Tài liệu Tóm tắt luận án tiến sĩ vật lý nghiên cứu một số phản ứng hạt nhân cần thiết cho thiên văn học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM ------

------ Nguyễn Ngọc Duy NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN CẦN THIẾT CHO THIÊN VĂN HỌC Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân. Mã số: 62 44 05 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội – 2013 Công trình được hoàn thành tại: - Đại học Tổng hợp Tokyo, Nhật Bản. - Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam. Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Lê Hồng Khiêm PGS. TS. Vương Hữu Tấn Phản biện 1:................................................................. Phản biện 2:................................................................. Phản biện 3:................................................................. Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp tại: ………………………………. …… vào hồi ........., ngày …...... tháng ............ năm ……... Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam. - Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam. Mở đầu Vật lý hạt nhân đóng vai trò quan trọng trong sự cải biến thế giới. Việc nghiên cứu vật lý hạt nhân mang lại nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như công nghiệp, nông nghiệp, y học,…Hơn nữa, vật lý hạt nhân còn là chiếc chìa khoá để nghiên cứu vũ trụ bao la. Những mô hình của sự hình thành và phát triển sao đã dự đoán về sự tồn tại của các quá trình hạt nhân đang diễn ra trong vũ trụ. Khảo sát những phản ứng hạt nhân cần thiết cho thiên văn học có ý nghĩa rất quan trọng không chỉ trong lĩnh vực thiên văn mà còn cả đối với lĩnh vực cấu trúc hạt nhân. Ngoài ra, những hạt nhân không bền trong môi trường sao được cho là sẽ giúp chúng ta có những kiến thức mới hơn về cấu trúc hạt nhân. Với những thiết bị hiện đại dành cho nghiên cứu hạt nhân hiện nay, chúng ta hoàn toàn có thể tiến hành việc khảo sát các phản ứng xảy ra trong vũ trụ tại các phòng thí nghiệm trên mặt đất. Đây là một điều kiện thuận lợi cho sự khám phá sâu hơn nữa về cấu trúc hạt nhân các hạt không bền và nghiên cứu một cách hiệu quả những phản ứng hạt nhân trong những chuỗi phản ứng của các quá trình tổng hợp nguyên tố trên các sao. Trong đó, một số phản ứng có vai trò hết sức quan trọng trong tiến trình phát triển của sao, cũng như liên quan mật thiết đến những sự bất thường trong quan sát thiên văn. Chúng tôi đặc biệt quan tâm đến phản ứng Mg(α,p)25Al vì nó có ý 22 nghĩa quan trọng trong việc nghiên cứu cấu trúc hạt giàu proton 26Si trong vùng năng lượng trên ngưỡng alpha (Ethr = 9.164 MeV). Dữ liệu hạt nhân trong vùng năng lượng này dường như còn bỏ trống, trong khi đối với hạt nhân gương của nó, 26 Mg, mật độ mức trong vùng năng lương tương ứng tương đối cao. Ngoài ra, phản ứng này cũng là một trong những mối kết nối quan trọng trong quá trình rp-process tại vị trí hạt nhân 22Mg trong quá trình tổng hợp nguyên tố trong vũ trụ. Suất phản ứng của phản ứng này góp phần giải thích sự bất thường trong việc dò tìm tia gamma năng lượng 1.275 MeV và vấn đề Ne-E hiện nay. Bên cạnh đó, thế “chờ” của 22Mg cũng được làm sáng tỏ dựa trên những kết quả nghiên cứu về phản ứng này và phản ứng 22Mg(p,γ)23Al. 1 Có hai phương pháp cơ bản để khảo sát suất phản ứng: phương pháp sử dụng thông số các mức lượng tử của hạt nhân, có năng lượng tương ứng với vùng nhiệt độ cần khảo sát trong môi trường các sao và phương pháp tính trực tiếp suất phản ứng từ tiết diện phản ứng của phản ứng đó. Chúng tôi đã tiến hành thiết kế đo đạc để thu các mức năng lượng của hạt không bền 26Si và tính toán suất phản ứng của 22 Mg(α,p)25Al thông qua các mức cộng hưởng của 26Si trong thực nghiệm tán xạ hạt không bền 22Mg lên bia khí alpha. Trong khuôn khổ luận án này, chúng tôi trình bày những kết quả thu được từ 22Mg(α,α)22Mg cho hạt nhân compound 26Si và tính suất phản ứng của 22Mg(α,p)25Al. Trên thế giới chỉ có hai nghiên cứu về hạt nhân 26Si trên ngưỡng alpha. Nghiên cứu thứ nhất là phân rã beta từ hạt nhân 26P và nghiên cứu thứ hai là phản ứng 28Si(p,t)26Si. Tuy nhiên, các mức năng lượng trong những nghiên cứu này không xa ngưỡng alpha, và do đó, không thoả mãn được vùng nhiệt độ cao (T > 1 GK) trong môi trường Supernova và X-ray Burst. Cho đến trước luận án này, chưa có một công trình nào đo đạc trực tiếp tương tác Mg+α. 22 Mục tiêu của luận án - Về vật lý hạt nhân: Xác định các mức năng lượng mới của 26 Si trên ngưỡng alpha bao gồm các trạng thái lượng tử spins và chẵn lẻ. Từ những thông tin này, cấu trúc nhóm của hạt giàu proton 26Si sẽ được khảo sát. - Về vật lý thiên văn: Dựa vào các trạng thái kích thích của 26Si từ tán xạ 22 22 Mg+α, xác định suất phản ứng của Mg(p,γ)23Al và phân rã beta của 22 Mg(α,p)25Al, cùng với phản ứng 22 Mg để khảo sát “điểm chờ” 22 Mg. Từ đó, đánh giá nguyên nhân của những sự bất thường trong quan sát thiên văn về tia gamma 1.275 MeV và vấn đề Ne-E hiện nay. Thừa số S-factor cần cho việc xác định suất phản ứng không cộng hưởng cũng được tính toán. - Sản xuất chùm hạt không bền 22 Mg: Sản xuất chùm hạt không bền 22 Mg có độ sạch cao, cường độ lớn và năng lượng thoả mãn vùng trên ngưỡng alpha của 26Si và trong vùng nhiệt độ T = 0.5 - 3 GK. - Kĩ thuật detector: Cải tiến active-gas-target detector để đo đạc đồng thời hạt nặng của chùm hạt tới và các hạt nhẹ bay ra sau phản ứng. Đây là 2 tính chất rất quan trọng và cần thiết đối các loại detector ghi đo phản ứng theo phương pháp động học ngược với kĩ thuật bia dày. Kết quả mới của luận án Về mặt vật lý, luận án đã ghi nhận được sáu mức năng lượng trên ngưỡng alpha của 26Si. Trong đó, có ba mức thấp trùng khớp với hai nghiên cứu trước đó và ba mức mới lần đầu tiên được ghi nhận. Trạng thái spin và chẵn-lẻ của sáu mức này đã được xác định trong luận án này bằng việc làm khớp theo phương pháp R-matrix, dựa trên hàm kích thích tiết diện cộng hưởng của phản ứng 22Mg(α,α)22Mg, những công trình trước đây chưa xác định được trạng thái lượng tử cho các mức này. Đối với thiên văn học, suất phản ứng cộng hưởng của Mg(α,p)25Al 22 trong vùng nhiệt độ sao T9 = 0.5 - 2.5 GK được xác định từ trạng thái cộng hưởng trong 22Mg(α,α)22Mg. Bên cạnh đó, hàm thừa số thiên văn S-factor phụ thuộc vào năng lượng cũng được xác định. Thừa số này quan trọng trong việc ngoại suy suất phản ứng không cộng hưởng của 22Mg(α,p)25Al. Về mặt kĩ thuật thực nghiệm, detector khí loại mới dùng để đo đạc các phản ứng thiên văn đã được thiết kế và đưa vào sử dụng. Ngoài ra, chùm hạt không bền 22 Mg thoả mãn điều kiện cường độ cao cho việc đo đạc tán xạ lên alpha được tạo thành công. Trong đó, số hạt 22Mg được tạo ra không tỉ lệ tuyến tính với cường độ chùm hạt tới của phản ứng tạo 22Mg. Ứng dụng của kết quả nghiên cứu Kết quả trong nghiên cứu này có thể được sử dụng để khảo sát cấu trúc nhóm trong hạt nhân 26 Si trên ngưỡng alpha 9.164 MeV và góp phần giải thích một số hiện tượng bất thường trong quan sát thiên văn, chẳng hạn như tia gamma 1.275 MeV; thế chờ của 22Mg;… Những kết quả thu được trong nghiên cứu này đóng góp vào sơ đồ các mức năng lượng chưa từng được ghi nhận của 26Si. Ngoài ra, các mức này góp phần đánh giá trạng thái kích thích của hạt nhân gương của nó, 26Mg vì trạng thái spin và chẵn-lẻ của các mức kích thích của hạt nhân gương này vẫn còn thiếu rất nhiều. Bên cạnh đó, suất phản ứng của phản ứng 22Mg(α,p)25Al có thể được dùng để so sánh sự cạnh tranh của quá trình bắt proton và phân rã beta của 22Mg. Ngoài ra, 3 kết quả suất phản ứng thu được từ thực nghiệm này cũng góp phần đánh giá việc khảo sát suất phản ứng theo lý thuyết thống kê của Hauser-Feshbach. Kĩ thuật tạo chùm hạt không bền 22 Mg có thể được áp dụng đối với việc tạo các chùm hạt không bền cho các thực nghiệm khác. Sự bất thường trong sự phụ thuộc vào cường độ chùm vào của cường độ chùm hạt ra cần được khắc phục. Về kĩ thuật phát triển detector, loại detector khí hoạt động (active-gastarget detector) đã được thiết kế để có thể dùng cho các phản ứng trong bia khí theo cơ chế động học ngược. Nội dung của luận án Bố cục luận án, được trình bày bằng tiếng Anh, với nội dung như sau: - Phần mở đầu. - Chương 1: Những kiến thức tổng quan về vật lý hạt nhân, vật lý thiên văn và mục tiêu của luận án. Những chuỗi phản ứng hạt nhân xảy ra trong quá trình hình thành và phát triển sao được khảo sát về mặt lý thuyết theo phương pháp suy luận từ mô hình hình thành sao. Từ đó, xác định một số phản ứng quan trọng để giải thích các hiện tượng thiên văn, trong đó có Mg(α,p)25Al và 22Mg(p,γ)23Al. Lý thuyết khảo sát suất phản ứng trong môi 22 trường các sao cũng được trình bày trong chương này. - Chương 2: Đề cập đến thực nghiệm đo trực tiếp Mg(α,α)22Mg. 22 Trong chương này, phương pháp và bố trí thực nghiệm được trình bày một cách chi tiết. Kết quả việc tạo chùm hạt không bền 22Mg cũng được chỉ ra trong phần này. - Chương 3: Trình bày việc xử lí số liệu thực nghiệm, những kết quả thu được từ thực nghiệm về hàm tiết diện vi phân theo năng lượng, các mức cộng hưởng của 26 Si từ phản ứng 22 Mg(α,α)22Mg, suất phản ứng của Mg(α,p) Al so sánh với các phản ứng khác để khảo sát những vấn đề 22 25 thiên văn. - Kết luận và kiến nghị: Những kết luận quan trọng của luận án và một số vấn đề nghiên cứu tiếp theo. 4 Chương 1. Giới thiệu Trong chương này, chúng tôi đề cập đến những kiến thức cần thiết, quan trọng của vật lý hạt nhân liên quan đến vật lý thiên văn. Từ đó, chúng ta có thể nhận thấy vị trí, vai trò của phản ứng được nghiên cứu của luận án này. 1.1. Nguồn gốc vật chất trong vũ trụ Trình bày những giả thiết và suy luận đưa đến việc xác định vật chất trong vũ trụ được cấu tạo bởi các hạt nucleon, hạt nhân và nguyên tử. 1.2. Quá trình tổng hợp nguyên tố trên các sao Trình bày quá trình tổng hợp nguyên tố trên các sao sau vụ nổ Big Bang diễn ra theo bốn quá trình chính: quá trình cháy hydrogen, quá trình cháy helium, quá trình tổng hợp nguyên tố đến Fe và quá trình tổng hợp nguyên tố nặng hơn Fe. 1.2.1. Quá trình cháy Hydrogen Tất cả quá trình tổng hợp bốn proton thành helium đều được gọi là quá trình cháy hydrogen. Trong đó, có ba quá trình chính là chuỗi proton-proton (pp), chu trình CNO và chu trình NeNa-MgAl. Mỗi quá trình tổng hợp phụ thuộc vào mật độ hạt, nhiệt độ và các hạt nhân xúc tác. Trong đó, vai trò và tầm quan trọng trong các vấn đề thiên văn của các phản ứng 22 Ne ( p, γ ) 23 Na , 22 ( Na β +υ ) 22 Ne , 22 Mg (α , p ) 25 Al và 25 Mg ( p, γ ) 26 Al được chỉ ra trong phần này. 1.2.2. Quá trình cháy helium Trình bày những nội dung cơ bản trong quá trình cháy Helium. Việc nghiên cứu quá trình cháy helium rất hữu ích cho việc giải thích nguyên nhân của sự không tồn tại hạt nhân bền có số khối A = 5, A = 8 và A = 6 11 trong tự nhiên có độ phổ biến thấp. 1.2.3. Quá trình tổng hợp nguyên tố đến Fe Trình bày quá trình cháy carbon, cháy oxygen và cháy silicon. 1.2.4. Quá trình tổng hợp hạt nhân nặng trên Fe Trình bày các quá trình: s- process, r -process và p-process. 1.3. Siêu tân tinh loại II Mục này trình bày những kiến thức cơ bản về siêu tân tinh loại II. Đây là giai đoạn kết thúc của một ngôi sao và bắt đầu hình thành sao mới. 5 1.4. X-ray burst Trong phần này, hiện tượng bùng phát tia X (X-ray Burst) được trình bày. Trong môi trường này, suất phản ứng của các phản ứng được cho là tương đối cao. Ở giai đoạn cuối của X-ray Burst, tất cả các hạt nhân nhẹ đều được biến đổi thành các nguyên tố nặng. 1.5. Tầm quan trọng của số liệu hạt nhân 26Si và phản ứng 22 Mg(α α,α α)22Mg Mục này trình bày lý do của việc nghiên cứu thực nghiệm phản ứng 22 Mg+α. Đây cũng chính là mục tiêu chính của đề tài. 1.5.1. Suất phản ứng của 22Mg(α α,p)25Al Phần này chỉ ra vị trí và vai trò quan trọng của phản ứng 22 Mg(α,p)25Al trong việc giải thích vấn đề Ne-E, quan sát tia gamma 1.275 MeV, làm sáng tỏ thế chờ của 22Mg, như trong hình 1.1 Hình 1.1. Điểm chờ 22 Mg và phản ứng 22Mg(α,p)25Al trong quá trình cháy hydrogen thông qua chu trình NeNa-MgAl. 1.5.2. Sự phân bố 26Al trong thiên hà Mục này trình bày tầm quan trọng của phân rã beta của 26Si về 26Al. 26 Al tồn tại ở trạng thái cơ bản và trạng thái đồng phân. Nếu 26Si phân rã về 26 Al ở trạng thái cơ bản thì sẽ ghi nhận được tia gamma 1.809 MeV từ 26Mg ở trạng thái kích thích. Độ phổ biến của 26Al giúp xác định tuổi thiên hà. 1.5.3. Suất phản ứng của Al(p,γγ)26Si 25 Mục này trình bày tầm quan trọng của phản ứng 25Al(p,γ)26Si mà suất phản ứng này có thể được xác định bởi thông tin 26Si. 6 1.5.4. Cấu trúc hạt nhân 26Si trên ngưỡng alpha Vai trò và tầm quan trọng của phản ứng 22Mg(α,α)22Mg trong việc nghiên cứu các mức cộng hưởng trong hạt nhân 26 Si trên ngưỡng alpha được trình bày trong phần này. 1.6. Mục đích của luận án - Khảo sát về mặt lý thuyết một số phản ứng quan trọng liên quan đến một số hiện tượng thiên văn được chỉ ra, chẳng hạn như phản ứng α+α, 8 Be+α, 25Mg(p,γ)26Al, 25Al(p,γ)26Si, 22Mg(α,p)25Al …. - Đo đạc thực nghiệm 22 Mg+α để ghi nhận số liệu của 26 Si trên 22 ngưỡng alpha (9.164 MeV) và từ đó xác định suất phản ứng Mg(α,p)25Al, 22 so sánh với suất phản ứng Mg(p,γ)23Al và suất phân rã beta của 22 Mg để đánh giá hiện tượng thiên văn về vấn đề Ne-E, tia gamma 1.275 MeV, thế chờ của 22Mg. - Đánh giá tính toán suất phản ứng theo mẫu thống kê của Hauser- Feshbach. 1.7. Suất phản ứng trong môi trường sao Việc xác định suất phản ứng được thực hiện dựa trên những lý thuyết sau đây. Suất phản ứng NA σ v của một cặp hạt được đo với đơn vị cm3s-1 đối với phản ứng a + A → b + B được xác định như sau: ∞ ∫ N A σ v = N a N A φ ( v ) vσ ( v ) dv. (1.1) 0 Trong đó, Na và NA là mật độ các hạt a và A. σ ( v ) là tiết diện của phản ứng tương tứng với vận tốc v, năng lượng E. Khi đó: NA  8  σv =    πµ  1 2  1   kT    3 ∞ 2  E  ∫ σ ( E ) E exp  − kT dE, (1.2) 0 ma mA . ma + mA 1.7.1. Phản ứng không cộng hưởng Xác suất xuyên rào Pl của hệ phản ứng được xác định bởi: với khối lượng rút gọn µ = Pl = kr 2 Fl + Gl2 , (1.3) 7 với k là vector sóng, r là khoảng cách phân tách giữa hai hạt, Fl và Gl là nghiệm của hàm Coulomb. Theo cơ học lượng tử chúng ta có:  2(2 µ )1/2 π 2 Z a Z A e 2  Pl ∝ exp  −  . 
E1/ 2   Biến đổi gần đúng xác suất xuyên rào ta thu được: (1.4) Pl = exp ( −2πη ) , (1.5) với η là tham số Sommerfeld xác định bởi: η= Z a Z Ae2 ,
v (1.6a) ( E) 1/2 2πη = 31.29Z1Z 2 µ (1.6b) , E tính theo keV, khối lượng rút gọn µ tính theo amu. Bên cạnh đó, cơ học lượng tử chỉ ra rằng tiết diện phản ứng σ tỉ lệ với bước sóng de-Broglie  =
/ p như sau: σ ∝ π
2 ∝ π p −2 ∝ E −1 . (1.7) Do đó, tiết diện phản ứng sẽ có dạng: σ (E) = S (E) E exp ( −2πη ) . (1.8) Trong đó, S(E) được gọi là S-factor, là tham số thiên văn học. Từ (1.2) và (1.8), suất phản ứng được xác định bởi (1.9): 1/ 2 NA  8  σv =    πµ   1   kT    Trong đó, b = 0.989 Z1Z 2 µ 3/2 ∞ 1/ 2  b  dE. (1.9) 1/ 2   E ∫ S ( E ) exp  − kT − E 0 ( MeV )1/ 2 . (1.10) Kết quả tổng hợp của hai hạng tử trong hàm e-mũ của (1.9) tạo ra một đỉnh phân bố, gọi là đỉnh Gamow. Tiết diện phản ứng trong vùng năng lượng này sẽ trội hơn hẳn so với những vùng khác. Tại đỉnh, suất phản ứng tính bởi: 1/ 2  8  NA σv =    πµ   1   kT    3/ 2 2/3 ∞ b  E S ( E0 ) exp  − − kT E1/ 2  0 ∫ ( )  dE .  1/3  bkT  2 2 2 E0 =  keV ,  = 1.22 Z1 Z 2 µT6 2   1/6 và độ rộng đỉnh: ∆ = 4 ( E0 kT )1/ 2 = 0.749 Z12 Z 22 µT65 keV . 3 Với đỉnh: ( 8 ) (1.11) (1.12) (1.13) 1.7.2. Suất phản ứng hạt nhân cộng hưởng Cơ chế phản ứng hạt nhân cộng hưởng được cho là xảy ra theo hai bước: hình thành hạt hợp phần compound và phân rã về trạng thái cơ bản. Hình 1.2. Phản ứng cộng hưởng với cơ chế hạt nhân hợp phần. Trong phản ứng cộng hưởng, tiết diện phản ứng đối với các mức năng lượng E được xác định bởi công thức Breit-Wigner: σ BW = π
2ω Γ a Γb ( 2) ( E − E R )2 + Γ 2 , (1.14) Γa, Γb và Γ là độ rộng riêng phần và toàn phần của kênh vào và kênh ra. ER là năng lượng hạt tới. Thừa số thống kê spin ω có thể tính bởi (1.15): ω= 2J +1 , ( 2 J a + 1) + ( 2 J A + 1) (1.15) J, Ja và JA là spin của trạng thái cộng hưởng, spin của hạt tới và của bia. Kết hợp những biểu thức trên, suất phản ứng được viết lại như sau: NA  8  σv =    πµ  1 2  1   kT    3 ∞ 2 ∫σ BW ( E ) E exp  − E  dE.  kT  0 (1.16) 1.7.2.1. Cộng hưởng hẹp Trong trường hợp Γ/ER < 20% , trong vùng cộng hưởng năng lượng thay đổi rất nhỏ khi đó suất phản ứng sẽ là: NA σ v tot = 8.08×10−9 ( µT6 ) −3/2  11605Ei  3 -1 -1  [cm .mol .s ] (1.17) T6  ∑(ωγ ) exp − i i Ei có đơn vị MeV, µ có đơn vị amu, T6 có đơn vị MegaKelvin (MK) và hàm lực cộng hưởng được cho bởi: ωγ = ω Γ a Γb . Γ (1.18) 9 1.7.2.2. Cộng hưởng rộng Trong trường hợp Γ /ER > 20% , cộng hưởng xảy ra trong khoảng năng lượng rộng, tiết diện phản ứng cộng hưởng σ(E) tại giá trị năng lượng E xung quanh ER với độ rộng ΓR = Γ(ER) có thể được tính bởi (1.19): ( Γ R / 2) Γ a ( E )Γ b ( E ) , Γ a ( ER )Γb ( ER ) ( E - ER ) 2 + (Γ / 2)2 2 σ (E) = σ R (1.19) Γ và σR là độ rộng toàn phần tương ứng với năng lượng E và tiết diện phản ứng tương ứng với năng lượng cộng hưởng ER. Độ rộng riêng phần của các hạt tương ứng với moment lượng tử quỹ đạo l được tính bởi: 1/2 Γl = 2
 2 E    Rn  µ  Pl ( E , ER )θl2 , (1.20) θ l2 là độ rộng rút gọn của trạng thái tương ứng với l và nó có thể được ghi nhận từ thực nghiệm hoặc tính toán thông qua độ rộng Γi và giới hạn Γ θl2 = i , (1.21) Wigner Wi của các kênh của phản ứng, với: Wi Wi = và giới hạn Wigner: ( ) 3
2 Pl ( E , Rn ) µ Rn2 , (1.22) với Rn = 1.45 Aa1/3 + A1/3 . A Suất phản ứng cộng hưởng rộng được xác định bởi (1.2) và (1.19). 1.8. Phương pháp R-matrix Nội dung cơ bản của phương pháp R-matrix được trình bày trong phần này. Trong đó, các thông số lượng tử của hạt nhân compound là các yếu tố ma trận R-matrix được xác định từ việc giải phương trình Shrodinger. Luận án này sử dụng code AZURE để làm khớp các giá trị thực nghiệm để thu nhận các trạng thái lượng tử trong phản ứng hạt nhân hợp phần. Chương 2. Thực nghiệm phản ứng 22Mg + α 2.1. Phương pháp thực nghiệm 2.1.1. Xác định vùng năng lượng khảo sát Phản ứng 22Mg + α đã được thiết kế để đo đạc trực tiếp tiết diện và năng lượng của phản ứng 22Mg(α,α)22Mg và 22Mg(α,p)25Al nhằm thu nhận thông tin về trạng thái lượng tử của 26Si trong vùng năng lượng E > Eαthr và 10 suất phản ứng (α,p) trong vùng nhiệt độ sao T9 = 0.5 – 2.5 GK. Cửa sổ Gamow ứng với vùng nhiệt độ môi trường sao được chỉ ra trong bảng 2.1. Bảng 2.1. Cửa sổ Gamow ứng với vùng nhiệt độ và năng lượng quan tâm Nhiệt độ (GK) 0.5 Đỉnh Gamow (MeV) 0.960 Độ rộng Gamow (MeV) 0.469 Năng lượng 26Si (MeV) 9.890 - 10.359 1.5 2.000 1.174 10.575 - 11.749 2.5 2.808 1.796 11.074 - 12.870 2.1.2. Cơ chế phản ứng động học ngược với bia dày Để đảm bảo việc khảo sát năng lượng một cách liên tục trong vùng nhiệt độ T9 = 0.5 – 2.5 GK, chúng ta cần tiến hành thực nghiệm với kỹ thuật bia dày. Hình 2.1 chỉ ra tính chất của kỹ thuật bia dày khi nghiên cứu phản ứng hạt nhân. Hình 2.1. Phản ứng với kỹ thuật bia dày theo cơ chế động học ngược. 2.1.3. Hệ đo CRIB Thực nghiệm 22Mg + α đã được tiến hành tại hệ phổ kế CRIB của đại học tổng hợp Tokyo, đặt tại RIKEN, Nhật Bản. Hình 2.2 là sơ đồ cấu tạo của CRIB (Center for Nuclear Study - CNS - low energy Radioactive Ion Beam) có thể tạo ra các chùm hạt thứ cấp không bền có năng lượng E < 10 MeV/u từ những hạt nhân bền. Các hạt nhân bền (từ 4He đến 40Ca), được tách ra từ nguồn ion ERC và được gia tốc bởi máy gia tốc cyclotron AVF (K = 70) với năng lượng 3 - 10 MeV/u và cường độ từ 100 enA (electronnanoAmpere ) đến vài eµA (electron-microAmpere). Chùm hạt sơ cấp bắn vào bia sơ cấp F0 để tạo ra chùm hạt không bền thứ cấp, chùm hạt không bền này sẽ được hệ phổ kế lọc hai lần bởi các cặp cực điện, cực từ và Wien filter. Sau khi ra khỏi Wien filter, chùm hạt không bền cần thiết cho phản ứng có độ sạch cao sẽ đi vào buồng bia phản ứng F3 cần khảo sát. 11 Hình 2.2. Sơ đồ hệ phổ kế CRIB của đại học Tokyo Thực nghiệm phản ứng 22Mg + α được thiết kế dựa trên các nguyên lý làm việc của hệ phổ kế nêu trên. Trong đó, chùm hạt sơ cấp được gia tốc từ cyclotron AVF bắn vào bia sơ cấp 3He, được giữ ở nhiệt độ nitrogen lỏng (90K) tại F0, tạo ra chùm 22Mg được lọc bởi các cực điện từ và Wien filter sau đó sẽ bắn vào bia thứ cấp là khí He+CO2(10%) tại F3. Hệ thống detector ghi nhận sản phẩm α và p từ phản ứng 22Mg + α được đặt trong buồng F3. 2.1.4. Detector đo hạt 2.1.4.1. Detector PPAC PPAC là loại detector dùng để xác định vị trí của chùm hạt. Đây là loại detector khí. Nguyên lý hoạt động dựa trên sự ion hoá của chất khí, sinh ra electron và ion di chuyển về các cặp điện cực. Tín hiệu từ các điện cực cho phép chúng ta xác định được vị trí của chùm hạt dùng để bắn vào bia khí trong buồng thực nghiệm F3. Hình 2.3 chỉ ra cấu trúc của PPAC sử dụng trong thực nghiệm này. Hình 2.3. Cấu trúc detector PPAC. (a) (b) Hình 2.4. Hệ detector gồm 3 lớp (a) và 2 lớp (b). 2.1.4.2. Thiết kế hệ thống Silicon-detector Trong thực nghiệm này, chúng tôi sử dụng các detector silicon dạng strip đơn (SSD) được thiết kế bởi công ty Hamamatsu. Trong detector, 12 mặt trước gồm 08 strip và mặt sau gồm 01 pad. Trong phép đo phản ứng Mg + α có hai kênh ra cần quan tâm là: 22Mg(α,α)22Mg và 22Mg(α,p)25Al. 22 Do quãng chạy của proton và alpha trong silicon khác nhau, vì vậy cần có sự phân biệt hạt theo phương pháp ∆E-E, nên chúng tôi thiết kế hệ detector gồm 2 hoặc 3 lớp SSD. Hình 2.4 mô tả thiết kế của hệ thống detector silicon dùng trong thực nghiệm này. 2.1.4.3. Thiết kế active-gas-target detector GEM-MSTPC Chúng tôi phát triển loại detector mới, dùng GEM foil và khí sử dụng cho detector cũng chính là bia của phản ứng, gọi là active-gas-target detector GEM-MSTPC. Loại detector này gồm hai vùng chính là vùng dịch chuyển của electron và vùng khuếch đại tín hiệu, như trong hình 2.5. Hình 2.5. Cấu tạo chính của active-target detector GEM-MSTPC. Hình 2.6. Cấu trúc vùng khuếch đại tỉ lệ của detector GEM-MSTPC. Vùng dịch chuyển của electron có kích thước 450 mm x 220 mm x 100 mm (dài x rộng x cao), vùng này chứa bia khí He+CO2(10%). Vùng khuếch đại tỉ lệ được thiết kế thành hai vùng để đo hạt nặng và hạt nhẹ, gọi là vùng low- gain và vùng high-gain. Vùng low-gain sẽ đo chùm hạt nặng tới, có kích thước 200 mm x 110 mm. Vùng high-gain gồm một vùng theo hướng và hai vùng hai bên chùm hạt tới. Trong mỗi vùng, bên dưới các GEM foil, 13 các điện cực anode, gọi là pad readout, được thiết kế dạng tam giác vuông, cạnh 4.2mm, để ghi điện tích của electron từ sự ion hoá ở vùng khí, tín hiệu các hạt sẽ được ghi nhận từ các anode này. Hình 2.6 mô tả cấu trúc các vùng khuếch đại tỉ lệ đo hạt nặng và hạt nhẹ. 2.2. Bố trí thực nghiệm 2.2.1. Bố trí đo đạc phản ứng 22Mg + α Thực nghiệm được tiến hành tại buồng F3 của hệ phổ kế CRIB. Bố trí thực nghiệm được trình bày trong hình 2.7. Hình 2.7. Bố trí hệ thống detector cho thực nghiệm 2.2.2. Hệ thống điện tử và ghi nhận số liệu Hệ điện tử ghi nhận số liệu gồm hai phần cơ bản: tín hiệu thời gian dùng cho trigger và tín hiệu năng lượng dùng để xác định các thông số vật lý của phản ứng, như chỉ ra trong hình 2.8. Hình 2.8. Sơ đồ khối điện tử dùng trong thực nghiệm đo 22Mg+α. Để Trigger được thiết lập bởi tín hiệu từ hai detector PPAC, tín hiệu trên SSD và tín hiệu chia nhỏ của chùm hạt tới được ghi bởi hai PPAC: Trigger = Beam ⊕ SSDs + Beam/n + SSDs OR Beam = PPACa ∧ PPACb 14 Vì thời gian dịch chuyển của electron từ sự ion hoá trong vùng khí về anode chậm hơn so với tín hiệu của alpha và proton trên SSD, do đó chúng ta cần thiết lập cửa sổ trùng phùng cho tín hiệu từ GEM-SMSTPC và SSD. Cửa sổ trùng phùng được xác lập như trình bày trong hình 2.9. Hình 2.9. Sơ đồ thời gian của cửa sổ trùng phùng. 2.3. Ghi đo số liệu Trong thực nghiệm này, hệ thống ghi đo số liệu sử dụng VME và CAMAC. Số liệu từ tín hiệu detector được ghi nhận theo từng sự kiện. Sau đó, thông tin từng sự kiện được lưu dưới dạng tập tin máy tính*.ridf, dạng thập lục phân. Sau khi giải mã file *.ridf , chúng ta có thể lưu số liệu dạng *.dat hoặc *.root. Sau đó, các số liệu cần quan tâm được tách lọc. 2.4. Tạo chùm hạt không bền 22Mg Để phép đo phản ứng 22Mg + α thành công, việc sản xuất chùm hạt 22 Mg (T1/2 = 2.875 s) có năng lượng đủ lớn, có cường độ và độ sạch cao rất quan trọng. Phòng thí nghiệm CRIB có thể khắc phục những khó khăn trước đây để tạo chùm 22Mg cho phép đo 22Mg + α với năng lượng trên ngưỡng alpha. Kết quả việc tạo chùm hạt này đã được tác giả công bố trên tạp chí Nuclear Instruments and Methods section A. 2.4.1. Xác định phản ứng tạo chùm hạt 22Mg Sau khi tính toán tiết diện từ các phản ứng khác nhau kết quả cho thấy phản ứng 3He(20Ne,22Mg)n có tiết diện tốt nhất. Do đó, chùm hạt 22Mg được tạo ra theo phản ứng này. 2.4.2. Tạo chùm 22Mg Chùm hạt 22Mg được sản xuất bằng phản ứng 3He(20Ne,22Mg)n. Trong đó, bia khí 3He được làm lạnh ở nhiệt độ nitrogen lỏng (90 K) với áp suất 170 torr. Chùm 22Mg thu được có cường độ 1200 pps với năng lượng tại bia là 0.85 MeV/u. Kết quả tạo chùm hạt không bền 22Mg cho phản ứng Mg + α được chỉ ra trong luận án. 22 15 Chương 3. Phân tích số liệu thực nghiệm và kết quả. Phần này trình bày chi tiết quá trình phân tích số liệu và các kết quả ghi nhận được. Các mức năng lượng của 26Si được ghi nhận và áp dụng tính toán suất phản ứng 22Mg(α,p)25Al. 3.1. Chuẩn năng lượng Việc chuẩn năng lượng được tiến hành cho hệ detector SSD và detector GEM-MSTPC. Đường chuẩn năng lượng có dạng hàm tuyến tính bậc nhất như sau: E = a × Ch + b . (3.1) Các thông số chuẩn năng lượng cho tất cả 96 strip của các SSD được trình bày trong phần phụ lục A của luận án. Kết quả chuẩn tại hình 3.1 và 3.2. Việc chuẩn năng lượng cho GEM-MSTPC được tiến hành theo hai bước: đo độ mất năng lượng của hạt ∆E bằng cách sử dụng nguồn alpha và chuẩn độ mất năng lượng thực tế đo được với tính toán lý thuyết theo công thức bán thực nghiệm của Zigler. Độ mất năng lượng này liên quan đến điện tích Q đo được trực tiếp từ GEM-MSTPC xác định bởi hàm tuyến tính sau: ∆E = αQ + β (3.2) Hình 3.1. Chuẩn năng lượng cho Hình 3.2. Chuẩn năng lượng cho vùng high gain. vùng low gain. 3.2. Nhận biết các hạt trong thực nghiệm 3.2.1. Nhận biết các hạt trong chùm hạt không bền Chúng ta cần nhận biết các hạt thuộc phản ứng 22Mg+α mà chúng ta quan tâm. Do trong chùm nặng hạt tới bia khí chứa hai ion 20 Ne và 21 Na, 22 nên chúng ta cần phân biệt Mg với chúng. Việc phân biệt các hạt này dựa trên độ mất năng lượng dE/dx, đường cong Bragg của chúng đo bởi detector khí, như trong hình 3.3. 16 3.2.2. Nhận biết các hạt nhẹ sinh ra từ phản ứng Đối với các hạt ra, alpha và proton, chúng được phân biệt bằng phương pháp ∆E – E. Trong đó, ∆E được đo bởi high-gain của GEMMSTPC, trong khi E đo bởi SSD cộng với ∆E. Kết quả nhận biết alpha và proton từ phản ứng được trình bày trong hình 3.4. Hình 3.3. Độ mất năng lượng của 22Mg, 21 Na và 20Ne được đo bởi GEM-MSTPC. Hình 3.4. Phân biệt alpha và proton theo phương pháp ∆E-E. 3.2.3. Hiệu chỉnh độ mất năng lượng Năng lượng phản ứng chính là năng lượng còn lại trên pad của GEM-MSTPC. mà ở đó xảy ra phản ứng. Việc đo trực tiếp một cách liên tục độ mất năng lượng trên mỗi pad là điều không thể trong thực tế, do đó chúng ta cần có sự hiệu chỉnh cần thiết cho những kết quả tính toán độ mất năng lượng một cách chính xác. Kết quả việc hiệu chỉnh độ mất năng lượng chi tiết được chỉ trong luận án. Bảng 3.1. Thông số hiệu chỉnh trong tính toán độ mất năng lượng. 22 4 R2 Mg He 0.999 a 0.949 ± 0.003 0.781 ± 0.010 0.999 b 0.466 ± 0.001 0.066 ± 0.002 ∆Eexp = a × ∆ESRIM + b 3.3. Phân tích số liệu 22Mg(α α,α α)22Mg 3.3.1. Thuật toán Số liệu được xử lí theo phương pháp từng sự kiện (event - by event). Mỗi sự kiện chứa một lượng lớn thông số: vị trí chùm hạt trên PPAC, 48 tín hiệu độ mất năng lượng của chùm hạt tới trong vùng low-gain của detector, 8 tín hiệu độ mất năng lượng của hạt alpha trong vùng highgain, 144 tín hiệu của các SSD (xem hình 3.5). Định dạng file chứa số liệu được chỉ ra trong bảng 3.2. Những sự kiện thoả mãn các điều kiện vật lý của phản ứng mà chúng ta quan tâm sẽ được chọn lọc. 17 Bảng 3.2. Định dạng của fille chứa các thông số trong một sự kiện. Event PPACa PPACb 1 2 … n X1Y1-X2Y2 X1Y1-X2Y2 … X1Y1-X2Y2 X1Y1-X2Y2 X1Y1-X2Y2 … X1Y1-X2Y2 Low-gain Pad1 … Pad48 P1 … P48 P1 … P48 … P1 … P48 High-gain Pad1 … Pad8 P1 … P8 P1 … P8 … P1 … P8 Strip Si Si … Si Hình 3.5. Mô tả các thông số ghi nhận trong một sự kiện. Để chọn lọc các hạt 22Mg, chúng ta cần phải thực hiện đặt điều kiện cho nó, gọi là gate beam. Việc này được tiến hành dựa vào sự nhận biết các hạt theo phương pháp dE/dx bằng detector khí và thuật toán xác định đường bay của hạt 22Mg. Việc xác định hướng bay của 22 Mg được tiến hành dựa trên độ mất năng lượng khác nhau giữa các anode trong một pad. Nếu hai anode có độ mất năng lượng như nhau thì đó chính là những hạt 22Mg bay thẳng chính giữa bia mà chúng ta quan tâm, như chỉ ra trên hình 3.6. Hình 3.6. Chọn lọc chùm hạt 22 Mg dựa trên độ phổ biến của chùm hạt. Bước tiếp theo là chúng ta lọc các sự kiện chứa các hạt alpha và 22Mg và xác định được vị trí của hạt alpha trên các strip của SSD. Bước thứ ba là xác định vị trí phản ứng và góc tán xạ của alpha. Bước thứ tư xác định năng lượng của phản ứng. Khi đó, chúng ta thu được các thông số vật lý của phản ứng: năng lượng phản ứng Ereact, năng lượng alpha Eα, và góc tán xạ θα: Ereact. = Einc. - Ewd - Edl - Edz, 18 (3.3)