Để mô phỏng suất lượng quang phân hạch, trước hết, chúng ta cần mô phỏng phân bố góc và năng lượng của bức xạ hãm phát ra do quá trình tương tác giữa chùm electron 50 MeV với bia hãm W dày 8 mm. Để mô phỏng quá trình này, chúng tôi đã xây dựng lớp PhysicsList thừa kế từ lớp cơ sở
G4VModularPhysicsList của Geant4[19], trong đó, chúng tôi đã định nghĩa toàn
bộ các loại hạt như electron ban đầu và các bức xạ thứ cấp có thể sinh ra trong quá trình phản ứng như gamma, positron, nơtron, ion nặng (ví dụ: mảnh phân hạch)… Quá trình vật lý tương ứng với quá trình tạo bức xạ hãm là quá trình tương tác điện từ chuẩn. Trong đó, đối với electron, các quá trình tương tác được xem xét là quá
trình tán xạ nhiều lần (G4eMultipleScattering), quá trình ion hóa (G4eIonisation) và quá trình phát bức xạ hãm (G4eBremsstrahlung). Các quá trình này tương ứng với nội dung vật lý được trình bày trong Chương 2. Đối với tia gamma, các quá trình tương ứng là hiệu ứng quang điện (G4PhotoElectricEffect), tán xạ Compton (G4ComptonScattering) và hiệu ứng tạo cặp (G4GammaConversion). Các quá trình vật lý cho các loại hạt khác có thể sinh ra trong quá trình mô phỏng cũng được xem xét [3]. Trong mô phỏng này, bán kính của chùm electron là 2 mm. Trên hình 3.5, chúng tôi biểu diễn các kết quả mô phỏng cho phân bố góc và năng lượng của bức xạ hãm.
Hình 3.5. Phân bố góc và năng lượng của chùm bức xạ hãm phát ra do tương tác của chùm electron 50 MeV từ máy gia tốc ALTO với bia hãm W dày 8 mm.
Có thể nhận thấy rằng, bức xạ hãm với năng lượng nằm trong vùng cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ của 238U (~15 MeV) chủ yếu phát ra dưới góc bé. Độ rộng trên nửa chiều cao của phân bố góc là cỡ~ 40. Vị trí chiếu tới của chùm bức xạ hãm trên bia phân hạch đầu tiên, bia V1 được biểu diễn trên hình 3.6.
Hình 3.6. Điểm tới của chùm bức xạ hãm trên bia V1.
3.2.3. Mô phỏng suất lượng quang phân hạch, quang nơtron.
Trong công cụ Geant4, quá trình quang phân hạch chưa được xây dựng. Vì vậy, một trong những đóng góp quan trọng trong nghiên cứu của chúng tôi là xây dựng và bổ sung thêm các lớp nhằm mô phỏng quá trình quang phân hạch nói riêng và phản ứng quang hạt nhân nói chung. Theo đó, lớp G4PhotoFission đã được xây dựng thêm trên cơ sở thửa kế lớp cơ sở G4HadronInelasticProcess. Tập hợp số
liệu liên quan đến các quá trình vật lý nói trên được xây dựng và bổ sung vào công cụ Geant4 thông qua lớp G4CrossSectionDataStore. Số liệu về tiết diện quang phân hạch được lấy từ tài liệu tham khảo [21] và tham số hóa theo hàm tổng của các hàm Lorentz. 2 m 2 2 2 i 1 m 2 2 (i) ( , F) E E (i) 1 E (i) (3.1)
Tập hợp số liệu, đường cong làm khớp và các tham số của nó được biểu diễn trên hình 3.7.
Hình 3.7.Số liệu thực nghiệm, đường cong làm khớp cho tiết diện quang phân hạch của
238
U.
Tương tự, đối với phản ứng quang hạt nhân (, n) và (, 2n), chúng tôi cũng đã xây dựng thêm các lớp tương ứng để mô phỏng quá trình các quá trình vật lý này. Đường cong làm khớp cho số liệu cho tiết diện phản ứng quang hạt nhân đối với 238U được trình bày trên hình 3.8 [21].
Hình 3.8.Số liệu thực nghiệm và đường cong làm khớp số liệu cho tiết diện phản ứng quang hạt nhân đối với 238U.
Để mô phỏng, mỗi tính toán (RUN) được tiến hành với 3 triệu sự kiện (EVENTS). Suất lượng quang phân hạch trong 04 bia thẳng đứng và một bia nằm ngang tương ứng với các bia hãm có bề dày khác nhau được trình bày trên bảng 3.1. Bảng 3.1. Suất lượng quang phân hạch trong 04 bia thẳng đứng và 01 bia nằm ngang với các bia hãm có bề dày khác nhau.
Trên hình 3.9, chúng tôi biểu diễn tiết diện phân hạch tổng cộng (tính cho 05 bia) như là hàm của bề dày bia hãm. Từ hình này, chúng ta có thể thấy rằng suất lượng quang phân hạch đạt cực đại khi bề dày bia hãm bằng 4 mm. Tuy nhiên, đối với kỹ thuật ion-guide, mức độ ion hóa buồng khí do các hạt tích điện là yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất tạo ra chùm ion phóng xạ. Vì vậy, ngoài việc tối ưu hóa suất lượng quang phân hạch, chúng ta cần quan tâm đến tốc độ ion hóa. Vấn đề này sẽ được tiếp tục xem xét trong nghiên cứu tiếp theo của chúng tôi. Suất lượng quang nơtron tạo ra từ các phản ứng (, n) và (, 2n) được trình bày trên hình 3.10.
KẾT LUẬN
Luận văn đã đạt được mục tiêu và nhiệm vụ đề ra: 1. Về mặt lí thuyết đã tìm hiểu về:
- Các kỹ thuật tạo chùm đồng vị phóng xạ không bền là ISOL và IGISOL. - Tìm hiểu về phản ứng quang phân hạch tạo chùm đồng vị phóng xạ giàu neutron.
- Lí thuyết cơ bản và các bước chính để mô phỏng sự phát xạ bức xạ hãm do quá trình tương tác giữa electron với vật chất.
- Công cụ mô phỏng quá trình tương tác của bức xạ với vật chất, Geant4. 2. Về mặt mô phỏng đã cho ra các kết quả:
- Mô phỏng hình học dự kiến của buồng khí cho dự án ALTO. Kích thước của phần thân buồng khí là 25 x 40 x 40 mm3.
- Mô phỏng suất lượng phân hạch cho bia đặt vuông góc với chùm electron và bia đặt song song với chùm tia ở các khoảng cách 5, 15, 25 tính từ bia hãm (trong trường hợp này bia hãm có bề dày 8 mm để đảm bảo rằng toàn bộ electron sẽ bị hãm trong bia).
- Mô phỏng phân bố góc và năng lượng của chùm bức xạ hãm phát ra do tương tác của chùm electron 50 MeV từ máy gia tốc ALTO với bia hãm W dày 8 mm. Bức xạ hãm với năng lượng nằm trong vùng cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ của 238U (~15 MeV) chủ yếu phát ra dưới góc bé. Độ rộng trên nửa chiều cao của phân bố góc là cỡ~ 40.
- Xây dựng và bổ sung thêm các lớp nhằm mô phỏng quá trình quang phân hạch nói riêng và phản ứng quang hạt nhân nói chung. Lớp G4PhotoFission đã được xây dựng thêm trên cơ sở thửa kế lớp cơ sở G4HadronInelasticProcess. Tập hợp số liệu liên quan đến các quá trình vật lý nói trên được xây dựng và bổ sung vào công cụ Geant4 thông qua lớp G4CrossSectionDataStore.
- Mô phỏng số liệu thựcnghiệm, đường cong làm khớp cho tiết diện quang phân hạch của 238U.
- Suất lượng quang phân hạch trong 04 bia thẳng đứng và một bia nằm ngang tương ứng với các bia hãm có bề dày khác nhau. Suất lượng quang phân hạch đạt cực đại khi bề dày bia hãm bằng 4 mm.
- Và cuối cùng là mô phỏng suất lượng quang phân hạch trong buồng khí ALTO và suất lượng phản ứng quang hạt nhân (, n) và (, 2n).
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. M. Lindroos. Review of ISOL – type radioactive beam facilities.Proceeding of EPAC 2004, Lucerne, Switzerland.
2. K. Perajarvi, U. C. Bergmann, V. N. Fedoseyev, A. Joinet, U. Koster, C. Lau, J. Lettry, H. Rawn and M. Santana-Leitner, Nucl. Inst. And Meth. In Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 204, 272-277
(2003).
3. Phan Viet Cuong. Development of a new surface ion-source and ion guide in the ALTO project.PHD thesis, CNRS-UNIVERSITÉ Paris-Sud 2009.
4. Tetsu Sonoda, Masahiro Fujita, Akiyoshi Yamazaki, et al. Development of the RF-IGISOL at CYRIC.Nucl.Inst.And Meth. In Physics Research Section B 254 (2007) 295-299.
5. Yu. Kudryavsev, B. Bruyneel, M. Huyse, J. Gentens, P. Van den Bergh, P. Van Duppen, L. Vermeeren. A gas cell for thermalizing, storing and transporting radioactive ions and atoms. Part I: Off-line studies with a laser ion source. Nucl.Inst.And Meth. In Physics Research Section B 179 (2001) 412-435.
6. Kalorina Kolos. Probing the nuclear structure in the vicinity of 78Ni via beta decay spectroscopy of 84Ga. PHD thesis, CNRS-UNIVERSITÉ Paris-Sud 2012. 7. W. Diamond, Nucl. Inst. and Meth.A 432, 471 (1999).
8. Y. Oganessian, Nuclear Physics A 701, 87-95 (2002). 9. F. Ibrahim, Eur. Phys. J. A 15, 357 (2002).
10.M. Mirea, O. Bajeat et al. Exploratory analysis of a neutron-rich nuclei source based on photo-fission. Nucl.Inst. and Meth.B 201 (2003) 433-448.
11. W. R. Leo. Techniques for nuclear and particle physics experiment.Springer- Verlag public house, December 1993.
12. W. A. McKinley Jr., H. Feshback, Phys. Rev. 74 (1948). 13. W. T. Scott, Rev. Mod. Phys. 35 (1963) 231.
16. G. Knop et al. Alpha, beta and gamma-ray spectroscopy, North Holland Publishers Amsterdam, 1968, Chapter 1, p.1.
17. S. P. Ahlen, Rev. Mod. Phys. 52 (1980) 121.
18. T. Tabata, R. Ito, Nucl. Instr. and Meth. 158 (1979) 521. 19. Geant4 collaborators. Geant4 Application Developer Guide. 20. S. Franchoo. Cahier des charges aligre, Private Communication. 21. J. T. Caldwell et al, Phys. Rev. C 21 (1980) 1215.