạt tính tốn mà mơ tiên nhằm đưa thiết kế mẫu cho buồng CSC (Cryogenic Stopping Cell) cụ thể cho thiết bị IGISOL ELI-NP Mục tiêu nghiên cứu luận án Các mục tiêu luân án bao gồm: i) Phát triển tham số hố tin cậy cho việc tính tốn tiết diện phản ứng quang phân hạch dải rộng 30 MeV ii) Xây dựng chương trình Geant4 thực loạt mô nhằm tối ưu thiết kế cho buồng CSC ELI-NP Các nội dung nghiên cứu luận án • Tổng quan dự án ELI-NP, trình quang phân hạch, phương pháp tạo chùm đồng vị phóng xạ, công cụ mô ELI-NP ứng dụng • Xây dựng tham số hố cho việc tính tốn tiết diện, phân bố khối lượng (mass yield) điện tích (isobaric charge distribution) q trình quang phân hạch • Dự đốn suất lượng hạt nhân giàu neutron • Đưa q trình quang phân hạch vào Geant4 Xây dựng chương trình Geant4 hồn chỉnh cho việc mô phản ứng quang phân hạch, tán xạ Compton ngược trình điện từ trường hạt (ion, gamma, electron) với vật chất Sau đó, chương trình dùng để tối ưu thiết kế cho buồng CSC ELI-NP Chương 1.TỔNG QUAN 1.1.Trung tâm nghiên cứu ELI-NP ELI (The Extreme Light Infrastructure) dự án nghiên cứu quan tâm liên minh châu Âu ELI bao gồm ba sở nghiên cứu nằm nước khác Séc, Hungary Romania với mục đích nghiên cứu tương tác photon với vật chất cường độ cao khung thời gian ngắn Trung tâm nghiên cứu ELI-NP đặt Romania ba sở dự án ELI ELi-NP tập trung vào việc nghiên cứu sử dụng hai chùm tia laser công suất 10 PW chùm gamma cường độ cao tạo thành từ tán xạ Compton ngược (CBS) ELI-NP bao gồm hai khu vực nghiên cứu HPLS (High-Power Laser System) GBS (Gamma Beam System) Hình 1.1 hình ảnh phác thảo thiết bị khu vực nghiên cứu ELI-NP 1.1.1.Chùm gamma ELI-NP Trung tâm ELI-NP tạo chùm gamma phân cực cao (≥ 95%) với lượng đìiều chỉnh với thơng lượng lên tới 104 photons/(s.eV ) dải 200 keV đến 19.5 MeV Độ đơn chùm gamma đạt đến độ phân giải ≥ 0.3% Chùm gamma tạo từ tán xạ Compton ngược laser chùm electron gia tốc từ máy gia tốc tuyến tính Tán xạ Compton ngược coi "máy gia tốc photon" Hình 1.2 mơ tả sơ đồ tương tác CBS photon laser lượng EL , đến từ góc θL so với hường chùm electron, tương tác với electron có lượng Ee Hai loại chùm tia tạo ELI-NP được mô tả Hình 1.3 Chùm tia rộng trình bày chấm xanh có dải lượng 10 − 18.5 MeV Chùm tạo Ee = 720M eV chuẩn trực chùm tia 0.7 mrad chì Trong đó, chấm đỏ thể chùm tia mảnh với lượng quanh 12.9 MeV Chùm tia mảnh đạt với Ee = 600M eV chuẩn trực chùm tia 0.09 mrad Dựa loại chùm tia gamma vậy, ELI-NP cung cấp thí nghiệm huỳnh quang cộng hưởng hạt nhân (NRF), phản ứng hạt nhân ngưỡng tách neutron, thí nghiệm quang phân hạch thí nghiệm tạo chùm đồng vị phóng xạ 1.2.Các phương pháp tạo chùm đồng vị phóng xạ Có phương pháp để tạo chùm đồng vị phóng xạ bao gồm phương pháp ISOL, in-flight IGISOL Để xác định phương pháp phù hợp với việc tạo chùm đồng vị phóng xạ ELI-NP phân tích chi tiết phương pháp nội dung 1.2.1.Phương pháp ISOL Trong kỹ thuật ISOL (Isotope Separation On-line), chùm đồng vị phóng xạ tạo từ phản ứng ’spallation’ phân hạch gây ion nhẹ bia actinide dày Các phản ứng phân hạch tạo neutron nhiệt, neutron nhanh, proton photon Phương pháp yêu cầu cường độ chùm sơ cấp cường độ cao bia nóng dày Lợi lớn việc dùng bia dày tạo suất lượng phân hạch lớn Thậm chí, hạt nhân (exotic nuclei) với tiết diện tạo thành thấp thu Tuy nhiên, khơng thể thu đồng vị có thời gian sống ngắn ion cần có thời gian để khuếch tán bề mặt bia Một nhược điểm khác phương pháp ISOL khó đạt độ tinh khiết chùm tia cao có nhiều hạt nhân đồng khối nguyên tố khác tạo đồng thời bia Hơn nữa, nguyên tố chịu lửa nói chung khó tạo cần nhiệt độ đủ cao để làm cho chúng dễ bay hơi, xem hình 1.6 Hình 1.1: Sơ đồ khu vực thí nghiệm thiết bị ELI-NP: HPLS High Power Laser System; OPCPA: Optical Parametric Chirped Pulse Amplification; XPW: Cross Polarised Wave system; LBTS: Laser Beam Transport System; GBS Gamma Beam System; DPSSL: Diode Pumped Solid State Laser; E1-E8 Experimental areas Hình 1.2: Sơ đồ tán xạ Compton ngược photon laser lên electron Hình 1.3: Kết mơ mối tương quan lượng-góc hai chùm gamma Hình 1.4: Phổ lượng chùm gamm dải rộng có lượng từ 10–18.5 MeV (hình vng xanh) chùm gamma mảnh có lượng khoảng 12.9 MeV Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý phương pháp ISOL In-Fligh 1.2.2.Phương pháp in-flight Sơ đồ hình 1.5 thể nguyên lý phương pháp In-Flight Trong phương pháp này, chùm đồng vị phóng xạ tạo từ phản ứng "fragmentation"hoặc phân hạch chùm ion nặng lên bia mỏng làm nguyên tố nhẹ carbon beri Bia mỏng cho phép mảnh sản phẩm phóng khỏi bề mặt bia vận tốc cao mô-men hướng phía trước Ngược lại với phương pháp ISOL, ưu điểm phương pháp việc sản xuất RIB không phụ thuộc vào đặc tính hóa học ngun tố Hơn nưa, phương pháp cho phép tạo chùm đồng vị phóng xạ có thời gian sống ngắn chùm hạt nhân trạng thái isomer Ngược lại, tính chất quang học chùm phóng xạ lại động bị phân tán phân kỳ mảnh bay Vì cường độ chùm ion nặng thường thấp cường độ chùm ion nhẹ sử dụng cho phương pháp ISOL nên suất lượng số hạt nhân thấp chút 1.2.3.Phương pháp IGISOL Hình 1.7 minh hoạ nguyên lý phương pháp IGISOL dựa thiết kế sơ khai Ý tưởng kỹ thuật sản phẩm phản ứng hạt nhân phóng từ bia bị làm chậm lại nhiệt hóa buồng khí đến trạng thái điện tích 1+ Khí đệm thường heli cịn argon sử dụng số trường hợp đặc biệt IGIGOL tương tự ISOL, ngoại trừ Hình 1.6: Điểm sơi nóng chảy ngun tố Hình 1.7: Nguyên lý phương pháp IGISOL phần bia Trong phương pháp này, thay sử dụng bia dày, bia mỏng sử dụng Các ion bị theo dịng khí khỏi buồng khí đẩy vào tách đồng vị thơng qua hệ thống điện cực Độ dày bia giới hạn quãng chạy ion bia nhằm thu hiệu suất thoát khỏi bia cao 1.2.4.Phương pháp tạo đồng vị phóng xạ ELI-NP Tại ELI-NP, chùm đồng vị phóng xạ tạo thơng qua phản ứng phân hạch gây chùm photon Do đó, đề cập phần 1.2.2, phương pháp In-flight không phù hợp Trong đó, phương pháp ISOL phù hợp với chùm tới gamma Tuy nhiên, ELI-NP trọng đến việc tạo chùm đồng vị phóng xạ để nghiên cứu hạt nhân giàu neutron vùng Zr-Mo-Rh, tức vùng nguyên tố chịu nhiệt Trong hình 1.6, vùng Zr-Mo-Rh có nhiệt độ sơi nóng chảy cao Do đó, chúng khơng thể khuếch tán bề mặt bia nhiệt Như vậy, phương pháp ISOL không phù hợp để tạo chùm đồng vị phóng xạ ELI-NP Trong đó, với việc dùng bia mỏng, phương pháp IGISOL phương pháp tối ưu cho việc tạo chùm đồng vị phóng xạ nguyên tố chịu nhiệt Do đó, hệ IGISOL xây dựng ELI-NP 1.3.Hệ thiết bị IGISOL tương lai ELI-NP Hình 1.8 mơ tả bố trí hệ GBS (Gamma Beam System) bên khu gia tốc Chiều dài khu gia tốc xấp xỉ 90m Dự kiến có hai điểm tương tác: Điểm thứ cho lượng electron E=300 MeV, gọi điểm tương tác lượng thấp (LIP); Điểm thứ hai cho tương tác electron lượng E=720 MeV, gọi điểm tương tác lượng cao (HIP) Chùm gamma dành cho việc tạo đồng vị phóng xạ đến từ điểm thứ hai Tại ELI-NP, chùm đồng vị phóng xạ hình thành từ sản phẩm trình quang phân hạch từ bia 238 U tạo từ chùm gamma CBS Các thành phần IGISOL bao gồm CSC ống chuẩn trực nằm beam-line Các bia 238 U đặt bên buồng CSC chứa đầy khí Helium Các mảnh phân hạch lấy đưa đến khu vực ghi đo thông qua RFQ (radio frequency quadrupole), nam châm phân tích khối phổ kế MR-TOF-MS Buồng CSC, chuẩn trực RFQ đặt mặt phẳng Chúng dễ dàng lắp đặt vào đường beam-line Cần nhấn mạnh rằng, chùm gamma gây phản ứng quang phân hạch đến từ điểm tương tác có lượng cao Có hai vị trí để đặt buồng CSC Vị trí đầu cách 7m so với điểm HIP, vị trí thứ cách 40m Cần phải thực loạt mơ để tính tốn số lượng tối ưu, góc nghiêng, độ dày, kích thước khoảng cách bia uranium để có chùm phóng xạ với cường độ cao Để giải vấn đề này, sử dụng thư viện mô Geant4 1.4.Introduction of Geant4 toolkit Geant4 thư viện xây dựng dựa phương pháp Monte-Carlo để giải tốn mơ chuyển động hạt (heavy ions, light ions, γ, e, ) vật chất Nó sử dụng ứng dụng vật lý hạt, vật lý hạt nhân, thiết kế máy gia tốc, kỹ thuật không gian vật lý y tế Geant4 chọn cung cấp cho người dùng nhiều mơ hình để mơ vận chuyển hạt vật chất Trong trường hợp chúng tôi, việc mô mảnh phân hạch di chuyển bia khí giúp tối ưu hóa thiết kế CSC Tuy nhiên, trình quang phân hạch (photofission) khơng có sẵn Geant4 Do đó, mơ hình cần đưa vào Geant4 để mơ phản ứng Để thực việc cần nghiên cứu phản ứng quang phân hạch, đặc biệt tiết diện 1.5.Q trình quang phân hạch Năm 1939, Bohr Wheeler đưa lý thuyết giải thích chế q trình phân hạch hạt nhân Lý thuyết cho thấy hạt nhân nặng cung cấp đủ lượng kích thích phân chia hạt nhân xảy Năng lượng kích thích cung cấp thơng qua bắt giữ hạt (n,p,e ) lượng tử gamma Quá trình quang phân hạch định nghĩa trình phân hạch hạt gamma Phản ứng phân hạch lần quan sát vào năm 1940 Haxby cộng cách chiếu xạ uranium thorium với chùm γ 6.3 MeV cường độ cao từ flo Từ đó, phản ứng quang phân hạch, đặc biệt phản ứng quang phân hạch vùng lượng thấp nghiên cứu rộng rãi.Các nghiên cứu quang phân hạch quan trọng không để hiểu chế phân hạch mà để khám phá hiệu ứng cấu trúc hạt nhân Gần đây, phản ứng quang phân hạch quan tâm nhiều cho phép tạo chùm hạt nhân phóng xạ giàu neutron mà gần với trình r-process (r-process path) Ví dụ, phản ứng quang phân hạch bia Uranium sử dụng cở sở nghiên cứu ALTO IPN Orsay, trung tâm nghiên cứu DRIBs JINR, ARIEL TRIUMF, viện ANURIB VECC, hệ thiết bị IGISOL trung tâm nghiên cứu ELI-NP Để tạo hạt nhân giàu neutron, viêc tính tốn xác tiết diện tạo mảnh phan hạch quan trọng thiết kế thí nghiệm vật lý hạt nhân hay nhiều ứng dụng Hình 1.8: Sơ đồ bố trí hệ thống tạo chùm Gamma (GBS) khác Việc tính tốn tiết diện quang phân hạch 238 U vùng lượng thấp, bao gồm vùng cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ (GDR) quan tâm việc ước tính suất lượng tạo mảnh phân hạch giàu neutron tối ưu hóa thí nghiệm vật lý hạt nhân sở nghiên cứu đề cập Các mẫu phân hạch tổng quát, GEF FIPRODY phát triển để dự đoán đa phân hạch quan sát nhiều hệ phân hạch Tuy nhiên, kết dự đoán suất lượng chúng cho quang phân hạch 238 U chưa xác thực Do tính tốn mơ hình phân hạch thống kê tốn thời gian nên cần có tham số thực nghiệm nhanh chóng xác để tính tốn tiết diện tạo thành mảnh phân hạch Gần đây, tham số thực nghiệm dựa phân bố khối lượng lượng trung bình photon 13.7 MeV phát triển để tính toán tiết diện mảnh phân hạch gây trình quang phân hạch 238 U 13.7 MeV Tuy nhiên, tham số hố khơng mơ tả suất lượng vùng lượng 30 MeV, đặc biệt mode phân hạch có phụ thuộc mạnh vào lượng mode đối xứng Vì cần phát triển tham số thực nghiệm đáng tin cậy cho ứng dụng đề cập 13 Hình 2.4: So sánh suất lượng Y (Z) = Y (A, Z) đo từ hai thí nghiệm quang phân hạch 238 U Hình 2.5: So sánh phân bố suất lượng hai thí nghiệm GSI với kết tính tốn từ cơng thức tham số hoá luận án Tham số bề rộng Cp in Eq (2.8) thấy gần số, Cp = 0.85 Giá trị số sử dụng phương trình liệt kê Bảng 2.3 2.2.Kiểm tra giá trị tham số hố Hình 2.4 trình bày so sánh số liệu thực nghiệm phân bố Y (Z) = Y (A, Z) 238 đo thí nghiệm phân hạch U lượng kích thích khác với tính tốn dựa tham số hố phát triển luận án Giữa tính tốn thực nghiệm có phù hợp phạm vi sai số Để tiếp tục kiểm tra tính đắn tham số hoá, số liệu thực nghiệm suất lượng phân hạch 238 U gây photon ảo so sánh với kết tính tốn dùng tham số hố Hình 2.5, cho thấy số liệu đo tính tốn tương đồng với hai thí nghiệm 14 2.3.Dự đốn suất lượng tạo hạt nhân giàu neutron ELI-NP Hình 2.6 đưa ví dụ tính tốn tiết diện mảnh giàu neutron sinh phản ứng quang phân hạch 238 U dùng chùm photon 14 MeV Kết tính tốn cho thấy quang phân hạch 238 U phù hợp để sản xuất hạt nhân giàu neutron với 31 ≤ Z ≤ 62 80 ≤ A ≤ 160 Với nhiều hạt nhân giàu neutron nằm gần với đường r-process, tiết diện tạo thành cỡ mb tạo qua quang phân hạch 238 U lượng thấp Ví dụ, tiết diện tạo 80˘82 Ge 85˘87 Se quanh lớp đóng N = 50 khoảng 0.17 and 1.1 mb, tiết diện tạo 132 Sn 134 Te quanh lớp đóng N = 82 xấp xỉ 0.66 6.4 mb Hình 2.6: Tiết diện mảnh phân hạch tạo từ phản ứng quang phân hạch 14 MeV tính tốn cơng thức thám số hố 238 U phonton Các kết tính tốn tiết diện kể dùng để ước lượng tốc độ tạo hạt nhân giàu neutron từ phản ứng quang phân hạch 238 U tối ưu hố thí nghiệm vật lý Ví dụ, tốc độ tạo 132 Sn 134 Te bia 238 U với tổng khối lượng 251 µm vào khoảng × 104 × 105 ions/s cho hệ thiết bị IGISOL tương lại ELI-NP Trong tính tốn này, cường độ chùm gamma (giả thiết dùng chùm gamma dải rộng có lượng từ 10 đến 18.5 MeV) × 1010 γ/s điểm tương tác (HIP), bia 238 U đặt cách điểm 7m 2.4.Kết luận cho Chương Như vậy, tham số hố thực nghiệm cho việc tính tốn tiến diện phản ứng quang phân hạch xây dựng thành cơng Nó áp dụng cho dải lượng rộng 30 MeV Bộ tham số cho phép tính tốn tiết diện tổng, phân bố khối lượng điện tích mảnh phân hạch Bộ tham số đánh giá việc so sánh với kết thực nghiệm cho kết tốt 15 Chương 3.TỐI ƯU HOÁ THIẾT KẾ BUỒNG CSC CHO HỆ IGISOL Ở ELI-NP Chương trình bày trình phát triển chương trình máy tính dựa thư viện Geant4 để mơ q trình vật lý xảy buồng CSC (Cryogenic stopping cell) chứa đầy khí He Việc sử dụng chương trình để tối ưu thiết kế CSC cho hệ thiết bị IGISOL ELI-NP đươc mô tả chi tiết chương 3.1.Cấu trúc chương trình mơ phát triển dựa thư viện Geant4 Người dùng Geant4 phải tự viết chương trình C++ cho tốn cụ thể Chương trình phát triển luận án cho phép mô tạo chùm gamma từ tán xạ Compton ngược CBS (xem hình 1.1.1), mơ q trình quang phân hạch, lan truyền hạt ion, electron, gamma vật chất Hình 3.1 thể cấu trúc chương trình Kết mơ lưu file ROOT (TFile) xử lý công cụ phân tích ROOT Phần Physics-Lists đóng vại trị quan trọng chứa trình vật lý xảy Geant4 cung cấp tất mơ hình vật lý cho hạt γ, ions, electrons trừ trình quang phân hạch 3.2.Xây dựng lớp (class) để mô trình quang phân hạch Bởi trình quang phân hạch chưa có Geant4 nên nhiệm vụ quan xây dựng lớp (class) đưa vào Geant4 để mơ q trình Việc đưa trình vật lý vào Geant4 bao gồm hai module Module liên quan tới việc tính tốn tiết diện Bộ tham số hố thực nghiệm mà trình bày chương trước đưa vào module Module thứ hai tính tốn phân bố động học cuối hạt bay Hình 3.2 3.3 mô tả đặc trưng mảnh phân hạch tạo chương trình Geant4 luận án 3.3.Điện tích ion hiệu dụng Trong Geant4, cơng thức tham số hố Ziegler-Manoyan dùng để mơ tả thay đổi điện tích ion chúng di chuyển vật chất Để làm sáng tỏ biến đổi điện tích này, hai cơng thức tham số hố đưa vào Geant4 Đầu tiên công thức tham số hoá phát triển Shima cộng Tham số hố mở rộng việc tính tốn cho ion lượng thấp Công thức tham số hoá thứ hai phát triển Schiwietz Grande 3.4.Tối ưu hố hình học bia phản ứng Kích thước chùm tia A khoảng cách D xác định bởi: A = 2Dθmax = 4D EL /Eth − EL /Eγmax Hình 3.1: Cấu trúc chương trình Geant4 phát triển luận án (3.1) 16 Hình 3.2: Động số khối A mảnh phân hạch tính chương trình Geant4 luận án Hình 3.3: Mối tương quan động góc bay θ mảnh phân hạch tính chương trình Geant4 luận án EL = 2.4 eV lượng photon laser Trong hình 3.4, hình tam giác màu đỏ mô tả tiết diện chùm tia D = m, D = 40 m hình trịn màu xanh da trời Kết cho chùm tia có Emax = 18.5 MeV lượng ngưỡng Eth = 12 MeV Nhiều bia mỏng với kích thước t dùng để tạo phản ứng phân hạch xảy hình 3.5 Các bia mỏng đặt nghiêng góc a so với trục z (trục chùm tia tới) hai lý do: (i) Các bia khơng nên đặt đối diện để tránh hạt bay đập vào bia bên cạnh (ii) việc nghiêng bia làm tăng quãng đường tia gamma bia, t/sin(a) mà không cần tăng bề dày bia Với cấu trúc hình học khối bia mỏng vậy, với tiết diện chùm bia A tổng bề dày bia T, tổng chiều dài đặt bia Lt số bia mỏng N xác định: A (N − 1) tan (a) T N = sin(a) t Lt = (3.2) (3.3) (3.4) 17 Hình 3.4: Phân bố ngang chùm gamma D = m Eth = 12 MeV (màu đỉỏ), D = 40 m Eth = 12 MeV (xanh da trời), D = 40 m Eth = MeV (màu đen) Hình 3.5: Hình học bia mặt phẳng yz Tổng bề dày tính bởi: T (t, A, a) = t Lt + Acos(a) sin(a) (3.5) Tốc độ giải phóng mảnh phân hạch khỏi bia Nr (t, B, A, a) mô tả công thức sau: Nr (t, B, A, a) = Nf t B (3.6) Nr (t, A, a) tốc độ phân hạch, t hiệu suất giải phóng mảnh phân hạch khỏi bia B hiệu suất giải phóng mảnh phân hạch khỏi bề mặt lớp đế (backing layer) 3.4.1.Tối ưu hoá bề dày bia Sự phụ thuộc tốc độ phân hạch Nf vào bề dày bia mỏng thể điểm trịn đen hình 3.6 cho Lt =1m, A =6mm and a=10o , số bia mỏng N = 30 Nếu A, a Lt giữ cố định, tăng t Nf tăng tuyến tính theo Tuy nhiên, hiệu suất giải phóng mảnh phân hạch t giảm tăng bè dày bia nên tốc độ giải phóng mảnh phân hạch Nr tăng nhanh đạt tới bão hoà giá trị bề dày bia Điều thể hình 3.6 với hình vng đỏ tương ứng với cơng thức tham số hố Schiwietz-Grande hình vng xanh tương ứng với cơng thức tham số hố Với trường hợp đầu, trạng thái bão hồ đạt t > 1µm với Schiwietz-Grande t > 2µm Chỉ có độ lớn trạng thái 18 Hình 3.6: Sự phụ thuộc tốc độ phân hạch tốc độ giải phóng vào bề dày bi mỏng Hình 3.7: Sự phụ thuộc PB vào bề dày lớp bão hoà phụ thuộc vào thơng số khác bia, cịn dạng Nr (t) khơng Do đó, bề dày tối ưu bia chọn t ≈ 2µm 3.4.2.Bề dày lớp đế Lớp đế (backing layer) lớp graphite mỏng bao bọc bia dày lớp đế, đại lượng PB (%) tính cơng thức: PB = 238 U để bảo vệ Để tối ưu bề Number of ions lost in the backing layers % Number of ion released from the 238 U foils (3.7) Hình 3.7 thể độ mát PB vào bề dày lớp đế cho cơng thức tham số hố điện tích Schiwietz-Grande Ziegler-Manoyan Nếu PB = 5% (được giới hạn đường gạch ngang) giá trị chấp nhận được, giá trị tối ưu cho bề dày lớp đế dải 0.4 − 0.9µm 3.4.3.Sự phụ thuộc tốc độ giải phóng mảnh phân hạch vào kích thước ngang A, góc nghiêng a khoảng cách bia s Trong hình 3.8, kích thước ngang (The target transversal size) A thể theo thang trục x màu xanh với màu đen cho D = m màu xanh cho D = 40 m Tốc độ giải phóng mảnh phân hạch đạt giá trị cực đại A nhận giá trị 0.7 cm 3.9 cm tương ứng với hai vị trí đặt buồng CSC 19 Tốc độ giải phóng mảnh phân hạch phụ thuộc yếu vào góc nghiêng a Ví dụ, phân bố hình 3.8 giảm 2% tăng 5% a thay đổi 10o Hình 3.8: Sự phụ thuộc tốc độ giải phóng mảnh phân hạch vào lượng ngưỡng (tương ứng với giá trị A) chùm gamma Tuy nhiên, có đại lượng khác có ảnh hưởng đáng kể tới góc nghiêng Đó phần floss mảnh phân hạch chúng vào bia liền kề Đại lượng tăng tăng a: từ 1% 5o , tới 3.5% 15o , tới 24% 45o Phần loại bỏ cách tăng khoảng cách s bia Ví dụ với a = 45o , thu giá trị floss 5% đặt s > cm Tuy nhiên, điều có nghĩa phải bỏ nửa số bia mỏng chiều dài Lt buồng CSC cố định, đồng nghĩa với tốc độ phân hạch giảm nửa Do đó, việc tăng giá trị s khơng làm tối ưu tốc độ giải phóng mảnh phân hạch Nếu giá trị 3.5% chấp nhân việc cố định s = a = 15o lựa chọn tối ưu 3.4.4.Kết luận cho hình học bia Uranium Từ kết thảo luận trên, số kết luận đưa cho việc tối ưu hình học bia Buồng CSC đặt lại ví trí m từ điểm HIP với chiều dài Lt =1m nên có 39 bia mỏng có kích thước 0.7 × 2.7cm2 bề dày 2µm đặt nghiêng góc 15o Khi tốc độ giải phóng mảnh phân hạch thu ∼ 1.9 × 106 ions/s Tương tự, buồng CSC 40m so với HIP có Lt =2m, đặt 15 bia mỏng có kích thước 3.9 × 15cm2 với bề dày µm đặt nghiêng góc 15o Trong trường hợp tốc độ giải phóng mảnh phân hạch ∼ 0.85 × 106 ions/s Các giá trị đạt cho γ 17 MeV chùm electron 690 MeV Mỗi thông số (t; A; a) thay đổi khoảng an tồn 3.5.Quãng chạy mảnh phân hạch khí He 3.5.1.Các đặc trưng mảnh phân hạch thoát khỏi lớp Hình 3.9 thể phân bố (Z,A) mảnh phân hạch thời điểm chúng tạo Sau mảnh phân hạch di chuyển bia Uranium lớp đế trước vào mơi trường khí He Do q trình ion hố, số mảnh phân hạch lượng dừng lại bia Hình 3.10 đặc trưng cho phân bố (Z,A) mảnh phân hạch chúng 20 Bảng 3.1: Kết cho cấu hình bia Uranium buồng CSC Lt (m) N D=7m D=40m 39 15 t foil size (cmìcm) (àm) 0.7ì2.7 3.9ì15 2 a Release rate (ions/s) 15o 15o 1.9 × 106 0.85 × 106 Hình 3.9: Phân bố (Z,A) mảnh phân hạch thời điểm tạo thành bia Uranium vào khí He Cơng thức tham số hố điện tích Ziegler-Manoyan cho phân bố (Z,A) bao gồm hai bướu có độ cao gần tương đương Còn trường hợp Schiwietz-Grande, khác biệt rõ ràng Các mảnh với (Z > 45, A > 120) dừng nhiều lớp đế bia 3.5.2.Quãng chạy ion khí: lựa chọn bề rộng buồng CSC Luận án sử dụng thông số áp suất nhiệt độ cho khí He liệt kê Bảng 3.2 với tên (A), (B) and (C) Phân bố quãng chạy mảnh phân hạch cho với thơng số khí thể hình 3.13: (A) điểm tam giác xanh, (B) hình trịn đỏ (C) hình vng đen Lmax , định nghĩa chiều dài mà 95% mảnh phân hạch dừng lại Các giá trị liệt kê hàng thứ tư Bảng 3.2 kết mô thu cho Lmax Trong tất trường hợp, mối liên hệ sau thoả mãn: ρ.Lmax = 2.33mg/cm2 (3.8) Phân bố khơng gian q trình ion hố mảnh phân hạch khí He mật độ 0.206 mg/cm3 thể hình 3.14 Sự đối xứng xuất mặt phẳng xy Sự đối xứng việc xếp vị trí bia mỏng Độ rộng tính gần theo d ≈ 2Lmax 21 (a) Ziegler-Manoyan (b) Schiwietz-Grande Hình 3.10: Phân bố (Z,A) mảnh phân hạch vào khí He: a) Ziegler-Manoyan, b) Schiwietz-Grande Bảng 3.2: Ba thông số áp suất nhiệt độ cho khí He dùng để khảo sát ρ[mg/cm3 ] P [mbar] T [K] Lmax [cm] ∠Q [ions/cm3 /s] µ(He+ )[cm2 /(V.s)] µ(pf )[cm2 /(V.s)] (A) (B) (C) 0.053 100 90 43.7 2.6×107 56.0 65.9 0.120 200 80 19.4 6.0×107 24.9 29.3 0.206 300 70 11.3 14.2×107 14.5 17.1 22 Hình 3.11: Phân bố động mảnh phân hạch vào khí He với cơng thức tham số điện tích khác nhau: Ziegler-Manoyan (màu đen), Schiwietz-Grande (màu đỏ) Shima (màu xanh da trời) Hình 3.12: Phân bố quãng chạy L mảnh phân hạch khí He mật độ 0.206 mg/cm3 với Ziegler-Manoyan (màu đen), Schiwietz-Grande (màu đỏ) Shima et al (màu xanh da trời) Hình 3.13: Quãng chạy mật độ khí He khác nhau: ρA = 0.053mg/cm3 (màu xanh da trời), ρB = 0.120mg/cm3 (màu đỏ) ρC = 0.206mg/cm3 (màu đen) 23 Hình 3.14: Các đỉnh (Vertices) q trình ion hóa gây mảnh giải phóng CSC 0.206 mg/cm3 Hình 3.15: Bản vẽ sơ đồ buồng khí cho hệ IGISOL ELI-NP Thảm RF bao gồm điện cực vòng đồng tâm 3.6.Trích xuất mảnh phân hạch khỏi buồng CSC Sau dừng lại khí He, mảnh phân hạch đẩy điện trường DC RF ngồi thơng qua lỗ tâm RF, tương ứng với điện cực (xem hình 3.15) Điện trường DC RF khí He tối ưu mô với phần mềm SIMION SIMION gói phần mềm chun cho việc tính tốn trường điện quỹ đạo hạt tích điện trường Vị trí vận tốc cuối mảnh phân hạch thu từ mô Geant4 đầu vào cho SIMION Sau tiến hành loạt phép thử SIMION, hiệu suất trích mảnh phân hạch khỏi buồng đạt 50% thời gian thu vào khoảng 15 ms Do đó, tốc độ tổng để thu mảnh phân hạch khoảng × 105 ions/s Tốc độ cụ thể, ví dụ, cho 132 Sn 134 T e 24 khoảng × 10 × 10 ions/s Hình 3.15 đưa thiết kế sơ cho buồng CSC dự định lắp đặt cho hệ IGISOL ELI-NP Như thể hình 3.15, mảnh phân hạch hút theo hướng vng góc với chùm tia Do cần thời gian để khỏi buồng CSC Cách thu theo hướng vuông góc phù hợp để nghiên cứu hạt nhân có thời gian sống ngắn Các quỹ đạo điển hình hai mảnh phân hạch buồng CSC thể mũi tên màu đen hình 3.15 3.7.Kết luận Chương Những kết đạt Chương thoả mãn mục tiêu thứ luận án Mơt chương trình mơ phát triển dựa thư viện Geant4 Điểm nhấn chương trình việc đưa thành cơng vào q trình để mơ phản ứng quang phân hạch Một loạt phép chạy mô tiến hành Các kết mô thiết lập thông số tối ưu cho CSC cấu hình tối ưu cho bia 238 U đặt bên Với cấu hình tối ưu này, tốc độ giải phóng mảnh phân hạch thu 106 tới 107 chùm γ ELI-NP 25 Kết Luận Trong luận án này, tham số hoá dựa số liệu thực nghiệm để xuất nhằm tính xác tiết diện suất lượng mảnh phân hạch giàu neutron từ phản ứng quang phân hạch 238 U dải rộng Bộ tham số hoá bao gồm tiết diện tổng phản ứng quang phân hạch, phân bố suất lượng điện tích mảnh phân hạch Cơng thức cho tiết diện tổng tái tạo lại số liệu thực nghiệm dải rộng 30 MeV Phân bố số khối dựa mô hình phân hạch nhiều mode, cịn phụ thuộc vào lượng xem xét dựa số liệu thực nghiệm lượng khác Thêm vào đó, tham số hố bao gồm số hạng hiệu chỉnh cho giá trị điện tích việc tính tốn phân bố điện tích mảnh phân hạch Các giá trị cụ thể cho thơng số dùng tham số hố thu từ việc so sánh với số liệu thực nghiệm Bộ tham số hoá thực nghiệm có ích cho việc tính tốn ước lượng suất lượng tạo hạt nhân giàu neutron, thiết kế thí nghiệm ứng dụng khác khơng trung tâm nghiên cứu ELI-NP mà sở nghiên cứu khác giới có sử dụng phản ứng quang phân hạch Một chương trình máy tính dựa thư viện Geant4 phát triển nhằm tối ưu hoá thiết kế cho buồng CSC hệ thiết bị IGISOL ELI-NP Quá trình quang phân hạch phát triển cho chương trình này, dựa tham số hố thực nghiệm để mơ q trình quang phân hạch Các trình vật lý khác gamma, electron, positron ion đưa vào Để hiểu rõ ảnh hưởng điện tích ion hiệu dụng, hai cơng thức tham số hố đưa vào chương trình Chương trình mơ giúp cho việc thiết kế thí nghiệm tương lai ELI-NP Sử dụng chương trình mơ này, hình học bia tối ưu cho hai vị trí đặt buồngCSC đạt thiết lập, cho phép đạt tốc độ giải phóng phân hạch khỏi bia dải từ 106 tới 107 ion/s cho chùm γ ELI-NP Đối với buồng CSC đặt 7m tính từ HIP với chiều dài 1m chứa 39 bia Uranium, nghiêng góc 15o với kích thước 0.7 × 2.7cm2 bề dày 2µm Cịn buồng đặt vị trí 40m so với HIP có chiều dài 2m chứa 15 bia mỏng, nghiêng góc 15o , với kích thước 3.9 × 15cm2 bề dày µm Các mảnh phân hạch làm chậm khí He 300 mbar 70 K với kích thước buồng CSC 24 × 24cm2 theo hướng vng góc chùm γ beam Một cách tổng qt, chiều rộng buồng CSC tính 4.66/ρ centimeters, với mật độ ρ đo mg/cm3 Cơ chế hoạt động buồng CSC cho hệ IGISOL ELI-NP phụ thuộc vào giá trị thực tế vài thông số liên quan đến chùm γ, khí He đặc trưng trường điện Nội dung thực luận án cung cấp định hướng cho định tương lai giải pháp kỹ thuật cho trình vận hành IGISOL ELI-NP 26 NHỮNG ĐÓNG GĨP MỚI CỦA LUẬN ÁN • Luận án xây dựng thành cơng cơng thức tham số hố thực nghiệm phục vụ việc tính tốn xác tiết diện, suất lượng hạt nhân giàu neutron sinh từ phản ứng quang phân hạch Chúng dùng khổng cho trung tâm nghiên cứu ELI-NP mà trung tâm nghiên cứu khác giới • Xây dựng thành cơng chương trình mơ dựa thư viện Geant4 Điểm nhấn chương trình đưa q trình vào Geant4 để mơ phản ứng quang phân hạch Ngồi ra, chương trình Geant4 cịn giúp cho thiết kế thí nghiệm tương lai ELI-NP • Một loạt phép mô thực hiện, thiết lập thông số tối ưu cho CSC, cấu hình bia U238 đặt bên Các thơng số tối ưu cho phép thu tốc độ giải phóng mảnh phân hạch từ 106 tới 107 mảnh giây chùm gamma ELI-NP 27 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Các cơng bố: P Constantin, D.L Balabanski, L.T Anh, P.V Cuong, B Mei, Design of the gas cell for IGISOL at ELI-NP, Nucl Instr and Meth B 397 (2017) 1-10 B Mei, D.L Balabanski, P Constantin, L.T Anh, P.V Cuong, Empirical parametrization for production cross sections of neutron-rich nuclei by photofission of 238 U at low energies, Phys Rev 96 (2017) 064610 B Mei, D.L Balabanski, P Constantin, L.T Anh, P.V Cuong, Production of neutronrich nuclei approaching r-process by gamma-induced fission of 238 U at ELI-NP, EPJ Web of Conferences 178, 04009 (2018) Báo cáo Hội nghị: L.T Anh, Geant4 Simulation of the Exotic Nuclei Production in a Gas Cell, The International Symposium on Physics of Unstable Nuclei 2017 (ISPUN17), Halong City, Vietnam, September 25 – 30, 2017 ... tốn tiết diện phản ứng quang phân hạch dải rộng 30 MeV ii) Xây dựng chương trình Geant4 thực loạt mô nhằm tối ưu thiết kế cho buồng CSC ELI- NP Các nội dung nghiên cứu luận án • Tổng quan dự án ELI- NP, ... ứng dụng khác không trung tâm nghiên cứu ELI- NP mà sở nghiên cứu khác giới có sử dụng phản ứng quang phân hạch Một chương trình máy tính dựa thư viện Geant4 phát triển nhằm tối ưu hoá thiết kế cho. .. thông số tối ưu cho CSC cấu hình tối ưu cho bia 238 U đặt bên Với cấu hình tối ưu này, tốc độ giải phóng mảnh phân hạch thu 106 tới 107 chùm γ ELI- NP 25 Kết Luận Trong luận án này, tham số hoá dựa