i
LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn đến Viện Năng lượng Nguyên Tử Việt
Nam, Viện Nghiên cứu Hạt nhân, Trung tâm Đào tạo Hạt nhân đã tạo mọi
điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian nghiên cứu để thực hiện Luận
án.
Trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Đà Lạt, Phòng TC-CB,
Khoa Vật lý, Khoa Kỹ thuật Hạt nhân đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi
trong nghiên cứu, học tập và công tác.
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn tới hai Thầy
hướng dẫn là TS. Phạm Đình Khang và PGS. TS Nguyễn Đức Hòa đã tận
tình giúp đỡ tôi từ những bước đi đầu tiên xây dựng ý tưởng nghiên cứu,
cũng như trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện Luận án. Quý
thầy đã luôn ủng hộ, động viên và hỗ trợ những điều kiện tốt nhất để tôi
hoàn thành Luận án. Kính gửi đến quý thầy tấm lòng tri ơn của người học
trò. Mong rằng trí tuệ và sự độ lượng của quý thầy sẽ còn mãi để những
thế hệ mai sau có cơ hội tiếp cận và lĩnh hội.
Xin cảm ơn PGS. TS. Lê Bá Dũng, nguyên Hiệu trưởng trường Đại học Đà
Lạt đã luôn ủng hộ tinh thần học tập của cán bộ, tạo mọi điều kiện thuận
lợi trong công tác, cho phép tôi có được cơ hội tiếp tục nghiên cứu.
Xin cảm ơn TS. Nguyễn Xuân Hải, người đã cùng tôi trực tiếp làm thực
nghiệm, trao đổi, giúp đỡ tôi trong chuyên môn. Cảm ơn một người bạn
chân thành!
Cảm ơn ThS. NCS. Đặng Lành đã góp ý, giúp đỡ tôi trong chuyên môn cũng
như động viên kích lệ tôi trong nghiên cứu khoa học.
ii
Cảm ơn ThS. NCS. Phạm Ngọc Sơn, ThS. Hồ Hữu Thắng đã không ngại khó
khăn giúp đỡ tôi triển khai một số thực nghiệm.
Tôi xin cảm ơn các anh Phòng Vật lý – Điện tử đã tạo mọi điều kiện thuận
lợi cho tôi nghiên cứu bằng mọi thiết bị hiện có. Cảm ơn Trung tâm Lò

2 Mọi tham khảo dùng trong luận án đều được trích dẫn rõ ràng
tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố.
3 Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay
gian trá nếu có tôi chịu trách nhiệm hoàn toàn về bản luận án
này.

Người cam đoan Nguyễn An Sơn
iv
MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH 1
DANH MỤC BẢNG BIỂU 3
DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT 5
MỞ ĐẦU 7
Chương một. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP VÀ ĐỐI TƯỢNG
NGHIÊN CỨU 10
1.1. Phương pháp trùng phùng gamma-gamma 10
1.1.1. Quá trình phát triển phương pháp 10
1.1.1.1. Trên thế giới 10
1.1.1.2. Tại Việt Nam 14
1.1.2. Hệ đo thực nghiệm tại Viện NCHN 15

Phần I. HOÀN THIỆN PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36
2.1. Phát triển hệ thống thực nghiệm 36
2.1.1. Cải tiến giao diện 36
2.1.1.1. Đánh giá thực trạng hệ đo 36
2.1.1.2. Chế tạo giao diện bằng PCI 7811R 37
2.1.2. Thay đổi cấu trúc hệ thống che chắn, dẫn dòng nơtron 41
2.2. Xác lập các tham số cho hệ trùng phùng gamma-gamma 42
2.3. Xây dựng hàm hiệu suất 43
Phần II. NGHIÊN CỨU PHÂN RÃ GAMMA NỐI TẦNG CỦA CÁC HẠT
NHÂN
49
Ti,
52
V VÀ
59
Ni 46
2.4. Chuẩn bị bia mẫu
49
Ti,
52
V và
59
Ni 46
2.5. Thu thập số liệu phân rã gamma nối tầng của
49
Ti,
52
V và
59
Ni 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107
PHỤ LỤC 1. PHƯƠNG PHÁP CHUẨN CÁC THAM SỐ TFA VÀ CFD
CỦA HỆ TRÙNG PHÙNG GAMMA-GAMMA TẠI VIỆN NCHN 115
PHỤ LỤC 2. KẾT QUẢ SUẤT LIỀU SAU KHI THAY THIẾT BỊ CHE
CHẮN VÀ DẪN DÒNG KS3 120
PHỤ LỤC 3. CÁC PHỔ NỐI TẦNG 126
PHỤ LỤC 4. XÁC ĐỊNH SPIN VÀ ĐỘ CHẴN LẺ 135
1
DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1. 1 Sơ đồ nguyên lý hệ trùng phùng do Hoogenboom thiết kế 10
Hình 1. 2 Hệ đo trùng phùng nhanh chậm tại Dubna . 12
Hình 1. 3 Hệ trùng phùng nhanh chậm tại Hungary . 13
Hình 1. 4 Sơ đồ khối hệ trùng phùng cộng biên độ tại Viện NCHN. 14
Hình 1. 5 Hệ phổ kế trùng phùng gamma – gamma tại LPUHNDL. 15
Hình 1. 6 Mô tả phân rã gamma của hạt nhân hợp phần. 23
Hình 1. 7 Minh họa spin, chẵn lẻ và bậc đa cực của một số dịch chuyển. 30
Hình 2. 1 Bản mạch giao diện PCI 7811R. 38
Hình 2. 2 Sơ đồ phần cứng PCI 7811R 39
Hình 2. 3 Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển viết cho giao diện. 40
Hình 2. 4 Sơ đồ lắp đặt thiết bị bên trong và ngoài KS3. 42
Hình 2. 5 Hình ảnh của các bia mẫu. 46
Hình 2. 6 Hình chụp của hệ phổ kế trùng phùng gamma – gamma tại Viện NCHN. 47
Hình 2. 7 Thuật toán xử lý số liệu. 49
Hình 2. 8 Mô tả file lưu trữ các mã biên độ. 50
Hình 3.1 Giao diện ở chế độ MCA. 57
Hình 3. 2 Giao diện của chương trình ở chế độ trùng phùng. 57
Hình 3.3 Phổ tổng của Cl
35
(n, 2)Cl

Hình 3. 15 Kết quả sắp xếp sơ đồ mức của
49
Ti và spin, độ chẵn lẻ của các mức 75
Hình 3. 16 Kết quả sắp xếp sơ đồ mức của
52
V và spin, độ chẵn lẻ của các mức. 78
Hình 3. 17 Kết quả sắp xếp sơ đồ mức của
59
Ni và spin, độ chẵn lẻ của các mức. 80
Hình 3. 18 Xác suất dịch chuyển E1 của
49
Ti từ B
n
87
Hình 3. 19 Xác suất dịch chuyển E1 của
52
V từ B
n
. 90
Hình 3. 20 Xác suất dịch chuyển E1 của
59
Ni từ B
n
. 92
Hình 3. 21 Hàm lực chuyển dời gamma sơ cấp của
49
Ti từ mức 8142,50 keV về các
mức trung gian. 94
Hình 3. 22 Hàm lực chuyển dời gamma sơ cấp của
52

52
V 69
Bảng 3. 6 Năng lượng và cường độ dịch chuyển nối tầng các tia gamma trong
phản ứng
58
Ni(n, 2)
59
Ni 71
Bảng 3. 7 Sắp xếp mức dịch chuyển nối tầng của
49
Ti 74
Bảng 3. 8 Sắp xếp mức dịch chuyển nối tầng của
52
V 75
Bảng 3. 9 Sắp xếp mức dịch chuyển nối tầng của
59
Ni 79
Bảng 3. 10 Hệ số rẽ nhánh của một số mức của hạt nhân
49
Ti 82
Bảng 3. 11 Hệ số rẽ nhánh của một số mức của hạt nhân
52
V 82
Bảng 3. 12 Hệ số rẽ nhánh của một số mức của hạt nhân
59
Ni 84
Bảng 3. 13 Xác suất dịch chuyển điện từ của
49
Ti từ B
n

n
về mức cơ bản theo phản ứng
48
Ti(n, 2)
49
Ti 93
Bảng 3. 17 Độ rộng, thời gian sống của một số mức thực nghiệm. Hàm lực của
52
V từ B
n
về mức cơ bản theo phản ứng
51
V(n, 2)
52
V 95
Bảng 3. 18 Độ rộng, thời gian sống của một số mức thực nghiệm. Hàm lực của
59
Ni từ B
n
về mức cơ bản theo phản ứng
58
Ni(n, 2)
59
Ni 97

Amplifier
Khuếch đại phổ
BSFG Back - Shifted Fermi
Gas Model
Mẫu khí Fermi dịch chuyể
n
ngược
CFD Constant-Fraction
Discriminator
Khối gạt ngưỡng hằng
COIN Coincidence Trùng phùng
FPGA Field-programmable
gate array
Vi mạch dùng cấu trúc mả
ng
phần tử logic mà ngườ
i dùng có
thể lập trình được
FWHM Full Width at Half
Maximum

Độ rộng tại một nửa chiề
u cao
đỉnh phổ
HPGe High-Purity
Germanium
Đetectơ bán dẫ
n Ge siêu tinh
khiết
HV High Voltage Cao thế

Khối khuếch đại lọc lựa thờ
i
gian
Delay Khối làm trễ
7
MỞ ĐẦU

Nghiên cứu cấu trúc hạt nhân thực nghiệm nhằm thu thập, tìm kiếm và cung
cấp các bằng chứng về tính chất và cấu trúc của các hạt nhân, góp phần kiểm
chứng và hiệu chỉnh các mẫu cấu trúc hạt nhân, là công việc quan trọng trong
vật lý hạt nhân thực nghiệm. Bên cạnh đó, các số liệu thực nghiệm trong
nghiên cứu cấu trúc hạt nhân còn góp phần phát triển công nghệ và ứng dụng
kỹ thuật hạt nhân phục vụ mục đích năng lượng. Vì vậy, nhiều trung tâm
nghiên cứu lớn trên thế giới như Dubna, Cern, J-PARC, đã và đang triển
khai nghiên cứu cấu trúc hạt nhân bằng thực nghiệm trên nhiều thiết bị nghiên
cứu lớn.
Nghiên cứu thực nghiệm về số liệu phân rã gamma nối tầng dựa trên phản
ứng bắt nơtron ngoài việc góp phần làm sáng tỏ cấu trúc hạt nhân, còn là

V,
59
Ni nằm trong nhóm hạt nhân trung bình và được
nghiên cứu từ khá sớm trên thế giới. Tuy nhiên, các tổng kết về số liệu của
những hạt nhân này trong thư viện cho thấy còn thiếu nhiều thông tin như
spin, độ chẵn lẻ ở các mức năng lượng lớn hơn 2 MeV. Mặt khác đây là
những hạt nhân liên quan đến vật liệu dùng trong thiết kế lò phản ứng hạt
nhân, do đó nghiên cứu phản ứng bắt nơtron của các hạt nhân này là cần thiết
đối với các nước đang phát triển năng lượng hạt nhân như Việt Nam.
Luận án gồm các mục tiêu sau:
1) Nghiên cứu thực nghiệm phân rã gamma nối tầng của các hạt nhân
49
Ti,
52
V và
59
Ni trong phản ứng bắt nơtron nhiệt bằng phương pháp đo trùng
phùng gamma - gamma;
2) Đánh giá số liệu thực nghiệm theo mẫu đơn hạt;
9
3) Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ trùng phùng gamma-gamma. Xây
dựng phương pháp lựa chọn các tham số tối ưu cho hệ đo trùng phùng
gamma – gamma. Quy hoạch lại không gian KS3, thiết kế và chế tạo lại
một số thiết bị che chắn, dẫn dòng nhằm tạo không gian thuận tiện cho
người làm thực nghiệm, giảm phông và tăng mức độ an toàn của
LPUHNDL;
Trên cơ sở các nội dung nghiên cứu đặt ra, luận án được bố cục gồm phần mở
đầu, ba chương chính và phần kết luận. Trong đó:
Chương một trình bày tổng quan về hệ đo và phương pháp trùng phùng
gamma-gamma ghi ”sự kiện-sự kiện”, tình hình nghiên cứu của các hạt nhân

1.1. Phương pháp trùng phùng gamma-gamma
1.1.1. Quá trình phát triển phương pháp
1.1.1.1. Trên thế giới
Phương pháp trùng phùng gamma – gamma đã được Hoogenboom đề xuất và
thử nghiệm từ năm 1958 [33][34]. Trong nghiên cứu này, tác giả xây dựng hệ
đo dựa trên các đetectơ nhấp nháy và thử nghiệm trên các nguồn
60
Co,
22
Na và
các phản ứng
24
Mg(p, 2)
25
Al và
29
Si(p, 2)
30
P. Kết quả cho thấy sự hiệu quả
của phương pháp trong nghiên cứu và xây dựng sơ đồ phân rã của các hạt
nhân. Sơ đồ nguyên lý của hệ đo được trình bày trên Hình 1.1.

Hình 1. 1 Sơ đồ nguyên lý hệ trùng phùng do Hoogenboom thiết kế [33].
CF2a
Ngu
ồn
PM1 CR1

CR
2

tích, tín hiệu từ các lối ra CF1b và CF2b được cộng trên mạng các điện trở
R1, R2 và RV1. Tín hiệu sau khi cộng được khuếch đại bằng khuếch đại tổng
(Amp Sum), sau đó được đưa vào khối phân biệt ngưỡng tổng (D.D Sum) và
hình thành xung đóng mở cổng để điều khiển quá trình phân tích biên độ.
Do cách thiết kế nên việc lựa chọn tín hiệu trùng phùng phụ thuộc vào mạng
điện trở và điều chỉnh chiết áp RV1, hệ hoạt động như một hệ trùng phùng
chậm và có thời gian phân giải cỡ 3 s.
Năm 1965 John Duncan Hepburn ở Đại học British Columbia đã nghiên cứu
các vấn đề liên quan đến hiệu suất của hệ trùng phùng chậm dựa trên nguồn
60
Co và phản ứng
11
B(p, 2)
12
C[42]. Hệ đo sử dụng hai đetectơ nhấp nháy tinh
thể NaI(Tl), ADC 512 kênh, hệ số chuẩn năng lượng 30 keV/kênh, tốc độ
biến đổi của hai kênh tương ứng là 25 s và 0,5 s. Nghiên cứu làm cơ sở cho
ứng dụng phương pháp trùng phùng trong đo hoạt độ tuyệt đối và trong
nghiên cứu cường độ dịch chuyển nối tầng.
Từ năm 1981, tại Viện Liên hợp nghiên cứu Hạt nhân Dubna đã đưa ra vấn đề
ghi nhận, lưu trữ và xử lý số trên máy tính các thông tin thu được từ hệ đo
cộng biên độ các xung trùng phùng. Phương pháp này khác xa nhiều so với
nguyên tắc ban đầu do Hoogenboom đưa ra. Nó cho phép tiết kiệm rất nhiều
lần thời gian thực hiện một nghiên cứu, độ chính xác cao hơn, loại trừ được
ảnh hưởng chênh lệch về thời điểm xuất hiện các xung từ đetectơ tương ứng
12
với một cặp chuyển dời nối tầng, khai thác và xử lý thông tin thuận lợi hơn.
Sơ đồ của hệ được trình bày trên hình 1.2. Hình 1. 3 Hệ trùng phùng nhanh chậm tại Hungary [65].
Ngày nay, sự phát triển của kỹ thuật điện tử, kỹ thuật xử lý tín hiệu số đã cho
phép tích hợp các khối điện tử vào trong một vi mạch và điều khiển từ chương
trình máy tính nên hệ đo tương đối đơn giản, dễ sử dụng và hiệu quả cao[67].
Vì thế, hiện nay phương pháp trùng phùng gamma-gamma không chỉ ứng
Start Stop
Gate

SCA TAC
T

GG8010
CFD

Phillips
730
Delay

Ortec
GG8010
FFA

Ortec
579
Level

Transl
Phillips 720ADC
KFKI (4k)Multiplexer

CFD

Phillips
730
TAC/SCA

1.1.1.2. Tại Việt Nam
Việc nghiên cứu về phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng đã được
tiến hành từ năm 1984 bởi nhóm nghiên cứu tại Đại học Khoa học tự nhiên
Hà Nội, trên cơ sở hệ phân tích biên độ 1 k, với đetectơ nhấp nháy NaI (Tl).
Sau đó, từ sự hợp tác nghiên cứu giữa Đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội và
Viện NCHN, các thử nghiệm về hệ đo đã được thực hiện tại LPUHNDL. Sơ
đồ của hệ được trình bày trên hình 1.4. Đến cuối năm 2005, một hệ đo hoàn
chỉnh đã được lắp đặt tại KS3 của LPUHNDL. Đến năm 2009, hệ đo đã được
xây dựng với hai cấu hình dùng khối trùng phùng và dùng TAC. Trong giai
đoạn này, từ hệ đo được xây dựng, nhóm nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu
phân rã gamma nối tầng của một số hạt nhân như
153
Sm,
182
Ta,
239
U,
28
Al,
36
Cl,
65
Cu[6][10][18]. Việc lựa chọn các tham số, các đặc trưng của hệ đã được
nghiên cứu tổng hợp và xây dựng thành phương pháp[2][3][68].

T

T
E

15
1.1.2. Hệ đo thực nghiệm tại Viện NCHN
1.1.2.1. Hệ phổ kế trùng phùng gamma-gamma
Hệ phổ kế trùng phùng gamma – gamma tại Viện NCHN được sử dụng với
hai cấu hình chính: cấu hình thứ nhất dùng khối trùng phùng (COIN) và cấu
hình thứ hai dùng TAC. So với hệ đo trùng phùng gamma - gamma nhanh
chậm truyền thống ở các nước trên thế giới thì hệ trùng phùng gamma –
gamma tại LPUHNDL có cấu trúc đơn giản hơn, đã bớt các khối khóa tuyến
tính, phân tích đơn kênh, trùng phùng chậm, nhưng vẫn đáp ứng được các yêu
cầu của một hệ trùng phùng nhanh chậm[56][68].
Hệ phổ kế sử dụng trong nghiên cứu phục vụ cho luận án là hệ trùng phùng
gamma – gamma dùng TAC ghi đo theo phương pháp sự kiện – sự kiện. Hệ
được đặt tại KS3 của LPUHNDL. Sơ đồ hệ phổ kế mô tả trên Hình
1.5[56][68].

Hình 1. 5 Hệ phổ kế trùng phùng gamma – gamma tại LPUHNDL.
Bia mẫu đặt lệch 45
0
so với chùm nơtron, hai đetectơ được đặt đối xứng nhau
180
0
. Các đetectơ được che chắn trong các khối chì đúc liền. Khối chì đúc
chắn gamma trực tiếp từ lò dày 14 cm, chiều dày lớp chì che chắn đối với
16
gamma từ chuẩn trục phụ là 10 cm. Toàn hệ được đặt trên bàn đỡ có thể di

s [59].
Nguyên tắc hoạt động của hệ: Khi hai đetectơ thu nhận hai bức xạ gamma nối
tầng thì các đetectơ sẽ sinh ra đồng thời hai tín hiệu là tín hiệu mang thông tin
năng lượng (E) và tín hiệu mang thông tin thời gian (T). Tín hiệu năng lượng
được đưa đến khối khuếch đại phổ 572A và sau đó đến ADC 7072. Tín hiệu
thời gian được đưa đến khối khuếch đại lọc lựa thời gian TFA 474 để tạo
dạng xung phù hợp, sau đó tín hiệu này được đưa đến khối gạt ngưỡng hằng
CFD 584, khối này loại trừ nhiễu và các xung tăng chậm. Xung ra từ hai khối
CFD 584 được đưa đến lối vào khởi phát (Start) và kết thúc (Stop) của khối
biến đổi thời gian thành biên độ TAC 566. Khi có tín hiệu khởi phát và tín
hiệu kết thúc đi đến TAC thì TAC 566 sẽ biến đổi khoảng thời gian chênh
lệch giữa hai sự kiện thành biên độ, và gửi tín hiệu tới ADC 8713; đồng thời
TAC còn phát tín hiệu ở lối Valid Convert gửi tới giao diện PCI 7811R. Khi
giao diện PCI 7811R nhận được tín hiệu Valid Convert từ TAC thì sẽ tạo ra
tín hiệu Gate, tín hiệu Gate này cho phép hai ADC 7072 biến đổi tín hiệu
tương tự thành dạng số.
Số liệu thu nhận được ghi thành bốn cột, trong đó hai cột tín hiệu có giá trị tỷ
lệ với năng lượng của hai bức xạ mà hai đetectơ ghi nhận (cột 3 và cột 4), giá
trị mã biên độ của cột thứ hai là khoảng chênh lệch thời gian của hai bức xạ
gamma mà hai đetectơ ghi nhận được, và giá trị mã biên độ của cột thứ nhất
(nếu có) là giá trị của dịch chuyển nối tầng bậc 3 trong thiết lập cấu hình 3
đetectơ. Mỗi file dữ liệu lưu trữ 4096 cặp sự kiện trùng phùng, khi kết thúc
một file thì giao diện PCI 7811R sẽ gửi file đó lên máy tính để lưu trữ và tiến
hành ghi nhận file tiếp theo.
18
1.1.2.2. KS3 của LPUHNDL
LPUHNDL được nâng cấp từ Lò TRIGA của Mỹ là loại lò bể bơi [30], công
suất cực đại 500 kW và thông lượng trung bình của nơtron nhiệt tại tâm vùng
hoạt có thể đạt 1,9910
13

Về mặt cấu trúc, hạt nhân
49
Ti là hạt nhân chẵn – lẻ, gồm 22 prôton và 27
nơtron. Cấu trúc theo mẫu lớp như sau: prôton:
2 4 2 6 2 4 2
1/2 3/2 1/2 5/2 1/2 3/2 7/2
1s 1p 1p 1d 2s 1d 1f
;
nơtron:
2 4 2 6 2 4 7
1/2 3/2 1/2 5/2 1/2 3/2 7/2
1s 1p 1p 1d 2s 1d 1f
. Nếu so với hạt nhân hai lần magic
48
Ca
thì lớp ngoài cùng dư 2 prôton và thiếu 1 nơtron.
19
Các nghiên cứu trên máy gia tốc [46][71] bằng các phản ứng
50
V(t, )
49
Ti,
50
Ti(d, t)
49
Ti,
48
Ca(, 3n)
49
Ti cho thấy trạng thái cơ bản của

V
Về mặt cấu trúc, hạt nhân
52
V là hạt nhân lẻ – lẻ, gồm 23 prôton và 29 nơtron.
Cấu trúc theo mẫu lớp: prôton:
2 4 2 6 2 4 3
1/2 3/2 1/2 5/2 1/2 3/2 7/2
1s 1p 1p 1d 2s 1d 1f
; nơtron:
2 4 2 6 2 4 8 1
1/2 3/2 1/2 5/2 1/2 3/2 7/2 1/2
1s 1p 1p 1d 2s 1d 1f 2
p
. Nếu so với hạt nhân hai lần magic
48
Ca
thì lớp ngoài cùng dư 3 prôton và 1 nơtron.
Các nghiên cứu bằng phản ứng (d, p), (d, ) trên máy gia tốc [72] cho thấy
các mức kích thích mới thu được các mức kích thích đến 3,3 MeV, đồng thời
xác định
52
V ở trạng thái cơ bản có spin và độ chẵn lẻ là 3
+
, trạng thái hợp
phần là mức kép, có spin và độ chẵn lẻ 3
-
và 4
-
.