Những nghiên cứu trên thế giới về phản ứng (p,n)

- International Symposium on Nuclear Symmetry Energy (NuSYM10) – RIKEN Nishina Center, Japan, July 2628, 2010.

6. Nguyen Mong Giao, Nguyen Lam Thu Trang, Nguyen Thi Ai Thu (2010), “The first step in studying the influence of gamma radiation on

1.1. Những nghiên cứu trên thế giới về phản ứng (p,n)

Tháng 11 năm 1958, phản ứng hạt nhân (p, n) được nghiên cứu bởi các tác giả G. F. Bogdanov, N.A. Vlasov, S.P. Kalinin, B.V. Rybakov và V.A. Sidorov [25] với phương pháp tính thời gian bay của neutron. Mục tiêu của bài toán nghiên cứu là tìm tiết diện neutron. Phản ứng 6Li + p và 7Li + p được khảo sát ở năng lượng 9 MeV. Năng lượng của phản ứng 6Li(p, n)6Be là 5,2 MeV; bề rộng mức của trạng thái cơ bản trong 6Be là Γ < 0,3 MeV và tiết diện được đo ở các góc 00, 150, 300, 600, 1200.

Năm 1995, M.A. Lone và P.Y. Wong [53] đã công bố việc tính hiệu suất

neutron cho phản ứng với bia chì gây ra ở năng lượng của proton từ 0,4 đến 2 GeV. Tính toán được thực hiện với code LAHET/MCNP sử dụng mô hình Intranuclear- cascade-evaporation của Bertini [27] đã cho thấy thành công trong việc mô tả quy

trình của phản ứng phát tán. Độ lệch là 20% giữa hiệu suất neutron tính từ mô hình này so với hiệu suất neutron đo được trên bia chì ở mức năng lượng bắn phá của

proton từ 0,5 đến 1,5GeV.

Tháng 7 năm 1995, trong nghiên cứu phát triển code phục vụ cho tính toán

phản ứng hạt nhân, nhóm gồm các thành viên là Nobuaki Yoshizawa, Kenji Ishibashi, Hiroshi Takada [59] đã công bố trên tạp chí của Nuclear Science and

Technology công trình phát triển code vận chuyển năng lượng cao HETC-3STEP có thể áp dụng cho việc nghiên cứu phản ứng hạt nhân với năng lượng bắn phá trên 20 MeV. Phổ phát neutron gây ra bởi proton được tính bằng mô hình 3 bước: quy

trình dòng thác, tiền cân bằng và bay hơi. Với tính toán tiền cân bằng thì mô hình kích thíchđược chấp nhận. Phép tính toán 3 bước cũng có thể áp dụng cho tính toán năng lượng tới cao hơn như trong tính toán 2 bước. HECT – 3STEP tiên đoán chính

xác phản ứng hạt nhân và tính toán vận chuyển hạt đồng thời code này cũng rất hữu

Năm 1997, Kenji Ishibashi và cộng sự [44] tính tiết diện vi phân kép từ phản ứng gây bởi proton năng lượng 0.8, 1.5, 3 GeV trên các bia C, Al, Fe, In, Pb bằng

thực hiện thí nghiệm đo thời gian bay của neutron với quãng chạy 1 m và tiết diện đạt được với độ phân giải năng lượng tốt hơn 8% ở những vùng năng lượng của neutron dưới 100 MeV.

Cũng trong năm này, ở Pháp, S. Menard và cộng sự [69] đã giới thiệu mô

hình tính phân bố năng lượng và tính số neutron trong tương tác của proton năng lượng cao với bia dày. Công thức dE/dx được đề nghị của Cugnon về sự mất mát năng lượng của proton trong vật chất và theo giả thiết này năng lượng bị tiêu hao trở thành nhiệt. Mô hình đã cung cấp một sự hiểu biết vật lý của các code đối với

phản ứng phát tán chuẩn.

Năm 1999, X.Ledoux và cộng sự [88] đã báo cáo phép đo tiết diện vi phân đạt được ở dải góc rộng từ 00 đến 1600 với năng lượng chùm proton bắn phá là 0,8; 1,2; 1,6 GeV trên bia chì dày 2 cm. Phổ năng lượng neutron được đo bởi kết hợp hai

kỹ thuật thực nghiệm được mô tả chi tiết trong công trình [20], [22]. Những kết quả được so sánh với các tính toán thực hiện với code vận chuyển năng lượng cao gồm

hai mô hình khác nhau: mô hình INC Cugnon (IntraNuclear Cascade Cugnon) [40], [41] so với thực nghiệm cho một sự phù hợp tốt hơn mô hình INC Bertini (IntraNuclear Bertini) [30]. Nguyên nhân chính là do tiết diện nucleon-nucleon

được cải thiện và có sự xử lý hiệu ứng ngăn chặn Pauli.

Năm 2001, từ báo cáo hằng năm của CYRIC (Cyclotron and Radioisotope

Center, Tohoku University) nhóm tác giả Kumagai K., Oribara H., Kikuchi Y., [58]

đã công bố công trình “Phản ứng 6Li (p, n) 6Be tại Ep = 70 MeV” với mục đích từ

việc khảo sát phân bố góc, tìm và phân tích các trạng thái xác định của hạt nhân còn lại.

Cũng theo CYRIC Annual Report 2001, Kikuchi Y và cộng sự [45] đã báo cáo “Phản ứng12C(p, n)12N ở Ep=70 MeV: Khả năng tin cậy vào kết quả đạt được

tính tiết diện vi phân của neutron từ đó dẫn đến xác định các trạng thái của hạt nhân 12N.

Cũng trong tháng 8 năm 2002, một nghiên cứu phục vụ y học của nhóm

Thomas N. Massey và cộng sự [83] đã được công bố. Một hệ thống thiết bị được

phát triển để đo phổ năng lượng của neutron dưới 1 MeV. Việc sử dụng phổ neutron được hiệu chỉnh cho phép đo phổ neutron từ 0,07 đến 14 MeV. Phân bố góc và phổ năng lượng neutron được tính từ phản ứng Be(d, n) và Be(p, n). Phản ứng Be(p, n) được nghiên cứu phục vụ cho y học. Sử dụng phương pháp này để sản xuất neutron năng lượng dưới 200 keV cho liệu pháp bắt neutron của Boron (BNCT – Boron Neutron Capture Therapy) [43], [67]. Phép đo phổ của phản ứng Be(p,n) sử dụng cùng phương pháp thực nghiệm đã được công bố trong công trình [87].

Năm 2002, nhóm tác giả U. Jahnke, M.Enke, D. Filges, J. Galin [84] ở Đức đã làm thực nghiệm khảo sát nguồn neutron sinh ra từ chùm proton năng lượng từ 0,4 đến 2,5 GeV trên các khối bia dày như Pb, Hg và W. Kết quả hiệu suất neutron

thu được từ thí nghiệm là 21 neutron/proton đối với bia Pb và Hg và 23 neutron/proton đối với bia W khi bắn phá với chùm proton năng lượng 1 GeV.

Kết quả này rất phù hợp với các thực nghiệm khác. Đồng thời khi so sánh với mô

hình tính toán của A. Letourneau và cộng sự [3], với D. Filges và cộng sự [17]thì thấy có sự phù hợp tốt.

Và cũng trong năm này, V. Henzl và nhóm cộng tác [86] đã cho ra đời công

trình chuyển đổi 129I bằng neutron năng lượng cao tạo ra từ phản ứng gây bởi proton với bia kim loại nặng. Một nghiên cứu về hiệu suất của những đồng vị iod sống

ngắn được tạo ra từ sự chuyển đổi của những đồng vị iod sống dài có trong thải

phóng xạ của lò phản ứng hạt nhân. Sự chuyển đổi được gây ra bởi neutron năng lượng cao từ bia chì với chùm proton năng lượng 1,3 và 2,5 GeV. Hiệu suất được xác định bởi việc phân tích phổ gamma của các đồng vị được tạo ra. Sự phân bố

không gian của neutron năng lượng cao xung quanh bia được xác định bằng phương

pháp kích hoạt. Tất cả những kết quả thực nghiệm được so sánh với phương pháp

Tháng 10 năm 2003, nhóm nghiên cứu ở Viện Vật lý Hạt nhân Ấn Độ là P.K Sarkar và Maitreyee Nandy [60] đã công bố trong công trình “Dùng phương pháp động học phân tử lượng tử để tính hiệu suất neutron từ phản ứng p + 208Pb ở 800 MeV”. Từ nghiên cứu này hiệu suất neutron được tính toán, đồng thời những

mảnh vỡ hạt nhân khác cũng được xác định nhờ phản ứng (p, n) trên bia 208Pb. Trong báo cáo hằng năm của CYRIC (Cyclotron and Radioisotope Center, Tohoku University) năm 2003, Itoga T. và cộng sự [32] làm thực nghiệm đo hiệu

suất neutron ở những bia dày từ phản ứng Fe, Cu (p, xn) trong vùng năng lượng bắn

phá của proton là 35, 50 và 70 MeV. Thí nghiệm nhằm khảo sát phổ neutron thứ

cấp khi cho chùm hạt tích điện được gia tốc bắn phá lên bia kim loại Fe và Cu đã sử

dụng kỹ thuật đo thời gian bay (TOF) của neutron tại CYRIC thuộc trường Đại học

Tohoku. Dữ liệu thực nghiệm được so sánh với số liệu được tính toán bởi phần

mềm mô phỏng Monte Carlo code MCNPX sử dụng dữ liệu LA150 [13], [14] trong

đó có tính đến vận chuyển hạt.

Năm 2004, I. Demirkol và cộng sự [33] tính tiết diện của phản ứng proton

lên các bia 206,207,208,natPb, 209Bi, 197Au ở các mức năng lượng từ 20 đến 1600 MeV,

sử dụng các mô hình tính toán như mô hình kích thích tầng, mô hình hỗn hợp phụ

thuộc dạng hình học, mô hình hỗn hợp cùng với các code tính toán như code

CEM 95 [71] và code ALICE 91 [54] cho mô hình GDH và hỗn hợp.

Tháng 5 năm 2004, ở Michigan, một nhóm các tác giả gồm Thomas M.

Amos, Robert R. Doering, Aaron Galonsky, Raj Jolly, Mary K. Zigrang [81] làm thực nghiệm với chùm proton ở ba mức năng lượng 22, 30, 40 MeV trên năm loại bia là C, Al, Ag, Ta và Pb để khảo sát nguồn neutron sinh ra. Phổ neutron được đo ở

sáu góc 00, 300, 600, 900, 1200 và 1500. Mỗi phổ được đo từ mức năng lượng cao

nhất của neutron là 40 MeV và giảm đến 0,5 MeV. Năng lượng nhỏ nhất là 0,5 MeV đủ thấp để xác định những đặc điểm cần thiết của phổ năng lượng.

Năm 2005, Jose R. Maiorino và cộng sự [39] đã xem xét hiện tượng vật lý

của quy trình phát tán được gây ra bởi proton năng lượng cao. Trong giai đoạn đầu nó tương tác với các nucleon riêng lẻ của bia với cơ chế tầng trong hạt nhân

(intranuclear cascade) phát ra những hạt thứ cấp (neutron, proton, meson…). Trong giai đoạn hai, hạt nhân rời khỏi trạng thái kích thích và khử kích thích bằng hiện tượng bay hơi hoặc phân hạch. Bởi vì có một số lượng lớn neutron thứ cấp được tạo

ra (khoảng 30 n/p với proton bắn phá năng lượng 1 GeV), cho nên phản ứng này có thể được sử dụng như một nguồn neutron bù cho hệ thống lò phản ứng dưới tới hạn

(ADS). Hiệu suất neutron (n/p) đã được tính theo bề dày bia với các code LAHET

và CRISP.

Ở Louvain – La – Neuve (Belgium) năm 2005, một thí nghiệm với thiết bị CYCLONE để tạo neutron và những hạt tích điện nhẹ từ phản ứng gây bởi proton năng lượng 62,9 MeV với bia 208Pb được thực hiện bởi nhóm A. Guertin, N. Marie,

S.Audue, V.Blideanu, Th. Delhar [7]. Hai bộ thí nghiệm độc lập được dùng để thu

tiết diện vi phân kép của neutron, proton, deuteron, triton, 3He và hạt alpha. Dữ liệu thu được cho phép xác định tiết diện tổng cộng và các tiết diện vi phân theo năng lượng, tiết diện vi phân theo góc. Có một sự so sánh giữa kết quả thực nghiệm và tính toán lý thuyết sử dụng các mô hình tính toán bởi những code như MCNPX, FLUKA và TALYS. Điều này khẳng định rằng code MCNPX [51] phù hợp tốt với

thực nghiệm, trong khi các code khác hoặc cho kết quả thấp hơn hoặc cho kết quả cao hơn so với thực nghiệm khi tính toán số neutron, và các mô hình này cũng

không cho một tiên đoán chính xác về hình dáng và độ lớn của tiết diện.

Cũng trong năm 2005, một nhóm các tác giả ở Viện Nghiên Cứu Hạt nhân

(JINR) Dubna ở Nga, phòng thí nghiệm HENP – khoa Vật lý, trường Đại học

Rajastan, Jaipur ở Ấn Độ và trường Đại học Philips – Marburg ở Đức [42] đã sử

dụng chùm proton 1 GeV từ máy gia tốc NUCLOTRON bắn phá bia chì hình trụ dài 20 cm, đường kính 8 cm được bao quanh bởi một lớp chất làm chậm paraffin dày 6 cm để thu nguồn neutron phát tán. Tốc độ phản ứng và phổ neutron phát tán được đo và được so sánh với những tính toán của codetầng. Sự khác biệt đã được

quan sát thấy trong va chạm của proton với bia chì ở vùng năng lượng 1 GeV và 1,6 GeV trên bia mỏng. Đồng thời sự không phù hợp tương tự cũng phát hiện ở một

Ngày 13 tháng 5 năm 2005, hai tác giả H.F. Arellano và W.G.Love [28] với

công trình “Cấu trúc hạt nhân halo từ những phản ứng trao đổi điện tích chuẩn đàn hồi”, đã khảo sát mật độ neutron và proton ở mặt ngoài hạt nhân trong hiện tượng trao đổi điện tích của phản ứng (p, n) thông qua phân bố góc của neutron sinh ra từ

phản ứng (p, n).

Năm 2006, nhóm tác giả Yoshihisa Tahara, Yasushi Oda, Takako Shiraki, Takehiko Tsutsui [90] đã sử dụng phản ứng (p, n) với mục đích khác – phục vụ

dành cho ngành y học. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nuclear

Science and Technology về việc thiết kế một thiết bị kỹ thuật tạo neutron nhiệt cho liệu pháp bắt neutron của Boron (BNCT). Phản ứng phát tán xảy ra với chùm proton

được gia tốc đến 50 MeV. Bộ phận then chốt của thiết bị tạo neutron là bia với khả năng làm nguội và tính bền của bia dưới những điều kiện vận hành ở công suất cao

50 MeV 300 A. Thiết kế xây dựng bia từ sự phân tích nhiệt và ứng suất với code

tính toán ANSYS. Thêm vào đó một chiến lược thay thế bia cũng được nghiên cứu

dựa trên sự đánh giá hoạt độ phóng xạ được thực hiện bởi hệ thống code JRACM.

Cùng với thiết kế cấu trúc bia thì thiết kế về neutron cũng được tối ưu với code mô

phỏng Monte Carlo MCNPX. Thông lượng neutron nhiệt 1,8  109 cm-2s-1 đạt được ở khẩu độ của ống chuẩn trực, nó cho phép liều RBE trên 30 Gy-eq được chuyển đến khối u não ở bề dày phantom là 5,9 cm với thời gian trị liệu là 31 phút. Nghiên cứu này cho biết với các kết quả tính toán được, không những bảo đảm tính bền của bia được duy trì trong suốt thời gian vận hành mà còn chứng tỏ thiết kế của thiết bị

dựa trên máy gia tốc là hoàn toàn đáng tin cậy.

Tháng 12 năm 2006, phản ứng giữa proton với bia chì đồng vị 208 ở năng lượng 1 GeV được nhóm của Iskender Demirkol [34] khảo sát tính toán tiết diện

của những hạt nhân nặng. Trên 350 đồng vị khác nhau thu được từ các phản ứng đã

được giới thiệu. Tính toán được thực hiện với mô hình dòng kích thích và hiệu ứng

tiền cân bằng, mô hình thác trong hạt nhân thực nghiệm cùng với các tham số hóa

bán thực nghiệm. Kết quả của tiết diện được đem so sánh với dữ liệu thực nghiệm

hình trong ước tính về tiết diện của sản phẩm hạt nhân sau phản ứng vẫn còn xa với

yêu cầu của ứng dụng kỹ thuật. Các mô hình cần được cải thiện để đạt một hiểu biết sâu hơn về các cơ chế phản ứng liên quan trong sản xuất các đồng vị.

Năm 2007, A. Kelic và cộng sự [4] đo phổ neutron vi phân kép trên bia chì với năng lượng bắn phá 1,2 GeV của proton. Kết quả của mô hình tính toán là sự

kết hợp của code ABLA và ABRABLA07.

ABLA là code được phát triển tại GSI đã được chứng minh là rất thành công trong việc mô phỏng những quá trình bay hơi và phân hạch chủ yếu trong giai đoạn

khử kích thích của phản ứng phát tán [5].

Trong code ABRABLA07, pha va chạm được mô tả với hình thức làm mài mòn. Các kết quả thu được đã chứng minh cho thấy một sự phù hợp rất tốt với dữ

liệu thực nghiệm.

Tháng 10 năm 2007, tại Hội nghị quốc gia về hạt nhân ở Atlantic, nhóm

nghiên cứu P.C.R. Rossi và J.R. Maiorino [59] đã công bố việc sử dụng phần mềm MCNPX 2.5 để mô phỏng một hệ thống gồm bia hình trụ và chùm hạt proton có năng lượng khoảng 1 GeV từ máy gia tốc của ADS. Từ đó tính hiệu suất neutron

(n/p) trên một số bia như 82Pb, 92U, 90Th, 83Bi, 3Li, 4Be, 74W, Pb-Bi. Những kết quả ban đầu này được so sánh với dữ liệu thực nghiệm trong Hội nghị kết hợp các

nghiên cứu của CRP được tổ chức ở Roma [35]

Năm 2008, những nghiên cứu có hệ thống của Shunsuke Yonai và các cộng

tác [74] từ một nguồn neutron dựa trên cơ sở của cyclotron cho liệu pháp bắt

neutron của Boron. Nghiên cứu đã mở rộng khảo sát với máy gia tốc năng lượng từ

trung bình đến cao trong dải năng lượng của proton từ 30 đến 600 MeV sử dụng

phản ứng phát tán và vật liệu làm nguội thích hợp. Kết quả chứng tỏ rằng nguồn

neutron dựa trên phản ứng phát tán cho BNCT có thể nhận biết mà không hề có bất

cứ khó khăn nào về kỹ thuật bằng cách ứng dụng cyclotron dòng cao có sẵn và máy gia tốc tuyến tính tại J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex). Một

máy gia tốc liệu pháp proton không thể ứng dụng một cách trực tiếp cho BNCT do

hiệu quả đặc biệt bởi liệu pháp proton cho các bệnh ung thư được khoanh vùng sẽ được kết hợp tốt với BNCT, rất lý tưởng cho việc điều trị những bệnh ung thư