DSpace at VNU: Mô phỏng suất lượng quang phân hạch của các bia 238U đặt trong buồng khí gây bởi chùm bức xạ hãm có năng lượng cực đại 50 MeV

Mô phỏng suấ t lươ ̣ng quang phân ha ̣ch của các
bia 238U đă ̣t trong buồ ng khí gây bởi chùm
bức xa ̣ ham
̃ có năng lươ ̣ng cực đa ̣i 50 MeV
Đặng Thị Vui
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Luận văn ThS Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao
Mã số 60 44 01 06
Người hướng dẫn: TS. Phan Viê ̣t Cương
Năm bảo vệ: 2013

Abstract. Quá trình quang phân hạch để tạo ra chùm đồng vị phóng xạ giàu neutron.
dự án Alto. Kỹ thuật tách đồng vị online (isol techinique – isotope separation online).
Nguồn ion hóa. Ion guide. Giới thiệu dự án alto. quá trình tạo ra chùm đồng vị phóng
xạ giàu notron bằng phản ứng quang phân hạch. tổ hợp thiết bị Alto. bức xạ hãm. Phân
bố của electron trong bi. Tiết diện vi phân phát bức xạ hãm. Sự mất năng lượng của
electron. Các hiệu ứng khác. Mô phỏng quá trình tạo bức xạ hãm và mô phỏng suất
lượng quang phân hạch của 238u gây bởi chùm bức xạ hãm có năng lượng cực đại 50
mev. Giới thiệu về công cụ geant4.Mô phỏng suất lượng quang phân hạch của 238u
trong buồng khí: ion-guide tương lai của dự án alto.
Keywords. Vật lý nguyên tử; Chùm bức xạ; Quang phân hạch.

Content
MỞ ĐẦU
Trong cộng đồng vật lý hạt nhân ngày nay có một sự quan tâm rất lớn đến các hạt
nhân nằm xa đường bền đặc biệt là các hạt nhân giàu nơtron. Việc nghiên cứu về các hạt nhân
này giúp chúng ta hiểu rõ về vật chất hạt nhân cũng như sự thay đổi số magic của các hạt lạ.
Để nghiên cứu các hạt nhân nằm xa đường bền, chúng ta cần có chùm đồng vị phóng
xạ cường độ lớn và có tính chọn lọc cao. Để tạo ra các chùm đồng vị phóng xạ như thế, các
phòng thí nghiệm về vật lý hạt nhân trên thế giới hiện đang sử dụng một trong hai phương

pháp: Kỹ thuật tách đồng vị online – ISOL (Isotope Separation Online) và phương pháp In
Flight. Đối với kỹ thuật ISOL nhằm tạo ra đồng vị phóng xạ giàu nơtron nằm xa đường bền,
phân hạch của các hạt nhân actinide là một “công cụ mạnh” thường được sử dụng. Trong
phương pháp ISOL, người ta thường sử dụng bia dày, vì thế các sản phẩm phản ứng được
nhiệt hóa, trung hòa về điện chính trong bia, khuếch tán nhiệt ra khỏi bia và bay vào nguồn
ion hóa để tái ion hóa. Sau đó, các đồng vị cần quan tâm nghiên cứu sẽ được tách ra khỏi các
đồng vị khác nhờ khối phổ kế từ và tiếp tục được gia tốc. Ưu điểm lớn nhất của bia dày là số
lượng nguyên tử của hạt nhân bia lớn kéo theo suất lượng phản ứng tăng. Nhưng bất lợi với
phương pháp ISOL nói chung là khó để đạt được độ tinh khiết của chùm đồng vị phóng xạ
cao do nhiều đồng vị được sản xuất đồng thời trong bia. Ngoài ra như đã đề cập các đồng vị
phóng xạ tạo thành sẽ bị mất năng lượng do va chạm với vật liệu bia và dừng lại trong bia dẫn
đến làm giảm hiệu suất khuếch tán sản phẩm phản ứng ra khỏi bia, đặc biệt là đối với các
nguyên tố có nhiệt độ nóng chảy cao như Colbalt hay Niken…Vì vậy thay cho bia dày, chúng
ta có thể sử dụng bia mỏng được đặt trong buồng khí (thường là chứa các khí hiếm, ví dụ như
He hay Ar) để hãm và nhiệt hóa các sản phẩm phản ứng tạo ra và giật lùi ra khỏi bia cũng như
chuyển chúng đến phần gia tốc của phổ kế từ bằng luồng khí tạo ra do hệ thống bơm, kỹ thuật
này thường được gọi là kỹ thuật IGISOL (Ion guide Isotope Separation Online). Có nhiều quá
trình khác nhau có thể xảy ra khi ion chuyển động trong buồng khí như: có thể làm thay đổi
trạng thái điện tích của ion do sự va chạm trao đổi điện tích, quá trình tái kết hợp với sự tham
gia của electron, ion và nguyên tử khí trung hòa, quá trình mất ion do va chạm với thành
buồng khí… Tuy nhiên, trong luận văn này, chúng tôi chỉ quan tâm đến việc tính toán suất
lượng quang phân hạch của

238

U đặt trong buồng khí Ar gây bởi chùm bức xạ hãm có năng

lượng cực đại bằng 50 MeV.
Suất lượng phản ứng là số phản ứng hạt nhân xảy ra trên bia gây bởi chùm hạt tới

trong một đơn vị thời gian. Theo các nghiên cứu trước đây về sự phụ thuộc của suất lượng
quang phân hạch của 238U như là hàm của năng lượng electron thì suất lượng tăng nhanh theo
năng lượng của electron cho đến 30 MeV sau đó tăng chậm và bắt đầu đạt giá trị bão hòa tại
45 MeV. Chính vì vậy, chùm electron có năng lượng bằng 50 MeV có thể được xem là năng
lượng tối ưu.
Dự án máy gia tốc ALTO được xây dựng trên cơ sở thành công của thí nghiệm về
quang phân hạch tại CERN (European Organization for Nuclear Research). Máy gia tốc
ALTO sử dụng LPI (linear pre-injector) cũ của LEP CERN và có thể gia tốc chùm electron
lên đến 50 MeV cho phép có thể đạt được điều kiện tối ưu cho phản ứng phân hạch. Trong
quá trình quang phân hạch, chùm electron nhanh từ máy gia tốc tương tác với một bia nặng


(ví dụ W, Pb…) hay với chính bia phân hạch và tạo ra chùm photon có năng lượng liên tục.
Chùm photon này sau đó sẽ gây ra phân hạch trong bia.
Bản luận văn “ Mô phỏng suất lượng quang phân hạch của U238 gây bởi chùm
electron có năng lượng cực đại 50 Mev” sử dụng chương trình mô phỏng GEANT4
(Geometry And Tracking). Geant4 là bộ công cụ mô phỏng quá trình tương tác của bức xạ với
vật chất, có mã nguồn mở, độ tin cậy cao được nghiên cứu và phát triển bởi đội ngũ các nhà
khoa học tại CERN. Trong luận văn này, chúng tôi đã phát triển code riêng trên cơ sở thừa kế
các lớp có sẵn của công cụ Geant4 để mô tả và mô phỏng quá trình quang phân hạch cũng
như phản ứng quang hạt nhân đối với bia 238U.
Bản luận văn dài 43 trang gồ m 22 hình vẽ, 1 bảng biểu và 21 tài liệu tham khảo.
Ngoài phần mở đầu và kết luận bản luận văn chia thành ba chương:
Chương 1: Quá trình quang phân hạch để tạo ra chùm đồng vị phóng xạ giàu neutron. Dự án
ALTO. Chương 2: Bức xạ hãm. Chương 3: Mô phỏng quá trình tạo bức xạ hãm và mô phỏng
suất lượng quang phân hạch của 238U gây bởi chùm bức xạ hãm có năng lượng cực đại 50
MeV.

Reference
TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. M. Lindroos. Review of ISOL – type radioactive beam facilities.Proceeding of EPAC 2004,
Lucerne, Switzerland.
2. K. Perajarvi, U. C. Bergmann, V. N. Fedoseyev, A. Joinet, U. Koster, C. Lau, J. Lettry, H.
Rawn and M. Santana-Leitner, Nucl. Inst. And Meth. In Physics Research Section B: Beam
Interactions with Materials and Atoms 204, 272-277 (2003).
3. Phan Viet Cuong. Development of a new surface ion-source and ion guide in the ALTO
project.PHD thesis, CNRS-UNIVERSITÉ Paris-Sud 2009.
4. Tetsu Sonoda, Masahiro Fujita, Akiyoshi Yamazaki, et al. Development of the RF-IGISOL
at CYRIC.Nucl.Inst.And Meth. In Physics Research Section B 254 (2007) 295-299.
5. Yu. Kudryavsev, B. Bruyneel, M. Huyse, J. Gentens, P. Van den Bergh, P. Van Duppen, L.
Vermeeren. A gas cell for thermalizing, storing and transporting radioactive ions and atoms.
Part I: Off-line studies with a laser ion source. Nucl.Inst.And Meth. In Physics Research
Section B 179 (2001) 412-435.
6. Kalorina Kolos. Probing the nuclear structure in the vicinity of

78

spectroscopy of 84Ga. PHD thesis, CNRS-UNIVERSITÉ Paris-Sud 2012.
7. W. Diamond, Nucl. Inst. and Meth.A 432, 471 (1999).
8. Y. Oganessian, Nuclear Physics A 701, 87-95 (2002).

Ni via beta decay


9. F. Ibrahim, Eur. Phys. J. A 15, 357 (2002).
10.M. Mirea, O. Bajeat et al. Exploratory analysis of a neutron-rich nuclei source based on
photo-fission. Nucl.Inst. and Meth.B 201 (2003) 433-448.
11. W. R. Leo. Techniques for nuclear and particle physics experiment.Springer-Verlag
public house, December 1993.
12. W. A. McKinley Jr., H. Feshback, Phys. Rev. 74 (1948).

13. W. T. Scott, Rev. Mod. Phys. 35 (1963) 231.
14. H. W. Koch, J. W. Motz, Rev. Mod. Phys. 31 (1950) 920.
15. M. J. Berger, S. M. Seltzer, Phys. Rev. C2 (1970) 621.
16. G. Knop et al. Alpha, beta and gamma-ray spectroscopy, North Holland Publishers
Amsterdam, 1968, Chapter 1, p.1.
17. S. P. Ahlen, Rev. Mod. Phys. 52 (1980) 121.
18. T. Tabata, R. Ito, Nucl. Instr. and Meth. 158 (1979) 521.
19. Geant4 collaborators. Geant4 Application Developer Guide.
20. S. Franchoo. Cahier des charges aligre, Private Communication.
21. J. T. Caldwell et al, Phys. Rev. C 21 (1980) 1215.