(Luận văn thạc sĩ) chuẩn năng lượng cho máy gia tốc tandem pelltron dùng phản ứng 27 al (p,ƴ) 28 si

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ
---***---

NGUYỄN THỊ LÂN

CHUẨN NĂNG LƯỢNG CHO MÁY GIA TỐC TANDEM
PELLETRON DÙNG PHẢN ỨNG 27Al (p, γ) 28Si

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2013


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ

Nguyễn Thị Lân

CHUẨN NĂNG LƯỢNG CHO MÁY GIA TỐC TANDEM
PELETRON DÙNG PHẢN ỨNG 27Al (p, γ) 28Si

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao
Mã số: 60440106

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. Lê Hồng Khiêm

Hà Nội - 2013


LỜI CẢM ƠN.
Luận văn này là kết quả của quá trình hai năm học tập và nghiên cứu
của em trong trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên – Đại học Quốc Gia Hà
Nội với sự giúp đỡ, động viên của các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn là
học viên Cao Học ngành Vật Lý Nguyên Tử, Hạt Nhân và Năng Lượng Cao
khóa 2011 - 2013.
Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lịng biết ơn vơ cùng sâu sắc đến PGS.TS Lê
Hồng Khiêm – Viện Khoa Học và Cơng Nghệ Việt Nam, đã tận tình hướng
dẫn, truyền đạt những kiến thức chuyên ngành và những những bài học về
thực nghiệm trong nghiên cứu khoa học vô cùng quý báu để em có thể hồn
thành bản luận văn này. Đồng thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành
đến Th.S Nguyễn Thế Nghĩa, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên –
ĐHQGHN, đã rất nhiệt tình hướng dẫn và chỉ bảo em những kiến thức quan
trọng và vô cùng hữu ích về máy gia tốc và các thiết bị điện tử hạt nhân trong
suốt q trình làm thí nghiệm trên hệ máy gia tốc Pelletron 5SDH-2. Nhờ đó
mà em có thể thực hiện đề tài này một cách dễ dàng và nhanh chóng.
Với tình cảm chân thành, em xin gửi cảm ơn tới các thầy cô tham gia
giảng dạy lớp Cao Học Vật Lý, khóa học 2011 – 2013, đã giảng dạy cho
chúng em trong suốt quãng thời gian chúng em học tập.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã ln bên
cạnh em, động viên, giúp em vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành được đề
tài này.
Mặc dù đã rất nỗ lực cố gắng, song, chắc chắn luận văn không tránh
khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, bổ sung
của thầy cơ, các anh chị và các bạn.
Hà Nội, tháng 10 năm 2013
Học viên

Nguyễn thị Lân


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
Chương 1 - GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC PHẢN ỨNG 27Al(p,γ)28Si

1.1. Sơ lược về phản ứng hạt nhân…………………………………………………4
1.1.1. Phân loại phản ứng hạt nhân…………………………………………..4
1.1.2. Các định luật bảo toàn…………………………………………………..6
1.1.3. Động học phản ứng hạt nhân…………………………………………..8
27

28

1.2. Vai trò của phản ứng Al(p,γ) Si……………………………………….12
1.3. Một số kết quả nghiên cứu đã có về phản ứng Al27(p,γ)Si28…………...12
Chương 2 - TỔNG QUAN VỀ HỆ MÁY GIA TỐC PELLETRON 5SDH-2 VÀ KHẢ
NĂNG ỨNG DỤNG CỦA NÓ

2.1. Giới thiệu sơ lược cấu tạo của máy gia tốc Pelletron 5SDH-2……….17
2.1.1. Nguồn ion………………………………………………………………..17
2.1.2. Buồng gia tốc chính…………………………………………………….20
2.1.3. Hệ chân không…………………………………………………………..20
2.1.4. Các bộ phận hội tụ, điều chỉnh chùm tia…………………………….22
2.1.5. Các kênh ra trên máy gia tốc, điều chỉnh chùm tia…...……………25
2.2. Nguyên lý hoạt động của máy gia tốc Pelletron 5SDH-2…….…….......28
2.3. Cơ sở vật lý của máy gia tốc Pelletron 5SDH-2…………………………..29
Chương 3 - BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM VÀ DÙNG PHẢN ỨNG Al27(p,y)Si28 ĐỂ CHUẨN
NĂNG LƯỢNG

3.1. Bia……………………………………………………………………………….32
3.2. Hệ phổ kế gamma và thu nhận dữ liệu……………………………………...33
3.2.1. Hệ phổ kế………………………………………………………………...33
3.3.2. Các phần mềm thu nhận dữ liệu………………………………………35
3.3.3. Xây dựng đường cong chuẩn cho hệ phổ kế gamma………..……..35


3.3. Các bước tiến hành thực nghiệm………..…….…………..…………......39
Chương 4 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN……………………………………………......41
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Giản đồ năng lượng của phản ứng hạt nhân Al27(p,γ)Si28.
Hình 2.1: Cấu tạo của nguồn ion RF
Hình 2.2: Cấu tạo của nguồn SNICS II
Hình 2.3: Sơ đồ thấu kính Einzel
Hình 2.4: Sơ đồ ngun lý nam châm tứ cực - ghép đơi.
Hình 2.5: Kênh phân tích của máy gia tốc Pelletron 5SDH-2
Hình 2.6: Kênh cấy ghép ion máy gia tốc Pelletron 5SDH-2.
Hình 2.7: Sơ đồ cấu tạo của máy gia tốc Pelletron 5SDH-2.
Hình 3.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm.
Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ điện tử.
Hình 3.3: Đường cong hiệu suất ghi của det NaI dùng trong thí nghiệm.
Hình 3.4: Đường cong chuẩn năng lượng của hệ đo
Hình 4.1: phổ gamma ứng với năng lượng proton 886keV.
Hình 4.2: phổ gamma ứng với năng lượng proton 987 keV

Hình 4.3: phổ gamma ứng với năng lượng proton 988 keV
Hình 4.4: phổ gamma ứng với proton năng lượng 989 keV
Hình 4.5: phổ gamma ứng với proton năng lượng 990 keV
Hình 4.6: phổ gamma ứng với proton năng lượng 991 keV
Hình 4.7: phổ gamma ứng với proton năng lượng 992 keV.
Hình 4.8: phổ gamma ứng với proton năng lượng 993 keV.
Hình 4.9: đồ thị biểu thị mối tương quan giữa năng lượng và số đếm.
Hình 4.10: đường cong chuẩn năng lượng cho máy gia tốc.


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Tỉ số phân nhánh và hiệu suất ghi của các phân rã trong hình 1.
Bảng 1.2: Cường độ các cộng hưởng tạo thành trong phản ứng Al27(p,y)Si28
Bảng 4.1: Số liệu thực nghiệm thu được.
Bảng 4.2: Năng lượng được hiển thị và năng lượng thực của proton.


MỞ ĐẦU

Máy gia tốc các hạt tích điện năng lượng thấp có ứng dụng ngày càng nhiều
trong các nghiên cứu về vật lý hạt nhân, vật lý nguyên tử cũng như trong nhiều lĩnh
vực khoa học khác như y tế, sinh học, khoa học vật liệu, môi trường, khảo cổ học...
Một trong những tham số quan trọng cần phải biết chính xác là năng lượng
của hạt sau khi ra khỏi buồng gia tốc đi vào đối tượng cần nghiên cứu và độ tịe
năng lượng. Thơng thường, thơng tin về năng lượng của chùm hạt được xác định
qua các đại lượng trung gian liên quan đến các tham số của máy gia tốc. Tuy nhiên,
giá trị năng lượng tính bằng phương pháp này cho độ chính xác khơng như mong
muốn, đặc biệt cho các nghiên cứu đòi hỏi cần phải biết năng lượng của chùm hạt
với độ chính xác cao. Chẳng hạn như khi nghiên cứu phản ứng hạt nhân, năng

lượng của chùm hạt tới đập vào bia sẽ quyết định toàn bộ động học của phản ứng
hạt nhân. Nếu năng lượng của chùm hạt tới không được biết với độ chính xác cao
thì sai số của các đại lượng vật lý tính được sẽ rất lớn. Vì vậy, việc xác định chính
xác năng lượng của chùm hạt sau khi ra khỏi buồng gia tốc đóng vai trị vơ cùng
quan trọng và là điều kiện tiên quyết.
Chuẩn năng lượng cho máy gia tốc là việc xây dựng sự phụ thuộc của năng
lượng chùm hạt được gia tốc vào các tham số của máy dùng để tính năng lượng của
chùm hạt, cụ thể là hiệu điện thế trong buồng gia tốc dùng để gia tốc chùm hạt.
Thơng thường có thể mơ tả sự phụ thuộc này bằng một đa thức. Số điểm thực
nghiệm dùng để xây dựng đa thức này càng nhiều thì độ chính xác của đường cong
chuẩn năng lượng càng cao.
Năm 2011, trường Đại học khoa học tự nhiên - Đại học quốc gia Hà Nội đã
lắp đặt hệ máy gia tốc Pelletron 5SDH-2 nhằm mục đích phục vụ nghiên cứu và
giảng dạy trong lĩnh vực vật lý hạt nhân thực nghiệm và các ứng dụng của kỹ thuật
hạt nhân. Đây là loại máy gia tốc tĩnh điện có điện áp 1.7 MV. Một trong những
hướng nghiên cứu về vật lý hạt nhân khả dĩ trên máy gia tốc này là nghiên cứu các
1


phản ứng cộng hưởng gây bởi các chùm hạt tích điện phục vụ cho lĩnh vực thiên
văn học. Như đã nói, để có thể triển khai nghiên cứu các phản ứng hạt nhân này,
cần phải biết rất chính xác năng lượng của chùm hạt khi chúng đập vào bia và độ
tòe của năng lượng. Về nguyên tắc, năng lượng này có thể đọc trực tiếp trên bàn
điều khiển máy. Phần mềm tính năng lượng này do hãng cung cấp trong đó năng
lượng của chùm hạt được tính qua thế gia tốc và một số tham số đặc trưng khác của
máy. Tuy nhiên, vì máy được thiết kế chủ yếu cho mục đích phân tích (RBS, PIXE,
NRA…) nên độ chính xác của cách chuẩn năng lượng này chắc chắn không thỏa
mãn được những đòi hỏi nghiêm nghặt khi nghiên cứu phản ứng hạt nhân. Chính vì
vậy, cần phải xây dựng phương pháp chuẩn năng lượng độc lập, một mặt để khẳng
định mức độ chính xác của phương pháp chuẩn do hãng chế tạo máy đưa ra, mặt

khác giảm ảnh hưởng tối đa sai số do độ bất định của chùm hạt tới gây ra khi phân
tích số liệu của phản ứng hạt nhân.
Trong nghiên cứu vật lý hạt nhân thực nghiệm dùng các chùm hạt tích điện
từ máy gia tốc, thơng thường năng lượng được chuẩn thông qua các phản ứng hạt
nhân đã biết, ở đó các mức năng lượng của hạt nhân hợp phần đã được nghiên cứu
rất kỹ được đưa ra với độ chính xác đủ cao. Một vài phản ứng trong số đó là phản
ứng cộng hưởng 19F(p,α)16O, 19F(p,α)16O, 27Al(p,γ)28Si, 13C(p, γ)14N.
Với điều kiện thực tế của phòng thí nghiệm và lợi thế về bia đã có sẵn
thì phản ứng

27

28

Al(p,γ) Si là lựa chọn tối ưu. Mặt khác, đây cũng là phản ứng

hay được sử dụng nhất, vì độ rộng của các cộng hưởng trong vùng năng lượng
mà chúng tôi quan tâm chỉ cỡ vài chục eV. Chẳng hạn cộng hưởng tương ứng
với năng lượng của chùm proton đến 991.9 keV (trong hệ LAB) có độ rộng
chỉ là 80 eV. Trong hạt nhân hợp phần,

28

Si được tạo thành do

27

Al bắt proton

ở năng lượng thấp có hàng loạt cộng hưởng, ở đó năng lượng của các mức

cộng hưởng đã biết khá chính xác. Do vậy, chúng tơi đã quyết định chọn phản
ứng hạt nhân này để chuẩn năng lượng cho máy gia tốc. Ngoài ý nghĩa thực tế
này, luận văn cũng có thể được xem là những bước tập dượt để nghiên cứu


phản ứng hạt nhân cộng hưởng trên các máy gia tốc nhỏ. Đề tài của luận văn
được chọn là: Chuẩn năng lượng cho máy gia tốc Pelletron 5SDH-2 dùng phản
27

28

ứng Al(p,γ) Si.
Luận văn gồm phần mở đầu, phần kết luận, tài liệu tham khảo, phụ lục
và bốn chương, cụ thể là:
Chương I: Giới thiệu sơ lược về phản ứng

27

28

Al (p,γ) Si. Chương I được

dành riêng để giới thiệu sơ lược về lí thuyết phản ứng hạt nhân và một số nét
chính trong phản ứng

27

28

Al (p,γ) Si, phản ứng được chọn cho mục đích chính

của bài luận văn.
Chương II: Tổng quan về hệ máy gia tốc Pelletron 5SDH-2 và khả năng
ứng dụng của nó. Thí nghiệm được thực hiện trực tiếp trên hệ máy gia tốc
này. Do đó, cần phải có những hiểu biết tổng quát về một số bộ phận quan
trọng của hệ máy, những yếu tố góp phần làm cho kết quả thực nghiệm được
chính xác hơn.
Chương III: Bố trí thí nghiệm. Chương này được giới thiệu một cách chi tiết
các thiết bị và chương trình cần thiết sử dụng trong thí nghiệm, q trình bố trí thí
nghiệm và thực hiện thí nghiệm sẽ được làm rõ hơn.
Chương IV: Kết quả và thảo luận. Trình bày và thảo luận về các kết quả thực
nghiệm thu được. Đánh giá và đưa ra các đề xuất làm tăng độ chính xác của thí
nghiệm.
Luận văn dài 52 trang bao gồm 4 bảng biểu, 22 hình vẽ và 9 tài liệu tham khảo.


Chương I: GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

1.1. Sơ lược về phản ứng hạt nhân
1.1.1. 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. Có nhiều cách
phân loại phản ứng hạt nhân, có thể phân loại theo hạt tới, hạt sản phẩm hay theo
cơ chế phản ứng...
Nếu xét theo các sản phẩm tạo thành ta có thể phân phản ứng hạt nhân
thành các loại sau:
Tán xạ đàn hồi X(a,a)X: hạt tới chỉ thay đổi hướng chuyển động (có thể
cả hướng spin), sau phản ứng hạt tới và hạt nhân bia vẫn ở trạng thái cơ bản.
Tán xạ không đàn hồi X(a,a’)X*: hạt tới truyền một phần động năng cho

hạt nhân bia, sau phản ứng hạt nhân bia ở trạng thái kích thích, độ lớn moment của
các hạt thay đổi.
Tán xạ giả đàn hồi X(a,ap)Y, hoặc X(a,ad)Y...: khi năng lượng truyền
trong phản ứng lớn hơn năng lượng tách các mảnh hạt nhân (như nuclôn,
đơtơri...), hạt nhân sẽ phát ra một hạt. Hạt tới bị mất năng lượng ở trạng thái cuối.
Phản ứng biến đổi X(a,b)Y: là phản ứng mà hạt đạn và hạt nhân dư khác
nhau số khối A. Trong phản ứng này cần kể đến phản ứng tước hạt (stripping
reaction), một nucleon của hạt tới bị hấp thụ bởi hạt nhân bia, phần hạt còn lại
tiếp tục chuyển động qua bia; phản ứng đoạt hạt (pickup reaction), hạt tới đoạt
một nucleon của hạt nhân bia; ngồi ra cịn có các phản ứng trao đổi điện tích
(charge exchange) và phản ứng knock-out .
Dựa trên cơ chế phản ứng ta có thể phân chia phản ứng hạt nhân thành


các loại sau:
Phản ứng hạt nhân hợp phần: có hai quá trình liên tiếp xảy ra. Hạt nhân
bia bắt hạt đạn, hình thành nên hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích cao,
năng lượng kích thích được phân bố lại cho các nuclơn. Sau đó một hoặc một
nhóm nuclơn có thể nhận được đủ năng lượng bay ra khỏi hạt nhân hợp phần.
Phản ứng hạt nhân trực tiếp: là phản ứng mà giữa kênh vào và kênh ra
không tồn tại trạng thái trung gian.
Phản ứng hạt nhân tiền cân bằng là phản ứng nằm giữa phản ứng trực tiếp
và phản ứng hợp phần. Năng lượng của hạt đến được truyền cho một nhóm các
nuclơn trong hạt nhân bia. Các nuclôn này khởi xướng cho một loạt các phản ứng
nối tầng, tại một tầng nào đó một hạt sẽ được phát ra (trước khi hạt nhân hợp
phần đạt trạng thái cân bằng thống kê).
Phản ứng hạt nhân khơng phải hồn tồn là tương tác mạnh, nó tùy thuộc
vào hạt tới. Phản ứng hạt nhân là tương tác mạnh nếu hạt đến là proton, nơtron,
ions.... Phản ứng hạt nhân có thể là tương tác điện từ nếu hạt đến là photon,
electron... Nếu hạt đến là nơtrino thì phản ứng hạt nhân thuộc loại tương tác yếu.

Đối với bia và hạt tới nhất định, phụ thuộc vào năng lượng của hạt tới
mà phản ứng xảy ra theo cơ chế nào đó. Bên cạnh đó, xác suất tồn tại trạng thái
kích thích cao cũng phụ thuộc vào năng lượng. Sự tập trung lực kích thích trong
một vùng năng lượng nào đó gọi là cộng hưởng khổng lồ.
Sau phản ứng hạt nhân thường có hai hoặc ba hạt tạo thành. Nếu rất
nhiều hạt tạo thành ta có phản ứng vỡ vụn (spallation). Khi hạt nhân bia bắt
nơtron, hạt nhân hợp phần tách ra thành các hạt có số khối tương đương nhau, ta
có phản ứng phân hạch. Xác suất xảy ra phản ứng phân hạch tỉ lệ với Z2/A. Phản
ứng phân hạch cùng với phản ứng nhiệt hạch là những phản ứng tỏa ra năng
lượng lớn. Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng tổng hợp hai hạt nhân nhẹ.
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, cịn thời gian phản ứng hạt nhân hợp phần vào cỡ 10-16
– 10-15 s với chùm năng lượng thấp và khoảng 10-21 – 10-20 s với chùm năng lượng
cao.
Có rất nhiều mẫu hạt nhân đã được đưa ra để giải thích cơ chế của các
phản ứng hạt nhân. Người ta thấy rằng mỗi mẫu chỉ có thể áp dụng cho một hoặc
một vài loại phản ứng hạt nhân.
1.1.2. Các định luật bảo toàn
Khi một phản ứng hạt nhân xảy ra, dù là trực tiếp hay hợp phần cũng đều bị
chi phối bởi các định luật bảo tồn:
Định luật bảo tồn điện tích và số baryon: trong phản ứng hạt nhân, tổng
điện tích của hạt tới tham gia phản ứng bằng với tổng điện tích của các hạt sản
phẩm. Và trong bất kỳ phản ứng hạt nhân nào, tổng số barion phải là một hằng
số. Định luật bảo toàn số barion cho phép giải thích tính bền vững của proton [7].
Định luật bảo toàn năng lượng: phát biểu là năng lượng toàn phần trước
phản ứng và sau phản ứng bằng nhau. Đối với q trình (1.1) định luật bảo tồn
năng lượng được viết:
E01 + T1 = E02 + T2

(1.1)

trong đó E01, E02 lần lượt là tổng năng lượng nghỉ của các hạt trước và sau
phản ứng. Còn T1, T2 lần lượt là tổng động năng của các hạt trước và sau phản ứng
[7].
Định luật bảo toàn moment động lượng: trong phản ứng A(a,b)B, gọi
,

,

,

là moment động lượng của các hạt tham gia phản ứng, định luật bảo toàn

moment động lượng được viết:

pa  pA  pB  pb

(1.2)


Định luật bảo tồn moment góc: tổng moment góc của các hạt tham gia phản
ứng là bảo toàn cũng như thành phần hình chiếu lên phương được chọn. Áp dụng
cho phản ứng A(a,b)B ta có:

ia  I A  l Aa  I B  ib  lBb
với

,

,

,

(1.3)

là spin tương ứng với các hạt tham gia phản ứng. Các spin này có

thể đo bằng thực nghiệm hoặc tính tốn (dùng mẫu vỏ). Proton có spin là ½, các hạt
nhân chẵn-chẵn có spin bằng khơng.... Spin của hạt nhân là moment góc riêng của
hạt nhân ở trạng thái cơ bản. Các đại lượng

,

là moment góc quỹ đạo của các

cặp hạt tương ứng, đặc trưng cho chuyển động tương đối giữa các hạt. Momen quỹ
đạo góc nhận các giá trị nguyên (0,1,2....) và giá trị cụ thể được xác định thông qua
bản chất chuyển động của các hạt [7].
Định luật bảo toàn chẵn lẻ: Trong tương tác điện từ và tương tác mạnh, tính
chẵn lẻ được bảo tồn. Phản ứng hạt nhân cũng thuộc vào các loại tương tác này,
nên định luật bảo tồn chẵn lẻ cũng có giá trị. Xét phản ứng A(a,b)B, định luật bảo
toàn chẵn lẻ được viết:

Pa PA (1)lAa  PB Pb (1)lBb

(1.4)

Pa, PA, PB, Pb là tính chẵn lẻ riêng tương ứng với từng hạt tham gia phản ứng.

Cũng như các định luật bảo toàn khác, định luật bảo toàn chẵn lẽ dẫn đến quy tắc
chọn lọc làm giới hạn các phản ứng có thể xảy ra.
Định luật bảo toàn spin đồng vị: Xét phản ứng A(a,b)B thuộc loại tương tác
mạnh, nên cũng tuân theo định luật bảo toàn spin đồng vị . Theo định luật này thì
spin tồn phần của các hạt trước và sau phản ứng bằng nhau:

Ta  TA  TB  Tb

(1.5)

Spin đồng vị đặc trưng cho mức hạt nhân, có nghĩa là các hạt nhân ở các trạng
thái năng lượng khác nhau thì có spin đồng vị khác nhau, thay đổi từ Tmin=(N-Z)/2


đến Tmax=A/2. Trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích yếu nhận giá trị spin đồng
vị thấp nhất [7].
Các định luật bảo toàn đưa ra giới hạn nhất định đối với phản ứng hạt nhân,
và do đó cho phép chúng ta viết ra được chính xác các phản ứng hạt nhân có thể
xảy ra và có được các thơng tin quan trọng về các đặc tính của các hạt tham gia
phản ứng và các hạt sản phẩm. Nghiên cứu các phản ứng hạt nhân chính là việc
đo đạc tiết diện phản ứng vi phân như là hàm của năng lượng, cũng như các thông
số khác của hạt bay ra, và xác định phân bố góc và năng lượng của các hạt sản
phẩm cũng như các trạng thái lượng tử của chúng.
1.1.3. Động học phản ứng hạt nhân.
Xét phản ứng A(a,b)B, theo định luật bảo toàn năng lượng:
(ma + mA)c2 +Ta +TA = (mb +mB)c2 + Tb + TB

(1.6)

trong đó T là động năng của các hạt, m là khối lượng nghỉ. Giá trị Q của phản

ứng được định nghĩa là tổng năng lượng nghỉ trước phản ứng trừ đi tổng năng
lượng nghỉ sau phản ứng:
Q= (minital – mfinal) c2 = Tinital – Tfinal = Tb + TA – TB – Tb

(1.7)

Giá trị Q có thể là âm, dương hoặc bằng không. Nếu Q>0 (

)

phản ứng được gọi là tỏa nhiệt, khi đó năng lượng liên kết giải phóng dưới
dạng động năng của các hạt sản phẩm. Nếu Q<0 (

) phản ứng được

gọi là thu nhiệt, và trong trường hợp này động năng của các hạt ban đầu chuyển
thành năng lượng liên kết. Theo thuyết tương đối, sự thay đổi giữa năng lượng
và khối lượng phải thỏa mãn hệ thức ΔE=Δmc2.
Các phương trình (1.6) và (1.7) đúng cho bất kỳ hệ quy chiếu nào. Xét trong
hệ quy chiếu phịng thí nghiệm, khi đó coi hạt nhân bia đứng yên. Áp dụng định luật
bảo tồn động lượng ta có:

pa  pb cos   pB cos 

(1.8)


0  pb sin   pB sin 

(1.9)

trong phản ứng, Q coi như đã biết, Ta là thông số điều khiển được, khi đó phương
trình (1.6), (1.8) và (1.9) lập thành hệ ba phương trình nhưng có bốn ẩn (θ,ξ,Tb và
TB), vì vậy khơng có lời giải duy nhất. Rút ξ và TB từ các phương trình trên ta được
mối liên hệ giữa Ta và Tb:
Tb 

ma mbTa cos   ma mbTa cos 2   (mB  mb )  mBQ  (mB  ma )Ta 
mB  mb

(1.10)

Từ phương trình 1.10 có thể rút ra được các đặc điểm của phản ứng hạt nhân:
- Nếu Q<0, Ta có một giá trị cực tiểu mà dưới giá trị đó phản ứng khơng xảy ra,
giá trị đó gọi là năng lượng ngưỡng của phản ứng:

Tth  (Q)

mB  mb
mB  mb  ma

(1.11)

Điều kiện ngưỡng luôn xảy ra với θ=0. Nếu Q>0, phản ứng xảy ra ngay cả với
năng lượng hạt tới nhỏ, nhưng khi đó cần xét tới ảnh hưởng của hàng rào thế
Coublom.
Giá trị kép xảy ra khi hạt tới có năng lượng nằm trong khoảng Tth tới giới hạn
trên:

Ta'  (Q)

mB
mB  ma

(1.12)

Trường hợp này cũng chỉ xảy ra với phản ứng có Q<0, và chỉ có vai trị quan
trọng với phản ứng mà các hạt nhân có khối lượng tương đương nhau. Từ phương
trình 1.11 và 1.12 ta lấy xấp xỉ:

Ta'  Tth  Tth

ma mb
m
(1  b  ...)
mB (mB  ma )
mB

Tồn tại giá trị góc cực đại θm, mà tại đó giá trị kép xảy ra:

(1.13)


cos 2  m  
Nếu Ta=

(mB  mb )[mBQ  (mB  ma )Ta ]
ma mbTa

(1.14)

, giá trị kép xảy ra giữa góc θ=0o và θm=900, cịn nếu Ta=Tth, thì giá

trị kép chỉ xảy ra với θm=00.
Đối với phản ứng có Q>0 thì khơng tồn tại ngưỡng phản ứng cũng như vùng
giá trị kép.Trong thực nghiệm, với góc θ và Ta cho trước, tiến hành đo Tb, qua đó
tính được Q và rút ra mối liên hệ khối lượng giữa các hạt. Nếu biết trước ma, mA,
mb, thì sẽ tính được khối lượng mY, từ phương trình 1.10 ta có:

Q  Tb (1 

mb
m
m m
)  Ta (1  a )  2 ( a b TaTb ) cos 
mB
mB
mB mB

(1.15)

Nếu hạt nhân B sau phản ứng tồn tại ở trạng thái kích thích, thì giá trị Q phải
bao gồm khối lượng nghỉ của trạng thái kích thích:

Qex  (mA  ma  mB*  mb )c 2  Q0  Eex
trong đó Q0 là giá trị Q ứng với trạng thái cơ bản của B, còn

(1.16)
=mYc2+Eex là

khối lượng nghỉ của hạt nhân B ở trạng thái kích thích (Eex là năng lượng kích
thích). Giá trị cực đại quan sát được của Tb với trạng thái cơ bản của B, do đó từ
(1.15) có thể xác định được Q0. Còn các giá trị khác của Tb ứng với các mức kích
thích cao hơn, thơng qua đo Tb xác định được Qex và từ đó rút ra Eex.
1.1.4 Giới thiệu sơ liệu về phản ứng hạt nhân gây bởi proton.
Proton có thể gây ra các phản ứng sau: (p,α), (p,n), (p,p), (p,γ) và (p,d) (rất
hiếm). Chúng ta sẽ xem xét những đặc trưng chính của các phản ứng này.
Phản ứng (p,α): phản ứng này là phản ứng tỏa nhiệt. Động năng của phản ứng
Q=εa-εb , với εa là năng lượng liên kết của hạt tới, còn εb là năng lượng liên kết của
hạt bay ra trong hạt nhân hợp phần. Đối với phản ứng (p,α), Q=εp-εα [11]. Với tất cả
các hạt nhân bền β trong bảng tuần hoàn, εp≈ const và vào cỡ khoảng 8MeV. Còn


năng lượng liên kết của α thay đổi từ giá trị nhỏ nhất εα =0 với Z=60 đến giá trị cao
nhất εα =8 với Z=8, với Z>60 thi năng lượng liên kết của α mang giá trị âm. Do đó:
Q   p  

(1.31)

Chú ý thứ hai liên quan tới phản ứng (p,α) là xác xuất xảy ra phản ứng. Xác
suất này là không lớn đối với các hạt nhân nặng, do hạt α bay ra khỏi hạt nhân bị
cấm mạnh bởi hàng rào thế Coulomb (bằng 28 MeV với Z=80). Hàng rào thế chỉ
cho các hạt alpha nhanh bay ra khỏi hạt nhân. Hạt alpha bay ra làm hạt nhân dịch
chuyển xuống các mức thấp hơn. Do trọng số thống kê của một trạng thái được định
nghĩa bởi mật độ mức hạt nhân, nên dẫn đến xác suất phản ứng (p, α) thấp. Điều
kiện này không áp dụng hạt nhân nhẹ, vì khi đó hàng rào thế Coulomb nhỏ.
Phản ứng (p,n): Đối với các hạt nhân bền, phản ứng loại này luôn là phản ứng
thu nhiệt với ngưỡng phản ứng lớn hơn 0.8MeV. Thật vậy, xét phản ứng A(p,n)B ta

mn  mp  1.3MeV

có [7]:

M B  M A  0.5MeV

(1.17)
(1.18)

Nếu điều kiện thứ hai không thỏa mãn thì hạt nhân A sẽ chuyển thành hạt
nhân B thơng qua phân rã beta. Năng lượng của phản ứng:
Q   M B  mn    M B  mp   1.3  0.5  0.8MeV

(1.19)

Mặt khác theo cơng thức tính năng lượng, suy ra Tth > 0.8 MeV.
Phản ứng (p,p): Nếu động năng của hạt tới cao hơn hàng rào Coulomb xác
suất của phản ứng loại này tương đương với xác suất của phản ứng (p,n). Trong
vùng năng lượng thấp hơn, phản ứng (p,p) được dùng trong các trường hợp phản
ứng (p,n) không xảy ra.
Phản ứng (p,γ): Do xác suất phát ra các hạt từ hạt nhân hợp phần cao hơn xác
suất phát lượng tử γ, nên phản ứng (p,γ) có suất lượng rất thấp. Tuy nhiên, vì một
vài lý do nào đó hạt phát ra bị cấm, thì lúc đó phản ứng (p,γ) đóng vai trị quan
trọng. Ví dụ, nếu Tpcạnh phản ứng (p,p). Một thí dụ thú ví về phản ứng (p,γ) có suất lượng cao chính là
phản ứng

.


Phản ứng (p,d): So với các phản ứng khác, phản ứng này rất hiếm vì đơteron

là hạt có liên kết yếu (εd = 2.22 MeV), và cần lượng lớn năng lượng để hình thành
nó. Do đó, phản ứng (p,d) thường là phản ứng thu nhiệt, còn nếu là phản ứng tỏa
nhiệt thì giá trị Q rất nhỏ (ví dụ như
27

có Q=0.56 MeV).
28

1.2. Vai trò của phản ứng Al (p, γ) Si.
27

28

Trong lĩnh vực vật lý thiên văn học, phản ứng Al (p, γ) Si đóng vai trị
quan trọng trong q trình tổng hợp hạt nhân trong các sao vì nó là một trong
những phản ứng tham gia vào chu trình Mg-Al. Chu trình Mg-Al thực hiện
việc đốt cháy hydro và chủ yếu xảy ra trong các sao với nhiệt độ T9 ≥0.03.
Phản ứng

27

28

Al (p,γ) Si cạnh tranh với phản ứng

27

Al(p,α)24Mg. Điều này đã

được đề cập trong rất nhiều tài liệu liên quan.

Trong lĩnh vực hạt nhân, phản ứng

27

28

Al(p,γ) Si cũng góp phần khơng

nhỏ cho các kết quả thực nghiệm thu được từ ứng dụng của nó. Phản ứng này
được sử dụng rộng rãi để chuẩn năng lượng cho các máy gia tốc do độ rộng
cộng hưởng cỡ 80 eV và vị trí cộng hưởng tại 991.88 keV rất phù hợp cho các
loại máy gia tốc hạt năng lượng thấp và trung bình.
Thực tế các phép đo thực hiện trên phản ứng

27

28

Al(p,γ) Si đã được thực

hiện trên các hệ detector khác nhau và các kết quả đó cũng được thực hiện
bằng các kĩ thuật và các phương pháp phân tích khác nhau, kết quả cho cường
độ cộng hưởng bao trùm một dải giá trị rộng gồm nhiều mức cộng hưởng. Có
tất cả 47 mức cộng hưởng của phản ứng

27

28

Al(p,γ) Si trong dải năng lượng

của các proton tới Ep từ 0.8 MeV đến 2.0 MeV.
1.3 Một số kết quả nghiên cứu đã có về phản ứng 27Al(p,γ)28Si.
Phản ứng được thực hiện bằng cách dùng chùm proton được gia tốc trên
máy gia tốc Pelletron bắn vào bia

27

Al đặt trong buồng tán xạ. Chùm proton có

năng lượng thay đổi từ 800-2000 keV trong đó bước thay đổi năng lượng là 1 keV.


Sau khi bắt proton, hạt nhân hợp phần

28

Si sẽ được tạo thành ở trạng thái kích

thích. Ứng với mỗi proton năng lượng khác nhau, hạt nhân hợp phần
nằm ở trạng thái kích thích khác nhau. Hạt nhân hợp phần

28

28

Si sẽ

Si sẽ phát ra

gamma để trở về trạng thái cơ bản hoặc trạng thái có năng lượng kích thích
thấp hơn, như trong hình 1.1.
Trong thí nghiệm này, bia được sử dụng được tạo ra bằng cách bốc hơi
nhôm tinh khiết trên đế Cu. Điện tích thu góp trên bia thay đổi từ 10 -120 µCb.
Dịng đặc trưng được sử dụng là Ip=50-600 nA, và thời gian chết bị giới hạn
27

28

luôn giữ ở dưới 10% trong suốt quá trình đo. Trong phản ứng Al(p,γ) Si, hiệu
suất ghi tuyệt đối được tính tốn đối với mỗi mức cộng hưởng riêng, tính
tốn sơ đồ phân rã cụ thể của mỗi cộng hưởng, bằng phương pháp tính
tốn mơ phỏng Monte-Carlo. Hạt nhân hợp phần,

28

Si, bị kích thích trở về

trạng thái cơ bản theo các kênh phân rã khác nhau. Giản đồ năng lượng của
phản ứng được trình bày trong hình 1.1.

27

28

Hình 1.1: Giản đồ năng lượng của phản ứng hạt nhân Al (p,γ) Si .
Như thấy rõ trong hình vẽ 1, có thể sử dụng 15 chuyển dời gamma để
nghiên cứu tiết diện của phản ứng thông qua việc ghi nhận bức xạ gamma do

hạt nhân hợp phần phát ra. Số liệu về các chuyển dời này được liệt kê trong
bảng 1. Cột đầu tiên của bảng này tương ứng với các chuyển dời gamma đã
đánh số trong hình vẽ 1. Cột thứ hai và ba liệt kê tỉ số rẽ nhánh của các
chuyển dời gamma và hiệu suất ghi tương ứng của detector. Hiệu suất ghi
được tính cho detector nhấp nháy tinh thể 3” x 3” bằng phương pháp mô
phỏng Monte-Carlo. Sai số của tỉ số rẽ nhánh là nhỏ hơn 5%.
Có hai phương pháp có thể dùng để nghiên cứu phản ứng hạt nhân cộng
hưởng, đó là phương pháp mẫu mỏng và phương pháp mẫu dày. Trong
phương pháp mẫu mỏng, mẫu có bề dày đủ mỏng so với quãng chạy của
chùm hạt tới trong bia sao cho có thể bỏ qua các hiệu ứng thứ cấp. Ưu điểm
của phương pháp này là dễ dàng khi phân tích số liệu do có thể bỏ qua hàng
loạt hiệu chính liên quan đến q trình lan truyền của chùm hạt trong bia. Tuy
nhiên, nhược điểm của phương pháp này là rất mất thời gian vì phải thay đổi
năng lượng của chùm tới với bước đủ nhỏ. Trong phương pháp mẫu dày,
chùm hạt tới bị hấp thụ hồn tồn trong bia và do đó chỉ bằng một phép đo có
thể xác định được rất nhiều cộng hưởng nằm trong dải năng lượng từ 0 đến
năng lượng của chùm hạt tới. Do đó phương pháp này khơng tốn thời gian.
Tuy nhiên, việc phân tích số liệu sẽ rất phức tạp do phải xác định được chính
xác năng lượng mà hạt tới bị mất trong bia trước khi nó gây phản ứng. Việc
xác định chính xác đại lượng này đến nay vẫn đang là thách thức lớn trong
lĩnh vực vật lý hạt nhân thực nghiệm. Nhiều phương pháp thực nghiệm đã và
đang được nghiên cứu nhằm giải quyết khó khăn này. Chẳng hạn bố trí các hệ
hodoscope phức tạp trước và sau bia nhằm xác định chính xác phương bay
của hạt trước và sau bia. Kết hợp với việc đo năng lượng chính xác của các
sản phẩm phản ứng, có thể tìm được tọa độ của điểm tương tác của hạt trong
bia và do đó có thể hiệu chính được năng lượng mà hạt bị mất. Một kỹ thuật
thực nghiệm khác nữa là sử dụng bia hoạt (active target). Kỹ thuật này đang
được thử nghiệm ở một số trung tâm nghiên cứu hạt nhân lớn ở Đức, Mỹ,
Nhật Bản…

Trong bảng 2 liệt kê các số liệu liên quan đến cộng hưởng của hạt nhân
hợp phần

28

Si. Cột đầu tiên là năng lượng của chùm hạt proton tới trong hệ

quy chiếu phịng thí nghiệm. Cột thứ hai là hiệu suất ghi gamma của detector.
Cột thứ 3 là cường độ của cộng hưởng tính theo đơn vị eV. Cường độ của các
cộng hưởng này được xác định từ đường cong kích thích của phản ứng hạt
nhân. Đó là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của tiết diện phản ứng vào
năng lượng của chùm hạt tới. Đường cong này được phân tích bằng mẫu
quang học của phản ứng hạt nhân thơng qua mơ hình R-Matrix.


Trong hình vẽ 1.2 biểu diễn đường cong kích thích của phản ứng hạt
nhân

27

28

Al (p,γ) Si trong dải năng lượng Ep=800-2000 keV lấy từ tài liệu

(Eur. Phys. J. A 6, 303-308). Trong đồ thị này, trục hoành là năng lượng của
chùm hạt tới proton tính trong hệ quy chiếu tâm khối. Các điểm thực nghiệm
được biểu diễn bằng hình trịn đặc cịn đường liền nét là kết quả phân tích
bằng mẫu quang học thơng qua lý thuyết R-Matrix. Có thể thấy rõ vị trí của
các cộng hưởng của hạt nhân hợp phần

28

Si trong vùng năng lượng này.


CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ HỆ MÁY GIA TỐC PELLETRON 5SDH-2
VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA NÓ

2.1. Giới thiệu sơ lược cấu tạo của máy gia tốc Pelletron 5SDH-2
Hệ máy gia tốc Pelletron 5SDH-2 đặt tại trường Đại học khoa học tự nhiên Đại học quốc gia Hà Nội, là loại máy gia tốc tĩnh điện kép (Tandem), được sản xuất
tại hãng National Electrostatics Corporation (NEC) – USA. Đây là máy gia tốc tĩnh
điện hiện đại, lần đầu tiên lắp đặt tại Việt Nam. Máy có điện áp gia tốc cực đại là
1.7 MV, do đó có thể gia tốc ion đơn lên năng lượng 3.4 MeV, ion kép lên 5.1
MeV. Hệ máy bao gồm các thành phần chính sau đây:
- Nguồn ion
-

Buồng gia tốc chính

-

Hệ chân khơng

-

Các bộ phận hội tụ, điều chỉnh chùm tia

-

Kênh phân tích

-

Kênh cấy ghép ion

2.1.1. Nguồn ion
Với các mục đích sử dụng các chùm tia khác nhau trong phân tích và cấy
ghép, hệ máy gia tốc 5SDH-2 có hai loại nguồn phát chùm tia với hai cơ chế hồn
tồn khác nhau, đó là nguồn RF và nguồn SNICS II.
2.1.1.1. Nguồn ion RF hay nguồn ion âm trao đổi điện tích RF (Radio Frequency
Charge Exchange Negative Ion Source – RF Source) dùng để tạo ra ion H và He
cho các hệ phân tích.
Nguồn trao đổi Ion RF của NEC được lấy làm mẫu sau khi nguồn này được
sử dụng bởi H.T.Richards ở đại học Wisconsin – Madison từ năm 1976. Khi được
ứng dụng cho việc tạo nguồn He- thì được đặt tên là Alphatross. Phiên bản gốc


được phát triển từ năm 1967 và về sau được ứng dụng vào việc tạo nguồn ion sử
dụng bởi NEC. Trong quá trình vận hành, một chùm ion dương được giải phóng từ
một trạng thái plasma được tạo ra từ nguồn RF và được gia tốc vào trong ống trao
đổi điện tích ở 6keV với tỉ lệ khoảng 1-2% chùm tia được chuyển thành các ion
dương và sau đó được giải phóng và được gia tốc với năng lượng mong muốn.
Buồng trao đổi điện tích dùng hơi Rubidium vì nó có tiết diện tạo He- cao.
NEC Alphatross sử dụng một bình ngưng tụ Rubidium để ngăn cản sự di chuyển
hơi Rubidium vào trong bình thạch anh có plasma. Một tấm chắn nữa được đặt ở
phía đầu ra của bộ chuyển đổi điện tích để cách li khí rubidium khỏi các thấu kính
tĩnh điện, van chân khơng…

Hình 2.1: Cấu tạo của nguồn ion RF.

2.1.1.2. Nguồn ion phún xạ cathode hay nguồn ion SNICS II (Source of Negative
Ions by Cesium Sputtering – SNICS) cho phép tạo ra các ion từ Hydrogen (H) đến
Bismuth (Bi) để gia tốc.
Thiết kế: Thiết kế của nguồn ion âm bởi phún xạ cathode bằng Cesium
(SNICS) được phân phối bởi NEC. SNICS II là nguồn ion thế hệ thứ 2 được phát
triển như một sự cải tiến nguồn SNICS ở việc vận chuyển cesium trong nguồn, độ
tin cậy và dễ dàng hơn trong việc tiếp cận cathode.