- QUÁ TRÌNH QUANG PHÂN HẠCH ĐỂ TẠO RA CHÙM ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ GIÀU NEUTRON. - Nguồn ion hóa. - Quá trình tạo ra chùm đồng vị phóng xạ giàu notron bằng phản ứng quang phân hạch. - BỨC XẠ HÃM. - MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TẠO BỨC XẠ HÃM VÀ MÔ PHỎNG SUẤT LƢỢNG QUANG PHÂN HẠCH CỦA 238 U GÂY BỞI CHÙM BỨC XẠ HÃM CÓ NĂNG LƢỢNG CỰC ĐẠI 50 MEV. - Mô phỏng phổ bức xạ hãm. - 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. - Hình 1.7 Phân bố của mảnh phân hạch như là hàm của năng lượng kích thích của 238 U. - Chùm bức xạ hãm tạo ra chính trong bia và gây ra phân hạch của 238 U. - 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. - (b) Suất lượng quang phân hạch của 238U tính cho một 14. - electron như là hàm của năng lượng electron. - trong không khí như là hàm của năng lượng hạt tới. - Hình 3.5 Phân bố góc và năng lượng của chùm bức xạ hãm phát ra do tương tác của chùm electron 50 MeV từ máy gia tốc ALTO với bia hãm W dày 8 mm. - phân hạch của 238 U. - Hình 3.9 Suất lượng quang phân hạch trong buồng khí ALTO 36 Hình 3.10 Suất lượng phản ứng quang hạt nhân. - 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.. - Chính vì vậy, chùm electron có năng lượng bằng 50 MeV có thể được xem là năng lượng tối ưu.. - 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. - 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). - 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 238 U.. - Chương 1: Quá trình quang phân hạch để tạo ra chùm đồng vị phóng xạ giàu neutron. - 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.. - 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. - Hình 1.2.Các vùng hạt nhân có thể tạo ra từ quá trình phân hạch. - 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. - Hiệu suất ion hóa tương ứng với quá trình này có thể được tính bằng phương trình Saha-Langmuir:. - 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]. - Bên cạnh đó, còn có nhiều quá trình khác nhau có thể xảy ra khi ion chuyển động trong buồng khí. - 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).. - 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 238 U.. - Quá trình tạo ra chùm đồng vị phóng xạ giàu notron bằng phản ứng quang phân hạch.. - 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. - 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). - Hình 1.7.Phân bố của mảnh phân hạch như là hàm của năng lượng kích thích của. - 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 bức xạ hãm tạo ra chính trong bia và gây ra phân hạch của 238 U.. - 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. - 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.. - Hình 1.10. - CHƢƠNG 2: BỨC XẠ HÃM. - Trong chương này, chúng tôi sẽ trình bày lí thuyết cơ bản và các bước chính để mô phỏng sự phát xạ bức xạ hãm do quá trình tương tác giữa electron với vật chất. - Tiết diện phát bức xạ hãm vi phân được xác định sử dụng các công thức chọn lọc với các hiệu chỉnh để mô tả tốt nhất quá trình phát bức xạ hãm. - Độ “tản mát” năng lượng của electron (electron energy spread) được ước lượng sử dụng phân bố Landau. - Tiết diện vi phân phát xạ bức xạ hãm theo góc và năng lượng được tính toán cho các năng lượng khác nhau của electron ở các độ sâu khác nhau trong bia. - Sự suy giảm của chùm bức xạ hãm do quá trình tương tác với chính bia hãm trước khi thoát ra ngoài cũng được xem xét.. - Lý thuyết liên quan đến tiết diện vi phân phát xạ bức xạ hãm theo góc và năng lượng có thể tìm thấy trong các tài liệu [14, 15]. - Để thu được phân bố góc của bức xạ hãm phát ra từ bia, chúng ta cần phải tính « tích phân chập » giữa phân bố vi phân phát bức xạ hãm và phân bố góc của electron trong bia do quá trình tán xạ như đề cập ở phần trên [13].. - Như chúng ta đã biết, quá trình mất năng lượng của electron khi tương tác với vật chất chủ yếu do hai quá trình: (1) va chạm không đàn hồi (ion hóa) và (2) phát bức xạ hãm. - Độ mất năng lượng do quá trình ion hóa tỉ lệ thuận với số Z và tăng theo năng lượng theo hàm logarit. - Độ mất năng lượng do quá trình phát bức xạ. - Độ mất năng lượng trung bình do quá trình ion hóa có thể được theo công thức Born [16].. - Để tính toán độ mất năng lượng do quá trình phát bức xạ hãm, trước hết, chúng ta cần tính tiết diện vi phân của quá trình này theo năng lượng của electron.. - Độ mất năng lượng trung bình do quá trình bức xạ sẽ được tính bằng công thức. - Tuy nhiên, như chúng ta đã biết, quá trình tương tác của electron . - với vật chất và dẫn tới mất năng lượng là quá trình ngẫu nhiên. - Vì vậy, độ mất năng lượng có tính thống kê. - Sự thăng giáng của độ mất năng lượng có thể biểu diễn bằng phân bố Landau [18].. - Trong công cụ Geant4, độ mất năng lượng do quá trình ion hóa được tính toán trên cơ sở thừa kế lớp G4eIonisation, trong khi đó quá trình mất năng lượng do phát bức xạ hãm và việc mô phỏng quá trình phát bức xạ hãm sẽ được tính toán trên cơ sở xây dựng các lớp thừa kế lớp cơ sở G4eBremsstrahlung [19]. - Đoạn cuối của phổ bức xạ hãm tương ứng với vùng năng lượng cao có thể được hiệu chỉnh sử dụng công thức Fano [14]:. - MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TẠO BỨC XẠ HÃM VÀ MÔ. - Các hạt cơ bản trong vật lý hạt nhân và vật lý năng lượng cao,. - Các quá trình vật lý chi phối sự tương tác giữa hạt với vật chất,. - Phần cốt lõi của công cụ Geant4 là tập hợp các mô hình lý thuyết mô tả hầu hết các quá trình vật lý có thể xảy ra khi bức xạ tương tác với vật chất, đó là:. - Quá trình điện từ chuẩn,. - Quá trình điện từ ở năng lượng thấp,. - Quá trình hadronic,. - Quá trình phân rã. - Trong chương này, chúng tôi sẽ trình bày quá trình mô phỏng (sử dụng công cụ Geant4) suất lượng quang phân hạch của 238 U phục vụ cho việc thiết kế “Ion- guide” trong tương lai của dự án ALTO, Viện hạt nhân Orsay, Pháp. - Trong buồng khí này, chúng tôi dự kiến đặt 05 tấm uranium tự nhiên, quá trình quang phân hạch gây bởi chùm bức xạ hãm tạo ra do tương tác của electron 50 MeV với bia W đặt ở phía trước (xem hình 3.1). - Để mô phỏng toàn bộ quá trình vật lý có thể xảy ra với hệ nói trên, trước hết, chúng tôi xây dựng hình học của hệ. - Để mô phỏng suất lượng quang phân hạch, trước hết, chúng ta cần mô phỏng phân bố góc và năng lượng của bức xạ hãm phát ra do quá trình tương tác giữa chùm electron 50 MeV với bia hãm W dày 8 mm. - Để mô phỏng quá trình này, chúng tôi đã xây dựng lớp PhysicsList thừa kế từ lớp cơ sở G4VModularPhysicsList của Geant4[19], trong đó, chúng tôi đã định nghĩa toàn bộ các loại hạt như electron ban đầu và các bức xạ thứ cấp có thể sinh ra trong quá trình phản ứng như gamma, positron, nơtron, ion nặng (ví dụ: mảnh phân hạch)…. - Quá trình vật lý tương ứng với quá trình tạo bức xạ hãm là quá trình tương tác điện từ chuẩn. - Trong đó, đối với electron, các quá trình tương tác được xem xét là quá. - Các quá trình này tương ứng với nội dung vật lý được trình bày trong Chương 2. - Đối với tia gamma, các quá trình tương ứng là hiệu ứng quang điện (G4PhotoElectricEffect), tán xạ Compton (G4ComptonScattering) và hiệu ứng tạo cặp (G4GammaConversion). - Các quá trình vật lý cho các loại hạt khác có thể sinh ra trong quá trình mô phỏng cũng được xem xét [3]. - Trên hình 3.5, chúng tôi biểu diễn các kết quả mô phỏng cho phân bố góc và năng lượng của bức xạ hãm.. - Phân bố góc và năng lượng của chùm bức xạ hãm phát ra do tương tác của chùm electron 50 MeV từ máy gia tốc ALTO với bia hãm W dày 8 mm.. - Có thể nhận thấy rằng, bức xạ hãm với năng lượng nằm trong vùng cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ của 238 U (~15 MeV) chủ yếu phát ra dưới góc bé. - Trong công cụ Geant4, quá trình quang phân hạch chưa được xây dựng. - Vì vậy, một trong những đóng góp quan trọng trong nghiên cứu của chúng tôi là xây dựng và bổ sung thêm các lớp nhằm mô phỏng quá trình quang phân hạch nói riêng và phản ứng quang hạt nhân nói chung. - Hình 3.7.Số liệu thực nghiệm, đường cong làm khớp cho tiết diện quang phân hạch của. - 2n), chúng tôi cũng đã xây dựng thêm các lớp tương ứng để mô phỏng quá trình các quá trình vật lý này. - Hình 3.9.Suất lượng quang phân hạch trong buồng khí ALTO.. - Tìm hiểu về phản ứng quang phân hạch tạo chùm đồng vị phóng xạ giàu neutron.. - Lí thuyết cơ bản và các bước chính để mô phỏng sự phát xạ bức xạ hãm do quá trình tương tác giữa electron với vật chất.. - Công cụ mô phỏng quá trình tương tác của bức xạ với vật chất, Geant4.. - Mô phỏng phân bố góc và năng lượng của chùm bức xạ hãm phát ra do tương tác của chùm electron 50 MeV từ máy gia tốc ALTO với bia hãm W dày 8 mm. - Xây dựng và bổ sung thêm các lớp nhằm mô phỏng quá trình quang phân hạch nói riêng và phản ứng quang hạt nhân nói chung. - Và cuối cùng là mô phỏng suất lượng quang phân hạch trong buồng khí ALTO và suất lượng phản ứng quang hạt nhân