Tóm tắt luận án Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V

cộng biên độ các xung trùng phùng sử dụng hai đetectơ HPGe và một đetectơ nhấp nháy, đã được phát triển tại nhóm “nghiên cứu số liệu và phản ứng hạt nhân”. Trên cơ sở các thiết bị này, các Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 2 thực nghiệm về nghiên cứu cấu trúc hạt nhân đối với một số đồng vị như 28Al, 49Ti, 153Sm, 172Yb, 239U đã được tiến hành. Tuy nhiên những kết quả nghiên cứu này, chỉ mới đáp ứng được một phần trong dải các đồng vị cần nghiên cứu, nhằm bổ sung vào thư viện số liệu thực nghiệm về cấu trúc hạt nhân của thế giới, góp phần khẳng định những biện luận mới về mô hình tính toán lý thuyết và đối với mật độ mức hạt nhân. Xuất phát từ những yêu cầu thực tế đã nêu ra ở trên, nội dung nghiên cứu: “Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V” đã được chọn để làm luận văn tốt nghiệp thạc sỹ khóa 17 chuyên ngành Vật lý kỹ thuật. Các nội dung chính đã thực hiện trong luận văn bao gồm: Tổng quan tình hình nghiên cứu về chuyển dời năng lượng đối với hạt nhân 52V, tiến hành thực nghiệm ghi đo phổ gamma tức thời từ phản ứng 51V(n,2γ)52V trên dòng nơtron nhiệt, xử lý số liệu thu nhận được để xác định cường độ chuyển dời trên sơ đồ mức và mật độ mức thực nghiệm của hạt nhân 52V. Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1. Tình hình nghiên cứu phân rã gamma nối tầng và mật độ mức bằng phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng Năm 1958, Hoogenboom A.M đã đưa ra những phác thảo đầu tiên về hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng bằng các đetectơ nhấp nháy. Hệ cộng biên độ xung từ hai đetectơ được thực hiện bằng khối điện tử cộng tương tự để cộng biên độ xung. Các thiết bị phân tích biên độ vào thời điểm này là máy phân tích biên độ 256 kênh [1]. Từ năm 1981, tại Viện Liên hợp nghiên cứu hạt nhân (VLHNCHN) Dubna đã đưa ra vấn đề ghi nhận, lưu trữ và xử lý số liệu trên máy tính các thông tin thu được từ hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng. Phương pháp này khác xa hẳn những nguyên tắc ban đầu do Hoogenboom A.M đưa ra. Nó cho phép rút ngắn thời gian thực hiện một nghiên cứu nhiều lần với độ chính xác cao hơn hẳn, loại trừ được ảnh hưởng chênh lệch chênh lệch về thời điểm xuất hiện các xung từ đetectơ tương ứng với một cặp chuyển dời nối tầng và khai thác các thông tin thuận lợi hơn. Phương pháp do VLHNCHN Dubna đưa ra có cấu hình giống như hệ phổ kế trùng phùng nhanh chậm hiện đại có lưu trữ và cộng bằng số. Trong khoảng thời gian từ năm 1985 đến năm 2000, nhóm nghiên cứu tại Dubna đã sử dụng hệ đo loại này nghiên cứu số liệu phân rã gamma nối tầng và cấu trúc của khoảng 40 hạt nhân. Hiện nay các hệ đo theo phương pháp này đã được phát triển ở nhiều nước trên thế giới như Cộng hoà Séc, Hungary, Mỹ, Nhật,... và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực ngoài số liệu và cấu trúc hạt nhân. Tên gọi của phương pháp đến nay đã được thay đổi là trùng phùng “sự kiện - sự kiện”. Nhóm nghiên cứu tại Cộng hòa Séc hiện nay chủ yếu tập trung vào giải quyết vấn đề hàm lực và sự tồn tại của các liên kết cặp bên trong hạt nhân. Nhóm nghiên cứu tại Dubna hiện nay đang khai thác các số liệu từ thư viện ENSDF, tính toán lý thuyết và kết hợp nghiên cứu với một số cơ sở khác trên thế giới trong đó có Việt Nam. Một số nhà nghiên cứu đã ra Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 4 nước ngoài và triển khai các nghiên cứu dựa trên phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng, dùng trong nghiên cứu vũ trụ và thiên văn học. Hiện tại, đã xuất hiện những công bố ứng dụng phương pháp này trong phân tích kích hoạt ở Nhật, Mỹ, Hungary và một số nước khác. Tại Việt Nam, phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng đã được nghiên cứu từ những năm 90 của thế kỷ trước. Tuy nhiên do nhiều nguyên nhân khác nhau, cuối năm 2005, hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng hoàn chỉnh đầu tiên mới được lắp đặt tại Viện Nghiên cứu hạt nhân. Hiện nay hệ đo đã được xây dựng với hai cấu hình, cấu hình dùng khối trùng phùng và cấu hình dùng TAC. Trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu cấp bộ giai đoạn 2007-2009, nhóm nghiên cứu tại Đà Lạt đã thử nghiệm thành công phương pháp (n,3γ) với hai đetectơ bán dẫn và một đetectơ nhấp nháy. Các khối che chắn, bàn đặt mẫu và các đetectơ cũng được thiết kế chế tạo đơn giản gọn nhẹ và hiệu quả [1,4,5]. Từ hệ đo này, nhóm nghiên cứu đã tiến hành thu thập số liệu phân rã gamma nối tầng của các hạt nhân như: 28Al, 36Cl, 49Ti, 59Ni, 153Sm,182Ta, 239U,... Các kết quả nghiên cứu về phương pháp lắp đặt, thiết kế giao diện, lựa chọn các tham số của hệ đo, các số liệu về mật độ mức và hàm lực đã được công bố trên các hội nghị trong nước, hội nghị quốc tế và tạp chí quốc tế [4,5]. 1. 2. Một số đặc trưng của 52V Năm 1801, Andrés Manuel del Río trong khi tách nguyên tố từ mẫu quặng “chì đen” Mexicô đã phát hiện ra một nguyên tố mới và gọi là Vanadium. Vanadium là một kim loại hiếm, mềm và dễ kéo thành sợi, là thành phần được tìm thấy trong nhiều khoáng chất, có khả năng chống mòn tốt, bền với các loại chất kiềm, axít sulfuric và axít clohiđric. Sau khi được phát hiện đến nay thì vanadium được dùng để sản xuất một số hợp kim, trong tự nhiên vanadium bao gồm các đồng vị phân bố từ 43V đến 61V trong đó đồng vị bền 51V là nhiều nhất chiếm tới 99.75% [10]. 51V có tiết diện bắt nơtron nhiệt là 4.93 barn, có spin và chẵn lẻ là 7 2 − . Đồng Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 5 vị 52V có thể được tạo thành từ các phản ứng 51V(d,p)52V hoặc 51V(n,γ)52V, là hạt nhân không bền với chu kỳ bán hủy 1 2 3.75T = phút, có spin và chẵn lẽ ở trạng thái bền là 3+. Hạt nhân 52V có ba proton và một neutron ở ngoài của lõi lấp đầy, lõi có cấu trúc hai lần magic như hạt nhân 48Ca. Trong phản ứng bắt nơtron nhiệt 51V(n,γ)52V, hạt nhân 52V ở trạng thái kích thích có năng lượng liên kết nơtron B- n=7311.24 keV, phát ra các bức xạ gamma để chuyển về trạng thái cơ bản, các dịch chuyển này có thể là trực tiếp từ năng lượng liên kết Bn hoặc qua các mức trung gian khác nhau như: 3733.13 keV, 2855.28 keV, 2479.59 keV, 2168 keV,..., 22.76 keV, 17.13 keV. 1.3. Tình hình nghiên cứu cường độ chuyển dời gamma và mật độ mức của 52V Vanadium là một hạt nhân có cấu trúc lõi hai lần magic như hạt nhân 48Ca. Do sự đặc biệt đó, nên hạt nhân này được nghiên cứu từ rất sớm, bằng dựa trên các phản ứng 51V(d,p)52V và phản ứng 51V(n,γ)52V [6,7,9]. Các nghiên cứu đáng chú ý nhất có thể tóm tắt như sau: Từ năm 1958, L.V. Croshev và các cộng sự đã sử dụng phương pháp đo electron tán xạ compton để xác định năng lượng và cường độ phát bức xạ gamma tức thời từ phản ứng bắt bức xạ nơtron nhiệt của Vanadium. Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 6 Hình 1.1. Sơ đồ mức của 52V thu được trong nghiên cứu của L.V.Croshev và các cộng sự[7]. Nghiên cứu phổ gamma trong vùng từ 0.25 ÷ 11.5 MeV, các tác giả đã xác định được gần 30 tia gamma phát ra nằm trong khoảng năng lượng từ 0.42 ÷ 7.3 MeV. Hình 1.1 là năng lượng và cường độ của các vạch gamma thu được [7]. Năm 1965, D.H.White và các cộng sự đã sử dụng phổ kế tinh thể Bent, phổ kế trùng phùng với đetectơ NaI(Tl) nghiên cứu phổ gamma tức thời từ phản ứng bắt bức xạ nơtron của Vanadium. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã xác định được các tia gamma với năng lượng thấp hơn bao gồm: 17.0 keV, 124.45 keV, 125.08 keV, 147.84 keV, 294.97 keV, 419.54 keV, 436.49 keV, 645.70 keV, 794.2 keV, 824.4 keV và 845.8 keV [9]. Kết hợp với các công trình nghiên cứu trước đó, D.H.White đã đưa ra sơ đồ mức của hạt nhân 52V có bổ sung các mức năng lượng thấp. Sơ đồ mức của hạt nhân 52V do D.H.White đưa ra được trình bày trên hình 1.2. Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 7 Hình 1.2. Sơ đồ mức của 52V do D.H.White và các cộng sự tổng hợp[9]. Năm 1966, P. Van Assche và các cộng sự đã sử dụng phổ kế tinh thể tại lò phản ứng DR-3 ở Risφ, đã tiến hành nghiên cứu phổ gamma của 52V, kết hợp với tính toán dựa theo mẫu lớp có tính đến hiệu ứng tương tác proton-proton và proton- nơtron. Các tác giả đã đưa ra sơ đồ mức của hạt nhân 52V với các tia gamma tức thời có năng lượng từ 20 keV đến 1 MeV. P.Van Assche đã xác định được hệ số biến hoán trong và xác suất dịch chuyển của hai mức thấp 17.15 keV và 22.76 keV. Các dịch chuyển này là dịch chuyển điện E2 và dịch chuyển từ M1 [6]. Sơ đồ mức của hạt nhân 52V ở vùng năng lượng thấp do P.Van Assche đưa ra được trình bày trên hình 1.3. Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 8 Hình 1.3. Sơ đồ mức của 52V ở vùng năng lượng thấp do P.Van Asshen đưa ra [6]. Các tổng hợp trong thư viện số liệu hạt nhân LANL và ENSDF cho thấy đã tổng hợp được từ các nghiên cứu khác nhau năng lượng và cường độ của 306 tia gamma [10]. Vẫn còn khoảng 20% số tia gamma đo được chưa xếp được vào sơ đồ mức và gần một nửa số mức thu được vẫn chưa xác định được đầy đủ các đặc trưng lượng tử. 1.4. Về phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng Phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng được đánh giá là phương pháp hiệu quả trong nghiên cứu các trạng thái kích thích của hạt nhân vùng năng lượng dưới năng lượng liên kết của nơtron với hạt nhân (Bn). 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, VLHNCHN Đubna, đã xây dựng được hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 9 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 trong hội nghị (17÷20/6/2007, Dubna, Cộng hòa Liên Bang Nga) 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 [4]. 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 không thành công trong việc thiết lập hệ đo trong nước. Các nghiên cứu tại Viện NLNTVN, được triển khai tại LPƯHĐL từ năm 2004 và đã thu được nhiều kết quả. Hiện nay, các nghiên cứu hoàn thiện hệ đo vẫn đang được tiếp tục; chất lượng chùm bức xạ nơtron 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 cộng biên độ các xung trùng phùng (SACP-Summation of Amplitude of Coincident Pulses) 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, của Viện NLNTVN 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, chỉ có LPƯHNĐL là cơ sở duy nhất ở Việt Nam, triển khai thành công các thực nghiệm nghiên cứu phân rã gamma nối tầng trên chùm nơtron. Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 10 Về cơ bản, phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng vẫn là phương pháp trùng phùng γ-γ. Đây là một trong những phương pháp đo kinh điển của vật lý hạt nhân thực nghiệm. Hệ chỉ thu nhận thông tin từ hai đetectơ khi thời điểm xuất hiện của hai xung lệch nhau một khoảng nhỏ hơn khoảng thời gian định trước của hệ đo - được gọi là cửa sổ thời gian của hệ trùng phùng. Nhờ sự phát triển của công nghệ máy tính, số liệu đo được lưu trữ dưới dạng các mã tương ứng với năng lượng của các cặp gamma nối tầng. Các đetectơ bán dẫn 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 ghi 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 làm dịch chuyển đỉnh tổng biên độ về miền năng lượng thấp hơn và tạo nên phân bố liên tục tương ứng. Vì vậy ta có thể dễ dàng tách ra từ tập hợp các sự kiện trùng phùng γ-γ, chỉ những trường hợp mà tổng năng lượng của dịch chuyển nối tầng bị hấp thụ hoàn toàn trong hai đetectơ. Mặc dù 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 106 phân rã), nhưng nhờ 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 nghiên cứu phản ứng (n,2γ) thu được nhiều thông tin hơn phương pháp nghiên cứu phản ứng (n,γ) thông thường. Trong phổ tổng còn xuất hiện những đỉnh liên quan đến quá trình thoát đơn và thoát đôi, do lượng tử gamma tương tác với đetectơ theo hiệu ứng tạo cặp, các đỉnh này được loại đi trong quá trình xử lý theo phương pháp. Ngoài việc nghiên cứu các đặc trưng trung bình, phương pháp SACP còn cho phép tách ra từ tập hợp các trùng phùng γ-γ một số lớn các dịch chuyển nối tầng hai gamma mạnh nhất, cho phép xác định được cường độ và năng lượng của các dịch Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 11 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 trường hợp hấp thụ không hoàn toàn các tia gamma do tán xạ compton ở hai đetectơ. 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. Các sai số khi đo dịch chuyển gamma nối tầng thường do một số nguyên nhân sau: - Biến hoán trong của các lượng tử gamma; - Tự hấp thụ tia gamma trong mẫu đo; - Sai số do xác định hiệu suất ghi của đetectơ; - Ghi nhận dịch chuyển ba gamma nối tầng như là hai gamma. Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 12 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CHUYỂN DỜI GAMMA NỐI TẦNG CỦA 52V 2.1.Thực nghiệm Thí nghiệm đo phân rã gamma nối tầng của hạt nhân 52V được tiến hành trên hệ phổ kế SACP tại kênh ngang số 3 của Lò phản ứng hạt nhân. 2.1.1. Kênh nơtron số 3 và hệ phổ kế SACP * Kênh nơtron số ba và hệ thống dẫn dòng: Kênh ngang thực nghiệm nơtron số 3 là một kênh tiếp tuyến, do đó dòng nơtron từ vùng hoạt đi ra chủ yếu là nơtron nhiệt. Cấu trúc kênh bao gồm hai phần: phần phía trong là ống nhôm có đường kính 15 cm dài 1.5 m và phần phía ngoài là ống thép có đường kính 20.3 cm dài 1.1 m cho phép dẫn dòng nơtron từ trong vùng hoạt ra ngoài để thực hiện các thí nghiệm. Tuy nhiên trong thực tế chỉ cần dòng nơtron có đường kính từ 1 cm ÷ 2 cm nhằm hạn chế các gamma tức thời có năng lượng cao từ trong lò đi ra làm tăng nền phông của phổ gamma thu được cũng như giảm khoảng cách của đetectơ đối với mẫu để tăng hiệu suất ghi do đó hệ thống dẫn dòng và che chắn giảm phông được làm từ các vật liệu có khả năng làm chậm nơtron, có tiết diệt bắt nơtron cao, có tiết diện hấp thụ gamma lớn như pharaphin, Boron, Cadmi, Lithium, Chì được đưa vào bên trong lòng kênh và đóng mở kênh được thực hiện bằng nước. Hệ thống dẫn dòng và che chắn giảm phông của kênh ngang số 3 được mô tả trên hình 2.1. 315 cm 152mm Nước ra Nước vào/ra 80 mm 150 cm Chì Paraphin-Bor Không khí Ý H2O Bê tông Si Bơm điện 1 1 2 2 Van 1 Van 2 Van 3 Hình 2.1. Cấu trúc của hệ thống che chắn và dẫn dòng kênh ngang số 3 Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 13 Nhằm tăng chất lượng của dòng nơtron nhiệt, ở bên trong có bố trí thêm phin lọc Si có đường kính 5 cm dài 30 cm. Dòng nơtron nhiệt tại ví trí đặt mẫu có thông lượng là 7.2×105n.cm-2.s-1 và tỉ số Cadmi là 860 (tỉ số Cadmi được xác định bằng việc kích hoạt lá dò Vàng và hộp Cadmi dày 1 mm). * Hệ phổ kế SACP: Hệ phổ kế SACP bao gồm hai đetectơ và các khối điện tử liên quan được bố trí gần vị trí bia mẫu. Cấu hình hệ phổ kế SACP được mô tả trên hình 2.2. Hình 2.2. Cấu hình hệ phổ kế SACP tại Viện nghiên cứu hạt nhân Trong đó: 1. Khuếch đại phổ 572A Ortec; 2. ADC-7072 Fast CompTec Canberra; 3. ADC-8713 Canberra; 4. Khếch đại nhanh 474 Ortec; 5. Gạt ngưỡng hằng 584 Ortec; 6. Khối trễ; 7. TAC 566 Ortec; 8. Cao thế 660 Ortec. Khi hai đetectơ thu nhận hai bức gamma nối tầng phát ra từ bia mẫu thì đetectơ sẽ cho ra đồng thời hai tín hiệu, một tín hiệu năng lượng được đưa đến khối khuếch đại phổ 572 và đưa đến khối ADC 7072, một tín hiệu thời gian (Timing) được đưa đến khối khuếch đại nhanh 474 để tạo dạng xung phù hợp, sau đó tín hiệu này được đưa đến khối gạt ngưỡng hằng 584, khối gạt ngưỡng hằng 584 có tác dụng loại trừ nhiễu và các xung tăng chậm. Xung ra từ hai khối gạt ngưỡng hằng 584 được đưa đến hai lối vào khởi phát (Start) và kết thúc (Stop) của khối biến đổi thời Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 14 gian thành biên độ TAC 566. Khi có tín hiệu khởi phát và tín hiệu kết thúc đi đến TAC, thì TAC sẽ biến đổi khoảng thời gian chênh lệch giữa hai sự kiện thành biên độ, và gửi tín hiệu lên ADC 8713, đồng thời với việc đó thì TAC cho ra một tín hiệu Valid Convert gửi tới giao diện đo PCI 7811R. Khi giao diện PCI 7811R nhận được tín hiệu Valid Convert từ TAC gửi lên thì sẽ tạo ra tín hiệu gate, tín hiệu gate này cho phép hai ADC 7072 biến đổi tín hiệu từ hai khối khuếch đại phổ gửi lên. Như vậy, trong quá trình thu nhận thì các đetectơ vẫn ghi nhận các bức xạ đi đến và biến đổi thành tín hiệu để chuyển tới khuếch đại phổ và ADC 7072, nhưng chỉ khi nào có tín hiệu gate từ giao diện PCI 7811R cho phép thì hai ADC 7072 mới tiến hành biến đổi tín hiệu thành biên độ, tức là chỉ những cặp gamma nào đi về hai đetectơ nằm trong dải đo đặt trước của TAC thì mới được biến đổi và ghi nhận, điều này giúp chúng ta loại bỏ được phần lớn các trùng phùng ngẫu nhiên. Số liệu ghi nhận được ghi thành ba cột trong đó hai cột tương ứng với năng lượng của hai bức xạ mà hai đetectơ ghi nhận được và cột còn lại tương ứng với khoảng chênh lệch thời gian của hai bức xạ gamma mà hai đetectơ ghi nhận được. Vì thời gian tiến hành thực nghiệm đối với phương pháp này thường có thời gian dài nên để tránh việc mất dữ liệu cũng như sự trôi năng lượng do đó số liệu được lưu thành từng file, mỗi file tương ứng 4096 cặp sự kiện trùng phùng, khi kết thúc một file thì giao diện đo PCI 7811R sẽ gửi file đó lên máy tính để lưu trữ và tiến hành ghi nhận file tiếp theo. 2.1.2. Đo số liệu phân rã gamma nối tầng của 52V Bia mẫu được làm từ bột Vanadium kim loại có độ tinh khiết cao (99.99%), được nén ở dạng hình đĩa có đường kính 1.2 cm, dày 2 mm và có khối lượng 5 g. Độ phổ biến đồng vị của 51V là 99.75%, tiết diện bắt nơtron nhiệt của 51V là σ = 4.9 barn. Bia mẫu được đặt nghiêng so với dòng nơtron từ trong lò ra một góc 450. Hai đetectơ bán dẫn được bố trí đối xứng và vuông góc với dòng nơtron. Thực nghiệm được tiến hành trong khoảng 140 giờ khi Lò phản ứng hoạt động ở công suất 500 kW. Cấu hình bố trí thực nghiệm được mô tả trên hình 2.3. Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 15 Đetectơ Đetectơ 2 Mẫu Chùm nơtron Hình 2.3. Bố trí bia mẫu và các đetectơ. Các tham số của hệ đo đã được khảo sát và lựa chọn như trên bảng 2.1 Bảng 2.1. Các tham số đối với các khối điện tử chức năng. Đetectơ A Đetectơ B Khuếch đại phổ 3.0-100-3-Neg-BLR 11.25-20-3-Pos, BLR ADC 7072- 8k 7072-8k Khuếch đại nhanh X20-max-out-200; non- inv X6-max-out-200; inv Gạt ngưỡng hằng 0.8-SRT, CF delay: 32 ns 0.8-SRT, CF delay: 32 ns TAC 50-10-INT Cao thế 1.75 kV 2.5 kV Số liệu được lưu thành các file và xử lý sau bằng các chương trình xử lý theo thuật toán của phương pháp [3]. 2.1.3. Xử lý số liệu thực nghiệm Các file code thu nhận được sẽ được nối lại với nhau và tiến hành xử lý trên phần mềm Gacasd, vì quá trình thực nghiệm được tiến hành trong thời gian dài, nên có thể dẫn tới sự trôi năng lượng, do đó code thu nhận được nối lại thành nhiều file, các file này sau khi được chuẩn lại năng lượng thì được nối lại thành một file cuối cùng. Quá trình xử lý số liệu từ tạo phổ tổng, xác định đỉnh tổng, tạo phổ nối tầng theo các đỉnh tổng đều được tiến hành trên file đã chuẩn cuối cùng này. Thuật toán xử lý được mô tả trên hình 2.4, hình 2.5 và hình 2.6. Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 16 Đọc tên đồng vị: ĐV Đọc chỉ số file đầu: Đ Đọc chỉ số file cuối: C Đọc kiểu file: KF Mở file mới: tên file mới For i = Đ to C Mở file i j=0 KF=4 KF=3 KF=2 Hình 2.4. Sơ đồ thuật toán nối các file code Đọc: A[j], B[j] Viết vào file mới: A[j], B[j] j=j+1 If not end file i and i=C Đọc: A[j], B[j],C[j] Đọc: A[j], B[j],C[j],D[j] Viết vào file mới: Viết vào file mới: A[j], B[j],C[j] A[j], B[j], C[j],D[j] j=j+1 j=j+1 <EOF Lưu file mới vào đĩa và đóng file mới Kết thúc Đóng file i i=i+1 j=0 =EOF j=j+1 T Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 17 1A 1B nA nB Thư viện Các cặp sự kiện trùng phùng đã chuẩn Phổ kênh A Phổ kênh B Các hệ số chuẩn năng lượng của từng kênh 1A và 1B thỏa E1 + E2 = Ei ± ∆Eci Ecn . . .Ec1 Phổ tổng C1 = 1A + 1B Phổ nối tầng bậc hai thứ 1 Hiệu chỉnh hiệu suất Phổ nối tầng bậc hai thứ 1 đã hiệu chỉnh hiệu suất Phổ nối tầng bậc hai thứ n Hiệu chỉnh hiệu suất Phổ nối tầng bậc hai thứ n đã hiệu chỉnh hiệu suất Ec1 Ecn Phổ nối tầng ....... Hiệu chỉnh hiệu suất Chuẩn các cặp sự kiện trùng phùng Phổ nối tầng bậc hai ... Hình 2.5. Sơ đồ thuật toán tìm các phổ gamma nối tầng bậc hai. Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 18 Hình 2.6. Sơ đồ thuật toán tìm cường độ chuyển dời và sơ đồ mức. Phổ nối tầng bậc hai thứ 1 Diện tích và vị trí các đỉnh Cường độ tương đối Năng lượng chuyển dời Thứ tự các chuyển dời Bn Em E2 E1 0 Thư viện Phổ nối tầng bậc hai thứ n Diện tích và vị trí các đỉnh Cường độ tương đối Năng lượng chuyển dời Mức trung gian Sơ đồ mức Phổ chuyển dời sơ cấp Hệ số rẽ nhánh Cường độ dịch chuyển Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 19 *Nối các file và chuẩn năng lượng: Phổ năng lượng của 52V sau khi nối các code được trình bày trên hình 2.7a Hình 2.7a. Phổ năng lượng của 52V đối với hai đetectơ sau khi nối code, vùng năng lượng >5 MeV. Sử dụng các tia gamma tức thời có cường độ lớn của 52V phát ra khi bắt nơtron làm các đỉnh chuẩn. Các đỉnh chuẩn này sẽ được sử dụng để để chuẩn năng lượng đối với số liệu của từng kênh đo, xây dựng các hàm chuẩn năng lượng cho từng kênh đo. Sau khi đã xác định được hàm chuẩn năng lượng cho từng kênh đo, các giá trị code trong file sau khi nối được chuẩn từ giá trị kênh về giá trị năng lượng. Quá trình tạo phổ tổng cũng như tạo các phổ nối tầng tương ứng với các đỉnh tổng thu được sẽ được tiến hành trên bộ code đã được chuẩn năng lượng. Các Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 20 chuyển dời gamma sử dụng để hiệu chuẩn năng lượng và hàm chuẩn năng lượng đối với từng đetectơ được trình bày trên bảng 2.2. Bảng 2.2. Tham số và hàm chuẩn đối với từng đetectơ Đetectơ A Đetectơ B Kênh Năng lượng (keV) Năng lượng khớp (keV) Độ lệch (keV) Kênh Năng lượng (keV) Năng lượng khớp (keV) Độ lệch (keV) 252 295.02 295.64 0.62 246 295.02 295.86 0.84 381 436.02 435.93 0.67 377 436.61 437.69 1.08 450 511.00 510.98 0.02 445 511.00 511.32 0.32 737 823.19 823.17 0.02 733 823.19 823.16 0.03 1413 1558.79 1558.71 0.08 1412 1558.78 1558.43 0.35 1614 1777.91 1777.48 0.43 1614 1777.91 1777.18 0.73 1953 2145.84 2146.50 0.97 1776 1952.92 1952.63 0.29 3293 3605.92 3605.98 0.06 1953 2145.84 2144.32 1.52 3762 4116.92 4117.01 0.17 2829 3094.92 3093.13 1.79 3828 4188.07 4189.03 0.96 3301 3605.92 3604.42 1.50 4107 4493.76 4493.16 0.60 3774 4116.92 4116.83 0.08 4295 4699.07 4698.13 0.94 3839 4188.07 4187.26 0.81 4324 4730.03 4729.75 0.28 4122 4493.76 4493.87 0.11 4576 5004.76 5004.54 0.22 4312 4699.07 4699.72 0.65 4794 5241.03 5242.28 1.25 4340 4730.03 4730.06 0.03 4977 5442.84 5441.88 0.95 4594 5004.76 5005.27 0.51 5026 5495.2 5495.34 0.14 4785 5210.07 5212.23 2.16 5261 5752.03 5751.70 0.33 4813 5241.03 5242.57 1.54 5354 5852.12 5853.16 1.04 5047 5495.26 5496.13 0.87 5446 5953.84 5953.54 0.30 5067 5515.76 5517.80 2.04 5495 6006.26 6007.01 0.75 5284 5752.03 5752.95 0.93 5820 6363.12 6362.67 1.45 5376 5852.12 5852.66 0.54 5914 6464.84 6464.26 0.58 5470 5953.84 5954.52 0.68 5963 6517.26 6517.74 0.49 5518 6006.26 6006.54 0.28 6086 6651.84 6651.99 0.15 5846 6363.12 6362.01 1.11 6290 6874.12 6874.69 0.57 5940 6464.84 6463.88 0.96 6554 7162.84 7162.92 0.08 5988 6517.26 6515.90 1.35 6113 6651.84 6651.38 0.46 6317 6874.12 6872.48 1.64 6582 7162.84 7161.71 1.13 Hàm khớp: E = 3.46×10-7×ch2 + 1.09×ch + 21.61 Hàm khớp: E = 9.50×10-8×ch2 + 1.08×ch + 29.52 Ghi chú: ch là vị trí kênh tương ứng của phổ. Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 21 Sau khi xác định được các hàm chuẩn năng lượng ứng với số liệu của từng đetectơ, tiến hành hiệu chỉnh lại code số liệu của từng đetectơ ứng với từng hàm chuẩn năng lượng tính được. Phổ năng lượng gamma sau khi chuẩn năng lượng và hiệu chỉnh code số liệu được trình bày trên hình 2.7b. Hình 2.7b. Phổ năng lượng của 52V đối với hai đetectơ sau khi hiệu chỉnh năng lượng, vùng năng lượng >5 MeV. Phổ tổng của 52V ở vùng năng lượng từ 6 MeV đến năng lượng liên kết nơtron Bn được trình bày trên hình 2.8. Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 22 Hình 2.8. Phổ tổng của 52V vùng năng lượng từ 6 MeV đến năng lượng Bn Phổ nối tầng tương ứng với một số đỉnh tổng được trình bày trên hình 2.9 và hình 2.10. Hình 2.9. Phổ nối tầng ứng với đỉnh tổng 7311.24 keV Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 23 Hình 2.10. Phổ nối tầng ứng với đỉnh tổng 7292 keV. 2.2. Xác định hiệu suất ghi của hệ phổ kế Hàm hiệu suất của các đetectơ chỉ được cung cấp khi có yêu cầu đối với nhà sản xuất. Ngay cả trong trường hợp được cung cấp, các hàm này vẫn cần phải được kiểm tra đánh giá lại bằng thực nghiệm. Hiệu suất ghi của một hệ là một hàm phụ thuộc năng lượng, hình học đo và hình học mẫu. Hiệu suất ghi của hệ trùng phùng là một hàm phụ thuộc vào hiệu suất ghi của từng đetectơ và phụ thuộc vào phân bố năng lượng giữa các chuyển dời nối tầng vì vậy xác định chính xác hàm hiệu suất ghi của hệ trùng phùng là công việc rất quan trọng để tính được cường độ chuyển dời của các gamma nối tầng cũng như các tính toán khác dựa trên số liệu thực nghiệm thu được. Thực nghiệm được xác định trên phản ứng 35Cl(nth,γ)36Cl và được nội suy cho dải năng lượng từ 0.5 ÷ 8 MeV. Diện tích các đỉnh trong phổ gamma tức thời của 36Cl được tính bằng chương trình Colegram [9]. Để xác định hiệu suất ghi tương đối tại các đỉnh năng lượng toàn phần, các diện tích đỉnh sau khi xử ý được chuẩn theo diện tích và cường độ phát của đỉnh 517.08 keV cho từng đetectơ. Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 24 Các bức xạ gamma tức thời của 36Cl được sử dụng để xác định hiệu suất ghi cho hệ phổ kế trình bày trong bảng 2.3. Bảng 2.3: Hiệu suất tương đối của các đầu dò theo năng lượng. Đầu dò EGPC20 (%) Đầu dò GC1518 (%) E(keV) Chuẩn theo 517 keV của Cl36 Chuẩn theo NaI Chuẩn theo 517 keV của Cl36 Chuẩn theo NaI 517.08 100.00 (218) 35.83(217) 100.00(178) 36.24(177) 788.43 76.01(190) 27.23(189) 60.96(139) 22.09(139) 1162.78 55.26(162) 19.80(162) 40.57(113) 14.71(113) 1601.08 45.47(147) 16.29(147) 27.94(94) 10.13(94) 1959.36 33.74(127) 12.09(127) 25.82(90) 9.36(90) 2863.82 22.30(103) 7.99(103) 14.40(67) 5.22(67) 3061.86 18.86(95) 6.76(95) 11.93(61) 4.32(61) 4979.71 10.89(72) 3.90(72) 08.88(53) 3.22(53) 5715.19 06.02(53) 2.16(53) 04.43(37) 1.60(37) 6627.75 04.75(46) 1.70(46) 03.66(34) 1.33(34) 7413.95 02.58(35) 0.92(35) 02.05(26) 0.74(26) 7790.32 01.76(29) 0.63(29) 01.27(20) 0.46(20) Hàm hiệu suất ghi tương đối của từng đetectơ được khớp từ số liệu trong bảng 1 theo phương pháp bình phương tối thiểu. Quá trình khớp được thực hiện trên phần mềm Origin 7.5. Quá trình khớp với từng hàm sẽ được lặp theo phương pháp Levenberg Marquardt cho đến khi hội tụ (khi bình phương đạt cực tiểu). Các mô hình hàm khớp (2.1), (2.2) và (2.3) đã được sử dụng để tính hiệu suất ghi của hệ trùng phùng. 2 1 2 3log ( ) log( ) [log( )]E a a E a Eγε = + + (2.1) 0 log ( ) log 1022 in i i EE aγε = ⎧ ⎫⎛ ⎞= ⎨ ⎬⎜ ⎟⎝ ⎠⎩ ⎭∑ (2.2) 7 0 5 0 3 0 )( 6 )( 4 )( 21)( a EE a EE a EE eaeaeaaE −−−−−− +++=ε (2.3) Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 25 Kết quả khớp xác định các hệ số và hàm hiệu suất được trình bày trong bảng 2.4 và hình 2.11. Bảng 2.4. Tham số của các hàm hiệu suất thu được từ quá trình khớp số liệu. Đầu dò EGPC20 Đầu dò GC1518 Tham số Hàm 1 Hàm 2 Hàm 3 Hàm 1 Hàm 2 Hàm 3 a1 -1.8059 -0.2948 -0.00019 -2.4944 -0.1636 -0.01028 a2 1.8738 -0.6588 0.47792 2.2403 -0.8089 0.85991 a3 -0.4510 0.2263 460.90 -0.48737 -0.5096 305.88 a4 -2.5351 1.0217 1.0978 0.85913 a5 1.8271 2263.19 -1.0855 2674.94 a6 -0.35837 -0.41317 a7 2263.19 2674.94 E0 397.79 397.96 χ2, r2 0.00118, 0.995 0.0055, 0.985 0.00029, 0.998 0.00092, 0.996 0.00251, 0.993 0.00014, 0.998 Kết quả thu được cho thấy hàm dạng (2.3) và các tham số tương ứng trong bảng (2.3) là phù hợp cho mô tả hiệu suất của hệ phổ kế trùng phùng. Do tính đối xứng, kết quả thu được cho thấy hiệu suất ghi trùng phùng của hệ rất ít phụ thuộc năng lượng. Hình 2.11. Hiệu suất ghi tương đối của hai đetectơ, đường đứt nét: hiệu suất của đetectơ EGPC20, đường liền nét: hiệu suất của đetectơ GC1518. Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 26 2.3. Xác định cường độ chuyển dời Theo lý thuyết về mật độ mức hạt nhân và độ rộng mức kích thích thì cường độ phân rã gamma nối tầng Iγγ liên quan giữa mức ban đầu i và mức cuối f thông trạng thái trung gian g được tính theo công thức ( ) ( ) ( , ) ig gf cc i f E E E i E E γ γγγ γ Γ Γ −= Γ Γ (2.4) Với Γig, Γfg là độ rộng phóng xạ riêng phần của các chuyển dời γ của trạng thái đầu và trạng thái cuối. Eγ, (Ec-Eγ) là năng lượng chuyển dời sơ cấp và năng lượng chuyển dời thứ cấp. Nếu xem mức l là trung gian được tạo nên bởi các chuyển dời sơ cấp có năng lượng nằm trong khoảng từ Eγ đến Eγ + ∆E thì cường độ chuyển dời tổng cộng sẽ là: 1 ( ) ( ) ( , ) l ig gf c c g i g E E E I i E E γ γγγ γγ γ = Γ Γ −∆ = = Γ Γ∑ ∑ (2.5) Vì trong thực nghiệm không xác định được trực tiếp thứ tự các chuyển dời của các lượng tử gamma nên chuyển dời với năng lượng (Ec-Eγ) có thể là chuyển dời sơ cấp, còn chuyển dời có năng lượng Eγ là chuyển dời thứ cấp. Khi đó, cường độ phân rã gamma nối tầng tổng cộng là một trong hai chuyển dời có năng lượng Ec: 1 ( ) ( ) ( ) (1( , ) 2 l ig gf c ih c hf c g i g i h E E E E E E I E E γ γ γγγ γ = )γ⎡ ⎤Γ Γ − Γ − Γ∆ = +⎢ ⎥Γ Γ Γ Γ⎢ ⎥⎣ ⎦∑ ∑ (2.6) Khi tính đến hệ thức: ( )g g E I E dEρ ∆ = ∫ và thì ( )h E k E dρ ∆ = ∫ hE ( ) ( ) ( ) ( ) ( )∑ ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ −+−= h hi hCih g gi Cgfig C EEEEEE 2 EE,EI ρ ΓΓ ΓΓ ρ ΓΓ ΓΓ∆∆ γγγγγγγ (2.7) Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 27 Với h là chỉ số của các mức trung gian tạo nên bởi chuyển dời sơ cấp với năng lượng (Ec-Eγ) và là mật độ mức trung bình trong khoảng năng lượng ∆E. Trong thực nghiệm, giá trị ∆Iγγ(Eγ,Ec) tương ứng với diện tích phổ nối tầng trong khoảng năng lượng ∆E. Tổng các giá trị ∆Iγγ(Eγ,Ec) theo các mức trung gian khả dĩ g và h được kí hiệu là Iγγ. Vậy Iγγ là tổng cường độ của tất cả các phân rã gamma nối tầng giữa trạng thái hợp phần i và trạng thái cuối f. Như vậy theo (2.4) thì cường độ tổng cộng của các phân rã gamma nối tầng được xác định bằng tính độ rộng phóng xạ riêng phần với mật độ mức dưới năng lượng liên kết của nơtron trong hạt nhân. Như vậy, để tính giá trị cường độ của phân rã nối tầng giữa trạng thái hợp phần và một mức cuối, cần phải tính giá trị mật độ mức hạt nhân ở năng lượng đã biết với các số lượng tử cụ thể và độ rộng phóng xạ riêng phần của chuyển dời giữa hai mức đó. Trong thực nghiệm, việc sắp xếp sơ đồ phân rã được tiến hành sau khi xác định được các cặp chuyển dời nối tầng từ các phổ nối tầng. Sơ đồ phân rã được xây dựng trên cơ sở xác định thứ tự dịch chuyển của cặp gamma nối tầng trong các phổ nối tầng bậc hai. γ6 A Z N X Bn, Ji=Jbia±1/2 Ef1, Jf1 Trùng phùng γ1 γ2 γ5 γ4 γ3 Jf Trùng phùng Hình 2.12. Minh họa nguyên tắc xây dựng sơ đồ phân rã Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 28 Các dịch chuyển gamma có năng lượng xuất hiện trong hai phổ nối tầng trở lên được xem là các chuyển dời gamma sơ cấp, các dịch chuyển nối tầng tương ứng sẽ là do dịch chuyển gamma thứ cấp tạo ra. Sơ đồ phân minh họa nguyên tắc xây dựng sơ dồ phân rã được trình bày trên hình 2.12. Cường độ dịch chuyển tương đối gamma nối tầng thực nghiệm liên quan đến diện tích của các đỉnh gamma nối tầng trong phổ nối tầng và được tính theo công thức: γγ − iI ∑ − − =− n i i i S SI 1 γγ γγγγ (2.8) Trong đó: diện tích đỉnh gamma thứ i thu được trong các phổ nối tầng sau khi đã hiệu chỉnh hiệu suất ghi. Giá trị cường độ tương đối thu được có thể sẽ sai khác giá trị trong các thư viện do chưa hiệu chỉnh với cường độ của các dịch chuyển trực tiếp hoặc có năng lượng ngoài khả năng ghi nhận của hệ phổ kế. Để so sánh với các giá trị trong các thư viện cần phải hiệu chỉnh về giá trị tuyệt đối hoặc số phân rã khi bắt 100 nơtron. γγ − iS γγ − iI γγ − iI 2.4. Mật độ mức kích thích Hiện nay, lí thuyết tính độ rộng mức của hạt nhân có nhiều hướng khác nhau. Các lí thuyết này sử dụng các đặc trưng thống kê của mẫu hạt nhân cùng với các phương pháp tính toán theo vật lí thống kê và cơ học lượng tử. Chẳng hạn như, việc xác định độ rộng mức thông qua đại lượng Entropi, phương pháp đường yên ngựa, phép biến đổi Laplace…Nhiều giải pháp đã được sử dụng tương đối hiệu quả đó là giải pháp tổ hợp, giải pháp nhiệt động học và giải pháp bán vi mô. Sau đây trình bày về một số phương pháp xác định mật độ mức: * Mẫu khí Fermi Theo Djinber và Cameron thì mật độ mức được tính như sau: dựa trên những thông tin thực nghiệm trực tiếp thu được sự mô tả mật độ mức với nhóm lớn hạt có Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 29 số khối trong khoảng 22 < A < 245 trong vùng kích thích đủ rộng. Ở vùng năng lượng thấp, các tác giả dùng giả thiết nhiệt độ không đổi với các công thức sau để tính số mức toàn phần N(E) ở năng lượng E đã cho và mật độ mức ρ(E): 0( )( ) exp E EN E T −⎡ ⎤= ⎢ ⎥⎣ ⎦ (2.9) 0( )exp ( ) E E dN TE dE T ρ −⎡ ⎤⎢ ⎥⎣ ⎦= = (2.10) Ở đây E là năng lượng kích thích, E0, T là các thông số của giả thiết. Trong vùng năng lượng cao thì công thức mẫu khí Fermi được sử dụng như sau: 2( ) ~ aEE eρ với a là thông số mật độ mức. Phân tích số liệu thực nghiêm theo quan hệ (2.9), (2.10) sẽ xác định được các a, E và T, hệ thống chúng để thu được cách mô tả tốt với mật độ mức các hạt nhân mà mới biết một phần nhỏ thông tin thực nghiệm. Mật độ mức trong mẫu này có năng lượng kích thích U và moment góc J có dạng: 2 51 23 4 4 1 2 1 2( , ) exp 2 224 2 J JU J aU a U ρ σσ ⎛ ⎞⎛ ⎞+⎜ ⎟⎜ ⎟+ ⎝ ⎠⎜= ⎜⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎟− ⎟ (2.11) Mật độ mức toàn phần ρ(U) biểu thị như sau: 51 4 4 exp(2 )( ) 2 2 aUU a U ρ σ = (2.12) σ2: thông số phụ thuộc Spin và 2 2 2 Um gt m a σ = = , 2 6 13.5 Aa gπ= = [MeV-1]. 2 :m giá trị trung bình của hình chiếu moment một hạt ở năng lượng Fermi. 2 2 tbIm g = h với 52 3 0 2 5tb I r Aµ= moment quán tính của hạt rắn hình cầu có khối lượng m = µA và bán kính 130R r A= . Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 30 g: thông số phụ thuộc năng lượng hạt nhân ε. 3 2 2 2 4 2( ) 3 Rg ε µε π ⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠h *. Mẫu khí Fermi với dịch chuyển ngược Digl. W đã đưa ra sự phân đoạn đơn giản và có hiệu quả để mô tả mật độ mức trong khoảng năng lượng 0÷10 MeV. Các hệ thức của mẫu Fermi với sự dịch chuyển ngược được dùng làm cơ sở của phương pháp. Mật độ mức của hạt nhân có năng lượng kích thích U và moment góc J được viết như sau: ( ) 51 23 4 4 12 1( , ) exp 2 ( ) 224 2 J JJU J a U a U ρ σσ ⎛ ⎞++= −∆⎜ ⎟⎝ ⎠ − (2.13) Mật độ mức toàn phần: ( ) ( )51 44 exp 2 ( ) ( ) 2 2 a U U a U t ρ σ −∆= −∆ + t: nhiệt độ, (2.14) 2U at−∆ = − t Thông số Spin: 2 22 6 2 Itam tσ π= = h , I là moment quán tính (2.15) Các biểu thức (2.13), (2.14) và (2.15) dùng để mô tả mật độ mức. Chúng thu được khi sử dụng trực tiếp phương pháp đường yên ngựa theo các biến khác nhau của tích phân trong phương pháp. Vì không có số liệu đáng tin cậy về moment quán tính nên việc xác định các thông số a và ∆ được thực hiện ở hai giá trị Itb và I = Itb/2, với 225tbI MR= . Nếu giả thiết rằng hạt nhân bán kính 1 31,25.R A= thì có thể thu được 52 22 0,0150 .tbtb I t A tσ = =h Từ việc so sánh các số liệu thực nghiệm với các giá trị lí thuyết, cho thấy mẫu khí Fermi có tính đến sự không đồng nhất của mẫu lớp của phổ một hạt nhờ phương pháp bổ chính lớp của Strunctinski là mẫu cơ bản để tính mật độ mức. Sử dụng mẫu Fermi với sự dịch chuyển ngược để tính cường độ phân rã gamma nối tầng, các thông số được lựa chọn với moment trung bình bằng một nửa moment quán tính của vật rắn Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 31 * Mật độ mức tính theo thực nghiệm. Trong thực nghiệm, khi xác định được các cặp gamma chuyển dời nối tầng từ các phổ nối tầng bậc hai, tiến hành sắp xếp các chuyển dời gamma này vào sơ đồ phân rã chúng ta sẽ thu được số mức kích thích trong từng khoảng năng lượng. Mật độ mức thực nghiệm được tính theo công thức: dE EdNE )()( =ρ (2.16) trong đó N(E) là số các mức kích thích trong khoảng năng lượng kích thích từ 0 tới E. Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 32 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Bảng cường độ chuyển dời gamma nối tầng của 52V Việc sắp xếp các cặp gamma dịch chuyển nối tầng bậc hai, thu được từ các phổ nối tầng bậc hai tương ứng với các đỉnh tổng được chọn trong phổ tổng dựa vào nguyên tắc: • Những chuyển dời xuất hiện trong hai phổ nối tầng trở lên được xem là chuyển dời sơ cấp, chuyển dời tương ứng còn lại là chuyển dời thứ cấp. • Những cặp chuyển dời chỉ xuất hiện duy nhất trong một phổ nối tầng bậc hai thì chuyển dời nào có năng lượng lớn hơn sẽ được coi là chuyển dời sơ cấp. Thực nghiệm dựa trên phản ứng 51V(n,2γ)52V tại VNCHN được tiến hành trong khoảng 140 giờ đã thu được gần 40 cặp gamma tức thời dịch chuyển nối tầng bậc hai của hạt nhân 52V. Các cặp gamma dịch chuyển nối tầng bậc hai và cường độ dịch chuyển tương ứng được trình bày trên bảng 3.1. Bảng 3.1. Năng lượng và cường độ dịch chuyển các cặp gamma dịch chuyển nối tầng của 52V. E1 (keV) E2 (keV) Up-lvl (keV) Lo-lvl (keV) Iγγ Đỉnh tổng E=7311.22 keV 6874.12 436.61 7311.22 436.64 7.156(021) 6517.26 793.54 7311.22 793.54 4.541(072) 6464.84 845.98 7311.22 845.94 4.936(026) 5892.05 1418.78 7311.22 1418.81 1.813(042) 5752.03 1558.79 7311.22 1558.85 6.520(02) 5578.31 1732.53 7311.22 1732.57 0.323(101) 5515.76 1795.05 7311.22 1795.12 0.561(076) 5210.07 2100.83 7311.22 2100.83 0.619(073) 5142.28 2168.59 7311.22 2168.64 0.342(098) 4992.91 2317.79 7311.22 2318.03 0.186(132) 4883.30 2427.59 7311.22 2427.66 0.274(109) Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 33 Đỉnh tổng E=7292 keV 6874.12 419.48 7311.22 436.64 4.812(026) 6464.84 823.19 7311.22 845.94 5.324(025) 5892.05 1401.65 7311.22 1418.81 0.972(058) 5515.76 1777.91 7311.22 1795.12 2.520(036) 5210.07 2083.65 7311.22 2100.83 0.541(078) 5142.28 2145.84 7311.22 2168.64 2.191(039) 4883.30 2410.44 7311.22 2427.66 0.512(080) 4452.19 2841.65 7311.22 2858.88 0.554(077) 3715.80 3578.05 7311.22 3733.15 0.398(091) Đỉnh tổng E=7162 keV 6874.12 295.02 7311.22 436.64 2.849(034) 6517.26 645.69 7311.22 793.54 14.345(015) 6464.84 698.13 7311.22 845.94 2.015(040) 5752.03 1410.97 7311.22 1558.85 1.298(050) 5551.21 1611.77 7311.22 1759.62 0.567(076) 5210.07 1952.92 7311.22 2100.83 1.304(050) 5142.28 2020.76 7311.22 2168.64 0.691(069) 4452.19 2710.97 7311.22 2858.88 0.414(089) Đỉnh tổng E=6874 keV 6517.26 356.87 7311.22 793.54 4.434(027) 5892.05 981.98 7311.22 1418.81 0.776(065) 5752.03 1120.04 7311.22 2538.82 1.252(051) 5515.76 1358.50 7311.22 1795.12 4.385(027) 5210.07 1664.18 7311.22 2100.83 1.646(044) Đỉnh tổng E=6516 keV 5515.76 1001.62 7311.22 1795.12 3.205(032) 5210.07 1307.28 7311.22 2100.83 1.937(041) 4883.30 1634.04 7311.22 2427.66 1.294(050) Đỉnh tổng E=1795 keV 1358.50 436.61 1795.12 793.54 6.520(022) 1001.62 793.54 1795.12 793.54 5.973(023) Ghi chú: E1 và E2 là năng lượng chuyển dời nối tầng sơ cấp và thứ cấp; Up-lvl và Lo-lvl là năng lượng ứng với mức trên và mức dưới, Iγγ và ∆Iγγ lần lượt là cường độ chuyển dời và sai số của cường độ chuyển dời. Trên hình 3.1 trình bày sơ đồ mức của 52V thu dựa trên các cặp chuyển dời gamma nối tầng thu được. Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 34 Hình 3.1. Sơ đồ mức của hạt nhân 52V 3.2. Hệ số rẽ nhánh và mật độ mức của 52V Hệ số rẽ nhánh của các chuyển dời gamma sơ cấp nối tầng bậc hai từ năng lượng kích thích Bn đối với hạt nhân 52V thu được từ thực nghiệm được trình bày trên bảng 3.2 Bảng 3.2. Các chuyển dời thứ cấp và hệ số rẽ nhánh tương ứng trong chuyển dời sơ cấp E1 (keV) E2 (keV) Hệ số α (%) 6874.12 436.62 419.48 295.02 48.30 32.48 19.23 6517.26 793.54 645.69 356.87 19.47 61.51 19.01 6464.84 845.69 823.19 698.13 40.21 43.37 16.42 Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 35 5892.05 1418.78 1401.65 981.98 50.91 27.30 21.79 5752.03 1558.79 1410.97 1120.04 71.89 14.31 13.80 5515.76 1795.05 1777.91 1358.5 1001.62 5.26 23.62 41.09 30.03 5210.07 2100.83 2083.65 1952.92 1664.18 1307.28 10.24 8.95 21.56 27.22 32.03 5142.28 2168.59 2145.84 2020.76 10.61 67.96 21.43 4883.3 2427.59 2410.44 1634.04 13.17 24.62 62.21 *Ghi chú: E1 và E2 lần lượt là năng lượng gamma chuyển dời thứ cấp và sơ cấp, α là hệ số rẽ nhánh của các chuyển dời thứ cấp tương ứng với chuyển dời sơ cấp Phổ gamma sơ cấp của một số chuyển dời thứ cấp được trình bày trên hình hình 3.2 và hình 3.3 Hình 3.2. Phổ gamma thứ cấp của chuyển dời sơ cấp 6874.12 keV Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 36 Hình 3.3. Phổ gamma thứ cấp của chuyển dời sơ cấp 6517.26 keV Mật độ mức thực nghiệm được tính theo công thức (2.16) và kết quả tính và so sánh với thư viện số liệu LANL được trình bày trên bảng 3.3 và hình 3.4. Bảng 3.3. Mật độ mức thực nghiệm của 52V. Năng lượng kích thích (MeV) Mật độ mức (ρ/MeV) Mật độ mức (ρ/MeV)* 0.5 8.0 20.0 1.0 10.0 30.0 1.5 12.0 34.0 2.0 13.0 44.0 2.5 13.2 46.0 3.0 11.7 45.0 3.5 10.0 44.0 4.0 9.3 41.0 4.5 8.4 39.0 5.0 7.8 35.5 5.5 7.6 34.0 6.0 7.8 32.0 6.5 7.4 30.0 7.0 7.1 27.5 7.5 6.7 26.0 * tham khảo từ thư viện số liệu LANL [10] Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 37 Hình 3.4. Mật độ mức thực nghiệm của 52V Số liệu trong bảng 3.1 đã xác định và xếp vào sơ đồ mức được 39 cặp chuyển dời dựa trên phản ứng bắt bức xạ nơtron phát gamma tức thời 51V(n, 2γ)52V. Từ phổ thực nghiệm cho thấy số cặp chuyển dời sẽ tăng khi tăng thời gian thực nghiệm. Số liệu trong bảng 3.3 cho thấy mật độ mức tăng dần từ 0.5 MeV đến 2.5MeV, sau đó giảm dần đến 7.5MeV. Số mức thực nghiệm sẽ tăng khi tăng thời gian thực nghiệm, song chắc chắn mật độ mức sẽ vẫn giảm ở vùng năng lượng 0.5Bn. Kết quả này là phù hợp với các dự đoán của lý thuyết, về tồn tại các liên kết cặp trong hạt nhân và phù hợp với các kết quả nghiên cứu trên một số hạt nhân khác [2,4,5] Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 38 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong quá trình làm luận văn, tác giả đã thu được một số kết quả sau: 1. Về mặt lý thuyết: đã tìm hiểu một số đặc trưng của hạt nhân 52V ở trạng thái kích thích như; sơ đồ phân rã, cường độ chuyển dời, mật độ mức. Nắm được nguyên tắc tính cường độ chuyển dời nối tầng thực nghiệm, hệ số rẽ nhánh tương đối của dịch chuyển nối tầng bậc hai và mật độ mức thực nghiệm . Nắm được quy trình xử số liệu đối với các dữ liệu thu được của phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng. 2. Về thực nghiệm: Đã tiến hành xác lập các tham số đối với các khối điện tử chức năng như: Khối khuếch đại phổ, khối khuếch đại nhanh, khối gạt ngưỡng hằng, khối TAC của hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng tại Viện nghiên cứu hạt nhân. Đã tiến hành thu thập số liệu phân rã gamma nối tầng của 52V. Sử dụng các phần mềm xử lý phổ như Gacasd, Colegram, Gamma Vision, Orgin để tiến hành xử lý các số liệu thu được bao gồm: nối code, hiệu chuẩn năng lượng, xác định hiệu suất ghi đối với từng đetectơ của hệ phổ kế SACP, tính diện tích các đỉnh trong phổ phổ gamma thu được, xây dựng sơ đồ mức của 52V từ số liệu thu được, xác định được 39 cặp gamma chuyển dời nối tầng và cường độ chuyển dời, tính toán mật độ mức trong vùng năng lượng từ 0.5 MeV đến 7.5 MeV. Luận văn đã được hoàn thành đầy đủ các mục tiêu ban đầu đặt ra. 3. Một số kiến nghị Cần cải tiến hệ thống che chắn và dẫn dòng nơtron đối với kênh ngang số 3 để có được dòng nơtron nhiệt có tỷ số Cadmi cao, thông lượng lớn và đảm bảo an toàn kín nước trong quá trình tiến hành thực nghiệm. Bổ sung các vật liệu có tiết diện hấp thụ bức xạ nơtron và bức xạ gamma tán xạ như 10B, 6Li, Pb sạch để che chắn cho các đetectơ của hệ phổ kế nhằm giảm khoảng cách giữa đetectơ và vị trí mẫu và nâng cao hiệu suất đo để giảm thời gian tiến hành thực nghiệm. Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 39 Với những kết quả thực nghiệm về phân rã gamma nối tầng của 52V thu được, so sánh với kết quả thực nghiệm của thư viện LANL cho thấy các nghiên cứu cần được tiếp tục để tăng thêm số mức thực nghiệm và tiến hành các nghiên cứu thống kê về vấn đề suy giảm mật độ mức của hạt nhân trong vùng năng lượng trung gian nằm dưới năng lượng liên kết của nơtron với hạt nhân. Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Nguyễn Cảnh Hải và cộng sự (2005), “Nâng cấp hệ che chắn và dẫn dòng nơtron phục vụ cho các nghiên cứu phản ứng (n,γ) và (n,2γ) tại kênh ngang (số 3 và số 4) của Lò phản ứng hạt nhân Đà lạt”, Báo cáo đề tài nghiên cứu cấp bộ năm 2003-2004. 2. Nguyễn Xuân Hải (2010), “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”, Luận án tiến sĩ vật lý, Viện năng lượng nguyên tử Việt Nam. 3. Phạm Đình Khang, Nguyễn Xuân Hải, “Tài liệu hướng dẫn xử lý số liệu theo phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng”. 4. Vương Hữu Tấn và các cộng sự (2006), “Nghiên cứu cường độ chuyển dời gamma nối tầng và sơ đồ mức kích thích vùng năng lượng trung gian của các hạt nhân 152Sm, 182Ta, 59Ni, và 239U”, Báo cáo đề tài nghiên cứu cấp bộ năm 2005-2006. 5. Vương Hữu Tấn và các cộng sự (2010), “Nghiên cứu phát triển hệ thống phổ kế hạt nhân đo trên chùm nơtron phục vụ nghiên cứu chuyển dời gamma nối tầng, đo đạc số liệu hạt nhân và các ứng dụng liên quan”, Báo cáo đề tài nghiên cứu cấp bộ năm 2007-2009. Tiếng Anh 6. P.Van Assche, U.Gruber, B.P.Maier, H.R.Koch and O.W.B.Schult (1966), “Level scheme and gamma transition in 52V”, Nuclear Physics 79, pp.565 to 576, North-Holland Publishing Co., Amsterdam. Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V 41 7. L.V.Groshev, A.M.Demidov, V.N.Lutsenko and V.I.Pelekhov (1958), “Investigation of γ-rays emitted when thermal neutrons are captured by vanadium, manganese, cobalt and aluminium nuclei”, J.Nuclear Energy II, Vol.8, pp.127 to 147. Pergamon Press, Ltd., London. 8. Marie-Christine Lépy (2004), “Colegram sofltware”, Laboratoire national henri becquerel. 9. D.H.White, B.G.Saunders, W.John and R.W.Jewell (1965), “Neutron-capture gamma ray studies of low-lying 52V levels”, Nuclear Physics 72, pp.241 to 253, North-Holland Publishing Co., Amsterdam. 10. 11. Cường độ chuyển dời và mật độ mức của hạt nhân 52V