ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TựNHIÊN
NGHIÊN CỨU MỘT s ố PHẢN ỨNG
QUANG HẠT NHÂN (y,n), (y,xn), (y,p+n)
TRÊN MÁY GIA Tốc VÀ TRÊN LÒ PHẨN ỨNG HẠT NHẢN
MÃ SỐ: QG.04.02
CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI:
TS. NGUYỄN TRUNG TÍNH
: PĩV 5J±
HẢ NỘI - 2005
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TựNHIÊN
NGHIÊN CỨU MỘT s ố PHẢN ỨNG
QUANG HẠT NHÂN (y,n), (y,xn), (y,p+n)
TRÊN MÁY GIA T ố c VÀ TRÊN LÒ PHÀN ÚNG HẠT NHÂN
MÃ SỐ: QG.04.02
CHỦ TRÌ ĐÊ TÀI:
TS. NGUYỄN TRUNG TÍNH
CÁC CÁN BỘ THAM GIA ĐỂ TÀI:
PGS.TS. NGUYỄN TRIỆU TÚ
PGS.TS. TRUỒNG BIÊN
PGS.TS. NGUYỄN VÃN Đỗ
TS. TRUƠNG THỊ ÂN
THS. NGUYỄN THẾ NGHĨA
THS. PHẠM ĐÚC KHUÊ
HVCH. ĐOÀN THANH SƠN
HVCH. LÊ XUÂN CHUNG
KS. TRẦN THANH TÂN
CN. NGUYỄN THỊ CHANH
CN. ĐỖ ĐÚC CHÍ
HÀ NỘI - 2005

Tinh hình kinh phí của đề tài:
Đã sứ dụng hết.
KHOA QUẢN LÝ
CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI
TS. Nguyễn Thế Bình
Ju
VW
TS. Nguyễn Trung Tính
Cơ QUAN CHÚ TRÌ ĐỀ TÀI
Title:
Studies o f photonuclear reactions using accelerator and reactor
Code: QG.04.02
Coodinators:
Dr. Nguy en Trung Tinh
Key implementors:
Pro/.Dr. Nguyên Trieu Tu
Pro/.Dr. Truông Bien
Pro/.Dr. Nguyên Van Đo
Dr. Truông Thi An
M.5. Nguyên The Nghia
M .s. Pham Đuc Khue
Graduate Student: Đoan Thanh son
Graduate Student: Le Xuan Chung
B.A. Tran Thanh Tan
B A . Nguyên Thi Chanh
B.A. Đo Đuc Chi
Aim and content of research
Studying photonuclear reaction, such as isomeric reaction cross
section ratio, reaction cross section by using accelercitor and reactor
Results:

2.5. Xác định tiết diện phản ứng quang hạt nhân với hạt nhân
bia Al27
22
Kết luận 27
Tài liệu tham khảo
28
MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẨU
Mặc dù số liệu về phản ứng hạt nhân nói chung; tỷ số isomer, tiết
diện tích phân của các phản ứng hạt nhân nói riêng đã được nghiên cứu
từ lâu. Vấn đề này ngày nay các cơ sở nghiên cứu hạt nhân hiện đại trên
thế giới vẫn đang tiếp tục nghiên cứu, bởi vì các số liệu mới ngoài việc
dùng so sánh đối chiếu với các số liệu trước đây, còn được dùng đê
nghiên cứu các cơ chế của phản ứng. Các cơ chế của phản ứng hạt nhân
mặc dù đã được nhiều tác giả đề xuất, nhưng chưa có cơ chế nào được
xem là đúng hoàn toàn. Trong mổi một quốc gia, nhất là các quốc gia
có lò phản ứng hạt nhân như nước ta (Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt)
việc nghiên cứu các phản ứng hạt nhân càng có ý nghĩa khổng chỉ dừng
lại ở số liệu hạt nhân, không chỉ đê nghiên cứu cơ chế của phán ứng mà
còn dùng trong nghiên cứu đề xuất các nguyên vật liệu xây dựng lò sao
cho đảm bảo độ an toàn, sự bền vững của lò và phòng trách các sự cố có
thể xảy ra. ơ mỗi nước có ngành công nghệ hạt nhân, sô liệu hạt nhân
không chỉ dựa vào nước ngoài mà còn cần các số liệu của chính quốc
gia đó. Ở nước ta, lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt công suất 500kW dang
hoạt động và tới đây có kế hoạch nâng cấp thành lò phản ứng có công
suất 10MW. Do vậy việc nghiên cứu tiết diện các phán ứng hạt nhân
càng cần thiết. Dự án tiền khả thi cho việc xây dựng Nhà máy điện
Nguyên tử ở nước ta đã được Chính phủ phê duyệt. Trong tương lai
không xa, chúng ta sẽ có nhà máy điện hạt nhân. Đê chuẩn bị cho sự ra

1.1.2. Định nghĩa tý sỏ isonier
Như ta đã biết sau phán ứng hạt nhân, một phần ớ trạng thái đồng
phân (m), còn một phần ở trạng thái cơ bán (g). Số hạt nhân ớ trạng thái
đồng phân và trạng thái cơ bán phụ thuộc vào nhiều yếu tố thực nghiệm
như : hình học chiếu, bia, thông lượng chùm hạt tứi. Tuy nhiên, tv số cúu
các đại lượng này ( tỷ số của số hạt nhân ớ trạng thái đồng phán và số hạt
7
nhân ở trạng thái cơ bản ) lại hoàn toàn không thay đổi đối với từng hạt
nhân. Tỷ số này được gọi là tỷ sô đồng phân( isomer).
Trong trường hợp mẫu được kích hoạt bởi một nguồn đơn năng . Tỷ
số isomer là tỷ số tiết diện phản ứng isomer, nó được định nghĩa như sau:
Với G m (E)và G g (E) là tiết diện của phản ứng ờ trạng thái isomer và
ở trạng thái cơ bản
E là năng lượng của hạt tới
Ngoài ra do Spin của hạt nhân ở trạng thái cơ bản và trạng thái
isomer là khác nhau. Do vậy, tỷ số isomer được xác định là tỷ số của trạng
thái có spin cao và spin thấp :
R=
ơh(E)
Ơ,(E)
Mặt khác, trong các phcp đo thực nghiệm thay vì xác định tiết diện
phản ứng ngưòi ta có thể dễ dàng xác định suất lượng của phán ứng hạt
nhân tạo thành ở các trạng thái đồng phân và các trạng thái cơ bản . Vì vạy
tỷ số đồng phân còn có thể được xác định bằng tỷ số:
Trong đó Ym và Yơ là suất lượng của trạng thái đồng phân và trạng
thái cơ bản
Suất lượng của phán ứng được xác định :
Y^N.ệ.ơ,
Trong đó i=m, g
N, : số hạt nhan bia

qua ba giai đoạn như sau:
1. Tạo hạt nhân hợp phán: trước hết hạt nhan phản ứng bay vào hạt
nhân bia và tạo nên hạt nhân hợp phấn được dặc trưng bởi năng lượng kích
thích Ehpvà spin Jhp
2. Sự bay hơi của một vài nucleon ớ trạng thái hợp phần: tiếp theo sự
bay hơi bởi hạt nhân họp phần . năng lirợne hạt nhân nhận dược tron í! quá
trình phán ứng xảy ra có thế dược phân bô lại giữa các nucleon. Khi mót
hạt nào đó nhận được một năng lượng đủ lớn (lớn hơn năng lượng liên kết
)nó sẽ bứt khỏi hạt nhân hợp phần.
3. Chuyển dời liên tiếp các trạng thái: sau khi kết thúc quá trình bay
hơi sẽ tạo thành hạt nhân mới. Các hạt nhân ở trạng thái với năng lượng và
phân bố spin xác định. Do đó ở trạng thái kích thích (có thời gian tồn tại rất
ngắn ) hạt nhân bắt đầu phát liên tiếp các gamina nối tầng với số lượng tử
gamma trung bình Ny và hạt nhân chuyển về trạng thái kích thích nhỏ hơn.
Tại đây hạt nhân sẽ phát tiếp lượng tử Y để trở về trạng thái đồng phân
(trạng thái có spin cao) hoặc trạng thái cơ bản (trạng thái có spin thấp).
Như vậy, tỷ số đồng phân R có thể được coi như là tỷ số xác xuất
tạo thành hai trạng thái nói trên
Hệ các nucleon tạo nên hạt nhân hợp phán được xem xét bằng
phưong phấp thống kê và nhiệt động học. ở mẫu này mật độ mức của hạt
nhân được biểu diễn như sau:
exp[-(J +1 / 2)2 / 2<r: ]
Trong đó :
U: Năng lượng kích thích.
J: Mômen góc (spin)
W(U): Hàm số khác nhau ứng với hai phương thức trên
g: thông sô phân bố của spin hay là spin ngưỡng (Spin cut off
parameter viết tắt SCOP) được xác định:
ơ~ = —y đối với khí Fermi bình thường
h

./,-1 2
i-JẨ
Trong đó spin của nucleon bằng 1/2
T|(En) là hệ sô truyền qua dối với momen quỹ đạo 1 và dộng nâng
E„.Nãng lương bay hơi E„ dược thay bang giá trị trung bình với giả thiết :
Với t được tính toán theo biếu thức
Với Ư là năng lượng kích thích và t là nhiệt độ nhiệt động hoc.
Ớ đày năng lượng kích thích E, và E, có ý nghĩa với các hạt nhàn
khác nhau sao cho
7
Eị - Ef + B + En
Trong đó B là năng lượng liên kết cua nucleon trong hạt nhân đáu
tiên(i). Cuối cùng sẽ tạo nên hạt nhân A-x nucleon(x: số nucleon bị bay
hơi) với phổ năng luợng kích thích nhất định và phân bố theo inomeiì góc
h
3. Sau khi nhận được hạt nhân cuối cùng A-x ở trạng thái kích thích
với năng lượng xác định và sự phân bỏ Spin xác định thì bắt đầu qúa trình
chuyển từ trạng thái kích thích xuống trạng thái cơ bản qua những Y nối
tầng . Khi tính các Y nối tầng đầu tiên người ta dùng cái gọi là “ tập thê các
lượng tử gamma phát ra”, đó là sô lượng tử gamma trung bình Ny . Xác
suất đê tạo nên trạng thái với Spin Jị qua các Ỵ nối tầng là:
pụ f) = X pụ> )pụ<) P{JÍ) = z p(J< }p(Jf )
Việc lấy tổng được thực hiện theo tất cả những trạng thái ban đầu có
thể với Spin tương ứng Jj. Trên hình 4 là sự phân bố Spin sau phản ứng.
Sau khi phát ra N Y lượng tử gamma đến thời điểm hạt nhân sẽ phát
ra một lượng tử gamma quyết định để tạo ra trạng thái isomer hay trạng
thái cơ bản. Lượng tử gamma này có thể có tính đa bội bất kỳ. Trạng thái
Spin cao (h.s) hay trạng thái Spin thấp (l.s) được tạo thành, điều đó phụ
thuộc vào tỷ số giữa Spin của mức trước và mức cuối cùng, mà từ đó phát
ra lượng tử gamma quyết định và tâm các Spin( center of Spin-COS)

Hình 1. Quãng cắt của gamma nối táng
Nếu năng lượng đạt được trong gamma nối tầng là nhỏ hơn d thì sẽ
phất ra đ - y - ray. Nếu nãnc lượng đạt được nằm trong khoáng! d,U| thì tia
d - Ỵ - ray sẽ phát ra với xác suất là xấc suất bước chuyến mới trone
gamma nối tầng sau đó mới phát ra tia gamma (1.
Trong các tài liệu có 3 giá thiết sau đối với u và cỉ
a.
U=2MeV, d=l MeV
b. ư=2,5 MeV, d=l,5 MeV
c. u=l,5 MeV, d=ơ,75 MeV.
Gứa thiết a cùng với công thức phù hợp với số liệu về sô trung bình
các lượng tử gamma phat ra , sau khi bắt notron (n,y) phàn ứng
ngược. Vì vậy giả thiêt a có thể tiếp nhận được khi xem xét các phân
ứng quang hạt nhân .
1.1.4. Xác định tỷ sỏ isomer bằng phương pháp kích hoạt.
Vì được kích hoạt và đo trong cùng một điều kiện, nên tỷ số đồng
phân cũng chính là tỷ số hoạt dộ phóng xạ của hai trạng thái này. Hơn nữa
hoạt độ phóng xạ được tính toán từ thực nghiệm thồng qua số liệu phổ ghi
nhận được, cụ thể là thông qua cường độ của bức xạ đặc trưng. Như vậy , tý
số đồng phân được xác định qua việc tính toán tỷ sô diện tích của các đinh
phổ của bức xạ đặc tnrng trong phổ ghi nhận được.
Trong phản úng (y,n) tạo ra các đổng phân hạt nhân. Chùm pho ton
với năng lượng đã biết được chiếu vào mẫu, tạo ra các hạt nhân phóng xạ ở
trạng thái đồng phân hoặc cơ bản. Do là hạt nhân phóng xạ, các hạt nhân
này ngay sau khi tạo thành sẽ phân rã phóng xạ theo định luật phân rã
phóng xạ.
1 .Biểu thức tính tỷ số isomer
Gứa sử phản ứng hạt nhân được mô tả theo sơ đồ:
(1) m.s
Hình 2. Sơ đồ phân rã của sản phẩm phản ứng

Trong phản ứng quang hạt nhân, với năng lượng liên tục tỷ số đồng
phân được tính như sau:
£ n , «
\ộ(Ey).ơJE,)dE;
]ệ(Ef )ơs(Ey)dE,
Emax: là nãng lượng cực đại của chùm gamma kích hoạt.
1.2. TÍNH TOÁN TIẾT DIỆN CÚA MỘT số PHẢN ỨNG
QUANG HẠT NHÂN BANG PHƯƠNG PHÁP
EVALUATION
Tiết diện tích phân của phản ứng dược định nghĩa như sau:
£ l i u \
,(r,iot)= ịơ(ỵ,tot)dEy
trong đó Ellg(y,n) - Nàng lượng ngưỡng cùa phán ứng quang hạt nhân
Eymax - năng lưọng cực đại của phổ bức xạ gamma
ơ(y,tot) = ơ(y,ln) + ơ(y,2n) +
ơ(ỵ,1ii) = ơ(y,n) +ơ(y.pn)+
ơ(y,2n) = ơ(y,2n) + ơ(y.2np) +
Nghiên cứu tiết diện mỗi phản ứng bằng đo dạc thực nghiệm cũng như
tính toán lý llniyết với việc sử dụng các mẫu hạt nhân khúc nhau cho
chúng ta các thông tin quan trọng vồ cơ chế phản ứng hạt nhân, cấu trúc
hạt nhân, cũng như CO' chê hình thành các sán phẩm phán ứng. Tuy
nhiên việc xác định tiết diện các phan ứng với năng lượng của hạt tói
khác nhau từ nhỏ tới lớn là điều không thế thực hiện dược háng thực
rHiiệm. Phương pháp Evaluatioii đã giúp giai tịưyết khó khăn này.
Phương pháp dựa trên các mỏ hình lý thuết về cấu trúc hạt nhitn và phan
1
ứng hạt nhân kết hợp với các sô liệu thực nghiệm tính toán tiết diện các
kênh phản ứng theo năng lượng của hạt tới khác nhau.
1
CHƯƠNG II

£(E) =
»■=]
Từ các số liệu đo được và từ phép làm khớp ta nhận được các hệ số
ar Từ đó xác định được hàm chuẩn hiệu suất ghi của detector .
Thực nghiệm xác định chuẩn hiệu suât ghi:
Ngày thực hiện: 8/10/2003
Trong thực nghiệm này chúng tôi dùng các nguồn gam ma cluián
với các năng lượng khác nhau như Eu152, Cs137, và Am241. Các nguồn chuẩn
có hình dạng đĩa nhỏ dẹt có bán kính cớ lcm được cung cấp bởi Cơ quan
Nguyên tử năng Quốc tế(IAEA) có các thông số kỹ thuật như sau:
Nguồn Eu152:
Chu kỳ bán rã: 12,7 năm
Ngày sản xuất: 1/8/2002
Hoạt độ ban đầu: 3672,62 Bq
Thời gian đo: 1200 giây
Nguồn Am241:
Chu kỳ bán rã: 433 năm
Ngày sản xuất: 15/7/2002
Hoạt độ ban đáu: 3759,2 Bq
Thời gian đo: 600 giây
Nguồn Cs157:
Chu kỳ bán ra: 30,1 năm
Ngày sản xuất: 1/12/1994
Hoạt độ ban đầu: 36445 Bq
Thời gian đo: 300 giây
Bảng 1. Số liệu chuẩn hiệu suất ghi
Stt Năng lượng
(KeV)
ụ% )
Số đếm

2,8832
874 0,7284
99,3438
0,0073
6 778,91 12,7183 2152
1,7933 438,2230
0,0041
7
867,39
4,0963
634
0,5283 141,1425
0,0037
8 964,05 14,3344 2147
1,7892
493,9075
0,0036
9
1085,81 10,0966
1359
1,1325
347,8895
0,0033
10
1112,08
13,4042 1832
1,5267
461,8565 0,0033
11
1408,08

0.015
0.0125
0 . 01'
0.0075 # #
0.005
0.0025 •
200 400 600 600 1000 1200 14CC
Hình 4. Đồ thị hàm chuẩn hiệu suất ghi
2.2. Hệ chiếu mảu
Như chúng ta đẫ biết đổ tiến hành nghiên cứu một phan íme hạt nhân
nhất thiết phái đảm bào ba yếu tố : nguồn chiếu để tạo ra phân ứng hạt
nhân, mẫu nghiên cứu(hạt nhân bia) và cuối cùng là hệ do dế ghi nhận các
thông số của hạt nhan sản pháam bao gồm các detector di kcm với các thiét
bị phân tích sô liệu
Ĩ S t / X r
Mẫu thực nghiệm TiO:, Au dùng để xác định tỷ số đồng phân được
chiêu tại trung tâm máy gia tốc Pohang-Hàn Quốc.
Chùm tia bức xạ e' có năng lượng 65 MeV được tạo ra từ máy gia
tốc tại trung tâm máy gia tốc Pohang-Hàn Quốc được chiếu vào bia w tạo
ra chùm bức xạ hãm với năng lượng cực đại 65 MeV. Chùm tia tạo thành
được dùng để chiếu vào mẫu cần nghiên cứu.
Sơ đồ hệ chiếu như sau:
w target
Mẫu
Hình 5. Sơ đồ thực nghiệm hệ chiếu
2.3. Chuẩn bị mẫu chiếu
Mẫu được sử dụng trong nghiên cứu là:
- vàng lá 99,99%
- bột Ti02 siêu tinh khiết có thành phán các tạp chất được phân tích
trên máy ICP-MS cho trong bang 2.

9
Mn
0.004
10
Co
0.02
11
Cu
0.03
12
Zn
0.22
13 Fe
1.45
14
Nb
0.03
15
Zr 0.20
16 Pb 0.04
17
Cr
0.12
!
Mẫu được chiếu bởi chùm bức xạ hãm 65 McVđế tạo các
phản ứng 46Ti(y,pn)44Sc, |t>7Au(Y,n)Aulw\ Sau đó được ghi nhận bới hệ phố
kế bán dẫn siêu tinh khiết HPGe. Việc xác định tỷ số isomer của phán ứng,
tiết diện tích phân được xác định thôim qua các phổ đặc trưng của chúng.
Hình 6. Sơ dồ hệ phân tích phổ camma
1 (\

13X7 ± 120
2
S c 44m
120
1263
20
271
19630 ±187
Hình 7. Phổ bức xạ gamma cua mẫu kích hoạt TiO: