Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nâng cao chất lượng thiết bị thực nghiệm và triển khai nghiên cứu cấu trúc hạt nhân Ti, V và Ni

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 lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tơi xin gửi lời cảm ơn tới hai Thầy
hướng dẫn là TS. Phạm Đình Khang và PGS. TS Nguyễn Đức Hịa đã tận
tình giúp đỡ tơi từ những bước đi đầu tiên xây dựng ý tưởng nghiên cứu,
cũng như trong suốt q trình nghiên cứu và hồn thiện Luận án. Q
thầy đã luôn ủng hộ, động viên và hỗ trợ những điều kiện tốt nhất để tơi
hồn thành Luận án. Kính gửi đến quý thầy tấm lòng tri ơn của người học
trị. 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 tơi 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 tơi trong chun mơn cũng
như động viên kích lệ tơi trong nghiên cứu khoa học.


ii

Cảm ơn ThS. NCS. Phạm Ngọc Sơn, ThS. Hồ Hữu Thắng đã khơng ngại khó
khăn giúp đỡ tơi triển khai một số thực nghiệm.
Tơi xin cảm ơn các anh Phịng 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 Lị
phản ứng hạt nhân đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi được khai thác tại
kênh thực nghiệm số 3.
Cảm ơn các bạn cùng nhóm nghiên cứu: Th.S. NCS Trần Tuấn Anh, ThS.
NCS Nguyễn Văn Hải, ThS. NCS Trương Văn Minh, NCS Mangengo
Lumenganod đã cùng tôi trao đổi, thảo luận thẳng thắn vấn đề nghiên cứu
của Luận án.
Với tình yêu thương gia đình, con xin gửi lời cảm ơn đến Ba, Mẹ - xin nhận
nơi đây tấm lòng của người con. Cảm ơn các chị, anh và các em đã động
viên giúp đỡ tôi trong công việc hằng ngày.
Cuối cùng, cảm ơn vợ và hai con đã cho tôi một điểm tựa về tinh thần lẫn
vật chất để tơi có thể tồn tâm thực hiện Luận án.
Xin chân thành cảm ơn mọi người!


iii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan:
1 Những nội dung trong luận án này là do tôi thực hiện dưới sự
hướng dẫn khoa học trực tiếp của TS. Phạm Đình Khang và
PGS.TS. Nguyễn Đức Hòa.
2 Mọi tham khảo dùng trong luận án đều được trích dẫn rõ ràng
tên tác giả, tên cơng trình, thời gian, địa điểm cơng bố.
3 Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay
gian trá nếu có tơi chịu trách nhiệm hồn tồn 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
1.1.2.1. Hệ phổ kế trùng phùng gamma-gamma ............................................ 15
1.1.2.2. KS3 của LPUHNDL .......................................................................... 18

1.2. Tình hình nghiên cứu các hạt nhân 49Ti, 52V và 59Ni .................. 18
1.2.1. Hạt nhân 49Ti ............................................................................................ 18
1.2.2. Hạt nhân 52V ............................................................................................ 19
1.2.3. Hạt nhân 59Ni ........................................................................................... 20

1.3. Cơ sở lý thuyết tính tốn trong luận án ....................................... 22

1.3.1. Cường độ dịch chuyển gamma nối tầng.................................................... 23
1.3.2. Mật độ mức .............................................................................................. 24
1.3.2.1. Tổng quan sự phát triển lý thuyết mật độ mức ................................... 24
1.3.2.2. Mẫu khí Fermi dịch chuyển ngược và cơng thức Gilbert-Cameron .... 26


v
1.3.3. Spin và độ chẵn lẻ .................................................................................... 28
1.3.4. Bậc đa cực, xác suất dịch chuyển, độ rộng mức và hàm lực...................... 31
1.3.4.1. Bậc đa cực và xác suất dịch chuyển ................................................... 31
1.3.4.2. Thời gian sống, độ rộng mức và hàm lực ........................................... 33

I.4. Kết luận chương ............................................................................... 35
Chương hai. TRIỂN KHAI NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .............. 36
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 49Ti, 52V VÀ 59Ni .......................................................................... 46
2.4. Chuẩn bị bia mẫu 49Ti, 52V và 59Ni ................................................ 46
2.5. Thu thập số liệu phân rã gamma nối tầng của 49Ti, 52V và 59Ni 47
2.6. Xử lý số liệu thực nghiệm ............................................................... 49
2.7. Xây dựng sơ đồ phân rã và xác định các đặc trưng lượng tử ... 51
2.7.1. Xây dựng sơ đồ phân rã............................................................................ 51

2.7.2. Xác định các đặc trưng lượng tử ............................................................... 52

2.8. Đánh giá xác suất và hàm lực dịch chuyển gamma.................... 53
2.9. Kết luận chương ............................................................................... 55


vi

Chương ba. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .................... 56
3.1. Kết quả hoàn thiện hệ thống thực nghiệm ................................... 56
3.1.1. Kết quả cải thiện giao diện ....................................................................... 56
3.1.2. Kết quả về phông của hệ đo...................................................................... 58
3.1.3. Kết quả về lựa chọn tham số cho hệ đo..................................................... 60
3.1.4. Kết quả xác định hàm hiệu suất ................................................................ 62

3.2. Kết quả ghi nhận phổ tổng và phổ nối tầng................................. 64
3.3. Kết quả số liệu phân rã nối tầng của 49Ti, 52V và 59Ni ................ 68
3.3.1. Năng lượng và cường độ dịch chuyển nối tầng ......................................... 68
3.3.2. Kết quả sắp xếp các dịch chuyển gamma nối tầng vào sơ đồ mức ............ 73

3.4. Hệ số rẽ nhánh và xác suất dịch chuyển điện từ ......................... 81
3.4.1. Hệ số rẽ nhánh ......................................................................................... 81
3.4.2. Kết quả tính xác suất dịch chuyển theo mẫu đơn hạt ................................ 86

3.5. Độ rộng mức, thời gian sống của mức và hàm lực ..................... 93
3.6. Kết luận chương ............................................................................... 99
KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................ 101
CÁC CƠNG TRÌNH LÀM CƠ SỞ CHO LUẬN ÁN ............................... 104
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 ngun 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 Mơ 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 tốn chương trình điều khiển viết cho giao diện................. 40
Hình 2. 4 Sơ đồ lắp đặt thiết bị bên trong và ngồi 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 tốn xử lý số liệu. ......................................................................... 49
Hình 2. 8 Mơ 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 Cl35(n, 2)Cl36 đo thử nghiệm với giao diện PCI 7811R. .... 58
Hình 3. 4 Phổ phơng của kênh sử dụng đetectơ GC2018, đo khi kênh mở và lị hoạt
động ở cơng suất 500 kW....................................................................................... 59

Hình 3. 5 Phổ phông của kênh sử dụng đetectơ EGPC20, đo khi kênh mở và lị hoạt
động ở cơng suất 500 kW....................................................................................... 60
Hình 3. 6 Phổ thời gian của 60Co (cửa sổ trùng phùng đặt 100 ns, ADC 1k). .......... 61


2
Hình 3. 7 Phổ năng lượng ở hai kênh. .................................................................... 62
Hình 3. 8 Hiệu suất ghi tương đối của hai đetectơ. ................................................. 63
Hình 3. 9 Một phần phổ tổng của 49Ti. ................................................................... 65
Hình 3. 10 Một phần phổ tổng của 52V................................................................... 65
Hình 3. 11 Một phần phổ tổng của 59Ni.................................................................. 66
Hình 3. 12 Phổ nối tầng bậc hai ứng với đỉnh tổng 8142,50 keV của 49Ti. ............. 66
Hình 3. 13 Phổ nối tầng bậc hai ứng với đỉnh tổng 7310,68 keV của 52V. .............. 67
Hình 3. 14 Phổ nối tầng bậc hai ứng với đỉnh tổng 8999,14 keV của 59Ni. ............. 67
Hình 3. 15 Kết quả sắp xếp sơ đồ mức của 49Ti và spin, độ chẵn lẻ của các mức.... 75
Hình 3. 16 Kết quả sắp xếp sơ đồ mức của 52V và spin, độ chẵn lẻ của các mức. ... 78
Hình 3. 17 Kết quả sắp xếp sơ đồ mức của 59Ni và spin, độ chẵn lẻ của các mức. .. 80
Hình 3. 18 Xác suất dịch chuyển E1 của 49Ti từ Bn................................................ 87
Hình 3. 19 Xác suất dịch chuyển E1 của 52V từ Bn. ............................................... 90
Hình 3. 20 Xác suất dịch chuyển E1 của 59Ni từ Bn. .............................................. 92
Hình 3. 21 Hàm lực chuyển dời gamma sơ cấp của 49Ti từ mức 8142,50 keV về các
mức trung gian. ...................................................................................................... 94
Hình 3. 22 Hàm lực chuyển dời gamma sơ cấp của 52V từ mức 7310,68 keV về các
mức trung gian. ...................................................................................................... 97
Hình 3. 23 Hàm lực chuyển dời gamma sơ cấp của 59Ni từ mức 8999,14 keV về các
mức trung gian. ...................................................................................................... 99


3

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2. 1 Độ phổ biến đồng vị và tiết diện bắt nơtron nhiệt của các đồng vị
trong bia mẫu ....................................................................................... 46
Bảng 2. 2 Giá trị các tham số của hệ đo được chọn. ............................................... 48
Bảng 3. 1 Tỉ số đỉnh giữa các kênh trong trường hợp đo với .................................. 60
Bảng 3. 2 Hiệu suất tương đối của các đetectơ theo năng lượng ............................ 62
Bảng 3. 3 Các tham số của đỉnh tổng .................................................................... 64
Bảng 3. 4 Năng lượng và cường độ dịch chuyển nối tầng các tia gamma trong
phản ứng 48Ti(n, 2)49Ti ....................................................................... 68
Bảng 3. 5 Năng lượng và cường độ dịch chuyển nối tầng các tia gamma trong
phản ứng 51V(n, 2)52V ........................................................................ 69
Bảng 3. 6 Năng lượng và cường độ dịch chuyển nối tầng các tia gamma trong
phản ứng 58Ni(n, 2)59Ni ...................................................................... 71
Bảng 3. 7 Sắp xếp mức dịch chuyển nối tầng của 49Ti ........................................... 74
Bảng 3. 8 Sắp xếp mức dịch chuyển nối tầng của 52V ........................................... 75
Bảng 3. 9 Sắp xếp mức dịch chuyển nối tầng của 59Ni .......................................... 79
Bảng 3. 10 Hệ số rẽ nhánh của một số mức của hạt nhân 49Ti ................................ 82
Bảng 3. 11 Hệ số rẽ nhánh của một số mức của hạt nhân 52V ................................. 82
Bảng 3. 12 Hệ số rẽ nhánh của một số mức của hạt nhân 59Ni ................................ 84
Bảng 3. 13 Xác suất dịch chuyển điện từ của 49Ti từ Bn về mức cơ bản theo
phản ứng 48Ti(n, 2)49Ti so sánh lý thuyết và thực nghiệm ................... 86
Bảng 3. 14 Xác suất dịch chuyển điện từ của 52V từ Bn về mức cơ bản theo
phản ứng 51V(n, 2)52V so sánh lý thuyết và thực nghiệm .................... 87
Bảng 3. 15 Xác suất dịch chuyển điện từ của 59Ni từ Bn về mức cơ bản theo
phản ứng 58Ni(n, 2)59Ni so sánh lý thuyết và thực nghiệm .................. 90


4
Bảng 3. 16 Độ rộng, thời gian sống của một số mức thực nghiệm. Hàm lực của

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


5

DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

KHCN

Khoa học công nghệ

KS3

Kênh số 3

LPUHNDL

Lò phản ứng Hạt nhân Đà Lạt

NCHN

Nghiên cứu hạt nhân

NCS

Nghiên cứu sinh

NLNT

Năng lượng nguyên tử

ADC

Analog – to - Digital
Converter

Khối biến đổi tín hiệu tương tự
sang tín hiệu số

Amp

Amplifier

Khuếch đại phổ

BSFG

Back - Shifted Fermi
Gas Model

Mẫu khí Fermi dịch chuyển
ngược

CFD

Constant-Fraction
Discriminator

Khối gạt ngưỡng hằng

COIN

Coincidence

Trùng phùng

FPGA

Field-programmable
gate array

Vi mạch dùng cấu trúc mảng
phần tử logic mà người dùng có
thể lập trình được

FWHM

Full Width at Half
Maximum

Độ rộng tại một nửa chiều cao
đỉnh phổ

HPGe

High-Purity
Germanium

Đetectơ bán dẫn Ge siêu tinh
khiết

HV

High Voltage

Cao thế

MCA

Multi Chanel
Analyzer

Khối phân tích đa kênh


6

NIM

Nuclear Instrument
Module

PCI 7811R

Chuẩn NIM
Giao diện 7811R

Pre. Amp

Pre - Amplifier

Tiền khuếch đại

Pulser

Pulser

Bộ phát xung

SCA

Single Chanel
Analyzer

Khối phân tích đơn kênh

SRT

Slow Rise Time Reject

Chế độ loại các xung có thời
gian tăng chậm

TAC

Time-to-Amplitude
Converter

Khối biến đổi thời gian thành
biên độ

TFA

Timing Filter
Amplifier

Khối khuếch đại lọc lựa thời
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 cịn 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 ngồi việc góp phần làm sáng tỏ cấu trúc hạt nhân, còn là
những số liệu quan trọng trong thiết kế các lò phản ứng hạt nhân, che chắn an
toàn bức xạ. Các số liệu này chỉ có thể thu được từ các phép đo bức xạ
gamma do hạt nhân bị kích thích phát ra. Tuy nhiên, việc loại trừ phông của
trường bức xạ gamma, loại trừ ảnh hưởng của quá trình tán xạ compton vẫn là
các vấn đề chưa được xử lý triệt để nếu sử dụng các hệ đo một đetectơ giảm
phông tốt.
Phương pháp trùng phùng gamma – gamma là phương pháp ghi đo được sử
dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng, với phương pháp trùng
phùng ghi đo sự kiện – sự kiện và việc xử lý phổ theo phương pháp cộng biên
độ các xung trùng phùng đã tách ra các dịch chuyển nối tầng hai gamma với
độ chính xác cao hơn các phương pháp khác.
Sự thành công của phương pháp thể hiện qua việc đóng góp số liệu mới vào
nghiên cứu cấu trúc hạt nhân, đáng kể nhất là các công trình của nhóm tác giả


8

tại Nga, trong gần 20 năm nghiên cứu có khoảng 40 hạt nhân biến dạng đã
được công bố. Các phát triển tiếp theo của phương pháp đã được một số
phòng thí nghiệm lớn ở một số nước như Hungary, Tiệp Khắc, Mỹ, Nhật, ...
triển khai.
Tại Việt Nam, đến cuối năm 2008 phương pháp trùng phùng gamma – gamma
đã được triển khai khá hoàn chỉnh. Hệ trùng phùng gamma – gamma được lắp
đặt tại KS3 của LPUHNDL. Tuy nhiên, do hạn chế về khâu lắp ráp mạch

trong nước ở phần giao diện nên hệ đo hoạt động có khi khơng ổn định, tốc độ
ghi đo của hệ chậm. Phương pháp thiết lập các tham số cho hệ đo cịn mang
tính kinh nghiệm, chưa thành quy trình cụ thể chọn lựa tham số. Khơng gian
bố trí thí nghiệm tại KS3 cịn giới hạn và chưa tính đến các yếu tố đảm bảo an
tồn bức xạ.
Các hạt nhân

49

Ti,

52

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 lị 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 49Ti,
52

V và 59Ni 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 dịng nhằm tạo khơng 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
được lựa chọn và cơ sở lý thuyết của luận án.
Chương hai trình bày về thiết kế, chế tạo giao diện mới nhằm nâng cao chất
lượng hệ đo; thiết kế và chế tạo một số thiết bị che chắn dẫn dòng trên KS3;
phương pháp lựa chọn các tham số cho hệ trùng phùng gamma-gamma; xây
dựng đo đạc thực nghiệm phân rã gamma nối tầng và phương pháp xử lý số
liệu của các hạt nhân 49Ti, 52V và 59Ni.
Chương ba trình bày kết quả về thiết kế, chế tạo giao diện mới, kết quả phông
của hệ đo; kết quả suất liều bức xạ nơtron và gamma trong không gian KS3;
kết quả nghiên cứu phân rã gamma nối tầng của các hạt nhân 49Ti, 52V và 59Ni.
Phần kết luận nêu những thành công cũng như hạn chế trong nghiên cứu của
luận án; ý nghĩa khoa học; ý nghĩa thực tiễn và hướng nghiên cứu tiếp theo
của luận án.

10

Chương một

TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP
VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
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 60Co, 22Na và
các phản ứng 24Mg(p, 2)25Al và 29Si(p, 2)30P. Kết quả cho thấy sự hiệu quả
của phương pháp trong nghiên cứu và xây dựng sơ đồ phân rã của các hạt

Nguồn

nhân. Sơ đồ nguyên lý của hệ đo được trình bày trên Hình 1.1.

CF1a

PM1 CR1

CR2

CF2a

PM2

CF2b

CF1b
R1

RV1

R2

Amp
Sum

Amp.1

Amp.2

D.D
MCA

Gate

Sum
MONITOR

Hình 1. 1 Sơ đồ nguyên lý hệ trùng phùng do Hoogenboom thiết kế [33].


11

Trong đó: CR1 và CR2 là các tinh thể nhấp nháy; PM1 và PM2 là các ống

nhân quang; CF là lối ra catốt của ống nhân quang.
Nguyên tắc hoạt động của hệ như sau: tín hiệu từ lối ra của các catốt CF1a và
CF2a được khuếch đại bằng các Amp.1, 2. Tín hiệu từ lối ra của Amp. 1 được
đưa vào khối phân tích đa kênh để phân tích biên độ, tín hiệu từ lối ra của
Amp. 2 được đưa vào dao động ký để quan sát. Để điều khiển q trình phân
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 q 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 11B(p, 2)12C[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. 2 Hệ đo trùng phùng nhanh chậm tại Dubna [78].
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 đi đến các khối khuếch đại nhanh (FFA),
phân biệt ngưỡng hằng và đến khối trùng phùng nhanh (FCOIN). Khối
FCOIN sẽ cho ra 1 xung điện khi hai lối vào có xung xuất hiện 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 đo được lựa chọn tương ứng khoảng năng lượng từ 0,5 đến 8
MeV. Như vậy, từ một cặp gamma trùng phùng có năng lượng từ 0,5 đến 8
MeV được ghi nhận sẽ có một xung ra ở khối trùng phùng chậm. Xung ra ở
khối này là tín hiệu để các khố tuyến tính (LG) mở cho các ADC nhận xung
phân tích và giao diện sẽ ghi nhận các giá trị bằng số (code) của biên độ xung
của cặp chuyển dời gamma nối tầng.
Sau đó, phương pháp đã được phát triển ở Cộng hòa Séc, Hungary và nhiều
nước khác trên thế giới trong đó có Việt Nam [39][65][67][68].


13

Về cơ bản, các hệ đo tại Cộng hòa Séc và Hungary đều dựa trên nguyên tắc
của hệ trùng phùng nhanh chậm dưới dạng số, nhưng sử dụng các đetectơ bán
dẫn có độ phân giải cao, các khối điện tử của các hãng nổi tiếng trên thế giới.
Sơ đồ của hệ đo ở Hungary được trình bày trên hình 1.3.
HV

Canberra
3105

Đetectơ 1
HpGe

Amp
Tennelec
TC245

E
FFA
Ortec
579

T

CFD
Phillips
730

ADC
Canberra
8077(16k)
Gate
Delay
Ortec
GG8010
Delay
Ortec

GG8010
Level
Transl
Phillips 720

ADC
KFKI (4k)

Multiplexer

Computer

SCA
CFD
Phillips
730

Đetectơ 2
HpGe

T
E

FFA
Ortec
579

Start TAC/SCA
Tennelec
TC863

Stop

TAC

Delay
Ortec
GC8010
Gate

HV
Canberra
3106D

Amp
Canberra
2025

ADC
Canberra
8077(16k)

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


14

dụng trong lĩnh vực số liệu cấu trúc hạt nhân mà còn ứng dụng trong các lĩnh
vực khác[23][39][44][65].
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 153Sm,182Ta, 239U, 28Al, 36Cl,
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].

E

Amp

ADC

T
Đetectơ

TFA

CFD
COIN


TFA

CFD

Amp

I
N
T
E
R
F
A
C
E

ADC

Đetectơ
T
E

Hình 1. 4 Sơ đồ khối hệ trùng phùng cộng biên độ tại Viện NCHN.

PC

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 mơ tả trên Hình
1.5[56][68].

Hình 1. 5 Hệ phổ kế trùng phùng gamma – gamma tại LPUHNDL.
Bia mẫu đặt lệch 450 so với chùm nơtron, hai đetectơ được đặt đối xứng nhau
1800. 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
chuyển dọc theo ray dẫn hướng giúp việc di chuyển hệ và đóng mở kênh dễ
dàng.
*. Một số thông số kỹ thuật cơ bản của các thiết bị:
- HpGe I Intertechnique: đetectơ EGPC20 của hãng Inter technique, hiệu

suất 20%, độ phân giải 1,8 keV tại năng lượng 1332 keV [61].
- HPGe II Canberra: đetectơ GC2018 của hãng Canberra, hiệu suất ghi
20%, độ phân giải 1,8 keV tại năng lượng 1332 keV [61].
- Cao thế Ortec 660 là cao thế kép của hãng Ortec, thế lối ra từ 0 đến 5
kV, dòng từ 0 đến 100 A, độ trôi nhiệt <  0,08%/0C trên dải từ 10
đến 500C, thăng giáng  0,3% trong dải điện thế lối ra từ 0,5 đến 5 kV
[60].
- Khuếch đại phổ kế 572A Ortec: Biên độ lối ra từ 0÷10 V với xung đơn
cực, và 0÷20V với xung lưỡng cực. Tốc độ xử lý 30,000 sự kiện/s, độ
phi tuyến tích phân < 0,05% tại shaping time 2 s) [58].
- ADC 7072 là ADC kép của hãng FastComtech, 8 k, thời gian biến đổi
500 ns, tín hiệu vào từ + 25 mV đến 10 V, mặt tăng của xung từ 250 ns
đến 25 s, sườn xuống từ 200 ns đến 100 s [51].
- ADC 8713 là ADC đơn của hãng Canberra, 16 k, thời gian biến đổi 6 s,
tín hiệu vào từ 0 đến 10 V, mặt tăng của xung từ 0,25 s đến 100 s, độ
rộng xung tối thiểu 0,5 s [77].
- TFA 474 là bộ khuếch đại lọc lựa thời gian của hãng Ortec, biên độ tín
hiệu xung lối vào từ 0 đến  1 V, biên độ lối ra từ 0 đến  5 V, độ phi
tuyến  0,05% [57].


17

- CFD 584 là khối gạt ngưỡng hằng của hãng Ortec sản xuất, biên độ xung
lối vào từ 0 đến – 5V, độ dài xung lối ra nằm trong dải  0,5 đến  2,5
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 thơng tin
năng lượng (E) và tín hiệu mang thơng 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 cịn 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 lị bể bơi [30], cơng
suất cực đại 500 kW và thơng lượng trung bình của nơtron nhiệt tại tâm vùng
hoạt có thể đạt 1,991013 nơtron/cm2/s [16]. Lị có 4 kênh ngang, ba kênh
ngang số 1, 2 và 4 (KS1, KS2 và KS4) hướng về tâm vùng hoạt và một kênh
ngang số 3 (KS3) tiếp tuyến với phần bên ngoài của vùng hoạt.
KS3 của LPUHNDL được đưa vào sử dụng từ rất sớm sau khi khôi phục lại

Lò phản ứng. Ban đầu, KS3 được sử dụng cho mục đích chụp ảnh nơtron và
phân tích kích hoạt gamma tức thời. Đến năm 2003, KS3 đã khôi phục lại để
bố trí hệ đo trùng phùng gamma – gamma phục vụ nghiên cứu cấu trúc hạt
nhân. Các thiết bị chuẩn trực, dẫn dịng, đóng mở kênh được thiết kế, chế tạo
lại cho phù hợp với việc bố trí thí nghiệm.
Vì KS3 là kênh tiếp tuyến nên dòng nơtron từ vùng hoạt đi ra chủ yếu là
nơtron nhiệt. Cấu trúc kênh bao gồm hai phần: phần phía trong là ống nhơm
có đường kính 15 cm dài 1,5 m và phần phía ngồi là ống thép có đường kính
20,3 cm dài 1,1 m cho phép dẫn dòng nơtron từ trong vùng hoạt ra ngoài.
Chùm nơtron được lọc bằng phin lọc Silic, bên ngồi phin lọc là ống chuẩn
trục chính có đường kính 1,5 cm, ống chuẩn trục được đúc bằng Paraphin trộn
B4C, hai đầu đặt hai tấm Cadmi.

1.2. Tình hình nghiên cứu các hạt nhân 49Ti, 52V và 59Ni
1.2.1. Hạt nhân 49Ti
Về mặt cấu trúc, hạt nhân

49

Ti là hạt nhân chẵn – lẻ, gồm 22 prôton và 27

2
4
2
6
2
4
2
nơtron. Cấu trúc theo mẫu lớp như sau: prôton: 1s1/21p3/21p1/21d5/2 2s1/21d 3/21f 7/2 ;
2

4
2
6
2
4
7
nơtron: 1s1/2 1p 3/21p1/21d 5/2 2s1/21d 3/21f 7/2 . Nếu so với hạt nhân hai lần magic

thì lớp ngồi cùng dư 2 prôton và thiếu 1 nơtron.

48

Ca


19

Các nghiên cứu trên máy gia tốc [46][71] bằng các phản ứng
50

Ti(d, t)49Ti,

48

Ca(, 3n)49Ti cho thấy trạng thái cơ bản của

50

49

V(t, )49Ti,

Ti được xác

định có spin 7/2- và trạng thái hạt nhân hợp phần là 1/2+. Các nghiên cứu này
tập trung vào vùng năng lượng dưới 5 MeV, tồn tại một số trạng thái kích
thích có giá trị spin lớn. Tuy nhiên, một số kết quả về mức năng lượng kích
thích thu được giữa các thí nghiệm vẫn cịn có sự khác biệt.
Nghiên cứu phản ứng (n, ) cũng cho thấy kết quả trạng thái cơ bản của 49Ti
được xác định có spin 7/2- và trạng thái hạt nhân hợp phần là 1/2+. Tuy nhiên
dải năng lượng kích thích cao hơn, số mức thu được nhiều hơn [41][62][64].
Trong cơng trình nghiên cứu của J. F. A. G. Ruyl và các cộng sự [41] đã thu
được 97 tia gamma, sắp xếp được 42 mức trung gian. Đây là cơng trình
nghiên cứu thu được nhiều thông tin thực nghiệm nhất về hạt nhân này.
Các tổng hợp về số liệu của

49

Ti trong thư viện cho thấy hiện có 95 tia

gamma, nhưng chỉ mới xếp được 77 tia gamma vào sơ đồ mức, còn 18 tia
gamma chưa được xếp vào mức, nhiều mức chưa xác định được các đặc trưng
lượng tử.
1.2.2. Hạt nhân 52V
Về mặt cấu trúc, hạt nhân 52V là hạt nhân lẻ – lẻ, gồm 23 prôton và 29 nơtron.
2
4
2
6
2

4
3
Cấu trúc theo mẫu lớp: prôton: 1s1/21p 3/21p1/21d 5/2 2s1/21d 3/21f 7/2 ; nơtron:
2
4
2
6
2
4
8
1
1s1/21p 3/21p1/21d 5/2 2s1/21d 3/21f 7/2 2 p1/ 2 . Nếu so với hạt nhân hai lần magic 48Ca

thì lớp ngồi cùng dư 3 prơton 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-.