BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM
_____________________
NGUYỄN XUÂN HẢI ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP CỘNG BIÊN ĐỘ
CÁC XUNG TRÙNG PHÙNG NGHIÊN CỨU PHÂN RÃ
GAMMA NỐI TẦNG CỦA HẠT NHÂN Yb VÀ Sm
TRÊN LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT
Chuyên ngành: Vật lý Nguyên tử và Hạt nhân
Mã số: 62 44 05 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. VƯƠNG HỮU TẤN
lý triệt để bức xạ phông và ảnh hưởng của tán xạ compton. Triển khai thành
công phương pháp sẽ nâng cao đáng kể trình độ th
ực nghiệm của đội ngũ làm
vật lý hạt nhân thực nghiệm tại Đà Lạt. Đây sẽ là cơ sở để thiết kế, lắp đặt các
hệ đo phức tạp sử dụng nhiều đetectơ trong tương lai.
2
Triển khai các nghiên cứu thực nghiệm với độ phức tạp cao có tác dụng thúc
đẩy sự phát triển của công nghệ, đặc biệt là lĩnh vực chế tạo các thiết bị điện
tử hạt nhân trong nước. Các kết quả luận án cho thấy đội ngũ nghiên cứu
trong nước đã có khả năng tự thiết kế, tiến hành những thí nghiệm có độ
chính xác và phức tạp cao.
Tình hình nghiên cứ
u ngoài nước
Về phương pháp nghiên cứu
Phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng là phương pháp nghiên cứu
các trạng thái kích thích của hạt nhân vùng năng lượng dưới B
n
rất có hiệu
quả. Bằng phương pháp này, nền phông phức tạp của tán xạ compton và các
đỉnh xuất hiện do hiệu ứng tạo cặp đã bị triệt tiêu nên phổ bức xạ gamma thu
được có dạng rất đơn giản. Từ năm 1981, Viện Liên hợp nghiên cứu hạt nhân
(VLHNCHN) Đubna (Liên Xô cũ) đã xây dựng được hệ phổ kế cộng biên độ
các xung trùng phùng sử dụng các đetectơ bán dẫ
n siêu tinh khiết với việc lưu
trữ và xử lý số liệu dưới dạng “sự kiện-sự kiện” trên máy tính. Đến năm 1987
thì phương pháp này được triển khai thành một hệ thống đầy đủ. Hiện tại, ở
Đubna đang trong giai đoạn thay thế nguồn nơtron từ lò xung sang máy gia
tốc kích thích nhiên liệu phân hạch nên nhóm thực nghiệm đang phải dừng
các nghiên cứu. Ở Cộng hoà Séc, hướng nghiên c
ạt nhân biến dạng nặng mang tính học thuật cao
nhưng phải giải quyết nhiều khó khăn về thực nghiệm cũng như xử lý số liệu.
Còn các nghiên cứu trên hạt nhân nhẹ, trung bình và các đồng vị có thể phân
hạch hoặc sản phẩm phân hạch lại là cơ sở cho việc sử dụng vật liệu trong lò
phản ứng,
Về số liệu của hạt nhân
153
Sm
Các tổng kết của Helmer [30] cho thấy các kết quả nghiên cứu thực nghiệm
chủ yếu trên hạt nhân này như sau:
4
Các nghiên cứu thực nghiệm sử dụng phổ kế tinh thể xác định được cường độ
và năng lượng từ 4÷7 tia gamma. Năng lượng của các tia gamma này hầu hết
đều nhỏ hơn 1050 keV. Các nghiên cứu thực nghiệm sử dụng đetectơ bán dẫn
Ge cho phép xác định năng lượng và cường độ của 31 mức có năng lượng
trong khoảng từ 223÷5867 keV. Các nghiên cứu của
Michael và cộng sự công
bố vào 1971 [30,49] sử dụng các đetectơ bán dẫn (Si(Li) và Ge) đã xác định
được 79 mức có năng lượng nhỏ hơn 1220 keV và 25 mức có năng lượng trên
4460 keV. Các nghiên cứu của Barchuk công bố vào 1982 [12] thu được 15
chuyển dời có năng lượng trên 3200 keV và 4 mức mới. Các đánh giá gần đây
nhất (CINDA-2006) về hạt nhân này bao gồm các tổng hợp về đo đạc thực
nghiệm và đánh giá lý thuyết cũng cho thấy không có những tiến bộ
đáng kể
về số liệu phân rã gamma nối tầng của hạt nhân này.
Về số liệu của hạt nhân
172
Yb
Các nghiên cứu được tiến hành trên các bia đồng vị có độ giàu từ 88÷98% và
chùm bức xạ nơtron trên kênh số 3 và phông ngày càng được cải thiệ
n nâng
cao. Đây là cơ sở để khẳng định các thí nghiệm nghiên cứu cấu trúc hạt nhân
theo phương pháp SACP tại Đà Lạt tiếp cận tới trình độ quốc tế. Hệ phổ kế
cộng biên độ các xung trùng phùng và một loạt các vấn đề liên quan như
chùm nơtron trên kênh số 3, hệ che chắn giảm phông, hệ thống chương trình
xử lý số liệu đã được hoàn thiện là kết quả đầu tư
của Bộ Khoa học và Công
nghệ, Viện NLNTVN, Đại học Quốc gia Hà Nội (ĐHQGHN) thông qua các
đề tài nghiên cứu, dự án tăng cường trang thiết bị trong 6 năm qua và công
sức trí tuệ của nhóm nghiên cứu. Cho đến thời điểm hiện nay thì chỉ có
LPƯHNĐL là cơ sở duy nhất ở Việt Nam có đủ điều kiện để triển khai các
thực nghiệm nghiên cứu phân rã gamma nối tầng trên chùm nơtron, nhờ các
lợi thế của chùm nơtron từ lò phản ứng và hệ đo vừa được xây dựng.
Các nội dung nghiên cứu của luận án:
1- Về kênh chiếu mẫu: Nghiên cứu và chọn giải pháp tối ưu để nâng cao tỷ
số cadmi của chùm nơtron trên kênh số 3 từ 200 lên khoảng 1000, thiết kế chế
6
tạo hệ thống giá đỡ, hệ thống dẫn dòng nơtron và che chắn giảm phông cho
phổ kế SACP.
2- Về hệ đo: Thiết kế, lắp đặt, hiệu chỉnh và thử nghiệm hệ đo trùng phùng
với một số cấu hình khác nhau trên kênh nơtron số 3 để xác lập các thông số
của hệ đo làm cơ sở cho các nghiên cứu thực nghiệm.
3- Về đối tượng nghiên cứu: S
ử dụng hệ đo SACP để thu thập số liệu phân
rã gamma nối tầng của các hạt nhân
153
Sm và
172
Sm sử dụng hệ phổ kế SACP trên LPƯHNĐL.
Ngoài ra còn có các phần tài liệu tham khảo và phụ lục.
7
ChươngI
TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
I. 1. Phương pháp nghiên cứu cấu trúc hạt nhân dựa trên phản ứng (n,γ)
Đã hơn 70 năm kể từ khi nơtron được tìm ra cũng như các thành phần cơ bản
của hạt nhân được xác định, song cho đến nay cấu trúc của hạt nhân vẫn còn
là bài toán cần được tiếp tục nghiên cứu. Các phương pháp nghiên cứu thực
nghiệm chủ yếu là dùng các chùm h
ạt có năng lượng khác nhau để đưa hạt
nhân lên trạng thái kích thích và nghiên cứu các tính chất của nó thông qua
các sản phẩm phản ứng. Nhờ tính chất không mang điện nên nơtron dễ gây
phản ứng hạt nhân. Tùy theo năng lượng của nơtron đến và loại hạt nhân bia
mà sản phẩm phản ứng có thể khác nhau. Trong đa số trường hợp, hạt nhân
kích thích sẽ phân rã gamma để về trạng thái cơ bản. Việc ghi đo b
ức xạ
gamma đưa lại nhiều thông tin về cấu trúc hạt nhân nhất trong các phương
pháp nghiên cứu. Các phản ứng (n,γ) được nghiên cứu khá phổ biến không chỉ
vì vấn đề cấu trúc hạt nhân mà còn vì tính ứng dụng của nó trong các lò phản
ứng hạt nhân, trong phân tích kích hoạt, trong nghiên cứu vật liệu,
Hình 1.1: Quá trình phản ứng của nơtron với hạt nhân.
Xác định năng lượng, cường độ của các tia gamma phát ra, ta có thể biết được
thông tin về các trạng thái kích thích như năng lượng, độ rộng mức, xác suất
8
tạo thành và phân rã về các mức thấp hơn. Các thông tin thực nghiệm là cơ sở
9
Việc sử dụng đetectơ bán dẫn trong hệ phổ kế gamma đơn tinh thể rất đơn
giản. Cấu hình chủ yếu của hệ đo được trình bày như trong hình 1.2:
Hình 1.2: Sơ đồ khối của phổ kế gamma bán dẫn đơn tinh thể.
Đetectơ bán dẫn được ghép nối với khuếch đại phổ. Tín hiệu ở lối ra của
đetectơ được khuếch đại phổ khuếch đại về biên độ và tạo dạng thích hợp cho
ADC phân tích biên độ đỉnh xung. Hệ thống ghép nối MCD sẽ thu nhận dữ
liệu sau khi ADC biến đổi xong và xếp vào ô nhớ. Số
lượng xung có cùng giá
trị biên độ tương ứng với số lượng giá trị năng lượng của lượng tử gamma mà
đetectơ hấp thụ được. Khi bức xạ gamma tương tác với đetectơ, phần năng
lượng mà đetectơ hấp thụ được lại tuỳ thuộc vào quá trình tương tác xảy ra.
Thường thì quá trình tương tác là một trong ba hiệu ứng tương tác dưới đây:
- Đetectơ h
ấp thụ hoàn toàn năng lượng của lượng tử gamma theo hiệu
ứng quang điện.
- Đetectơ hấp thụ chỉ được một phần năng lượng gamma theo hiệu ứng
compton - do góc tán xạ compton thay đổi trong dải rộng từ 0 tới 180
0
nên
phần năng lượng hấp thụ được cũng nằm trong dải rộng và không tạo thành
đỉnh (ở đây cũng có thể có tán xạ compton nhiều lần dẫn đến toàn bộ năng
lượng của lượng tử gamma hấp thụ hết và quá trình này cũng đóng góp vào
các đỉnh xuất hiện do hiệu ứng quang điện).
- Hiệu ứng tạo cặp xuất hiện khi năng lượng lượng t
ử gamma lớn hơn
1022 keV. Quá trình tương tác theo hiệu ứng tạo cặp sinh ra cặp electron -
pozitron. Bên trong đetectơ, quãng chạy của các hạt electron rất ngắn và năng
lượng của electron sẽ nhanh chóng bị hấp thụ. Còn pozitron sau khi chậm lại
xạ gamma đơn tinh thể, không thể sắp xếp sơ đồ mức kích thích do không biết
được thứ tự của các chuyển dời. Với các chuyển dời đo được trong phổ này
thì không thể xác định được đâu là chuyển dời sơ cấp, đâu là chuyển dời thứ
cấp, những chuyển dời nào thuộc v
ề cặp phân rã nối tầng Do vậy cũng
không thể đánh giá được những thông số như mật độ mức hạt nhân, hàm lực
của chuyển dời gamma Ngoài lý do về tỷ số diện tích đỉnh trên nền phông,
độ phức tạp của phổ thì lý do vừa nêu trên là quan trọng nhất để phát triển các
phương pháp nghiên cứu sử dụng đetectơ bán dẫn ghi bức xạ gamma.
I.1.2. Phổ kế gamma đối trùng giả
m phông compton
Phổ kế gamma đối trùng giảm phông có cấu tạo đơn giản như hình 1.4. Hệ
gồm 1 đetectơ chính, các đetectơ phụ bao quanh và các khối điện tử để điều
khiển quá trình ghi bức xạ gamma theo tín hiệu từ các đetectơ. Do các thông
tin thu được về đối tượng đo chủ yếu nằm ở các đỉnh hấp thụ quang điện nên
các hệ phổ kế đố
i trùng giảm phông compton được sử dụng khá nhiều.
Hình 1.4: Phổ kế đối trùng giảm phông compton [69].
Nguyên tắc hoạt động của hệ đo phức hợp như hình 1.4 là các lượng tử
gamma tán xạ compton đi ra khỏi đetectơ chính sẽ được các đetectơ phụ bao
12
quanh ghi nhận. Xung điện từ các đetectơ bao quanh sẽ khoá không cho phép
ghi nhận xung từ đetectơ chính trong một khoảng thời gian nào đó tuỳ thuộc
vào độ phân giải thời gian của hệ. Nếu từ các đetectơ xung quanh không có
xung ra thì xung từ đetectơ chính sẽ được ghi (được coi là tương ứng với sự
hấp thụ hoàn toàn). Để nâng cao khả năng giảm phông trong phổ cần chú ý
đến hai vấn đề quan trọ
ng sau:
trị cao áp làm việc được lựa chọn của đetectơ). 13
I.1.3. Phổ kế compton
Tán xạ compton cũng có thể được sử dụng theo một cách khác để đo năng
lượng bức xạ của tia gamma. Khi bức xạ gamma tới có năng lượng là hν
0
tương tác với electron theo hiệu ứng tán xạ compton, năng lượng của electron
giật lùi (đetectơ hấp thụ được phần năng lượng này) tương ứng với lượng tử
gamma tán xạ bay ra với góc θ cố định được xác định như sau:
;MeV
)cos1(1
1
1hE
0
0
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
θ−α+
−ν=
β
với α
0
=
Hình 1.6: Phổ đo với phổ kế đơn tinh thể (a, b) và phổ đo với phổ kế
compton (c, d) của Cs
137
và Mn
54
.
Từ sơ đồ hình 1.5 ta thấy các lượng tử gamma tán xạ rơi vào đetectơ điều
khiển không chỉ với góc θ mà là θ ± ∆θ. Vì vậy sẽ xuất hiện thăng giáng trong
15
phổ năng lượng của electron giật lùi và do vậy có sai số bổ sung khi xác định
năng lượng của lượng tử gamma ban đầu.
Để giảm thăng giáng khi xác định năng lượng electron giật lùi cần giảm góc
đặc ∆θ, còn để tăng hiệu suất ghi thì phải tăng góc đặc này. Để giảm sai số
xác định năng lượng của electron giật lùi, các tác giả trong [4] đã đặt đetectơ
điều khiể
n ở góc lớn hơn 150
0
.
I.1.4. Phổ kế tạo cặp
Trong một số trường hợp ghi nhận các bức xạ gamma năng lượng lớn, có thể
sử dụng phổ kế kế tạo cặp để nâng cao hiệu suất ghi và giảm bớt nền phông.
Quá trình vật lý xảy ra trong đetectơ ghi nhận như sau: Hiện tượng tạo cặp
electron - pôzitron xảy ra trong đetectơ ghi nhận. Do mật độ chất tạo nên
đetectơ
cao nên sau khi mất năng lượng, pôzitron sẽ nhanh chóng bị hủy cặp
và tạo nên hai lượng tử gamma 511 keV bay ngược chiều nhau. Nếu đặt các
cặp đetectơ ngược nhau 180
0
(thời gian phát sáng của đetectơ nhấp nháy NaI(Tl) vào khoảng 0,25 µs) đặt
quanh đetectơ ghi nhận chính.
Ở nước ta, các phổ kế triệt compton và phổ kế compton đều đã được thử
nghiệm nghiệm tại LPƯHĐL và ở Đại học Khoa học tự nhiên (ĐHKHTN)
thuộc Đại Học qu
ốc gia Hà Nội. Trong khuôn khổ đề tài KC08 [7], hệ phổ kế
cộng biên độ các xung trùng phùng cũng đã được thử nghiệm và cho một số
kết quả khẳng định định hướng nghiên cứu.
I.2. Phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng
Sự khó khăn trong nghiên cứu các trạng thái kích thích trung gian với các hệ
phổ kế đã có là tiền đề cho việc xuất hiện phương pháp SACP. Về thực chất,
phương pháp cộng biên độ
các xung trùng phùng là phương pháp trùng phùng
γ-γ kết hợp với việc lưu trữ và xử lý số liệu trên máy tính. Các nghiên cứu
phân tích quá trình hoạt động và cấu trúc hệ đo SACP sử dụng đetectơ nhấp
nháy, hệ cộng tương tự đã được bàn luận kỹ lưỡng trong [4]. Phương pháp đã
được một số cán bộ khoa học của Viện Liên hợp Nghiên cứu Hạt nhân
(LHNCHN) Đubna - Cộng Hoà Liên Bang Nga phát triển sang một hình thứ
c
mới mà khả năng ứng dụng để nghiên cứu cấu trúc hạt nhân vùng năng lượng
dưới năng lượng liên kết của nơtron với hạt nhân (B
n
) thay đổi một cách cơ
bản.
17
I.2.1. Phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng
I.2.1.1. Bản chất phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng
Phương pháp SACP cho phép nghiên cứu thực nghiệm trực tiếp các trạng thái
trung gian để tách ra các dịch chuyển nối tầng hai gamma giữa trạng thái hợp
i
- E
f
được xác định chỉ bởi
các năng lượng E
i
và E
f
của mức phân rã (i) và mức tạo thành sau dịch chuyển
nối tầng hai gamma (f); nó không phụ thuộc vào năng lượng của trạng thái
kích thích trung gian. Khi đó, các trường hợp dịch chuyển nối tầng mà xảy ra
sự hấp thụ đồng thời toàn bộ năng lượng hai tia gamma ở cả hai đetectơ sẽ
dẫn đến xuất hiện các đỉnh trong phổ tổng biên độ các xung trùng phùng. Sự
18
hấp thụ không hoàn toàn năng lượng dù là của một trong các lượng tử gamma
sẽ đóng góp vào phổ biên độ ở miền năng lượng thấp hơn đỉnh tổng và có
phân bố liên tục. Vì vậy, ta có thể dễ dàng tách ra từ tập hợp các trùng phùng
γ-γ chỉ những trường hợp mà toàn bộ năng lượng của dịch chuyển nối tầng bị
hấp thụ hoàn toàn trong hai đetectơ. Mặc dù xác su
ất trùng phùng và cường
độ bức xạ của những trường hợp trùng phùng như vậy là nhỏ (thường chỉ xảy
ra không lớn hơn 10 sự kiện trong 10
4
phân rã), nhưng khả năng loại trừ
phông liên quan với sự hấp thụ không hoàn toàn năng lượng bức xạ gamma
đã đảm bảo cho phương pháp SACP thu được nhiều thông tin hơn phương
pháp thông thường.
Điểm mới nữa về nguyên tắc trong sử dụng phương pháp SACP là ở chỗ các
đetectơ bán dẫn có độ phân giải tốt và hiệu suất ghi lớn đã được sử dụng để
Năm 1958, Hoogenboom đã đưa ra những phác thảo đầu tiên về phổ kế c
ộng
biên độ các xung trùng phùng sử dụng các đetectơ nhấp nháy [32,33]. Hệ
cộng biên độ xung từ hai đetectơ được thực hiện bằng khối điện tử cộng
tương tự còn thiết bị phân tích biên độ là các ADC 256 kênh.
Từ năm 1981, tại Viện LHNCHN Đubna đã đưa ra vấn đề ghi nhận, lưu trữ và
xử lý số [73,74,75] trên máy tính các thông tin thu được từ hệ đo cộng biên độ
các xung trùng phùng. Phươ
ng pháp này khác xa những nguyên tắc ban đầu
do Hoogenboom đưa ra. Nó cho phép tiết kiệm thời gian thực hiện một
nghiên cứu nhiều lần, độ chính xác cao hơn, loại trừ được ảnh hưởng chênh
lệch về thời điểm xuất hiện các xung từ đetectơ tương ứng với một cặp
chuyển dời nối tầng, khai thác và xử lý thông tin thuận lợi hơn hẳn. Phương
pháp do Viện LHNCHN Đubna đư
a ra có cấu hình giống như hệ phổ kế trùng
phùng nhanh chậm hiện đại có lưu trữ và cộng bằng số như hình 1.7. Trên sơ
đồ đã lược bỏ các khối dây trễ tập trung cỡ µs trước các khối khoá tuyến tính
và các dây trễ cỡ ns trước khối trùng phùng nhanh.
20
Hình 1.7: Hệ đo trùng phùng nhanh chậm.
Nguyên tắc hoạt động của hệ như sau: Các lượng tử gamma của một phân rã
nối tầng sẽ tạo nên hai xung điện xuất hiện đồng thời ở các lối ra của đetectơ.
Các xung ở lối ra T của hai đetectơ qua các khối khuếch đại nhanh, phân biệt
ngưỡng nhanh và đến khối trùng phùng nhanh. Khối trùng phùng nhanh sẽ
cho ra 1 xung điện khi hai lối vào có xung xuất hiệ
n trong khoảng thời gian
∆T được lựa chọn trước. Các xung ở lối ra E sẽ được khuếch đại bằng khuếch
đại phổ. Các khối SCA cho ra xung nếu biên độ xung ở lối vào nằm trong dải
I.2.2. Xu hướng phát triển của các hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng
phùng
Nhờ sự phát triển của công nghệ điện tử và kỹ thuật xử lý tín hiệu số, các hệ
phổ kế hiện đại có xu hướng sử dụng nhiều đetectơ để tăng lượng thông tin
thực nghiệm từ một phép đo. Sơ đồ nguyên lý chung của các hệ đo như vậy có
d
ạng minh họa như trên hình 1.9.
Det 2
DSP1 A1,t1
A2,t2
Det 1
G
I
A
O
D
I
E
N
Phổ
trùng
phùng
theo
các
∆
T
DSPn An,tn Det n
DSP… A…,t…Det …
Det: Các đetectơ,
các vi mạch có tốc độ xử lý cao và thường phải tự thiết kế do không có nhà
cung ứng sẵn. Số liệu thu được trong một phép đo có dung lượng lớn hơn
nhiều lần và đòi hỏi các phần mềm công cụ xử lý phức tạp hơn.
I.3. Sự phát triển của lý thuy
ết mật độ mức hạt nhân
I.3.1. Mật độ mức
Mật độ mức hạt nhân là một đặc trưng rất quan trọng của hạt nhân nguyên tử.
Mật độ mức hạt nhân cho phép đánh giá tiết diện của các phản ứng hạt nhân,
đây là một đại lượng quan trọng trong nghiên cứu vũ trụ và ứng dụng trong
khoa học công nghệ hạt nhân. Trong lĩnh vực nghiên cứu vũ trụ
, nó cho phép
ta đánh giá được tốc độ phản ứng trong các ngôi sao, quá trình tạo thành các
nguyên tố trên trái đất, vũ trụ Trong công nghệ hạt nhân, nó được ứng dụng
trong tính toán tiết diện phản ứng phục vụ việc xây dựng các nhà máy điện
hạt nhân, phân tích và tính toán an toàn, Mặc dù mật độ mức có một vai trò
và ý nghĩa rất quan trọng song trong thực tế việc xác định mật độ mức vẫn
còn là vấn đề hết sức khó kh
ăn để có được kết quả có chất lượng. Hiện nay
việc nghiên cứu về mật độ mức chủ yếu có giá trị trong vùng từ 8÷20 MeV từ
phân tích các cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ dựa trên quang phản ứng và số
liệu từ hệ phổ kế thời gian bay của nơtron [6,48]. Các vùng còn lại từ
3÷8 MeV và trên 20 MeV còn rất thiếu thông tin thực nghiệm. Việc mô tả
mật
độ mức trong các vùng năng lượng này chủ yếu vẫn dựa vào các mẫu lý
24
thuyết. Vấn đề nghiên cứu mật độ mức có tầm quan trọng và được đặt ra từ
rất lâu nhưng cho đến nay kết quả thu được vẫn còn nhiều hạn chế và vẫn còn
tiếp tục được giới nghiên cứu quan tâm. Dưới đây là tổng quan tình hình về
một số mẫu lý thuyết được sử dụng để mô tả mật độ mức trong vùng năng