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 hạt nhân Mã số: 62 44 05 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội – 2013 Công trình hồn 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 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 trị quan trọng cải biến giới Việc nghiên cứu vật lý hạt nhân mang lại nhiều ứng dụng nhiều lĩnh vực, chẳng hạn công nghiệp, nông nghiệp, y học,…Hơn nữa, vật lý hạt nhân chìa khố để nghiên cứu vũ trụ bao la Những mơ hình hình thành phát triển dự đoán tồn trình hạt nhân diễn vũ trụ Khảo sát phản ứng hạt nhân cần thiết cho thiên văn học có ý nghĩa quan trọng khơng lĩnh vực thiên văn mà lĩnh vực cấu trúc hạt nhân Ngoài ra, hạt nhân không bền môi trường cho giúp có kiến thức cấu trúc hạt nhân Với thiết bị đại dành cho nghiên cứu hạt nhân nay, hồn tồn tiến hành việc khảo sát phản ứng xảy vũ trụ phịng thí nghiệm mặt đất Đây điều kiện thuận lợi cho khám phá sâu cấu trúc hạt nhân hạt không bền nghiên cứu cách hiệu phản ứng hạt nhân chuỗi phản ứng trình tổng hợp ngun tố Trong đó, số phản ứng có vai trị quan trọng tiến trình phát triển sao, liên quan mật thiết đến bất thường quan sát thiên văn Chúng đặc biệt quan tâm đến phản ứng Mg(α,p)25Al có ý 22 nghĩa quan trọng việc nghiên cứu cấu trúc hạt giàu proton 26Si vùng lượng ngưỡng alpha (Ethr = 9.164 MeV) Dữ liệu hạt nhân vùng lượng dường bỏ trống, hạt nhân gương nó, 26 Mg, mật độ mức vùng lương tương ứng tương đối cao Ngoài ra, phản ứng mối kết nối quan trọng trình rp-process vị trí hạt nhân 22Mg q trình tổng hợp nguyên tố vũ trụ Suất phản ứng phản ứng góp phần giải thích bất thường việc dị tìm tia gamma lượng 1.275 MeV vấn đề Ne-E Bên cạnh đó, “chờ” 22Mg làm sáng tỏ dựa kết nghiên cứu phản ứng phản ứng 22Mg(p,γ)23Al Có hai phương pháp để khảo sát suất phản ứng: phương pháp sử dụng thông số mức lượng tử hạt nhân, có lượng tương ứng với vùng nhiệt độ cần khảo sát mơi trường phương pháp tính trực tiếp suất phản ứng từ tiết diện phản ứng phản ứng Chúng tơi tiến hành thiết kế đo đạc để thu mức lượng hạt khơng bền 26Si tính tốn suất phản ứng 22 Mg(α,p)25Al thông qua mức cộng hưởng 26Si thực nghiệm tán xạ hạt không bền 22Mg lên bia khí alpha Trong khn khổ luận án này, chúng tơi trình bày kết thu từ 22Mg(α,α)22Mg cho hạt nhân compound 26Si tính suất phản ứng 22Mg(α,p)25Al Trên giới có hai nghiên cứu hạt nhân 26Si ngưỡng alpha Nghiên cứu thứ phân rã beta từ hạt nhân 26P nghiên cứu thứ hai phản ứng 28Si(p,t)26Si Tuy nhiên, mức lượng nghiên cứu không xa ngưỡng alpha, đó, khơng thoả mãn vùng nhiệt độ cao (T > GK) môi trường Supernova X-ray Burst Cho đến trước luận án này, chưa có cơng trình đo đạc trực tiếp tương tác Mg+α 22 Mục tiêu luận án - Về vật lý hạt nhân: Xác định mức lượng 26 Si ngưỡng alpha bao gồm trạng thái lượng tử spins chẵn lẻ Từ thơng tin này, cấu trúc nhóm hạt giàu proton 26Si khảo sát - Về vật lý thiên văn: Dựa vào trạng thái kích thích 26Si từ tán xạ 22 22 Mg+α, xác định suất phản ứng Mg(p,γ)23Al phân rã beta 22 Mg(α,p)25Al, với phản ứng 22 Mg để khảo sát “điểm chờ” 22 Mg Từ đó, đánh giá nguyên nhân bất thường quan sát thiên văn tia gamma 1.275 MeV vấn đề Ne-E Thừa số S-factor cần cho việc xác định suất phản ứng khơng cộng hưởng tính tốn - Sản xuất chùm hạt không bền 22 Mg: Sản xuất chùm hạt khơng bền 22 Mg có độ cao, cường độ lớn lượng thoả mãn vùng ngưỡng alpha 26Si vùng nhiệt độ T = 0.5 - GK - Kĩ thuật detector: Cải tiến active-gas-target detector để đo đạc đồng thời hạt nặng chùm hạt tới hạt nhẹ bay sau phản ứng Đây tính chất quan trọng cần thiết đối loại detector ghi đo phản ứng theo phương pháp động học ngược với kĩ thuật bia dày Kết luận án Về mặt vật lý, luận án ghi nhận sáu mức lượng ngưỡng alpha 26Si Trong đó, có ba mức thấp trùng khớp với hai nghiên cứu trước ba mức lần ghi nhận Trạng thái spin chẵn-lẻ sáu mức xác định luận án việc làm khớp theo phương pháp R-matrix, dựa hàm kích thích tiết diện cộng hưởng phản ứng 22Mg(α,α)22Mg, cơng trình trước chưa xác định trạng thái lượng tử cho mức Đối với thiên văn học, suất phản ứng cộng hưởng Mg(α,p)25Al 22 vùng nhiệt độ T9 = 0.5 - 2.5 GK xác định từ trạng thái cộng hưởng 22Mg(α,α)22Mg Bên cạnh đó, hàm thừa số thiên văn S-factor phụ thuộc vào lượng xác định Thừa số quan trọng việc ngoại suy suất phản ứng không cộng hưởng 22Mg(α,p)25Al Về mặt kĩ thuật thực nghiệm, detector khí loại dùng để đo đạc phản ứng thiên văn thiết kế đưa vào sử dụng Ngồi ra, chùm hạt khơng bền 22 Mg thoả mãn điều kiện cường độ cao cho việc đo đạc tán xạ lên alpha tạo thành cơng Trong đó, số hạt 22Mg tạo khơng tỉ lệ tuyến tính với cường độ chùm hạt tới phản ứng tạo 22Mg Ứng dụng kết nghiên cứu Kết nghiên cứu sử dụng để khảo sát cấu trúc nhóm hạt nhân 26 Si ngưỡng alpha 9.164 MeV góp phần giải thích số tượng bất thường quan sát thiên văn, chẳng hạn tia gamma 1.275 MeV; chờ 22Mg;… Những kết thu nghiên cứu đóng góp vào sơ đồ mức lượng chưa ghi nhận 26Si Ngồi ra, mức góp phần đánh giá trạng thái kích thích hạt nhân gương nó, 26Mg trạng thái spin chẵn-lẻ mức kích thích hạt nhân gương cịn thiếu nhiều Bên cạnh đó, suất phản ứng phản ứng 22Mg(α,p)25Al dùng để so sánh cạnh tranh trình bắt proton phân rã beta 22Mg Ngoài ra, kết suất phản ứng thu từ thực nghiệm góp phần đánh giá việc khảo sát suất phản ứng theo lý thuyết thống kê Hauser-Feshbach Kĩ thuật tạo chùm hạt khơng bền 22 Mg áp dụng việc tạo chùm hạt không bền cho thực nghiệm khác Sự bất thường phụ thuộc vào cường độ chùm vào cường độ chùm hạt cần khắc phục Về kĩ thuật phát triển detector, loại detector khí hoạt động (active-gastarget detector) thiết kế để dùng cho phản ứng bia khí theo chế động học ngược Nội dung luận án Bố cục luận án, trình bày tiếng Anh, với nội dung sau: - Phần mở đầu - Chương 1: Những kiến thức tổng quan vật lý hạt nhân, vật lý thiên văn mục tiêu luận án Những chuỗi phản ứng hạt nhân xảy trình hình thành phát triển khảo sát mặt lý thuyết theo phương pháp suy luận từ mơ hình hình thành Từ đó, xác định số phản ứng quan trọng để giải thích tượng thiên văn, có Mg(α,p)25Al 22Mg(p,γ)23Al Lý thuyết khảo sát suất phản ứng môi 22 trường trình bày chương - Chương 2: Đề cập đến thực nghiệm đo trực tiếp Mg(α,α)22Mg 22 Trong chương này, phương pháp bố trí thực nghiệm trình bày cách chi tiết Kết việc tạo chùm hạt không bền 22Mg phần - Chương 3: Trình bày việc xử lí số liệu thực nghiệm, kết thu từ thực nghiệm hàm tiết diện vi phân theo lượng, mức cộng hưởng 26 Si từ phản ứng 22 Mg(α,α)22Mg, suất phản ứng Mg(α,p) Al so sánh với phản ứng khác để khảo sát vấn đề 22 25 thiên văn - Kết luận kiến nghị: Những kết luận quan trọng luận án số vấn đề nghiên cứu Chương Giới thiệu Trong chương này, đề cập đến kiến thức cần thiết, quan trọng vật lý hạt nhân liên quan đến vật lý thiên văn Từ đó, nhận thấy vị trí, vai trị phản ứng nghiên cứu luận án 1.1 Nguồn gốc vật chất vũ trụ Trình bày giả thiết suy luận đưa đến việc xác định vật chất vũ trụ cấu tạo hạt nucleon, hạt nhân nguyên tử 1.2 Quá trình tổng hợp nguyên tố Trình bày trình tổng hợp nguyên tố sau vụ nổ Big Bang diễn theo bốn q trình chính: q trình cháy hydrogen, q trình cháy helium, trình tổng hợp nguyên tố đến Fe trình tổng hợp nguyên tố nặng Fe 1.2.1 Quá trình cháy Hydrogen Tất trình tổng hợp bốn proton thành helium gọi trình cháy hydrogen Trong đó, có ba q trình chuỗi proton-proton (pp), chu trình CNO chu trình NeNa-MgAl Mỗi trình tổng hợp phụ thuộc vào mật độ hạt, nhiệt độ hạt nhân xúc tác Trong đó, vai trị tầm quan trọng vấn đề thiên văn phản ứng 22 Ne ( p, γ ) 23 Na , 22 ( Na β +υ ) 22 Ne , 22 Mg (α , p ) 25 Al 25 Mg ( p, γ ) 26 Al phần 1.2.2 Quá trình cháy helium Trình bày nội dung trình cháy Helium Việc nghiên cứu trình cháy helium hữu ích cho việc giải thích nguyên nhân không tồn hạt nhân bền có số khối A = 5, A = A = 11 tự nhiên có độ phổ biến thấp 1.2.3 Quá trình tổng hợp nguyên tố đến Fe Trình bày trình cháy carbon, cháy oxygen cháy silicon 1.2.4 Quá trình tổng hợp hạt nhân nặng Fe Trình bày trình: s- process, r -process p-process 1.3 Siêu tân tinh loại II Mục trình bày kiến thức siêu tân tinh loại II Đây giai đoạn kết thúc ngơi bắt đầu hình thành 1.4 X-ray burst Trong phần này, tượng bùng phát tia X (X-ray Burst) trình bày Trong môi trường này, suất phản ứng phản ứng cho tương đối cao Ở giai đoạn cuối X-ray Burst, tất hạt nhân nhẹ biến đổi thành nguyên tố nặng 1.5 Tầm quan trọng số liệu hạt nhân 26Si phản ứng 22 Mg(α,α)22Mg αα Mục trình bày lý việc nghiên cứu thực nghiệm phản ứng 22 Mg+α Đây mục tiêu đề tài 1.5.1 Suất phản ứng 22Mg(α,p)25Al α Phần vị trí vai trị quan trọng phản ứng 22 Mg(α,p)25Al việc giải thích vấn đề Ne-E, quan sát tia gamma 1.275 MeV, làm sáng tỏ chờ 22Mg, hình 1.1 Hình 1.1 Điểm chờ 22 Mg phản ứng 22Mg(α,p)25Al trình cháy hydrogen thơng qua chu trình NeNa-MgAl 1.5.2 Sự phân bố 26Al thiên hà Mục trình bày tầm quan trọng phân rã beta 26Si 26Al 26 Al tồn trạng thái trạng thái đồng phân Nếu 26Si phân rã 26 Al trạng thái ghi nhận tia gamma 1.809 MeV từ 26Mg trạng thái kích thích Độ phổ biến 26Al giúp xác định tuổi thiên hà 1.5.3 Suất phản ứng Al(p,γ)26Si γ 25 Mục trình bày tầm quan trọng phản ứng 25Al(p,γ)26Si mà suất phản ứng xác định thông tin 26Si 1.5.4 Cấu trúc hạt nhân 26Si ngưỡng alpha Vai trò tầm quan trọng phản ứng 22Mg(α,α)22Mg việc nghiên cứu mức cộng hưởng hạt nhân 26 Si ngưỡng alpha trình bày phần 1.6 Mục đích luận án - Khảo sát mặt lý thuyết số phản ứng quan trọng liên quan đến số tượng thiên văn ra, chẳng hạn phản ứng α+α, 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 26 Si 22 ngưỡng alpha (9.164 MeV) từ xác định suất phản ứng Mg(α,p)25Al, 22 so sánh với suất phản ứng Mg(p,γ)23Al suất phân rã beta 22 Mg để đánh giá tượng thiên văn vấn đề Ne-E, tia gamma 1.275 MeV, chờ 22Mg - Đánh giá tính toán suất phản ứng theo mẫu thống kê Hauser- Feshbach 1.7 Suất phản ứng môi trường Việc xác định suất phản ứng thực dựa lý thuyết sau Suất phản ứng NA σ v cặp hạt đo với đơn vị cm3s-1 phản ứng a + A → b + B xác định sau: ∞ ∫ N A σ v = N a N A φ ( v ) vσ ( v ) dv (1.1) Trong đó, Na NA mật độ hạt a A σ ( v ) tiết diện phản ứng tương tứng với vận tốc v, lượng E Khi đó: NA   σv =    πµ     kT    ∞  E   ∫ σ ( E ) E exp  − kT dE, (1.2)  ma mA ma + mA 1.7.1 Phản ứng không cộng hưởng Xác suất xuyên rào Pl hệ phản ứng xác định bởi: với khối lượng rút gọn µ = Pl = kr Fl + Gl2 , (1.3) với k vector sóng, r khoảng cách phân tách hai hạt, Fl Gl nghiệm hàm Coulomb Theo học lượng tử có:  2(2 µ )1/2 π Z a Z A e  Pl ∝ exp  −    E1/   Biến đổi gần xác suất xuyên rào ta thu được: (1.4) Pl = exp ( −2πη ) , (1.5) với η tham số Sommerfeld xác định bởi: η= Z a Z Ae2 , v (1.6a) ( E) 1/2 2πη = 31.29Z1Z µ (1.6b) , E tính theo keV, khối lượng rút gọn µ tính theo amu Bên cạnh đó, học lượng tử tiết diện phản ứng σ tỉ lệ với bước sóng de-Broglie = / p sau: ∝ π p −2 ∝ E −1 Do đó, tiết diện phản ứng có dạng: σ ∝π σ (E) = S (E) E (1.7) exp ( −2πη ) (1.8) Trong đó, S(E) gọi S-factor, tham số thiên văn học Từ (1.2) (1.8), suất phản ứng xác định (1.9): 1/ NA   σv =    πµ     kT    Trong đó, b = 0.989 Z1Z µ 3/2 ∞ 1/  b  dE (1.9) 1/   E ∫ S ( E ) exp  − kT − E  ( MeV )1/ (1.10) Kết tổng hợp hai hạng tử hàm e-mũ (1.9) tạo đỉnh phân bố, gọi đỉnh Gamow Tiết diện phản ứng vùng lượng trội hẳn so với vùng khác Tại đỉnh, suất phản ứng tính bởi: 1/   NA σv =    πµ     kT    3/ 2/3 ∞ b  E S ( E0 ) exp  − −  kT E1/ ∫ ( )  dE  1/3  bkT  E0 =  = 1.22 Z12 Z µT62 keV ,    1/6 độ rộng đỉnh: ∆ = ( E0 kT )1/ = 0.749 Z12 Z µT65 keV Với đỉnh: ( ) (1.11) (1.12) (1.13) điện cực anode, gọi pad readout, thiết kế dạng tam giác vuông, cạnh 4.2mm, để ghi điện tích electron từ ion hố vùng khí, tín hiệu hạt ghi nhận từ anode Hình 2.6 mơ tả cấu trúc vùng khuếch đại tỉ lệ đo hạt nặng hạt nhẹ 2.2 Bố trí thực nghiệm 2.2.1 Bố trí đo đạc phản ứng 22Mg + α Thực nghiệm tiến hành buồng F3 hệ phổ kế CRIB Bố trí thực nghiệm trình bày hình 2.7 Hình 2.7 Bố trí hệ thống detector cho thực nghiệm 2.2.2 Hệ thống điện tử ghi nhận số liệu Hệ điện tử ghi nhận số liệu gồm hai phần bản: tín hiệu thời gian dùng cho trigger tín hiệu lượng dùng để xác định thông số vật lý phản ứng, hình 2.8 Hình 2.8 Sơ đồ khối điện tử dùng thực nghiệm đo 22Mg+α Để Trigger thiết lập tín hiệu từ hai detector PPAC, tín hiệu SSD tín hiệu chia nhỏ chùm hạt tới ghi hai PPAC: Trigger = Beam ⊕ SSDs + Beam/n + SSDs OR Beam = PPACa ∧ PPACb 14 Vì thời gian dịch chuyển electron từ ion hố vùng khí anode chậm so với tín hiệu alpha proton SSD, cần thiết lập cửa sổ trùng phùng cho tín hiệu từ GEM-SMSTPC SSD Cửa sổ trùng phùng xác lập trình bày hình 2.9 Hình 2.9 Sơ đồ thời gian cửa sổ trùng phùng 2.3 Ghi đo số liệu Trong thực nghiệm này, hệ thống ghi đo số liệu sử dụng VME CAMAC Số liệu từ tín hiệu detector ghi nhận theo kiện Sau đó, thơng tin kiện lưu dạng tập tin máy tính*.ridf, dạng thập lục phân Sau giải mã file *.ridf , lưu số liệu dạng *.dat *.root Sau đó, số liệu cần quan tâm 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 lượng đủ lớn, có cường độ độ cao quan trọng Phịng thí nghiệm CRIB khắc phục khó khăn trước để tạo chùm 22Mg cho phép đo 22Mg + α với lượng ngưỡng alpha Kết việc tạo chùm hạt tác giả công bố tạp chí Nuclear Instruments and Methods section A 2.4.1 Xác định phản ứng tạo chùm hạt 22Mg Sau tính toán tiết diện từ phản ứng khác kết cho thấy phản ứng 3He(20Ne,22Mg)n có tiết diện tốt Do đó, chùm hạt 22Mg tạo theo phản ứng 2.4.2 Tạo chùm 22Mg Chùm hạt 22Mg sản xuất phản ứng 3He(20Ne,22Mg)n Trong đó, bia khí 3He làm lạnh nhiệt độ nitrogen lỏng (90 K) với áp suất 170 torr Chùm 22Mg thu có cường độ 1200 pps với lượng bia 0.85 MeV/u Kết tạo chùm hạt không bền 22Mg cho phản ứng Mg + α luận án 22 15 Chương Phân tích số liệu thực nghiệm kết Phần trình bày chi tiết q trình phân tích số liệu kết ghi nhận Các mức lượng 26Si ghi nhận áp dụng tính tốn suất phản ứng 22Mg(α,p)25Al 3.1 Chuẩn lượng Việc chuẩn lượng tiến hành cho hệ detector SSD detector GEM-MSTPC Đường chuẩn lượng có dạng hàm tuyến tính bậc sau: E = a × Ch + b (3.1) Các thông số chuẩn lượng cho tất 96 strip SSD trình bày phần phụ lục A luận án Kết chuẩn hình 3.1 3.2 Việc chuẩn lượng cho GEM-MSTPC tiến hành theo hai bước: đo độ lượng hạt ∆E cách sử dụng nguồn alpha chuẩn độ lượng thực tế đo với tính tốn lý thuyết theo cơng thức bán thực nghiệm Zigler Độ lượng liên quan đến điện tích Q đo trực tiếp từ GEM-MSTPC xác định hàm tuyến tính sau: ∆E = αQ + β (3.2) Hình 3.1 Chuẩn lượng cho Hình 3.2 Chuẩn lượng cho vùng high gain vùng low gain 3.2 Nhận biết hạt thực nghiệm 3.2.1 Nhận biết hạt chùm hạt không bền Chúng ta cần nhận biết hạt thuộc phản ứng 22Mg+α mà quan tâm Do chùm nặng hạt tới bia khí chứa hai ion 20 Ne 21 Na, 22 nên cần phân biệt Mg với chúng Việc phân biệt hạt dựa độ lượng dE/dx, đường cong Bragg chúng đo detector khí, hình 3.3 16 3.2.2 Nhận biết hạt nhẹ sinh từ phản ứng Đối với hạt ra, alpha proton, chúng phân biệt phương pháp ∆E – E Trong đó, ∆E đo high-gain GEMMSTPC, E đo SSD cộng với ∆E Kết nhận biết alpha proton từ phản ứng trình bày hình 3.4 Hình 3.3 Độ lượng 22Mg, 21 Na 20Ne đo GEM-MSTPC Hình 3.4 Phân biệt alpha proton theo phương pháp ∆E-E 3.2.3 Hiệu chỉnh độ lượng Năng lượng phản ứng lượng cịn lại pad GEM-MSTPC mà xảy phản ứng Việc đo trực tiếp cách liên tục độ lượng pad điều thực tế, cần có hiệu chỉnh cần thiết cho kết tính tốn độ lượng cách xác Kết việc hiệu chỉnh độ lượng chi tiết luận án Bảng 3.1 Thơng số hiệu chỉnh tính toán độ lượng 22 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)22Mg αα 3.3.1 Thuật tốn Số liệu xử lí theo phương pháp kiện (event - by event) Mỗi kiện chứa lượng lớn thơng số: vị trí chùm hạt PPAC, 48 tín hiệu độ lượng chùm hạt tới vùng low-gain detector, tín hiệu độ lượng hạt alpha vùng highgain, 144 tín hiệu SSD (xem hình 3.5) Định dạng file chứa số liệu bảng 3.2 Những kiện thoả mãn điều kiện vật lý phản ứng mà quan tâm chọn lọc 17 Bảng 3.2 Định dạng fille chứa thông số kiện Event PPACa … n X1Y1-X2Y2 X1Y1-X2Y2 … X1Y1-X2Y2 Low-gain Pad1 … Pad48 P1 … P48 P1 … P48 … P1 … P48 PPACb X1Y1-X2Y2 X1Y1-X2Y2 … X1Y1-X2Y2 High-gain Pad1 … Pad8 P1 … P8 P1 … P8 … P1 … P8 Strip Si Si … Si Hình 3.5 Mô tả thông số ghi nhận kiện Để chọn lọc hạt 22Mg, cần phải thực đặt điều kiện cho nó, gọi gate beam Việc tiến hành dựa vào nhận biết hạt theo phương pháp dE/dx detector khí thuật tốn xác định đường bay hạt 22Mg Việc xác định hướng bay 22 Mg tiến hành dựa độ lượng khác anode pad Nếu hai anode có độ lượng hạt 22Mg bay thẳng bia mà quan tâm, hình 3.6 Hình 3.6 Chọn lọc chùm hạt 22 Mg dựa độ phổ biến chùm hạt Bước lọc kiện chứa hạt alpha 22Mg xác định vị trí hạt alpha strip SSD Bước thứ ba xác định vị trí phản ứng góc tán xạ alpha Bước thứ tư xác định lượng phản ứng Khi đó, thu thơng số vật lý phản ứng: lượng phản ứng Ereact, lượng alpha Eα, góc tán xạ θα: Ereact = Einc - Ewd - Edl - Edz, 18 (3.3) Eα = Edl1 + EGM + Edl2 + ESSD, (3.4) θα = (PPACa & PPACb) + (R.Point) + (SSD strips) (3.5) Bước thứ năm xác định hàm kích thích cộng hưởng tiết diện phản ứng theo lượng dσ ( Ecm ) dΩ Bước cuối khớp giá trị thực nghiệm theo phương pháp Rmatrix để xác định đặc trưng lượng tử mức kích thích 26Si Những thơng số cộng hưởng tính tốn suất phản ứng cho 22Mg(α,p)25Al 3.3.2 Chương trình máy tính dùng để phân tích số liệu Để xử lí số liệu thực nghiệm này, số chương trình máy tính tác giả luận án lập trình dựa cơng thức thuật tốn trình bày Các chương trình chạy hệ điều hành Linux sử dụng kết hợp với chương trình ROOT trung tâm gia tốc châu Âu, CERN 3.3.3 Tính tốn động học Tính tốn động học phản ứng 22Mg(α,α)22Mg tiến hành theo mơ tả hình 3.7 Năng lượng phản ứng Ecm xác định lượng hạt bay vào Elab, 22Mg Ta có: Ecm = Elab A4 A4 He He + A22 = Mg (3.6) Elab , 26 Năng lượng hạt Elab 22Mg xác định bởi: (3.7) Elab = E0 − ∆E Hình 3.7 Mơ tả hình học việc tính tốn động học cho phản ứng Góc tán xạ tính tốn theo cơng thức hình học bên dưới, kết tính tốn trình bày phụ lục G luận án tan θ = OH , OP cos θ = OP OP + OH (3.8) 3.3.4 Độ sai số lượng Độ sai lệch lượng đánh giá dựa lượng phân tán chùm hạt vào cửa sổ buồng phản ứng, lượng phân tán bia khí, sai số lượng vị trí phản ứng, sai số lượng alpha sai số góc tán xạ phân tán bia khí trước đến SSD 19 3.3.5 Góc khối Góc khối detector xác định phạm vi góc tán xạ alpha SSD Góc khối vi phân xác định sau: (3.9) d Ω lab = sin θ lab d θ lab d ϕ Góc khối xác định khoảng góc tán xạ xác định bởi: ∫ ∫ (3.10) ∆Ω = d Ω = sin θ dθ dϕ 3.3.6 Số hạt tham gia phản ứng Thời gian tiến hành toàn thực nghiệm 17 ngày, ngày để sản xuất chùm 22Mg 1.5 ngày để đo độ lượng chuẩn detector chùm hạt không bền hạt nặng Phản ứng 22 Mg+α đo 9.5 ngày với tổng số hạt vào 2.36 × 10 3.3.7 Tiết diện vi phân trạng thái cộng hưởng Tiết diện vi phân xác định phạm vi góc từ - -10 độ Năng lượng phản ứng dải từ 0.5 MeV đến 3.0 MeV hệ khối tâm Tiết diện phản ứng thực nghiệm xác định bởi: I ∆Ω A dσ = d Ω I τ N A ∆Ω.ε (3.11) Tiết diện hệ khối tâm xác định thơng qua hệ phịng thí nghiệm : dσ dσ ( Ecm ,θcm ) = ( Elab ,θlab ) d Ω cm 4cos θlab d Ωlab Hình 3.8 Hàm kích thích tiết diện phản ứng hệ khối tâm với góc tán xạ θlab = - độ (3.12) Hình 3.9 Hàm kích thích tiết diện phản ứng hệ khối tâm với góc tán xạ θlab = - 10 độ Kết phân tích số liệu mức cộng hưởng thu hạt nhân hợp phần 26 Si hình 3.8 3.9 Chúng ta thu 20 thông số ban đầu cần thiết cho việc làm khớp theo phương pháp R-matrix bảng 3.3 Bảng 3.3 Năng lượng cộng hưởng độ rộng xác định từ thực nghiệm Độ rộng(keV) Năng lượng Ecm(MeV) 10.360 ± 0.031 101.536 ± 3.116 10.680 ± 0.045 98.103 ± 2.021 111.326 ± 0.811 10.829 ± 0.050 11.242 ± 0.063 103.536 ± 0.927 11.481 ± 0.070 118.821 ± 3.709 133.617 ± 1.073 11.803 ± 0.079 3.4 Phân tích R-matrix cho phản ứng 22Mg(α,α)22Mg Việc phân tích làm khớp R-matrix tiến hành chương trình máy tính AZURE Chương trình kiểm tra với phản ứng hạt nhân thiên văn 12C+p, 14N+p 16O+p có độ xác cao so với kết thực nghiệm Theo phương pháp R-matrix, ta cần thông số cho hai vùng bên bên ngồi hạt nhân compound Bán kính kênh phản ứng xác định bởi: ( 1/3 1/3 R = 1.45 A1 + A2 ) fm (3.13) Những thông số cần thiết cho vùng bên thông số lượng tử Theo nguyên lý bảo toàn spin chẵn lẻ, 22Mg + α J = j1 + j2 = l + s ⇒ l−s ≤ J ≤ l+s , π = π1π ( −1) l 26 Si, ta có: (3.14) (3.15) Do 22Mg, 4He và26Si hạt nhân chẵn-chẵn, chúng có spin s = nên: J = l π = (-1)l (3.16) Theo học lượng tử ta có l =  R × p  , đó, moment quỹ đạo có giá trị   cực đại thoả mãn: l≤ R 2µ E (3.17) Với lượng cực đại phản ứng E = 3.0 MeV l ≤ 4, ta thu thông số lượng tử cộng hưởng bảng 3.4 Đối với vùng ngồi, thơng số kênh vào phản ứng bảng 3.5 Sau làm khớp bình phương tối thiểu theo phương pháp R-matrix thu kết trình bày bảng 3.6 hình 3.10 Trong thực nghiệm xác định sáu mức kích thích, mức đầu mức 21 cuối có hai giá trị Jπ thoả mãn thông số khớp R-matrix Do đó, cần có nghiên cứu khác để xác định giá trị Bảng 3.4 Thông số cộng hưởng dùng cho AZURE Các mức l Jπ 0+ Bảng 3.5 Thông số ban đầu dùng cho AZURE Mg ( J π = + ) Projectile 22 10.36; 10.68; 1- Target 10.83; 11.24; 2+ Compound nucleus 26 11.48; 11.80 34+ Separation energy Channel radius 9.221 (MeV) 6.365 (fm) He( J π = + ) Si( J π = + ) Hình 3.10 Kết khớp R-matrix số liệu thực nghiệm để xác định trạng thái lượng tửcủa mức kích thích cộng hưởng Bảng 3.6 Các mức kích thích 26Si thu nghiên cứu so sánh với hai cơng trình khác với độ tin cậy cao Mức Nghiên cứu Er Γ (MeV) (MeV) 10.325 ± 0.071 0.218 ± 0.011 10.678 ± 0.016 0.194 ± 0.006 10.831 ± 0.113 0.186 ± 0.013 11.245 ± 0.028 0.208± 0.027 ± 0.292 ± 0.010 11.493 ± 0.216 11.807 ± 0.117 0.156 ± 0.032 28 26 Si(p,t) J + π P π Er (MeV) - (2 , ) 0+ 4+ 3(0+, 2+) J 10.434 10.656 11.014 - -?-?-?-? - Er (MeV) 10.299 10.405 10.688 10.827 - Jπ -?-?-?-? - 3.5 Các mức lượng cộng hưởng ngưỡng alpha 26Si Theo quy luật cấu trúc nhóm hạt nhân, trạng thái kích thích cộng hưởng thường xảy gần với lượng ngưỡng hình thành nhóm lượng cộng hưởng nhóm đó, hạt nhân 22 có số khối gần gấp bốn lần alpha 4n, 4n±1, 4n±2, trường hợp hạt 22 Ne, 22Mg Tương tự với 26Si, có cấu trúc nhóm Trạng thái 10.325 MeV 10.831 MeV Vì vùng lượng (10.3 - 10.8 MeV) 26 Si cao ngưỡng thr 3α thr alpha E (7.2657 MeV) thấp ngưỡng alpha E4α (14.4382 MeV) Do đó, dự đốn cấu trúc hạt nhân 26Si dạng (p+3α+3α+p) Điều dự đoán dựa sở mức lượng 26Si gần sát với mức cộng hưởng 12C cấu trúc nhóm 3α 12C Trạng thái 10.678 MeV, 11.245MeV 11.493 MeV Các mức có lượng nằm xa mức cộng hưởng 12C, đó, khó để có cấu trúc nhóm p+3α+3α+p Tuy nhiên, mức lại gần với mức kích thích cộng hưởng 24Mg, cấu trúc 26Si tồn dạng lõi 24Mg liên kết với hai proton “hoá trị”, p+24Mg+p Các mức cộng hưởng 24 Mg, phụ lục E luận án, có spin chẵn-lẻ 26 tương tự Si spin hai proton kèm bị triệt tiêu Như nói trên, việc xác định trạng thái lượng tử mức đầu cuối có hai kết cần kiểm chứng số liệu khác Tuy nhiên, chưa có số liệu cơng bố Bên cạnh đó, khoảng cách mức độ rộng mức thu từ thực nghiệm gần Do đó, việc tiến hành thực nghiệm xác định mức lượng ngưỡng alpha 26Si việc làm cần thiết Trong hướng nghiên cứu luận án, kết từ việc phân tích số liệu 22Mg(α,p)25Al bổ sung thêm thông tin cần thiết 26Si ngưỡng alpha 3.6 Suất phản ứng 22Mg(α,p)25Al α 22 Suất phản ứng Mg(α,p)25Al tính tốn cách sử dụng số liệu mức cộng hưởng hạt nhân 26Si theo cơng thức trình bày chương Trong đó, hàm lực cộng hưởng xác định trình bày bảng 3.7 Kết tính tốn suất phản ứng với thơng số hàm lực nêu trình bày bảng 3.8 Hình 3.11 trình bày suất phản ứng 22 Mg(α,p)25Al ứng với mức cộng hưởng 26 Si So sánh kết nghiên cứu với nghiên cứu trình bắt proton, hình 3.12, phân rã beta, kết bảng 3.9, cho thấy cạnh tranh 23 phản ứng bắt alpha nhỏ so với bắt proton Tốc độ phân rã beta 22Mg nhanh so với trình bắt alpha chậm bắt proton Do đó, vùng lượng khảo sát siêu tân tinh X-ray Burst, trình bắt proton chiếm ưu bỏ qua chế phân rã beta 22Mg Điều ảnh hưởng đến việc quan sát tia gamma 1.275 MeV bất thường tỉ số 22Ne/20Ne vấn đề Ne-E Bảng 3.7 Hàm lực cơng hưởng mức kích thích 26Si Er ER = Er - Q ωγ Γ Level Jπ (MeV) (MeV) (MeV) (MeV) 10.325 1.209 2+ 0.218 0.2725 10.678 1.512 0+ 0.194 0.0485 10.831 1.675 10.186 0.1395 11.245 2.057 4+ 0.208 0.4680 11.493 2.306 30.292 0.5180 11.807 2.640 0+ 0.156 0.0390 Bảng 3.8 Suất phản ứng 22Mg(α,p)25Al tính theo mức cộng hưởng 0.5 1.209 MeV 9.6E-18 1.512 MeV 1.5E-21 1.675 MeV 9.8E-23 2.057 MeV 4.7E-26 2.306 MeV 1.6E-28 2.640 MeV 5.1E-33 9.6E-18 1.0 4.2E-12 2.2E-14 9.6E-15 3.8E-16 2.3E-17 3.7E-20 4.2E-12 1.5 2.4E-10 4.2E-12 3.4E-12 6.0E-13 9.7E-14 5.5E-16 2.5E-10 2.0 1.6E-09 5.1E-11 5.7E-11 2.0E-11 5.4E-12 5.9E-14 1.8E-09 2.5 4.8E-09 2.1E-10 2.8E-10 1.6E-10 5.6E-11 9.0E-13 5.5E-09 3.0 9.4E-09 5.1E-10 7.9E-10 6.0E-10 2.5E-10 5.3E-12 1.1E-08 3.5 1.4E-08 9.4E-10 1.5E-09 1.5E-09 7.2E-10 1.8E-11 1.9E-08 4.0 1.9E-08 1.4E-09 2.6E-09 2.8E-09 1.5E-09 4.4E-11 2.8E-08 T9 Hình 3.11 Suất phản ứng 22 Mg(α,p)25Al ứng với mức cộng hưởng 24 Tổng Hình 3.12 Suất phản ứng 22 Mg(p,γ)23Al Bảng 3.9 Tốc độ phản ứng 22Mg(p,γ)23Al, 22Mg(α,p)25Al phân rã beta T9 (GK) 1.0 1.5 2.0 2.5 10 Rαp (reaction/s) 2.99E-06 1.79E-04 1.26E-03 3.90E-03 7.50E-02 Rpγ (reaction/s) 7.80E+03 2.47E+04 4.92E+04 7.80E+04 - Rβ+ (decay/s) 0.178881 0.178881 0.178881 0.178881 0.178881 Số liệu suất phản ứng ghi nhận nghiên cứu so sánh với kết tính tốn theo lý thuyết thống kê Hauser-Feshbach với code NON-SMOKERWEB Kết hình 3.13 Hình 3.13 Suất phản ứng nghiên cứu tính tốn từ thực nghiệm từ lý thuyết thống kê thu đượcbởi NON-SMOKERWEB Hình 3.14 S-factor hàm theo lượng Thừa số S-factor thông số quan trọng việc xác định suất phản ứng Trong nghiên cứu này, thừa số rút từ suất phản ứng mức cộng hưởng 26Si sau: −1/2   S ( Ei ) = N A σ v    πµ  −3/2      kT  E b  exp  i + 1/2  (3.18)  kT E  i   T nhiệt độ môi trường ứng với mức lượng E Kết S-factor mức cộng hưởng xác định hình 3.14 bảng 3.10 Để tính tốn ngoại suy cho mức lượng khác, giá trị làm khớp với hàm đa thức sau: S(E) = -0.008E + 22.915E + 292.143 25 (3.19) Bảng 3.10 S-factor S(E) mức lượng cộng hưởng S-factor (keV.barns) E (MeV) Jπ + 1.209 1.506×104 ± 626.848 + 1.512 1.640×104 ± 542.486 1.675 1.558×104 ± 478.484 + 2.057 1.175×104 ± 287.019 2.306 7.008×103 ± 264.092 + 2.64 2.746×103 ± 128.035 Từ cơng thức (3.19) tính suất phản ứng mức lượng đỉnh Gamow sau: 1/3 1/3 ZZ  N A σ v = 7.83 ⋅109    AT9  S ( E0 ) e  Z 2Z A  −4.2487    T9    (3.20) Kết luận kiến nghị Trong nghiên cứu xác định 06 mức kích thích vùng lượng ngưỡng alpha hạt nhân giàu proton 26 Si Trong đó, có 03 mức trùng khớp với nghiên cứu trước 03 mức hoàn toàn lần ghi nhận Các trạng thái spin chẵnlẻ 06 mức lần xác định nghiên cứu Cấu trúc nhóm mức đánh giá dựa số liệu ghi nhận C 24 sung vào sơ đồ mức 26 từ hạt nhân 12 Mg Các mức lượng bổ Si góp phần việc xác định trạng thái lượng tử hạt nhân gương 26Mg cịn thiếu Kết góp phần bổ sung số liệu hạt nhân Tuy nhiên, việc thu thập số liệu 26 Si nghiên cứu khác theo phương pháp lý thuyết thực nghiệm việc làm cần thiết kết lần ghi nhận Về vấn đề thiên văn học, suất phản ứng Mg(α,p)25Al 22 tính tốn so sánh với nhánh phân rã beta bắt proton 22Mg Kết chứng tỏ rằng, vùng nhiệt độ T = 0.5 - GK, trình bắt proton diễn nhanh bắt alpha Do đó, nhiệt độ tăng cao vùng môi trường siêu tân tinh X-ray burst, khả cạnh trạnh phân rã beta khơng đáng kể Đây lý mà tia gamma đặc 26 trưng 1.275 MeV bị bỏ qua trình tổng hợp hạt nhân có nhiệt độ cao Điều tác động lên độ phổ biến 22 22 22 20 Ne/ Ne Thừa số S-factor dùng cho tính tốn phản ứng Na tỉ số Mg(α,p)25Al theo chế trực tiếp xác định nghiên cứu Về mặt thực nghiệm, nghiên cứu tạo chùm 22Mg thoả mãn điều kiện cường độ độ để đo trực tiếp tán xạ lên alpha Một loại detector khí thiết kế phát triển để dùng thực nghiệm vật lý hạt nhân, nghiên cứu cấu trúc thiên văn theo chế động học ngược cách hiệu Hướng phát triển luận án xác định tiết diện Mg(α,p)25Al để xác định suất phản ứng từ tiết diện, thay tính suất phản 22 ứng mức cộng hưởng Đây việc làm cần thiết để đánh giá việc khảo sát suất phản ứng thông qua hai phương pháp, dùng mức cộng hưởng dùng tiết diện phản ứng Trong đó, việc phát triển chương trình máy tính ANAROOT để xử lí số liệu thực nghiệm 22Mg(α,p)25Al tiến hành Ngoài ra, việc áp dụng mẫu lý thuyết mẫu quang học, mẫu lớp để đánh giá mức ghi nhận với kết thực nghiệm khác thực Các cơng bố khoa học Các cơng trình cơng bố quốc tế nước ngồi [1] N N Duy, L H Khiem, S Kubono, D Kahl et al (2013), “Lowenergy radioactive ion beam production of 22Mg”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 723, pp 99–101 [2] N N Duy, L H Khiem, S Kubono, D Kahl et al (2013), “Exotic beam for direct measurement of the 22Mg+α”, Journal of Physical Science and Application (USA), Vol.3, No.2, pp.82 - 85 [3] N N Duy, L H Khiem, S Kubono, D Kahl et al (2013), “Role of the 22 Mg(α,p)25Al reaction and its first direct measurement”, CNS Annual Report 2011 - the University of Tokyo, pp - 10 [4] N N Duy, L H Khiem, S Kubono, D Kahl et al (2013), “RI beam production in the 22Mg+α experiment at CRIB”, CNS Annual Report 2011 the University of Tokyo, pp - 27 [5] N N Duy, L H Khiem, S Kubono, D Kahl et al (2012), “Active target measurement of the 22 Mg+alpha system in inverse kinematics”, RIKEN Accelerator Process Report 45, p.20 [6] H Yamaguchi, S Kubono, D Kahl, L H Khiem, N N Duy et al (2013), “α-resonance structure in 11 C studied via resonant scattering of Be+α and with the Be(α,p) reaction”, Physics Review C 87, pp - 12 [7] H Yamaguchi, S Kubono, D Kahl, L H Khiem, N N Duy et al (2012), “Excitation function of 7Be+α elastic and inelastic scattering cross sections”, CNS Annual Report 2010 - the University of Tokyo, pp - [8] H Yamaguchi, S Kubono, D Kahl, L H Khiem, N N Duy et al (2011), “Measurement of alpha scattering on 7Be”, CNS Annual Report 2009 - the University of Tokyo, pp - [9] D Kahl, A.A.Chen, S Kubono, H Yamaguchi, S Cherubini, N N Duy et al (2012), “Measurement of the 30 S+a system for type I X-ray bursts”, XII International Symposium on Nuclei in the Cosmos, pp - Các cơng trình cơng bố nước [10] N.N.Duy and L.H Khiem (2011), “Feasibility study of direct measurement of stellar reaction 22 Mg(α, p)25Al”, Communications in Physics, Vol 21, No.2, pp 169 - 178 [11] N.N.Duy, L.H Khiem and V H Tan (2012), “Investigation of gas gain of GEM-foil used in low energy radioactive beam experiment”, Communications in Physics, Vol 22, No.3, pp 283 - 287 [12] N.N.Duy, L.H Khiem and V H Tan (2011), “Gas gain measurement of GEM-foil in Argon-Carbon dioxide mixture”, Tuyển tập báo cáo hội nghị khoa học công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ IX, Ninh Thuận 1819/8/2011, pp.209 - 211 [13] N.N.Duy and L.H Khiem (2011), “Design of experiment for (α,p) reaction induced by 22Mg radioactive ion beam”, Proceedings of the topical conference on Nuclear Physics, High energy Physics and Astrophysics, Hanoi 9-11/11/2010, pp.90 - 95 28 ... học việc tính tốn động học cho phản ứng Góc tán xạ tính tốn theo cơng thức hình học bên dưới, kết tính tốn trình bày phụ lục G luận án tan θ = OH , OP cos θ = OP OP + OH (3.8) 3.3.4 Độ sai số. .. nghiệm này, số chương trình máy tính tác giả luận án lập trình dựa cơng thức thuật tốn trình bày Các chương trình chạy hệ điều hành Linux sử dụng kết hợp với chương trình ROOT trung tâm gia tốc châu... ứng nghiên cứu luận án 1.1 Nguồn gốc vật chất vũ trụ Trình bày giả thiết suy luận đưa đến việc xác định vật chất vũ trụ cấu tạo hạt nucleon, hạt nhân nguyên tử 1.2 Quá trình tổng hợp nguyên tố