Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Chuẩn năng lượng cho máy gia tốc Tandem Pelltron dùng phản ứng 27 Al (p,ƴ) 28 Si

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:59

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài 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 ứng 27Al(p,γ)28Si. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: 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 lòng biết ơn vô cùng sâu sắc đến PGS.TS Lê Hồng Khiêm – Viện Khoa Học và Công 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 hoàn 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 quá 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 luôn 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 cô, 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 nguyên lý nam châm tứ cực - ghép đôi. 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 tòe năng lượng. Thông thường, thông 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 không 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 trò vô 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. Thông thường có thể mô 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, thông 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 27 28 thì phản ứng 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 28 27 chỉ là 80 eV. Trong hạt nhân hợp phần, Si được tạo thành do 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 tôi 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: 27 28 Chương I: Giới thiệu sơ lược về phản ứng 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 27 28 chính trong phản ứng 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, quá 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; ngoài ra còn 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 nuclôn. Sau đó một hoặc một nhóm nuclôn 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 nuclôn 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 không phải hoàn toàn 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, còn 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 toàn: Định luật bảo toàn 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 quá trình (1.1) định luật bảo toàn 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 toàn 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 (1.3) với , , , là spin tương ứng với các hạt tham gia phản ứng. Các spin này có thể đo bằng thực nghiệm hoặc tính toán (dùng mẫu vỏ). Proton có spin là ½, các hạt nhân chẵn-chẵn có spin bằng không.... 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 toàn. Phản ứng hạt nhân cũng thuộc vào các loại tương tác này, nên định luật bảo toàn 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 toàn 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 thông 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  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 không có lời giải duy nhất. Rút ξ và TB từ các phương trình trên ta được mối liên hệ giữa Ta và Tb: ma mbTa cos   ma mbTa cos 2   (mB  mb )  mBQ  (mB  ma )Ta  Tb  (1.10) mB  mb Từ phương trình 1.10 có thể rút ra được các đặc điểm của phản ứng hạt nhân: - Nếu Q0, 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: mB Ta'  (Q) (1.12) mB  ma Trường hợp này cũng chỉ xảy ra với phản ứng có Q
(mB  mb )[mBQ  (mB  ma )Ta ] cos 2  m   (1.14) ma mbTa Nếu Ta= , giá trị kép xảy ra giữa góc θ=0o và θm=900, còn nếu Ta=Tth, thì giá trị kép chỉ xảy ra với θm=00. Đối với phản ứng có Q>0 thì không 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: mb m m m Q  Tb (1  )  Ta (1  a )  2 ( a b TaTb ) cos  (1.15) mB mB mB mB 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 (1.16) trong đó Q0 là giá trị Q ứng với trạng thái cơ bản của B, còn =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, thông 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 có [7]: mn  mp  1.3MeV (1.17) M B  M A  0.5MeV (1.18) Nếu điều kiện thứ hai không thỏa mãn thì hạt nhân A sẽ chuyển thành hạt nhân B thông 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 công 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 trò quan trọng. Ví dụ, nếu Tp
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 có Q=0.56 MeV). 27 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 trò quan trọng trong quá 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. 27 28 27 Phản ứng Al (p,γ) Si cạnh tranh với phản ứng Al(p,α)24Mg. Điều này đã được đề cập trong rất nhiều tài liệu liên quan. 27 28 Trong lĩnh vực hạt nhân, phản ứng Al(p,γ) Si cũng góp phần không 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. 27 28 Thực tế các phép đo thực hiện trên phản ứng 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 27 28 tất cả 47 mức cộng hưởng của phản ứng 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 27 máy gia tốc Pelletron bắn vào bia 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.
28 Sau khi bắt proton, hạt nhân hợp phần Si sẽ được tạo thành ở trạng thái kích 28 thích. Ứng với mỗi proton năng lượng khác nhau, hạt nhân hợp phần Si sẽ 28 nằm ở trạng thái kích thích khác nhau. Hạt nhân hợp phần 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. Dòng 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 toán đối với mỗi mức cộng hưởng riêng, tính toán sơ đồ phân rã cụ thể của mỗi cộng hưởng, bằng phương pháp tính 28 toán mô phỏng Monte-Carlo. Hạt nhân hợp phần, 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