Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu parametrization cross-section photofission 238U và mô phỏng GEANT4 cho thiết kế IGISOL - Lê Tuấn Anh

Chẩn đoán vết nứt cần trục tháp bằng thử nghiệm động: Luận án TS đề xuất phương pháp mới, tối ưu hóa an toàn.

Trường ĐH

Graduate University of Science and Technology

Tác giả

Luan An

Thể loại

Luận án tiến sĩ

Năm xuất bản

Số trang

122

Thời gian đọc

19 phút

Lượt xem

0

Lượt tải

0

Phí lưu trữ

40 Point

Tổng quan nhanh

Chủ đề:
1. Tổng quan cơ sở ELI-NP và hệ thống IGISOL hạt nhân
Số trang:
122 trang
Trường:
Graduate University of Science and Technology
Chuyên ngành:
Atomic and Nuclear Physics
Tác giả:
Năm:

Tóm tắt nội dung luận án

I. Tổng quan cơ sở ELI NP và hệ thống IGISOL hạt nhân

Cơ sở ELI-NP (Extreme Light Infrastructure - Nuclear Physics) tại Romania là trung tâm vật lý hạt nhân tiên tiến hàng đầu thế giới. Dự án cung cấp chùm photon năng lượng cao với độ rực rỡ vượt trội. Mục tiêu trọng tâm tập trung vào nghiên cứu cấu trúc hạt nhân và vật lý thiên văn hạt nhân. Hệ thống IGISOL (Ion Guide Isotope Separator On-Line) đóng vai trò nòng cốt trong việc chiết xuất các đồng vị phóng xạ có thời gian sống ngắn. Kỹ thuật này khắc phục triệt để các giới hạn hóa học của phương pháp ISOL truyền thống. Sự kết hợp giữa chùm photon chuẩn trực và hệ thống IGISOL mở ra hướng tiếp cận đột phá cho các phản ứng quang hạt nhân. Chùm ion phóng xạ thứ cấp (RIB) tạo ra từ quá trình phân hạch hạt nhân cung cấp nguồn dữ liệu thực nghiệm quý giá. Thiết kế tổ hợp thực nghiệm đòi hỏi các tính toán chuẩn xác từ lý thuyết đến mô phỏng thực tế. Tổ hợp ELI-NP IGISOL cung cấp môi trường lý tưởng để khám phá các trạng thái kích thích cao của hạt nhân nặng. Nền tảng này tạo tiền đề vững chắc cho các nghiên cứu chuyên sâu về phản ứng hạt nhân cảm ứng quang. Toàn bộ thiết kế hệ thống hướng tới việc tối đa hóa sản lượng ion phóng xạ thu nhận được.

1.1. Vai trò của chùm tia gamma cường độ cao tại ELI NP

Hệ thống chùm tia gamma tại ELI-NP tạo ra nguồn photon đơn sắc cường độ cực cao thông qua cơ chế tán xạ Compton ngược giữa chùm laser và chùm electron. Năng lượng chùm tia dao động linh hoạt trong dải từ vài MeV đến gần 20 MeV. Dải năng lượng này bao phủ trọn vẹn vùng năng lượng kích thích hạt nhân quan trọng. Chùm photon chuẩn trực cao cho phép kích hoạt hiệu quả các phản ứng quang hạt nhân trên các bia hạt nhân nặng như Urani-238. Độ rực rỡ và độ phân giải phổ cao loại bỏ đáng kể các hiệu ứng nền không mong muốn. Dòng photon chiếu thẳng vào bia mục tiêu với kích thước vết chùm được kiểm soát chặt chẽ. Đặc tính này giúp tối ưu hóa mật độ tương tác bên trong buồng phản ứng hạt nhân.

1.2. Kỹ thuật tách đồng vị online bằng buồng dẫn ion IGISOL

Hệ thống IGISOL (Ion Guide Isotope Separator On-Line) hoạt động dựa trên nguyên lý dừng và làm chậm các ion phóng xạ trong môi trường khí trơ áp suất cao. Mảnh phân hạch sinh ra từ phản ứng quang hạt nhân bay vào buồng khí và mất dần động năng qua các va chạm nguyên tử. Trạng thái điện tích của ion nhanh chóng chuyển về mức +1 hoặc +2 nhờ tương tác trao đổi điện tích với khí heli. Dòng khí trơ cuốn các ion thứ cấp qua miệng lỗ thoát micro mà không phụ thuộc vào tính chất hóa học của nguyên tố. Quá trình chiết xuất ion diễn ra cực nhanh trong khoảng thời gian vài mili-giây. Thời gian vận chuyển ngắn hạn chế tối đa sự phân rã phóng xạ của các đồng vị kém bền. Đây là ưu thế vượt trội giúp thu thập các hạt nhân nằm xa thung lũng bền vững.

1.3. Phương pháp sản xuất chùm ion phóng xạ chùm tia thứ cấp

Sản xuất chùm ion phóng xạ thứ cấp (RIB) chất lượng cao là yêu cầu tiên quyết cho các nghiên cứu cấu trúc hạt nhân ngoại lai. Phương pháp IGISOL kết hợp cùng chùm gamma năng lượng cao mở ra khả năng tạo chùm ion giàu neutron với độ tinh khiết vượt trội. Các ion sau khi thoát khỏi buồng dẫn ion được gia tốc và hội tụ bằng hệ thống thấu quang điện từ SPIG (Sextupole Ion Guide). Chùm ion tiếp tục đi qua khối phổ kế từ trường để phân tách chính xác theo tỷ số khối lượng trên điện tích. Quy trình này cung cấp các chùm ion đơn đồng vị phục vụ đo đạc quang phổ laser và bẫy ion chính xác cao. Độ đồng đều của chùm ion thứ cấp ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy của các phép đo hạt nhân tiếp theo.

II. Tham số hóa tiết diện quang phân hạch 238U chuẩn xác

Phản ứng quang phân hạch 238U (238U photofission) là cơ chế nền tảng để sản xuất các mảnh phân hạch giàu neutron. Việc xác định chính xác tiết diện quang phân hạch (Photofission cross-section) đóng vai trò quyết định trong việc đánh giá hiệu suất của toàn bộ hệ thống. Các mô hình lý thuyết trước đây thường thiếu tính nhất quán khi áp dụng cho các nguồn bức xạ khác nhau. Phương pháp tham số hóa tiết diện (Cross-section parametrization) thực nghiệm được xây dựng nhằm mô tả đồng thời tiết diện toàn phần, phân bố khối lượng và phân bố điện tích đồng khối. Công thức tham số hóa liên kết trực tiếp năng lượng photon tới với các thông số vật lý của hạt nhân phân hạch. Kết quả tham số hóa cung cấp bộ dữ liệu đầu vào chuẩn xác cho các phần mềm tính toán hạt nhân. Nghiên cứu tập trung tái hiện hành vi phân hạch trong dải năng lượng từ ngưỡng phân hạch đến 20 MeV.

2.1. Xây dựng công thức tham số hóa tiết diện quang phân hạch

Công thức tham số hóa tiết diện quang phân hạch được thiết lập dựa trên sự kết hợp giữa mô hình thống kê hạt nhân và dữ liệu thực nghiệm hiện có. Hàm tham số hóa mô tả tiết diện toàn phần qua các đỉnh cộng hưởng Lorentzians đôi đặc trưng cho hạt nhân biến dạng trục như 238U. Năng lượng ngưỡng phân hạch và độ cao hàng rào phân hạch được hiệu chỉnh tỉ mỉ theo từng kênh phân hạch cụ thể. Sự phụ thuộc năng lượng của xác suất phân hạch được mô hình hóa liên tục từ ngưỡng đến vùng năng lượng cao. Mô hình tính toán phân tách rõ ràng giữa phân hạch bậc một và các quá trình phát hạt trước phân hạch. Độ chính xác của tham số hóa tiết diện giúp giảm thiểu sai số hệ thống trong các dự báo sản lượng hạt nhân.

2.2. Phân bố khối lượng và điện tích đồng khối của mảnh phân hạch

Phân bố khối lượng của các mảnh quang phân hạch 238U mang đặc tính bất đối xứng rõ rệt tại vùng năng lượng thấp và chuyển dần sang đối xứng khi năng lượng photon tăng. Mô hình 5 hàm Gauss được áp dụng để khớp nối các đỉnh khối lượng nhẹ và khối lượng nặng của sản phẩm phân hạch. Phân bố điện tích đồng khối được chuẩn hóa bằng hàm phân bố điện tích Gaussian với độ dịch chuyển điện tích phụ thuộc vào khối lượng mảnh. Các tham số độ rộng phân bố và độ dịch điện tích nguyên tử được tối ưu hóa đồng thời. Mô hình phản ánh chính xác hiệu ứng chẵn lẻ proton và neutron trong quá trình hình thành mảnh phân hạch. Cấu trúc vỏ hạt nhân đóng vai trò then chốt trong việc định hình phổ khối lượng sản phẩm.

2.3. Kiểm chứng mô hình với dữ liệu thực nghiệm bức xạ hãm

Kiểm chứng mô hình tham số hóa được thực hiện bằng cách so sánh trực tiếp với các số liệu thực nghiệm thu được từ nguồn bức xạ hãm (Bremsstrahlung radiation) và photon đơn sắc. Dữ liệu nén tích phân từ phổ bức xạ hãm liên tục được giải tích chập để so sánh với tiết diện vi phân của mô hình. Kết quả tính toán cho thấy độ tương thích vượt trội trên toàn bộ dải năng lượng từ 5 MeV đến 20 MeV. Sự trùng khớp giữa lý thuyết tham số hóa và thực nghiệm khẳng định độ tin cậy của bộ tham số đề xuất. Phương pháp giải quyết thỏa đáng các bất đồng lịch sử giữa các tập dữ liệu đo đạc bằng chùm photon đơn sắc và chùm bức xạ hãm. Bộ dữ liệu chuẩn hóa này là cơ sở vững chắc cho các bài toán thiết kế thực nghiệm sau này.

III. Cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ trong quang phân hạch

Cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ (Giant Dipole Resonance - GDR) là cơ chế kích thích chủ đạo chi phối các phản ứng quang hạt nhân (Photonuclear reactions) ở dải năng lượng 10-20 MeV. Khi photon gamma tương tác với hạt nhân 238U, toàn bộ hệ proton dao động ngược pha so với hệ neutron. Hạt nhân hấp thụ năng lượng photon và chuyển dịch lên trạng thái kích thích tập thể cao. Năng lượng kích thích này phân rã chủ yếu qua kênh phát neutron và kênh quang phân hạch 238U. Do 238U có hình dạng ellipsoid thuôn dài, đỉnh cộng hưởng GDR bị tách đôi thành hai mode dao động dọc trục đối xứng và vuông góc trục đối xứng. Việc phân tích chính xác biên độ và độ rộng của hai mode dao động này cho phép dự báo chuẩn xác xác suất phân hạch.

3.1. Cơ chế phản ứng quang hạt nhân tại vùng năng lượng GDR

Cơ chế phản ứng quang hạt nhân trong vùng năng lượng GDR diễn ra qua hai giai đoạn riêng biệt gồm kích thích tập thể ban đầu và phân rã thống kê sau đó. Khi hấp thụ photon gamma, hạt nhân 238U hình thành trạng thái hợp phần với năng lượng kích thích xác định. Hàng rào phân hạch của 238U đóng vai trò van điều tiết sự cạnh tranh giữa phát hạt neutron và phân hạch hạt nhân. Tỷ số giữa độ rộng phân hạch và độ rộng phát neutron thay đổi mạnh mẽ theo năng lượng kích thích. Tại vùng đỉnh GDR xung quanh 14 MeV, xác suất quang phân hạch đạt giá trị cực đại. Năng lượng kích thích truyền vào hệ hạt nhân chi phối trực tiếp động năng và độ kích thích của các mảnh phân hạch thứ cấp.

3.2. Ảnh hưởng của bức xạ hãm và photon đơn sắc tới phân hạch

Các nguồn bức xạ hãm (Bremsstrahlung radiation) tạo ra phổ photon liên tục với mật độ năng lượng giảm dần theo hàm mũ đến năng lượng cực đại của chùm electron. Ngược lại, nguồn photon laser Compton tại ELI-NP cung cấp chùm photon đơn sắc với dải năng lượng hẹp và độ định hướng tuyệt đối. Chùm photon đơn sắc cho phép quét chọn lọc từng điểm năng lượng kích thích trên đường cong cộng hưởng GDR. Nhờ đó, các kênh phân hạch cụ thể được kích hoạt độc lập mà không bị chồng lấn bởi các phản ứng năng lượng thấp hoặc năng lượng cao. Việc loại trừ đuôi năng lượng thấp giúp tối ưu hóa tỷ lệ phân hạch trên tổng liều bức xạ chiếu vào bia. Điều này làm tăng độ sạch và hiệu quả thu gom của buồng dẫn ion.

3.3. Dự báo năng lượng kích thích và phân bố hạt nhân kích thích

Năng lượng kích thích của hạt nhân tiền phân hạch quyết định trực tiếp số lượng neutron phát ra trước và sau khi đứt gãy hạt nhân. Phân bố năng lượng kích thích được tính toán chi tiết dựa trên hàm mật độ mức hạt nhân Fermi khí cải biên. Khi năng lượng photon tăng cao, xác suất phát neutron thứ cấp trước phân hạch (phân hạch cơ hội hai) bắt đầu xuất hiện và cạnh tranh với phân hạch trực tiếp. Việc mô hình hóa chính xác phân bố hạt nhân kích thích cho phép xác định tỷ lệ các đồng vị giàu neutron được bảo toàn trong mảnh phân hạch. Các tính toán chỉ ra rằng vùng năng lượng photon từ 12 đến 16 MeV mang lại hiệu suất tạo hạt nhân giàu neutron tối ưu nhất.

IV. Tối ưu buồng khí dừng ion qua mô phỏng GEANT4 chi tiết

Mô phỏng GEANT4 (GEANT4 simulation toolkit) là công cụ then chốt trong việc thiết kế và tối ưu hóa buồng khí dừng ion (Gas stopping cell / Ion guide cell). Bộ công cụ mô phỏng chính xác tương tác của bức xạ với vật chất, từ sự tán xạ của photon đến quá trình mất năng lượng của ion trong chất khí. Một lớp xử lý vật lý chuyên biệt cho quá trình quang phân hạch đã được phát triển và tích hợp trực tiếp vào mã nguồn GEANT4. Quá trình mô phỏng bao quát toàn diện cấu trúc hình học phức tạp của hệ thống bia nhiều lớp và môi trường khí heli. Mô phỏng theo dõi quỹ đạo của từng mảnh phân hạch từ điểm sinh ra trong bia rắn đến khi dừng lại trong chất khí. Kết quả mô phỏng cung cấp các thông số kỹ thuật tối ưu phục vụ chế tạo thực tế buồng IGISOL tại ELI-NP.

4.1. Tích hợp quá trình quang phân hạch vào bộ công cụ GEANT4

Quá trình tích hợp phản ứng quang phân hạch vào GEANT4 đòi hỏi việc xây dựng các lớp mã nguồn mới để kế thừa bộ tham số hóa tiết diện thực nghiệm. Mô hình phân hạch chuẩn trong GEANT4 thường đánh giá chưa chuẩn xác phân bố khối lượng và điện tích tại dải năng lượng thấp của photon. Bằng cách chèn trực tiếp các hàm phân bố tham số hóa vào bộ tạo biến cố phân hạch, mã nguồn mới tái hiện chân thực phổ sản phẩm phân hạch. Chương trình tính toán chính xác động năng ban đầu của từng mảnh dựa trên định luật bảo toàn động lượng và năng lượng phân rã Q. Thuật toán mới đảm bảo sự bảo toàn số nucleon và điện tích trong từng biến cố phân hạch đơn lẻ. Độ chính xác của mô hình vật lý tạo nền tảng vững chắc cho mọi tính toán vận chuyển hạt tiếp theo.

4.2. Tối ưu hóa cấu trúc hình học bia và góc nghiêng lá bia 238U

Cấu trúc hình học của bia Urani ảnh hưởng mang tính quyết định đến tỷ lệ mảnh phân hạch thoát ra ngoài môi trường khí. Mô phỏng GEANT4 tiến hành khảo sát đa biến về độ dày lá bia, kích thước bề mặt, góc nghiêng lá bia và khoảng cách giữa các lá bia liên tiếp. Các lá bia mỏng 238U được đặt nghiêng một góc tối ưu so với trục chùm photon nhằm tăng chiều dài tương tác hiệu dụng của photon trong khi vẫn giữ nguyên bề dày thoát hạt ngắn. Độ dày lớp đệm hỗ trợ cơ học cũng được tối ưu hóa để giảm thiểu sự tự hấp thụ mảnh phân hạch. Kết quả mô phỏng xác định góc nghiêng từ 5 đến 10 độ cùng độ dày bia từ vài micromet mang lại sản lượng mảnh thoát tối đa. Cấu hình đa bia nghiêng nối tiếp tối đa hóa việc khai thác chùm gamma cường độ cao.

4.3. Quãng chạy và hiệu suất nhiệt hóa ion trong buồng khí dừng ion

Buồng khí dừng ion sử dụng khí heli tinh khiết ở nhiệt độ thấp để làm chậm và nhiệt hóa các mảnh phân hạch có động năng cao. GEANT4 mô phỏng chi tiết quá trình mất năng lượng ion hóa theo lý thuyết dừng Bethe-Bloch và tương tác va chạm hạt nhân ở dải năng lượng thấp. Trạng thái điện tích hiệu dụng của ion biến đổi liên tục dọc theo quỹ đạo dừng trong chất khí. Quãng chạy của các nhóm mảnh nặng và mảnh nhẹ trong môi trường khí heli ở các dải áp suất khác nhau được lượng hóa chính xác. Kích thước buồng khí và trường điện dẫn hướng được thiết kế sao cho toàn bộ mảnh phân hạch dừng lại trước khi chạm vào thành buồng. Hiệu suất nhiệt hóa và tỷ lệ sống sót của ion đơn điện tích đạt mức tối ưu trong buồng khí siêu sạch.

V. Đánh giá hiệu suất sản phẩm phân hạch làm giàu neutron

Hiệu suất sản phẩm phân hạch (Fission fragment yields) thu nhận được tại cổng thoát IGISOL là thước đo cuối cùng cho chất lượng thiết kế hệ thống. Quá trình giải phóng các mảnh phân hạch từ bia rắn vào thể tích buồng khí phụ thuộc chặt chẽ vào cấu trúc vi mô của vật liệu và động học phản ứng. Sự kết hợp đồng bộ giữa mô hình tham số hóa tiết diện và mô phỏng GEANT4 cho phép định lượng chính xác tốc độ sinh ion của từng đồng vị cụ thể. Các hạt nhân giàu neutron hiếm gặp được sinh ra với hiệu suất cao quanh các vùng vỏ đóng ma thuật. Nguồn ion này phục vụ trực tiếp cho các phép đo khối lượng có độ chính xác siêu cao và phân rã beta. Dữ liệu thực nghiệm thu được đóng góp quan trọng vào việc giải mã quá trình tổng hợp nguyên tố thiên văn học r-process.

5.1. Tốc độ giải phóng mảnh phân hạch từ các lá bia mỏng

Tốc độ giải phóng mảnh phân hạch từ các lá bia mỏng 238U được tính toán thông qua việc theo dõi tỷ lệ thất thoát do tự hấp thụ trong lòng bia. Do mảnh phân hạch có khối lượng lớn và điện tích ban đầu cao, quãng chạy của chúng trong kim loại Urani chỉ giới hạn trong khoảng vài micromet. Tối ưu hóa kích thước hạt vật liệu và độ nhám bề mặt lá bia giúp nâng cao xác suất thoát hạt vào buồng khí dừng ion. Mô phỏng chỉ ra rằng cấu hình bia nghiêng nhiều lớp giúp tăng tốc độ giải phóng tổng cộng lên gấp nhiều lần so với bia đơn vuông góc. Tốc độ thu nhận mảnh phân hạch tại vùng dừng ion đạt trạng thái cân bằng ổn định dưới chùm gamma liên tục. Dữ liệu tính toán cung cấp bức tranh chi tiết về dòng hạt thứ cấp rời khỏi hệ thống bia.

5.2. Khả năng chiết xuất hạt nhân giàu neutron phục vụ vật lý thiên văn

Các hạt nhân giàu neutron nằm xa thung lũng bền là đối tượng nghiên cứu chủ chốt của vật lý hạt nhân hiện đại và thiên văn học hạt nhân. Phản ứng quang phân hạch 238U có ưu thế vượt trội trong việc sản xuất các đồng vị cực giàu neutron thuộc vùng khối lượng A = 80-160. Quá trình bắt neutron nhanh (r-process) chịu trách nhiệm tổng hợp hơn một nửa số nguyên tố nặng hơn sắt trong vũ trụ. Tốc độ sản xuất các hạt nhân quan trọng như 132Sn, 78Ni và các đồng vị lân cận tại ELI-NP IGISOL được dự báo định lượng chi tiết. Hiệu suất chiết xuất cao của buồng dẫn ion cho phép đo đạc chu kỳ bán rã và năng lượng phân rã của các hạt nhân cực ngắn ngày. Những dữ liệu thực nghiệm này là chìa khóa then chốt để kiểm chứng các mô hình thiên văn tổng hợp hạt nhân.

5.3. Định hướng ứng dụng và phát triển cơ sở thực nghiệm IGISOL

Kết quả nghiên cứu cung cấp bản thiết kế hoàn chỉnh và hướng dẫn kỹ thuật chi tiết cho việc lắp đặt buồng khí dừng ion tại ELI-NP. Mô hình tham số hóa và bộ công cụ GEANT4 đã phát triển có thể mở rộng ứng dụng cho các cơ sở nghiên cứu chùm ion phóng xạ thế hệ mới trên toàn cầu. Các thông số vận hành buồng khí, áp suất làm việc và cấu hình bia được chuẩn hóa để đạt hiệu suất truyền dẫn cao nhất. Nghiên cứu mở ra triển vọng to lớn trong việc mở rộng ranh giới bản đồ hạt nhân đã biết sang vùng giàu neutron chưa từng được khám phá. Cơ sở IGISOL tại ELI-NP hứa hẹn sẽ mang lại những đột phá khoa học quan trọng trong lĩnh vực cấu trúc hạt nhân và vật lý hạt cơ bản.

Mục lục chi tiết luận án

LỜI CAM ĐOAN
Acknowledgements
List of tables
List of figures
Abstract
Introduction
1. 1 OVERVIEW
1.1. The Extreme Light Infrastructure Nuclear Physics facility
1.2. Gamma Beam System
1.3. Methods for production of RIB
1.3.1. The ISOL technique
1.3.2. The in-flight method
1.3.3. Ion guide isotope separation online technique
1.3.4. Method for production of RIB at ELI-NP
1.4. The future ELI-NP IGISOL
1.5. Introduction of Geant4 toolkit
1.5.1. Energy loss of ions
1.5.2. Physics processes for e− and e+
1.6. Processes induced by gamma beam
1.7. Mandatory method and classes of a Geant4-based application
1.8. Purposes of the Thesis
2. 2 STUDY ON PARAMETRIZATION OF PHOTOFISSION CROSS-SECTION OF 238 U
2.1. Empirical parametrization for total cross-section, mass yield and isobaric charge distribution of 238 U photofission
2.1.1. Parametrization for total cross-section
2.1.2. Parametrization for photofission mass yield
2.1.3. Parametrization for isobaric charge distributions
2.2. Validation of the empirical parametrization
2.3. Prediction of neutron-rich nuclei yield
3. 3 OPTIMIZING THE DESIGN OF CRYOGENIC STOPPING CELL FOR IGISOL FACILITY AT ELI-NP
3.1. The structure of the implemented Geant4-based code
3.2. Implementation of photofission process into Geant4
3.3. Ionic effective charge
3.4. Target geometry optimization
3.4.1. The beam spot size
3.4.2. Optimize the thinkness of foil targets
3.4.3. The thinkness of backing layers
3.4.4. The dependence of the photofission fragment release rate on foil transverse size A, the foil tilting angle a, and the inter-foil distance
3.5. Remarks for target geometry
3.6. The stopping length of photofission fragments in Helium gas. Guidance for choosing the width of CSC
3.6.1. The characteristics of release photofission fragments from backing layers
3.6.2. Ion stopping in the gas cell. Choosing the width of CSC
3.7. The extraction of photofission fragments out of CSC
Conclusion
Bibliography
Publications
Appendix
Xem trước tài liệu
Tải đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Luận án tiến sĩ chẩn đoán vết nứt trong cần trục tháp bằng phương pháp thử nghiệm động ta

Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung

Tải đầy đủ (122 trang)

Trích đoạn nội dung luận án

Tải xuống để đọc toàn bộ

MINISTRY OF EDUCATION AND VIETNAM ACADEMY OF TRAINING SCIENCE AND TECHNOLOGY GRADUATE UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY ----------------------------- LÊ TUẤN ANH STUDY ON PARAMETRIZATION OF PHOTOFISSION CROSS-SECTION OF 238U AND OPTIMIZATION SIMULATION USING GEANT4 FOR DESIGN OF THE IGISOL FACILITY AT ELI-NP PROJECT PhD THESIS IN ATOMIC AND NUCLEAR PHYSICS Hanoi – 2021 luan an MINISTRY OF EDUCATION AND VIETNAM ACADEMY OF TRAINING SCIENCE AND TECHNOLOGY GRADUATE UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY ----------------------------- LÊ TUẤN ANH STUDY ON PARAMETRIZATION OF PHOTOFISSION CROSS-SECTION OF 238U AND OPTIMIZATION SIMULATION USING GEANT4 FOR DESIGN OF THE IGISOL FACILITY AT ELI-NP PROJECT Major: Atomic and Nuclear physics Code: 9440106 PhD THESIS IN ATOMIC AND NUCLEAR PHYSICS SUPERVISORS: 1. Dr, PHAN VIET CUONG 2. BALABANSKI Hanoi – 2021 luan an LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu mà phần chủ yếu do tôi trực tiếp thực hiện, phần còn lại có sự tham gia hỗ trợ của các đồng nghiệp tại nhóm RA4, thuộc dự án ELI-NP tại Romania. Các kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa từng được sử dụng trong bất kỳ công trình nào khác.

Luận án cũng sử dụng một số thông tin, số liệu thực nghiệm từ nhiều nguồn số liệu khác nhau và chúng đều được trích dẫn rõ nguồn gốc. Lê Tuấn Anh i luan an Acknowledgements First and foremost, I gratefully express my best thanks to my supervisors, Dr. Phan Viet Cuong at Research and Development Center for Radiation Technology and Prof. Balabanski at ELI-NP Romania for giving me an opportunity to join ELI-NP project, to work in an international researching environments, and for their limitless support and help me when I was in need.

I would like to thank Dr. Paul Constantin in RA4-ELI-NP group, who was alway ready to spend his treasure time to help me through when I got problem not in this work but also daily life in Romania. And I am also grateful to Dr. Bo Mei, Dr.

Deepika Choudhury, and all the members of RA4, as well as ELI-NP, who help me a lot when I was at Romania. I would like to thank the Board of Directors and all members of Graduate University of Science and Technology for helping me during the process of doing my thesis. I also would like to thank my colleagues and friends in the VNU University of Science, in Centre of Nuclear Physics, Institute of Physics, and in Vietnam Atomic Energy Institute for their friendships and encouragements. I would like to express my special thank to all my colleagues at Research and Development Center for always giving me convenience to finish my work.

I would like to thank to all my colleagues at Institute for Nuclear Science and Technology for their unlimited supports. I would like to give my deep gratitude to my parents, my grandma, brother and other members in my big family for their encouragements at all time. And aftermost, I would like to express the most special thank to my wife who has been always beside me, taken care of my two angel babies, to my beloved children who are the motivation of my working. ii luan an This work was supported by Extreme Light Infrastructure Nuclear Physics (ELI- NP) Phase II, a project co-financed by the Romanian Government and the European Union through the European Regional Development Fund -the Competitiveness Oper- ational Program (1/07.

iii luan an Contents Acknowledgements. vii List of tables. viii List of figures. xi Abstract 1 Introduction 2 1 OVERVIEW 4 1.1 The Extreme Light Infrastructure Nuclear Physics facility .1 Gamma Beam System .2 Methods for production of RIB .1 The ISOL technique .2 The in-flight method .3 Ion guide isotope separation online technique .4 Method for production of RIB at ELI-NP .3 The future ELI-NP IGISOL .4 Introduction of Geant4 toolkit .1 Energy loss of ions .2 Physics processes for e− and e+.

21 iv luan an 1.3 Processes induced by gamma beam .4 Mandatory method and classes of a Geant4-based application .6 Purposes of the Thesis. 28 2 STUDY ON PARAMETRIZATION OF PHOTOFISSION CROSS- SECTION OF 238 U 30 2.1 Empirical parametrization for total cross-section, mass yield and isobaric charge distribution of 238 U photofission .1 Parametrization for total cross-section .2 Parametrization for photofission mass yield .3 Parametrization for isobaric charge distributions .2 Validation of the empirical parametrization .3 Prediction of neutron-rich nuclei yield. 47 3 OPTIMIZING THE DESIGN OF CRYOGENIC STOPPING CELL FOR IGISOL FACILITY AT ELI-NP 48 3.1 The structure of the implemented Geant4-based code .2 Implementation of photofission process into Geant4 .3 Ionic effective charge .4 Target geometry optimization .1 The beam spot size .3 Optimize the thinkness of foil targets .4 The thinkness of backing layers .5 The dependence of the photofission fragment release rate on foil transverse size A, the foil tilting angle a, and the inter-foil distance 60 3.6 Remarks for target geometry .5 The stopping length of photofission fragments in Helium gas. Guidance for choosing the width of CSC .1 The characteristics of release photofission fragments from back- ing layers .2 Ion stopping in the gas cell.

Choosing the width of CSC .6 The extraction of photofission fragments out of CSC. 71 Conclusion 73 Bibliography 75 Publications 81 Appendix 82 vi luan an Abbreviations ELI Extreme Light Infrastructure ELI-NP Extreme Light Infrastructure-Nuclear Physics RIB Radioactive Ion Beam ISOL Isotope Separation On-line IGISOL Ion Guide Isotope Separation On-line CSC Cryogenic Stopping Cell LIP Low energy Interaction Point HIP High energy Interaction Point DC Direct Current RF Radio Frequency HPLS High-Power Laser System PW Peta-Watt CBS Compton Backscattering GBS Gamma Beam System NRF Nuclear Resonance Fluorescence SM Symmetric Mode ASM Asymmetric Mode KE Kinetic energy PS Potential Energy Surface GDR Giant Dipole Resonance GSI The GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research vii luan an List of Tables 2.1 The values of constants used in the empirical parametrization for 238 U photofission total cross-section.2 The values of constants used in the empirical parametrization for 238 U photofission mass yield.3 The values of constants used in the empirical parametrization for 238 U photofission isobaric charge.1 Results for target geometry .2 Gas density dependence of various parameters. 68 viii luan an List of Figures 1.1 Sketch of the ELI-NP machines and experimental areas .2 Geometry of the inverse Compton scattering of a laser photon on a relativistic electron.3 Energy-angle correlation for two gamma beams .4 The energy spectra of two gamma beams .5 Scheme of ISOL and In-Flight techniques [13, 14].6 Boiling and melting point of elements .7 The principle of IGISOL method [15] .8 Gamma source schemetic layout .9 Main components of the IGISOL beamline at ELI-NP .10 Layout of the IGISOL facility in the ELI-NP laboratory building .11 The Top Level Category Diagram of the Geant4 toolkit .12 The experimental photofission cross sections of 238 U .1 The 238 U photofission cross sections .2 Measured mass yields for 238 U photofission .3 The most probable charge Zprob .4 Comparison of the elemental yields Y (Z) = Y (A, Z) measured in two 238 U photofission experiments .5 Comparison between the mass yields measured in two experiments at GSI 41 ix luan an 2.6 Ratio of independent yields of 238 U photofission fragments Y(A,Z) .7 Ratio of independent yields of 238 U photofission fragments Y(A,Z) .8 Comparison of the isotopic yields .9 Cross sections of fragments produced by photofission calculated by the developed parametrization .1 The structure of the implemented Geant4 code.2 Kinetic energy versus atomic mass A of photofission fragments produced with our implementation.3 Kinetic energy versus emitted angle θ of photofission fragments produced with our implementation.4 Gamma beam transversal distribution .5 View of the yz-plane of the target geometry inside the gas cell .6 The dependence on the 238 U foil thickness t of the photofission rate .7 The dependence of PB on the backing foil thickness-B.8 Dependence of the fragment release rate Nr on the γ beam threshold energy.9 The (Z,A) distributions of fission fragment at the time created inside foils 63 3.10 The (Z,A) distribution of release fragments .11 Kinetic energy KE distribution of photofission fragments .12 Stopping length L of the released photofission fragments in He gas at 0.206 mg/cm3 density.13 Stopping length for various densities of the He gas .14 Vertices of ionization processes .15 Schematic drawing of the gas cell for the proposed IGISOL facility at ELI-NP. 71 xi luan an ABSTRACT The main focus of the thesis will be the optimization simulation using Geant4 for the design of a Cryogenic Stopping Cell (CSC) for a future IGISOL (Ion guild Iso- tope separation On-line) facility at ELI-NP (the Extreme Light Infrastructure: Nuc- lear Physics).

This proposed IGISOL facility will be dedicated to the study of exotic neutron-rich nuclei produced via photofission of U 238 target inside CSC. A new reli- able empirical parametrization for total cross-section, mass yield, and isobaric charge distribution was developed in this study. A Geant4-based code was implemented for the simulation of the photofission as well as the stopping of fission fragments inside the target foils and Helium gas. The simulation results have established the optimization of CSC’s parameters, as well as those of the target configuration inside.

1 luan an 2 INTRODUCTION The Extreme Light Infrastructure (ELI), which is marked on the European Strategy Forum on Research Infrastructures (ESFRI) Roadmap as one of the prior- ity research infrastructure projects for Europe, will be the world’s first international laser research infrastructure, pursuing unique science and research applications for international users. ELI has three main research center located in three different coun- tries: ELI-Beamlines facility in the Czech, the ELI-ALPS facility in Hungary, and ELI-Nuclear Physics (ELI-NP) in Romania [1, 2, 3, 4]. ELI-NP is expected to be the most advanced research facility in the world in the field of photonuclear physics, and a new interdisciplinary research field that brings together, for the first time, high-power lasers and nuclear physics. ELI-NP will offer a highly-polarized tunable mono-energetic γ beam in the range from 200 keV to 19.

This kind of beam will open new possibilities for high-resolution spectroscopy at higher nuclear excitation energies. This will lead to a better understanding of nuclear structure at higher excitation energies with many doorway states, their damping widths and chaotic behaviour, but also new fluctuating properties in the time and energy domain. Besides, the ELI-NP gamma beam is also suitable for the production of the radioactive ion beam (RIB) through photofission of Uranium. The advance in the understanding of nuclear structure far from stability using RIB is one of the top priorities defined by the nuclear physicist community in the world.

To support this idea, an IGISOL (Ion guide isotope separation on-line) facility will be constructed to extract the photofission fragments to form RIBs at ELI-NP. The heart of the IGISOL is a Cryogenic Stopping Cell (CSC), where the photofission process takes place. At ELI-NP, the development of a CSC is considered [2, 5]. For producing neutron-rich nuclei, designing nuclear physics experiments, as well as a target system in CSC, an accurate calculation for production cross-section of photofission fragments is crucial.

Therefore, it is necessary to develop a reliable luan an 3 tool for this job. This tool will be useful for estimating the yield of neutron-rich nuclei from photofission process, designing nuclear physics experiments and many other applications not only at ELI-NP but also at other photofission facilities worldwide. Moreover, It is important to do series of prerequisite calculations and simulations to lead to the conceptual design for the particular case of the CSC at ELI-NP IGISOL facility. The works in this thesis aim to fulfill two goals: i) the first one is to develop a reliable empirical parametrization for the calculation of photofission cross-section over a wide energy range below 30MeV.

ii) The second one is to implement a Geant4-based code and carry out a series of simulations to optimize the design of CSC at ELI-NP.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Trích dẫn luận án này

Lê Tuấn Anh (2021). Parametrization of 238U Photofission Cross-Section and GEANT4 Simulation for IGISOL Design [Luận án tiến sĩ, Graduate University of Science and Technology]. LuanAn.net. https://luanan.net/y-hoc/luan-an-tien-si-chan-doan-vet-nut-trong-can-truc-thap-bang-phuong-phap-thu-nghiem-dong-ta

Câu hỏi thường gặp

Luận án "Parametrization of 238U Photofission Cross-Section and GEANT4 Simulation for IGISOL Design" nghiên cứu về vấn đề gì?

Chẩn đoán vết nứt cần trục tháp bằng thử nghiệm động: Luận án TS đề xuất phương pháp mới, tối ưu hóa an toàn.

Luận án "Parametrization of 238U Photofission Cross-Section and GEANT4 Simulation for IGISOL Design" được bảo vệ tại trường nào?

Luận án này được bảo vệ tại Graduate University of Science and Technology. Năm bảo vệ: 2021.

Luận án "Parametrization of 238U Photofission Cross-Section and GEANT4 Simulation for IGISOL Design" thuộc chuyên ngành gì?

Luận án "Parametrization of 238U Photofission Cross-Section and GEANT4 Simulation for IGISOL Design" thuộc chuyên ngành Atomic and Nuclear Physics. Danh mục: Y Học.

Luận án "Parametrization of 238U Photofission Cross-Section and GEANT4 Simulation for IGISOL Design" có bao nhiêu trang?

Luận án "Parametrization of 238U Photofission Cross-Section and GEANT4 Simulation for IGISOL Design" có 122 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.

Cách tải luận án "Parametrization of 238U Photofission Cross-Section and GEANT4 Simulation for IGISOL Design" về máy như thế nào?

Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.

Luận án liên quan

Chia sẻ tài liệu: Facebook Twitter