Luận án Tiến sĩ Vật lý: Ứng dụng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng nghiên cứu phân rã gamma nối tầng của hạt nhân YB và SM trên lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

Chia sẻ: Minh Van Thuan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:113

Thêm vào BST

Báo xấu

166
lượt xem 24
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Vật lý: Ứng dụng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng nghiên cứu phân rã gamma nối tầng của hạt nhân YB và SM trên lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt trình bày tổng quan về các hệ phổ kế ghi đo γ và một số mẫu lý thuyết về mật độ mức hạt nhân; trình bày về sự phát triển phương pháp thực nghiệm nghiên cứu phân rã gamma nối tầng trên LPƯHNĐL; kết quả nghiên cứu phân rã gamma nối tầng của YB và SM sử dụng hệ phổ kế SACP trên LPƯHNĐL.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: Ứng dụng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng nghiên cứu phân rã gamma nối tầng của hạt nhân YB và SM trên lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM _____________________ NGUYỄN XUÂN HẢI ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP CỘNG BIÊN ĐỘ CÁC XUNG TRÙNG PHÙNG NGHIÊN CỨU PHÂN RÃ GAMMA NỐI TẦNG CỦA HẠT NHÂN Yb VÀ Sm TRÊN LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT Chuyên ngành: Vật lý Nguyên tử và Hạt nhân Mã số: 62 44 05 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. VƯƠNG HỮU TẤN 2. TS. PHẠM ĐÌNH KHANG ĐÀ LẠT – 2010 1
MỞ ĐẦU Mật độ mức hạt nhân là một trong những vấn đề vẫn còn cần được tiếp tục nghiên cứu. Sự thay đổi mật độ mức hạt nhân do tác động của các hiệu ứng khác nhau thông qua các tham số mật độ mức là quá trình phức tạp và cần phải tiến hành nhiều thực nghiệm có độ chính xác cao để làm cơ sở cho các đánh giá, hiệu chỉnh lại các tham số cũng như các mô hình lý thuyết. Các nghiên cứu mật độ mức kích thích vùng năng lượng trung gian nằm dưới năng lượng liên kết của nơtron với hạt nhân có khá nhiều ý nghĩa vì nó liên quan trực tiếp đến số liệu sử dụng cho tính toán và thiết kế lò phản ứng. Các nghiên cứu này chỉ có thể thực hiện bằng các phép đo bức xạ gamma do hạt nhân bị kích thích phát ra. Tuy nhiên, loại trừ phông của trường bức xạ gamma, loại trừ ảnh hưởng của quá trình tán xạ compton vẫn là các vấn đề chưa được xử lý triệt để. Lò phản ứng Hạt nhân Đà Lạt (LPƯHNĐL) đã được đưa vào vận hành khai thác hơn 20 năm, việc nâng cao hiệu quả khai thác các kênh ngang của lò trong nghiên cứu cơ bản, đào tạo đội ngũ và nghiên cứu ứng dụng là cần thiết để phục vụ cho việc xây dựng lò phản ứng nghiên cứu mới cũng như chương trình ứng dụng năng lượng nguyên tử vì mục đích hoà bình của đất nước. Phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng, là một phương pháp ghi đo hiện đại sử dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng, cho phép xử lý triệt để bức xạ phông và ảnh hưởng của tán xạ compton. Triển khai thành công phương pháp sẽ nâng cao đáng kể trình độ thực nghiệm của đội ngũ làm vật lý hạt nhân thực nghiệm tại Đà Lạt. Đây sẽ là cơ sở để thiết kế, lắp đặt các hệ đo phức tạp sử dụng nhiều đetectơ trong tương lai. 2
Triển khai các nghiên cứu thực nghiệm với độ phức tạp cao có tác dụng thúc đẩy sự phát triển của công nghệ, đặc biệt là lĩnh vực chế tạo các thiết bị điện tử hạt nhân trong nước. Các kết quả luận án cho thấy đội ngũ nghiên cứu trong nước đã có khả năng tự thiết kế, tiến hành những thí nghiệm có độ chính xác và phức tạp cao. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Về phương pháp nghiên cứu Phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng là phương pháp nghiên cứu các trạng thái kích thích của hạt nhân vùng năng lượng dưới Bn rất có hiệu quả. Bằng phương pháp này, nền phông phức tạp của tán xạ compton và các đỉnh xuất hiện do hiệu ứng tạo cặp đã bị triệt tiêu nên phổ bức xạ gamma thu được có dạng rất đơn giản. Từ năm 1981, Viện Liên hợp nghiên cứu hạt nhân (VLHNCHN) Đubna (Liên Xô cũ) đã xây dựng được hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng sử dụng các đetectơ bán dẫn siêu tinh khiết với việc lưu trữ và xử lý số liệu dưới dạng “sự kiện-sự kiện” trên máy tính. Đến năm 1987 thì phương pháp này được triển khai thành một hệ thống đầy đủ. Hiện tại, ở Đubna đang trong giai đoạn thay thế nguồn nơtron từ lò xung sang máy gia tốc kích thích nhiên liệu phân hạch nên nhóm thực nghiệm đang phải dừng các nghiên cứu. Ở Cộng hoà Séc, hướng nghiên cứu này vẫn được tiếp tục phát triển, hiện nay trong các hội nghị chuyên ngành quốc gia đã có hẳn một tiểu ban về nghiên cứu phân rã gamma nối tầng. Các báo cáo [63,65,66] trong hội nghị (17÷20/6/2007) cho thấy nhóm nghiên cứu ở Séc có xu hướng thiên về đánh giá hàm lực và ảnh hưởng của sự phá vỡ liên kết cặp lên mật độ mức ở vùng năng lượng kích thích gần năng lượng liên kết của nơtron với hạt nhân. Về cấu trúc các hạt nhân được lựa chọn 3
Các hạt nhân biến dạng nặng có sơ đồ các trạng thái kích thích khá phức tạp. Cấu trúc của các hạt nhân này thể hiện đóng góp của các tương tác một hạt, tương tác quay, chuyển động tập thể và cả tương tác cặp. Vì vậy, trong những năm gần đây, các hạt nhân biến dạng nặng thường được chọn làm đối tượng nghiên cứu trên chùm nơtron. Tuy nhiên, do khó khăn không khắc phục được của các phương pháp ghi đo bức xạ gamma kinh điển nên số liệu được công bố chủ yếu ở vùng năng lượng dưới 3 MeV. Trong khi về mặt nguyên tắc, năng lượng kích thích càng cao thì mật độ mức kích thích, tính chất phức tạp của nó và kèm theo là lượng thông tin càng tăng. Một điều đặc biệt là cho tới nay, chỉ có một số phòng thí nghiệm lớn tổ chức nghiên cứu thực nghiệm đối với các hạt nhân biến dạng nặng (CINDA-2006). Có thể lý giải sự kiện này là do: 1- Số lượng bia giàu đồng vị vùng hạt nhân biến dạng nặng rất khó tách chiết và rất đắt; 2- Các hạt nhân biến dạng nặng có rất nhiều chuyển dời gamma với năng lượng khác nhau nên phông tán xạ compton cao. Do đó, việc tách và tính cường độ các chuyển dời bằng phổ kế gamma thông thường gặp nhiều khó khăn. Các nghiên cứu trên hạt nhân biến dạng nặng mang tính học thuật cao nhưng phải giải quyết nhiều khó khăn về thực nghiệm cũng như xử lý số liệu. Còn các nghiên cứu trên hạt nhân nhẹ, trung bình và các đồng vị có thể phân hạch hoặc sản phẩm phân hạch lại là cơ sở cho việc sử dụng vật liệu trong lò phản ứng,... Về số liệu của hạt nhân 153Sm Các tổng kết của Helmer [30] cho thấy các kết quả nghiên cứu thực nghiệm chủ yếu trên hạt nhân này như sau: 4
Các nghiên cứu thực nghiệm sử dụng phổ kế tinh thể xác định được cường độ và năng lượng từ 4÷7 tia gamma. Năng lượng của các tia gamma này hầu hết đều nhỏ hơn 1050 keV. Các nghiên cứu thực nghiệm sử dụng đetectơ bán dẫn Ge cho phép xác định năng lượng và cường độ của 31 mức có năng lượng trong khoảng từ 223÷5867 keV. Các nghiên cứu của Michael và cộng sự công bố vào 1971 [30,49] sử dụng các đetectơ bán dẫn (Si(Li) và Ge) đã xác định được 79 mức có năng lượng nhỏ hơn 1220 keV và 25 mức có năng lượng trên 4460 keV. Các nghiên cứu của Barchuk công bố vào 1982 [12] thu được 15 chuyển dời có năng lượng trên 3200 keV và 4 mức mới. Các đánh giá gần đây nhất (CINDA-2006) về hạt nhân này bao gồm các tổng hợp về đo đạc thực nghiệm và đánh giá lý thuyết cũng cho thấy không có những tiến bộ đáng kể về số liệu phân rã gamma nối tầng của hạt nhân này. Về số liệu của hạt nhân 172Yb Các nghiên cứu được tiến hành trên các bia đồng vị có độ giàu từ 88÷98% và được tiến hành trên nhiều loại phổ kế khác nhau như phổ kế tinh thể, phổ kế tạo cặp, phổ kế từ… Tuy nhiên số lượng các dịch chuyển gamma thu được không nhiều (nhiều nhất là 36 dịch chuyển sơ cấp), số liệu đo giữa các tác giả sử dụng các phương pháp khác nhau không cho thấy sự phù hợp [11]. Các nghiên cứu gần đây được Voinov tiến hành tại Mỹ [57] cũng không thu được thêm các kết quả mới. Đáng chú ý nhất trong các nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trên hạt nhân này là công trình của Gelletly và các cộng sự [23]. Các tác giả đã kết hợp hai phương pháp đo trùng phùng beta-gamma và trùng phùng gamma-gamma để xây dựng sơ đồ mức dựa trên nguyên tắc Ritz, tuy nhiên các đetectơ được sử dụng là Ge(Li) nên độ phân giải năng lượng không cao. Schiller và các cộng sự [57] đã sử dụng bia Yb2O có độ giàu giống như sử dụng trong thí nghiệm của luận án, phương pháp đo cũng gần tương tự tuy nhiên khối lượng bia mẫu lớn hơn, các điều kiện thí nghiệm như chùm 5
nơtron, các khối điện tử, hiệu suất ghi và chất lượng của các đetectơ đều tốt hơn. Tình hình nghiên cứu trong nước Việc xây dựng định hướng sử dụng phương pháp SACP ở Việt Nam được các cán bộ của hai đơn vị là Viện Vật lý điện tử (VLĐT) thuộc Viện Khoa học công nghệ Việt Nam và Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam (NLNTVN) thực hiện. Các nghiên cứu tại Viện VLĐT chủ yếu được tiến hành ở nước ngoài do PGS. TS. Lê Hồng Khiêm tiến hành. Các nghiên cứu tại Viện NLNTVN được triển khai tại LPƯHNĐL từ những năm 90 của thế kỷ trước. Hiện nay, các nghiên cứu hoàn thiện hệ đo vẫn đang được tiếp tục; chất lượng chùm bức xạ nơtron trên kênh số 3 và phông ngày càng được cải thiện nâng cao. Đây là cơ sở để khẳng định các thí nghiệm nghiên cứu cấu trúc hạt nhân theo phương pháp SACP tại Đà Lạt tiếp cận tới trình độ quốc tế. Hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng và một loạt các vấn đề liên quan như chùm nơtron trên kênh số 3, hệ che chắn giảm phông, hệ thống chương trình xử lý số liệu đã được hoàn thiện là kết quả đầu tư của Bộ Khoa học và Công nghệ, Viện NLNTVN, Đại học Quốc gia Hà Nội (ĐHQGHN) thông qua các đề tài nghiên cứu, dự án tăng cường trang thiết bị trong 6 năm qua và công sức trí tuệ của nhóm nghiên cứu. Cho đến thời điểm hiện nay thì chỉ có LPƯHNĐL là cơ sở duy nhất ở Việt Nam có đủ điều kiện để triển khai các thực nghiệm nghiên cứu phân rã gamma nối tầng trên chùm nơtron, nhờ các lợi thế của chùm nơtron từ lò phản ứng và hệ đo vừa được xây dựng. Các nội dung nghiên cứu của luận án: 1- Về kênh chiếu mẫu: Nghiên cứu và chọn giải pháp tối ưu để nâng cao tỷ số cadmi của chùm nơtron trên kênh số 3 từ 200 lên khoảng 1000, thiết kế chế 6
tạo hệ thống giá đỡ, hệ thống dẫn dòng nơtron và che chắn giảm phông cho phổ kế SACP. 2- Về hệ đo: Thiết kế, lắp đặt, hiệu chỉnh và thử nghiệm hệ đo trùng phùng với một số cấu hình khác nhau trên kênh nơtron số 3 để xác lập các thông số của hệ đo làm cơ sở cho các nghiên cứu thực nghiệm. 3- Về đối tượng nghiên cứu: Sử dụng hệ đo SACP để thu thập số liệu phân 153 172 rã gamma nối tầng của các hạt nhân Sm và Yb trong các phản ứng của 152 Sm(n,2γ)153Sm và 171Yb(n,2γ)172Yb với các nơtron nhiệt. 4- Về xử lý số liệu: Xây dựng các chương trình thu nhận và xử lý số liệu chạy trên môi trường Windows theo các thuật toán của phương pháp gồm: chương trình thu nhận và lưu trữ số liệu đo, chương trình chuẩn năng lượng của các cặp sự kiện trùng phùng sử dụng giao diện đồ họa, chương trình tạo các phổ tổng và phổ nối tầng bậc hai tương ứng với từng đỉnh tổng, chương trình tính mật độ mức, cường độ phân rã,... Xử lý số liệu đo của 153Sm và 172Yb nhằm thu được các thông tin thực nghiệm như mật độ mức, cường độ dịch chuyển, sơ đồ phân rã làm cơ sở cho các đánh giá lý thuyết về số liệu và cấu trúc hạt nhân. Bố cục của luận án gồm các phần Mở đầu, ba chương chính và phần Kết luận. Trong đó: Chương 1 trình bày tổng quan về các hệ phổ kế ghi đo γ và một số mẫu lý thuyết về mật độ mức hạt nhân. Chương 2 trình bày về sự phát triển phương pháp thực nghiệm nghiên cứu phân rã gamma nối tầng trên LPƯHNĐL. Chương 3 trình bày kết quả nghiên cứu phân rã gamma nối tầng của Yb và Sm sử dụng hệ phổ kế SACP trên LPƯHNĐL. Ngoài ra còn có các phần tài liệu tham khảo và phụ lục. 7
Chương I TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU I. 1. Phương pháp nghiên cứu cấu trúc hạt nhân dựa trên phản ứng (n,γ) Đã hơn 70 năm kể từ khi nơtron được tìm ra cũng như các thành phần cơ bản của hạt nhân được xác định, song cho đến nay cấu trúc của hạt nhân vẫn còn là bài toán cần được tiếp tục nghiên cứu. Các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm chủ yếu là dùng các chùm hạt có năng lượng khác nhau để đưa hạt nhân lên trạng thái kích thích và nghiên cứu các tính chất của nó thông qua các sản phẩm phản ứng. Nhờ tính chất không mang điện nên nơtron dễ gây phản ứng hạt nhân. Tùy theo năng lượng của nơtron đến và loại hạt nhân bia mà sản phẩm phản ứng có thể khác nhau. Trong đa số trường hợp, hạt nhân kích thích sẽ phân rã gamma để về trạng thái cơ bản. Việc ghi đo bức xạ gamma đưa lại nhiều thông tin về cấu trúc hạt nhân nhất trong các phương pháp nghiên cứu. Các phản ứng (n,γ) được nghiên cứu khá phổ biến không chỉ vì vấn đề cấu trúc hạt nhân mà còn vì tính ứng dụng của nó trong các lò phản ứng hạt nhân, trong phân tích kích hoạt, trong nghiên cứu vật liệu,... Hình 1.1: Quá trình phản ứng của nơtron với hạt nhân. Xác định năng lượng, cường độ của các tia gamma phát ra, ta có thể biết được thông tin về các trạng thái kích thích như năng lượng, độ rộng mức, xác suất 8
tạo thành và phân rã về các mức thấp hơn. Các thông tin thực nghiệm là cơ sở để đánh giá, kiểm chứng lại các mẫu lý thuyết về số liệu và cấu trúc hạt nhân. Hiện nay các nghiên cứu số liệu và cấu trúc hạt nhân dựa trên phản ứng (n,γ) chủ yếu được tiến hành trên lò phản ứng hạt nhân và trên một số máy gia tốc. Có thể chia vấn đề thành hai hướng: - Hướng tính toán lý thuyết: tổ chức biên tập, đánh giá lại số liệu phản ứng, đánh giá kiểm chứng và phát triển các mô hình lý thuyết để mô tả tiết diện phản ứng, mật độ mức, độ rộng mức, hàm lực phân rã gamma,... - Hướng thực nghiệm: tiến hành đo đạc thực nghiệm trên các chùm nơtron có năng lượng khác nhau, trên các bia mẫu để xác định năng lượng, cường độ và thời gian sống của các trạng thái kích thích với độ chính xác tốt nhất có thể. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm hầu như phụ thuộc hoàn toàn vào chất lượng của các hệ phổ kế. Do tương tác của bức xạ gamma với vật chất - cụ thể là với chất liệu làm đetectơ – tuân theo ba hiệu ứng chính là hiệu ứng hấp thụ quang điện, hiệu ứng tán xạ compton và hiệu ứng tạo cặp nên phổ bức xạ gamma thu được luôn phức tạp. Xuất phát từ nguyên nhân đó, đã có một số loại phổ kế gamma khác nhau nhằm tới các mục đích giảm phông, loại trừ ảnh hưởng của các hiệu ứng không mong muốn để thu được các thông tin có ích. Trong phần đánh giá chung về phương pháp nghiên cứu sẽ trình bày một số loại phổ kế gamma thường được sử dụng và ưu nhược điểm của các loại phổ kế này. I.1.1. Phổ kế gamma đơn tinh thể với đetectơ bán dẫn siêu tinh khiết Đetectơ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe có những ưu điểm rõ rệt là không phải bảo quản liên tục trong nitơ lỏng, đồng thời độ phân giải năng lượng, hiệu suất ghi cũng cao hơn hẳn các đetectơ bán dẫn khuếch tán có cùng thể tích. 9
Việc sử dụng đetectơ bán dẫn trong hệ phổ kế gamma đơn tinh thể rất đơn giản. Cấu hình chủ yếu của hệ đo được trình bày như trong hình 1.2: Hình 1.2: Sơ đồ khối của phổ kế gamma bán dẫn đơn tinh thể. Đetectơ bán dẫn được ghép nối với khuếch đại phổ. Tín hiệu ở lối ra của đetectơ được khuếch đại phổ khuếch đại về biên độ và tạo dạng thích hợp cho ADC phân tích biên độ đỉnh xung. Hệ thống ghép nối MCD sẽ thu nhận dữ liệu sau khi ADC biến đổi xong và xếp vào ô nhớ. Số lượng xung có cùng giá trị biên độ tương ứng với số lượng giá trị năng lượng của lượng tử gamma mà đetectơ hấp thụ được. Khi bức xạ gamma tương tác với đetectơ, phần năng lượng mà đetectơ hấp thụ được lại tuỳ thuộc vào quá trình tương tác xảy ra. Thường thì quá trình tương tác là một trong ba hiệu ứng tương tác dưới đây: - Đetectơ hấp thụ hoàn toàn năng lượng của lượng tử gamma theo hiệu ứng quang điện. - Đetectơ hấp thụ chỉ được một phần năng lượng gamma theo hiệu ứng compton - do góc tán xạ compton thay đổi trong dải rộng từ 0 tới 1800 nên phần năng lượng hấp thụ được cũng nằm trong dải rộng và không tạo thành đỉnh (ở đây cũng có thể có tán xạ compton nhiều lần dẫn đến toàn bộ năng lượng của lượng tử gamma hấp thụ hết và quá trình này cũng đóng góp vào các đỉnh xuất hiện do hiệu ứng quang điện). - Hiệu ứng tạo cặp xuất hiện khi năng lượng lượng tử gamma lớn hơn 1022 keV. Quá trình tương tác theo hiệu ứng tạo cặp sinh ra cặp electron - pozitron. Bên trong đetectơ, quãng chạy của các hạt electron rất ngắn và năng lượng của electron sẽ nhanh chóng bị hấp thụ. Còn pozitron sau khi chậm lại sẽ nhanh chóng bị hủy tạo nên hai lượng tử gamma 511 keV. Nếu cả hai 10
lượng tử gamma cùng bị hấp thụ thì quá trình này tương đương hấp thụ quang điện. Nếu một trong hai lượng tử gamma bay ra ngoài, phần năng lượng bị hấp thụ sẽ tạo nên đỉnh thoát đơn, nếu cả hai lượng tử gamma bay ra ngoài, phần năng lượng bị hấp thụ sẽ tạo nên đỉnh thoát kép. Như vậy quá trình tạo cặp của một chuyển dời sẽ đóng góp thêm 2 đỉnh ngoài đỉnh hấp thụ toàn phần và thêm phần phông liên tục do tán xạ compton khi có hủy cặp. Trên hình 1.3 là phổ bức xạ gamma của 35Cl(n,γ)36Cl. Để đánh giá chất lượng đỉnh, người ta thường dùng tỷ số diện tích đỉnh trên phông và nhiều khi số đếm của nền compton lớn gấp nhiều lần diện tích đỉnh. Do vậy, sai số của việc xác định tiết diện đỉnh - cường độ chuyển dời tăng lên đáng kể. Hình 1.3: Phổ bức xạ gamma tức thời của 36Cl đo với phổ kế đơn tinh thể. Phổ bức xạ gamma trên hình 1.3 cho thấy: Nền phông compton lớn và phức tạp chứ không đơn thuần là giảm tuyến tính theo chiều tăng của năng lượng. Số lượng đỉnh rất lớn, có cả những đỉnh thoát đơn và thoát kép rất mạnh và nhiều khi mạnh hơn hẳn những đỉnh hấp thụ toàn phần có năng lượng gần kề. Như vậy, việc xác định các chuyển dời có cường độ nhỏ sẽ chịu hai nguồn sai số lớn: Sai số do phông và sai số do có các chuyển dời mạnh ảnh hưởng tới. 11
Trong nghiên cứu cấu trúc hạt nhân từ các chuyển dời thu được trong phổ bức xạ gamma đơn tinh thể, không thể sắp xếp sơ đồ mức kích thích do không biết được thứ tự của các chuyển dời. Với các chuyển dời đo được trong phổ này thì không thể xác định được đâu là chuyển dời sơ cấp, đâu là chuyển dời thứ cấp, những chuyển dời nào thuộc về cặp phân rã nối tầng... Do vậy cũng không thể đánh giá được những thông số như mật độ mức hạt nhân, hàm lực của chuyển dời gamma... Ngoài lý do về tỷ số diện tích đỉnh trên nền phông, độ phức tạp của phổ thì lý do vừa nêu trên là quan trọng nhất để phát triển các phương pháp nghiên cứu sử dụng đetectơ bán dẫn ghi bức xạ gamma. I.1.2. Phổ kế gamma đối trùng giảm phông compton Phổ kế gamma đối trùng giảm phông có cấu tạo đơn giản như hình 1.4. Hệ gồm 1 đetectơ chính, các đetectơ phụ bao quanh và các khối điện tử để điều khiển quá trình ghi bức xạ gamma theo tín hiệu từ các đetectơ. Do các thông tin thu được về đối tượng đo chủ yếu nằm ở các đỉnh hấp thụ quang điện nên các hệ phổ kế đối trùng giảm phông compton được sử dụng khá nhiều. Hình 1.4: Phổ kế đối trùng giảm phông compton [69]. Nguyên tắc hoạt động của hệ đo phức hợp như hình 1.4 là các lượng tử gamma tán xạ compton đi ra khỏi đetectơ chính sẽ được các đetectơ phụ bao 12
quanh ghi nhận. Xung điện từ các đetectơ bao quanh sẽ khoá không cho phép ghi nhận xung từ đetectơ chính trong một khoảng thời gian nào đó tuỳ thuộc vào độ phân giải thời gian của hệ. Nếu từ các đetectơ xung quanh không có xung ra thì xung từ đetectơ chính sẽ được ghi (được coi là tương ứng với sự hấp thụ hoàn toàn). Để nâng cao khả năng giảm phông trong phổ cần chú ý đến hai vấn đề quan trọng sau: * Hệ đetectơ bao quanh có hiệu suất ghi càng cao càng tốt: Nếu hấp thụ được 30% số lượng tử gamma sau tán xạ compton thì tức là phông đã giảm đi 30%. Với các hệ tốt nhất hiện nay, phông compton giảm đi được khoảng từ 30 đến 50%. * Hệ cần được che chắn kỹ vì phông gamma cao sẽ dẫn tới giảm khả năng ghi đo sự kiện có ích do trùng phùng ngẫu nhiên. Đồng thời cũng phải tăng độ phân giải thời gian của hệ để giảm trùng phùng ngẫu nhiên. Chúng ta biết rằng tốc độ trùng phùng ngẫu nhiên Nnn = 2 N1.N2.τ với N1 là tốc độ đếm ở đetectơ 1, N2 là tốc độ đếm ở đetectơ 2, τ là độ rộng cửa sổ thời gian trùng phùng (hoặc đối trùng). Như vậy để giảm ảnh hưởng của trùng phùng ngẫu nhiên chúng ta cần giảm cả 3 tham số trên bằng che chắn và tăng tốc độ làm việc của hệ điện tử. Tất nhiên, do bản chất quá trình tương tác nên với các đetectơ bán dẫn, cửa sổ trùng phùng τ không thể nhỏ hơn một giá trị nào đó đặc trưng riêng cho hệ đo. Do tốc độ của hệ điện tử thường rất lớn nên ảnh hưởng đến độ phân giải thời gian của hệ điện tử không đáng kể so với thời gian di chuyển của các phần tử tải điện trong đetectơ; giá trị τ tối thiểu thường được lấy bằng khoảng 3 lần thời gian của đetectơ (khoảng cách giữa hai điện cực chia cho tốc độ trôi dạt của các phần tử tải điện chính tương ứng với giá trị cao áp làm việc được lựa chọn của đetectơ). 13
I.1.3. Phổ kế compton Tán xạ compton cũng có thể được sử dụng theo một cách khác để đo năng lượng bức xạ của tia gamma. Khi bức xạ gamma tới có năng lượng là hν0 tương tác với electron theo hiệu ứng tán xạ compton, năng lượng của electron giật lùi (đetectơ hấp thụ được phần năng lượng này) tương ứng với lượng tử gamma tán xạ bay ra với góc θ cố định được xác định như sau: ⎡ 1 ⎤ hν 0 E β = hν 0 ⎢1 − ⎥ MeV; với α0 = (1.1) ⎣ 1 + α 0 (1 − cos θ) ⎦ m0c2 Như vậy, năng lượng của electron giật lùi chỉ phụ thuộc vào năng lượng hν0 của lượng tử gamma tới khi góc tán xạ θ không đổi. Việc xây dựng hệ đo theo định hướng này cũng cho phép giảm được phông do tán xạ compton. Trên hình 1.5 là cách bố trí các đetectơ trong phổ kế compton. Hình 1.5: Cách bố trí đetectơ trong phổ kế compton. Hai đetectơ I và II được đặt sao cho đường thẳng nối hai tâm của hai tinh thể tạo thành một góc θ với phương của chùm tia gamma ban đầu. Đetectơ I được gọi là đetectơ phân tích, nó ghi nhận các electron giật lùi trong hiệu ứng tán xạ compton. Đetectơ II được gọi là đetectơ điều khiển, nó ghi nhận các lượng tử gamma tán xạ từ đetectơ I với góc tán xạ θ. Quá trình tạo các chớp sáng trong tinh thể điều khiển và tinh thể phân tích là đồng thời. Do vậy, nhờ sơ đồ 14
trùng phùng để phân tích, có thể lựa chọn những xung do electron giật lùi có lượng tử gamma tán xạ bay ra với góc θ gây nên. Năng lượng của electron giật lùi phụ thuộc đơn trị vào năng lượng của lượng tử gamma ban đầu khi góc tán xạ cố định nên có thể xác định năng lượng của lượng tử gamma ban đầu theo năng lượng của electron giật lùi. Trên hình 1.6 là các phổ minh hoạ khả năng giảm phông của phổ kế compton với các đetectơ nhấp nháy NaI(Tl) [69]. Hình 1.6: Phổ đo với phổ kế đơn tinh thể (a, b) và phổ đo với phổ kế compton (c, d) của Cs137 và Mn54. Từ sơ đồ hình 1.5 ta thấy các lượng tử gamma tán xạ rơi vào đetectơ điều khiển không chỉ với góc θ mà là θ ± ∆θ. Vì vậy sẽ xuất hiện thăng giáng trong 15
phổ năng lượng của electron giật lùi và do vậy có sai số bổ sung khi xác định năng lượng của lượng tử gamma ban đầu. Để giảm thăng giáng khi xác định năng lượng electron giật lùi cần giảm góc đặc ∆θ, còn để tăng hiệu suất ghi thì phải tăng góc đặc này. Để giảm sai số xác định năng lượng của electron giật lùi, các tác giả trong [4] đã đặt đetectơ điều khiển ở góc lớn hơn 1500. I.1.4. Phổ kế tạo cặp Trong một số trường hợp ghi nhận các bức xạ gamma năng lượng lớn, có thể sử dụng phổ kế kế tạo cặp để nâng cao hiệu suất ghi và giảm bớt nền phông. Quá trình vật lý xảy ra trong đetectơ ghi nhận như sau: Hiện tượng tạo cặp electron - pôzitron xảy ra trong đetectơ ghi nhận. Do mật độ chất tạo nên đetectơ cao nên sau khi mất năng lượng, pôzitron sẽ nhanh chóng bị hủy cặp và tạo nên hai lượng tử gamma 511 keV bay ngược chiều nhau. Nếu đặt các cặp đetectơ ngược nhau 1800 bao quanh đetectơ chính thì khi hiện tượng tạo cặp xảy ra, đetectơ ghi nhận sẽ cho ra một xung điện có biên độ tỷ lệ với Eγ - 1022 keV (nếu hai lượng tử gamma hủy cặp 511 keV bay ra khỏi đetectơ) hoặc Eγ - 511 keV (nếu chỉ một lượng tử gamma 511 keV bay ra khỏi đetectơ) hoặc Eγ (nếu không có lượng tử gamma 511 keV nào bay ra khỏi đetectơ chính). Như vậy, lựa chọn cách ghi nhận là 2 xung điện từ các cặp đetectơ đối diện nhau (tương ứng các lượng tử gamma 511 keV) mở khoá trùng phùng cho phép phân tích biên độ xung từ đetectơ chính. Chỉ các xung có biên độ tương ứng với năng lượng Eγ - 1022 keV (tương ứng với hiện tượng cặp xảy ra) mới được ghi nhận. Điều này cho phép giảm hoàn toàn phông compton, các đỉnh thoát đơn và các đỉnh hấp thụ hoàn toàn trong phổ gamma thu được. Như vậy, phổ gamma sẽ đơn giản rất nhiều và khi xử lý phổ cần cộng thêm 1022 keV vào vị trí mỗi đỉnh. 16
Một số các nhược điểm của loại phổ kế này như sau: - Chỉ ghi nhận được bức xạ gamma có năng lượng khá cao - trên 2,5 MeV cho dù về mặt lý thuyết, hiện tượng tạo cặp đã xảy ra khi lượng tử gamma có năng lượng lớn hơn 1,022 MeV. - Hiệu suất ghi thấp do ghi đo quá trình trùng phùng của 3 đetectơ. - Trùng phùng ngẫu nhiên cao do hệ đetectơ bố trí gần kênh nơtron, cửa sổ thời gian trùng phùng phải đặt cỡ µs để đáp ứng các đetectơ nhấp nháy (thời gian phát sáng của đetectơ nhấp nháy NaI(Tl) vào khoảng 0,25 µs) đặt quanh đetectơ ghi nhận chính. Ở nước ta, các phổ kế triệt compton và phổ kế compton đều đã được thử nghiệm nghiệm tại LPƯHĐL và ở Đại học Khoa học tự nhiên (ĐHKHTN) thuộc Đại Học quốc gia Hà Nội. Trong khuôn khổ đề tài KC08 [7], hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng cũng đã được thử nghiệm và cho một số kết quả khẳng định định hướng nghiên cứu. I.2. Phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng Sự khó khăn trong nghiên cứu các trạng thái kích thích trung gian với các hệ phổ kế đã có là tiền đề cho việc xuất hiện phương pháp SACP. Về thực chất, phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng là phương pháp trùng phùng γ-γ kết hợp với việc lưu trữ và xử lý số liệu trên máy tính. Các nghiên cứu phân tích quá trình hoạt động và cấu trúc hệ đo SACP sử dụng đetectơ nhấp nháy, hệ cộng tương tự đã được bàn luận kỹ lưỡng trong [4]. Phương pháp đã được một số cán bộ khoa học của Viện Liên hợp Nghiên cứu Hạt nhân (LHNCHN) Đubna - Cộng Hoà Liên Bang Nga phát triển sang một hình thức mới mà khả năng ứng dụng để nghiên cứu cấu trúc hạt nhân vùng năng lượng dưới năng lượng liên kết của nơtron với hạt nhân (Bn) thay đổi một cách cơ bản. 17
I.2.1. Phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng I.2.1.1. Bản chất phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng Phương pháp SACP cho phép nghiên cứu thực nghiệm trực tiếp các trạng thái trung gian để tách ra các dịch chuyển nối tầng hai gamma giữa trạng thái hợp phần tạo thành của hạt nhân khi bắt nơtron và một mức dưới nào đó đã được xác định từ trước bằng các phương pháp khác. Hệ phổ kế phục vụ cho phương pháp SACP là hệ trùng phùng nhanh chậm được ghép nối với máy tính để ghi code biên độ. Vì thời gian phân giải của đetectơ bán dẫn thường vào khoảng nano giây trong khi thời gian sống ở trạng thái kích thích trung gian nhỏ hơn 10-12s nên hai tia gamma của một phân rã nối tầng thực tế được quan sát đồng thời trên hai đetectơ. Thông tin nhận được bằng phương pháp SACP có liên quan tới các đặc trưng trung bình của các dịch chuyển nối tầng hai gamma. Mức trung gian của dịch chuyển nối tầng có năng lượng kích thích hầu như trong toàn dải năng lượng nằm dưới năng lượng liên kết nơtron. Vì vậy cường độ trung bình của các dịch chuyển nối tầng hai gamma phụ thuộc vào hàm lực bức xạ và hàm mật độ mức. Đây là các đối tượng thuận tiện cho nghiên cứu khả năng mô tả lý thuyết phân rã gamma nối tầng ở vùng dưới năng lượng liên kết nơtron. Cơ sở của phương pháp SACP là ở chỗ các đetectơ HPGe biến đổi tuyến tính năng lượng bức xạ gamma thành biên độ tín hiệu đo, tổng năng lượng E1 và E2 của hai dịch chuyển gamma liên tiếp E1 + E2 = Ei - Ef được xác định chỉ bởi các năng lượng Ei và Ef của mức phân rã (i) và mức tạo thành sau dịch chuyển nối tầng hai gamma (f); nó không phụ thuộc vào năng lượng của trạng thái kích thích trung gian. Khi đó, các trường hợp dịch chuyển nối tầng mà xảy ra sự hấp thụ đồng thời toàn bộ năng lượng hai tia gamma ở cả hai đetectơ sẽ dẫn đến xuất hiện các đỉnh trong phổ tổng biên độ các xung trùng phùng. Sự 18
hấp thụ không hoàn toàn năng lượng dù là của một trong các lượng tử gamma sẽ đóng góp vào phổ biên độ ở miền năng lượng thấp hơn đỉnh tổng và có phân bố liên tục. Vì vậy, ta có thể dễ dàng tách ra từ tập hợp các trùng phùng γ-γ chỉ những trường hợp mà toàn bộ năng lượng của dịch chuyển nối tầng bị hấp thụ hoàn toàn trong hai đetectơ. Mặc dù xác suất trùng phùng và cường độ bức xạ của những trường hợp trùng phùng như vậy là nhỏ (thường chỉ xảy ra không lớn hơn 10 sự kiện trong 104 phân rã), nhưng khả năng loại trừ phông liên quan với sự hấp thụ không hoàn toàn năng lượng bức xạ gamma đã đảm bảo cho phương pháp SACP thu được nhiều thông tin hơn phương pháp thông thường. Điểm mới nữa về nguyên tắc trong sử dụng phương pháp SACP là ở chỗ các đetectơ bán dẫn có độ phân giải tốt và hiệu suất ghi lớn đã được sử dụng để tách ra các dịch chuyển nối tầng hai gamma với năng lượng tổng cộng bằng hoặc nhỏ hơn năng lượng liên kết nơtron trong các hạt nhân hợp phần có mật độ mức lớn. Các giá trị code được lưu trữ trên máy tính nên xử lý rất thuận tiện. Ngoài việc nghiên cứu các đặc trưng trung bình, phương pháp SACP còn cho phép tách ra từ tập hợp các sự kiện trùng phùng γ-γ một số lớn các dịch chuyển nối tầng hai gamma mạnh nhất, xác định được cường độ và năng lượng của các dịch chuyển nối tầng. Hơn nữa phương pháp có ưu việt là chỉ ghi các dịch chuyển nối tầng hai gamma liên tiếp, không phụ thuộc vào năng lượng của mức trung gian và phương pháp cũng cho phép loại đi một số rất lớn các sự kiện phông bao gồm cả các trường hợp hấp thụ không hoàn toàn năng lượng của các tia gamma ở hai đetectơ. Việc sắp xếp các chuyển dời vào sơ đồ mức của phương pháp SACP dựa trên nguyên tắc là các chuyển dời có mặt trong các phổ vi phân khác nhau là 19
chuyển dời sơ cấp, còn chuyển dời cùng cặp với nó là chuyển dời thứ cấp. Trong phương pháp SACP, không sử dụng đến nguyên tắc Ritz để sắp xếp các chuyển dời (xây dựng sơ đồ mức). Từ các số liệu đo của phương pháp SACP, có thể xây dựng được các sơ đồ phân rã gamma tin cậy nhất. Tuy nhiên vấn đề trở ngại ở đây là sai số hệ thống có thể làm sai khác cường độ dịch chuyển nối tầng. Sai số về năng lượng của các chuyển dời có thể làm cho việc sắp xếp các chuyển dời gặp khó khăn và vấn đề này được giải quyết bằng máy tính. I.2.1.2. Một số hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng tiêu biểu trên thế giới Năm 1958, Hoogenboom đã đưa ra những phác thảo đầu tiên về phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng sử dụng các đetectơ nhấp nháy [32,33]. Hệ cộng biên độ xung từ hai đetectơ được thực hiện bằng khối điện tử cộng tương tự còn thiết bị phân tích biên độ là các ADC 256 kênh. Từ năm 1981, tại Viện LHNCHN Đubna đã đưa ra vấn đề ghi nhận, lưu trữ và xử lý số [73,74,75] trên máy tính các thông tin thu được từ hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng. Phương pháp này khác xa những nguyên tắc ban đầu do Hoogenboom đưa ra. Nó cho phép tiết kiệm thời gian thực hiện một nghiên cứu nhiều lần, độ chính xác cao hơn, loại trừ được ảnh hưởng chênh lệch về thời điểm xuất hiện các xung từ đetectơ tương ứng với một cặp chuyển dời nối tầng, khai thác và xử lý thông tin thuận lợi hơn hẳn. Phương pháp do Viện LHNCHN Đubna đưa ra có cấu hình giống như hệ phổ kế trùng phùng nhanh chậm hiện đại có lưu trữ và cộng bằng số như hình 1.7. Trên sơ đồ đã lược bỏ các khối dây trễ tập trung cỡ µs trước các khối khoá tuyến tính và các dây trễ cỡ ns trước khối trùng phùng nhanh. 20