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 ........................................................................ 5
1.1.4. Tốc độ và suất lƣợng phản ứng hạt nhân ......................................................................... 7

1.2.Phản ứng quang hạt nhân ............................................................................................. 8
1.2.1. Khái niệm về phản ứng quang hạt nhân ........................................................................... 8
1.2.2. Cộng hƣởng lƣỡng cực điện khổng lồ ............................................................................ 11
1.2.3. Cơ chế giả đơtron ........................................................................................................... 12
1.2.4. Phản ứng photospallation ............................................................................................... 13

1.3.Bức xạ hãm từ máy gia tốc electron ........................................................................... 16

CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU ...................................19
2.1. Thí nghiệm nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên biaZr ................................... 19
2.2. Máy gia tốc electron tuyến tính 2,5 GeV .................................................................. 20
2.3. Ghi nhận và phân tích phổ gamma ............................................................................ 22
2.5. Một số hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác của kết quả đo ......................................... 32

CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................36
3.1. Kết quả nhận diện đồng vị phóng xạ tạo thành ......................................................... 36
3.3. Xác định suất lƣợng của các phản ứng quang hạt nhân ............................................ 44
3.4. Phân bố suất lƣợng của các phản ứng photospallation.............................................. 46

KẾT LUẬN ...............................................................................................................49
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................51


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


Q = E01 - E02 = E2 - E1

(1.3)

 Nếu Q > 0: phản ứng xảy ra kèm theo sự tỏa nhiệt, gọi là phản ứng tỏa năng.
Phản ứng tỏa năng có thể xảy ra với bất kỳ năng lƣợng nào của hạt tới (nếu
năng lƣợng này đủ để vƣợt qua rào thế Coulomb của hạt nhân nếu hạt tới tích
điện).
 Nếu Q < 0: phản ứng gọi là phản ứng thu năng. Phản ứng thu năng chỉ xảy ra
khi năng lƣợng hạt tới đủ cao: Vì từ Q = E2 - E1 suy ra E1 = E2 + [Q].
 Nếu Q = 0: ứng với trƣờng hợp tán xạ đàn hồi, lúc đó E2 = E1, E01 = E02,
Đối với phản ứng thu nhiệt, để xảy ra phản ứng hạt nhân thì năng lƣợng hạt
tới cần phải lớn hơn một giá trị xác định, giá trị này gọi là năng lƣợng ngƣỡng của

phản ứng. Năng lƣợng ngƣỡng Eth có thể tính theo công thức sau:
(1.4)
Phản ứng quang hạt nhân là loại phản ứng thu nhiệt. Năng lƣợng tổng hợp
hạt nhân nhẹ chính là năng lƣợng trong phản ứng nhiệt hạt nhân. Phản ứng phân
hạch hạt nhân uran (U235) cũng thuộc loại tỏa năng và cho năng lƣợng cỡ 200 MeV
ở dạng chủ yếu là động năng của các mảnh [3].
1.1.3. Khái niệm về tiết diện phản ứng hạt nhân
Xét phản ứng hạt nhân A(a,b)B. Nếu có một chùm hạt tới có n hạt loại a trên
một đơn vị diện tích bia có chứa N hạt nhân loại A, số hạt b phát ra trên một đơn vị
thời gian sẽ tỷ lệ với n và N. Đại lƣợng tỷ lệ này gọi là tiết diện phản ứng  và có
thứ nguyên là diện tích.

Đơn vị của tiết diện phản ứng hạt nhân là barn (b), 1 barn = 10-24 cm2, đơn vị
hay sử dụng là milibarn (mb) hay microbarn (µb).
Tiết diện chính là xác suất xảy ra phản ứng trên một hạt nhân bia trong một
giây khi thông lƣợng của chùm hạt tới bằng 1 hạt/cm2..giây.

5


Đối với một loại phản ứng xác định, tiết diện phản ứng phụ thuộc vào năng
lƣợng của hạt tới. Với năng lƣợng xác định, các kênh phản ứng khác nhau thì tiết
diện phản ứng khác nhau. Hàm số  = f(E) mô tả sự phụ thuộc vào năng lƣợng hạt
tới của tiết diện phản ứng đƣợc gọi là hàm kích thích của phản ứng hạt nhân đã cho.

Hình 1.2: Hàm kích thích của phản ứng hạt nhân 93Zr(,sn)
Trong nhiều phản ứng hạt nhân, đặc biệt là các hạt nhẹ đƣợc tạo thành, các
hạt bay ra không đẳng hƣớng. Khi đó, ngƣời ta đƣa vào tiết diện vi phân theo góc
d
khối , ký hiệu là

. Tiết diện vi phân theo góc là xác suất xảy ra phản ứng trong
d

một đơn vị thời gian trên một hạt nhân, tại đó hạt bay ra b nằm trong một đơn vị góc
khối, khi dòng hạt tới có thông lƣợng bằng 1hạt/cm2.s.
Nếu với một kênh vào có nhiều kênh ra thì tiết diện toàn phần σT chính là
tổng của các tiết diện phản ứng thành phần.
m

 T   i

(1.5)

i 1

6


trong đó T và i là tiết diện tổng cộng và tiết diện của kênh phản ứng thứ i, m là số
kênh phản ứng.
1.1.4. Tốc độ và suất lượng phản ứng hạt nhân
Tốc độ phản ứng, R, đƣợc định nghĩa là số phản ứng xảy ra trên một hạt
nhân bia trong một đơn vị thời gian (giây). Theo định nghĩa tốc độ phản ứng xác
định theo công thức sau:
R = .

(1.6)

trong đó  là tiết diện của phản ứng hạt nhân,  là thông lƣợng của chùm hạt tới.
Với một phản ứng xác định, tốc độ phản ứng phụ thuộc vào tiết diện phản ứng,

năng lƣợng và thông lƣợng của chùm hạt tới.
Suất lƣợng của phản ứng là số phản ứng xảy ra trên bia trong một đơn vị thời
gian. Suất lƣợng của phản ứng hạt nhân ký hiệu là Y, đƣợc xác định theo công thức:
Y = .N0.R = .N0..

(1.7)

trong đó  là hệ số hình học, N0 là số hạt nhân trên bia.
Đối với trƣờng hợp chùm tia tới có phổ liên tục tốc độ phản ứng và suất
lƣợng phản ứng đƣợc xác định nhƣ sau:
Gọi (E) là thông lƣợng chùm bức xạ trong khoảng một đơn vị năng lƣợng,
tại vùng năng lƣợng E, còn (E) là tiết diện phản ứng trong vùng năng lƣợng E.
Hàm (E).(E) đƣợc gọi là hàm hƣởng ứng hay hàm kích thích trong vùng năng
lƣợng E. Tốc độ phản ứng, đối với hạt tới có năng lƣợng từ E đến E+dE là dR đƣợc
xác định theo công thức:
dR = (E).(E)dE

(1.8)

Tốc độ phản ứng dR thực chất là số phản ứng xảy ra trên một hạt nhân trong
một đơn vị thời gian do các hạt tới có năng lƣợng từ E đến E+dE gây ra. Tích phân
hai vế của phƣơng trình (2.61), ta có:


R    ( E ). ( E )dE
0

7

(1.9)

trong đó R chính là tốc độ phản ứng hay số phản ứng xảy ra trên một hạt nhân bia
trong một đơn vị thời gian.
Xét trƣờng hợp phản ứng có ngƣỡng là Eth, chùm bức xạ tới có năng lƣợng
cực đại là Emax. Do tiết diện phản ứng bằng không khi năng lƣợng chùm hạt tới nhỏ
hơn ngƣỡng của phản ứng. Khi đó biểu thức 1.7 đƣợc viết lại nhƣ sau:

R

Emax

  ( E ). ( E )dE

(1.10)

Eth

Khi đó suất lƣợng phản ứng hạt nhân Y, đƣợc xác định theo công thức:
Emax

Y     ( E ). ( E )dE

(1.11)

Eth

Trong thực tế suất lƣợng phản ứng thƣờng đƣợc xác định trực tiếp bằng việc
đo hoạt độ phóng xạ tạo thành từ các mẫu kích hoạt.
1.2. Phản ứng quang hạt nhân

1.2.1. Khái niệm về phản ứng quang hạt nhân
Tƣơng tác của bức xạ gamma với vật chất xảy ra thông qua các quá trình chủ
yếu sau: hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton, hiệu ứng tạo cặp và các phản ứng
hạt nhân. Tiết diện tƣơng tác toàn phần    phot   Com   pair + TA, trong đó tiết
diện do hiệu ứng quang điện  phot
 Com 

Z5
 7 / 2 , tiết diện do hiệu ứng tán xạ Compton là
E

Z
, tiết diện do hiệu ứng tạo cặp  pair  Z 2 ln(2E ) , TA là tiết diện tổng
E

cộng của các phản ứng quang hạt nhân. Nhƣ vậy tiết diện tƣơng tác phụ thuộc vào
năng lƣợng của bức xạ gamma E và điện tích Z của môi trƣờng, hiệu ứng quang
điện là cơ chế chủ yếu trong tƣơng tác của bức xạ gamma với vật chất ở vùng năng
lƣợng thấp (E< E1), tán xạ Compton chiếm vai trò chính ở vùng năng lƣợng trung
bình (E1< E< E2), còn hiệu ứng tạo cặp ƣu tiên xảy ra ở vùng năng lƣợng cao (E>
E2). Các giá trị E1, E2 khác nhau đối với các môi trƣờng khác nhau, ví dụ nhƣ đối

8


với Al thì E1 = 0.05 MeV và E2 = 15 MeV, trong khi đối với Pb thì E1 = 0.5 MeV và
E2 = 5 MeV.
Phản ứng quang hạt nhân là phản ứng hạt nhân xảy ra khi có sự tƣơng tác
giƣ̃a lƣơ ̣ng tƣ̉ gamma hay còn gọi là photon với ha ̣t nhân , sau tƣơng tác ha ̣t nhân
có thể phát xạ nơtron , proton hoă c̣ các loa ̣i ha ̣t khác . Phản ứng quang hạt nhân là

phản ứng thu năng lƣợng , do đó điề u kiê ̣n để mô ̣t phản ƣ́ng có thể xảy ra là năng
lƣơ ̣ng của photon (Eγ) phải lớn hơn năng lƣợng ngƣỡng (Eth).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
Phản ứng quang hạt nhân đơn giản lần đầu tiên đƣợc quan sát bởi Chadwick
và Goldhaber vào năm 1934 đối với đơtron:
 + 2H  n +p
Trong thí nghiệm này lƣợng tử gamma phát ra từ nguồn đồng vị

(1.12)
208

Tl với

năng lƣợng 2.62 MeV.
Để có đƣợc chùm photon với thông lƣợng và năng lƣợng lớn, trong thực tế
ngƣời ta thƣờng dùng chùm bức xạ hãm sinh ra khi các electron đƣợc gia tốc tƣơng
tác với các hạt nhân bia nặng.
Cũng nhƣ các phản ứng hạt nhân dƣới tác dụng của nơtron và các hạt tích
điện, phản ứng quang hạt nhân phụ thuộc mạnh vào năng lƣợng của chùm photon
tới và số khối của hạt nhân bia (A). Tùy theo năng lƣợng gamma tới, phản ứng
quang hạt nhân phát xạ nơtron, proton hoặc các loại hạt khác tƣơng ứng với nhiều
loại phản ứng khác nhau nhƣ: phản ứng đơn giản: (,n), (,p); phản ứng sinh nhiều
nơtron (,xn), phản ứng photospallation (,xnyp); phản ứng tạo pion (,xn), phân
hạch hạt nhân (,f); hiện tƣợng phân mảnh (,fr),...
Tiết diện toàn phần của phản ứng quang hạt nhân bao gồm:
TA=(,n)+(,p) + (,xn) +(,xn)+(,xnyp)+ (,f)+ (,fr)

(1.13)

Có thể chia các phản ứng quang hạt nhân ở vùng năng lƣợng tiếp theo thông
qua ba quá trình chính đó là cộng hƣởng lƣỡng cực khổng lồ (giant dipole
resonance, GDR), cơ chế giả đơtron (quasi-deutron, QDM), và quá trình tạo pion;

9


đây là ba quá trình cạnh tranh nhau, nó phụ thuộc vào năng lƣợng của photon tới
(hình 1.3).
Ở các photon tới có năng lƣợng thấp hơn 30 MeV, có cộng hƣởng trong các
phản ứng giữa các photon và hạt nhân đƣợc gọi là cộng hƣởng lƣỡng cực khổng lồ.
Trong vùng cộng hƣởng khổng lồ, photon tới tƣơng tác với momen lƣỡng cực của
hạt nhân bia và hạt nhân thoát khỏi trạng thái kích thích bằng cách phát ra các hạt
hoặc tia gamma thông qua cơ chế của hạt nhân hợp phần.
Trong vùng năng lƣợng giữa cộng hƣởng khổng lồ và ngƣỡng pion (30 ÷ 140
MeV), khi đó bƣớc sóng của photon tới gần với khoảng cách giữa các nucleon bên
trong hạt nhân, khi đó quá trình cặp nơtron- proton (giả đơtron) trong hạt nhân bia
hấp thụ photon trở thành quá trình chiếm ƣu thế. Tƣơng tác đƣợc mô tả bởi cơ chế
do Levinger đề xuất đƣợc gọi là sự phân rã của giả đơtron (quasi-deutron
disintegration).

Hình 1.3. Tiế t diê ̣n phản ứn g quang hạt nhân toàn phầ n cho một nucleon
với các vùng năng lượng khác nhau
Đối với vùng năng lƣợng trên ngƣỡng pion (>140 MeV) tƣơng tác giữa
photon và các nucleon riêng lẻ bên trong hạt nhân dẫn tới đồng khối  đƣợc tạo ra
bên trong hạt nhân bia, đồng khối này phân rã thành một pion và một nucleon, quá
trình này cạnh tranh với quá trình hấp thụ photon của các giả đơtron. Tán xạ của các
pion và các nucleon giật lùi cũng nhƣ sự hấp thụ các pion bên trong hạt nhân bia tạo

10

thành một thác lũ các nucleon bên trong hạt nhân (intranuclear cascade) và dẫn tới
sự phát xạ các nơtron cũng nhƣ proton và các pion. Các hạt này cũng phát triển
thành quá trình thác lũ nối tầng. Cơ chế của phản ứng này đƣợc giải thích dựa trên
mẫu do Serber đề xuất. Ở vùng năng lƣợng cao các phản ứng photospalltion là quá
trình chiếm ƣu thế.
Phản ứng quang hạt nhân còn phụ thuộc vào số khối của hạt nhân bia (A).
Với số khối A< 170, phản ứng xảy ra chủ yếu là photospallation (phản ứng quang
hạt nhân sinh nhiều hạt) thông qua cơ chế bay hơi. Với 170< A <230, có sự kết hợp
các phản ứng photospallation và photofission, cơ chế bay hơi và phân hạch. Số khối
A> 230 phản ứng xảy ra duy nhất là photofission với cơ chế phân hạch [16].
1.2.2. Cộng hưởng lưỡng cực điện khổng lồ
Khi nghiên cƣ́u tiế t diê ̣n của phản ƣ́ng quang ha ̣t nhân hơ ̣p phầ n

, ngƣời ta
thấ y tiế t diê ̣n của phản ứng (  , n ) và (  , p ) tăng rấ t châ ̣m tƣ̀ ngƣỡng phản ƣ́ng và
có giá trị khoảng 1mb trong đố i với E = 10 MeV. Song đối với lƣợng tử gamma
có năng lƣợng

cỡ từ 15 MeV đến 25 MeV ta thấy có cộng hƣởng trong rất nhiều

hạt nhân. Tính chất điển hình của cộng hƣởng này là độ bán rộng
nên ta gọi là cộng hƣởng khổng lồ.

Γ của nó rất lớn

Có thể giải thích cộng hƣởng lƣỡng cực khổng lồ trên cơ sở các dao động hạt
nhân do trƣờng điện từ của lƣợng tử . Goldhaber và Teller giả thiết nơtron và
proton của hạt nhân nhƣ là hai chất lỏng riêng biệt, hạt nhân nhận năng lƣợng do

hấp thụ các photon tạo ra sự dao động của hai loại chất lỏng này. Hiện tƣợng cộng
hƣởng khổng lồ tƣơng ứng với tần số cực đại của dao động. Sau đó Wikinson xem
cộng hƣởng khổng lồ nhƣ là một sự chồng chập (superposition) do sự đóng góp của
tất cả các nucleon riêng lẻ. Mỗi một nucleon nhận một phần năng lƣợng từ sự hấp
thụ photon. Cộng hƣởng khổng lồ là tổng tất cả các cộng hƣởng nhỏ đó.
Tiết diện phản ứng của cộng hƣởng khổng lồ thƣờng đƣợc biểu diễn gần đúng
bằng đƣờng cong Lorent (đối với hạt nhân nhẹ):
  0

(E ) 2
( E 2  E02 ) 2  (E ) 2

11

(1.14)


trong đó E0: năng lƣợng cộng hƣởng; : độ rộng cộng hƣởng; 0: giá trị tiết diện
cực đại.
Bằng sự so sánh tiết diện hấp thụ quang hạt nhân toàn phần quan sát đƣợc và
các tiên đoán lý thuyết đã cho thấy sự hấp thụ lƣỡng cực đóng vai trò chính trong
vùng cộng hƣởng khổng lồ.
Các kết quả thực nghiệm trong vùng năng lƣợng thấp cho thấy sự phù hợp
tố t với các tiên đoán lí thuyế t của mẫu ha ̣t nhân hơ ̣p phầ n

. Tuy nhiên với các

photon năng lƣơ ̣ng cao , các kế t quả tƣ̀ thƣ̣c nghiê ̣m cho thấ y có sƣ̣ bấ t đố i xƣ́ng
trong phân bố góc và mẫu ha ̣t nhân hơ ̣p phầ n không giải thích đƣơ ̣c sƣ̣ bấ t đố i
xƣ́ng này .

1.2.3. Cơ chế giả đơtron
Khi năng lƣơ ̣ng của photon lớn thì bƣớc sóng của chúng nhỏ hơn so với bán
kính hạt nhân , tƣơng tác của photon không phải với toàn bô ̣ ha ̣t nhân mà với các
nucleon riêng biê ̣t hoă ̣c nhóm các nucleon . Nhƣ vâ ̣y photon tƣơng tác trƣ̣c tiế p với
các nucleon riêng biệt hoặc nhóm các nucleon và phá t xa ̣ ra các ha ̣t mà không cầ n
trải qua giai đoạn hạt nhân hợp phần . Cơ chế của phản ƣ́ng quang ha ̣t nhân trƣ̣c tiế p
đƣơ ̣c giải thích nhờ mẫu giả đơtron do Levinger đƣa ra.
Cơ chế giả đơtron đƣợc đƣợc cho là quá trình chính đối với sự hấp thụ các
photon năng lƣợng cao (30 MeV đến 140 MeV). Đối với các photon có năng lƣợng
trên vùng cộng hƣởng khổng lồ, quá trình này trở nên đáng kể vì nó dẫn tới tƣơng
tác của photon với các cụm hạt nhân (cluster) hơn là tƣơng tác photon với các
nucleon riêng lẻ. Photon tới sẽ ƣu tiên tƣơng tác với cặp nơtron-proton (giả đơtron)
hơn là với cặp proton-proton và cặp nơtron-nơtron vì các cặp đó không có momen
lƣỡng cực và sự hấp thụ lƣỡng cực điện trong hiệu ứng quang điện là chiếm ƣu thế
ở vùng năng lƣợng cao. Theo nhƣ Levinger, sự phân rã ở năng lƣợng 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 trƣờng 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:
 QD   . D  L

NZ
D
A

(1.15)

12

trong đó: hệ số L đƣợc gọi là thông số Levinger. Levinger đƣa ra giá trị L = 6.8
trong khi Garvey và các cộng sự đƣa 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:
D 

( E  B)3/ 2

(1.16)

E3

D đạt tới giá trị cực đại bằng hai lần năng lƣợng liên kết của đơtron (B), tức là D =
2.3 mb tại giá trị năng lƣợng photon E = 2B = 4.452 MeV.
Các phép đo phổ năng lƣợng và phân bố góc của các photonucleon năng
lƣợng 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 đƣợc 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 ƣu thế ở vùng năng lƣợng > 40 MeV là sự hấp thụ
photon bởi các cặp nucleon.
1.2.4. Phản ứng photospallation
Trong các phản ứng hạt nhân năng lƣợng cao trên các hạt nhân trung bình và
nặng, phản ứng photospallation (,xnyp) là một kênh phản ứng cạnh tranh chiếm ƣu
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, thƣờng xảy ra với vùng năng lƣợng từ 40 MeV trở lên [3].
Bức xạ hãm đƣợc tạo bởi chùm electron năng lƣợng cao từ máy gia tốc đƣợc
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 đƣợc 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 lƣợng 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

13


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 nhƣ các pion. Giai đoạn tiếp theo các
hạt nhân dƣ vẫn còn đủ năng lƣợng, 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
dƣ. Quá trình bay hơi kéo dài tới khi năng lƣợng 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 lƣợng kích thích còn lại đƣợc giải phóng dƣới dạng các bức xạ
gamma.
Khi các photon hãm năng lƣợng cao tƣơng tác với hạt nhân bia, các hạt nhân
sản phẩm chủ yếu đƣợc tạo thành từ các phản ứng quang hạt nhân loại spallation
với cơ chế bay hơi. Phản ứng photospallation chiếm ƣu thế trong các phản ứng hạt
nhân ở vùng năng lƣợng cao. Phân bố suất lƣợng phản ứng photospallation đƣợc
phân tích trên cơ sở của công thức bán thực nghiệm của Rudstam. Hình 1.4 biểu
diễn suất lƣợng của các phản ứng quang hạt nhân trên bia197Au và bia 209Bi theo
thực nghiệm và tính toán PICA3/GEM.[23]

Hình 1.4. Suất lượng của các phản ứng quang hạt nhân trên bia197Au và bia 209Bi
với năng lượng chùm bức xạ hãm 1GeV

14


Các tính toán lí thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm đã cho thấy tiết
diện phản ứng photospalltion thay đổi có quy luật theo số hiệu nguyên tử Z và số
khối A. Thực tế phân bố tiết diện phản ứng đƣợc biểu diễn qua công thức bán thực
nghiệm Rudstam:

 (Z , A)  const  exp[PA  R Z  SA  TA2 ]
(1.17)
Tiết diện phản ứng photospallation thƣờng đƣợc tính theo công thức bán
thực nghiệm 5 thừa số của Rudstam [17, 24]:

 ( Z , A) 

 * PR 2 / 3exp[PA-R Z-SA+TA 2

3/2

]

(1.18)

1.79{exp(PA t -1)}

trong đó:
(Z, A) là tiết diện phản ứng hạt nhân (Z, A) đƣợc tạo thành từ bia (Zt, At),
P, *, R, S và T là các thông số tự do.
+ Thông số P xác định độ dốc của đƣờng cong phân bố suất lƣợng 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 Zp=S A – T A2 .
Thông số R là độc lập với loại và năng lƣợng của hạt đƣợc bắn ra; R phụ thuộc số
khối sản phẩm A và điện tích Z; S và T thƣờng là hằng số.
Công thức Rudstam về phân bố suất lƣợng của các sản phẩm phản ứng
thƣờng đƣợc tính bằng công thức sau [17, 18]:

Y k

R 2 / 3 P
1.79(e PAt  1)

exp[ PA  R Z  SA  TA2

3/ 2

]

(1.19)

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

15


Hình 1.5 biểu diễn phân bố suất lƣợng của các phản ứng sinh nhiều hạt với
chùm photon hãm năng lƣợng 1000 MeV trên bia Cu [23].

Hình 1.5. Phân bố suất lượng của các hạt nhân sản phẩm trên bia Cu gây bởi chùm

bức xạ hãm 1000 MeV.
1.3. Bức xạ hãm từ máy gia tốc electron
Khi chùm electron năng lƣợng cao tƣơng tác với môi trƣờng vật chất sẽ bị mất
năng lƣợng chủ yếu do hai quá trình là ion hoá do va chạm và phát bức xạ hãm. Sự
mất năng lƣợng do va chạm là kết quả của sự tán xạ không đàn hồi của electron với
electron của nguyên tử. Do khối lƣợng của các electron rất nhỏ nên có thêm một cơ
chế mất năng lƣợng nữa đó là các electron đƣợc gia tốc tƣơng tác với trƣờng
Culông của các hạt nhân bia, quỹ đạo của chúng bị thay đổi do lực hút của hạt nhân
và bị hãm lại. Quá trình này dẫn tới sự bức xạ sóng điện từ hay còn gọi là bức xạ
hãm. Ở năng lƣợng vài MeV hoặc nhỏ hơn quá trình này vẫn còn tƣơng đối nhỏ.
Nhƣng với năng lƣợng của electron cao thì xác suất phát bức xạ hãm tăng nhanh và
đến năng lƣợng giới hạn sự mất năng lƣợng do phát bức xạ có thể tƣơng đƣơng
hoặc lớn hơn do quá trình ion hoá do va chạm (hình 1.6). Các electron năng lƣợng

16


cao chủ yếu đƣợc tạo ra trên các máy gia tốc. Bằng cách bắn phá chùm eletron đã
đƣợc gia tốc vào một bia hãm nặng ta có thể tạo ra nguồn bức xạ hãm có năng
lƣợng và cƣờng độ lớn, có thể lên tới hàng trăm GeV.

Hình 1.6. Tốc độ mất năng lượng do va chạm và phát bức xạ của electron trong Cu
Tốc độ mất năng lƣợng toàn phần của electron và positron trong vật chất thông
qua hai quá trình chủ yếu sau:

 dE 
 dE 
 dE 
  
  

 dx  tot  dX  rad  dx  col

(1.20)

trong đó: (dE/dx)tot, (dE/dx)rad, (dE/dx)col là tốc độ mất năng lƣợng toàn phần, mất
năng lƣợng do phát bức xạ và mất năng lƣợng do va chạm.
Độ mất năng lƣợng do phát bức xạ hãm tỉ lệ với số hạt nhân bia. Vì vậy năng
suất hãm tăng lên khi sử dụng bia dày, tuy nhiên khi tăng bề dày bia sẽ xảy ra một
số hiện tƣợng sau: Sự mất mát năng lƣợng nhƣng không phát bức xạ dẫn đến sự
giảm dần năng lƣợng của electron; sự tự hấp thụ của các photon trong bia; hiện
tƣợng nhân bức xạ từ một electron; sự tán xạ đàn hồi nhiều lần của electron trƣớc
khi phát ra bức xạ;… Trong các bia có bề dày lớn hơn chiều dài bức xạ thì chùm

17


electron tới tạo ra hiện tƣợng mƣa rào thác lũ electronphoton. Các quá trình này
dẫn đến những khó khăn trong việc tính toán phân bố năng lƣợng và phân bố góc
của bức xạ hãm. Do vậy các tính toán thƣờng áp dụng cho các bia mỏng.
Bức xạ hãm có phổ liên tục và năng lƣợng đạt giá trị cực đại đúng bằng động
năng của electron tới (hình 1.7).
Phổ năng lƣợng của bức xạ hãm phụ thuộc mạnh vào góc phát xạ. Phân bố
góc của bức xạ hãm có liên quan tới một số quá trình vật lý chủ yếu sau: phân bố
góc thực của bức xạ hãm, phân bố góc của các electron tán xạ đàn hồi với hạt nhân
trong một va chạm, phân bố góc của các electron tán xạ nhiều lần và phân bố góc
của các photon tán xạ. Trong thực tế còn phải tính đến sự lệch hƣớng của chùm
electron khi gia tốc. Phổ và phân bố góc của bức xạ hãm có thể xác định đƣợc bằng
phƣơng pháp thực nghiệm với các kỹ thuật đo khác nhau.

Hình 1.7. Phổ bức xạ hãm phát ra từ bia Al và W khi bắn phá bởi chùm

electron năng lượng 165 MeV

18


CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU
2.1. Thí nghiệm nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên biaZr
Thí nghiệm nghiên cứu đƣợc thực hiện trên chùm bức xạ hãm năng lƣợng
cực đại 2,5 GeV từ máy gia tốc electron tuyến tính tại Pohang, Hàn Quốc. Các
photon hãm đƣợc tạo thành khi bắn phá chùm electron đƣợc gia tốc vào bia hãm W
có kích thƣớc 50×50×1mm. Sơ đồ chiếu mẫu đƣợc mô tả nhƣ trên hình 2.1.

Bê tông
Chùm e-2,5GeV

38,5 cm

24 cm

Bê tông

Bia W

Zr

Hình 2.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu
Mẫu nghiên cứu là tấm Zr tự nhiên có độ tinh khiết cao. Độ phổ cập của các
đồng vị Zr bền là: Zr-90 (51.45%); Zr-91 (11.22%); Zr-92 (17.15%); Zr-94
(17.38%); Zr-96 (2.80%). Các đặc trƣng của mẫu Zr nghiên cứu đƣợc ghi trong
bảng 2.1.

Bảng 2.1. Đặc trưng của mẫu Zr được sử dụng trong nghiên cứu.
Tên
mẫu

Đƣờng kính
(mm)

Bề dày (mm)

Zr

1.27

0.15

Khối lƣợng (g) Độ tinh khiết(%)
0.0813

Các thông số của thí nghiệm đƣợc ghi trong bảng 2.2.

19

99.7