2.1. Phương Pháp Cộng Biên Độ Các Xung Trùng Phùng

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 s để đáp ứng các đetectơ nhấp nháy (thời gian phát sáng của đetectơ nhấp nháy NaI(Tl) vào khoảng 0,25 s) 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

- 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.

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

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

- 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 - 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

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 s trước các khối khoá tuyến tính và các dây trễ cỡ ns trước khối trùng phùng nhanh.

Hình 1.7: Hệ đo trùng phùng nhanh chậm.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 118 trang tài liệu này.

Nguyên tắc hoạt động của hệ như sau: Các lượng tử gamma của một phân rã nối tầng sẽ tạo nên hai xung điện xuất hiện đồng thời ở các lối ra của đetectơ. Các xung ở lối ra T của hai đetectơ qua các khối khuếch đại nhanh, phân biệt ngưỡng nhanh và đến khối trùng phùng nhanh. Khối trùng phùng nhanh sẽ cho ra 1 xung điện khi hai lối vào có xung xuất hiện trong khoảng thời gian

T được lựa chọn trước. Các xung ở lối ra E sẽ được khuếch đại bằng khuếch đại phổ. Các khối SCA cho ra xung nếu biên độ xung ở lối vào nằm trong dải đo được lựa chọn tương ứng khoảng năng lượng từ 0,5 đến 8 MeV. Như vậy, từ một cặp gamma trùng phùng có năng lượng từ 0,5 đến 8 MeV được ghi nhận sẽ có một xung ra ở khối trùng phùng chậm. Xung ra ở khối này là tín hiệu để các khoá tuyến tính mở cho các ADC nhận xung phân tích và giao diện sẽ ghi nhận các giá trị bằng số (code) của biên độ xung của cặp chuyển dời gamma nối tầng.

Có thể tóm tắt lại như sau: Các khối khuếch đại nhanh, phân biệt ngưỡng nhanh và trùng phùng nhanh xác định tính chất đồng thời của các chuyển dời gamma nối tầng; các khối phân tích đơn kênh, trùng phùng chậm, khoá tuyến tính được sử dụng để lựa chọn dải năng lượng đo của bức xạ gamma; các khối

khuếch đại phổ, ADC làm nhiệm vụ biến đổi tạo code và giao diện thu nhận

đồng bộ dữ liệu.

Phiên bản tiếp theo của phổ kế SACP là hệ đo được xây dựng ở Tiệp Khắc như hình 1.8.

Hình 1.8: Hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng ở Tiệp Khắc [65].

So với hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng tại Nga, hệ đã có nhiều cải tiến đáng kể như không sử dụng các khối SCA, chỉ sử dụng một khối trùng phùng. Điểm đặc biệt trong sơ đồ là sử dụng thêm khối TAC để phân tích độ chênh thời gian giữa các cặp sự kiện trùng phùng và để điều khiển quá trình phân tích của các ADC. Các cặp sự kiện trùng phùng được chọn theo các điều kiện tổng biên độ và độ chênh thời gian trước khi được phân tích và lưu trữ dưới dạng “sự kiện-sự kiện”.

I.2.2. Xu hướng phát triển của các hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng

Det 2

DSP2

A2,t2

Nhờ sự phát triển của công nghệ điện tử và kỹ thuật xử lý tín hiệu số, các hệ phổ kế hiện đại có xu hướng sử dụng nhiều đetectơ để tăng lượng thông tin thực nghiệm từ một phép đo. Sơ đồ nguyên lý chung của các hệ đo như vậy có dạng minh họa như trên hình 1.9.

Det 1

DSP1

A1,t1

G I A O

D I E N

Phổ trùng phùng theo các

T

Det n

DSPn

An,tn

Det …

DSP…

A…,t…

Det: Các đetectơ,

DSP: Các khối xử lý tín hiệu số.

Hình 1.9: Sơ đồ khối của hệ trùng phùng đa năng xử lý tín hiệu số.

Nguyên tắc hoạt động của hệ như sau: Khi có tín hiệu ở lối ra của đetectơ, khối DSP sẽ xử lý tín hiệu này và ở lối ra cho ra hai giá trị dưới dạng số là An và tn tương ứng với năng lượng của bức xạ gamma và thời điểm xuất hiện của nó trong tinh thể đetectơ. Khi kênh nào có tín hiệu xuất hiện thì khối giao diện sẽ đọc, lưu lại giá trị biên độ và thời điểm xuất hiện của sự kiện trong từng kênh. Số liệu lưu trữ trên máy tính sẽ gồm ba cột tương ứng với các giá trị An, tn và số của kênh tương ứng với sự xuất hiện của bức xạ ghi nhận được. Thống kê chuỗi các sự kiện này ta sẽ chọn được các sự kiện trùng phùng (hoặc không trùng phùng) xảy ra trong khoảng cửa sổ thời gian T. Như vậy so với cách thiết kế truyền thống thì cách thiết kế hệ đo như trên hình 1.9 có

hiệu suất ghi cao hơn và lượng thông tin thu được trong một phép đo nhiều hơn gấp nhiều lần (cả trùng phùng và đối trùng hoặc nhiều kênh độc lập). Hệ đo như vậy có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, gọn nhẹ trong thiết kế chế tạo và rất dễ sử dụng do không có nhiều các thao tác chuẩn máy bằng tay nên khá chuẩn xác góp phần làm giảm các sai số do người sử dụng. Tuy nhiên, phần giao diện của hệ đo tương đối phức tạp, đòi hỏi phải sử dụng các vi mạch có tốc độ xử lý cao và thường phải tự thiết kế do không có nhà cung ứng sẵn. Số liệu thu được trong một phép đo có dung lượng lớn hơn nhiều lần và đòi hỏi các phần mềm công cụ xử lý phức tạp hơn.

I.3. Sự phát triển của lý thuyết mật độ mức hạt nhân

I.3.1. Mật độ mức

Mật độ mức hạt nhân là một đặc trưng rất quan trọng của hạt nhân nguyên tử. Mật độ mức hạt nhân cho phép đánh giá tiết diện của các phản ứng hạt nhân, đây là một đại lượng quan trọng trong nghiên cứu vũ trụ và ứng dụng trong khoa học công nghệ hạt nhân. Trong lĩnh vực nghiên cứu vũ trụ, nó cho phép ta đánh giá được tốc độ phản ứng trong các ngôi sao, quá trình tạo thành các nguyên tố trên trái đất, vũ trụ... Trong công nghệ hạt nhân, nó được ứng dụng trong tính toán tiết diện phản ứng phục vụ việc xây dựng các nhà máy điện hạt nhân, phân tích và tính toán an toàn,... Mặc dù mật độ mức có một vai trò và ý nghĩa rất quan trọng song trong thực tế việc xác định mật độ mức vẫn còn là vấn đề hết sức khó khăn để có được kết quả có chất lượng. Hiện nay việc nghiên cứu về mật độ mức chủ yếu có giá trị trong vùng từ 820 MeV từ phân tích các cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ dựa trên quang phản ứng và số liệu từ hệ phổ kế thời gian bay của nơtron [6,48]. Các vùng còn lại từ 38 MeV và trên 20 MeV còn rất thiếu thông tin thực nghiệm. Việc mô tả mật độ mức trong các vùng năng lượng này chủ yếu vẫn dựa vào các mẫu lý