Tài liệu Mô phỏng suất lượng quang phân hạch của các bia 238u đặt trong buồng khí gây bởi chùm bức xạ hãm có năng lượng cực đại 50 mev

Luận văn thạc sỹ khoa học ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Đặng Thị Vui MÔ PHỎNG SUẤT LƢỢNG QUANG PHÂN HẠCH CỦA CÁC BIA 238U ĐẶT TRONG BUỒNG KHÍ GÂY BỞI CHÙM BỨC XẠ HÃM CÓ NĂNG LƢỢNG CỰC ĐẠI 50 MEV LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2013 Luận văn thạc sỹ khoa học ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Đặng Thị Vui MÔ PHỎNG SUẤT LƢỢNG QUANG PHÂN HẠCH CỦA CÁC BIA 238U ĐẶT TRONG BUỒNG KHÍ GÂY BỞI CHÙM BỨC XẠ HÃM CÓ NĂNG LƢỢNG CỰC ĐẠI 50 MEV Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHAN VIỆT CƢƠNG Hà Nội – 2013 Luận văn thạc sỹ khoa học MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1. QUÁ TRÌNH QUANG PHÂN HẠCH ĐỂ TẠO RA CHÙM ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ GIÀU NEUTRON. DỰ ÁN ALTO ................................. 4 1.1. Giới thiệu.......................................................................................................... 4 1.2. Kỹ thuật tách đồng vị online (ISOL techinique – Isotope separation online) ...................................................................................................................... 4 1.2.1. Nguồn ion hóa ............................................................................................ 7 1.2.2. Ion guide..................................................................................................... 9 1.3. Giới thiệu dự án ALTO ................................................................................ 11 1.3.1. Quá trình tạo ra chùm đồng vị phóng xạ giàu notron bằng phản ứng quang phân hạch. .............................................................................................. 11 1.3.2. Tổ hợp thiết bị ALTO ............................................................................. 14 CHƢƠNG 2. BỨC XẠ HÃM ................................................................................. 16 2.1. Phân bố của electron trong bia. ................................................................... 16 2.2. Tiết diện vi phân phát bức xạ hãm .............................................................. 17 2.3. Sự mất năng lƣợng của electron. ................................................................. 20 2.4. Các hiệu ứng khác. ........................................................................................ 26 CHƢƠNG 3. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TẠO BỨC XẠ HÃM VÀ MÔ PHỎNG SUẤT LƢỢNG QUANG PHÂN HẠCH CỦA 238U GÂY BỞI CHÙM BỨC XẠ HÃM CÓ NĂNG LƢỢNG CỰC ĐẠI 50 MEV ................................... 27 3.1. Giới thiệu về công cụ Geant4 ....................................................................... 27 3.2. Mô phỏng suất lƣợng quang phân hạch của 238U trong buồng khí: Ionguide tƣơng lai của dự án ALTO. ....................................................................... 28 3.2.1. Mô phỏng hình học. ................................................................................ 28 3.2.2. Mô phỏng phổ bức xạ hãm ..................................................................... 31 3.2.3. Mô phỏng suất lƣợng quang phân hạch, quang nơtron. ..................... 33 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 40 Luận văn thạc sỹ khoa học DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ Danh mục bảng biểu Thứ tự Nội dung Trang Bảng 3.1 Suất lượng quang phân hạch trong 04 bia thẳng đứng và 01 bia 35 nằm ngang với các bia hãm có bề dày khác nhau. Danh mục hình vẽ Thứ tự Nội dung Hình 1.1 Sơ đồ kỹ thuật tách đồng vị online và In-flight 5 Hình 1.2 Các vùng hạt nhân có thể tạo ra từ quá trình phân hạch 6 Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý của (1) nguồn ion hóa bề mặt, (2) Nguồn ion 7 Trang hóa lazer, (3) Nguồn ion hóa plasma Hình 1.4 Thế năng ion hóa như là hàm của số nguyên tử Z. 8 Hình 1.5 Các nguyên tố có thể được ion hóa sử dụng nguồn ion hóa 9 laser. Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp ion-guide.Sản phầm phản 11 ứng sẽ được hãm, nhiệt hóa trong buồng khí và chuyền đến phân gia tốc của hệ phổ kế từ bằng luồng khí kết hợp với lực điện trường Hình 1.7 Phân bố của mảnh phân hạch như là hàm của năng lượng kích 12 thích của 238U Hình 1.8 Hai cấu hình có thể áp dụng cho dự án ALTO. (a) Sử dụng 13 một bia trung gian nhằm tạo ra chùm photon (bức xạ hãm) và sau đó chùm photon này sẽ gây ra phân hạch của 238U (b). Chùm bức xạ hãm tạo ra chính trong bia và gây ra phân hạch của 238U Hình 1.9 Hình 1.9.(a) Đường liền nét (xét theo trục tung bên trái) là phổ bức xạ hãm tạo ra do tương tác của electron ở các năng lượng khác nhau với bia W dày 2 mm. Điểm thực nghiệm (xét theo trục tung bên phải) biểu diễn tiết diện quang phân hạch của 238 U. (b) Suất lượng quang phân hạch của 238U tính cho một 14 Luận văn thạc sỹ khoa học electron như là hàm của năng lượng electron Hình 1.10 Tổ hợp thiết bị ALTO, Viện hạt nhân Orsay, Pháp Hình 2.1 Độ mất năng lượng trong không khí của một số hạt tích điện 15 21 trong không khí như là hàm của năng lượng hạt tới Hình 2.2 So sánh công thức Bethe-Bloch với hiệu chỉnh hiệu ứng mật 23 độ và không hiệu chỉnh hiệu ứng mật độ Hình 3.1 Hình học dự kiến của buồng khí cho dự án ALTO 28 [CuongThesis] Hình 3.2 Suất lượng phân hạch của bia thẳng đứng và bia nằm ngang 29 đặt ở các khoảng cách khác nhau tính từ bia hãm như là hàm của bán kính chùm electron Hình 3.3 Đa diện có thể định nghĩa được trên cơ sở của Geant4 30 Hình 3.4 Hình học của buồng khí cho dự án ALTO được mô phỏng 31 bằng Geant4 Hình 3.5 Phân bố góc và năng lượng của chùm bức xạ hãm phát ra do 32 tương tác của chùm electron 50 MeV từ máy gia tốc ALTO với bia hãm W dày 8 mm Hình 3.6 Điểm tới của chùm bức xạ hãm trên bia V1 33 Hình 3.7 Số liệu thực nghiệm, đường cong làm khớp cho tiết diện quang 34 phân hạch của 238U Hình 3.8 Số liệu thực nghiệm và đường cong làm khớp số liệu cho tiết 35 diện phản ứng quang hạt nhân đối với 238U Hình 3.9 Suất lượng quang phân hạch trong buồng khí ALTO 36 Hình 3.10 Suất lượng phản ứng quang hạt nhân (, n) và (, 2n) 36 Luận văn thạc sỹ khoa học MỞ ĐẦU Trong cộng đồng vật lý hạt nhân ngày nay có một sự quan tâm rất lớn đến các hạt nhân nằm xa đường bền đặc biệt là các hạt nhân giàu nơtron. Việc nghiên cứu về các hạt nhân này giúp chúng ta hiểu rõ về vật chất hạt nhân cũng như sự thay đổi số magic của các hạt lạ. Để nghiên cứu các hạt nhân nằm xa đường bền, chúng ta cần có chùm đồng vị phóng xạ cường độ lớn và có tính chọn lọc cao. Để tạo ra các chùm đồng vị phóng xạ như thế, các phòng thí nghiệm về vật lý hạt nhân trên thế giới hiện đang sử dụng một trong hai phương pháp: Kỹ thuật tách đồng vị online – ISOL (Isotope Separation Online) và phương pháp In Flight. Đối với kỹ thuật ISOL nhằm tạo ra đồng vị phóng xạ giàu nơtron nằm xa đường bền, phân hạch của các hạt nhân actinide là một “công cụ mạnh” thường được sử dụng. Trong phương pháp ISOL, người ta thường sử dụng bia dày, vì thế các sản phẩm phản ứng được nhiệt hóa, trung hòa về điện chính trong bia, khuếch tán nhiệt ra khỏi bia và bay vào nguồn ion hóa để tái ion hóa. Sau đó, các đồng vị cần quan tâm nghiên cứu sẽ được tách ra khỏi các đồng vị khác nhờ khối phổ kế từ và tiếp tục được gia tốc. Ưu điểm lớn nhất của bia dày là số lượng nguyên tử của hạt nhân bia lớn kéo theo suất lượng phản ứng tăng. Nhưng bất lợi với phương pháp ISOL nói chung là khó để đạt được độ tinh khiết của chùm đồng vị phóng xạ cao do nhiều đồng vị được sản xuất đồng thời trong bia. Ngoài ra như đã đề cập các đồng vị phóng xạ tạo thành sẽ bị mất năng lượng do va chạm với vật liệu bia và dừng lại trong bia dẫn đến làm giảm hiệu suất khuếch tán sản phẩm phản ứng ra khỏi bia, đặc biệt là đối với các nguyên tố có nhiệt độ nóng chảy cao như Colbalt hay Niken…Vì vậy thay cho bia dày, chúng ta có thể sử dụng bia mỏng được đặt trong buồng khí (thường là chứa các khí hiếm, ví dụ như He hay Ar) để hãm và nhiệt hóa các sản phẩm phản ứng tạo ra và giật lùi ra khỏi bia cũng như chuyển chúng đến phần gia tốc của phổ kế từ bằng luồng khí tạo ra do hệ thống bơm, kỹ thuật này thường được gọi là kỹ thuật IGISOL (Ion guide Isotope Separation Online). Có nhiều quá trình khác nhau có thể xảy ra khi ion chuyển động trong buồng khí như: có thể làm thay đổi trạng thái điện tích của ion do sự va chạm trao đổi điện tích, quá trình tái kết hợp với sự tham gia của electron, 1 Luận văn thạc sỹ khoa học ion và nguyên tử khí trung hòa, quá trình mất ion do va chạm với thành buồng khí… Tuy nhiên, trong luận văn này, chúng tôi chỉ quan tâm đến việc tính toán suất lượng quang phân hạch của 238 U đặt trong buồng khí Ar gây bởi chùm bức xạ hãm có năng lượng cực đại bằng 50 MeV. Suất lượng phản ứng là số phản ứng hạt nhân xảy ra trên bia gây bởi chùm hạt tới trong một đơn vị thời gian. Theo các nghiên cứu trước đây về sự phụ thuộc của suất lượng quang phân hạch của 238 U như là hàm của năng lượng electron thì suất lượng tăng nhanh theo năng lượng của electron cho đến 30 MeV sau đó tăng chậm và bắt đầu đạt giá trị bão hòa tại 45 MeV. Chính vì vậy, chùm electron có năng lượng bằng 50 MeV có thể được xem là năng lượng tối ưu. Dự án máy gia tốc ALTO được xây dựng trên cơ sở thành công của thí nghiệm về quang phân hạch tại CERN (European Organization for Nuclear Research). Máy gia tốc ALTO sử dụng LPI (linear pre-injector) cũ của LEP CERN và có thể gia tốc chùm electron lên đến 50 MeV cho phép có thể đạt được điều kiện tối ưu cho phản ứng phân hạch. Trong quá trình quang phân hạch, chùm electron nhanh từ máy gia tốc tương tác với một bia nặng (ví dụ W, Pb…) hay với chính bia phân hạch và tạo ra chùm photon có năng lượng liên tục. Chùm photon này sau đó sẽ gây ra phân hạch trong bia. Bản luận văn “ Mô phỏng suất lượng quang phân hạch của U238 gây bởi chùm electron có năng lượng cực đại 50 Mev” sử dụng chương trình mô phỏng GEANT4 (Geometry And Tracking). Geant4 là bộ công cụ mô phỏng quá trình tương tác của bức xạ với vật chất, có mã nguồn mở, độ tin cậy cao được nghiên cứu và phát triển bởi đội ngũ các nhà khoa học tại CERN. Trong luận văn này, chúng tôi đã phát triển code riêng trên cơ sở thừa kế các lớp có sẵn của công cụ Geant4 để mô tả và mô phỏng quá trình quang phân hạch cũng như phản ứng quang hạt nhân đối với bia 238U. Bản luận văn dài 43 trang gồm 22 hình vẽ, 1 bảng biểu và 21 tài liệu tham khảo. Ngoài phần mở đầu và kết luận bản luận văn chia thành ba chương: 2 Luận văn thạc sỹ khoa học Chương 1: Quá trình quang phân hạch để tạo ra chùm đồng vị phóng xạ giàu neutron. Dự án ALTO. Chương 2: Bức xạ hãm. Chương 3: Mô phỏng quá trình tạo bức xạ hãm và mô phỏng suất lượng quang phân hạch của 238U gây bởi chùm bức xạ hãm có năng lượng cực đại 50 MeV. 3 Luận văn thạc sỹ khoa học CHƢƠNG 1. QUÁ TRÌNH QUANG PHÂN HẠCH ĐỂ TẠO RA CHÙM ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ GIÀU NEUTRON. DỰ ÁN ALTO 1.1. Giới thiệu Để nghiên cứu các hạt nhân nằm xa đường bền, chúng ta cần có chùm ion phóng xạ được tách chọn lọc theo khối lượng có cường độ lớn và không bị lẫn với các hạt nhân đồng khối khác. Để tạo ra chùm đồng vị phóng xạ như thế, các phòng thí nghiệm trên thế giới đang dùng một trong hai phương pháp sau: (1) ISOL (Isotope separation online – tách đồng vị online) và (2) In-flight sử dụng phản ứng phân mảnh. Sơ đồ nguyên lý của hai phương pháp trên được mô tả trên hình 1.1. 1.2. Kỹ thuật tách đồng vị online (ISOL techinique – Isotope separation online) Kỹ thuật ISOL trong việc tạo ra các chùm đồng vị phóng xạ lần đầu tiên được sử dụng tại Copenhaghen cách đây hơn 50 năm. Sau đó, kỹ thuật này đã nhanh chóng được áp dụng cho nhiều dự án lớn tại nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới như dự án ALTO tại Viện hạt nhân Orsay, SPIRAL-2 tại GANIL, TRIUMP, LOUVAIN-la-NEUVE. Nội dung chính của phương pháp có thể được mô tả như sau: một chùm hạt được gia tốc từ máy gia tốc sẽ bắn vào một bia dày để gây ra phản ứng hạt nhân, các sản phẩm phản ứng sẽ bị hãm, nhiệt hóa, trung hòa về điện chính trong bia. Sau đó, các sản phẩm này sẽ khuếch tán nhiệt ra khỏi bia bay vào nguồn ion hóa để tái ion hóa chọn lọc và được phân tách khỏi các đồng vị khác sử dụng khối phổ kế từ và có thể tiếp tục được gia tốc. 4 Luận văn thạc sỹ khoa học Hình 1.1: Sơ đồ kỹ thuật tách đồng vị online và In-flight [1] Trong kỹ thuật này, quá trình phân hạch của các hạt nhân actinide gây bởi nơtron nhiệt, nơtron nhanh, proton hay photon hay phản ứng vỡ vụn (spallation) trên các bia dày thường được sử dụng (xem hình 1.2).Cường độ của chùm đồng vị phóng xạ mà sau khi phân tách phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Nó có thể được mô tả bằng công thức sau: I  ..N .t arg et .source .separ .det (1.1) Trong đó,  là thông lượng của chùm hạt tới gây phản ứng,  là tiết diện phản ứng, N là mật độ hạt nhân bia, target, source, separ, det là hiệu suất liên quan đến bia, nguồn ion hóa, phổ kế từ và hệ đo. Có thể nhận thấy rằng, ưu điểm chính của việc sử dụng bia dày là số hạt nhân bia lớn, kéo theo cường độ chùm đồng vị phóng xạ tạo thành cũng sẽ lớn hơn nếu bia mỏng được sử dụng. Tuy nhiên, cũng chính vì bia dày được sử dụng nên trong kỹ thuật này, chúng ta có thể gặp khó khăn trong việc thu nhận chùm đồng vị phóng xạ sạch do có nhiều hạt nhân đồng khối được tạo ra đồng thời trong bia. Ngoài ra, cũng cần phải kể đến việc các đồng vị sống ngắn được tạo ra cần phải khuếch tán ra khỏi bia dày một cách nhanh nhất với hiệu suất cao. Thêm vào đó, trong quá trình khuếch tán trong bia, các đồng vị phóng xạ tạo thành có thể bị trung hòa về điện, vì vậy, để có thể phân tách chúng ra khỏi các 5 Luận văn thạc sỹ khoa học đồng vị khác, chúng ta cần phải tái ion hóa chúng. Chính vì thế, trong kỹ thuật ISOL, các nghiên cứu và phát triển liên quan đến bia và nguồn ion hóa là hết sức quan trọng nhằm tối ưu hóa quá trình tạo ra sản phẩm, tăng hiệu suất khuếch tán sản phẩm ra khỏi bia, chọn lọc sản phẩm mà chúng ta cần quan tâm. Các chi tiết liên quan đến việc phát triển và chế tạo bia phản ứng có thể tìm thấy trong tài liệu [2]. Các nguồn ion hóa thường được sử dụng đến nay là: (1) Nguồn ion hóa plasma, (2) Nguồn ion hóa bề mặt, (3) Nguồn ion hóa laser. Hình 1.3. Biểu diễn sơ đồ nguyên lý của các nguồn ion hóa nói trên. Chi tiết về các nguồn ion hóa này sẽ được mô tả chi tiết dưới đây. Hình 1.2.Các vùng hạt nhân có thể tạo ra từ quá trình phân hạch 6 Luận văn thạc sỹ khoa học 1.2.1. Nguồn ion hóa Hình 1.3.Sơ đồ nguyên lý của (1) nguồn ion hóa bề mặt, (2) Nguồn ion hóa lazer, (3) Nguồn ion hóa plasma [3] Nguồn ion hóa plasma nhiệt độ cao. Đối với đồng vị của các nguyên tố có thế năng ion hóa Wi> 7 eV và để tạo ra các ion có điện tích > 1+, nguồn ion hóa sự dụng sự va chạm của các electron thường được sử dụng. Trong đó, các nguyên tử hay ion sẽ tương tác với electron năng lượng cao và mất đi một hay vài electron lớp ngoài. Trong nguồn ion hóa plasma, sự ion hóa do quá trình va chạm với các electron được sử dụng để ion hóa cá nguyên tử ở pha khí. Chùm electron được tạo ra do quá trình phóng điện trong môi trường áp suất thấp. Theo cách này, plasma được tạo ra và giam giữ các ion tránh cho quá trình va chạm giữa ion với thành của buồng ion hóa và bị tái trung hòa. Nói chung, tính chọn lọc của loại nguồn ion hóa này không cao do phổ năng lượng của electron là rất rộng và cho phép ion hóa hầu như toàn bộ các nguyên tố đi vào buồng ion hóa của nguồn. Nguồn ion hóa bề mặt Khi một nguyên tử với thế năng ion hóa Wi thấp va chạm với bề mặt kim loại nóng có work function  lớn, khi đó nguyên tử có khả năng chuyển một electron 7 Luận văn thạc sỹ khoa học hóa trị cho kim loại và trở thành ion. Hiệu suất ion hóa tương ứng với quá trình này có thể được tính bằng phương trình Saha-Langmuir: (1.2) Trong đó go, g+ là trọng số thống kê của nguyên tử ở trạng thái cơ bản và trạng thái ion, k là hằng số Bolzmann và T là nhiệt độ (K). Trên thực tế, nguồn ion hóa bề mặt thường được sử dụng để ion hóa các nguyên tố có thế năng ion hóa thấp, vật liệu được sử dụng có work function  lớn và được đốt nóng ở nhiệt độ cao (~ 20000C) như Ta ( = 4.1 eV), W ( = 4.55 eV), Re ( = 4.96 eV), Ir ( = 5.27 eV). Trên thực tế, nguồn ion hóa bề mặt có tính chọn lọc cao nếu thế năng ion hóa của các nguyên tử lân cận với nguyên tử cần ion hóa lớn hơn rất nhiều so với giá trị này của nguyên tử mà chúng ta cần quan tâm.Hình 1.4 biểu diễn thế năng ion hóa của các nguyên tố trong bảng tuần hoàn Medeleev. Hinh 1.4.Thế năng ion hóa như là hàm của số nguyên tử Z. Nguồn ion hóa laser. 8 Luận văn thạc sỹ khoa học Nguồn ion hóa laser đã được sử dụng rất thành công cho kỹ thuật ISOL và thỏa mãn tất cả các yếu tố cần có của một nguồn ion hóa như: hiệu suất, tính chọn lọc, nhanh. Hiện nay, nguồn ion hóa laser đã và đang được sử dụng tại các thiết bị tạo chùm đồng vị phóng xạ như: IRIS (Gatchina), ISOLDE (CERN), LISOL (Leuven), TRIUMF (Vancouver)… nhằm tạo ra các chùm đồng vị phóng xạ ít bị nhiễm bẩn đồng khối. Nguyên lý hoạt động của nguồn ion hóa laser cộng hưởng (Resonance ionization laser ion source, RILIS) có thể được mô tả ngắn gọn như sau: electron hóa trị ở lớp vỏ nguyên tử sẽ bị kích thích bởi quá trình hấp thụ cộng hưởng tia laser qua một số bước trung gian lên vùng liên tục. Vị trí của các trạng thái kích thích là khác nhau cho mỗi nguyên tử, vì vậy việc điều chỉnh bước sóng laser phù hợp sẽ ion hóa chọn lọc các nguyên tố chúng ta quan tâm với tính chọn lọc rất cao. Nguồn ion hóa cộng hưởng laser có thể sử dụng cho rất nhiều nguyên tố khác nhau (xem hình 1.5) Hình 1.5.Các nguyên tố có thể được ion hóa sử dụng nguồn ion hóa laser. 1.2.2. Ion guide. 9 Luận văn thạc sỹ khoa học Trong phần trước, chúng tôi đã để cập đến kỹ thuật ISOL sử dụng bia dày và các nguồn ion hóa có thể được sử dụng. Tuy nhiên, như đã nêu, nhược điểm của việc sử dụng bia dày là các đồng vị phóng xạ tạo thành sẽ bị mất năng lượng do va chạm với vật liệu bia và dừng lại trong bia. Quá trình này làm giảm hiệu suất khuếch tán sản phẩm phản ứng ra khỏi bia, đặc biệt là đối với các nguyên tố có nhiệt độ nóng chảy cao như Colbalt hay Niken…Để tạo ra các chùm đồng vị phóng xạ này, thay cho việc sử dụng bia dày, chúng ta có thể sử dụng bia mỏng được đặt trong buồng khí (thường là chứa các khí hiếm, ví dụ như He hay Ar) để hãm và nhiệt hóa các sản phẩm phản ứng tạo ra và giật lùi ra khỏi bia cũng như chuyển chúng đến phần gia tốc của phổ kế từ bằng luồng khí tạo ra do hệ thống bơm, kỹ thuật này thường được gọi là kỹ thuật IGISOL (Ion guide Isotope Separation Online) [4]. Sự suy giảm cường độ của chùm đồng vị phóng xạ có thời gian sống ngắn do tốc độ của luồng khí thấp có thể được khắc phục bằng việc sử dụng thêm một trường điện từ trong buồng khí để đẩy các ion này về phía cửa sổ lối ra của buồng khí. Thời gian chuyển động trong buồng khí có thể rất nhanh (cỡ 10 ms) đủ để một phần của sản phẩm phản ứng thoát ra ngoài ở trạng thái ion 1+. Trên hình 1.6, chúng tôi mô tả kỹ thuật IGISOL dưới dạng cơ bản. Cường độ điện trường được sử dụng thường là 500 V/cm. Trong kỹ thuật này, bề dày của bia được lựa chọn bằng với quãng chạy của ion giật lùi trong bia, giá trị này cỡ 15 mg/cm2 đối với mảnh phân hạch. Quá trình hãm ion trong buồng khí có thể làm thay đổi trạng thái điện tích của ion do sự va chạm trao đổi điện tích, quá trình này phụ thuộc vào vận tốc của ion. Giả thiết rằng, chất khí chúng ta sử dụng là sạch 100%, ion phóng xạ có thể đạt tới trạng thái điện tích 2+ do quá trình va chạm với He vì hầu hết các nguyên tố có thể ion hóa bậc hai nhỏ hơn thế ion hóa bậc một của He. Đối với Ar, các ion có thể đạt đến trạng thái điện tích 1+. Tuy nhiên, những pha tạp như H2, O2, H2O cỡ nhỏ hơn ppm cũng có thể dễ dàng làm cho ion đạt trạng thái 1+. Ngoài ra, quá trình ion hóa của chất khí do sự va chạm với các ion và chùm hạt từ máy gia tốc có thể dẫn đến quá trình tái kết hợp với sự tham gia của electron, ion và nguyên tử khí trung hòa. Bên cạnh đó, còn có nhiều quá trình khác nhau có thể xảy ra khi ion chuyển động trong buồng khí 10 Luận văn thạc sỹ khoa học như quá trình mất ion do va chạm với thành buồng khí… [5]. Tuy nhiên, trong luận văn này, chúng tôi chỉ quan tâm đến việc tính toán suất lượng quang phân hạch của 238U đặt trong buồng khí Ar gây bởi chùm bức xạ hãm có năng lượng cực đại bằng 50 MeV (xem chương 3). Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp ion-guide. Sản phầm phản ứng sẽ được hãm, nhiệt hóa trong buồng khí và chuyền đến phân gia tốc của hệ phổ kế từ bằng luồng khí kết hợp với lực điện trường. 1.3. Giới thiệu dự án ALTO Dự án ALTO được xây dựng trên cơ sở thành công của thí nghiệm về quang phân hạch tại CERN. Sau thành công này bộ phận LPI (Lep Pre-Injector) được chuyển đến Orsay và là phần chính của máy gia tốc ALTO, phần quan trọng nhất của dự án nghiên cứu cấu trúc của các hạt nhân nằm xa đường bền tạo ra từ quá trình quang phân hạch của 238U. 1.3.1. Quá trình tạo ra chùm đồng vị phóng xạ giàu notron bằng phản ứng quang phân hạch. Như đã đề cập, trong kỹ thuật ISOL nhằm tạo ra đồng vị phóng xạ giàu nơtron nằm xa đường bền, phân hạch của các hạt nhân actinide là một “công cụ mạnh” thường được sử dụng (xem hình 1.7). Phân hạch là quá trình mà một hạt nhân nặng bị phân chia thành hai hạt nhân nhẹ hơn đồng thời phát ra một vài nowtron. Đây là phản ứng tỏa nhiệt do năng lượng liên kết của hạt nhân trên một nucleon cho hạt nhân có khối lượng trung bình được tạo thành là lớn hơn đáng kể so 11 Luận văn thạc sỹ khoa học với năng lượng liên kết của hạt nhân bia. Để quá trình phân hạch có thể xảy ra, hạt nhân trước hết phải bị biến dạng thành dạng kéo dài. Quá trình này cần năng lượng để làm biến dạng hạt nhân tới điểm được gọi là điểm yên ngựa và sau đó năng lượng được giải phóng. Năng lượng có thể được truyền cho hạt nhân từ bức xạ điện từ hay từ các hạt (ví dụ như proton hay nơtron). Quá trình phân hạch chỉ có thể xảy ra khi năng lương gây phân hạch lớn hơn rào thế, đối với hạt nhân trung có khối lượng trung bình, độ cao rào thế này là cỡ 50 MeV, trong khi với các hạt nhân actinides (233U, 235U, 239Pu, 241Pu, 241Am …), độ cao rào thế này là cỡ 5 MeV. 12 Luận văn thạc sỹ khoa học Hình 1.7.Phân bố của mảnh phân hạch như là hàm của năng lượng kích thích của 238 U [6]. Trong quá trình quang phân hạch, thường thì chùm electron nhanh từ máy gia tốc tương tác với một bia nặng (ví dụ W, Pb…) hay với chính bia phân hạch và tạo ra chùmphoton (bức xạ hãm) có năng lượng liên tục. Chùm photon này sau đó sẽ gây ra phân hạch trong bia. Diamond, Organessian và các cộng sự [7, 8] đã đề xuất việc sử dụng chùm electron để gây ra phân hạch của bia 238U (xem hình 1.8). Hình 1.8. Hai cấu hình có thể áp dụng cho dự án ALTO. (a) Sử dụng một bia trung gian nhằm tạo ra chùm photon (bức xạ hãm) và sau đó chùm photon này sẽ gây ra phân hạch của 238 U (b). Chùm bức xạ hãm tạo ra chính trong bia và gây ra phân hạch của 238U. Trên hình 1.9 (a), chúng tôi biểu diễn một số ví dụ về phổ bức xạ hãm (trục tung bên trái). Có thể nhận thấy rằng bức xạ hãm sinh ra do quá trình tương tác giữa electron và bia hãm có năng lượng biến đổi liên tục từ 0 cho đến năng lượng cực đại của chùm electron tới. Trên trục tung bên phải là tiết diện của phản ứng quang phân 13 Luận văn thạc sỹ khoa học hạch như là hàm của nặng lượng photon tới. Chúng ta có thể nhận thấy rằng, tiết diện phân hạch có một đỉnh cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ giữa 10 đến 17 MeV.Như chúng ta đã biết, suất lượng phân hạch sẽ là “tích phân chập” giữa tiết diện và thông lượng phụ thuộc vào năng lượng của chùm bức xạ hãm. Suất lượng phân hạch như là hàm của năng lượng electron được biểu diễn trên hình 1.9 (b), theo đó, suất lương tăng nhanh theo năng lượng của electron cho đến 30 MeV sau đó tăng chậm và bắt đầu đạt giá trị bão hòa tại 45 MeV. Chính vì vậy, chùm electron có năng lượng bằng 50 MeV có thể được xem là năng lượng tối ưu. Máy gia tốc ALTO sử dụng LPI (linear pre-injector) cũ của LEP CERN và có thể gia tốc chùm electron lên đến 50 MeV cho phép có thể đạt được điều kiện tối ưu cho phản ứng phân hạch. Hình 1.9.(a) Đường liền nét (xét theo trục tung bên trái) là phổ bức xạ hãm tạo ra do tương tác của electron ở các năng lượng khác nhau với bia W dày 2 mm. Điểm thực nghiệm (xét theo trục tung bên phải) biểu diễn tiết diện quang phân hạch của 238 U. (b) Suất lượng quang phân hạch của 238U tính cho một electron như là hàm của năng lượng electron [9]. 1.3.2. Tổ hợp thiết bị ALTO Tổ hợp thiết bị ALTO có thể được chia làm ba phần chính (xem hình 1.10): máy gia tốc electron (LINAC), phần bia và nguồn ion hóa và hệ phổ kế từ 14 Luận văn thạc sỹ khoa học (PARNe). Trong phần này, chúng tôi sẽ chỉ mô tả ngắn gọn về LINAC là bộ phận chính, quan trọng nhất của tổ hợp thiết bị này. Hình 1.10. Tổ hợp thiết bị ALTO, Viện hạt nhân Orsay, Pháp LINAC bao gồm ba phần chính: phần cung cấp chùm electron ban đầu (injector), phần gia tốc và hệ thống “đường truyền hạt”. Phần cung cấp chùm electron ban đầu bao gồm một súng điện tử cung cấp chùm electron dạng xung với tần số 100 Hz và chiều dài xung có thể thay đổi từ 0.2 - 2 μs. Ở lối ra của súng điện tử có hai hốc cao tần để gia tốc các electron tới năng lượng cỡ 3 MeV. Phía sau phần cung cấp chùm electron ban đầu, electron được gia tốc trong phần gia tốc, phần này bao gồm LPI (pre-injector) cũ của máy gia tốc LEP (Large electronpositron collider), CERN cho phép gia tốc electron tới năng lượng 50 MeV sau quãng đường 4.5 m. Chùm electron sau khi được gia tốc sẽ được chuyển tới phần bia-nguồn ion hóa thông qua hệ chuyển hạt, hệ thống này bao gồm hai lưỡng cực từ cho phép lái chùm tia một góc 1300. Ở lối ra của LINAC, chúng ta có thể có được chùm electron có nặng lượng 50 MeV và dòng 10 μA với độ rộng 15 ps và chu kỳ lặp lại là 333 ps. Với điều kiện như thế, tại dự án ALTO, người ta có thể tạo ra 10 11 phân hạch/s nếu bia dày 238U được sử dụng [10]. 15