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

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.

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

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:

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

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

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 rã gamma nối tầng của các hạt nhân 153Sm và 172Yb trong các phản ứng của 152Sm(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  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.

Chương I

TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

I. 1. Phương pháp nghiên cứu cấu trúc hạt nhân dựa trên phản ứng (n,) 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,) 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.