CHƢƠNG III : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Hiệu suất ghi của Detector
3.1. Hiệu suất ghi của Detector
3.2. Nhận diện đồng vị phóng ạ và các phản ứng hạt nhân
3.3. ác định tỷ số suất lƣợng đồng phân
3.1. Hiệu suất ghi của Detector
Trong thí nghiệm, để xác định hiệu suất ghi của detector bán dẫn siêu tinh khiết HP(Ge), chúng tôi đã sử dụng 2 bộ nguồn chuẩn QCY và QCYK bao gồm các nguồn chuẩn 241Am, 133Ba, 57Co, 139Ce, 113Sn, 134Cs, 137Cs, 54Mn, 88Y, 65Zn, 60Co, 22Na. Hiệu suất ghi của Detector tương ứng với các năng lượng tia gamma phát ra từ các nguồn chuẩn nói trên tại vị trí cách Detector d = 5 cm, 10cm và 20 cm được trình bày trong bảng 3.1. Các hệ số làm khớp của hàm hiệu suất ghi được cho trong bảng 3.1. Chất lượng của hàm khớp được đánh giá bằng tham số χ2
.
Bảng 3.1. Hiệu suất ghi đỉnh hấp thụ toàn phần của Detector
E (keV) Hiệu suất ghi (%)
d = 5 cm d = 10 cm d = 20 cm 59.54 1.208 0.413 0.133 81 1.922 0.71 0.213 122.06 2.258 0.829 0.252 136.47 2.215 0.821 0.251 165.86 2.052 0.755 0.232 255.13 1.625 0.58 0.186 276.4 1.349 0.55 0.174 302.85 1.244 0.498 0.161 356.02 1.071 0.43 0.139 391.7 1.027 0.373 0.123 475.36 0.819 0.342 0.111 563.24 0.678 0.274 0.0903 569.33 0.672 0.273 0.0901 604.72 0.648 0.26 0.0851 661.66 0.628 0.234 0.0803 795.86 0.515 0.208 0.068
801.95 0.502 0.205 0.0677 834.84 0.538 0.207 0.0682 898.04 0.483 0.198 0.0634 1038.61 0.428 0.169 1115.55 0.415 0.162 0.0514 1167.97 0.412 0.158 0.0493 1173.24 0.378 0.153 1274.54 0.335 0.133 0.0459 1332.5 0.338 0.138 0.0446 1365.19 0.36 0.136 0.0446 1836.06 0.105
Các giá trị hiệu suất ghi của detector được làm khớp theo hàm mô tả trong công thức (2.6) ở chương 2 và phần mềm chúng tôi sử dụng là Origin Pro 8.5 và kết quả các đường cong làm khớp hiệu suất ghi được biểu di n trên hình 3.1. Các hệ số của hàm làm khớp được trình bày trên bảng 3.2.
0 500 1000 1500 2000 0.1 1 measured10cm measured5cm measured20cm cal-5cm cal-10cm cal-20cm H ieu s u a t g h i ( %)
Nang luong gamma (keV)
H nh 3.1. Đường cong hiệu suất ghi đỉnh hấp thụ toàn phần
Bảng 3.2. Hệ số làm khớp của hàm hiệu suất ghi Vị trí (cm) Hệ số χ2 a0 a1 a2 a3 a4 a5 5 -119.2626 76.71051 -17.91798 1.81668 -0.06805 -2.4456E-5 0.98203 10 -78.84832 48.47882 -10.78806 1.02545 -0.03556 -4.1874E-6 0.99672 20 -113.6938 72.57994 -17.25751 1.79596 -0.06966 -3.1065E-5 0.98669 3.2. Đốn nhận đồng vị phóng xạ
Sau khi chiếu, hoạt độ phóng xạ của các mẫu được đo trên hệ đo phổ kế gamma sử dụng Detector bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết HpGe (Canberra) có độ phân giải
năng lượng 1,8 keV tại đỉnh 1332,2 keV của 60
Co. Việc ghi nhận và xử lý phổ được thực hiện trên máy tính với phần mềm Genie2000 (Canberra). Thời gian chiếu và đo được lựa chọn phụ thuộc vào chu kỳ bán rã của đồng vị phóng xạ quan tâm. Các đồng vị phóng xạ tạo thành sau phản ứng hạt nhân được nhận diện căn cứ vào năng lượng của các đỉnh phổ gamma (Eγ) và thời gian bán rã (T1/2). Các số liệu về bức xạ gamma đặc trưng phát ra từ các đồng vị phóng xạ sản phẩm mà chúng tôi quan tâm được tham khảo từ bảng đồng vị "Table of Radioactive Isotopes" của phịng thí nghiệm Berkeley (BNL), USA (web http://ie.lbl.gov/toi/) [34]. Với năng lượng bức xạ hãm 20.3MeV có mẫu Eu2 được kích hoạt và ghi nhận, phổ gamma được thể hiện trong hình 3.2. Cịn với năng lượng bức xạ hãm 17MeV có mẫu Eu3 được kích hoạt và ghi nhận 2 lần với thời gian chiếu, phơi và đo khác nhau được thể hiện trong hình 3.3 và 3.4.
Hình 3.2. Phổ gamma đặc trưng của mẫu Eu2lan1 được kích hoạt trên chùm
bức xạ hãm năng lượng cực đại 20.3 MeV, thời gian chiếu 3600 giây, thời gian phơi 1920 giây, thời gian đo 1400 giây.
Hình 3.3. Phổ gamma đặc trưng của mẫu Eu3lan1 được kích hoạt trên chùm
bức xạ hãm năng lượng cực đại 17 MeV, thời gian chiếu 5400 giây, thời gian phơi 1380 giây, thời gian đo 1800 giây.
Hình 3.4. Phổ gamma đặc trưng của mẫu Eu3lan2 được kích hoạt trên chùm
bức xạ hãm năng lượng cực đại 17 MeV, thời gian chiếu 5400 giây, thời gian phơi 8280 giây, thời gian đo 1200 giây.
Năng lượng ngưỡng của các phản ứng được tính tốn dựa trên trang web
http://cdfe.sinp.msu.ru/ của Trung tâm số liệu phản ứng quang hạt nhân, Đại học Tổng
hợp Lomonosov, Nga. Bảng 3.3 trình bày đặc trưng của các phản ứng hạt nhân và số liệu phân rã của các đồng vị được nhận diện sau khi kích hoạt mẫu nat
Eu với chùm bức xạ hãm 20.3 MeV và 17 MeV.
Bảng 3.3. Đặc trưng của các đồng vị phóng xạ Eu được nhận diện sau khi kích
hoạt mẫu Eu tự nhiênvới chùm bức xạ hãm năng lượng 20.3 MeV và 17 MeV
STT Đồng vị Phản ứng hạt nhân Eth (MeV) T1/2 Năng lƣợng tia gamma (keV) Xác xuất phát xạ (%) 1 150m Eu 151Eu(,n)150m Eu 7.9333 12.8 giờ 333.971 4.0 406.52 2.81 712.205 0.131 831.92 0.198 921.2 0.210 1165.74 0.257 1223.28 0.198 1963.71 0.115 121.7817 7.00 344.2785 2.38 562.93 0.220 841.570 14.2 961.06 0.198 963.390 11.67 970.350 0.588 1314.67 0.931 1389.00 0.748 688.670 0.0649 699.27 0.0699 703.54 0.0659
2 152m1Eu 153Eu(,n)152m1 Eu 8.5505 9.3 giờ 870.13 0.0880 995.87 0.0680 1411.70 0.0440 3 152m2Eu 153Eu(,n)152m2 Eu 8.5505 96 phút 89.8492 70
Như vậy có 3 đồng vị phóng xạ Eu đã được ghi nhận, cả 3 đồng vị này đều ở trạng thái đồng phân. Trong luận văn chỉ quan tâm tính tốn tỷ số suất lượng tạo thành cặp đồng phân 152m1,m2Eu từ phản ứng quang hạt nhân 153Eu(,n)152m1,m2
Eu gây bởi chùm bức xạ hãm năng lượng cực đại 20.3 MeV và 17 MeV. Các đặc trưng của đồng vị 152Eu được cho trong bảng 1.2 (mục 1.3.3 chương 1).
Hình 3.5; 3.6; 3.7 và 3.8 là sơ đồ phân rã của hạt nhân Eu ở hai trạng thái đồng phân 152m1Eu và 152m2Eu
Hình 3.6. Sơ đồ phân rã của hạt nhân Eu ở trạng thái đồng phân 152m1Eu về
Hình 3.7. Sơ đồ phân rã của hạt nhân Eu ở trạng thái đồng phân 152m1
Hình 3.8. Sơ đồ phân rã của hạt nhân Eu ở trạng thái đồng phân 152m2
Eu về 152gEu Từ sơ đồ phân rã ta thấy hạt nhân ở trạng thái đồng phân 152m1Eu có spin 0- và chu kỳ bán rã 9.274 giờ phân rã β- để trở thành 152Gd với xác xuất 72% và bắt điện tử (EC) để trở thành 152
Sm với xác xuất 28%, hạt nhân ở trạng thái đồng phân thứ hai 152m2
Eu có spin 8- có chu kỳ bán rã 96 phút phát bức xạ gamma để trở về trạng thái cơ bản không bền 152gEu. Như vậy tỷ số tiết diện tạo cặp đồng phân 152m2,m1Eu sẽ được xác định như là suất lượng tạo thành trạng thái có spin cao và trạng thái có spin thấp (IR = Yhigh/Ylow).
Hình 3.9 và 3.10 minh họa sự phụ thuộc của tiết diện phản ứng 151Eu(,n)150m
Eu và 153Eu(,n)152m1,m2
Eu vào năng lượng của bức xạ hãm trong vùng cộng hưởng khổng lồ.
Hình 3.9. Sự phụ thuộc của tiết diện phản ứng 151Eu(,n)150mEu vào năng lượng của bức xạ hãm trong vùng cộng hưởng khổng lồ [33]
Hình 3.10. Sự phụ thuộc của tiết diện phản ứng 153Eu(,n)152m1,m2
Eu vào năng lượng của bức xạ hãm trong vùng cộng hưởng khổng lồ [33]
3.3. ác định tỷ số suất lƣợng đồng phân
Tỷ số suất lượng tạo cặp đồng phân từ phản ứng quang hạt nhân 153Eu(,n)152m1,m2
Eu được xác định dựa trên hoạt độ phóng xạ ghi nhận được của các sản phẩm tạo thành sau phản ứng hạt nhân. Hoạt độ phóng xạ của các sản phẩm ở trạng thái đồng phân thứ nhất và trạng thái đồng phân thứ hai được xác định dựa vào
diện tích đỉnh gamma 841.57 keV (14.2%) của 152m1
Eu và đỉnh 89.85 keV (70%) của 152m2
Eu. Tỷ số suất lượng đồng phân của phản ứng này sẽ được tính theo biểu thức 2.4 (mục 2.1 chương II). Chúng tơi tính tốn giá trị trung bình ̅ từ các phổ gamma ghi nhận được với thời gian làm mát và thời gian đo khác nhau. Sai số tương đối được xác định bởi công thức sau [25, 28, 29 :
̅ ̅̅̅ ̅̅̅ √∑ ̅̅̅ (2.5) Trong đó là sai số của tỷ số đồng phân được tính tốn cho lần đo thứ i, và n là tổng số lần đo.
Và kết quả thu được tại năng lượng cực đại của bức xạ hãm 20.3 MeV và 17 MeV lần lượt là: 0.0132 ± 0.0011 và 0.0062 ± 0.0002
Kết quả thực nghiệm và các số liệu tham khảo về tỷ số tiết diện đồng phân của phản ứng quang hạt nhân 153Eu(,n)152m1,m2
Eu với các chùm bức xạ hãm có năng lượng khác nhau được ghi ở bảng 3.4.
Bảng 3.4. Tỷ số suất lượng của cặp đồng phân 152m1,m2
Eu tạo thành theo phản ứng 153Eu(,n)152m1,m2
Eu trong vùng năng lượng cực đại của bức xạ hãm 12 – 43 MeV. Năng lượng
bức xạ hãm [MeV]
Tỷ số suất lượng đồng phân, IR=Yhigh/Ylow
Kết quả Tham khảo
12 0.0012 ± 0.0001 [9] 17 0.0062 ± 0.0002 18.2 0.01018 ± 0.001 [28] 20.3 0.0132 ± 0.0011 23.5 0.01999 ± 0.002 [28] 43 0.0112 ± 0.002 [2]
Hình 3.11 minh họa kết quả tỷ số suất lượng cặp đồng phân thu được của phản ứng 153Eu(,n)152m1,m2
Eu với bức xạ hãm năng lượng 17 và 20.3 MeV cùng các số liệu tham khảo ở các năng lượng bức xạ hãm khác nhau.
10 15 20 25 30 35 40 45 50 -0.005 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 From [9] This work From [28] From [2] Ty so dong phan
Nang luong (MeV)
153Eu(,n)152m1,m2Eu
H nh 3.11. Sự phụ thuộc của tỷ số đồng phân của phản ứng quang hạt nhân
153Eu(,n)152m1,m2
Eu vào năng lượng bức xạ hãm.
Từ đồ thị ta có thể nhận thấy tỷ số suất lượng đồng phân tăng theo năng lượng ở vùng năng lượng thấp. Kết quả thu được là khá phù hợp với số liệu mà các tác giả
khác đã cơng bố. Ta cũng có thể nhận thấy số liệu thực nghiệm về tỷ số suất lượng đồng phân của phản ứng này cịn ít. Do đó kết quả thu được trong luận văn có một nghĩa nhất định trong việc bổ sung số liệu thực nghiệm cho phản ứng này.
Hiện tượng gia tăng của tỷ số đồng phân theo năng lượng ở vùng năng lượng thấp có thể là do sự tăng của q trình truyền mơmen xung lượng cho hạt nhân hợp phần. Hơn nữa, trong hầu hết các trường hợp tỷ số đồng phân có giá trị nhỏ hơn 1 khi mà trạng thái đồng phân có spin cao hơn trạng thái đồng phân khác hoặc trạng thái cơ bản không bền và ngược lại. Điều này có nghĩa là xác xuất hình thành trạng thái với spin cao hơn là nhỏ hơn so trạng thái có spin thấp hơn. Trong trường hợp của tơi thì kết quả thu được cũng khẳng định điều này.
Sai số của các kết quả thực nghiệm ước tính khoảng 3 - 8%. Chủ yếu do các nguồn sau: sai số thống kê của số đếm các đỉnh gamma (1 - 3%), sai số hiệu suất ghi của Detector (2 - 3%), sai số từ số liệu hạt nhân như chu kỳ bán rã (<0.7%), cường độ tia gamma (<8%), xác xuất dịch chuyển (3%, ...) Sai số tổng cộng được xác định theo hàm truyền sai số.
KẾT LUẬN
Trong phần thực nghiệm của bản luận văn này, phương pháp kích hoạt phóng xạ đã được sử dụng với chùm photon bức xạ hãm được tạo ra khi bắn phá các electron đã được gia tốc vào bia hãm W. Hoạt độ phóng xạ của các hạt nhân sản phẩm được xác định bằng việc đo phổ gamma sử dụng các đêtectơ bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết (HPGe) có độ phân giải năng lượng cao. Các đồng vị phóng xạ tạo thành sau phản ứng hạt nhân được nhận diện căn cứ vào năng lượng các tia gamma và chu kỳ bán rã của chúng. Tỷ số đồng phân được xác định căn cứ vào hoạt độ phóng xạ đo được và các thơng số vật l cũng như thực nghiệm khác. Cùng với việc áp dụng các giải pháp kỹ thuật tinh tế và thực hiện các hiệu chỉnh cần thiết cho phép thu được các kết quả có độ tin cậy cao. Bản luận văn đã trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định tỷ số suất lượng của cặp đồng phân 152m1,m2
Eu sinh ra từ phản ứng quang hạt nhân 153Eu(,n)152m1,m2
Eu gây bởi chùm bức xạ hãm năng lượng cực đại 17 và 20.3 MeV trên máy gia tốc electron MT-25. Các kết quả đạt được bao gồm:
- Nghiên cứu tổng quan một số đặc trưng của phản ứng quang hạt nhân, hạt nhân đồng phân và tỷ số đồng phân.
- Tìm hiểu phương pháp và kỹ thuật thực nghiệm. Phương pháp kích hoạt phóng xạ và đo phổ gamma với Detector bán dẫn được sử dụng trong các nghiên cứu thực nghiệm xác định tỷ số suất lượng đồng phân. Đã tìm hiểu quy trình thí nghiệm và trực tiếp phân tích và đánh giá số liệu.
- Xác định được tỷ số suất lượng đồng phân của phản ứng quang hạt nhân 153Eu(,n)152m1,m2
Eu với chùm bức xạ hãm năng lượng cực đại 20.3 và 17MeV. Kết quả thu được lần lượt là: 0.0132 ± 0.0011 và 0.0062 ± 0.0002.
Số liệu thực nghiệm thu được khá phù hợp với các kết quả của các tác giả khác đã được cơng bố và có nghĩa bổ sung các số liệu trong vùng năng lượng bức xạ hãm 17 – 21 MeV. Đối với các phản ứng quang hạt nhân gây bởi bức xạ hãm, nhìn chung các số liệu về phản ứng hạt nhân nói chung cũng như tỷ số đồng phân chưa nhiều. Do đó các kết quả nghiên cứu thu được ở năng lượng 17 và 20.3 MeV có một nghĩa khoa học và thực ti n nhất định.
Tỷ số đồng phân cung cấp các thông tin về cơ chế phản ứng hạt nhân, sự phụ thuộc của spin vào mật độ mức hạt nhân,... Về mặt ứng dụng, tỷ số đồng phân cịn có giá trị ứng dụng thực ti n trong phân tích kích hoạt và chế tạo đồng vị phóng xạ, tính tốn che chắn an tồn bức xạ…
Bên cạnh đó, với việc thực hiện bản luận văn, tác giả đã có được những kinh nghiệm đáng qu trong việc giải quyết một bài toán nghiên cứu thực nghiệm vật l hạt nhân cũng như bổ sung được nhiều kiến thức l thuyết và kỹ năng thực nghiệm có giá trị.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt:
1. Bùi Văn Loát, Thái Khắc Định" Các phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm hạt
nhân", NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2009.
2. Đào Tiến Khoa, “Vật lý hạt nhân hiện đại”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật,
2010.
3. Nguy n Văn Đ , " Các phương pháp phân tích hạt nhân", NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội, 2004.
4. Ngô Quang Huy “Cơ sở vật lý hạt nhân”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật 5. Trần Đức Thiệp “Máy gia tốc”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật
Tiếng Anh:
1. A. P. Tonchev, Yu. P. Gangrsky, A. G. Belov adn V. E. Zhuchko. Deformation on
isomeric excitation of Eu isotopes in (, n) and (n, ) reactions. Phys. Rev.58
(1998) 2851.
2. D. Kolev - Studies of some Isomeric Yield Ratios Produced with Bremsstrahlung.
Appl. Radiat. Isot.Vol. 49, No. 8, pp. 989-995, 1998
3. D. J. S. Findlay – Applications of photonuclear reactions. Nucl. Inst. and Meth. B50, 1990, pp. 314 – 320.
4. D. Kolev, E. Dobreva, N. Nenov, V. Todorov – A convenient method for experimental determination of yields and isomeric ratios in photonuclear reactions measured by the activation technique. Nucl. Inst. and Meth. A356, 1995, pp. 390 – 396.
5. E. K. Elmarghraby, K.F. Hassan, H. Omara, Z.A. Seleh, “Production of the mercury-197
through proton reaction on gold”, Applied Radiation and Isotope 68 (2010) 1694-1698.
6. G. B. Saha and L. Yaffe – Calculations of isomer ratios based on the statistical and cascade-evaporation theories. Nucl. Phys. A188, 1972, pp. 409 – 416.
7. H. Bartsch, K. Huber, U. Kneissl and H. Krieger – Critical consideration of the statistical model analysis of photonuclear isomeric cross-section ratios. Nucl. Phys. A256, 1976, pp. 243 – 252.
8. H. K. Vonach, R. Vandenbosch and J. R. Huizenga – Interpretation of isomer ratios in nuclear reactions with Fermi-gas and superconductor models. Nucl. Phys. 60, 1964, pp 70 – 96.
9. I. N. Vishnevsky, V. A. Zheltonozhsky, A. N. Savrasov, and N. V. Strilchuk - Isomeric yield ratios in nuclei 190Ir and 150,152Eu
10. J. R. Huizenga and R. Vandenbosch – Interpretation of isomeric cross-section ratios for (n,γ) and (γ,n) reactions. Phys. Rev. Vol.120, No.4, 1960, pp. 1305 –