Nghiên cứu phương pháp tạo ra chùm đồng vị phóng xạ hiếm và nghiên cứu cấu trúc của các hạt nhân giàu nơtron nằm xa đường bền trong vùng lân cận 78Ni và vùng Z =50

Để tối ưu hóa thiết kế hệ buồng khí (gas cell) kết hợp với quang phân hạch của 238U nhằm tạo ra chùm đồng vị phóng xạ giàu nơtron nhóm nghiên cứu do Cơ quan chủ quản Qũy phát triển Khoa học và công nghệ QG cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài Tiến sĩ Phan Việt Cương thực hiện “Nghiên cứu phương pháp tạo ra chùm đồng vị phóng xạ hiếm và nghiên cứu cấu trúc của các hạt nhân giàu nơtron nằm xa đường bền trong vùng lân cận 78Ni và vùng Z =50”. Đã sử dụng phương pháp mô phỏng Monte-Carlo với công cụ Geant4 dựa trên cơ sở các số liệu thực nghiệm và mô hình lý thuyết về quang phân hạch, tương tác của gamma, hạt tích điện nặng với vật chất. Quá trình chuyển động của ion nặng trong điện trường cảm ứng và điện trường ngoài được mô phỏng sử dụng công cụ SIMION8.

Để nghiên cứu cấu trúc của 82As, trước hết nhóm tạo ra chùm đồng vị phóng xạ 82Ge. Hạt nhân 82Ge được tạo thành thông qua quá trình quang phân hạch của 238U và được phân tách online sử dụng phổ kế từ PARRNe tại Viện Vật lý hạt nhân Orsay. Bia phân hạch chứa 63g 238U chứa trong 85 viên UCx có đường kính 13.5 mm, dày 1 mm. Bia phân hạch được chứa trong ống hình trụ làm bằng graphite và được đặt trong ống Ta. Hệ bia được đốt nóng lên đến 2000 độ và chiếu bởi chùm electron có năng lượng 50 MeV phát ra từ máy gia tốc electron tuyến tính ALTO. Dòng electron trung bình ~7 uA. Qua đó tái ion hóa các mảnh phân hạch, trong thí nghiệm này chúng tôi sử dụng nguồn ion hóa plasma. Từ trường của hệ phổ kế từ PARRNe được lựa chọn để tách ion có trạng thái điện tích 1+ và có số khối bằng 82. Chùm đồng vị phóng xạ được phân tách sẽ được thu thập bởi băng chuyền Mylar có phủ một lớp nhôm. 

Các đồng vị phóng xạ thu thập được sẽ được nhận diện thông qua việc xác định chu kỳ bán rã. Để nghiên cứu phân rã beta và các chuyển dời gamma đi kèm, chúng tôi sử dụng hệ đo BEDO. Cấu tạo của hệ đo BEDO như sau: 

• 04 detector germanium siêu tinh khiết. Mỗi detector bao gồm 04 tinh thể germanium (với độ phân giải năng lượng cỡ 1. 8 keV tại đỉnh 1.33 MeV của 60Co). Như chúng ta đã biết, các đồng vị phóng xạ giàu nơtron tạo ra từ phản ứng phân hạch sẽ trải qua quá trình phân rã beta và hình thành nên hạt nhân con ở trạng thái kích thích. Các hạt nhân con này có xu thế khử kích thích về trạng thái cơ bản bằng việc phát ra các bức xạ gamma. Việc sử dụng các detector bán dẫn germanium để ghi nhận sự kiện trùng phùng gamma-gamma sẽ giúp chúng ta có thể xây dựng được cấu trúc mức kích thích trong hạt nhân con. 

• 01 detector plastic 4 pi dạng hình trụ dùng để ghi nhận β- phát ra từ quá trình phân rã của các mảnh phân hạch. Việc ghi nhận β- trùng phùng với bức xạ gamma phát ra do quá trình khử kích thích của hạt nhân con cũng sẽ giúp giảm can nhiễu một cách đáng kể. 

• Các detector germanium sẽ được bao bọc xung quanh bởi các detector BGO nhằm triệt tiêu phông Compton. Cơ sở của quá trình này như sau: khi tia gamma đi vào detector germanium sẽ tương tác với vật liệu detector theo ba cơ chế chính, trong đó quá trình tán xạ Compton sẽ tạo ra phông Compton. Tia gamma tán xạ Compton thoát ra khỏi detector được ghi nhận bằng detector BGO. Nếu detector germanium và detector BGO cùng ghi nhận được tia gamma trong một khoảng thời gian nhất định thì chúng ta sẽ loại bỏ sự kiện này (phản trùng phùng) và sẽ loại bỏ đáng kể phông Compton. 

• Phía trước các detector germanium sẽ bố trí các detector plastic Veto. Các detector này sẽ loại bỏ phông liên tục tạo ra do quá trình tương tác của electron với tinh thể germanium Tín hiệu từ các detector qua các khối điện tử như tiền khuếch đại, khuếch đại, bộ cắt ngưỡng nhanh… sẽ được chuyển vào card ghi nhận số liệu COMET-6x và được chuyển đổi sang tín hiệu số. Card thu nhận số liệu này có 6 kênh, mỗi kênh có ba đầu vào khác nhau như: năng lượng, thời gian và đầu vào còn lại là để đánh đấu sự kiện. Mỗi một detector được xem là một nguồn tín hiệu độc lập trong đó tín hiệu vật lý có liên hệ với thời gian thực. Các ghi nhận số liệu như thế cho phép chúng tôi tiến hành xác định và dựng các phổ trùng bằng công cụ xử lý số liệu ROOT. Từ đó, chúng ta có thể xây dựng được sơ đồ mức của 82As. Các kết quả thực nghiệm được phân tích lý thuyết sử dụng mô hình liên kết lõi hạt bán thực nghiệm và sử dụng tính toán Skyrme-QRPA.

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau: 

- Đã phát triển code mô phỏng dựa trên công cụ Geant4 để mô phỏng suất lượng quang phân hạch, quá trình tương tác của mảnh phân hạch với bia và vật liệu xung quanh, quá trình thay đổi điện tích của mảnh phân hạch do tương tác với môi trường. Kết hợp với phần mềm SIMION, chuyển động của các ion trong điện từ trường đã được mô phỏng đầy đủ. Như vậy, có thể kết luận rằng chúng tôi đã tính toán mô phỏng toàn bộ quá trình vật lý từ quá trình tạo ra mảnh phân hạch cho đến khi hạt đi ra khỏi buồng khí. Từ đó, chúng tôi đã ước lượng được hiệu suất của hệ IGISOL cho từng đồng vị mà chúng tôi có thể quan tâm trong tương lai. Kết quả được thể hiện trong 03 bài báo SCI (SCI-E), 01 bài báo trong proceeding hội nghị Quốc tế, 01 bài báo trong nước. 

- Thông qua nghiên cứu phân rã beta trừ của 82Ge chúng tôi đã mở rộng sơ đồ mức của 82As ở vùng năng lượng cao, cụ thể là đã tìm thêm được 03 chuyển dời mới và bổ sung vào sơ đồ mức của 82As hai mức ở vùng năng lượng cao. Các kết quả thực nghiệm thu được cũng đã được giải thích bằng các mô hình lý thuyết như đã đề cập. Kết quả được thể hiện trong 01 bài báo SCI. Nghiên cứu về phản ứng quang hạt nhân nói chung và quá trình quang phân hạch nói riêng được thể hiện trong 01 bài báo SCI.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 15250/2018) tại Cục Thông tin KHCNQG.

Đ.T.V (NASATI)