Nghiên cứu một số đặc trưng của phản ứng quang hạt nhân trên bia zr với chùm bức xạ hãm năng lượng cực đại 2,5 gev

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

ĐỒNG THỊ KIM CÚC

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CỦA PHẢN ỨNG
QUANG HẠT NHÂN TRÊN BIA Zr VỚI CHÙM BỨC XẠ
HÃM NĂNG LƢỢNG CỰC ĐẠI 2,5 GeV

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2015


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

ĐỒNG THỊ KIM CÚC

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CỦA PHẢN ỨNG
QUANG HẠT NHÂN TRÊN BIA Zr VỚI CHÙM BỨC XẠ
HÃM NĂNG LƢỢNG CỰC ĐẠI 2,5 GeV
Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
Mã số

: 60440106

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. PHẠM ĐỨC KHUÊ

Hà Nội – 2015


DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Hình ảnh minh họa về phản ứng hạt nhân………………...………………4
Hình 1.2. Hàm kích thích của phản ứng hạt nhân…………………………..……….9
Hình 1.3 Tiết diện phản ứng quang hạt nhân toàn phần cho một ncleon với các
vùng năng lƣợng khác nhau…………………………….....…………………….…10
Hình 1.4 Suất lƣợng của các phản ứng quang hật nhân trên bia

197

Au và bia 209Bi

với năng lƣợng chùm bức xạ hãm 1 GeV…………………………………...…..…14
Hình 1.5. Phân bố suất lƣợng của các hạt nhân sản phẩm trên bia Cu gây bởi chùm
bức
xạ
hãm
1000MeV…………………………………………………………………..….…...16
Hình 1.6. Tốc độ mất năng lƣợng do va chạm và phát bức xạ của eletron trong
Cu…….17
Hình 1.7. Phổ bức xạ hãm phát ra từ bia Al và W khi bắn phá bởi chùm eletron năng
lƣợng 165 MeV……………………………………………………………....…….18
Hình 2.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu………………………………..…….19
Hình 2.2. Máy gia tốc tuyến tính 2,5 GeV của Trung tâm Gia tốc Pohang,
POSTECH,

Hàn
Quốc……………………………………………………………………...………...21
Hình 2.3. Phổ bức xạ hãm phát ra từ bia W khi bắn phá bở chùm eletron năng lƣợng
2,5 GeV đƣợc mô phỏng bởi phần mềm Geant4…………………………………..21
Hình 2.5. Các detecto bán dẫn Ge siêu tinh khiết HPe (ORTEC và CANBERRA)
đƣợc sử dụng trong nghiên cứu……………………………………….……………23
Hình 2.6. Hệ điện tử và máy tính kết nối ghi nhận phổ
gamma…………………..................................................................................…….23
Hình 2.7. Đƣờng cong hiệu suất ghi đỉnh quang điện của detecto bán dẫn HPGe
(Canberra) sử dụng trong nghiên cứu……………………………………...………25
Hình 2.8. Đƣờng cong hiệu suất ghi đỉnh quang điện của detecto bán dẫn HPGe
(ORTEC) sử dụng trong nghiên cứu………………………………………………25


Hình 2.9. Phổ gamma của mẫu Zr với thời gian chiếu 4 giờ, thời gian phơi 180 phút
và thời gian đo 15 phút…………………………………………….....…………...27
Hình 2.10. Phổ gamma của mẫu Zr với thời gian chiếu 4 giờ, thời gian phơi 905 giờ
và thời gian đo 48 giờ…………………………………………………….……….28
Hình 2.11. Sự phụ thuộc của hoạt độ phóng xạ vào thời gian kích hoạt (ti) và thời
gian phân rã (td) và thời gian đo (tm)………………………………………………31
Hình 3.1. Phân bố suất lƣợng của các phản ứng trên bia

nat

Zr theo số khối của các

hạt nhân sản phẩm………………………………………………………...……….48


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1. Đặc trƣng của mẫu Zr đƣợc sử dụng……………………………………19
Bảng 2.2. Các thông số của thí nghiệm…………………………....……………….20
Bảng 3.1. Kết quả nhận diện các phản ứng quang hạt nhân gây bởi chùm bức xạ
hãm 2,5 GeV trên bia Zr tự nhiên………………………………………………….36
Bảng

3.2.

Suất

lƣợng

của

các

phản

ứng

quang

hạt

nhân

thu

đƣợc……………………..........................................................................................45

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Nghĩa tiếng anh

Nghĩa tiếng việt

HPGe

High-purtity Germanium

Bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG QUANG HẠT NHÂN .....................3
1.1. Một số đặc trƣng cơ bản của các phản ứng hạt nhân .................................................. 3
1.1.1. Khái niệm về phản ứng hạt nhân...................................................................................... 3
1.1.2. Năng lƣợng phản ứng hạt nhân ........................................................................................ 4
1.1.3. Khái niệm về tiết diện phản ứng hạt nhân ....................... Error! Bookmark not defined.
1.1.4. Tốc độ và suất lƣợng phản ứng hạt nhân ........................ Error! Bookmark not defined.

1.2.Phản ứng quang hạt nhân ........................................... Error! Bookmark not defined.
1.2.1. Khái niệm về phản ứng quang hạt nhân .......................... Error! Bookmark not defined.
1.2.2. Cộng hƣởng lƣỡng cực điện khổng lồ ............................. Error! Bookmark not defined.
1.2.3. Cơ chế giả đơtron ............................................................ Error! Bookmark not defined.
1.2.4. Phản ứng photospallation ................................................ Error! Bookmark not defined.

1.3.Bức xạ hãm từ máy gia tốc electron ........................... Error! Bookmark not defined.

CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆUError! Bookmark not
defined.
2.1. Thí nghiệm nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên biaZrError! Bookmark not
defined.
2.2. Máy gia tốc electron tuyến tính 2,5 GeV .................. Error! Bookmark not defined.
2.3. Ghi nhận và phân tích phổ gamma ............................ Error! Bookmark not defined.
2.5. Một số hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác của kết quả đoError!

Bookmark

not

defined.

CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............ Error! Bookmark not defined.
3.1. Kết quả nhận diện đồng vị phóng xạ tạo thành ......... Error! Bookmark not defined.
3.3. Xác định suất lƣợng của các phản ứng quang hạt nhânError!

Bookmark

not

Bookmark

not

defined.
3.4. Phân bố suất lƣợng của các phản ứng photospallationError!

defined.

KẾT LUẬN ............................................................... Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................5



MỞ ĐẦU
Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học kĩ thuật, phản ứng hạt nhân đã
không còn là khái niệm xa lạ đối với con ngƣời hiện nay. Những nghiên cứu về các
phản ứng hạt nhân đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển khoa học công nghệ
cao và tìm hiểu sâu hơn về bản chất của thế giới tự nhiên còn nhiều bí ẩn. Nghiên
cứu phản ứng hạt nhân có thể thu đƣợc các thông tin giúp chúng ta nhận biết về cấu
trúc cũng nhƣ các tính chất của hạt nhân, đồng thời có thể triển khai các kết quả
nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau nhƣ khai thác năng lƣợng hạt
nhân, chế tạo và ứng dụng các đồng vị phóng xạ, sử dụng các số liệu hạt nhân trong
tính toán che chắn an toàn bức xạ,... Chính vì vậy mà ngày nay phản ứng hạt nhân
đã trở thành một hƣớng nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu hạt nhân
cơ bản và ứng dụng.
Cho tới nay đa số các phản ứng hạt nhân đƣợc thực hiện với các chùm hạt
tích điện và với nơtron. Các nghiên cứu về phản ứng quang hạt nhân chƣa nhiều,
phần lớn tập trung ở vùng năng lƣợng thấp, một số ở vùng năng lƣợng cao hơn, tuy
nhiên các số liệu thực nghiệm tại vùng năng lƣợng GeV còn tƣơng đối ít và tản
mạn, chƣa đủ nhiều để xây dựng các mẫu hạt nhân bán thực nghiệm hoặc kiểm tra
sự phù hợp của các mô hình lý thuyết. Trong những năm gần đây nhờ sự phát triển
của các máy gia tốc điện tử có khả năng sinh bức xạ hãm với năng lƣợng nằm trong
giải rộng và cƣờng độ lớn, tạo điều kiện cho việc đẩy mạnh nghiên cứu về phản ứng
quang hạt nhân.
Nếu phản ứng hạt nhân xảy ra với các hạt mang điện tích và nơtron theo cơ
chế tƣơng tác mạnh thì phản ứng quang hạt nhân xảy theo cơ chế tƣơng tác điên từ

và cơ chế phản ứng phụ thuộc mạnh vào năng lƣợng/bƣớc sóng của photon tới. Cơ
chế tƣơng tác của photon với hạt nhân nguyên tử có thể phân chia theo ba vùng
năng lƣợng: trong vùng năng lƣợng 8-40 MeV photon có bƣớc sóng tƣơng đƣơng
với kích thƣớc của hạt nhân và nó có thể tƣơng tác trực tiếp với hạt nhân. Các
nuclon trong hạt nhân hấp thụ năng lƣợng của photon, tạo ra dao động tập thể dẫn
đến sự hấp thụ cộng hƣởng lƣỡng cực khổng lồ. Khi năng lƣợng tăng thì bƣớc sóng
của photon giảm và photon có thể tƣơng tác với các cặp n-p theo cơ chế giả đơteri
hoặc tƣơng tác trực tiếp với từng nuclon trong hạt nhân. Ở năng lƣợng cao hơn150
MeV có sự tạo thành pion từ các phản ứng sinh nhiều hạt.

1


Bản luận văn: “Nghiên cứu một số đặc trƣng của phản ứng quang hạt
nhân trên bia Zr với chùm bức xạ hãm năng lƣợng cực đại 2,5 GeV.” nhằm tiếp
cận với lĩnh vực nghiên cứu phản ứng hạt nhân trong vùng năng lƣợng GeV. Mục
đích chính của luận án là nhận diện các sản phẩm của phản ứng quang hạt nhân, xác
định suất lƣợng và phân bố suất lƣợng của chúng. Đối tƣợng nghiên cứu đƣợc chọn
là Zirconi tự nhiên có năm đồng vị bền là 90Zr, 91Zr, 92Zr, 94Zr, 96Zr. Zr là kim loại
có tiết diện bắt nơtron nhiệt lớn, có độ bền cơ học cao và khả năng chống ăn mòn
hóa học tốt. Zr là một loại vật liệu quan trọng là vỏ bọc thanh nhiên liệu trong lò
phản ứng hạt nhân. Nghiên cứu thực nghiệm đƣợc tiến hành trên cơ sở kết hợp
phƣơng pháp kích hoạt phóng xạ với phƣơng pháp đo phổ gamma của các sản phẩm
phóng xạ đƣợc taọ thành sau phản ứng sử dụng đetectơ bán dẫn Gecmani siêu tinh
khiết (HPGe) có độ phân giải năng lƣợng cao. Thí nghiệm đƣợc thực hiện trên máy
gia tốc electron tuyến tính 2,5 GeV tại Trung tâm gia tốc Pohang, Hàn Quốc.
Bố cục của luận văn ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, đƣợc
chia làm 3 chƣơng.
Chƣơng 1: Trình bày tổng quan lý thuyết về phản ứng quang hạt nhân, và
một số kết quả nghiên cứu về phản ứng quang hạt nhân.

Chƣơng 2: Tìm hiểu thí nghiệm nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân sinh
nhiều hạt trên bia Zr với chùm bức xạ hãm năng lƣợng cực đại 2,5 GeV đƣợc tạo ra
trên máy gia tốc electron tuyến tính, các phƣơng pháp và kỹ thuật phân tích, xử lí số
liệu thực nghiệm.
Chƣơng 3: Trình bày kết quả thực nghiệm đoán nhận các đồng vị phóng xạ
tạo thành, xác định suất lƣợng và phân bố suất lƣợng của các phản ứng quang hạt
nhân.

2


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG QUANG HẠT NHÂN
1.1. Một số đặc trƣng cơ bản của các phản ứng hạt nhân
1.1.1. Khái niệm về phản ứng hạt nhân
Phản ứng hạt nhân là quá trình biến đổi hạt nhân gây bởi sự va chạm của hai
hạt nhân, giữa nucleon với hạt nhân hoặc sự biến đổi hạt nhân gây bởi các bức
xạ/hạt cơ bản khác. Phản ứng hạt nhân xảy ra ở khoảng cách cỡ 10-13 cm. Thông
thƣờng phản ứng hạt nhân xảy ra do sự bắn phá các hạt nhân bởi các chùm hạt nhƣ
nơtron, proton, hạt alpha, photon, các ion nặng. Do sự va chạm mạnh giữa hạt tới và
hạt nhân bia mà sau phản ứng xuất hiện hai hay nhiều hạt bay ra theo các phƣơng
khác nhau.
Trƣờng hợp đơn giản xét phản ứng hạt nhân tạo ra hai hai hạt sau phản ứng:
a+AB+b+Q

(1.1)

trong đó a là hạt tới, A là hạt nhân bia , B là hạt nhân sản phẩm, b là hạt hoặc bức
xạ phát ra. Hạt a và b có thể là proton (p), nơtron (n), alpha (), electron (e) gamma
(), đơtron (D), Triton (T), các ion nặng,...Q là năng lƣợng phản ứng.
Phản ứng hạt nhân có thể phân loại thành: Tán xạ đàn hồi, Tán xạ không đàn

hồi, Phản ứng biến đổi hạt nhân và một số phản ứng khác nhƣ phản ứng sinh nhiều
hạt, phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch .
Thang thời gian của phản ứng hạt nhân cỡ 10-22 s, thời gian phản ứng trực
tiếp có bậc độ lớn là 10-22 s, còn thời gian phản ứng hạt nhân hợp phần vào cỡ 10-1610-15 s với chùm năng lƣợng thấp và khoảng 10-21- 10-20 s với chùm năng lƣợng cao.
Ngoài ra có thể phân loại phản ứng hạt nhân theo loại hạt vào: n, , hạt tích
điện, ion nặng,…theo cơ chế phản ứng: hợp phần (compound), tiền cân bằng
(preequilibium), trực tiếp (direct interaction),…
Phản ứng hạt nhân không phải hoàn toàn là tƣơng tác mạnh, nó tùy thuộc vào
hạt tới. Phản ứng hạt nhân là tƣơng tác mạnh nếu hạt đến là proton, nơtron, ions....
Phản ứng hạt nhân có thể là tƣơng tác điện từ nếu hạt đến là photon, electron, ions...
Còn khi hạt đến là nơtrino thì phản ứng hạt nhân thuộc loại tƣơng tác yếu [3].

3


Hình 1.1: Hình ảnh minh họa về phản ứng hạt nhân
1.1.2. Năng lượng phản ứng hạt nhân
Hạt nhân có kích thƣớc rất nhỏ (cỡ 10-12 cm), liên kết hoá học giữa các nguyên
tử lại rất nhỏ, vì vậy hệ hai hạt nhân tƣơng tác với nhau có thể xem là một hệ cô lập,
do đó: Tổng năng lƣợng cũng nhƣ xung lƣợng của các hạt trong hệ đƣợc bảo toàn.
Xét phản ứng A(a,b)B, ta có:
mac2 + MAc2 + Ea+ EA = mbc2 + MBc2 + Eb+ EB

(1.2)

trong đó:
ma , MA2 , mb,MB , mac2 , MAc2 , mbc2 ,MBc2 là khối lƣợng và năng lƣợng tĩnh
của các hạt a, A, b, B.
Ea, EA , Eb , EB là động năng của các hạt a, A, b, B.
Đặt E01= (ma + MA) c2; E02= (mb + MB) c2 gọi là năng lƣợng nghỉ,

E1 = Ea+EA ;E2 = Eb+ EB là động năng trƣớc và sau phản ứng. Thông thƣờng
xem hạt nhân bia A đứng yên, E1 = Ea
Hiệu E01 - E02 đƣợc gọi là năng lƣợng của phản ứng, ký hiệu là Q:

4


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tiếng việt
1. Nguyễn Văn Đỗ (2004), "Các phương pháp phân tích hạt nhân", NXB Đại
học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội.
2. Lê Hồng Khiêm (2008), "Phân tích số liệu trong ghi nhận bức xạ", NXB Đại
học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội.
3. Phạm Đức Khuê (2013), Tập bài giảng “Phản ứng hạt nhân”, Hà Nội 2013.
4. Đặng Huy Uyên (2005), “Vật lý hạt nhân đại cương”, NXB Đại học quốc
gia Hà Nội, Hà Nội.
Tài liệu tiếng anh
5. A. S. Danagulyan, S. Demekhina and G. A. Vartapetyan (1977),
"Photonuclear reactions in medium weight nuclei
Phys. A 285, 482.

51

V,

55

Mn and Cu", Nucl.

6. D. J. S. Findlay (1990), “Applications of photonuclear reactions”, Nucl.

Instr. and Meth. B 50, 314.
7. G.J. Kumbartzki, Ung Kim and Ch. K. Kwan (1991), “ Photonspallation of
medium – heavy elements with bremsstrahlung of maximum energiesbetween
0.8 and 2.1 GeV”, Nucl. Phys. A 160, 237.
8. G. Kumbartzki and U. Kim (1971), "High – energy photonuclear reactions
in vanadium and ion", Nucl. Phys. A 176, 23.
9. G. Rudstam (1969), "The evaporation step in spallation reactions", Nucl.
Phys. A 126, 401.
10. Hiroshi Matsumura, Takahiro Aze, Yasuji Oura, Hidetoshi Kikunaga,
Akihiko Yokoyama, Koichi Takamiya, Seiichi Shibata, Tsutomu Otsuki,
Hideyuki Yuki, Koh Sakamoto, Hiromitsu Haba, Koshin Washiyama, Hisao
Nagai, Hiroyuki Matsuzaki (2004), "Yield measurements for 7Be and 10Be
productions from natCu, natAg and 197Au by bremsstrahlung irradation", Nucl.
Instr. and Meth. B 223 – 224, 807.
11. J. R. Wu and C. C. Chang (1977), "Pre-equilibrium particle decay in the
photonuclear reactions", Phys. Rev. C 46,1812.

5


12. K. Debertin and R.G.Heimer (1988), "Gamma and X – ray spectrometry with
semiconductor detectors", North – Holland Elseiver, New York.
13. K. Lindgren and G. G. Jonsson (1972), "Photon – Induced Nuclear Reaction
Above1 GeV", Nucl. Phys. A 197, 71.
14. K. N. Mukhin (1987), "Experimental Nuclear Physics", Mir Publisher, 1987.
15. Koh Sakamoto (2003), "Radiochemical Study on Photonuclear Reactions of
complex nuclei at intermediate energies", J. Nucl. Radiochem. Sci 4, 9.
16. M. L. Terranova and O. A. P. Tavares (1994), "Total Nuclear
Photoabsorption Cross Section in the Range 0.2 – 1.0 GeV for Nuclei
Throughout the Periodic Table", Phys. Scri. 49, 267.

17. Nguyen Van Do, Pham Duc Khue, Kim Tien Thanh and Nguyen Thi Thanh
Van (2009), "High energy photon induced nuclear reactions in natural
copper", Communications in Physics, 19, 177.
18. N. M. Bachschi, P. David, J. Debrus, F. Lubke, H. Mommsen and R.
Schoenmackers (1976), "Photonuclear reactions in 45Sc and natCu induced
by 2GeV bremsstrahlung", Nucl. Phys. A 264, 493.
19. Pham Duc Khue, Kim Tien Thanh and Nguyen Van Do (2010), "Study of
photonuclear reactions

103

Rh ( , xnyp) induced by 2.5 GeV bremsstrahlung ",

Proceedings of the topical conference on nuclear physics, high energy
physics and astrophysics (NPHEAP-2010).
20. Pham Duc Khue, Kim Tien Thanh and Nguyen Van Do (2010), " Isomeric
yield ratios of the

nat

Mo( , xn1 p)95m, g Nb photonuclear reaction induced by 50-

, 60-, 70- MeV and 2.5 GeV bremsstrahlung", Proceedings of the topical
conference on nuclear physics, high energy physics and astrophysics
(NPHEAP-2010).
21. Richard B. Fiestone (1996), “Table of Isotopes”, CD ROM Edition, WileyInterscience.
22. R. Serber (1974), "Nuclear Reaction at High Energies", Phys. Rev. 72, 1114.

6

23. Sakamoto (2003), “Radionchemical Study on Photonuclear Reactions of
Complex Nuclei at Intremediate Energies”, J.Nucl.Radiochem.Sci, Vol.4,
No.2.
24. Toyoaki Kato and Hui-Tuh Tsai (1974),"The yield distribution of radioactive
nuclides produced by photospallation reactions in 133Cs and 139La with 250
MeV bremsstrahlung " , J. inorg. nucl. Chem, Vol. 36.
25. Tran Duc Thiep, Phan Viet Cuong, Truong Thi An, Nguyen The Vinh,
Nguyen Tuan Khai (2010), "Determination of the total bremsstrahlung
photon flux from electron accelerators by activation method ", Proceedings
of the topical conference on nuclear physics, high energy physics and
astrophysics (NPHEAP-2010).
26. V.di Napoli, F. Salvetti and M. L. Terranova (1978), "Photodisintegration of
light and medium – weight nuclei at intermediate energies – III, Spalltion of
Vandium, Manganese, Iron and Cobalt", J. Inorg. Nucl. Chem. 40, 175.
27. V. S. Barashenkov, F. G. Gereshi, A. S. Iljnov, G. G. Jonsson and V. D.
Toneev (1974), "A cascade- evaporation model for photonuclear reactions ",
Nuclear Physics A 231, 462-476.
28. W. R. Leo (1993), "Techniques for nuclear and particle physics experiment",
Spinger Verlarg Berlin Heidelberg.
Các website tham khảo:
29. />30. />31. />32. />33. />
7