ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------------

Trần Thế Anh

BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 10B(p,α) TRÊN MÁY GIA TỐC
5SDH-2 TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội - 2013


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------------------------------

Trần Thế Anh

BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 10B(p,α) TRÊN MÁY GIA TỐC
5SDH-2 TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao
Mã số: 60 44 05

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. LÊ HỒNG KHIÊM

Hà Nội - 2013

3.2. Xác định suất lượng của phản ứng…………………………………....37
3.3. Ghi nhận và phân tích phổ của các mẫu sau khi chiếu…………… .41
3.4 Một số hiệu chỉnh để nâng cao độ chính xác…………………………50
Kết luận…………………………………………………………………………..53
Tài liệu tham khảo……………………………………………………………….54


Danh mục các hình vẽ, bảng biểu:
Hình 1.1 Mối liên hệ giữa Tb và Ta trong phản ứng 3H(p,n)3He
Hình 1.2 Thế năng tương tác
Hình 1.3 Minh họa hố thế đối với hạt tới trong phản ứng hạt nhân xảy ra với sóng s
Hình 1.4 Đỉnh Gamow
Hình 2.1. Sơ đồ khối máy gia tốc 5SDH-2
Hình 2.2. Hình ảnh thực tế máy gia tốc 5SHD-2
Hình 2.3 Sơ đồ buồng phân tích trên hệ máy gia tốc 5SHD-2
Hình 2.4 Hình ảnh thực tế buồng phân tích trên hệ máy gia tốc 5SHD-2
Hình 2.5 Hình ảnh detector bán dẫn siêu tinh khiết model BEGe 5030 với buồng
phông thấp và hệ điện tử tại phòng thí nghiệm Bộ môn Vật lý Hạt nhân, trường ĐH
KHTN
Hình 2.6. Đặc trưng đường chuẩn năng lượng và đường cong độ phân giải phụ
thuộc vào năng lượng của hệ phổ kế gamma model BEGe 5030
Hình 2.7. Đường cong hiệu suất ghi của hệ phổ kế model BEGe 5030 với các
khoảng cách khác nhau
Hình 2.8. Đường chuẩn năng lượng của detector nhấp nháy NaI đặt tại buồng phân
tích của hệ máy gia tốc 5SDH-2
Hình 2.9. Đường đặt trưng hiệu suất ghi detector nhấp nháy NaI đặt tại buồng phân
tích của hệ máy gia tốc 5SHD-2 tại khoảng cách 5 cm từ nguồn
Hình 3.1. Sơ đồ mức năng lượng của các hạt nhân trong phản ứng 10B(p,α)7Be
Hình 3.2. Mô phỏng chùm tia đi xuyên vào trong mẫu để xác định độ xuyên sâu
Hình 3.3. Sơ đồ mô tả quá trình phần rã của các hạt nhân phóng xạ trong mẫu

nghành thiên văn học cần có sự giúp đỡ của nhiều nghành khoa học khác trong đó
vật lý hạt nhân đóng vai trò vô cùng quan trọng [18].
Mục tiêu chính của thiên văn học hạt nhân là tìm hiểu cơ chế tạo thành năng
lượng và các nguyên tố trong các sao cũng như làm sáng tỏ quá trình biến đổi của
các sao. Phản ứng hạt nhân đóng vai trò chính trong các quá trình này. Với các ngôi
sao đang trong giai đoạn ổn định (mặt trời chẳng hạn) thì tốc độ xảy ra phản ứng hạt
nhân chậm hơn nhiều so với tốc độ phân rã trung bình của các nhân phóng xạ tạo
thành trong phản ứng hạt nhân. Do đó các nhân phóng xạ tạo thành có đủ thời gian
để kịp phân rã tiếp trước khi chúng kịp tham gia vào phản ứng hạt nhân tiếp theo.
Hệ quả là với những sao đang trong giai đoạn ổn định thì phản ứng hạt nhân xảy ra
giữa các đồng vị bền đóng vai trò quan trọng.
Kịch bản này sẽ khác đối với các ngôi sao đang ở trong giai đoạn biến động
mạnh. Với những ngôi sao đang ở trong giai đoạn này, khoảng thời gian trung bình
giữa các phản ứng hạt nhân ngắn hơn nhiều so với thời gian phân rã trung bình của
các nhân phóng xạ được tạo thành trong phản ứng hạt nhân. Do vậy, những hạt
nhân phóng xạ này không kịp phân rã trước khi chúng tham gia vào phản ứng hạt
nhân mới. Hệ quả là phản ứng hạt nhân trên các sao đang trong thời kỳ biến động
mạnh sẽ chủ yếu là phản ứng giữa các hạt nhân phóng xạ hoặc ít nhất một trong số
hai hạt nhân tham gia vào phản ứng là hạt nhân phóng xạ. Hạt nhân thứ hai thường
là các hạt nhẹ như proton hoặc alpha. Khi đó cơ chế của phản ứng xảy ra giữa các
hạt nhân phóng xạ đóng vai trò vô cùng quan trọng. Để hiểu được cơ chế tạo năng
lượng và các nguyên tố trên các ngôi sao, cần hiểu được cơ chế phản ứng hạt nhân
xảy ra giữa các nhân phóng xạ và đo được tiết diện của các phản ứng hạt nhân này.
Nghiên cứu phản ứng hạt nhân cần cho thiên văn học là lĩnh vực rất khó về phương

Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao

1




Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao

2


Luận văn tốt nghiệp

ngôi sao. Gần đây, người ta đang đẩy mạnh nghiên cứu độ phổ biến của các nguyên
tố này trong các ngôi sao. Các phản ứng hạt nhân (α,p) xảy ra tại năng lượng nằm
trong cửa sổ Gamow là các phản ứng chính làm giảm độ phổ biến của các đồng vị
này trong các sao. Vì vậy để hiểu được sự hình thành và biến đổi của các sao, cần
phải đo được tiết diện của các phản ứng này.
Trong số các phản ứng hạt nhân gây ra biến đổi độ phổ biến của các đồng vị
trên thì phản ứng hạt nhân 7Be(α,p)10B được xem là một trong những phản ứng
quan trọng trong chu trình pp và một số chu trình tiếp theo. Phản ứng này xảy ra
trong các ngôi sao có nhiệt độ đủ cao. Chỉ có một số rất ít mức cộng hưởng trong
hạt nhân hợp phần 11C nằm trong cửa sổ Gamow mới có thể tham gia vào phản ứng
hạt nhân 7Be(α,p)10B. Việc nghiên cứu đặc trưng của các mức cộng hưởng này sẽ
cho phép tính được tốc độ của phản ứng này trong các ngôi sao.
Hiện nay, thông tin về các mức kích thích của hạt nhân

11

C còn đang rất

thiếu. Các mức cộng hưởng nằm trên năng lượng kích thích Eex=9 MeV đã được
nghiên cứu thông qua các phản ứng

10

ra từ máy gia tốc cyclotron của Viện Vật lý và Hóa học RIKEN kết hợp với phổ kế
từ CRIB của Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân của Đại học Tổng hợp Tokyo. Người
ta đã đo được các đường cong kích thích 7Be(α,α0)7Be, 7Be(α,α1)7Be*, 7Be(α,p0)10B
và 7Be(α,p0)10B*. Việc phân tích các đường cong kích thích đo từ thực nghiệm bằng
lý thuyết R-matrix đã cho phép thu được tham số cộng hưởng của các mức đóng vai
trò quan trọng đến phản ứng.
Tại Khoa Vật Lý của Đại học KHTN Hà Nội mới đây đã lắp đặt máy gia tốc
Pelletron có thể gia tốc được các chùm hạt tích điện ở vùng năng lượng thấp trong
đó có chùm proton [12]. Như đã nói ở phần trên, phản ứng hạt nhân

7

Be(α,p)10B

đóng vai trò quan trọng trong thiên văn học nên chúng tôi mong muốn có thể nghiên
cứu phản ứng này trên máy Pelletron. Có thể nghiên cứu phản ứng này bằng cách
nghiên cứu phản ứng ngược

10

B(p, α)7Be kết hợp với nguyên lý cân bằng chi tiết

trong phản ứng hạt nhân. Nguyên lý này cho phép tính tiết diện của quá trình nào đó
nếu biết được tiết diện quá trình ngược lại ở cùng một năng lượng toàn phần trong
hệ quy chiếu khối tâm.

Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao

4



Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao

5


Luận văn tốt nghiệp

lượng kích thích được phân bố lại cho các nuclôn. Sau đó một hoặc một nhóm
nuclôn có thể nhận được đủ năng lượng bay ra khỏi hạt nhân hợp phần.
Phản ứng hạt nhân trực tiếp: là phản ứng mà giữa kênh vào và kênh ra không
tồn tại trạng thái trung gian.
Phản ứng hạt nhân tiền cân bằng là phản ứng nằm giữa phản ứng trực tiếp và
phản ứng hợp phần. Năng lượng của hạt đến được truyền cho một nhóm các nuclôn
trong hạt nhân bia. Các nuclôn này khởi xướng cho một loạt các phản ứng nối tầng,
tại một tầng nào đó một hạt sẽ được phát ra (trước khi hạt nhân hợp phần đạt trạng
thái cân bằng thống kê).
Phản ứng hạt nhân không phải hoàn toàn là tương tác mạnh, nó tùy thuộc vào
hạt tới. Phản ứng hạt nhân là tương tác mạnh nếu hạt đến là proton, nơtron, ions....
Phản ứng hạt nhân có thể là tương tác điện từ nếu hạt đến là photon, electron, ions...
Còn khi hạt đến là nơtrino thì phản ứng hạt nhân thuộc loại tương tác yếu.
Đối với bia và hạt tới nhất định, phụ thuộc vào năng lượng của hạt tới mà
phản ứng xảy ra theo cơ chế nào đó. Bên cạnh đó, xác suất tồn tại trạng thái kích
thích cao cũng phụ thuộc vào năng lượng. Sự tập trung lực kích thích trong một
vùng năng lượng nào đó gọi là cộng hưởng khổng lồ.
Sau phản ứng hạt nhân thường có hai hoặc ba hạt tạo thành. Nếu rất nhiều
hạt tạo thành ta có phản ứng vỡ vụn (spallation). Khi hạt nhân bia bắt nơtron, hạt
nhân hợp phần tách ra thành các hạt có số khối tương đương nhau, ta có phản ứng
phân hạch. Xác suất xảy ra phản ứng phân hạch tỉ lệ với Z2/A. Phản ứng phân hạch
cùng với phản ứng nhiệt hạch là những phản ứng tỏa ra năng lượng lớn. Phản ứng


(1.1)

trong đó E01, E02 lần lượt là tổng năng lượng nghỉ của các hạt trước và sau phản
ứng. Còn T1, T2 lần lượt là tổng động năng của các hạt trước và sau phản ứng.
Định luật bảo toàn moment động lượng: trong phản ứng A(a,b)B, gọi ⃗⃗⃗⃗ , ⃗⃗⃗⃗ ,
⃗⃗⃗⃗ , ⃗⃗⃗⃗ là moment động lượng của các hạt tham gia phản ứng, định luật bảo toàn
moment động lượng được viết:

pa  pA  pB  pb

(1.2)

Định luật bảo toàn moment góc: tổng moment góc của các hạt tham gia phản
ứng là bảo toàn cũng như thành phần hình chiếu lên phương được chọn. Áp dụng
cho phản ứng A(a,b)B ta có:

ia  I A  l Aa  I B  ib  lBb

Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao

(1.3)

7


Luận văn tốt nghiệp

với ⃗⃗⃗ , ⃗⃗⃗ , ⃗⃗⃗ , ⃗⃗⃗ là spin tương ứng với các hạt tham gia phản ứng. Các spin này có
thể đo bằng thực nghiệm hoặc tính toán (dùng mẫu vỏ). Proton có spin là ½, các hạt

do đó cho phép chúng ta viết ra được chính xác các phản ứng hạt nhân có thể xảy ra
và có được các thông tin quan trọng về các đặc tính của các hạt tham gia phản ứng

Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao

8


Luận văn tốt nghiệp

và các hạt sản phẩm. Nghiên cứu các phản ứng hạt nhân chính là việc đo đạc tiết
diện phản ứng vi phân như là hàm của năng lượng, cũng như các thông số khác của
hạt bay ra, và xác định phân bố góc và năng lượng của các hạt sản phẩm cũng như
các trạng thái lượng tử của chúng.
1.1.3. Động học phản ứng hạt nhân
Xét phản ứng A(a,b)B, theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có:

(ma  mA )c2  Ta  TA  (mb  mB )c 2  Tb  TB

(1.6)

trong đó T là động năng của các hạt, m là khối lượng nghỉ. Giá trị Q của phản ứng
được định nghĩa là tổng năng lượng nghỉ trước phản ứng trừ đi tổng năng lượng
nghỉ sau phản ứng:

Q  (minitial  m final )c 2  Tinitial  Tfinal  Tb  TB  Ta  TA

(1.7)

Giá trị Q có thể là âm, dương hoặc bằng không. Nếu Q>0 (


TB), vì vậy không có lời giải duy nhất. Rút ξ và TB từ các phương trình trên ta được
mối liên hệ giữa Ta và Tb:
Tb 

ma mbTa cos   ma mbTa cos 2   (mB  mb )  mBQ  (mB  ma )Ta 
mB  mb

(1.10)

Hình 1.1: Mối liên hệ giữa Tb và Ta trong phản ứng 3H(p,n)3He
Hình 1.1 minh họa mối liên hệ giữa động năng Ta và Tb đối với phản ứng
3

H(p,n)3He (Q = -763.75 keV). Từ hình vẽ ta thấy có hai vùng: thứ nhất là từ 1.019

đến 1.147 keV, trong vùng này với giá trị θ chọn để quan sát thì ứng với một giá trị
của Ta có hai giá trị Tb thỏa mãn (vùng giá trị kép). Vùng thứ hai từ 1.147 keV trở
đi, trong vùng này Tb liên hệ đơn trị với Ta.
Từ phương trình 1.10 có thể rút ra được các đặc điểm của phản ứng hạt nhân:
- Nếu Q
mB

(1.13)

Tồn tại giá trị góc cực đại θm, mà tại đó giá trị kép xảy ra:

cos 2 m  
Nếu Ta=

(mB  mb )[mBQ  (mB  ma )Ta ]
ma mbTa

(1.14)

, giá trị kép xảy ra giữa góc θ=0 o và θm=900, còn nếu Ta=Tth, thì giá

trị kép chỉ xảy ra với θm=00.
Đối với phản ứng có Q>0 thì không tồn tại ngưỡng phản ứng cũng như vùng giá trị
kép.
Trong thực nghiệm, với góc θ và Ta cho trước, tiến hành đo Tb, qua đó tính được Q
và rút ra mối liên hệ khối lượng giữa các hạt. Nếu biết trước ma, mA, mb, thì sẽ tính
được khối lượng mY, từ phương trình 1.10 ta có:

Q  Tb (1 

mb
m
m m
)  Ta (1  a )  2 ( a b TaTb ) cos 
mB

Y =.N0..

(1.17)

trong đó  là hệ số hình học, N0 là số hạt nhân trên bia;  là thông lượng chùm hạt
tới;  là tiết diện phản ứng hạt nhân.
Trường hợp chùm hạt tới có phổ năng lượng liên tục, gọi (E) là thông lượng
chùm bức xạ trong vùng năng lượng E, còn (E) là tiết diện phản ứng trong vùng
năng lượng E. Hàm (E).(E) được gọi là hàm hưởng ứng hay hàm kích thích trong
vùng năng lượng E. Tốc độ phản ứng, đối với hạt tới có năng lượng từ E đến E+dE
là dR được xác định theo công thức:
dR = (E).(E)dE

(1.18)

Tốc độ phản ứng dR thực chất là số phản ứng xảy ra trên một hạt nhân trong
một đơn vị thời gian do các hạt tới có năng lượng từ E đến E+dE gây ra. Tích phân
hai vế của phương trình (1.18), ta có:


R    ( E ). ( E )dE

(1.19)

0

Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao

12



1.1.4.2. Tiết diện phản ứng hạt nhân
Tiết diện phản ứng là thước đo xác suất tương đối để phản ứng hạt nhân xảy
ra. Nếu đặt một detector để ghi hạt b bay ra theo phương (θ,Φ) so với phương chùm
hạt tới, detector chiếm giữ một góc khối nhỏ dΩ. Gọi Ia là cường độ dòng tới (số hạt
trên một đơn vị thời gian), n là số hạt nhân bia trên một đơn vị diện tích, Rb là số hạt
b bay ra trong một đơn vị thời gian, khi đó ta có:

 

Rb
Ia N

(1.22)

Detector chỉ chắn một góc khối nhỏ dΩ nên không ghi nhận hết được hạt bay
ra. Thực tế chỉ ghi nhận được dRb, do đó chỉ rút ra được một phần tiết diện phản
ứng dσ. Hơn nữa, các hạt bay ra nói chung không đẳng hướng, chúng sẽ tuân theo
một phân bố góc r(θ,Φ) nào đó phụ thuộc vào θ hoặc có thể cả góc Φ. Khi đó ta có
dRb=r(θ,Φ)dΩ/4π và tiết diện vi phân góc được định nghĩa:
d r ( , )

d  4 I a n

Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao

(1.23)

13


Tiết diện

Ký hiệu

Tiết diện tổng σt

Kỹ thuật đo
Suy giảm chùm tia

Ứng dụng có thể
Che chắn

cộng
Tiết diện phản

Σ

ứng hạt nhân

Lấy tổng theo tất cả các góc Tạo ra đồng vị Y
và năng lượng của hạt b

thông qua phản ứng
hạt nhân

Tiết

diện

vi dσ/dΩ


Tiết

diện

phân kép

vi d2σ/dEb- Đo b tại (θ,Φ) tại năng Nghiên cứu sự hình
dΩ

lượng cụ thể

thành trạng thái kích
thích hạt nhân Y
theo phân bố góc
của hạt b

Tiết diện tổng σt chính là tổng của các tiết diện phản ứng của tất cả các hạt bay
ra. Tiết diện này có thể tính được bằng cách đo sự suy giảm chùm tia khi cho một
chùm tia chuẩn trực đi qua bia.
Khi nghiên cứu một phản ứng cụ thể nào đó, tiết diện mà ta quan tâm sẽ phụ
thuộc vào chúng ta đo cái gì. Bảng 1.1 tổng kết các loại tiết diện, cùng với ứng dụng
của chúng.
1.2. Phản ứng hạt nhân gây bởi hạt tích điện nhẹ
1.2.1.Vai trò của hàng rào thế Coulomb
Khi hạt tích điện tương tác với vật hạt nhân, đường cong thế năng có dạng như
hình 1.4. Đường cong nằm bên trên trục hoành là do lực đẩy Coulomb của hạt nhân
và hạt tích điện. Thế năng trong vùng này phụ thuộc vào khoảng cách theo công
thức:
V (r ) 

2 VC  T  dr 
r1



(1.27)

trong đó μ là khối lượng rút gọn, T là động năng trong hệ khối tâm. Giới hạn dưới
của tích phân được coi bằng bán kính hạt nhân, còn giới hạn trên thu được khi giải
phương trình T = Zze2/r2. Tích phân (1.27) dẫn tới:

D  exp   g 
với g = 2πR/λ;

√

√

√

(1.28)
;

√

là bước

sóng Broglie tương ứng với động năng của hạt tới bằng hàng rào thế Coulomb.

Hình 1.2: Thế năng tương tác


giá trị (Bxt)min ứng với l=1;
Khi nơtron tương tác với hạt nhân, hàng rào thế này làm giảm xác suất tương
tác giống như hàng rào coulomb làm giảm xác suất tương tác của hạt tích điện. Với
hạt mang điện, thế xuyên tâm cùng với thế Coulomb miêu tả tương tác của hạt tích
điện với hạt nhân. Giá trị (Bxt)min chỉ lớn hơn BC với các hạt nhân nhẹ (Z>(Bxt)min
dẫn đến BC+(Bxt)min≈BC. Các hạt tích điện tương tác với các hạt nhân nặng với
(TBxt tiếp tục làm cho xác suất tương tác không phụ thuôc vào l. Chỉ với l>l0
rất nhiều thì vai trò của hàng rào thế xuyên tâm mới lớn. Giá trị l0 có thể tính được
khi cho giải phương trình Bxt=BC, ta có: l0 

2 R

B

C

Giá trị l0 không phụ thuộc vào năng lượng của hạt tới. Do đó, không giống
như neutron, các hạt tích điện với TBC, hạt tích điện tương tác với hạt nhân tương tự như tương
tác của neutron. Với l≠0, tương tác sẽ xảy ra nếu:
T  T  BC  Bxt

(1.30)

Nếu năng lượng T của hạt tới xác định, tương tác quan sát được với l
thu nhiệt với ngưỡng phản ứng lớn hơn 0.8MeV. Thật vậy, xét phản ứng A(p,n)B ta
có:

mn  mp  1.3MeV
M B  M A  0.5MeV

(1.32)
(1.33)

Nếu điều kiện thứ hai không thỏa mãn thì hạt nhân A sẽ chuyển thành hạt
nhân B thông qua phân rã beta. Năng lượng của phản ứng:
Q   M B  mn    M B  mp   1.3  0.5  0.8MeV

(1.34)

Mặt khác theo công thức tính năng lượng, suy ra Tth>0.8 MeV.
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.

Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao

18


Luận văn tốt nghiệp

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

( )

Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao

(1.36)

19