Dự thảo tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu cấu trúc của một số hạt nhân phóng xạ giàu nơtron trên thiết bị tạo chùm đồng vị phóng xạ tại RIKEN

Chia sẻ: Acacia2510 _Acacia2510 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích chính của nghiên cứu thực nghiệm trong khuôn khổ nội dung của luận án là: Tiến hành đo các thuộc tính phân rã β bao gồm thời gian bán rã và xác suất phát nơtron trễ của các đồng vị Sn, In, Cd và Ag nằm ở vùng hạt nhân “đông bắc” của hạt nhân hai lần magic 132Sn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Dự thảo tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu cấu trúc của một số hạt nhân phóng xạ giàu nơtron trên thiết bị tạo chùm đồng vị phóng xạ tại RIKEN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _______________________ Vi Hồ Phong NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC CỦA MỘT SỐ HẠT NHÂN PHÓNG XẠ GIÀU NƠTRON TRÊN THIẾT BỊ TẠO CHÙM ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TẠI RIKEN Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số: 9440130.04 (DỰ THẢO) TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội – 2019
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: GS. TS. Lê Hồng Khiêm TS. Shunji Nishimura Phản biện: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .............................. Phản biện: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .............................. Phản biện: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .............................. Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN vào hồi giờ ngày tháng năm 20... Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội
Mở đầu Hạt nhân nguyên tử là một hệ lượng tử nhiều hạt gồm hai loại fermion: proton và nơtron. Tương tác giữa chúng trong một trường trung bình dẫn đến khái niệm về cấu trúc vỏ hạt nhân, cùng với đó là các số riêng biệt (gọi là số magic): 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 ... Mẫu vỏ hạt nhân, một trong những nền tảng của Vật lý hạt nhân, đã rất thành công trong việc giải thích các hiện tượng magic hạt nhân gần đường bền. Tuy nhiên, một câu hỏi gần đây được đặt ra về vấn đề liệu hiện tượng magic này còn đúng cho các hạt nhân trong vùng xa đường bền (còn gọi là các hạt nhân lạ). Thời gian bán rã β và xác suất phát nơtron trễ từ phân rã β là một trong những đại lượng có thể được dùng để khảo sát hiện tượng này. Trong bảng các đồng vị hạt nhân, vùng giao nhau giữa số magic hạt nhân nơtron và proton xa đường bền có thể đưa ra những điểm chuẩn cho mẫu vỏ hạt nhân. Vùng hạt nhân này cũng liên quan tới các nghiên cứu về quá trình bắt nơtron trong thiên văn học. Riêng vùng hạt nhân nằm phía “đông bắc” của hạt nhân hai lần magic 132 Sn, cụ thể là các hạt nhân với số hiệu nguyên tử Z ≤ 50 và số nơtron N ≥ 82, là một chủ đề hấp dẫn đối với các nghiên cứu về cấu trúc hạt nhân cũng như thiên văn học hạt nhân. Nghiên cứu về các trạng thái giả bền (các trạng thái isomer) trong vùng hạt nhân này có thể cung cấp các thông tin quan trọng về các lớp vỏ hạt nhân và tương tác giữa các nucleon. Nghiên cứu về các thuộc tính phân rã (phân rã β và γ) của các hạt nhân giàu nơtron đang được đẩy mạnh cùng với việc vận hành và xây dựng các thế hệ cơ sở tạo chùm đồng vị phóng xạ mới được xây dựng trên thế giới. Cơ sở RIBF (Radioactive isotope beam facility) tại viện nghiên cứu RIKEN ở Nhật Bản là cơ sở in-flight thế hệ mới tạo được các chùm hạt nhân giàu nơtron với suất lượng cao. Dựa vào các cơ sở trên, chúng tôi đã chọn nội dung đề tài: Nghiên cứu cấu trúc của một số hạt nhân phóng xạ giàu nơtron trên thiết bị tạo chùm đồng vị phóng xạ 1
tại RIKEN. Các công việc của luận án là một phần của dự án “Beta-delayed neutrons at RIKEN” (BRIKEN), một dự án hợp tác quốc tế tiến hành nghiên cứu thực nghiệm về các thuộc tính của quá trình phát nơtron trễ từ phân rã β (các đại lượng T1/2 và Pxn ) của các hạt nhân giàu nơtron được tạo ra bởi cơ sở RIBF. Mục đích của luận án: Các mục đích chính của nghiên cứu thực nghiệm trong khuôn khổ nội dung của luận án là: • Tiến hành đo các thuộc tính phân rã β bao gồm thời gian bán rã và xác suất phát nơtron trễ của các đồng vị Sn, In, Cd và Ag nằm ở vùng hạt nhân “đông bắc” của hạt nhân hai lần magic 132 Sn. (trong Hình 1). Hình 1: Vùng hạt nhân giàu nơtron phía “đông bắc” của hạt nhân 132 Sn, hình vuông nhỏ thể hiện một đồng vị. Thang màu đại diện cho số lượng các hạt nhân không bền tạo ra trong thí nghiệm này. Vùng bên trong hộp vuông màu xanh đại diện cho các hạt nhân liên quan đến quá trình bắt nơtron nhanh (r-process) trong thiên văn hạt nhân. Vùng các đồng vị được quan tâm trong luận án này nằm trong hộp vuông màu đỏ • Tiến hành thực nghiệm phân tích phổ các trạng thái đồng phân để tìm kiếm các dịch chuyển từ các trạng thái đồng phân của các đồng vị Ag và In nằm trong vùng đông bắc của hạt nhân hai lần magic 132 Sn với cấu hình hạt lỗ nơtron- proton. 2
• Thảo luận về bằng chứng của cấu trúc vỏ hạt nhân dựa vào khuynh hướng của các đại lượng xác suất phát nơtron trễ từ phân rã β đo được. • Diễn giải các kết quả thực nghiệm về phổ trạng thái đồng phân và phân rã β thông qua việc so sánh với các mô hình hạt nhân hiện có. • Thảo luận về ảnh hưởng của các kết quả thực nghiệm về xác suất phát nơtron trễ từ phân rã β trong quá trình bắt nơtron nhanh (r-process) trong thiên văn hạt nhân. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung vào nghiên cứu thực nghiệm về phân rã β và phổ trạng thái đồng phân (isomeric spectroscopy) của các hạt nhân giàu nơtron nằm trong vùng hạt nhân đông bắc của hạt nhân hai lần magic 132 Sn. Chùm tia có giàu nơtron cường độ lớn được tạo ra ở cơ sở tạo chùm đồng vị phóng xạ RIBF được sử dụng trong nghiên cứu này. Một hệ detector có hiệu suất cao bao gồm một hệ dừng chùm tia chủ động bao quanh bởi hệ các ống đếm đo nơtron được sử dụng để nghiên cứu các thuộc tính phân rã β và phổ trạng thái đồng phân của các hạt nhân được quan tâm. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Vùng hạt nhân xung quanh hạt nhân hai lần magic 132 Sn là một chủ đề thực nghiệm hấp dẫn vì việc khảo sát các trạng thái kích thích thấp cũng như các thuộc tính phân rã β trong vùng hạt nhân này có thể cung cấp các thông tin quan trọng cho việc phát triển bức tranh về mẫu vỏ hạt nhân ở vùng giàu nơtron có khối lượng trung bình tương ứng với lớp vỏ đóng proton Z=50 và nơtron N=82 cũng như các hiệu ứng liên quan đến tương tác proton- nơtron. Tuy nhiên về mặt thực nghiệm, vùng hạt nhân này khá khó để tiếp cận do suất lượng tạo thành tương đối thấp. Vì vậy các kết quả thực nghiệm về phân rã β và dịch chuyển γ từ các trạng thái đồng phân trong vùng hạt nhân này sẽ đóng ghóp một phần để mở rộng những hiểu biết về các thuộc tính của hạt nhân trong vùng này. Các kết quả thực nghiệm này cũng đóng ghóp 3
những thông tin quan trọng cho việc phát triển các mẫu cấu trúc hạt nhân đối với các hạt nhân giàu nơtron. Thêm vào đó, chúng cũng là các dữ liệu đầu vào trong tính toán quá trình hình thành nguyên tố bằng cơ chế bắt nhanh nơtron (r-process) trong các sao. Một số kỹ thuật thực nghiệm có trong luận án có thể được sử dung trong một số ứng dụng thực tiễn, ví dụ như: (1) Việc xác định xác suất phát nơtron trễ từ phân rã β với độ chính xác cao có thể giúp cải thiện cơ sở dữ liệu hạt nhân cho các ứng dụng về lò phản ứng: (2) Phát triển hệ detector nơtron sử dụng ống đếm 3 He cho các ứng dụng trong an toàn hạt nhân và chống phổ biến vũ khí hạt nhân; (3) Sử dụng công cụ mô phỏng GEANT4 cho các ứng dụng trong y học hạt nhân, an toàn bức xạ,... Bố cục luận án: Nội dung của luận án (trừ phần mở đầu và kết luận) được chia thành 4 chương như sau: Chương 1: Giới thiệu về sự phát triển của các nghiên cứu trên các chùm đồng vị phóng xạ tại các cơ sở tạo chùm đồng vị phóng xạ trên thế giới và các lý thuyết liên quan đến phân rã β và các trạng thái đồng phân. Chương 2: Mô tả các thiết bị thực nghiệm và bố trí thí nghiệm. Chương 3: Trình bày về các kỹ thuật phân tích số liệu áp dụng cho số liệu trên mỗi hệ detector, tập trung chủ yếu vào hệ detector cấy ion AIDA. Trình bày các quy trình xử lý số liệu tiếp theo trên các sự kiện tương ứng để thực hiện phép đo tương quan giữa các sự kiện cấy ion - sự kiện γ, sự kiện cấy ion - sự kiện β, sự kiện cấy ion - sự kiện β - sự kiện nơtron. Chapter 4: Trình bày và thảo luận về các kết quả chính của luận án về phân rã γ từ các trạng thái đồng phân và phân rã β của các hạt nhân trong khuôn khổ nghiên cứu. Chương 1: Tổng quan Hiện nay, các nghiên cứu trên các đồng vị phóng xạ là một lĩnh vực tiên phong trong Vật lý hạt nhân hiện đại. Có thể kể đến hai phương pháp thường được sử dụng để tạo ra các chùm đồng 4
vị phóng xạ này: Phương pháp phân mảnh, phân hạch in-flight và phương pháp phân tách đồng vị online (ISOL). Trong đó, phương pháp in-flight đã được sử dụng để tạo ra các hạt nhân không bền trong khuôn khổ luận án, do ưu điểm của phương pháp trong việc tạo ra nhiều loại hạt nhân có thời gian sống ngắn sử dụng hệ phổ kế từ thay vì quá trình hoá học như trong phương pháp ISOL. Trong chương này, các cơ sở lý thuyết về cấu trúc vỏ hạt nhân được tóm tắt. Bắt đầu từ mô hình đơn hạt độc lập, mô hình được sử dụng để mô tả các trạng thái kích thích của hạt nhân với một hoặc vài hạt/lỗ liên kết với lõi đóng hai lần magic. Tiếp theo, bức tranh cấu trúc vỏ hạt nhân xa đường bền được mô tả dưới ảnh hưởng của tương tác thặng dư. Cơ sở của tương tác tặng dư giữa các quỹ đạo không tương đương (non-equivalent orbits) đã được sử dụng để giải thích quy luật parabol trong cấu hình nhiều hạt. Dựa vào cơ sở lý thuyết trên, các nghiên cứu thực nghiệm trước đó trong vùng hạt nhân đông bắc của hạt nhân hai lần magic 132 Sn đã được tác gỉa phân tích và đánh giá, trong đó nhấn mạnh về các thông tin thực nghiệm còn thiếu về các trạng thái kích thích thấp trong vùng hạt nhân này. Việc đo các phân ra (dịch chuyển) γ từ các mức năng lượng hạt nhân cho phép nghiên cứu về vấn đề này. Trong chương này, các cơ sở lý thuyết về phân rã γ cũng được nêu, bao gồm các ước lượng Weisskopt sử dụng để dự đoán độ đa cực của dịch chuyển γ, cùng với đó là định nghĩa về trạng thái đồng phân và dịch chuyển γ từ trạng thái đồng phân. Nghiên cứu về các thuộc tính phân rã β, trong đó có xác suất phát nơtron trễ từ phân rã β (Pxn , x là số nơtron trễ phát ra) và thời gian bán rã β có thể cung cấp những thông tin quan trọng về cấu trúc hạt nhân và thiên văn học hạt nhân. Trong chương này, tác giả đã xem xét các lý thuyết về phân rã β, như phân loại các phân rã β: Dịch chuyển Gamow-Teller, Fermi và các dịch chuyển cấm, cùng với đó là định nghĩa lý thuyết của xác suất phát nơtron trễ từ phân rã β và các thành phần quan trọng trong tính toán lý thuyết cho đại lượng này. Ảnh hưởng 5
của dữ liệu xác suất phát nơtron trễ từ phân rã β cho các hạt nhân giàu nơtron trong các tính toán thiên văn học hạt nhân liên quan đến quá trình bắt nhanh nơtron đã được thảo luận. Cuối chương, tác giả thảo luận về một số phương pháp thực nghiệm để đo đại lượng Pxn bao gồm các phép đo gián tiếp và các phép đo trực tiếp sử dụng detector đo nơtron. Chương 2: Cấu hình thí nghiệm Các hạt nhân giàu nơtron xung quanh vùng hạt nhân có số nơtron N=82 đã được tạo ra tại cơ sở tạo chùm đồng vị phóng xạ RIBF tại RIKEN. Cơ sở này bao gồm 5 máy gia tốc cyclotron và 1 máy gia tốc thẳng LINAC. Ngoài ra, rất nhiều các thiết bị thử nghiệm sử dụng chùm hạt sơ cấp được gia tốc được đặt ở các đường dẫn (beam-line) khác nhau. Trong nghiên cứu này, chùm hạt 238 U được gia tốc bởi 5 tầng máy gia tốc. Hình 2.1.2 mô tả bố trí thí nghiệm của đề tài luận án, bắt đầu từ Hình lối vào của tầng gia tốc cuối cùng (máy gia tốc Cyclotron với nam châm siêu dẫn SRC). Chùm tia sơ cấp sau khi đi ra khỏi SRC được dẫn đến một bia dày làm bằng Beryllium, một vật liệu có số hiệu nguyên tử nhỏ và tiết diện tạo ra các mảnh vỡ giàu nơtron lớn thông qua cơ chế phản ứng cọ sát-phân hạch (abrasion-fission). Các mảnh sản phẩm, với độ toè góc và mômen lớn do việc sử dụng bia dày, đã đi vào hệ phổ kế Big RIKEN Projectile Fragment Separator (BigRIPS). Với thiết kế có độ chấp nhận (acceptance) lớn, trên hệ phổ kế BigRIPS một lượng lớn các ion thứ cấp sinh ra từ bia đã được thu nhận và được vận chuyển thông qua bộ phân tách hai tầng (tandem). Việc xác định các mảnh sản phẩm được tiến hành trong tầng thứ hai của hệ phổ kế BigRIPS, nằm sau tiêu cực hội tụ F3 của nam châm tứ cực, sử dụng các detector dọc theo đường đi của chùm tia (beamline detector) như detector nhấp nháy plastic, ống đếm thác lũ dạng bản song song (Parallel Plate Avalanche Counter -PPAC) và buồng ion hoá (ionization chamber-IC). Chùm hạt nhân gồm nhiều loại khác nhau (cocktail beam) đã 6
được vận chuyển đến hệ thí nghiệm đo phân rã β đặt tại điểm hội tụ cuối F11. Tại đây, hệ detector cấy ion AIDA (Advanced Implantation Detector Array) và dừng chùm tia - ghi đo (active stopper) gồm 6 detector Silicon phân dải hai mặt được đặt tại vị trí chính giữa để dừng hoàn toàn các ion và ghi đo phân rã β từ các ion được cấy vào. Quá trình sau khi cấy ion và sau phân rã β phát rã bức xạ γ và nơtron và được đo bằng các detector bán dẫn Ge siêu tinh khiết (HpGE) dạng bốn lá và các ống đếm đo nơtron được bố trí xung quanh. Sơ đồ bố trí thí nghiệm ở điểm hội tụ F11 được cho ở Hình 2.2. 3. Trong chương này, các mô tả chi tiết về từng detector trong thí nghiệm được đưa ra. Tác giả đã đề xuất một thiết kế cho detector đo nơtron BRIKEN sử dụng công cụ mô phỏng GEANT4. Công cụ này cũng được sử dụng để ước lượng hiệu suất ghi nơtron cho cấu hình cuối cùng của detector đo nơtron BRIKEN. Hình Hình2.1: 2: Sơ đồ tổng thể bố trí thí nghiệm Chương 3: Phân tích số liệu Trong chương này, các phương pháp phân tích áp dụng cho số liệu thực nghiệm được đưa ra. Các số liệu đo từ 3 hệ ghi nhận số liệu (DAQ): BigRIPS, AIDA và BRIKEN đã được phân tích 7
Hình Hình2.2: 3: Sơ đồ bố trí thí nghiệm tại điểm hội tụ F11 (Hình cung cấp bởi TS.Iris Dillmann, thành viên nhóm thí nghiệm) (sort) riêng trước khi được ghộp chung lại dựa trên các thông tin về thời gian. Nhận diện hạt Thực nghiệm trong khuôn khổ luận án có mục đích chính là đo các phân rã β và và phân rã γ từ trạng thái đồng phân của một dải rộng các hạt nhân xung quanh vùng có khối lượng A = 130. Do đó, hệ phổ kế BigRIPS được điều chỉnh ở chế độ chấp nhận lớn (large acceptance mode) để có thể chấp nhận nhiều loại ion (hạt nhân) khác nhau xung quanh vùng có khối lượng A = 130, tương ứng với dải giá trị độ cứng từ Bρ lớn. Trước khi cấy chùm tia gồm nhiều loại hạt nhân này vào trong hệ thí nghiệm BRIKEN ở điểm hội tụ F11, việc phân tích nhận diện hạt theo từng sự kiện (event-by-event) là cần thiết cho các phép phân tích tiếp theo. Việc nhận diện hạt (PID) tương ứng với việc cung cấp các thông tin về số hiệu nguyên tử Z và tỉ số khối lượng trên điện tích A/Q của mảnh sản phẩm (fragments) sử dụng kỹ thuật được gọi là ∆E − Bρ − T OF . Cụ thể việc nhận diện hạt bao gồm các bước đo vận tốc sử dụng thông tin về thời gian bay (time-of-flight), xác định số hiệu nguyên tử sử dụng buồng ion hoá và xác định tỉ số A/Q dựa vào việc tính toán giá trị Bρ. Các phép chuẩn (calibration) thực hiện trên detector AIDA, BRIKEN và Clover Với hệ detector được phân chia thành nhiều vùng (segment) 8
và tiền khuếch đại có hai giải năng lượng như AIDA, việc chuẩn năng lượng phải được tiến hành cho cả hai năng lượng cao và năng lượng thấp trên một số lượng lớn các dải (strips) tương ứng với tổng cộng 1536 kênh ghi nhận. Đối với dải năng lượng cao, phương pháp "chuẩn nội tự động"đã được áp dụng trên dữ liệu ghi nhân được với chùm hạt trong thí nghiệm. Phương pháp này dựa vào sự phù hợp về năng lượng giữa các dải bán dẫn loại p và mặt bán dẫn loại n. Đối với dải năng lượng thấp, các lần đo sử dụng máy phát xung đã được sử dụng để chuẩn hoá giá trị ADC offset, từ đó cung cấp ước lượng tương đối tốt cho các hệ số chuẩn năng lượng. Để loại bỏ các sự kiện nhiễu trên detector AIDA, sau khi xem xét các đặc điểm của nhiễu, tác giả đã sử dụng giá trị ngưỡng được cài đặt bằng phần mềm ở giá trị 100 keV. Điều kiện phân tích này, sau khi được kết hợp với điều kiện veto các hạt nhẹ đi cùng chùm tia tới, đã ghóp phần giảm các nhiễu (phông) không mong muốn ảnh cưởng đến việc xác định các sự kiện phân rã thực. Detector đo nơtron BRIKEN được chuẩn năng lượng sử dụng dữ liệu từ nguồn chuẩn 252 Cf và dữ liệu từ chùm hạt tới. Tác giả đã thu được bộ các tham số chuẩn năng lượng sử dụng đỉnh hấp thụ toàn phần trên ống đếm ở năng lượng 765 keV. Đối với detector bán dẫn Ge tinh khiết dạng bốn lá, các phép đo chuẩn (năng lượng, hiệu suất ghi) đã được tiến hành trước và sau thí nghiệm sử dụng một số nguồn chuẩn với các năng lượng γ đã biết. Cụ thể bao gồm nguồn 60 Co (1173 keV và 1332 keV), 133 Ba (53 keV, 80 keV, 276 keV, 303 keV 356 keV và 384 keV) và 152 Eu (121 keV, 224 keV và 344 keV). Phép chuẩn năng lượng đã được tiến hành sử dụng hàm tuyến tính của năng lượng với số kênh ADC để thu được một bộ các hệ số chuẩn năng lượng (gain và offset). Để xác định giá trị hiệu suất ghi tuyệt đối (chuẩn hiệu suất ghi), các nguồn chuẩn 133 Ba và 152 Eu đã được sử dụng. Để ước lượng hiệu ứng suy giảm cường độ tia γ trong vật liệu của detector AIDA, phép mô phỏng GEANT4 sử dụng cấu hình thực đã được tiến hành. Thêm vào đó, để tái xây dựng toàn bộ năng 9
lượng hấp thụ của sự kiện tán xạ Compton ở năng lượng cao, tác giả đã sử dụng thuật toán cộng năng lượng (addback) tương ứng của các tín hiệu ghi nhận từ các tinh thể gần nhau của detector trong một khoảng thời gian 1 µs. Đường chuẩn hiệu suất ghi sau khi áp dụng thuật toán addback đã được so sánh với đường chuẩn ban đầu và được biểu thị trong Hình Hình3.14. 4. Ngoài ra, tác giả cũng xét đến hiệu ứng sai thời gian (time-walk effect) phụ thuộc năng lượng của các tia γ được ghi nhận bởi detector. Đồ thị biểu diễn năng lượng và thời gian tương ứng của tín hiệu ghi nhận được bởi detector đã được sử dụng để hiệu chỉnh hiệu ứng này. Hình Hình3.14: 4: Đường chuẩn hiệu suất ghi tổng cộng của detector bán dẫn Ge tinh khiết sau khi áp dụng thuật toán addback (đường màu tím) và trước khi áp dụng thuật toán addback (đường màu đỏ). Trong chương này, tác giả cũng mô tả phương pháp phân tích để tái xây dựng sự kiện phân rã β và cấy ion trong detector AIDA. Các sự kiện được phân loại thành các cụm (cluster) của các hit năng lượng cao và năng lượng thấp trên các dải của detector silicon phân dải hai mặt (DSSD) dựa vào thông tin về vị trí và thời gian. Xử lý số liệu Ở phần này, tác giả trình bày quy trình ghộp các số liệu từ 3 hệ ghi nhân số liệu (DAQ) độc lập sử dụng thông tin về thời gian. Trong bước này, các thông tin riêng biệt về một loại sự kiện đo được bởi 3 hệ ghi nhận số liệu đã được kết hợp cho bước phân tích tiếp theo. 10
Quy trình phân tích tương quan giữa sự kiện cấy ion - β và nơtron Trong bước phân tích này, các sự kiện cấy ion trong detector AIDA đã được xác định với số hiệu nguyên tử Z và tỉ số khối lượng trên điện tích A/Q (Hình (Hình3.25). 5). Từ dữ liệu đã được ghộp, phép trùng phùng kép giữa sự kiện cấy-sự kiện của tia γ và trùng phùng trễ của sự kiện cấy-sự kiện của phân rã β đã được tiến hành offline. Phép trùng phùng trên được thực hiện kết hợp với điều kiện tương quan về không gian để gán sự kiện phân rã β với sự kiện cấy ion tương ứng. Sử dụng các điều kiện trùng phùng này, các đường cong phân rã cuối cùng đã được xây dựng cho từng đồng vị được nhận diện trong với các điều kiện gate tương ứng với các sự kiện nơtron ghi nhận được bởi detector BRIKEN. Có thể coi điều kiện trên tương ứng với phép trùng phùng 3 sự kiện cấy ion - phân rã β và nơtron. Thêm vào đó, tác giả đã sử dụng điều kiện phản trùng phùng của các tín hiệu nơtron và các tín hiệu ghi nhận được của detector nhấp nháy plastic ở phía trước detector BRIKEN để làm giảm một lượng lớn phông nền nơtron liên quan đến chùm tia tới. Chương 4: Kết quả và thảo luận Phổ γ từ trạng thái đồng phân Trong phần này, tác giả đã trình bày các kết quả từ quan sát phân rã từ trạng thái đồng phân của đồng vị 134 In và các đồng vị khác trong vùng hạt nhân quan tâm. Ở bước đầu tiên, cấu hình hệ đo phổ phân rã từ trạng thái đồng phân đã được kiểm chứng sử dụng trạng thái đồng phân 10+ đã biết từ đồng vị 128 Cd. Tất cả các tia γ từ trạng thái đồng phân này đã được nhận diện dựa vào phổ năng lượng của các tia γ ghi nhận được ngay sau sự kiện cấy ion 128 Cd vào detector AIDA. Bằng cách khớp dữ liệu phân bố về thời gian với gate ở năng lượng tia γ 538 keV, tác giả đã xác định giá trị thời gian bán rã tương ứng của trạng thái đồng phân này bằng 3.6(4) µs. Kết quả thời gian bán rã này tương thích tốt với kết quả đã được 11
Hình Hình3.25: 5: Đồ thị mô tả số hiệu nguyên tử Z và tỉ số khối lượng trên điện tích tương ứng A/Q (c) và tham chiếu tương ứng lên trục A/Q đối với các đồng vị Sn (a) trong đó vùng tham chiếu nằm trong đường màu đỏ của phần hình (c). Phần hình (b) thể hiện đò thị phân bố tổng cộng, tham chiếu trên trục của số hiệu nguyên tử cho tất cả các đồng vị cùng với hàm khớp dạng Gaus được thể hiện bằng đường màu đỏ. 12
công bố trước đó. Sử dụng quy trình phân tích tương tự như với đồng vị 128 Cd, các tia γ phát ra từ trạng thái đồng phân tương quan thời gian với sự kiện cấy ion của các đồng vị 132 In, 134 In và 130 Ag đã được kiểm tra. Tia γ đơn năng với năng lượng 56.7(1) keV đã được quan sát rõ ràng đối với đồng vị 134 In, trong khi đó tác giả không tìm thấy bằng chứng về trạng thái đồng phân tương tự ở đồng vị 132 In và 130 Ag. Sử dụng phân bố thời gian của tia γ năng lượng 56.7(1) keV, tác giả đã xác định thời gian bán rã tương ứng bằng 3.5(4) µs (Hình (Hình4.2). 6). Xác suất dịch chuyển điện tương ứng được xác định bằng B(E2; 56.7keV ) = 0.53(6)W.u.. Hình Hình4.2: 6: Phần hình bên trái (a): Phân bố năng lượng và thời gian của các sự kiện tia γ ghi nhận được cho các đồng vị 132 In, 134 In và 130 Ag. Phần hình bên phải (b): Các phổ năng lượng tương ứng của các đồ thị phân bố ở phần hình (a). Hình phụ bên phải của phần hình chính giữa thể hiện đường khớp hợp lý thang log (log-likelihood) để xác định thời gian sống của trạng thái đồng phân của đồng vị 134 In. Từ việc so sánh với ước lượng Weisskopf với độ đa cực/loại dịch chuyển khác nhau được liệt kê ở Bảng Bảng 4.1 1 và giả thiết phân rã trực tiếp của trạng thái đồng phân về trạng thái cơ bản, dịch chuyển loại E2 được nhận định là độ đa cực/loại dịch chuyển khả dĩ nhất. Dịch chuyển loại M2 cũng là dịch chuyển khả dĩ nhưng 13
yêu cầu thay đổi về chẵn lẻ của trạng thái, do đó có thể được loại trừ căn cứ vào việc so sánh với các năng lượng đơn hạt ở vùng hạt nhân này. Các năng lượng đơn hạt này đều lớn hơn năng lượng của dịch chuyển γ quan sát được (56.7 keV). Bảng Bảng4.1: 1: Ước lượng Weisskopf tương ứng của thời gian bán rã (T1/2 ) với các loại dịch chuyển/độ đa cực khác nhau của phân rã từ trạng thái đồng phân của 134 In. Giá trị tương thích nhất với thời gian bán rã thực nghiệm 3.5(4) µs tương ứng với trường hợp loại dịch chuyển E2. Dịch chuyển hạt nhân nguyên tử trung hoà B(Eλ; M λ) Eλ; M λ T1/2 (µs) T1/2 (µs) W.u E1 1.4 × 10−6 7.6 × 10−7 2.2 × 10−7 M1 1.2 × 104 3.4 × 10−5 9.6 × 10−6 E2 23.7 1.9 0.53 M2 2.0 × 103 43.7 12.5 E3 6.0 × 108 2.1 × 106 6.1 × 105 M3 5.2 × 1010 8.3 × 107 2.4 × 107 Để thêm tính thuyết phục về giả thuyết loại dịch chuyển E2 đối với phân rã từ trạng thái đồng phân này, tác giả đã so sánh các kết quả thu được với các tính toán mẫu vỏ dựa trên mô hình lõi trơ 132 Sn cùng với không gian mẫu (model space) bao gồm 4 quỹ đạo proton và 6 quỹ đạo nơtron. Chi tiết về các tương tác proton-proton, nơtron-nơtron và nơtron-proton cũng được mô tả trong tính toán mẫu vỏ này. Tính toán mẫu vỏ đưa ra dự đoán trạng thái yrast 5- nằm ở dưới trạng thái 6- dẫn đến trạng thái 5- phân rã về trạng thái 7- thông qua dịch chuyển E2 với giá trị B(E2) nhỏ, từ đó trạng thái 5- là trạng thái đồng phân. Thêm vào đó, giá trị tính toán từ mẫu vỏ: B(E2; 5− → 7− ) = 26.6 e2 f m4 (8.1W.u) tương ứng với thời gian bán rã 2.85 µs là phù hợp tốt với giá trị thực nghiệm: 3.5(4) µs. Tính toán mẫu vỏ trên cũng dự đoán trạng thái đồng phân 5- của 132 In và 130 Ag. Tuy nhiên, thực nghiệm đã không tìm thấy bằng chứng về phân rã của trạng thái đồng phân của 132 In, mặc 14
dù hạt nhân 132 In được cấy với cường độ lớn hơn so với 134 In. Điều này gợi ý rằng thứ tự của trạng thái 5- và 6- có thể bị đảo ngược, từ đó phản ánh sai số lớn trong tính toán mẫu vỏ dự đoán trạng thái đồng phân của các hạt nhân lẻ-lẻ này do việc thiếu các dữ liệu thực nghiệm liên quan tới tương tác proton-nơtron trong vùng hạt nhân này. Trong khuôn khổ luận án, tác giả đã xác định tỉ số suất lượng đồng phân từ các dịch chuyển phát tia γ quan sát được từ hạt nhân 128 Cd và 134 In. Các kết quả được cho ở Bảng Bảng 4.2. 2. Kết quả thu được phù hợp tương đối tốt với các kết quả thực nghiệm trước đó. Dữ liệu tỉ số suất lượng đồng phân mới đo được có thể được sử dụng như một chuẩn để lên kế hoạch cho các nghiên cứu thực nghiệm tiếp theo về phân rã từ trạng thái đồng phân này tại cơ sở tạo chùm đồng vị phóng xạ bằng phương pháp phân hạch in-flight. Bảng Bảng4.2: 2: Bảng tổng hợp các tỉ số suất lượng đồng phân được xác định trong khuôn khổ luận án. Rexp. là tỉ số suất lượng đo được, và Rlit. là tỉ số suất lượng từ tài liệu tham khảo [Taprogge2015] Đồng vị, Loại dịch chuyển T1/2 Eγ γ Rexp. Rlit. Spin E λ µs (keV) (%) (%) (%) M 128 Cd, 10+ E1 3.6 ± 0.4 538 3.3 ± 0.3 8.0 ± 1.5 6.8 ± 0.4 134 In, 5- E2 3.5 ± 0.4 56.7 7.2 ± 0.4 46 ± 6 134 In, 4- M1 3.5 ± 0.4 56.7 7.2 ± 0.4 13 ± 3 Xác suất phát nơtron từ phân rã β cho các hạt nhân giàu nơtron thuộc vùng hạt nhân đông bắc hạt nhân đông bắc của 132 Sn Trong phần này, tác giả đã đưa ra hai kỹ thuật phân tích cho bước cuối cùng để xác định đồng thời giá trị Pxn và thời gian sống. Trong kỹ thuật đầu tiên, phương pháp mô phỏng Monte- Carlo đã được sử dụng để thu được dữ liệu về cấy ion-phân rã β và nơtron mô phỏng lại điều kiện thực nghiệm đo xác suất phát nơtron trễ từ phân rã β ở cơ sở tạo chùm đồng vị bằng phương 15
pháp in-flight. Tác giả đã phát triển quy trình khớp hàm nhiều thành phần để thu được một cách đồng thời giá trị thời gian bán rã β và xác suất phát nơtron trễ từ phân rã β. Quy trình này đã được kiểm tra sử dụng các dữ liệu mô phỏng. Tác giả đã sử dụng một ví dụ về hạt nhân phát hai nơtron trễ từ phân rã β 134 In để tạo rã số liệu mô phỏng với giả thuyết thời gian bán rã T1/2 =140 ms và hai giả thuyết về xác suất phát nơtron trễ từ phân rã β (Pxn ) của hạt nhân mẹ lần lượt là: (1) P1n = 50% and P2n = 50%, (2) P1n = 50% and P2n = 25%. Giá trị uớc lượng tốt nhất (best estimate) sau thực hiện quy trình khớp hàm cho ra kết quả đối với trường hợp thứ nhất là: T1/2 =140.2(3) ms, P1n = 50.1(2)%, P2n = 50.05(16) % và đối với trường hợp thứ hai là: T1/2 =140.1(3) ms, P1n = 49.9(2)%, P2n = 25.07(12) %. Sự phù hợp tốt của các hàm khớp với các đường cong phân rã với gate là số hạt nơtron (neutron multiplicity) và không có gate là số hạt nơtron cho thấy khả năng sử dụng phương pháp phân tích này để đưa ra ước lượng tốt nhất cho giá trị T1/2 và Pxn . Ngoài ra, phương pháp khớp hợp lý (likelihood) trên các dữ liệu không có bin cũng đã được kiểm tra sử dụng bộ số liệu mô phỏng. Phương pháp này sau đó đã được áp dụng cho các số liệu thực nghiệm để trích xuất giá trị T1/2 và Pxn . Trong kỹ thuật thứ hai, khảo suát thực nghiệm về độ nhạy của phân bố sự kiện ghi nhận nơtron được trong không gian (phân bố hit) với năng lượng của nơtron trễ từ phân rã β của các đồng vị giàu nơtron trong vùng hạt nhân quan tâm đã được tiến hành. Tác giả đã tiến hành xây dựng cấu hình thực nghiệm bằng mô phỏng GEAN4 và thu được phân bố hit từ các nơtron đơn năng với mục đích so sánh. Kết quả ban đầu cho thấy sự khác biệt rõ ràng về phân bố hit từ các nơtron trễ của các đồng vị khác nhau và từ các nơtron đơn năng có năng lượng khác nhau. Tác giả đã tìm thấy bằng chứng về tương quan giữa các tham số của phân bố hit với cửa số Qβn mà liên quan tương ứng giới hạn cho phép của phổ năng lượng nơtron. Ngoài ra, kết quả cũng gợi ý rằng năng lượng trung bình của nơtron có thể được đánh giá bằng cách so sánh phân bố hit chuẩn từ các nơtron đơn năng 16
thu được bằng mô phỏng GEANT4. Các kết quả này sau đó đã được sử dụng để thu được giá trị thực nghiệm về hiệu suất ghi của detector nơtron. Giá trị hiệu suất ghi thu được bằng phương pháp này có sự phù hợp tốt với kết quả tính toán sử dụng các phổ tia γ trễ phát ra từ phân rã β. Hình 4.15 Hình 7 đưa ra một ví dụ về dữ liệu đường cong phân rã thực nghiệm đã khớp của hạt nhân 135 In. Sử dụng quy trình khớp hàm như vậy, tác giả đã xác định thời gian bán rã và xác suất phát nơtron trễ từ phân rã β của các đồng vị giàu nơtron Ag, Cd, In và Sn. Kết quả thời gian bán rã thu được về mặt tổng thể phù hợp tốt với các giá trị đã được công bố trước đó (Hình (Hình4.16). 8). Khuynh hướng của các giá trị Pxn được mô tả trong Hình Hình4.17. 9. Kết quả cho thấy sự tăng đột ngột của các giá trị Pxn từ số nơtron N=83 tới số nơtron N=84 và có thể được giải thích bằng sự tương quan giữa giá trị Pxn với giá trị Qβ và năng lượng tách nơtron Sn . Hình Hình4.15: 7: Đường cong phân rã đã khớp của 135 In. Thời gian bán rã thu được là T1/2 = 104.1 ± 3.5 ms, với giá trị P1n =84.2 ± 2.4 % và P2n =10.07 ± 1.05 %. Các đồ thị thặng dư (residual) tương ứng được cho ở phần dưới của mỗi đường cong phân rã đã được khớp. Các kết quả trên đã được so sánh với các dữ liệu từ 5 tính toán mô hình lý thuyết đại diện (Hình (Hình4.19). 10). Trong các tính toán lý thuyết này, tính toán từ mô hình vi mô - vĩ mô QRPA-HF 17
Hình Hình4.16: 8: Giá trị thời gian bán rã thu được so sánh với các giá trị thực nghiệm trước đây từ tài liệu tham khảo [Lorusso2015] Hình Hình4.17: 9: Khuynh hướng của các giá trị P1n , P2n và Pn = P1n + P2n như một hàm của số nơtron đối với các đồng vị Ag, Sn, Cd và In. Các giá trị Pn thu được đã được so sánh với các giá trị thực nghiệm trước đó từ cơ sở dữ liệu NNDC. 18