Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu một số phản ứng hạt nhân cần thiết cho thiên văn học

Chia sẻ: Minh Van Thuan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:30

Thêm vào BST

Báo xấu

227
lượt xem 27
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu một số phản ứng hạt nhân cần thiết cho thiên văn học nhằm xác định các mức năng lượng mới của 26 Si trên ngưỡng alpha bao gồm các trạng thái lượng tử spins và chẵn lẻ. Từ những thông tin này, cấu trúc nhóm của hạt giàu proton 26Si sẽđược khảo sát.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu một số phản ứng hạt nhân cần thiết cho thiên văn học

B GIÁO D C VÀ ÀO T O B KHOA H C VÀ CÔNG NGH VI N NĂNG LƯ NG NGUYÊN T VI T NAM ------ ------ Nguyễn Ngọc Duy NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN CẦN THIẾT CHO THIÊN VĂN HỌC Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân. Mã số: 62 44 05 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà N i – 2013
Công trình ư c hoàn thành t i: - i h c T ng h p Tokyo, Nh t B n. - Vi n Năng lư ng Nguyên t Vi t Nam. Ngư i hư ng d n khoa h c: PGS. TS. Lê H ng Khiêm PGS. TS. Vương H u T n Ph n bi n 1:................................................................. Ph n bi n 2:................................................................. Ph n bi n 3:................................................................. Lu n án s ư c b o v trư c H i ng ch m lu n án c p Vi n h p t i: ………………………………. …… vào h i ........., ngày …...... tháng ............ năm ……... Có th tìm hi u lu n án t i: - Thư vi n Qu c gia Vi t Nam. - Vi n Năng lư ng nguyên t Vi t Nam.
M u V t lý h t nhân óng vai trò quan tr ng trong s c i bi n th gi i. Vi c nghiên c u v t lý h t nhân mang l i nhi u ng d ng trong nhi u lĩnh v c, ch ng h n như công nghi p, nông nghi p, y h c,…Hơn n a, v t lý h t nhân còn là chi c chìa khoá nghiên c u vũ tr bao la. Nh ng mô hình c a s hình thành và phát tri n sao ã d oán v s t n t i c a các quá trình h t nhân ang di n ra trong vũ tr . Kh o sát nh ng ph n ng h t nhân c n thi t cho thiên văn h c có ý nghĩa r t quan tr ng không ch trong lĩnh v c thiên văn mà còn c i v i lĩnh v c c u trúc h t nhân. Ngoài ra, nh ng h t nhân không b n trong môi trư ng sao ư c cho là s giúp chúng ta có nh ng ki n th c m i hơn v c u trúc h t nhân. V i nh ng thi t b hi n i dành cho nghiên c u h t nhân hi n nay, chúng ta hoàn toàn có th ti n hành vi c kh o sát các ph n ng x y ra trong vũ tr t i các phòng thí nghi m trên m t t. ây là m t i u ki n thu n l i cho s khám phá sâu hơn n a v c u trúc h t nhân các h t không b n và nghiên c u m t cách hi u qu nh ng ph n ng h t nhân trong nh ng chu i ph n ng c a các quá trình t ng h p nguyên t trên các sao. Trong ó, m t s ph n ng có vai trò h t s c quan tr ng trong ti n trình phát tri n c a sao, cũng như liên quan m t thi t n nh ng s b t thư ng trong quan sát thiên văn. Chúng tôi c bi t quan tâm n ph n ng Mg(α,p)25Al vì nó có ý 22 nghĩa quan tr ng trong vi c nghiên c u c u trúc h t giàu proton 26Si trong vùng năng lư ng trên ngư ng alpha (Ethr = 9.164 MeV). D li u h t nhân trong vùng năng lư ng này dư ng như còn b tr ng, trong khi iv ih t 26 nhân gương c a nó, Mg, m t m c trong vùng năng lương tương ng tương i cao. Ngoài ra, ph n ng này cũng là m t trong nh ng m i k t n i quan tr ng trong quá trình rp-process t i v trí h t nhân 22Mg trong quá trình t ng h p nguyên t trong vũ tr . Su t ph n ng c a ph n ng này góp ph n gi i thích s b t thư ng trong vi c dò tìm tia gamma năng lư ng 1.275 MeV và v n Ne-E hi n nay. Bên c nh ó, th “ch ” c a 22Mg cũng ư c làm sáng t d a trên nh ng k t qu nghiên c u v ph n ng này và ph n ng 22Mg(p,γ)23Al. 1
Có hai phương pháp cơ b n kh o sát su t ph n ng: phương pháp s d ng thông s các m c lư ng t c a h t nhân, có năng lư ng tương ng v i vùng nhi t c n kh o sát trong môi trư ng các sao và phương pháp tính tr c ti p su t ph n ng t ti t di n ph n ng c a ph n ng ó. Chúng tôi ã ti n hành thi t k o c thu các m c năng lư ng c a h t không 26 b n Si và tính toán su t ph n ng c a 22 Mg(α,p)25Al thông qua các m c c ng hư ng c a 26Si trong th c nghi m tán x h t không b n 22Mg lên bia khí alpha. Trong khuôn kh lu n án này, chúng tôi trình bày nh ng k t qu thu ư c t 22 Mg(α,α)22Mg cho h t nhân compound 26Si và tính su t ph n ng c a 22Mg(α,p)25Al. Trên th gi i ch có hai nghiên c u v h t nhân 26Si trên ngư ng alpha. Nghiên c u th nh t là phân rã beta t h t nhân 26P và nghiên c u th hai là ph n ng 28Si(p,t)26Si. Tuy nhiên, các m c năng lư ng trong nh ng nghiên c u này không xa ngư ng alpha, và do ó, không tho mãn ư c vùng nhi t cao (T > 1 GK) trong môi trư ng Supernova và X-ray Burst. Cho n trư c lu n án này, chưa có m t công trình nào o c tr c ti p tương tác Mg+α. 22 M c tiêu c a lu n án 26 - V v t lý h t nhân: Xác nh các m c năng lư ng m i c a Si trên ngư ng alpha bao g m các tr ng thái lư ng t spins và ch n l . T nh ng thông tin này, c u trúc nhóm c a h t giàu proton 26Si s ư c kh o sát. - V v t lý thiên văn: D a vào các tr ng thái kích thích c a 26Si t tán x 22 22 Mg+α, xác nh su t ph n ng c a Mg(α,p)25Al, cùng v i ph n ng Mg(p,γ) Al và phân rã beta c a 22 23 22 Mg kh o sát “ i m ch ” 22 Mg. T ó, ánh giá nguyên nhân c a nh ng s b t thư ng trong quan sát thiên văn v tia gamma 1.275 MeV và v n Ne-E hi n nay. Th a s S-factor c n cho vi c xác nh su t ph n ng không c ng hư ng cũng ư c tính toán. 22 - S n xu t chùm h t không b n Mg: S n xu t chùm h t không b n 22 Mg có s ch cao, cư ng l n và năng lư ng tho mãn vùng trên ngư ng alpha c a 26Si và trong vùng nhi t T = 0.5 - 3 GK. - Kĩ thu t detector: C i ti n active-gas-target detector o c ng th i h t n ng c a chùm h t t i và các h t nh bay ra sau ph n ng. ây là 2
tính ch t r t quan tr ng và c n thi t i các lo i detector ghi o ph n ng theo phương pháp ng h c ngư c v i kĩ thu t bia dày. K t qu m i c a lu n án V m t v t lý, lu n án ã ghi nh n ư c sáu m c năng lư ng trên ngư ng alpha c a 26Si. Trong ó, có ba m c th p trùng kh p v i hai nghiên c u trư c ó và ba m c m i l n u tiên ư c ghi nh n. Tr ng thái spin và ch n-l c a sáu m c này ã ư c xác nh trong lu n án này b ng vi c làm kh p theo phương pháp R-matrix, d a trên hàm kích thích ti t di n c ng hư ng c a ph n ng 22Mg(α,α)22Mg, nh ng công trình trư c ây chưa xác nh ư c tr ng thái lư ng t cho các m c này. i v i thiên văn h c, su t ph n ng c ng hư ng c a Mg(α,p)25Al 22 trong vùng nhi t sao T9 = 0.5 - 2.5 GK ư c xác nh t tr ng thái c ng hư ng trong Mg(α,α) Mg. Bên c nh ó, hàm th a s thiên văn S-factor 22 22 ph thu c vào năng lư ng cũng ư c xác nh. Th a s này quan tr ng trong vi c ngo i suy su t ph n ng không c ng hư ng c a 22Mg(α,p)25Al. V m t kĩ thu t th c nghi m, detector khí lo i m i dùng o c các ph n ng thiên văn ã ư c thi t k và ưa vào s d ng. Ngoài ra, chùm h t 22 không b n Mg tho mãn i u ki n cư ng cao cho vi c o c tán x 22 lên alpha ư c t o thành công. Trong ó, s h t Mg ư c t o ra không t l tuy n tính v i cư ng chùm h t t i c a ph n ng t o 22Mg. ng d ng c a k t qu nghiên c u K t qu trong nghiên c u này có th ư c s d ng kh o sát c u trúc 26 nhóm trong h t nhân Si trên ngư ng alpha 9.164 MeV và góp ph n gi i thích m t s hi n tư ng b t thư ng trong quan sát thiên văn, ch ng h n như tia gamma 1.275 MeV; th ch c a 22Mg;… Nh ng k t qu thu ư c trong nghiên c u này óng góp vào sơ các m c năng lư ng chưa t ng ư c 26 ghi nh n c a Si. Ngoài ra, các m c này góp ph n ánh giá tr ng thái kích thích c a h t nhân gương c a nó, 26Mg vì tr ng thái spin và ch n-l c a các m c kích thích c a h t nhân gương này v n còn thi u r t nhi u. Bên c nh ó, su t ph n ng c a ph n ng 22Mg(α,p)25Al có th ư c dùng so sánh 22 s c nh tranh c a quá trình b t proton và phân rã beta c a Mg. Ngoài ra, 3
k t qu su t ph n ng thu ư c t th c nghi m này cũng góp ph n ánh giá vi c kh o sát su t ph n ng theo lý thuy t th ng kê c a Hauser-Feshbach. 22 Kĩ thu t t o chùm h t không b n Mg có th ư c áp d ng iv i vi c t o các chùm h t không b n cho các th c nghi m khác. S b t thư ng trong s ph thu c vào cư ng chùm vào c a cư ng chùm h t ra c n ư c kh c ph c. V kĩ thu t phát tri n detector, lo i detector khí ho t ng (active-gas- target detector) ã ư c thi t k có th dùng cho các ph n ng trong bia khí theo cơ ch ng h c ngư c. N i dung c a lu n án B c c lu n án, ư c trình bày b ng ti ng Anh, v i n i dung như sau: - Ph n m u. - Chương 1: Nh ng ki n th c t ng quan v v t lý h t nhân, v t lý thiên văn và m c tiêu c a lu n án. Nh ng chu i ph n ng h t nhân x y ra trong quá trình hình thành và phát tri n sao ư c kh o sát v m t lý thuy t theo phương pháp suy lu n t mô hình hình thành sao. T ó, xác nh m t s ph n ng quan tr ng gi i thích các hi n tư ng thiên văn, trong ó có Mg(α,p) Al và Mg(p,γ) Al. Lý thuy t kh o sát su t ph n ng trong môi 22 25 22 23 trư ng các sao cũng ư c trình bày trong chương này. - Chương 2: c p n th c nghi m o tr c ti p Mg(α,α)22Mg. 22 Trong chương này, phương pháp và b trí th c nghi m ư c trình bày m t cách chi ti t. K t qu vi c t o chùm h t không b n 22Mg cũng ư c ch ra trong ph n này. - Chương 3: Trình bày vi c x lí s li u th c nghi m, nh ng k t qu thu ư c t th c nghi m v hàm ti t di n vi phân theo năng lư ng, các m c c ng hư ng c a 26 Si t ph n ng 22 Mg(α,α)22Mg, su t ph n ng c a Mg(α,p) Al so sánh v i các ph n ng khác 22 25 kh o sát nh ng v n thiên văn. - K t lu n và ki n ngh : Nh ng k t lu n quan tr ng c a lu n án và m ts v n nghiên c u ti p theo. 4
Chương 1. Gi i thi u Trong chương này, chúng tôi c p n nh ng ki n th c c n thi t, quan tr ng c a v t lý h t nhân liên quan n v t lý thiên văn. T ó, chúng ta có th nh n th y v trí, vai trò c a ph n ng ư c nghiên c u c a lu n án này. 1.1. Ngu n g c v t ch t trong vũ tr Trình bày nh ng gi thi t và suy lu n ưa n vi c xác nh v t ch t trong vũ tr ư c c u t o b i các h t nucleon, h t nhân và nguyên t . 1.2. Quá trình t ng h p nguyên t trên các sao Trình bày quá trình t ng h p nguyên t trên các sao sau v n Big Bang di n ra theo b n quá trình chính: quá trình cháy hydrogen, quá trình cháy helium, quá trình t ng h p nguyên t n Fe và quá trình t ng h p nguyên t n ng hơn Fe. 1.2.1. Quá trình cháy Hydrogen T t c quá trình t ng h p b n proton thành helium u ư c g i là quá trình cháy hydrogen. Trong ó, có ba quá trình chính là chu i proton-proton (pp), chu trình CNO và chu trình NeNa-MgAl. M i quá trình t ng h p ph thu c vào m t h t, nhi t và các h t nhân xúc tác. Trong ó, vai trò và t m quan tr ng trong các v n thiên văn c a các ph n ng 22 Ne ( p, γ ) 23 Na , 22 ( Na β +υ ) 22 Ne , 22 Mg (α , p ) 25 Al và 25 Mg ( p, γ ) 26 Al ư c ch ra trong ph n này. 1.2.2. Quá trình cháy helium Trình bày nh ng n i dung cơ b n trong quá trình cháy Helium. Vi c nghiên c u quá trình cháy helium r t h u ích cho vi c gi i thích nguyên nhân c a s không t n t i h t nhân b n có s kh i A = 5, A = 8 và A = 6 - 11 trong t nhiên có ph bi n th p. 1.2.3. Quá trình t ng h p nguyên t n Fe Trình bày quá trình cháy carbon, cháy oxygen và cháy silicon. 1.2.4. Quá trình t ng h p h t nhân n ng trên Fe Trình bày các quá trình: s- process, r -process và p-process. 1.3. Siêu tân tinh lo i II M c này trình bày nh ng ki n th c cơ b n v siêu tân tinh lo i II. ây là giai o n k t thúc c a m t ngôi sao và b t u hình thành sao m i. 5
1.4. X-ray burst Trong ph n này, hi n tư ng bùng phát tia X (X-ray Burst) ư c trình bày. Trong môi trư ng này, su t ph n ng c a các ph n ng ư c cho là tương i cao. giai o n cu i c a X-ray Burst, t t c các h t nhân nh u ư c bi n i thành các nguyên t n ng. 1.5. T m quan tr ng c a s li u h t nhân 26Si và ph n ng 22 Mg(α,α)22Mg αα M c này trình bày lý do c a vi c nghiên c u th c nghi m ph n ng 22 Mg+α. ây cũng chính là m c tiêu chính c a tài. 22 α 1.5.1. Su t ph n ng c a Mg(α,p) Al 25 Ph n này ch ra v trí và vai trò quan tr ng c a ph n ng 22 Mg(α,p)25Al trong vi c gi i thích v n Ne-E, quan sát tia gamma 1.275 MeV, làm sáng t th ch c a 22Mg, như trong hình 1.1 22 Hình 1.1. i m ch Mg và ph n ng 22Mg(α,p)25Al trong quá trình cháy hydrogen thông qua chu trình NeNa-MgAl. 26 1.5.2. S phân b Al trong thiên hà M c này trình bày t m quan tr ng c a phân rã beta c a 26Si v 26 Al. 26 26 Al t n t i tr ng thái cơ b n và tr ng thái ng phân. N u Si phân rã v 26 26 Al tr ng thái cơ b n thì s ghi nh n ư c tia gamma 1.809 MeV t Mg 26 tr ng thái kích thích. ph bi n c a Al giúp xác nh tu i thiên hà. 1.5.3. Su t ph n ng c a 25 γ 26 Al(p,γ) Si M c này trình bày t m quan tr ng c a ph n ng 25Al(p,γ)26Si mà su t ph n ng này có th ư c xác nh b i thông tin 26Si. 6
1.5.4. C u trúc h t nhân 26Si trên ngư ng alpha Vai trò và t m quan tr ng c a ph n ng 22Mg(α,α)22Mg trong vi c 26 nghiên c u các m c c ng hư ng trong h t nhân Si trên ngư ng alpha ư c trình bày trong ph n này. 1.6. M c ích c a lu n án - Kh o sát v m t lý thuy t m t s ph n ng quan tr ng liên quan n m t s hi n tư ng thiên văn ư c ch ra, ch ng h n như ph n ng α+α, 8 Be+α, 25Mg(p,γ)26Al, 25Al(p,γ)26Si, 22Mg(α,p)25Al …. 22 26 - o c th c nghi m Mg+α ghi nh n s li u c a Si trên ngư ng alpha (9.164 MeV) và t ó xác nh su t ph n ng Mg(α,p)25Al, 22 22 so sánh v i su t ph n ng Mg(p,γ)23Al và su t phân rã beta c a 22 Mg ánh giá hi n tư ng thiên văn v v n Ne-E, tia gamma 1.275 MeV, th ch c a 22Mg. - ánh giá tính toán su t ph n ng theo m u th ng kê c a Hauser- Feshbach. 1.7. Su t ph n ng trong môi trư ng sao Vi c xác nh su t ph n ng ư c th c hi n d a trên nh ng lý thuy t sau ây. Su t ph n ng NA σ v c a m t c p h t ư c o v i ơn v cm3s-1 i v i ph n ng a + A → b + B ư c xác nh như sau: ∞ ∫ N A σ v = N a N A φ ( v ) vσ ( v ) dv. 0 (1.1) Trong ó, Na và NA là m t các h t a và A. σ ( v ) là ti t di n c a ph n ng tương t ng v i v n t c v, năng lư ng E. Khi ó: 1 3 ∞  8  2  1  2  E  NA σv =    πµ   kT    ∫ σ ( E ) E exp  − kT dE, (1.2) 0   ma mA v i kh i lư ng rút g n µ = . ma + mA 1.7.1. Ph n ng không c ng hư ng Xác su t xuyên rào Pl c a h ph n ng ư c xác nh b i: kr Pl = , (1.3) Fl + Gl2 2 7
v i k là vector sóng, r là kho ng cách phân tách gi a hai h t, Fl và Gl là nghi m c a hàm Coulomb. Theo cơ h c lư ng t chúng ta có:  2(2 µ )1/2 π 2 Z a Z A e 2  Pl ∝ exp  − . (1.4)  E1/ 2    Bi n i g n úng xác su t xuyên rào ta thu ư c: Pl = exp ( −2πη ) , (1.5) v i η là tham s Sommerfeld xác nh b i: 2 Z a Z Ae (1.6a) η= , v ( E) 1/2 2πη = 31.29Z1Z 2 µ , (1.6b) E tính theo keV, kh i lư ng rút g n µ tính theo amu. Bên c nh ó, cơ h c lư ng t ch ra r ng ti t di n ph n ng σ t l v i bư c sóng de-Broglie = / p như sau: σ ∝π ∝ π p −2 ∝ E −1 . 2 (1.7) Do ó, ti t di n ph n ng s có d ng: S (E) σ (E) = exp ( −2πη ) . (1.8) E Trong ó, S(E) ư c g i là S-factor, là tham s thiên văn h c. T (1.2) và (1.8), su t ph n ng ư c xác nh b i (1.9): 1/ 2 3/2 ∞  8   1   E b  NA σ v =    πµ   kT    ∫ S ( E ) exp  − kT − E 0  1/ 2   dE. (1.9) Trong ó, b = 0.989 Z1Z 2 µ 1/ 2 ( MeV )1/ 2 . (1.10) K t qu t ng h p c a hai h ng t trong hàm e-mũ c a (1.9) t o ra m t nh phân b , g i là nh Gamow. Ti t di n ph n ng trong vùng năng lư ng này s tr i hơn h n so v i nh ng vùng khác. T i nh, su t ph n ng tính b i: 1/ 2 3/ 2 ∞  8   1   E b  (1.11) NA σv =    πµ   kT    0 ∫ S ( E0 ) exp  − −  kT E1/ 2 dE .  2/3  bkT  ( ) 1/3 V i nh: E0 =  = 1.22 Z12 Z 2 µT62 2 keV , (1.12)  2   nh: ∆ = 4 ( E0 kT )1/ 2 = 0.749 Z12 Z 2 µT65 keV .( ) 1/6 và r ng 2 (1.13) 3 8
1.7.2. Su t ph n ng h t nhân c ng hư ng Cơ ch ph n ng h t nhân c ng hư ng ư c cho là x y ra theo hai bư c: hình thành h t h p ph n compound và phân rã v tr ng thái cơ b n. Hình 1.2. Ph n ng c ng hư ng v i cơ ch h t nhân h p ph n. Trong ph n ng c ng hư ng, ti t di n ph n ng i v i các m c năng lư ng E ư c xác nh b i công th c Breit-Wigner: Γ a Γb σ BW = π 2 ω , (1.14) ( 2) 2 ( E − E R )2 + Γ Γa, Γb và Γ là r ng riêng ph n và toàn ph n c a kênh vào và kênh ra. ER là năng lư ng h t t i. Th a s th ng kê spin ω có th tính b i (1.15): 2J +1 ω= , (1.15) ( 2 J a + 1) + ( 2 J A + 1) J, Ja và JA là spin c a tr ng thái c ng hư ng, spin c a h t t i và c a bia. K t h p nh ng bi u th c trên, su t ph n ng ư c vi t l i như sau: 1 3 ∞  8   1  ( E ) E exp  − 2 2 E  NA σv =    πµ   kT    ∫σ 0 BW  dE.  kT  (1.16) 1.7.2.1. C ng hư ng h p Trong trư ng h p Γ/ER < 20% , trong vùng c ng hư ng năng lư ng thay i r t nh khi ó su t ph n ng s là:  11605Ei  ∑(ωγ ) exp − −3/2 NA σ v tot = 8.08×10−9 ( µT6 ) 3 -1 -1 i  [cm .mol .s ] (1.17) i  T6  Ei có ơn v MeV, µ có ơn v amu, T6 có ơn v MegaKelvin (MK) và hàm l c c ng hư ng ư c cho b i: Γ a Γb ωγ = ω . (1.18) Γ 9
1.7.2.2. C ng hư ng r ng Trong trư ng h p Γ /ER > 20% , c ng hư ng x y ra trong kho ng năng lư ng r ng, ti t di n ph n ng c ng hư ng σ(E) t i giá tr năng lư ng E xung quanh ER v i r ng ΓR = Γ(ER) có th ư c tính b i (1.19): Γ a ( E )Γ b ( E ) ( Γ R / 2) 2 σ (E) = σ R , (1.19) Γ a ( ER )Γb ( ER ) ( E - ER ) 2 + (Γ / 2)2 Γ và σR là r ng toàn ph n tương ng v i năng lư ng E và ti t di n ph n ng tương ng v i năng lư ng c ng hư ng ER. r ng riêng ph n c a các h t tương ng v i moment lư ng t qu o l ư c tính b i: 1/2 2  2E  Γl =  Pl ( E , ER )θl , 2  (1.20) Rn  µ  θ l2 là r ng rút g n c a tr ng thái tương ng v i l và nó có th ư c ghi nh n t th c nghi m ho c tính toán thông qua r ng Γi và gi i h n Γ Wigner Wi c a các kênh c a ph n ng, v i: θl2 = i , (1.21) Wi 3 2 Pl ( E , Rn ) và gi i h n Wigner: Wi = , (1.22) µ Rn 2 ( v i Rn = 1.45 Aa + A1/3 . 1/3 A ) Su t ph n ng c ng hư ng r ng ư c xác nh b i (1.2) và (1.19). 1.8. Phương pháp R-matrix N i dung cơ b n c a phương pháp R-matrix ư c trình bày trong ph n này. Trong ó, các thông s lư ng t c a h t nhân compound là các y u t ma tr n R-matrix ư c xác nh t vi c gi i phương trình Shrodinger. Lu n án này s d ng code AZURE làm kh p các giá tr th c nghi m thu nh n các tr ng thái lư ng t trong ph n ng h t nhân h p ph n. Chương 2. Th c nghi m ph n ng 22Mg + α 2.1. Phương pháp th c nghi m 2.1.1. Xác nh vùng năng lư ng kh o sát Ph n ng 22Mg + α ã ư c thi t k o c tr c ti p ti t di n và năng lư ng c a ph n ng Mg(α,α) Mg và Mg(α,p)25Al nh m thu nh n 22 22 22 thông tin v tr ng thái lư ng t c a 26Si trong vùng năng lư ng E > Eαthr và 10
su t ph n ng (α,p) trong vùng nhi t sao T9 = 0.5 – 2.5 GK. C a s Gamow ng v i vùng nhi t môi trư ng sao ư c ch ra trong b ng 2.1. B ng 2.1. C a s Gamow ng v i vùng nhi t và năng lư ng quan tâm Nhi t nh Gamow r ng Gamow Năng lư ng 26Si (GK) (MeV) (MeV) (MeV) 0.5 0.960 0.469 9.890 - 10.359 1.5 2.000 1.174 10.575 - 11.749 2.5 2.808 1.796 11.074 - 12.870 2.1.2. Cơ ch ph n ng ng h c ngư c v i bia dày m b o vi c kh o sát năng lư ng m t cách liên t c trong vùng nhi t T9 = 0.5 – 2.5 GK, chúng ta c n ti n hành th c nghi m v i k thu t bia dày. Hình 2.1 ch ra tính ch t c a k thu t bia dày khi nghiên c u ph n ng h t nhân. Hình 2.1. Ph n ng v i k thu t bia dày theo cơ ch ng h c ngư c. 2.1.3. H o CRIB Th c nghi m 22Mg + α ã ư c ti n hành t i h ph k CRIB c a i h c t ng h p Tokyo, t t i RIKEN, Nh t B n. Hình 2.2 là sơ c u t o c a CRIB (Center for Nuclear Study - CNS - low energy Radioactive Ion Beam) có th t o ra các chùm h t th c p không b n có năng lư ng E < 4 10 MeV/u t nh ng h t nhân b n. Các h t nhân b n (t He n 40Ca), ư c tách ra t ngu n ion ERC và ư c gia t c b i máy gia t c cyclotron AVF (K = 70) v i năng lư ng 3 - 10 MeV/u và cư ng t 100 enA (electron- nanoAmpere ) n vài eµA (electron-microAmpere). Chùm h t sơ c p b n vào bia sơ c p F0 t o ra chùm h t không b n th c p, chùm h t không b n này s ư c h ph k l c hai l n b i các c p c c i n, c c t và Wien filter. Sau khi ra kh i Wien filter, chùm h t không b n c n thi t cho ph n ng có s ch cao s i vào bu ng bia ph n ng F3 c n kh o sát. 11
Hình 2.2. Sơ h ph k CRIB c a i h c Tokyo Th c nghi m ph n ng 22Mg + α ư c thi t k d a trên các nguyên lý làm vi c c a h ph k nêu trên. Trong ó, chùm h t sơ c p ư c gia t c t cyclotron AVF b n vào bia sơ c p 3He, ư c gi nhi t nitrogen l ng (90K) t i F0, t o ra chùm 22Mg ư c l c b i các c c i n t và Wien filter sau ó s b n vào bia th c p là khí He+CO2(10%) t i F3. H th ng detector ghi nh n s n ph m α và p t ph n ng 22Mg + α ư c t trong bu ng F3. 2.1.4. Detector o h t 2.1.4.1. Detector PPAC PPAC là lo i detector dùng xác nh v trí c a chùm h t. ây là lo i detector khí. Nguyên lý ho t ng d a trên s ion hoá c a ch t khí, sinh ra electron và ion di chuy n v các c p i n c c. Tín hi u t các i n c c cho phép chúng ta xác nh ư c v trí c a chùm h t dùng b n vào bia khí trong bu ng th c nghi m F3. Hình 2.3 ch ra c u trúc c a PPAC s d ng trong th c nghi m này. (a) (b) Hình 2.3. C u trúc Hình 2.4. H detector g m 3 l p (a) và 2 l p (b). detector PPAC. 2.1.4.2. Thi t k h th ng Silicon-detector Trong th c nghi m này, chúng tôi s d ng các detector silicon d ng strip ơn (SSD) ư c thi t k b i công ty Hamamatsu. Trong detector, 12
m t trư c g m 08 strip và m t sau g m 01 pad. Trong phép o ph n ng Mg + α có hai kênh ra c n quan tâm là: 22Mg(α,α)22Mg và 22Mg(α,p)25Al. 22 Do quãng ch y c a proton và alpha trong silicon khác nhau, vì v y c n có s phân bi t h t theo phương pháp ∆E-E, nên chúng tôi thi t k h detector g m 2 ho c 3 l p SSD. Hình 2.4 mô t thi t k c a h th ng detector silicon dùng trong th c nghi m này. 2.1.4.3. Thi t k active-gas-target detector GEM-MSTPC Chúng tôi phát tri n lo i detector m i, dùng GEM foil và khí s d ng cho detector cũng chính là bia c a ph n ng, g i là active-gas-target detector GEM-MSTPC. Lo i detector này g m hai vùng chính là vùng d ch chuy n c a electron và vùng khu ch i tín hi u, như trong hình 2.5. Hình 2.5. C u t o chính c a active-target detector GEM-MSTPC. Hình 2.6. C u trúc vùng khu ch i t l c a detector GEM-MSTPC. Vùng d ch chuy n c a electron có kích thư c 450 mm x 220 mm x 100 mm (dài x r ng x cao), vùng này ch a bia khí He+CO2(10%). Vùng khu ch i t l ư c thi t k thành hai vùng o h t n ng và h t nh , g i là vùng low- gain và vùng high-gain. Vùng low-gain s o chùm h t n ng t i, có kích thư c 200 mm x 110 mm. Vùng high-gain g m m t vùng theo hư ng và hai vùng hai bên chùm h t t i. Trong m i vùng, bên dư i các GEM foil, 13
các i n c c anode, g i là pad readout, ư c thi t k d ng tam giác vuông, c nh 4.2mm, ghi i n tích c a electron t s ion hoá vùng khí, tín hi u các h t s ư c ghi nh n t các anode này. Hình 2.6 mô t c u trúc các vùng khu ch it l o h t n ng và h t nh . 2.2. B trí th c nghi m 2.2.1. B trí o c ph n ng 22Mg + α Th c nghi m ư c ti n hành t i bu ng F3 c a h ph k CRIB. B trí th c nghi m ư c trình bày trong hình 2.7. Hình 2.7. B trí h th ng detector cho th c nghi m 2.2.2. H th ng i n t và ghi nh n s li u H i n t ghi nh n s li u g m hai ph n cơ b n: tín hi u th i gian dùng cho trigger và tín hi u năng lư ng dùng xác nh các thông s v t lý c a ph n ng, như ch ra trong hình 2.8. Hình 2.8. Sơ kh i i n t dùng trong th c nghi m o 22Mg+α. Trigger ư c thi t l p b i tín hi u t hai detector PPAC, tín hi u trên SSD và tín hi u chia nh c a chùm h t t i ư c ghi b i hai PPAC: Trigger = Beam ⊕ SSDs + Beam/n + SSDs OR Beam = PPACa ∧ PPACb 14
Vì th i gian d ch chuy n c a electron t s ion hoá trong vùng khí v anode ch m hơn so v i tín hi u c a alpha và proton trên SSD, do ó chúng ta c n thi t l p c a s trùng phùng cho tín hi u t GEM-SMSTPC và SSD. C a s trùng phùng ư c xác l p như trình bày trong hình 2.9. Hình 2.9. Sơ th i gian c a c a s trùng phùng. 2.3. Ghi o s li u Trong th c nghi m này, h th ng ghi o s li u s d ng VME và CAMAC. S li u t tín hi u detector ư c ghi nh n theo t ng s ki n. Sau ó, thông tin t ng s ki n ư c lưu dư i d ng t p tin máy tính*.ridf, d ng th p l c phân. Sau khi gi i mã file *.ridf , chúng ta có th lưu s li u d ng *.dat ho c *.root. Sau ó, các s li u c n quan tâm ư c tách l c. 2.4. T o chùm h t không b n 22Mg phép o ph n ng 22Mg + α thành công, vi c s n xu t chùm h t 22 Mg (T1/2 = 2.875 s) có năng lư ng l n, có cư ng và s ch cao r t quan tr ng. Phòng thí nghi m CRIB có th kh c ph c nh ng khó khăn trư c ây t o chùm 22Mg cho phép o 22Mg + α v i năng lư ng trên ngư ng alpha. K t qu vi c t o chùm h t này ã ư c tác gi công b trên t p chí Nuclear Instruments and Methods section A. 2.4.1. Xác nh ph n ng t o chùm h t 22Mg Sau khi tính toán ti t di n t các ph n ng khác nhau k t qu cho th y ph n ng 3He(20Ne,22Mg)n có ti t di n t t nh t. Do ó, chùm h t 22Mg ư c t o ra theo ph n ng này. 2.4.2. T o chùm 22Mg Chùm h t 22Mg ư c s n xu t b ng ph n ng 3He(20Ne,22Mg)n. Trong ó, bia khí 3He ư c làm l nh nhi t nitrogen l ng (90 K) v i áp 22 su t 170 torr. Chùm Mg thu ư c có cư ng 1200 pps v i năng lư ng t i bia là 0.85 MeV/u. K t qu t o chùm h t không b n 22Mg cho ph n ng Mg + α ư c ch ra trong lu n án. 22 15
Chương 3. Phân tích s li u th c nghi m và k t qu . Ph n này trình bày chi ti t quá trình phân tích s li u và các k t qu ghi nh n ư c. Các m c năng lư ng c a 26Si ư c ghi nh n và áp d ng tính toán su t ph n ng 22Mg(α,p)25Al. 3.1. Chu n năng lư ng Vi c chu n năng lư ng ư c ti n hành cho h detector SSD và detector GEM-MSTPC. ư ng chu n năng lư ng có d ng hàm tuy n tính b c nh t như sau: E = a × Ch + b . (3.1) Các thông s chu n năng lư ng cho t t c 96 strip c a các SSD ư c trình bày trong ph n ph l c A c a lu n án. K t qu chu n t i hình 3.1 và 3.2. Vi c chu n năng lư ng cho GEM-MSTPC ư c ti n hành theo hai bư c: o m t năng lư ng c a h t ∆E b ng cách s d ng ngu n alpha và chu n m t năng lư ng th c t o ư c v i tính toán lý thuy t theo công th c bán th c nghi m c a Zigler. m t năng lư ng này liên quan n i n tích Q o ư c tr c ti p t GEM-MSTPC xác nh b i hàm tuy n tính sau: ∆E = αQ + β (3.2) Hình 3.1. Chu n năng lư ng cho Hình 3.2. Chu n năng lư ng cho vùng high gain. vùng low gain. 3.2. Nh n bi t các h t trong th c nghi m 3.2.1. Nh n bi t các h t trong chùm h t không b n Chúng ta c n nh n bi t các h t thu c ph n ng 22Mg+α mà chúng ta 20 21 quan tâm. Do trong chùm n ng h t t i bia khí ch a hai ion Ne và Na, 22 nên chúng ta c n phân bi t Mg v i chúng. Vi c phân bi t các h t này d a trên m t năng lư ng dE/dx, ư ng cong Bragg c a chúng o b i detector khí, như trong hình 3.3. 16
3.2.2. Nh n bi t các h t nh sinh ra t ph n ng i v i các h t ra, alpha và proton, chúng ư c phân bi t b ng phương pháp ∆E – E. Trong ó, ∆E ư c o b i high-gain c a GEM- MSTPC, trong khi E o b i SSD c ng v i ∆E. K t qu nh n bi t alpha và proton t ph n ng ư c trình bày trong hình 3.4. Hình 3.3. m t năng lư ng c a 22Mg, Hình 3.4. Phân bi t alpha và 21 Na và 20Ne ư c o b i GEM-MSTPC. proton theo phương pháp ∆E-E. 3.2.3. Hi u ch nh m t năng lư ng Năng lư ng ph n ng chính là năng lư ng còn l i trên pad c a GEM-MSTPC. mà ó x y ra ph n ng. Vi c o tr c ti p m t cách liên t c m t năng lư ng trên m i pad là i u không th trong th c t , do ó chúng ta c n có s hi u ch nh c n thi t cho nh ng k t qu tính toán m t năng lư ng m t cách chính xác. K t qu vi c hi u ch nh m t năng lư ng chi ti t ư c ch trong lu n án. B ng 3.1. Thông s hi u ch nh trong tính toán m t năng lư ng. ∆Eexp = a × ∆ESRIM + b 22 Mg 4 He R2 a 0.949 ± 0.003 0.781 ± 0.010 0.999 b 0.466 ± 0.001 0.066 ± 0.002 0.999 3.3. Phân tích s li u 22Mg(α,α)22Mg αα 3.3.1. Thu t toán S li u ư c x lí theo phương pháp t ng s ki n (event - by - event). M i s ki n ch a m t lư ng l n thông s : v trí chùm h t trên PPAC, 48 tín hi u m t năng lư ng c a chùm h t t i trong vùng low-gain c a detector, 8 tín hi u m t năng lư ng c a h t alpha trong vùng high- gain, 144 tín hi u c a các SSD (xem hình 3.5). nh d ng file ch a s li u ư c ch ra trong b ng 3.2. Nh ng s ki n tho mãn các i u ki n v t lý c a ph n ng mà chúng ta quan tâm s ư c ch n l c. 17
B ng 3.2. nh d ng c a fille ch a các thông s trong m t s ki n. Low-gain High-gain Event PPACa PPACb Strip Pad1 … Pad48 Pad1 … Pad8 1 X1Y1-X2Y2 X1Y1-X2Y2 P1 … P48 P1 … P8 Si 2 X1Y1-X2Y2 X1Y1-X2Y2 P1 … P48 P1 … P8 Si … … … … … … n X1Y1-X2Y2 X1Y1-X2Y2 P1 … P48 P1 … P8 Si Hình 3.5. Mô t các thông s ghi nh n trong m t s ki n. ch n l c các h t 22Mg, chúng ta c n ph i th c hi n t i u ki n cho nó, g i là gate beam. Vi c này ư c ti n hành d a vào s nh n bi t các h t theo phương pháp dE/dx b ng detector khí và thu t toán xác nh ư ng 22 22 bay c a h t Mg. Vi c xác nh hư ng bay c a Mg ư c ti n hành d a trên m t năng lư ng khác nhau gi a các anode trong m t pad. N u hai anode có m t năng lư ng như nhau thì ó chính là nh ng h t 22Mg bay th ng chính gi a bia mà chúng ta quan tâm, như ch ra trên hình 3.6. 22 Hình 3.6. Ch n l c chùm h t Mg d a trên ph bi n c a chùm h t. Bư c ti p theo là chúng ta l c các s ki n ch a các h t alpha và 22Mg và xác nh ư c v trí c a h t alpha trên các strip c a SSD. Bư c th ba là xác nh v trí ph n ng và góc tán x c a alpha. Bư c th tư xác nh năng lư ng c a ph n ng. Khi ó, chúng ta thu ư c các thông s v t lý c a ph n ng: năng lư ng ph n ng Ereact, năng lư ng alpha Eα, và góc tán x θα: Ereact. = Einc. - Ewd - Edl - Edz, (3.3) 18