Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên bia209Bi gâybởi chùm bức xạ hãm năng lượng cực đại 2,5 GeV

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:76

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của luận văn là nhận diện các đồng vị phóng xạ tạo thành sau phản ứng quang hạt nhân khi chiếu chùm photon năng lượng cực đại2,5GeV vào bia209Bi, xác định suất lượng phản ứng quang hạt nhân sinh nhiều nơtron(γ,xn)và suất lượng phản ứng quang phân hạch (γ,f). Các số liệu thu được từ thựcnghiệm được so sánh, đánh giá với các kết quả nghiên cứu khác có liên quan.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên bia209Bi gâybởi chùm bức xạ hãm năng lượng cực đại 2,5 GeV

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------------- BÙI THỊ HỒNG NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG QUANG HẠT NHÂN TRÊN BIA 209Bi GÂY BỞI CHÙM BỨC XẠ HÃM NĂNG LƯỢNG CỰC ĐẠI 2,5 GeV LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội  Năm 2017
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------------- BÙI THỊ HỒNG NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG QUANG HẠT NHÂN TRÊN BIA 209Bi GÂY BỞI CHÙM BỨC XẠ HÃM NĂNG LƯỢNG CỰC ĐẠI 2,5 GeV Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. PHẠM ĐỨC KHUÊ Hà Nội  2017
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành một nghiên cứu khoa học không thể thiếu đi những sự hỗ trợ. Trong suốt quá trình hoàn thành luận văn của mình, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý thầy cô, gia đình và bạn bè. Đầu tiên, em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Phạm Đức Khuê, người thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên em trong quá trình hoàn thành luận văn này. Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn vô hạn tới PGS. TS Bùi Văn Loát, người thầy đặc biệt đã giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học cao học cũng như hoàn thành luận văn. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các giảng viên Khoa Vật lý, các cán bộ phòng Sau đại học và các học viên lớp cao học Vật lý 2015 - 2017 đã hỗ trợ và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện luận văn. Nhân dịp này em cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã luôn bên em, cổ vũ, động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này. Hà Nội, tháng 10 năm 2017 Học viên Bùi Thị Hồng
Mục lục Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt và từ khoá . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii Danh sách hình vẽ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v Danh sách bảng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi Mở đầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Chương 1. Phản ứng quang hạt nhân với chùm photon hãm năng lượng cao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.Phản ứng quang hạt nhân . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.1. Khái niệm phản ứng quang hạt nhân . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.2. Sự hấp thụ photon bởi hạt nhân . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.3. Sự khử kích thích của hạt nhân sau khi hấp thụ một photon . . . . . . . . . 7 1.1.4. Phản ứng photospallation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.1.5. Phản ứng quang phân hạch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2.Tổng quan một số kết quả nghiên cứu về phản ứng quang phân hạch 209 Bi ................................................ 11 1.3.Nguồn bức xạ hãm trên máy gia tốc linac . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3.1. Máy gia tốc electron tuyến tính 2,5 GeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3.2. Cơ chế tạo chùm bức xạ hãm trên máy gia tốc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Chương 2. Phương pháp thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.1.Xác định suất lượng phản ứng bằng thực nghiệm . . . . . . . . . 22 2.2.Phổ kế gamma với đêtector bán dẫn siêu tinh khiết HPGe dùng trong ghi nhận bức xạ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 i
2.3.Thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.4.Một số hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.4.1. Hiệu ứng thời gian chết và chồng chập xung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.4.2. Hiệu ứng tự hấp thụ tia gamma trong mẫu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.4.3. Hiệu chỉnh can nhiễu phóng xạ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.4.4. Hiệu ứng cộng đỉnh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Chương 3. Kết quả thực nghiệm và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.Nhận diện đồng vị phóng xạ tạo thành từ các phản ứng quang hạt nhân trên bia 209 Bi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2.Xác định suất lượng các phản ứng sinh nhiều nơtron . . . . . . 50 3.3.Xác định suất lượng phản ứng quang phân hạch 209 Bi(γ ,f) . 53 3.4.Thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Phụ lục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I ii
Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt và từ khoá Eγ : Năng lượng tia gamma Eth : Năng lượng ngưỡng của phản ứng hạt nhân T1/2 : Thời gian bán rã của đồng vị phóng xạ Iγ : Cường độ tia gamma hay xác suất phát xạ λ: Hằng số phân rã HPGe: Đêtectơ bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết Reaction yield: Suất lượng phản ứng Linac: Máy gia tốc tuyến tính Quasi-deutron: Giả đơtron ti , td ,tm : Thời gian kích hoạt, thời gian phân rã, thời gian đo Pulse heigh: Biên độ xung ADC: Bộ chuyển đổi tương tự số MCA: Bộ phân tích biên độ đa kênh Dead time: Thời gian chết Pile up: Chồng chập xung Summing effect: Hiệu ứng cộng đỉnh Photofission: Phản ứng quang phân hạch iii
Danh sách hình vẽ 1.1 Tiết diện toàn phần cuả quá trình hấp thụ photon bởi hạt nhân. . . . 6 1.2 Sự phụ thuộc của khả năng phân hạch vào năng lượng photon đối với các bia W, Pt, Au, Pb và Bi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3 Phân bố suất lượng quang phân hạch trên bia 197 Au với chùm photon năng lượng từ 300 MeV – 1100 MeV. . . . . . . . . . . . . . . 11 1.4 Tiết diện quang phân hạch 209 Bi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.5 Phân bố suất lượng phản ứng quang phân hạch hạt nhân theo số khối.12 1.6 Phân bố suất lượng phản ứng quang phân hạch hạt nhân theo số khối.13 1.7 (a).Tiết diện phản ứng theo số khối hạt nhân sản phẩm. (b).Tiết diện phản ứng theo điện tích hạt nhân sản phẩm. . . . . . . . . . . . 14 1.8 Suất lượng của các phản ứng quang hạt nhân trên bia 197 Au và bia 209 Bi với năng lượng chùm bức xạ hãm 1 GeV. . . . . . . . . . . . 15 1.9 Phân bố suất lượng phản ứng quang hạt nhân trên bia 209 Bi gây bởi chùm bức xạ hãm năng lượng cực đại 2,5 GeV. . . . . . . . . . . . 16 1.10 Hình ảnh máy gia tốc electron tuyến tính 2,5 GeV tại PAL, Hàn Quốc.17 1.11 Phổ bức xạ hãm phát ra từ bia W khi bắn phá bởi chùm electron năng lượng 2,5 GeV được mô phỏng bởi phần mềm Geant4. . . . . . . 19 1.12 Sự phụ thuộc hiệu suất chùm bức xạ hãm vào bề dày bia W. . . . . . 21 2.1 Sự phụ thuộc của hoạt độ phóng xạ vào thời gian kích hoạt (ti ), thời gian phân rã (td ) và thời gian đo (tm )[4]. . . . . . . . . . . . . . . 25 2.2 Minh họa phổ gamma thực tế (bên trái) và phổ gamma lý tưởng (bên phải) được ghi nhận bởi đêtector. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 iv
2.3 Hệ sơ đồ khối thiết bị ghi nhận phổ gamma. . . . . . . . . . . . . . . 28 2.4 Sơ đồ thí nghiệm chiếu xạ bia Bi bằng chùm bức xạ hãm 2,5 GeV. . . 29 2.5 Phổ BiP5T3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.6 Phổ BiP5T13. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.7 Sơ đồ phân rã của 207 Bi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.1 Phân bố suất lượng của các phản ứng 209 Bi(γ ,xn)209−x Bi theo số nơtron phát ra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.2 So sánh kết quả luận văn thực hiện với kết quả của tác giả A.N. Ermakov và đồng nghiệp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.3 Phân bố suất lượng quang phân hạch 209 Bi(γ ,f) theo điện tích của hạt nhân sản phẩm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.4 So sánh số liệu luận văn thực hiện với kết quả của tác giả H. Naik và đồng nghiệp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 v
Danh sách bảng 1.1 Các thông số chính của Linac tại PAL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.1 Thời gian phơi và thời gian đo mẫu Bi kích hoạt. . . . . . . . . . . . . 30 2.2 Kết quả tính hệ số tự hấp thụ tia gamma trong mẫu Bi. . . . . . . . 35 2.3 Các đỉnh gamma can nhiễu cần xử lý. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.1 Kết quả nhận diện các hạt nhân sản phẩm từ phản ứng quang hạt nhân trên bia Bi gây bởi chùm photon hãm 2,5 GeV. . . . . . . . 40 3.2 Nhận diện các đồng vị tạo thành từ các phản ứng quang phân hạch trên mẫu 209 Bi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.3 Các yếu tố cần thiết trong việc xác định suất lượng phản ứng sinh nhiều nơtron 209 Bi(γ ,xn)209−x Bi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.4 Kết quả xác định suất lượng các phản ứng sinh nhiều nơtron 209 Bi(γ ,xn)209−x Bi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.5 Các yếu tố cần thiết trong việc xác định suất lượng phản ứng sinh nhiều nơtron 209 Bi(γ ,f). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.6 Kết quả xác định suất lượng quang phân hạch 209 Bi(γ ,f). . . . . . . . 55 3.7 Đánh giá sai số kết quả thực nghiệm xác định suất lượng phản ứng. . 58 vi
Mở đầu Cùng với sự phát triển của công nghệ, kỹ thuật, con người càng khám phá được nhiều điều bí ẩn trong tự nhiên. Một trong số đó là nghiên cứu về các phản ứng hạt nhân. Nhờ phản ứng hạt nhân mà nhân loại ngày càng hiểu sâu sắc hơn về cấu trúc vi mô của thế giới vật chất muôn hình muôn vẻ. Từ đó ứng dụng vào hàng loạt các lĩnh vực trong thực tiễn đời sống như tìm ra nguồn năng lượng mới – năng lượng hạt nhân, chế tạo các đồng vị phóng xạ, phục vụ trong y học, ứng dụng trong vật lý thiên văn, chuyển đổi chất thải hạt nhân... Bên cạnh các loại phản ứng hạt nhân với chùm hạt tích điện và với nơtron, phản ứng quang hạt nhân cũng đóng một phần vô cùng quan trọng. Phản ứng quang hạt nhân là phản ứng hạt nhân xảy ra khi có sự tương tác giữa bức xạ gamma hay còn gọi là photon với hạt nhân, sau tương tác hạt nhân có thể phát xạ nơtron, proton hoặc các loại hạt khác tùy thuộc vào năng lượng chùm photon tới và số khối hạt nhân bia. Các phản ứng quang hạt nhân thường xảy ra là: phản ứng sinh nhiều nơtron (γ, xn), phản ứng photospallation (γ, xnyp), phản ứng tạo pion (γ ,π xn), phản ứng phân hạch hạt nhân (γ, f ), hiện tượng phân mảnh (γ, f r). . . Một trong các thông số quan trọng trong phản ứng hạt nhân nói chung, phản ứng quang hạt nhân nói riêng đó là tiết diện phản ứng. Tiết diện phản ứng phụ thuộc vào năng lượng của hạt tới. Với năng lượng xác định, các kênh phản ứng khác nhau sẽ cho tiết diện phản ứng khác nhau. Đối với các phản ứng hạt nhân xảy ra với chùm photon hãm năng lượng liên tục thì thay vì xác định chính xác tiết diện ta đi xác định suất lượng phản ứng. Việc xác định suất lượng phản ứng cho ta cái nhìn đúng đắn về cơ chế phản ứng, phản ánh tiết diện phản ứng cũng như 1
Luận văn Thạc sĩ Bùi Thị Hồng phân bố thông lượng, năng lượng chùm hạt tới. Ngày nay, nhờ vào sự phát triển của máy gia tốc, các nghiên cứu về phản ứng quang hạt nhân không chỉ bị giới hạn ở những photon năng lượng thấp, mà còn được mở rộng tới vùng năng lượng cao cỡ GeV. Cho tới thời điểm hiện tại đã có nhiều công trình nghiên cứu về phản ứng quang hạt nhân ở vùng năng lượng cao, nhưng có lẽ vẫn chưa đủ để tạo nên một bức tranh đầy đủ về cơ chế phản ứng quang hạt nhân ở vùng năng lượng này. Đối với chùm photon năng lượng cao, ngoài các phản ứng hạt nhân thường thấy ở chùm photon năng lượng thấp, ta đặc biệt chú ý tới phản ứng phân hạch. Luận văn với đề tài: “Nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân trên bia 209 Bi gây bởi chùm bức xạ hãm năng lượng cực đại 2,5 GeV”, sử dụng máy gia tốc tuyến tính 2,5 GeV tại trung tâm gia tốc Pohang, Hàn Quốc để gia tốc chùm electron bắn vào bia W tạo thành chùm photon hãm với thông lượng lớn, có phổ liên tục từ 0 cho tới năng lượng cực đại đúng bằng động năng của chùm electron. Chùm photon hãm này được sử dụng chiếu vào bia 209 Bi để tạo thành các phản ứng quang hạt nhân, các đồng vị bền bị biến thành các đồng vị phóng xạ. Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành dựa trên cơ sở kết hợp phương pháp kích hoạt phóng xạ với phương pháp ghi nhận phổ gamma bằng đêtector siêu tinh khiết HPGe có độ phân giải năng lượng cao, từ các đỉnh năng lượng gamma đặc trưng cho từng đồng vị phóng xạ và chu kỳ bán rã ta có thể nhận diện các đồng vị phóng xạ tạo thành sau phản ứng, từ đó xác định suất lượng của phản ứng. Mục đích của luận văn là nhận diện các đồng vị phóng xạ tạo thành sau phản ứng quang hạt nhân khi chiếu chùm photon năng lượng cực đại 2, 5 GeV vào bia 209 Bi, xác định suất lượng phản ứng quang hạt nhân sinh nhiều nơtron (γ, xn) và suất lượng phản ứng quang phân hạch (γ ,f). Các số liệu thu được từ thực nghiệm được so sánh, đánh giá với các kết quả nghiên cứu khác có liên quan. Luận văn được chia thành ba chương: • Chương 1: Phản ứng quang hạt nhân với chùm photon hãm năng lượng cao. 2
Luận văn Thạc sĩ Bùi Thị Hồng • Chương 2: Phương pháp thực nghiệm • Chương 3: Kết quả thực nghiệm và thảo luận Luận văn được hoàn thành với 23 hình vẽ và đồ thị, 11 bảng biểu, và 26 tài liệu tham khảo. 3
Chương 1 Phản ứng quang hạt nhân với chùm photon hãm năng lượng cao 1.1. Phản ứng quang hạt nhân 1.1.1. Khái niệm phản ứng quang hạt nhân Photon là hạt truyền tương tác điện từ. Lực điện từ không chỉ tác động lên toàn bộ hạt nhân mà còn tác động ở mức độ nhỏ hơn nữa của hạt nhân. Do đó sự tương tác này rất hữu ích cho việc tìm ra các đặc tính chung và từng phần của hạt nhân nguyên tử. Phản ứng quang hạt nhân là phản ứng hạt nhân xảy ra khi có sự tương tác giữa photon với hạt nhân, sau tương tác hạt nhân có thể phát xạ nơtron, proton hoặc các loại hạt khác. Phản ứng quang hạt nhân là phản ứng thu năng lượng, do đó điều kiện để một phản ứng có thể xảy ra là năng lượng photon (Eγ ) phải lớn hơn năng lượng ngưỡng (Eth ). Để có chùm photon với thông lượng và năng lượng lớn, người ta thường sử dụng chùm bức xạ hãm sinh ra khi các electron được gia tốc tương tác với các hạt nhân bia nặng. 4
Luận văn Thạc s Bùi Thị Hồng Các nghiên cứu về phản ứng quang hạt nhân bắt đầu từ năm 1934, khi mà Chadwick và Goldhaber công bố một báo cáo về phản ứng của đơteri bị bắn phá bởi chùm gamma phát ra từ 208 Tl (E = 2,62 MeV). Cũng trong năm đó, hai báo cáo về phản ứng quang nơtron của 7 Be, một của Chalmers và một của Gentner và Szillard được công bố một cách độc lập. Cho tới khi có nguồn beta năng lượng cao vào đầu những năm 1940, các phản ứng quang hạt nhân chỉ có thể được nghiên cứu là các quá trình phân tách trong 2 D và Be vì chỉ có các nguyên tố này (trừ một vài hạt nhân dễ dàng phân hạch qua phản ứng photofission ở năng lượng thấp) có năng lượng ngưỡng đủ thấp bị phân rã bởi các photon từ các nguồn phóng xạ gamma phát ra. Một ngoại lệ là nghiên cứu của Bothe và Gentner đã sử dụng tia gamma phát ra ngay từ phản ứng proton như môt nguồn kích hoạt. Các nghiên cứu một cách hệ thống về phản ứng quang hạt nhân bắt đầu vào năm 1950, sử dụng chùm beta, và dữ liệu chính xác đã được xây dựng bắt đầu từ năm 1960. Sử dụng các chùm photon gần như đơn năng (quaisi-monoenergetic photons) sinh ra trong quá trình positron tương tác với vật chất mất năng lượng trên quãng đường bay của nó [6]. 1.1.2. Sự hấp thụ photon bởi hạt nhân Phản ứng hạt nhân gây bởi bức xạ điện từ có thể được mô tả bởi hai quá trình. Sự hấp thụ một photon dẫn tới một trạng thái kích thích trung gian của hạt nhân, được gọi là hạt nhân hợp phần, sau đó bị phân rã bằng cách phát xạ photon, nơtron hoặc các hạt tích điện. Tiết diện toàn phần cho sự hấp thụ photon bởi hạt nhân được biểu diễn trên hình 1.1 [6]. 5
Luận văn Thạc s Bùi Thị Hồng Hình 1.1: Tiết diện toàn phần cuả quá trình hấp thụ photon bởi hạt nhân. • Sự kích thích của các mức năng lượng hạt nhân rời rạc: Với năng lượng dưới 10 MeV, các mức năng lượng hạt nhân rời rạc ở trạng thái kích thích. Nếu photon tới chỉ có năng lượng đúng bằng năng lượng để kích thích một mức hạt nhân duy nhất thì tiết diện toàn phần tăng mạnh trên một đỉnh cộng hưởng hẹp. • Vùng cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ (Giant Resonance): Vùng năng lượng từ 10 - 30 MeV, một cộng hưởng rất rộng được quan sát thấy trong tiết diện hấp thụ photon toàn phần. Trái với sự kích thích các mức năng lượng hạt nhân bị cô lập ở mức năng lượng photon thấp, cái gọi là cộng hưởng khổng lồ được đặc trưng bởi dao động tập thể của proton và nơtron bên trong hạt nhân. Sự đóng góp quan trọng nhất của cộng hưởng khổng lồ được kích thích bởi photon đó là bởi vì chế độ lưỡng cực điện. Cộng hưởng lưỡng cực điện khổng lồ thường được giải thích như là một chuyển động tập thể của toàn bộ proton ngược chiều với toàn bộ nơtron. • Tương tác với photon năng lượng cao: 6
Luận văn Thạc s Bùi Thị Hồng Với chùm photon tới năng lượng cao bị hấp thụ sẽ tương tác với từng nucleon riêng lẻ hoặc nhóm các nucleon. Sau vùng cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ (30 < E < 140 MeV) các cơ chế tương tác khác trở nên quan trọng, photon tới sẽ ưu tiên tương tác với cặp nucleon nơtron-proton (hay còn gọi là giả đơtron). Trong mô hình này, giả thiết rằng photon tương tác với một cặp n-p (đơtron) bên trong của hạt nhân làm tăng phát xạ nucleon trực tiếp nếu không có sự tham gia của các hạt nhân khác. Do sự tương tác của photon năng lượng cao với chỉ một số ít các nucleon, nên tiết diện hấp thụ là tương đối nhỏ so với vùng cộng hưởng khổng lồ. Cuối cùng, các photon với năng lượng trên 140 MeV có thể tạo ra pion (pion production). Tương tác giữa photon và các nucleon riêng lẻ bên trong hạt nhân dẫn tới đồng khối được tạo ra bên trong hạt nhân bia, đồng khối này phân rã thành một pion và một nucleon, quá trình này cạnh tranh với quá trình hấp thụ photon của các giả đơtron. Tán xạ của các pion và các nucleon giật lùi cũng như sự hấp thụ các pion bên trong hạt nhân bia tạo thành một thác lũ các nucleon (intranuclear cascade) bên trong hạt nhân và dẫn tới sự phát xạ các nơtron cũng như proton và các pion. Các hạt này cũng phát triển thành quá trình thác lũ nối tầng. Do sự sinh ra các pion mà tiết diện hấp thụ toàn phần tăng lên lần nữa vượt ra ngoài ngưỡng của quá trình này [6]. 1.1.3. Sự khử kích thích của hạt nhân sau khi hấp thụ một photon Năng lượng kích thích có thể được giải phóng từ hạt nhân bởi: • Tái phát xạ một photon có cùng năng lượng với photon tới. Quá trình này được gọi là tán xạ đàn hồi hay phản ứng (γ, γ). • Phát xạ photon với năng lượng thấp hơn. Loại phản ứng này được biết 0 như là tán xạ photon không đàn hồi hoặc phản ứng (γ, γ ) . • Phát xạ nơtron, proton hoặc hạt tích điện hợp phần nếu năng lượng kích thích cuả các hạt nhân vượt quá năng lượng ngưỡng tách hạt. 7
Luận văn Thạc s Bùi Thị Hồng Phản ứng quang hạt nhân phụ thuộc mạnh vào năng lượng của chùm photon tới. Tùy theo năng lượng photon tới mà phản ứng quang hạt nhân phát xạ neutron hoặc proton hoặc các loại hạt khác tương ứng với nhiều loại phản ứng khác nhau như: phản ứng (γ, n), (γ, p), phản ứng sinh nhiều neutron (γ, xn), phản ứng photospallation (γ, xnyp); phản ứng tạo pion(γ , π xn), phản ứng phân hạch hạt nhân (γ, f ), hiện tượng phân mảnh (γ, f r),. . . [4]. Tiết diện toàn phần của phản ứng quang hạt nhân bao gồm: T = σ(γ, n) + σ(γ, p) + σ(γ, xn) + σ(γ, xnyp) + σ(γ, f ) + σ(γ, f r) σγA (1.1) 1.1.4. Phản ứng photospallation Phản ứng spallation liên quan đến các phản ứng hạt nhân xảy ra khi hạt có động năng rất lớn (ví dụ như proton, nơtron, photon hoặc pion) tương tác với hạt nhân nguyên tử, kết quả tạo thành rất nhiều loại sản phẩm khác nhau. Phản ứng spallation có thể coi là một quá trình hai giai đoạn. Trong giai đoạn đầu tiên, hạt sơ cấp tương tác với các nucleon (nơtron và proton) bên trong hạt nhân. Các phản ứng tiếp theo tạo ra một dòng thác lũ proton, nơtron và pion năng lượng cao (lớn hơn 20 MeV) trong hạt nhân. Suốt quá trình thác lũ, một số hadron mang động năng thoát ra đóng vai trò là các hạt thứ cấp. Số còn lại tích lũy động năng trong hạt nhân và tồn tại ở trạng thái kích thích.Trong giai đoạn thứ 2 (giai đoạn khử kích thích hạt nhân), sự bay hơi diễn ra khi hạt nhân kích thích giải phóng năng lượng bằng cách phát ra các hạt nơtron, proton, anpha năng lượng thấp (nhỏ hơn 20 MeV) với phần lớn là các nơtron. Các nơtron năng lượng thấp được tạo ra trong quá trình khử kích thích là rất quan trọng đối với một nguồn spallation bởi vì chúng có thể được điểu chỉnh (giảm đi) đến năng lượng thấp hơn để sử dụng làm đầu dò nghiên cứu. Sau khi bay hơi, các hạt nhân còn lại có thể phát xạ và có thể phát xạ tia gamma. Các hạt năng lượng cao thứ cấp được tạo ra trong suốt quá trình thác lũ di chuyển gần theo hướng của hạt tới và có thể va chạm với các hạt nhân khác trong bia. Các phản ứng tiếp theo là một chuỗi các phản ứng thác lũ thứ cấp mà 8
Luận văn Thạc s Bùi Thị Hồng tạo ra nhiều hơn nữa các hạt thứ cấp và nơtron năng lượng thấp. Thác hadronic được gọi là sự tích tụ của tất cả các phản ứng gây bởi hạt sơ cấp và thứ cấp trong bia. 1.1.5. Phản ứng quang phân hạch Hiện tượng quang phân hạch (photofission) ở năng lượng cao là quá trình động học rất phức tạp của sự kích thích các hạt nhân nặng so với quá trình phân hạch gây bởi các hadron (nơtron, proton), do photon tương tác điện từ với các hạt nhân thông qua cộng hưởng khổng lồ, cơ chế giả deutron, và phát xạ pion. Đối với các hạt nhân trước actinide (preactinide) quá trình phân hạch xảy ra ở ngưỡng năng lượng rất cao và chủ yếu do có chế giả deutron và quá trình pion production, các photon tương tác với một cặp nơtron - proton hoặc các nucleon riêng lẻ và truyền phần lớn năng lượng của nó, tuy nhiên lại truyền một momen góc rất nhỏ [10]. Khả năng phân hạch của các hạt nhân preactinide phụ thuộc mạnh vào năng lượng kích thích (Hình 1.2) [16]. Trong đó khả năng phân hạch của các hạt nhân preactinide được xác định bằng tỷ số giữa tiết diện xảy ra phản ứng quang phân hạch trên tiết diện hấp thụ toàn phần xảy ra phản ứng quang hạt nhân. σf f= σa trong đó: σf là tiết diện phản ứng quang phân hạch hạt nhân và σa là tiết diện hấp thụ toàn phần phản ứng quang hạt nhân. 9
Luận văn Thạc s Bùi Thị Hồng Hình 1.2: Sự phụ thuộc của khả năng phân hạch vào năng lượng photon đối với các bia W, Pt, Au, Pb và Bi. Phân bố suất lượng của các sản phẩm phân hạch theo số khối có dạng đối xứng gauss [11]. H. Haba và đồng nghiệp đã xác định và tính suất lượng của 58 hạt nhân sản phẩm với số khối từ 42 - 131 từ phản ứng quang phân hạch hạt nhân trên bia 197 Au gây bởi chùm bức xạ hãm trong khoảng năng lượng trung bình từ 300 tới 1100 MeV. Các kết quả nghiên cứu cho thấy suất lượng phản ứng tăng một cách nhanh chóng từ E0 lên tới 600 MeV. Hình 1.3 mô tả suất lượng phản ứng quang hạt nhân trên bia 197 Au với các năng lượng E0 khác nhau. Phân bố suất lượng phản ứng quang hạt nhân theo số khối được mô tả bởi hàm Gauss với xác suất lớn nhất tại số khối A = 92 ± 1 đơn vị khối lượng (m.u) và với bề rộng nửa chiều cao là 39 ± 1 đơn vị khối lượng (m.u) [11]. 10
Luận văn Thạc s Bùi Thị Hồng Hình 1.3: Phân bố suất lượng quang phân hạch trên bia 197 Au với chùm photon năng lượng từ 300 MeV – 1100 MeV. 1.2. Tổng quan một số kết quả nghiên cứu về 209 phản ứng quang phân hạch Bi Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về phản ứng quang phân hạch hạt nhân. Các nghiên cứu đã để lại những giá trị to lớn, góp phần làm sáng tỏ cơ chế phản ứng quang hạt nhân nói chung và phản ứng quang phân hạch hạt nhân nói riêng. Đối với phản ứng photofission 209 Bi(γ ,f) năng lượng của chùm photon tới vào khoảng 50 MeV thì phản ứng phân hạch bắt đầu xảy ra. Hình 1.4 biểu diễn sự phụ thuộc của tiết diện phản ứng phân hạch vào năng lượng cực đại của photon tới đối với 209 Bi [8]. A.P Kormar và đồng nghiệp trong công bố [9] đã đo phân bố khối của các mảnh phân hạch trên bia Bi với chùm bức xạ hãm 1000 MeV 11