CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TẠO BỨC XẠ HÃM VÀ MÔ PHỎNG SUẤT LƢỢNG QUANG PHÂN HẠCH CỦA 238 U GÂY BỞI CHÙM BỨC XẠ HÃM CÓ NĂNG LƢỢNG CỰC ĐẠI 50 MEV
3.2. Mô phỏng suất lƣợng quang phân hạch của 238 U trong buồng khí: Ion-
3.2.2. Mô phỏng phổ bức xạ hãm
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
( , F) (i)
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
238U.
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.
Hình 3.9.Suất lượng quang phân hạch trong buồng khí ALTO.
Hình 3.10.Suất lượng phản ứng quang hạt nhân (, n) và (, 2n).