Luận án tiến sĩ nghiên cứu ứng dụng một số phản ứng hạt nhân gây bởi chùm hạt tí

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------***--------------- NGUYỄN THẾ NGHĨA NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MỘT SỐ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN GÂY BỞI CHÙM HẠT TÍCH ĐIỆN TRÊN MÁY GIA TỐC TĨNH ĐIỆN TRONG PHÂN TÍCH LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI - 2016 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------***--------------- NGUYỄN THẾ NGHĨA NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MỘT SỐ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN GÂY BỞI CHÙM HẠT TÍCH ĐIỆN TRÊN MÁY GIA TỐC TĨNH ĐIỆN TRONG PHÂN TÍCH Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số: 62440106 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Lê Hồng Khiêm 2. Bùi Văn Loát HÀ NỘI - 2016 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được thực hiện trong thời gian làm tiến sĩ trên máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Các số liệu, kết quả mới mà tôi công bố trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Hà Nội, ngày 20 tháng 6 năm 2016 Tác giả Nguyễn Thế Nghĩa i TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành Luận án này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiệt tình của hai thầy hướng dẫn, đó là GS. Lê Hồng Khiêm, Viện trưởng Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, và PGS. Bùi Văn Loát, cán bộ giảng dạy tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhên, ĐHQGHN. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với hai thầy.

Trong quá trình làm NCS, tôi cũng nhận được sự giúp đỡ, động viên chân tình của các cán bộ thuộc Bộ môn Vật lý Hạt nhân cũng như các cán bộ thuộc Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhên, ĐHQGHN. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, động viên chân tình này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các Lãnh đạo Bộ môn, Khoa Vật lý, các Phòng chức năng và Lãnh đạo Nhà trường đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành Luận án này. Đặc biệt là các cán bộ trong nhóm máy gia tốc đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình tôi làm NCS.

Đây là những sự giúp đỡ rất cụ thể và thường xuyên, tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ quí giá này. Cuối cùng là những tình cảm của những người thân trong gia đình đã giúp cho tôi rất nhiều trong quá trình tôi thực hiện Luận án này. Tác giả luận án ii TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com MỤC LỤC MỞ ĐẦU. TỔNG QUAN CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SỬ DỤNG CHÙM ION TRÊN MÁY GIA TỐC TĨNH ĐIỆN.

Giới thiệu chung. Phương pháp phân tích sử dụng chùm ion. Phương pháp PIXE. So sánh PIXE với các kỹ thuật phân tích tia X khác.

So sánh phân tích PIXE và XRF. Phân tích tán xạ ngược Rutherford (RBS). Hệ số động học của quá trình tán xạ đàn hồi. Tiết diện tán xạ Rutherford.

Phân tích phản ứng hạt nhân (NRA). Phân tích tán xạ đàn hồi giật lùi (EDRA). Nguyên lý phân tích tán xạ đàn hồi giật lùi. Hệ số động học.

Các yêu cầu trong phân tích tán xạ đàn hồi giật lùi. 19 CHƢƠNG II. MÁY GIA TỐC TĨNH ĐIỆN 5SDH-2 PELLETRON VÀ CÁC HỆ DETECTOR TRÊN MÁY GIA TỐC. Máy gia tốc tĩnh điện 5SDH-2 Pelletron.

Buồng gia tốc chính. Hệ chân không. Bộ hội tụ điều chỉnh và lái chùm tia. Phần hội tụ điều chỉnh chùm tia năng lượng thấp.

Phần hội tụ điều chỉnh chùm tia năng lượng cao. Các kênh ra của chùm ion. 32 iii TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Detector trong buồng phân tích.

Các detector trong buồng phân tích. 34 CHƢƠNG III. PHẢN ỨNG HẠT NHÂN TRÊN MÁY GIA TỐC. Một số phản ứng hạt nhân gây bởi proton trên máy gia tốc tĩnh điện.

Các đặc trưng chính của các phản ứng gây bởi proton. Các phản ứng hạt nhân cộng hưởng gây bởi proton. Ứng dụng để nghiên cứu đặc tính theo độ sâu (depth profile). Ứng dụng để nghiên cứu sự phồng dộp của thanh nhiên liệu.

Ứng dụng để nghiên cứu chế tạo mẫu chuẩn hydro. Phản ứng hạt nhân cộng hưởng của nhôm trên máy gia tốc. Phản ứng bắt proton. Đặc trưng của phản ứng hạt nhân cộng hưởng 27Al(p,γ)28Si.

Ứng dụng để chuẩn hóa năng lượng chùm ion của máy gia tốc. Cơ sở lựa chọn phản ứng hạt nhân 27Al(p,γ)28Si. Chuẩn bị thí nghiệm. Các bước chiếu mẫu làm thí nghiệm.

Kết quả thí nghiệm. 57 CHƢƠNG IV. PHÂN TÍCH RBS, PIXE VÀ KẾT QUẢ. Kết quả phân tích RBS.

Mẫu mạ nano Crom trên nền Zn. Quá trình xử lý mẫu. Kết quả phân tích. Mẫu mạ nano vàng trên huy chương.

Kết quả phân tích PIXE. Mẫu phân tích PIXE loại mẫu mỏng. Chuẩn bị và đo mẫu mỏng. Kết quả phân tích PIXE với mẫu mỏng.

Phân tích PIXE với mẫu dày. 76 iv TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Mẫu dày đã biết ma trận mẫu. Mẫu dày chưa biết ma trận mẫu.

Phân tích PIXE bằng phương pháp chuẩn nội. Quá trình chuẩn bị. Quá trình chiếu mẫu. Kết quả phân tích.

91 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 92 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN. 131 v TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com BẢNG KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt tắt ADC Analog to Digital Converter Bộ biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ANSTO Australian Nuclear Science and Cơ quan Khoa học và Công Technology Organisation nghệ Hạt nhân Úc ERDA Elastic Recoil Detection Analysis Phân tích tán xạ đàn hồi giật lùi FWHM Full Width at Half Maximum Độ rộng nửa chiều cao GUPIX is a versatile software package for Một phần mềm đa năng phù fitting PIXE hợp cho phân tích PIXE IBA Ion Beam Analysis Phương pháp phân tích bằng chùm ion LOD Limit of Detection Giới hạn phát hiện MCA Multi-Channel Analyzer Bộ phân tích đa kênh MeV Mega Electron Volt Năng lượng của electron khi đi qua hiệu thế một triệu vôn NAA Neutron Activation Analysis Phân tích kích hoạt Neutron NEC National Electrostatics Corporation Công ty Tĩnh điện Quốc gia (Hoa Kỳ) NIST The National Institute of Standards Viện Công nghệ và Tiêu and Technology of the U. chuẩn Quốc gia, Hoa Kỳ NRA Nuclear Reaction Analysis Phương pháp phân tích dựa vào phản ứng hạt nhân PIGE Proton Induced Gamma-ray Phát xạ gamma cảm ứng bằng Emission proton PIXE Particle-Induced X-ray Emission Phân tích phát xạ tia X tạo bởi chùm hạt vi TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ppm Part Per Million Một phần triệu RBS Rutherford Backscattering Phương pháp phổ tán xạ Spectrometry ngược Rutherford RF Radio Frequency Dao động vô tuyến cao tần RF Source Charge Exchange Ion Source Nguồn ion trao đổi điện tích RF RNRA Resonant Nuclear Reaction Phân tích phản ứng cộng Analysis hưởng hạt nhân SDD Silicon Drift Detector Detector tia X trường cuốn SNICS Source of Negative Ions by Cesium Nguồn ion âm phún xạ ca tốt Sputtering bởi Xêsi (Cs) TTPIXE Thick Target Proton Induced X-ray Mẫu dày cho phân tích PIXE Emission XRD X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X XRF X-ray Fluorescence Phân tích huỳnh quang tia X vii TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ Hình 1.

Sơ đồ phát tia X đặc trưng. Quá trình tán xạ đàn hồi trong hệ quy chiếu phòng thí nghiệm. Tiết diện ghi nhận các ion tán xạ ngược. Sơ đồ của quá trình phản ứng hạt nhân.

Sơ đồ tán xạ đàn hồi. Kí hiệu i là của ion tới, r là của hạt nhân bia. Các hệ số động học cho các ion tán xạ (Ks) và các hạt nhân. Năng lượng tán xạ đàn hồi và tiết diện của các hạt nhân giật lùi khi các ion tới là nhẹ hơn (a) hoặc nặng hơn (b) so với hạt nhân bia.

Hình ảnh tổng thể của máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron. Sơ đồ cấu tạo của nguồn ion RF. Sơ đồ cấu tạo của nguồn ion SNICS. Hình ảnh bên trong của buồng gia tốc.

Cấu tạo và hoạt động của bộ tạo cao thế bên trong. Sơ đồ thấu kính tĩnh điện Einzel. Sơ đồ nguyên lý nam châm tứ cực từ kép. Quĩ đạo của ion đi qua nam châm.

Mô hình hàng rào thế Coulomb của hạt nhân. Tiết diện tương tác của phản ứng 27Al(p,y)28Si cho các năng lượng proton khác nhau. Chu trình Mg-Al trong các lõi ngôi sao được đốt cháy bởi Hydro. Các đỉnh phản ứng hạt nhân cộng hưởng 27Al(p,γ)28Si.

Phổ phân rã gamma thu được tại các đỉnh cộng hưởng 27Al(p,γ)28Si48 Hình 3. Vị trí các đỉnh cộng hưởng trên mẫu dày và mỏng của nhôm. Sơ đồ các mức kích thích của 28Si cho đỉnh cộng hưởng Ep = 2517,7 keV của phản ứng 27Al(p,γ)28Si. Các trạng thái phân rã của 27Al(p,y)28Si tại 4 đỉnh cộng hưởng có Ep là 767 keV, 742 keV, 760,4 keV và 773,6 keV.

51 viii TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Lá nhôm mỏng dùng để làm bia tạo phản ứng. Giá đỡ bố trí thí nghiệm. Sau khi hoàn thành gắn lá nhôm trên giá đỡ.

Sơ đồ hình học và quá trình chiếu chùm ion. Phổ gamma tương ứng với cộng hưởng 991. Phổ gamma ở ngoài đỉnh cộng hưởng 991. Đường cong cộng hưởng tại 3 đỉnh đã thu được.

Kết quả thu được của Đại học Florida. Đường chuẩn năng lượng cho máy gia tốc tĩnh điện 5SDH-262 Hình 4. Mẫu ốc vít mạ nano crom. Phổ RBS đã khớp của mẫu mạ crom.

Phổ RBS của mẫu mạ nano vàng trên huy chương. Mẫu chuẩn mỏng và mẫu phân tích gắn trên giá. Phổ của mẫu chuẩn Ni. Phổ của mẫu blank.

Phổ PIXE của mẫu mỏng số 5. Các mẫu dày hợp kim chuẩn bị phân tích. Phổ của dây đồng gần như nguyên chất. Phổ sau khi khớp của mẫu Cu.

Phổ PIXE của vật liệu làm tiếp điểm trong Atomat. Phổ đã khớp của vật liệu làm tiếp điểm trong Atomat. Quá trình chuẩn bị mẫu dạng bột. Phổ PIXE của một mẫu đất sét.

Mẫu địa chất chuẩn nội đã được chuẩn bị xong. Phổ của mẫu BD 525 chưa có CuSO4. Phổ của mẫu BD 525 đã có CuSO4. 88 ix TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 2.

So sánh các phương pháp phân tích. Phản ứng hạt nhân gây bởi đồng vị Hydro (p,d). Phản ứng hạt nhân gây bởi đồng vị Helium .