gia tốc như chân khơng, cường độ dịng điện đến nano ampe, nhiệt độ, tốc độ dòng chảy của chất lỏng làm mát, mật độ ion của chùm ion, áp suất...
Để tổng kết và so sánh các ưu nhược điểm, độ nhạy cũng như dải hàm lượng phân tích, thời gian phân tích thơng thường cho một mẫu, độ sâu của lớp được phân tích (cũng là độ xuyên sâu của chùm ion) của các hệ phân tích trên máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron, người ta đã tổng kết trên Bảng 2.1 [31].
Bảng 2.1. So sánh các phương pháp phân tích Loại Loại phân tích Độ nhạy Thời gian phân tích (phút/mẫu) Phân giải chiều sâu (nm) RBS Từ cỡ % đến 10-4, tùy thuộc vào Z. 10 1-10
PIXE 1-100 ppm, tùy thuộc vào Z và ma trận mẫu. 10 khơng có thơng tin
ERDA Từ cỡ % đến 10-5 ,tùy thuộc vào Z. 10 1-10
CHƢƠNG III. PHẢN ỨNG HẠT NHÂN TRÊN MÁY GIA TỐC 3.1. Một số phản ứng hạt nhân gây bởi proton trên máy gia tốc tĩnh điện 3.1. Một số phản ứng hạt nhân gây bởi proton trên máy gia tốc tĩnh điện
3.1.1. Các đặc trƣng chính của các phản ứng gây bởi proton
Proton có thể gây ra các phản ứng sau: (p,α), (p,n), (p,p), (p,γ) và (p,d), trong đó p là chùm hạt proton tới, chính là tác nhân gây ra phản ứng, cịn α, n, p, γ, d là các hạt được phát ra sau phản ứng, ngoài hạt nhân bia. Các đặc trưng chủ yếu của từng loại phản ứng như sau:
Phản ứng (p,α): phản ứng này là phản ứng tỏa nhiệt. Động năng của
phản ứng Q = εa - εb, với εa là năng lượng liên kết của hạt tới, còn εb là năng lượng liên kết của hạt bay ra trong hạt nhân hợp phần. Đối với phản ứng (p,α), Q = εp - εα. Với tất cả các hạt nhân bền trong bảng tuần hoàn, εp≈ const và vào cỡ khoảng 8MeV. Còn năng lượng liên kết của α thay đổi từ giá trị nhỏ nhất εα = 0 với Z=60 đến giá trị cao nhất εα=8 với Z=8, với Z>60 thì năng lượng liên kết của α mang giá trị âm, do đó:
p
Q (3.1) Chú ý thứ hai liên quan tới phản ứng (p,α) là xác xuất xảy ra phản ứng. Xác suất này là không lớn đối với các hạt nhân nặng, do hạt α bay ra khỏi hạt nhân bị cấm mạnh bởi hàng rào thế Coulomb (bằng 28 MeV với Z=80). Hàng rào thế chỉ cho các hạt alpha nhanh bay ra khỏi hạt nhân. Hạt alpha bay ra làm hạt nhân dịch chuyển xuống các mức thấp hơn. Do trọng số thống kê của một trạng thái được định nghĩa bởi mật độ mức hạt nhân, nên dẫn đến xác suất phản ứng (p,α) thấp. Điều kiện này không áp dụng hạt nhân nhẹ, vì khi đó hàng rào thế Coulomb nhỏ.
Phản ứng (p,n): Đối với các hạt nhân bền, phản ứng loại này luôn là
phản ứng thu nhiệt với ngưỡng phản ứng lớn hơn 0,8MeV. Thật vậy, xét phản ứng A(p,n)B ta có:
MBMA 0.5MeV (3.3) Nếu điều kiện thứ hai khơng thỏa mãn thì hạt nhân A sẽ chuyển thành hạt nhân B thông qua phân rã beta. Năng lượng của phản ứng:
B n B p 1.3 0.5 0.8
Q M m M m MeV (3.4) Mặt khác theo cơng thức tính năng lượng, suy ra Tth > 0,8 MeV
với ( ) B b th B b a m m T Q m m m
là năng lượng ngưỡng của phản ứng.
Phản ứng (p,p): Nếu động năng của hạt tới cao hơn hàng rào Coulomb
xác suất của phản ứng loại này tương đương với xác suất của phản ứng (p,n). Trong vùng năng lượng thấp hơn, phản ứng (p,p) được dùng trong các trường hợp phản ứng (p,n) không xảy ra.
Phản ứng (p,γ): Do xác suất phát ra các hạt từ hạt nhân hợp phần cao
hơn xác suất phát lượng tử γ, nên phản ứng (p,γ) có suất lượng rất thấp. Tuy nhiên, vì một vài lý do nào đó hạt phát ra bị cấm, thì lúc đó phản ứng (p,γ) đóng vai trị quan trọng. Ví dụ, nếu Tp<Tth của phản ứng (p,n), thì sẽ quan sát được phản ứng (p,γ) bên cạnh phản ứng (p,p). Một ví dụ về phản ứng (p,γ) có suất lượng cao chính là phản ứng 3Li7(p, γ)4Be8.
Phản ứng (p,d): So với các phản ứng khác, phản ứng này rất hiếm vì
đơteron là hạt có liên kết yếu (εd = 2,22 MeV), và cần lượng lớn năng lượng để hình thành nó. Do đó, phản ứng (p,d) thường là phản ứng thu nhiệt, còn nếu là phản ứng tỏa nhiệt thì giá trị Q rất nhỏ (ví dụ như 3Be9(p,d)4Be8 có Q=0,56 MeV).
Ngồi proton thì đồng vị khác của Hydro là deuteri (d) cũng gây ra một số phản ứng hạt nhân. Bảng 3.1 là tổng hợp một số phản ứng hạt nhân gây bởi hai đồng vị của Hydro [4]. Tất nhiên ở đây ta chỉ xét cho hai đồng vị bền của Hydro.
Bảng 3.1. Phản ứng hạt nhân gây bởi đồng vị Hydro (p,d)
Phản ứng gây bởi Proton Phản ứng gây bởi Deutron
Loại Q (MeV) Loại Q (MeV)
6Li(p,α)3He 4,02 2H(d,p)3He 4,03 7Li(p,α)4He 17,35 3He(d,α)1H 18,35 9Be(p,α)6Li 2,13 12C(d,p)13C 2,72 10B(p,α)7Be 1,15 13C(d,p)14C 5,95 11B(p,α )8Be 8,58 14N(d,p)15N 8,61 15N(p,αγ)12C 4,97 14N(d,α)12C 13,57 18O(p,αγ)15N 3,98 16O(d,p)17O 1,92 19F(p,αγ)16O 8,11 16O(d,α)14N 3,11 23Na(p,γ)24Mg 11,69 19F(d,α)17O 10,03 27Al(p,γ)28Si 11,59 29Si(p,γ)30P 5,59 52Cr(p,γ)53Mn 7,56
Ngồi Hydro thì một ngun tố nhẹ mà hạt nhân của nó thường được gọi là hạt alpha, cũng là một loại hạt chính thường được gia tốc trong các máy gia tốc tĩnh điện, đó là nguyên tố Helium. Các đồng vị của Helium cũng thường được gia tốc và tạo chùm ion trên các máy gia tốc tĩnh điện. Chùm ion He là nguồn hạt alpha rất tập trung và có năng lượng được điều chỉnh phù hợp cho các thí nghiệm khác nhau, trong đó các thí nghiệm về phản ứng hạt nhân được tổng kết trên Bảng 3.2 [4].