Nghiên cứu một số đặc trưng của phản ứng quang hạt nhân trên bia mo với chùm photon hãm năng lượng cao

Luận văn tốt nghiệp Phạm Công Thuyên




MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 1
DANH MỤC BẢNG BIỂU 2
MỞ ĐẦU 3
Chương 1: TỔNG QUAN VỀPHẢN ỨNG HẠT NHÂN, PHẢN ỨNG QUANG
HẠT NHÂN 5
1.1. Khái niệm về phản ứng hạt nhân 5
1.2. Phân loại phản ứng hạt nhân 5
1.3. Phản ứng quang hạt nhân 8
1.4. Một số mẫu về phản ứng quang hạt nhân 10
1.4.1. Mẫu hạt nhân hợp phần 10
1.4.2. Cộng hưởng lưỡng cực điện khổng lồ 12
1.4.3. Cơ chế giả đơtron 14
1.4.4.Phản ứng photospallation 15
1.4.5. Công thức Rudstam 16
Chương 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG
TRONG NGHIÊN CỨU 20
2.1. Máy gia tốc electron tuyến tính 20
2.2.Xác định suất lượng phản ứng 21
2.3.Kỹ thuật ghi nhận và phân tích phổ gamma 23
2.3.1. Phổ kế gamma 23
2.3.2. Chuẩn năng lượng 26
2.3.3. Chuẩn hiệu suất ghi 26
2.4. Một số hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác kết quả đo 27
2.4.1. Hiệu ứng thời gian chết và chồng chập xung 27

Luận văn tốt nghiệp Phạm Công Thuyên




2.4.2.Hiệu ứng tự hấp thụ tia gamma trong mẫu 28
2.4.3. Hiệu ứng cộng đỉnh 29
2.4.4.Hiệu chỉnh can nhiễu phóng xạ 30
Chương 3:KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 33
3.1. Thí nghiệm xác định suất lượng phản ứng quang hạt nhân trên bia Mo 33
3.2. Đo và xử lý phổ gamma mẫu kích hoạt 34
3.3. Kết quả xác định suất lượng và phân bố suất lượng của các phản ứng hạt
nhân trên bia Mo tự nhiên gây bởi photon hãm năng lượng cực đại 2,5 GeV 37
KẾT LUẬN 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO 56
PHỤ LỤC 59








Luận văn tốt nghiệp Phạm Công Thuyên




1

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ sự hình thành và phân rã của hạt nhân hợp phần. 7
Hình 1.2:Tiết diện phản ứng quang hạt nhân toàn phần cho một nucleon với các
vùng năng lượng 9
Hình 1.3: Phản ứng hạt nhân trải qua giai đoạn hợp phần 11
Hình 1.4: Sự phân cực hạt nhân 13
Hình 1.5: Suất lượng của các phản ứng quang hạt nhân trên bia
197
Au và bia
209
Bi16
Hình 1.6: Phân bố suất lượng của hạt nhân có số khối 50. [14]. 19
Hình 2.3: Sơ đồ hệ phổ kế gamma. 24
Hình 2.4: Sơ đồ phân rã đơn giản 29
Hình 2.5:Quá trình gây ra can nhiễu do sự phân rã của các đồng vị phóng xạ 31
Hình 3.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định suất lượng phản ứng photospallation
trên bia Mo với chùm bức xạ hãm 2,5 GeV 33
Hình 3.2:Đường cong hiệu suất ghi ở các khoảng cách khác nhau 35
Hình 3.3:Phổ gamma của mẫu Mo với thời gian chiếu 240 phút, thời gian phơi 45
phút và thời gian đo 10 phút. 35
Hình 3.4:Phổ gamma của mẫu Mo với thời gian chiếu 240 phút, thời gian phơi 1,86
ngày và thời gian đo 60 phút. 36
Hình 3.5:Phổ gamma của mẫu Mo với thời gian chiếu 240 phút, thời gian phơi 6
ngày và thời gian đo 120 phút. 36
Hình 3.6: Phân bố suất lượng của phản ứng
nat
Fe(

,xnyp) theo số khối của các hạt54
Hình P1: Máy gia tốc tuyến tính 2,5 GeV của Trung tâm Gia tốc Pohang

(1)
59
Hình P2: Máy gia tốc tuyến tính 2,5 GeV của Trung tâm Gia tốc Pohang
(2)
59
Hình P3:Phổ gamma của mẫu Mo với thời gian chiếu 240 phút, thời gian phơi 6
ngày và thời gian đo 120 phút. 66



Luận văn tốt nghiệp Phạm Công Thuyên




2
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Đặc trưng của mẫu Mo được sử dụng trong luận văn 34
Bảng 3.2: Bảng nhận diện và suất lượng phản ứng của các đồng vị tạo thành 37
Bảng P1. Hiệu suất ghi của detector bán dẫn HPGe model GMX 20P (Ortec), tại vị
trí cách detector 0,5 cm 60
Bảng P2. Hiệu suất ghi của detector bán dẫn HPGe model GMX 20P (Ortec), tại vị
trí cách detector 1 cm 61
Bảng P3. Hiệu suất ghi của detector bán dẫn HPGe model GMX 20P (Ortec), tại vị
trí cách detector 2,5 cm 62
Bảng P4. Hiệu suất ghi của detector bán dẫn HPGe model GMX 20P (Ortec), tại vị
trí cách detector 5 cm 63
Bảng P5. Hiệu suất ghi của detector bán dẫn HPGe model GMX 20P (Ortec), tại vị
trí cách detector 5 cm 65

Luận văn tốt nghiệp Phạm Công Thuyên




3
MỞ ĐẦU
Trong nghiên cứu phản ứng hạt nhân thì tiết diện/suất lượng phản ứng là một
trong những thông tin quan trọng nhất, nó phản ánh xác suất tương tác của chùm
hạt/bức xạ với hạt nhân nguyên tử đồng thời làm cơ sở để xác định các cơ chế tương
tác đó. Từ các số liệu hạt nhân nói trên có thể phân tích về cơ chế phản ứng, kiểm
chứng độ tin cậy của các mô hình lý thuyết về phản ứng hạt nhân cũng như sử dụng
trong nhiều lĩnh vực khác như tính toán tối ưu các quá trình sản xuất đồng vị phóng
xạ, thiết kế, chế tạo và vận hành máy gia tốc, lò phản ứng, che chắn phóng xạ, biến
đổi chất thải hạt nhân, tạo ra nguồn nơtron thông lượng lớn qua các phản ứng sinh
nhiều hạt (spallation reaction) và phân tích các nguyên tố bằng phương pháp kích
hoạt không phá hủy… [7].
Phản ứng hạt nhân phụ thuộc chủ yếu vào hạt nhân bia, loại hạt/bức xạ gây
phản ứng và năng lượng của chúng. Mức độ phức tạp của các phản ứng hạt nhân
tăng theo năng lượng của các chùm hạt/bức xạ tới. Các chùm hạt/bức xạ năng lượng
thấp chỉ có thể gây ra các phản ứng hạt nhân đơn giản, thường phát ra một vài
nuclon. Các thông tin thu được từ những phản ứng đơn giản chỉ đại diện cho một
phần của quá trình tương tác giữa các chùm hạt/bức xạ với hạt nhân nguyên tử. Các
loại hạt/bức xạ có năng lượng cao (từ vài trăm MeV tới vài GeV) có thể gây ra các
phản ứng hạt nhân sinh nhiều hạt, cơ chế phức tạp như phản ứng spallation, phản
ứng phân mảnh (fragmentation) và phản ứng phân hạch (fission) đối với cả các hạt
nhân tiền actinit [7].
Gần đây với sự phát triển của kỹ thuật và vật liệu gia tốc đã giúp mở rộng
phạm vi nghiên cứu về phản ứng hạt nhân sang vùng năng lượng cao (vùng GeV)
và thu được một số kết quả mới [7]. Tuy nhiên các số liệu thực nghiệm thu được

cho tới nay vẫn còn ít so với nhu cầu sử dụng để xây dựng các mô hình bán thực
nghiệm hoặc kiểm tra sự phù hợp của các mô hình lý thuyết đã được tiên đoán.
Phần lớn các số liệu thực nghiệm hiện có là của các phản ứng với chùm proton [7],
các số liệu hạt nhân với nơtron và photon năng lượng cao còn tương đối ít và tản
mạn[7]. Do đó việc nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trong vùng năng lượng
cao không chỉ mang lại ý nghĩa khoa học mà còn phục vụ cho những mục đích ứng
dụng cụ thể.
Luận văn tốt nghiệp Phạm Công Thuyên




4
Molipđen là một trong những vật liệu được sử dụng nhiều trong công nghệ
lò phản ứng và máy gia tốc hạt. Các nghiên cứu về suất lượng và tiết diện phản
ứng hạt nhân của nguyên tố này giúp cho việc tính toán tốc độ hao mòn cũng như
các vấn đề liên quan đến an toàn bức xạ.
Luận văn với đề tài “Nghiên cứu một số đặc trưng của phản ứng quang hạt
nhân trên bia Mo với chùm photon hãm năng lượng cao”, nhằm mục đích xác định
bằng thực nghiệm suất lượng và phân bố suất lượng của các phản ứng hạt nhân trên
bia Mo tự nhiên gây bởi chùm photon hãm năng lượng cực đại 2,5 GeV. Các số liệu
thực nghiệm được so sánh và đánh giá với các tính toán theo công thức bán thực
nghiệm của Rudstam. Nghiên cứu được thực hiện trên cơ sở kết hợp phương pháp
kích hoạt phóng xạ với kỹ thuật đo phổ gamma của các sản phẩm phóng xạ được
tạo thành sau phản ứngsử dụng đetectơ bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết (HPGe) có
độ phân giải năng lượng cao. Trong nghiên cứu này đã thực hiện một số hiệu chỉnh
cần thiếtnhằm nâng cao độ tin cậy của các kết quả thực nghiệm [1-5,7] .
Thí nghiệm được thực hiện trên máy gia tốc electron tuyến tính 2,5 GeV tại
Trung tâm gia tốc Pohang, Hàn Quốc. Các số liệu thực nghiệm do đề tài nghiên cứu
cơ bản thuộc Quỹ phát triển khoa học và công nghệ quốc gia (NAFOSTED, mã số

103.04-2012.21 và đề tài “Nghiên cứu suất lượng và phân bố suất lượng của phản
ứng quang hạt nhân sinh nhiều hạt (photospallation) trên bia Mo tự nhiên” cung
cấp. Việc phân tích và đánh giá số liệu được thực hiện tại Trung tâm Vật lý hạt
nhân, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST).
Bố cục của luận văn bao gồm: Phần mở đầu, 3 chương, phần kết luận, tài liệu
tham khảo và phụ lục.Chương 1: Tổng quan về phản ứng hạt nhân, phản ứng quang
hạt nhân. Chương 2: Phương pháp và kỹ thuật thực nghiệm sử dụng trong nghiên
cứu.Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận.

Luận văn tốt nghiệp Phạm Công Thuyên




5
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ
PHẢN ỨNG HẠT NHÂN, PHẢN ỨNG QUANG HẠT NHÂN
1.1. Khái niệm về phản ứng hạt nhân
Phản ứng hạt nhân xảy ra khi hạt nhân nguyên tử bị bắn phá bởi các chùm
hạt/bức xạ. Các hạt nhân bị bắn phá gọi là hạt nhân bia, các chùm hạt/bức xạ gọi là
chùm hạt tới. Phản ứng hạt nhân tạo ra sự biến đổi hạt nhân bia một cách sâu sắc.
Sản phẩm của phản ứng gọi là hạt nhân sản phẩm và có một số hạt/bức xạ được giải
phóng khỏi hạt nhân bia [9].
Một phản ứng hạt nhân thường được biểu diễn như sau: [17].
a + A

b + B (1.1)
hoặc A(a,b)B
trong đó a là hạt/bức xạ tới được tạo ra từ máy gia tốc, lò phản ứng, hoặc nguồn

nơtron đồng vị, A là hạt nhân bia, b và B là các sản phẩm của phản ứng.
Các hạt a và b có thể là nơtron (n), proton (p), alpha (), đơtơri (d), gamma
(), pi-meson (), …. Sau đây sẽ đề cầp tới một vài tham số chính của phản ứng hạt
nhân (như tiết diện phản ứng, năng lượng phản ứng,…) và phân loại một số phản
ứng hạt nhân.
1.2. Phân loại phản ứng hạt nhân
Phản ứng hạt nhân xảy ra khi một chùm hạt hoặc bức xạ tương tác với hạt
nhân ở khoảng cách gần cỡ 10
13
cm và sau phản ứng hạt nhân có sự phân bố lại
năng lượng, xung lượng và phát ra một hoặc nhiều hạt, bức xạ.
Từ (1.1) và định luật bảo toàn năng lượng có thể viết như sau [3, 17]:
02
E=E
01

hoặc
2021
T+E=T+E
01
(1.2)
trong đó
01
E
,
1
T
và
02
E

,
2
T
biểu diễn năng lượng nghỉ và động năng của các hạt
nhân trước và sau phản ứng:
22
01
cm+cM=E
aA
,
22
02
cm+cM=E
bB
,
aA
T+T=T
1
,
Luận văn tốt nghiệp Phạm Công Thuyên




6
bB
T+T=T
2
Trong trường hợp tổng quát
0201

EE 
.Phần khác nhau giữa
01
E
và
02
E
được gọi là năng lượng phản ứng và được ký hiệu là Q:

102
TT=EE=Q
201

(1.3)
Nếu Q> 0, phản ứng giải phóng động năng từ năng lượng nghỉ và được gọi là
phản ứng tỏa năng.Loại phản ứng này có thể xảy ra ở bất kỳ năng lượng nào của
hạt tới (đối với hạt tới là hạt tích điện thì phải có năng lượng lớn hơn rào chắn
Culông).
Nếu Q = 0 tương ứng với trường hợp tán xạ đàn hồi khi
2
T=T
1
và
02
E=E
01
.
Kết quả chỉ là sự phân bố lại động năng giữa các hạt (trong hệ tọa độ phòng thí
nghiệm).
Nếu Q< 0, phản ứng bao gồm hiện tượng tăng năng lượng nghỉ từ động năng

của hạt tới và được gọi là phản ứng thu năng. Trong trường hợp này phản ứng chỉ
xảy ra khi năng lượng của hạt tới đủ lớn. Thật vậy, từ phương trình (1.3), nếu Q < 0
thì
   
Q>T+Q=T
21
.
Trong trường hợp Q< 0, xét phương trình (1.1), định luật bảo toàn động
lượng được viết như sau:
bBAa
p+p=p+p
(1.4)
Giả sử hạt nhân bia A ở trạng thái nghỉ (đứng yên), do đó:
0=p
A
,
bBAa
p+p=p+p
(1.5)
Theo lý thuyết về phản ứng hạt nhân của Bohr (tồn tại trạng thái trung gian –
trạng thái hạt nhân hợp phần), trong nhiều trường hợp phản ứng hạt nhân trải qua
hai giai đoạn. Ban đầu hình thành trạng thái hạt nhân hợp phần O và tồn tại trong
một khoảng thời gian:a + A  O. Tiếp theo, hạt nhân hợp phần phân rã thành các
sản phẩm phản ứng:OB + b
Theo định luật bảo toàn năng lượng và động lượng:
OA
p=p
,

OOaaA

T+cM=T+)cm+(M
22

(1.6)
trong đó
O
p
là động lượng,
O
T
là động năng và
2
cM
O
là năng lượng nghỉ (có thể ở
trạng thái kích thích) của hạt nhân hợp phần.
Luận văn tốt nghiệp Phạm Công Thuyên



7
Trong trường hợp
2
cM
O
biểu diễn năng lượng nghỉ ở trạng thái kích thích.
O
T
có thể tính như sau [17]:
a

O
a
O
a
O
a
O
O
T
M
m
=
p
M
m
=
p
=T
2m2M
22
0
(1.7)

)Mm(T+)cm+(M=cM
OaaaAO
/1
22


Nếu

MeVT
a
10
(vì
MeVA)cm+(M
m+MaA
931
2

):

22
)cm+(McM
aAO


)m+(MTm=T
aAaaO
/
(1.8)
Năng lượng kích thích của hạt nhân hợp phần:

)m+(MTM+)cMm+(M=cMcM=W
aAaAOaAOO
/
222

(1.9)
Năng lượng liên kết của a với hạt nhân hợp phần:

2
)cMm+(M=(O)ε
OaAa


Động năng của các hạt A và a trong hệ khối tâm (v là vận tốc của các hạt):

22
2
1
2
aA
Aa
a
aA
A
'
μv
=
m+M
M
vm
=T
m+M
M
=T
(1.10)

'
1a

T+(O)ε=W
(1.11)

aaAaaaAaAO
'
T=)m+(MTm+)m+(MTM=T+T //
1
(1.12)

Hình 1.1.Sơ đồ sự hình thành và phân rã của hạt nhân hợp phần.
Luận văn tốt nghiệp Phạm Công Thuyên




8
Hình 1.1a biểu diễn phản ứng tỏa năng ( Q> 0), với:
ba
''
2
εε=TT=Q 
1
(1.13)
Hình 1.1b biểu diễn phản ứng thu năng (Q< 0,
22
)cm+(M<)cm+(M
bBaA
)
 
Q+T=Tvà<Q=TT

'
2
'''
112
0
(1.14)
Đối với phản ứng thu năng,
QT
'

1
và
 
Q=)(T
'
min1

Năng lượng ngưỡng của phản ứng (trong hệ tọa độ phòng thí nghiệm) được
xác định như sau:
 
Q=)m+(M)(TM
aAaA
/
min

 
Q
M
)m+(M
=)(T

A
aA
a min


             
min
O
min
a
aA
a
A
a
min
a
T+Q=T
m+M
m
+Q=Q
M
m
+Q=T
(1.15)
1.3. Phản ứng quang hạt nhân
Tương tác của bức xạ điện từ (cũng được gọi là photon, tia X hoặc là tia
gamma) năng lượng thấp với vật chất chủ yếu thông qua các quá trình như hiệu ứng
quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp [3,5,6,32,79]. Các bức xạ có năng
lượng cao hơn ngưỡng phản ứng sẽ gây ra phản ứng quang hạt nhân. Tiết diện
tương tác của photon với vật chất là tổng của toàn bộ các quá trình trên [17]:

T
γpairComphot
σ+σ+σ+σ=σ
(1.16)
trong đó tiết diện quang điện
2/7
5
~
γ
phot
Z
Z
σ
; tiết diện tán xạ Compton
γ
com
E
Z
σ ~
; tiết
diện tạo cặp
 
γpair
EZ 2ln~
2

và
T
γ

σ
là tiết diện toàn phần của các phản ứng quang
hạt nhân. Tiết diện tương tác phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng của photon tới và
nguyên tử số của hạt nhân bia:

 
γ
EZ,σ ~
(1.17)
Tiết diện toàn phần của phản ứng quang hạt nhân (
T
γ
σ
) là tổng của các quá trình sau
[90]:
Luận văn tốt nghiệp Phạm Công Thuyên



9
             
frγ,σ+fγ,σ+πxnγ,σ+xnypγ,σ+xnγ,σ+pγ,σ+nγ,σ=σ
T
γ
(1.18)
Điều kiện cần để xảy ra một phản ứng quang hạt nhân là năng lượng của
photon tới phải lớn hơn năng lượng ngưỡng của phản ứng đó, nghĩa là
thγ
EE 

[79]. Năng lượng ngưỡng đối với phản ứng quang hạt nhân (,n) được tính theo
công thức sau [8,15]:


















2/1
2
2
)(
2
11)(
cmM
Q
cmME
nB

bBth
(1.19)
trong đó: M
B
và m
b
lần lượt là khối lượng của hạt nhân sản phẩm và khối lượng của
nơtron, c là vận tốc của ánh sáng trong chân không.
Cũng giống như các phản ứng hạt nhân gây bởi hạt tích điện và nơtron, tiết
diện của phản ứng quang hạt nhân phụ thuộc vào năng lượng của chùm photon tới
(E

) và số khối của hạt nhân bia (A). Hình 1.2 chỉ ra sự phụ thuộc của tiết diện một
số loại phản ứng quang hạt nhân vào năng lượng của photon tới.

Hình 1.2.Tiết diện phản ứng quang hạt nhân toàn phần cho một nucleon với các
vùng năng lượng
I- Trạng thái kích thích bền, II – Trạng thái kích thích không bền, III – Vùng cộng
hưởng khổng lồ, IV –Vùng cơ chế giả đơtron, V – Vùng tạo pion.
Luận văn tốt nghiệp Phạm Công Thuyên




10
1.4. Một số mẫu về phản ứng quang hạt nhân
1.4.1. Mẫu hạt nhân hợp phần
Để giải thích cơ chế phát các hạt trong phản ứng quang hạt nhân năng lượng
thấp người ta dựa vào mẫu hấp thụ photon (hay còn gọi là mẫu hạt nhân hợp phần).
Mẫu hạt nhân hợp phần đề cập đến cơ chế phản ứng hạt nhân là quá trình kích thích

quang hạt nhân ban đầu và quá trình phân rã tiếp theo của các hạt nhân kích thích
bằng cách phát ra các hạt và tia gamma. Đặc trưng của mẫu này khi áp dụng cho
phản ứng quang hạt nhân là các hạt nhân sau khi hấp thụ photon tạo thành hạt nhân
hợp phần và chuyển lên trạng thái kích thích thông quan tương tác lưỡng cực.Sau
đó, hạt nhân hợp phần lập tức khử kích thích bằng quá trình phát ra một hay nhiều
hạt.Hiện tượng này gọi là hiệu ứng quang điện hạt nhân [6].
Hiệu ứng quang điện hạt nhân được Courant giải thích như sau: Ông giả thiết
rằng photon chỉ bị hấp thụ bởi một phần nhỏ của hạt nhân thậm chí 1 proton hay 1
notron sau đó phát ra mà không san sẻ năng lượng của nó với phần còn lại của hạt
nhân. Tuy nhiên với các photon năng lượng cao, các kết quả từ thực nghiệm cho
thấy rằng có sự bất đối xứng trong phân bố góc về phía trước của quang proton, đặc
biệt là đối với proton năng lượng cao. Mẫu hạt nhân hợp phần đã không dự đoán
được sự bất đối xứng này [6,3,7].
Mẫu hạt nhân hợp phần là một mẫu phản ứng dựa vào ý tưởng coi hạt nhân
là một giọt chất lỏng. Động năng của hạt tới và năng lượng liên kết giải phóng ra từ
hạt nhân bia (sau khi bắt hạt tới) tuân theo phân bố thống kê đẳng hướng – giống
như sự chuyền nhiệt cho một giọt chất lỏng. Hạt nhân sản phẩm – O được tạo ra với
động năng bằng tổng năng lượng của hạt tới E
kin
(α) và năng lượng liên kết E
B
(α)
của hạt nhân α trong hạt nhân B [30].
α + A

O, E(O) = E
kin
(α) + E
B
(α) (1.20)

Xác suất hình thành hạt nhân hợp phần lớn khi năng lượng kích thích trùng
với mức năng lượng của hạt nhân hợp phần. Hạt nhân hợp phần chỉ phân rã khi
năng lượng (lớn hơn năng lượng liên kết) tập trung cho một nuclon hoặc một nhóm
các nuclon hoặc một nhóm các nuclon bằng cách va chạm giữa các nuclon.
O

b + B
Luận văn tốt nghiệp Phạm Công Thuyên




11
Trong trường hợp bắt notron chậm với năng lượng notron với 1eV, cần
8MeV để tách một hạt notron ra khỏi hạt nhân có số khối trung bình.Sự hình thành
và phân rã của hạt nhân hợp phần là hai quá trình độc lập nhau.Tiết diện phản ứng
phụ thuộc vào năng lượng của hạt tới.
Thời gian sống của trạng thái hạt nhân hợp phần khoảng 10
-18
giây.Thời gian
này lớn hơn nhiều so với thời gian của hạt đi qua hạt nhân.

Hình 1.3: Phản ứng hạt nhân trải qua giai đoạn hợp phần
Với Г: là tổng độ rộng vùng cộng hưởng, σ
a
o
: tiết diện hình thành hạt nhân hợp
phần, phụ thuộc vào năng lượng hạt tới E
kin

(a).
σ
b =
σ
a
o
.
P
b
, P
b
=
Г

Г
, Г
=
∑
Г

, i = a, b, c,….
(1.21)

trong đó: P
b
là xác suất phân rã hạt b của hạt nhân hợp phần, Г
b
là xác suất phân rã
O  b+ B, Г là độ rộng mức tổng cộng ở trạng thái hợp phần.
Để mô tả sự thay đổi về tiết diện phản ứng qua giai đoạn hạt nhân hợp phần

A(a,b)B, ta sử dụng công thức Breit-Wigner:
σ(a,b,E) = σ(a,E
r
).
Г
.
Г

(


)




Г



(1.22)

Trong đó; σ(a,b,E) là tiết diện của phản ứng A(a,b)B; E
r
là năng lượng cộng
hưởng; E là năng lượng của hạt; σ(a,E
r
) là tiết diện hình thành hạt nhân hợp phần; Г
là tổng độ rộng vùng cộng hưởng và Г
b

là độ rộng riêng đối với kênh hình thành hạt
b.
a + A
Г
b + B
E
kin
(α)
E
B
(α)
Luận văn tốt nghiệp Phạm Công Thuyên




12
Trong trường phản ứng hạt nhân xảy ra trước khi toàn bộ năng lượng của
hạt/bức xạ tới được phân chia cho các nuclon của hạt nhân thì gọi nó là “cơ chế
phản ứng tiền cân bằng”.Đối với những phản ứng xảy ra rất nhanh, cỡ 10
-22
s và chỉ
có một số ít nuclon ở gần bề mặt của hạt nhân tham gia vào quá trình tương tác thì
gọi là “phản ứng trực tiếp”.
1.4.2. Cộng hưởng lưỡng cực điện khổng lồ
Lượng tử gamma với năng lượng E

có bước sóng:
-10
1, 2x10

hc
E E
 

 

(1.23)

trong đó  có đơn vị cm và E

(MeV). Điều này có nghĩa là đối với năng
lượng E

= 10 ÷ 20 MeV thì lượng tử có bước sóng >> R
nucl
. Xem xét hai cơ chế
sau, hai cơ chế có một chút khác nhau:
Theo như cơ chế thứ nhất (Goldhaber-Teller model), toàn bộ proton của hạt
nhân được thay thế bởi toàn bộ nơtron, do đó gây nên sự phân cực trong hạt nhân
(hình 1.4a). Dưới tác dụng của lực đàn hồi hạt nhân bị biến đổi thành các pha đối
lập. Tập hợp của các dao động lưỡng cực trong hạt nhân có tần số dao động được
đánh giá qua công thức:
K
M



(1.24)

với K là suất đàn hồi và M là khối lượng của hạt nhân. Trong cơ chế này, vai trò của

lực đàn hồi được thực hiện bởi tương tác của các nucleon với hạt nhân bia. Khi suất
đàn hồi tỉ lệ với diện tích bề mặt của hạt nhân, K R
2
và khi đó:
2
1/ 6
3
1K R
A
M R
R


   

Goldhaber và Teller đưa ra công thức (E

)
res
= 35 A
-1/6
(MeV).
Theo như cơ chế thứ hai (Steinwedel-Jensen model), cộng hưởng lưỡng cực
khổng lồ có thể được hình dung như sự thay thế xen kẽ lần lượt của các proton và
nơtron, trong khi mật độ các nucleon không thay đổi.Trong trường hợp này lực đàn
hồi tỉ lệ với khoảng cách, K  R  A
1/3
. Do đó tần số dao động thu được theo công
thức.
Luận văn tốt nghiệp Phạm Công Thuyên

13
1/3
1K
A
M R


  

Migdal đưa ra giá trị (E

)
res
= 60 A
-1/3
(MeV).
So sánh các kết quả với thực nghiệm chỉ ra rằng sự phụ thuộc của năng
lượng kích thích vào số khối có thể mô tả một cách chính xác hơn bằng cách kết
hợp hai cơ chế này, hay W = 31,2 A
-1/3
+ 20,6 A
-1/6
(MeV).

Hình 1.4: Sự phân cực hạt nhân
Theo như công thức xấp xỉ này thì vị trí của cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ
vào thang năng lượng kích thích thay đổi từ 25,5 đến 13,5 MeV đối với các hạt

nhân có số khối từ 16 -> 250. Có thể biểu diễn đơn giản hơn W = 78 A
-1/3
(MeV)
cho trường hợp đối với hạt nhân nặng [17,28].
Tiết diện phản ứng (xác suất xảy ra phản ứng trên một hạt nhân trong một
giây khi thông lượng của dòng hạt tới bằng 1 hạt/cm
2
.giây) của cộng hưởng khổng
lồ thường được biểu diễn gần đúng bằng đường cong Lorent (đối với hạt nhân nhẹ)
[28]:
22
0
2
2
0
)()(
)(
EEE
E






(1.25)

Trong đó E
0
: năng lượng cộng hưởng; : độ rộng cộng hưởng; 

0
: giá trị tiết
diện cực đại.
Bằng sự so sánh tiết diện hấp thụ quang hạt nhân toàn phần quan sát được và
các tiên đoán lý thuyết đã cho thấy sự hấp thụ lưỡng cực đóng vai trò chính trong
vùng cộng hưởng khổng lồ.
Luận văn tốt nghiệp Phạm Công Thuyên




14
1.4.3. Cơ chế giả đơtron
Cơ chế giả đơtron được Levinger đề xuất được cho là quá trình chính đối
với sự hấp thụ các photon năng lượng cao (40 MeV đến 150 MeV). Đối với các
photon có năng lượng trên vùng cộng hưởng khổng lồ, quá trình này trở nên đáng
kể vì nó dẫn tới tương tác của photon với các cụm hạt nhân (cluster) hơn là tương
tác photon với các nucleon riêng lẻ.Photon tới sẽ ưu tiên tương tác với cặp nơtron-
proton hơn là với cặp proton-proton và cặp nơtron-nơtron vì các cặp đó không có
momen lưỡng cực và sự hấp thụ lưỡng cực điện trong hiệu ứng quang điện là chiếm
ưu thế ở vùng năng lượng cao. Theo như Levinger, sự phân rã ở năng lượng cao liên
quan đến momen lớn hơn truyền giữa hai nucleon và do đó đòi hỏi hai nucleon phải
gần nhau. Điều này là đúng trong cả trường hợp quang phân rã trong các hạt nhân
phức tạp hơn hoặc trong đơtron tự do. Tiết diện phản ứng của giả đơtron có thể biểu
diễn bằng công thức sau [16]:
D
Z
.
A
Q D D

N
L
   
 

(1.26)

trong đó hệ số L được gọi là thông số Levinger. Levinger đưa ra giá trị L =
6,8 trong khi Garvey và các cộng sự đưa ra giá trị L = 10,3. NZ là số cặp nơtron-
proton trong hạt nhân và 
D
là tiết diện phản ứng quang phân rã đơtron tự do và
3/2
3
( )
D
E B
E






(1.27)


D
đạt tới giá trị cực đại bằng hai lần năng lượng liên kết của đơtron, tức là


D
= 2,3 mb tại giá trị năng lượng photon E

= 2B = 4,452 MeV. Vì tương quan
giữa hai nucleon, sự giảm quá trình giả đơtron ở năng lượng thấp hơn 100 MeV
được đưa vào bằng cách nhân biểu thức (1.27) với thừa số suy giảm e
-30/Eγ
.
Các phép đo phổ năng lượng và phân bố góc của các photonucleon năng
lượng cao càng khẳng định tính đúng đắn của mô hình giả đơtron, mặc dù vẫn tồn
tại một số điểm khác biệt không thống nhất giữa kết quả thực nghiệm và lý thuyết
tiên đoán. Mô hình giả đơtron được củng cố thêm bởi các thực nghiệm đo trùng
phùng nơtron-proton. Sự thống nhất giữa kết quả thực nghiệm và lý thuyết giả
đơtron chỉ ra rằng cơ chế chiếm ưu thế ở vùng năng lượng > 40 MeV là sự hấp thụ
photon bởi các cặp nucleon [15,25].
Luận văn tốt nghiệp Phạm Công Thuyên




15
1.4.4.Phản ứng photospallation
Trong các phản ứng hạt nhân năng lượng cao trên các hạt nhân trung bình và
nặng, phản ứng photospallation (,xnyp) là một kênh phản ứng cạnh tranh chiếm ưu
thế hơn trong các kênh phản ứng khác, trong đó x là số nơtron, y là số proton phát
ra sau phản ứng (x  1, y 1). Phản ứng photospallation là các phản ứng quang hạt
nhân sinh ra nhiều hạt, thường xảy ra với vùng năng lượng từ 40 MeV trở lên.
Bức xạ hãm được tạo bởi chùm electron năng lượng cao từ máy gia tốc đuợc
sử dụng để nghiên cứu các phản ứng photospallation. Vì thế các số liệu về tiết diện
phản ứng photospallation là rất cần thiết không chỉ góp phần làm sáng tỏ cơ chế

phản ứng mà còn có thể sử dụng trong việc đảm bảo an toàn bức xạ trên các máy
gia tốc electron.
Cơ chế của các phản ứng photospallation được giải thích dựa trên cơ sở mô
hình thác lũ bên trong hạt nhân (intranuclear cascade) của Serber. Theo mẫu do
Serber đề xuất, phản ứng quang hạt nhân năng lượng cao có hai giai đoạn. Trong
giai đoạn khởi đầu là hạt tới va chạm với các nucleon riêng lẻ trong hạt nhân bia, sự
tái hấp thụ các pion, sự tán xạ của các nucleon giật lùi tạo nên một thác lũ các
nucleon, pion bên trong hạt nhân. Ở giai đoạn này hạt nhân có thể phát xạ các
nucleon riêng lẻ hoặc các nhóm nucleon cũng như các pion. Giai đoạn tiếp theo các
hạt nhân dư vẫn còn đủ năng lượng, chúng có thể khử kích thích thông qua hai kênh
cạnh tranh phân hạch và quá trình bay hơi các hạt. Nhìn chung, sự phát xạ các hạt
theo cơ chế bay hơi có xác xuất lớn nhất trong quá trình khử kích thích các hạt nhân
dư. Quá trình bay hơi kéo dài tới khi năng lượng kích thích giảm đến mức không
còn hạt nào phát xạ tiếp. Điều này có nghĩa là tạo thành sản phẩm spallation cuối
cùng và năng lượng kích thích còn lại được giải phóng dưới dạng các bức xạ
gamma [19,22].
Khi các photon hãm năng lượng cao tương tác với hạt nhân bia, các hạt nhân
sản phẩm chủ yếu được tạo thành từ các phản ứng quang hạt nhân loại spallation
với cơ chế bay hơi. Phản ứng photospallation chiếm ưu thế trong các phản ứng hạt
nhân ở vùng năng lượng cao. Đánh giá suất lượng của những phản ứng này từ số
liệu kích hoạt nói chung là khá phức tạp vì những cộng hưởng khổng lồ photon
trong phổ bức xạ hãm. Phân bố suất lượng phản ứng photospallation được phân tích
trên cơ sở của công thức bán thực nghiệm của Rudstam [9,12].
Luận văn tốt nghiệp Phạm Công Thuyên



16

Hình 1.5: Suất lượng của các phản ứng quang hạt nhân trên bia

197
Au và bia
209
Bi
1.4.5. Công thức Rudstam
Phương pháp Monte Carlo được sử dụng trong tính toán sự bay hơi của các
hạt từ hạt nhân bị kích thích. Điểm khởi đầu là một hạt nhân kích thích và một tập
hợp các số được lựa chọn ngẫu nhiên. Các số này biểu thị loại và năng lượng của
hạt được bay hơi. Các số ngẫu nhiên mới được định nghĩa cho quá trình bay hơi tiếp
theo, quá trình này được lặp đi lặp lại cho tới khi năng lượng kích thích không còn
đủ cho quá trình tiếp theo.
Phương pháp tính được dựa trên công thức đệ quy:
,
'
( , , ) ( , , ')( )( , , ', ) '
ij
i j
U
F Z A U dU F Z i A j U P Z i A j U U dU dU    



(1.28)

Trong đó F(Z,A,U)dU là xác suất các hạt nhân có số hiệu nguyên tử Z và số
khối A bị biến dạng với năng lượng kích thích từ U đến U + dU. P
ij
là xác suất
tương đối mà một hạt có số hiệu nguyên tử i, số khối j và động năng nằm trong
khoảng từ (U’ - U - S

ij
– dU) đến (U’ - U - S
ij
) được phát ra. S
ij
là năng lượng tách.
Các hạt bay hơi được đưa vào tính toán là nơtron, proton, đơtron,
3
H,
3
He và
4
He.
Khởi đầu từ các hạt nhân ban đầu có năng lượng kích thích xác định, công
thức (1.28) được áp dụng lặp đi lặp lại cho tới khi các sản phẩm cuối cùng được tạo
ra, tức là khi trạng thái có năng lượng kích thích thấp cấm quá trình bay hơi của hạt.
Luận văn tốt nghiệp Phạm Công Thuyên




17
Các sản phẩm phản ứng này đóng góp xác suất F(Z,A,U) dU vào xác xuất toàn phần
tạo hạt nhân (Z,A).
Trong thực tế, tích phân trong công thức (1.28) được thay thế bằng tổng theo
khoảng năng lượng kích thích. Năng lượng kích thích của các hạt nhân xuất hiện
trong công thức (1.28) được chia thành các khoảng = U, khi đó công thức (1.28)
trở thành:
ijn
( , , ) ( , , ) ( , , , )

ij
F Z A U F Z i A j n P Z i A j n m
    


(1.29)

P
ij
(Z+I,A+j,n,m) là xác suất phát ra các hạt (i,j) từ các hạt (Z+i,A+j) (trong
khoảng trạng thái kích thích thứ n) với động năng mà sản phẩm (Z,A) bị biến dạng
với năng lượng kích thích từ (m-1)U tới m.U.
Năng lượng kích thích của sản phẩm thu được là :
ijn
ij ij
1
( , , ) ( , , ) ( , , , )
( , , )
( , , ) ( , ) ( , , , )
ij
U Z A m F Z i A j n P Z i A j n m
F Z A m
x U Z i A j n S Z i A j E Z i A j n m
    
 
       
 


với E

ij
là năng lượng trung bình của hạt được phát ra .
Xác suất phát hạt :
2/3 2 1 2 3 2 1 3 2
2
1
onst x g m A ( 2 1) ( 1 1) [ ( 2 3 2 6 2 6) ( 1 3 1 6 1 6)
2a 8a
y y y y
R
P c e y e y e y y y e y y y



 
 
            
 
 
 
Với g là số các trạng thái spin của hạt bị bay hơi, m là khối lượng hạt bay
hơi, a và  là các thông số trong công thức mật độ mức:
2[a(U- )]
( ) onst x eU c




Với U là năng lượng kích thích, S là năng lượng tách hạt, R = U – S - , y1 =
2[a(R-E

1
)]
1/2
, y2 = 2[a(R-E
2
)]
1/2
2/3 2 y2 y1
y2 3 2 y1 3 2
2
y2 5 4 3 2
3
y1 5 4 3 2
1
onst x g m A {- ( )[e (y2-1)-e (y1-1)]
2a
1
+ (2 )[e (y2 -3y2 +6y2-6)-e (y1 -3y1 +6y1
-6)]
8a
1
- [e (y2 -5y2 +20y2 -60y2 +120y2-120)
32a
- e (y1 -5y1 +20y1 -60y1 +120y1-
E c R R
R
 

 


120)]}/P

Luận văn tốt nghiệp Phạm Công Thuyên




18
Đường đứt nét tương ứng U = 2 MeV, đường liền nét U = 4 MeV, đường
chấm chấm U = 8 MeV. Hạt nhân ban đầu là
59
Co có năng lượng kích thích 140
MeV [13].
So sánh giữa các tính toán lý thuyết và thực nghiệm đã cho thấy tiết diện
phản ứng thay đổi có quy luật theo số hiệu nguyên tử Z và số khối A. Thực tế phân
bố suất lượng phản ứng được biểu diễn qua công thức bán thực nghiệm Rudstam:
2
[PA-R Z-SA+TA ]
( , ) onst x eZ A c



(1.30)

Suất lượng spallation được làm khớp với công thức thực nghiệm 5 thừa số
của Rudstam, mô tả suất lượng thông qua phân bố điện tích (CD) và phân bố khối
(MD) [24]:
3/2
* 2 / 3 2
t

exp[PA-R Z-SA+TA ]
( , )
1.79{exp(PA -1)}
PR
Z A




(1.31)

trong đó:
(Z, A) là tiết diện phản ứng hạt nhân (Z, A) được tạo thành từ bia (Z
t
, A
t
),
P, 
*
, R, S và T là các thông số tự do.
+ Thông số P xác định độ dốc của đường cong phân bố suất lượng khối,
+ 
*
là tiết diện tán xạ không đàn hồi,
+ R là độ rộng,
+ S và T là vị trí của CD qua điện tích có thể nhất Z
p
=S A – T A
2
.

Thông số R là độc lập với loại và năng lượng của hạt được bắn ra; R phụ
thuộc số khối sản phẩm A và điện tích Z; R = d’ A
-e’
, với d’ và e’ là hằng số. Vị trí
đỉnh Z
p
của CD phụ thuộc vào năng lượng phân tách proton và nơtron, phụ thuộc
vào hàng rào thế Culong.S và T thường là hằng số.
Công thức Rudstam về phân bố suất lượng của các sản phẩm phản ứng còn
có thể được biểu diễn bằng công thức sau [16,18]:
]exp[
)1(79.1
2/3
2
3/2
TASAZRPA
e
PR
kY
t
PA





(1.32)

Luận văn tốt nghiệp Phạm Công Thuyên

19
trong đó: Z là điện tích của hạt nhân sản phẩm; A là số khối hạt nhân sản
phẩm; A
t
là số khối của hạt nhân bia; Các hệ số k, P, R, S, T,  là các hệ số bán thực
nghiệm.

Hình 1.6: Phân bố suất lượng của hạt nhân có số khối 50. [14].


Luận văn tốt nghiệp Phạm Công Thuyên




20
Chương 2
PHƯƠNG PHÁP VÀ KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG TRONG
NGHIÊN CỨU
2.1. Máy gia tốc electron tuyến tính
Nguyên lí chung của máy gia tốc electron tuyến tính là: các electron được gia
tốc bởi điện trường tần số cao đặt tại các trạm trên ống gia tốc. Độ dài của các phần
ống gia tốc liên tiếp được điều chỉnh tăng dần theo tốc độ của hạt và phải đảm bảo
sự phù hợp giữa pha của sóng điện từ và tốc độ hạt. Các electron được tạo ra dưới
dạng xung từ các súng bắn điện từ (RF - gun). Pha của các tín hiệu ở mỗi trạm được
điều chỉnh sao cho các electron có thể liên tục nhận được năng lượng từ sóng
chuyển động và nó đạt tới vị trí đỉnh của sóng ở điểm cuối của những ống dẫn sóng,
như vậy electron liên tục được gia tốc. Việc hội tụ dòng electron được thực hiện bởi

từ trường được tạo ra từ các nam châm điện bên ngoài ống dẫn sóng. Các electron
chuyển động theo một đường thẳng.
Thiết bị gia tốc chính của Trung tâm Gia tốc Pohang là máy gia tốc tuyến
tính 2,5 GeV. Đây là một máy gia tốc lớn có thể tạo ra chùm electron năng lượng
tới 2,5 GeV, độ rộng xung 1 ns, tần số của xung 10 Hz, dòng lớn hơn 2A. Các bộ
phận chính bao gồm một súng bắn electron, 12 klytron, 44 đoạn ống gia tốc, 6 bộ ba
nam châm tứ cực, 6 nam châm lái dòng, 3 nam châm uốn dòng Tổng chiều dài của
máy gia tốc là 160 mét. Máy gia tốc electron tuyến tính 2,5 GeV cung cấp chùm
electron năng lượng cao cho thiết bị tạo nguồn bức xạ synchrotron (storage ring),
ngoài ra còn có thể tạo ra nguồn bức xạ hãm và nơtron năng lượng cao phục vụ
nhiều mục đích nghiên cứu và ứng dụng khác nhau.
Thí nghiệm nghiên cứu phân bố suất lượng của các phản ứng quang hạt nhân
trên bia Mo được thực hiện với chùm bức xạ hãm năng lượng cực đại 2,5 GeV trên
máy gia tốc tuyến tính 2,5 GeV tại Trung tâm Gia tốc Pohang, Đại học Khoa học và
Công nghệ Pohang, Hàn Quốc. Hình P1, P2 là một phần máy gia tốc electron tuyến
tính 2,5 GeV tại Trung tâm Gia tốc Pohang, Hàn Quốc.
Luận văn tốt nghiệp Phạm Công Thuyên



21
2.2.Xác định suất lượng phản ứng
Trong quá trình kích hoạt đồng thời diễn ra hai quá trình: Sự tạo thành các
hạt nhân phóng xạ từ hạt nhân bền sau phản ứng và sự phân rã của các hạt nhân
phóng xạ .
Khi một bia mỏng được bắn phá bởi một chùm hạt tới. Trong trường hợp
kích thước của mẫu nhỏ hơn tiết diện của chùm hạt tới, tốc độ tạo thành hạt nhân
phóng xạ (số hạt nhân tạo thành trong một đơn vị thời gian) là [29]:

(2.1)

Trong đó,  là tiết diện phản ứng hạt nhân (cm
2
),  là thông lượng chùm hạt
tới (số hạt trên một đơn vị diện tích và trên một đơn vị thời gian), N
0
là tổng số
nguyên tử có trong mẫu (N
0
= (m/M)N
A
, trong đó m khối lượng của nguyên tố
trong mẫu, M là trọng lượng nguyên tử , N
A
= 6,0210
23
là số Avogadro).
Tuy nhiên các hạt nhân phóng xạ không chỉ được tạo thành mà còn phân rã
trong thời gian chiếu xạ. Phân rã phóng xạ là một quá trình thống kê, nếu số hạt
nhân phóng xạ ở thời điểm t là N thì tốc độ phân rã được tính như sau :

(2.2)

trong đo  là hằng số phân rã , (=ln2/T
1/2
, T
1/2
là thời gian bán rã).
Tích phân phương trình (2.2), ta được phương trình phân rã phóng xạ :

(2.3)

trong đó N
0
là số hạt nhân ban đầu (t=0).
Kết hợp phương trình (2.2) và (2.3) ta nhận được tốc độ thay đổi của số hạt
nhân phóng xạ trong thời gian chiếu xạ :

(2.4)

Tích phân phương trình (2.4) với điều kiện ban đầu N=0 ta có số hạt nhân
phóng xạ tại thời điểm kết thúc chiếu xạ :
0
N
dt
dN

N
dt
dN

t0
eN)t(N


NN
dt
dN
0


Luận văn tốt nghiệp Phạm Công Thuyên



22

(2.5)

trong đó t
i
là thời gian chiếu xạ.
Việc đo hoạt độ phóng xạ thường không thực hiện ngay sau khi kết thúc
chiếu mà thường sau một thời gian gọi là thời gian phân rã t
d
hay còn gọi là thời
gian làm nguội. Hoạt độ phóng xạ giảm theo quy luật hàm mũ, số hạt nhân phóng
xạ tại thời điểm kết thúc thời gian phân rã là :

(2.6)

Việc đo hoạt độ phóng xạ được thực hiện trong khoảng thời gian t
c
còn gọi là
thời gian đếm. Số hạt nhân phóng xạ vẫn chưa phân rã ở thời điểm cuối của thời
gian đo là :

(2.7)

Số hạt nhân phân rã trong thời gian đo (N
C

) là sự khác nhau của số hạt nhân
phóng xạ tại thời điểm bắt đầu đo hay chính là tại thời điểm kết thúc giai đoạn gian
làm nguội (N
EOD
) và số hạt nhân phóng xạ tại thời điểm kết thúc đo (N
EOC
).

(2.8)

Số sự kiện thực tế ghi nhận được luôn nhỏ hơn số hạt nhân phân rã vì hiệu
suất ghi bức xạ của detectơ <100% , cường độ tương đối của bức xạ gamma (tỷ số
phân nhánh ) I

≤100%. Ngoài ra còn một phần tia phóng xạ bị hấp thụ ở trong mẫu,
một phần số đếm bị mất do hiệu ứng thời gian chết, hiệu ứng cộng đỉnh, hiệu ứng
chồng chập xung , do thiết bị gây ra. Do đó tỉ lệ số xung đo được trên máy và số
xung thực, F<100% . Như vậy số đếm tuyệt đối tại đỉnh gamma ghi nhận được (C)
là [24]:

(2.9)

Phương trình 2.9 cho mối liên hệ giữa số đếm tại đỉnh gamma và các đại
lượng quan tâm, dựa vào mỗi liên hệ đó sẽ tính được suất lượng phản ứng.
)e1(
N
N
i
t
0

EOI





d
i
t
t
0
EOD
e)e1(
N
N






cdi
ttt
0
EOC
ee)e1(
N
N






)e1(e)e1(
N
NNN
cd
i
tt
t0
EOCEODC






)e1(e)e1(
FIN
C
cd
i
ttt
0







Luận văn tốt nghiệp Phạm Công Thuyên




23
Suất lượng ở đây được định nghĩa là số phản ứng xảy ra trong một trong một
đơn vị thời gian (thường là 1 giây) và trên một đơn vị khối lượng mẫu. Từ hoạt độ
phóng xạ ghi nhận được ta có thể xác định được suất lượng của phản ứng hạt nhân
như sau:
0
(1 ) (1 )
i d c
t t t
C
Y N
I F e e e
  




  
 
 

(2.10)

Biểu thức (2.10) biểu diễn mối quan hệ giữa suất lượng và các đại lượng vật lý
và thực nghiệm như diện tích đỉnh gamma, số hạt nhân bia , hiệu suất ghi của

đêtectơ, xác suất phát xạ tia gamma, thời gian chiếu, thời gian phơi và đo mẫu. Với
đồng vị phóng xạ được tạo thành trong phản ứng hạt nhân xác định, thì hằng số
phân rã  đã biết, cường độ I

ứng với bức xạ đặc trưng của vạch gamma đặc trưng
được lựa chọn để phân tích được tra trong các bảng số liệu hạt nhân. Thời gian
chiếu mẫu, thời gian phơi mẫu và thời gian đo hoàn toàn xác định được. Hiệu suất
ghi của đêtectơ  xác định bằng thực nghiệm. Độ chính xác khi xác định suất lượng
phản ứng phụ thuộc vào độ chính xác khi xác định diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần
của bức xạ gamma đặc trưng cũng như các hiệu chỉnh liên quan tới việc xác định
hoạt độ của hạt nhân phóng xạ tạo thành trong phản ứng.
2.3.Kỹ thuật ghi nhận và phân tích phổ gamma
2.3.1. Phổ kế gamma
Hiện nay việc ghi nhận phổ gamma chủ yếu sử dụng các hệ phổ kế gamma
đa kênh, bao gồm: đêtectơ bán dẫn gecmani siêu tinh khiết HPGe, các hệ điện tử
như tiền khuếch đại, khuếch đại phổ, bộ biến đổi tương tự số (ADC), máy phân tích
biên độ nhiều kênh (MCA), nguồn nuôi cao áp, Ngoài ra còn có thể có các bộ
phận khác như máy phát xung chuẩn hoặc bộ loại trừ chồng chập xung để hiệu
chỉnh các hiệu ứng gây mất số đếm trong trường hợp tốc độ đếm lớn, … Hệ phổ kế
được ghép nối với máy tính, việc ghi nhận và xử lý phổ được thực hiện bằng các
phần mềm chuyên dụng. Hình 2.3 là sơ đồ khối của một hệ phổ kế gamma thông
dụng.
Phổ kế gamma đa kênh có ưu điểm hơn hẳn so với máy đếm đơn kênh. Nó
không chỉ đơn thuần đếm số hạt bay đến đêtectơ mà còn phân biệt chúng theo năng
lượng. Vì sản phẩm sau phản ứng gồm nhiều đồng vị khác nhau, phát ra các bức xạ
gamma có năng lượng khác nhau, do đó việc sử dụng phổ kế gamma đa kênh giúp