Nghiên cứu một số phản ứng quang hạt nhân (Y,n), (Y,xn), Y,p+n) trên máy gia tốc và phát triển lò phản ứng hạt nhân

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

1. Báo cáo tóm tắt bằng tiếng Việt
Tên đề tài:
Nghiên cứu một số phản ứng quang hạt nhàn
(ỵ,n), ịỵ,xn), (ỵ,p+n) trên máy gia tốc và trên lò phản ứng hạt nhân.
Chủ trì đề tài:
TS. N guyễn Trung Tính
Các cán bộ tham gia:
PG S.TS. N guyễn Triệu Tú
PG S.T S. Trương Bién
PG S.TS. N guyễn Văn Đ ỗ
TS. Trương Thị Ấn
ThS. N guyễn T h ế Nghĩa
ThS. Phạm Đức Khuê
HVCH. Đoàn Thanh sơn
HVCH. Lé Xuân Chung
KS. Trần Thanh Tân
CN. N guyễn Thị Chanh
CN. Đỗ Đức Chí
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu:
Sử dụng m áy gia tốc và lò phản ứng Iighién cứu các ph ấn ứng quang
hạt nhàn, từ đó nghiên cứu cơ ché của phản ứng hạt nhản. Trén co sở
các sô liệu vê tiết diện các phản ứng, tỉ s ố isom er, đưa ra kh ả năng
ứng dụng trong ph à n tích nguyên tô.
Các kết quả đạt được:
- Xác định được tỷ sô isomer của một số phản ứng hạt nhân trén
chùm bức xạ hăm 65 M eV từ m áy gia tốc.
- Xác định tiết diện của một sô phản ứng quang hạt nhản theo nâng
lượng của hạt tói bằng phương ph áp Evalu ation
- Khảo sát khả nâng plĩân tích ngiiên tố bằng chùm bức xạ hãm
65MeV từ máy gia tốc

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:

- The data o f isomeric ratio o f some reactions with gcimmci
bremsstrhalung with energy end point of 65 MeV.
- Evaluation of gamm a - indaced cross sections of Al27
- Khảo sát khả nàng phàn tích ỉigiién tố bằng chùm bức xạ hãm
65MeV từ máy gia tốc
2. Báo cáo tóm tắt bằng tiếng Anh
Tổng quan 2
Chương 1. Cơ sở của việc xác định tỷ sô isomer và tiết diện của
phản ứng quang hạt nhân
3
1.1. Cơ sở của việc xác định tỷ sô isomer của phản ứng hạt nhân

3
1.1.1. Khái niệm về trạng thái isomer 3
1.1.2. Định nghĩa tỷ số isomer 3
1.1.3. Mẫu thống kê của Huizenga - Vandenborch với việc xác định
tỷ số isomer 5
1.1.4. Xác định tỷ số isomer bằng phương phấp kích hoạt

10
1.2. Tính toán tiết diện của một số phản ứng quang hạt nhân báng
phương pháp evaluation 12
Chương 2. Thực nghiệm
14
2.1. Chuẩn hiệu suất ghi của đetector 14
2.2. Hệ chiếu m ẫu 17
2.3. Chuẩn bị mẫu chiếu
18
2.4. Xác định tỷ số isomer của phản ứng 46Ti(y,pn)Sc44 và
|l)7Au(y,n)Aul% bằng thực n g h iệm 20

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

đời của nhà máy điện hạt nhân, các số liệu về phản ứng hạt nhân càng
có ý nghĩa, không chỉ dừng lại ở nghiên cứu cơ bản, mà rất cần thiết cho
sự an toàn của nhà máy cũng như an toàn cho các vùng dân cư xung
quanh. Nga cả khi chúng ta chưa xây dựng nhà máy điện Hạt nhân, hiện
tai các ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong nền kinh tế quốc dân rất đa
dạng và phong phú. Chỉ tính riêng ứng dụng máy gia tốc trong chữa
bệnh, Việt Nam đã cần hàng chục máy. Điều này một lần nữa khắng
định sự cần thiết của các số liệu về phản ứng hạt nhân.
1
CHƯƠNG I
Cơ SỞ CỦA VIỆC XÁC ĐỊNH TỶ số ISOMER VÀ TIẾT DIỆN
CỦA PHẢN ÚNG QUANG HẠT NHẢN
1.1. Cơ SỞ CỦA VIỆC XÁC ĐỊNH TỶ số ISOMER CỦA
PHẢN ÚNG HẠT NHẢN.
1.1.1. Khái niệm về trạng thái isomer
Như chúng ta đã biết sản phẩm của một số phản ứng hạt nhân có thể
ở trạng thái cơ bản hay kích thích. Trạng thái isomer (trạng thái đồng
phân) khác với đa số hạt nhân kích thích có thể ở trạng thái siêu bền trong
một khoảng thời gian dài, sau đó phân rã về trạng thái cơ bản bằng cách
phát ra tia Y hoặc (3. Thời gian sống của các trạng thái siêu bền thay đổi
trong khoảng vài phần giây đến hàng năm , từ 5.10 '14 giây (7Li) đến 5,1
năm (mCd). Trong khi dó thời gian sống cùa đa số hạt nhân bị kích thích là
cỡ 10'13 giây đến 10'12 giây. Các hạt nhân đồng phân phân bô thành các
“đảo đổng phân” nằm tnrớc các hạt nhân có sô magic: 8, 20, 50, 82,128.
Người ta nhận thấy một số lớn các đồng phân hạt nhân có A lẻ, thường gặp
ở những hạt nhân lẻ-lẻ, ít gặp ở những hạt nhân chẫn-chẵn.
Trạng thái đồng phân chì có thể xuất hiện khi L (tính đa cực) rất lớn
(>3 trở lên) hoặc K rất lớn đối với các dãy quay của hạt nhân biến động
Các hạt nhân có thành phần như nhau, nhưng khác nhau về tính chất
vật lý gọi là những đổng phân .

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

ộj : thông lượng dòng hạt tới
ơ,: Tiết diện phản ứng ỏ trạng thái isomer và trạng thái cơ hán
Trong phản ứng quang hạt nhân, nếu chùm photon tới có năng lirợne liên
tục với giá trị cực đại là Em thì tỷ số đồng phân được tính như sau:
A
]ệ{Er ).< rJEr )dEf
_

Ethin
^nux
J
ệ (E r )ag(E r )dEr
^thị!
Trong đó Emax: là năng lượng cực đại của chùm gamma kích hoạt.
Là năng lượng ngưỡng của trạng thái cơ bản
Là năng lượng ngưỡng của trạng thái isomer
(ị) là thông lượng dòng photon
1.1.3. Mẫu thống kê của Hui/enga-Vandenborch với việc xác
định tỷ sô isomer.
Huizenga-Vandenborch đã phát triển mẫu thống kê đế xác định tỷ sô
isomer và năng lượng phụ thuộc vào nó. Việc xác định tỷ số isomer trong
thực nghiệm cho phép ta nhận được những thông tin về spin ngưỡng ơ và
thông sô mật độ mức a. Nói một cách khác thuyết Huizenga-Vandenborch
được sử dụng để xác định hàm kích thích của trạng thái isomer, qua dỏ
chúng ta có thể có được những thông tin về spin cúa trạng thái isomer.
Mẫu Huizenga-Vandenborch giá thiết rằng trong quá trình phản ứng
hạt nhân sẽ tạo nên hạt nhân sản phẩm ở trạng thái kích thích chuyển về
trạng thái cơ bản qua các bước nhảy gamma và tạo nên trạng thái cơ bản
hay isomer.
Theo Huizenga-Vandenborch cơ chế của phản ứng hạt nhân xảy ra

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

đối với mẫu siêu chảy
I: Momen quán tính của vật rắn( coi hạt nhân như vật rắn)
t: Nhiệt độ động học của hạt nhản
u= at: - 1
a: Thông số mật độ mức.
Từ 1.1 nếu bỏ qua sự phụ thuộc năng lượng chúng ta nhân được :
p(U,J) = p(U). p(J)
p(U,J) = 1 exp[-(J +1 / 2): H ơ 2]
2V2 7TƠ1
Gỉa sử J mà tại đó p(J) cực đại xác định từ dp/dj = 0 sẽ là ơ - 0,5
Bây giờ ta xét cụ thể cơ cấu xảy ra phản ứng hạt nhân theo
Huizenga-Vandenborch qua ba giai đoạn.
1. Trước hết hạt nhân bia hấp thụ năng lượng Ey, là năng lượng của
tia gamma tới , dẫn tới trạng thái kích thích trong hệ hợp phần A* được
đặc trưng bởi năng lượng kích thích Eh và spin Jhp. Xác suất tạo nên hạt
nhân hợp phần này là Php(Ehp, Jhp).
2. Sự bay hơi của một vài nucleon ở trạng thái hợp phần: tiếp theo sự
bay hơi bởi hạt nhân hợp phần , năng lượng hạt nhân nhận được trong quá
trình phản ứng xảy ra có thể được phân bô lại giữa các nucleon. Khi một
hạt nào đó nhận được một năng lượng đủ
1
ỎÌ
1
( lơn hơn năng lượng liên kết
) nó sẽ bút khỏi hạt nhân hợp phần. Phân bố spin trong hệ hợp phần A* bị
thay đổi bởi sự biến mất liên tiếp của một hoặc nhiều nucleon. Các hạt bay
hơi mang theo năng lượng và mô men góc xác định. Xác xuất chuyên dời
từ trạng thái có spin Jj , năng lượng Ej đến trạng thái có spin Jf, năng lượng
Ef trong mỗi lần bay hơi một nucleon là:
P(Ef, j l )*P(E,J,)p(El J l ) ỵ ỵ T,(E„)

./,-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)

c o s =
2
Trong mẫu Huizenga-Vandenborch được giả thiết rằng tất cả các
trạng thái có Spin từ 0 đến co s sẽ tạo ra trạng thái có Spin thấp(l.s), còn tất
cả các trạng thái có Spin từ co s đến vô cùng sẽ tạo ra trạng thái có Spin
cao(h.s). Vì vậy tỷ số isomer được định nchĩa là:
ỵp(jf)
R = ^

cos
ỵ p ụ ,)
0
Ớ đây cần chú ý đến quy tắc về việc lựa chọn các bước nháy với tính
đa bội thấp. Sau này thay bằng N y thường được sử dụng năng lượng trung
bình của các lượng tử gamma phát ra từ một mức nhất định đã cho với năng
lượng kích thích u.
Ẽ = 4(ư/a-5/a2)U2
Biểu thức này có tính thực nghiêm. Gía trị ban đầu của E đòi với
năng lượng kích thích còn lại sau quá trình bay hơi ở mức độ đáng kế sẽ
xác định số bước chuyển tiếp trong các gamma nối tầng. Một yếu tố khác
xác định số bước này là “ quãng cắt của gamma nối tầng “ với giới hạn trên
là
u và giới hạn dưới là d. Điều này được thể hiện trên hình sau:
d-Ỵ-ray
u
1
r d-Ỵ-ray
d-y-ray
d-Y-ray
d-Y-ray

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

Với m.s: Trạnc thái isomer của hạt nhân
£.s : Trang thái cơ bán cua hạt nhún
C' ■ C'
Pp : Xác suất dịch chuyển đồns phân
1M
Hạt nhân sản phẩm được tạo thành phụ thuộc vào thời gian chiếu,
thơi gian làm nguội và thời gian đo theo sơ đồ sau:
Hình 3. sự phụ thuộc của số hạt nhân sản phẩm vào thời gian
Qúa trình chiếu bia để tạo ra đồng phân tới khi đưa vào đo để xác
định hoạt độ phóng xạ được chia làm ba giai đoạn như sau:
Giai đoạn kích hoạt với thời gian kích hoạt là tị
Giai đoạn làm nguội với thời gian làm nguội là t2
Giai đoạn đo mẫu với thời gian đo là t3
Y^NqỘơị: suất lượng của phản ứng hạt nhân tạo nên trạng thái m.
Y^NqỘơ-,: suất lượng của phản ứng hạt nhân tạo nên trạng thái cơ
bản.
Do đó: Sị=Y|A3A6A9
S->=Y 0 Ao A5 As+YI (A ] A5 Ash- A3 A4As+A3 ả6A7 )
Từ 2. Và 2. ta nhận được:
A3A6A9
v Sj — } I (A ị A s A s + A; A 4 A s + A •> A (1 A -)
—s 1 -f = -
A2A5As
Từ tính toán, tỷ sô đồng phân tron
2
tnrờne hợp đơn nãne:
_ } ị _ A o^cr, ^ ơị _ Q’„,
Y2 N0(f)ơ: cr: ơ.
Biểu thức trên sử dụng khi thời gian chiếu, thời gian để nguội và thời gian
đo cho trạng thái đồng phân và cơ bán như nhau.

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

THỰC NGHIÊM
2.1. Chuẩn hiệu suất ghi của detector
Như đã trình bày ở phần trên , tỷ số isomer là tỷ số giữa suất lượng
phản ứng giữa trạng thái isomer và trạng thái cơ bản. Việc xác định tỷ sỏ
này có thể được thực hiện thông qua các đỉnh năng lượng đặc trưng của sàn
phẩm phản ứng. Cụ thể trong việc xác định tỷ số của phán ứng
46Ti(y,pn)44Sc, ta xác định thông qua các đinh năng lượng 271 keV (tạo bới
trạng thái isomer ) và 1 157 keV (tạo bởi trạng thái cơ bản ) của đồng vị
phóng xạ Sc44. Do hiệu suất ghi của đetector không như nhau đối với các
đỉnh năng lượng trên , mà phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ được ghi
nhận. Do vậy để xác định cường độ thực của các đỉnh năng lượng này cần
phải biết chính xác hiệu suất ghi của detector tại các vùng năng lượng khác
nhau. Chính vì vậy mà chúng tôi đã tiến hành khảo sát sự phụ thuộc cùa
hiệu suất ghi của detector vào năng lượng bức xạ ghi nhận.
Hiệu suất ghi s của detector được định nghĩa:
Trong đó 8 là hiệu suất ghi của detector ứng với một đỉnh phổ xác định
Hm: hoạt độ của nguồn phóng xạ được xác định bằng thực nghiệm
s
với công thức Hln= —
Trong đó Sj là số đếm mà detector ghi nhận được
Tj : thòi gian ghi nhận bức xạ
H|l:: hoạt độ thực tê cùa nguồn phóng xạ
H„= H X a
H: hoạt độ của ncuồn tại thời điếm do
A: thành phần của đỉnh phổ cần xác định hiệu suất ghi trong phổ
phát xạ nguồn (tính bằng phần trăm)
Vậy hiệu suất ghi của detector được xác định bằng biểu thức
Tá.H.a
Các số liệu về hiệu suất ghi của detector nói trên được làm khớp
với hàm chuẩn hiệu suất có dạng

£(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

Hoạt độ
Thực nghiêm
Hoạt độ
nguồn
Hiệu
suất ghi
1
121,78
30,6788 18330
15,2757 1057,0718
0,0145
2
244,69
7,7193
3727
3,1063
265,9770
0,0117
3
344,31
27,20
9608
8,0070 937,2059
0,0085
4
411,13 2,2848
719
0,5994
78,7273 0,0076
5 444,03

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

20,7264
2146 1,7883
714,1509
0,0025
12
59,739
35,75 1967 3,2778
1341,3114 0,0024
13
661,64
85,05 35356
117,8543
25278,646 0,0047
Từ số liệu ở bảng 1 ta suy ra được dạng hàm chuẩn hiệu suất ghi
e(E) của detector. Đồ thị hàm chuẩn hiệu suất ghi cho trên hình 4.
Với các hệ sô làm khớp như sau:
al= 3,4416,
a2= -702858,
a3= -24820,
a4= 1930950,
Hàm chuẩn hiệu suất ghi có dạng:
w-£ì = 1030950_24820_70.2858 . 3.4416
; E \ £3 £2 E
Từ dạng của hàm chuẩn hiệu suất ghi ta xác định được hiệu suất ghi tại
năng lượng 271 KeV (trạng thái đồng phân ) và 1157KeV(trạng thái cơ
bản) là:
£m=0,01068 ± 0,00029
eg=0,00291 ± 0,00007
H s G
I

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.

Bảng 2. Hàm lượng các nguyên tố trong mẫu chiếu xạ
STT
TÊN NGUYÊN Tố
HÀM
GHI CHÚ
LUỢNG(PPM)
1
Ti
99.992%
2 Na
12
1 n
3
Mg
16,5
4
AI
8,4
5
Ca
10,5
6
Si
24
7
K
1.2
8
Sc
<0,1 ppb

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 (\

2.4. Xác định tỷ sô isomer của phán ứng 46Ti(Ỵ,pn)44Sc và
l97Au(y,n)Au196 bằng thực nghiệm:
Như đã trình bày ớ phần trên, chùm bức xạ hãm 65 Mev được
chiếu vào mẫu Ti02, Au tự nhiên, phán ứng hạt nhân sau đây xảy ra:
Y + 46Ti -> 44 Sc + n + p
Y+ l97Au -> "*Au +n
44Sc, 196Au được tạo thành ở trạng thái kích thích, chúng sẽ trớ về trạng thái
cơ bản hoặc isomer bằng cách phát bức xạ gamma.
Bảng 3. Diện tích một số đỉnli phổ đặc trưng
Stt
Nguyên tố
Tliời gian
chiếu
(phút)
Thời gian
làm nguội
(phút)
Thời
gian do
mẫu
(pliiít)
Năng
lượng
(KcV)
Diện tích
đinh phổ
1
Sc44g 120
1263 20
1157

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