Luận văn Bước đầu nghiên cứu phản ứng hạt nhân 10b (p, α) trên máy gia tốc 5sdh - 2 tại trường đại học khoa học tự nhiên

kích thích cao hơn, thông qua đo Tb xác định được Qex và từ đó rút ra Eex. 1.1.4. Suất lượng và tiết diện của phản ứng hạt nhân 1.1.4.1. Suất lượng phản ứng hạt nhân Suất lượng của phản ứng là số phản ứng xảy ra trên bia trong một đơn vị thời gian. Suất lượng của phản ứng hạt nhân ký hiệu là Y, trong trường hợp chùm hạt đơn năng, suất lượng Y được xác định theo công thức: Y =.N0.. (1.17) trong đó  là hệ số hình học, N0 là số hạt nhân trên bia;  là thông lượng chùm hạt tới;  là tiết diện phản ứng hạt nhân. Trường hợp chùm hạt tới có phổ năng lượng liên tục, gọi (E) là thông lượng chùm bức xạ trong vùng năng lượng E, còn (E) là tiết diện phản ứng trong vùng năng lượng E. Hàm (E).(E) được gọi là hàm hưởng ứng hay hàm kích thích trong vùng năng lượng E. Tốc độ phản ứng, đối với hạt tới có năng lượng từ E đến E+dE là dR được xác định theo công thức: dR = (E).(E)dE (1.18) Tốc độ phản ứng dR thực chất là số phản ứng xảy ra trên một hạt nhân trong một đơn vị thời gian do các hạt tới có năng lượng từ E đến E+dE gây ra. Tích phân hai vế của phương trình (1.18), ta có: (1.19)    0 )().( dEEER  Luận văn tốt nghiệp Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 13 trong đó R chính là tốc độ phản ứng hay số phản ứng xảy ra trên một hạt nhân bia trong một đơn vị thời gian. Xét trường hợp phản ứng có ngưỡng là Eth, chùm bức xạ tới có năng lượng cực đại là Emax. Do tiết diện phản ứng bằng không khi năng lượng chùm hạt tới nhỏ hơn ngưỡng của phản ứng. Khi đó biểu thức (1.19) được viết lại như sau: (1.20) Khi đó suất lượng phản ứng hạt nhân Y, được xác định theo công thức:  max )().(0 E Eth dEEENY  (1.21) 1.1.4.2. Tiết diện phản ứng hạt nhân Tiết diện phản ứng là thước đo xác suất tương đối để phản ứng hạt nhân xảy ra. Nếu đặt một detector để ghi hạt b bay ra theo phương (θ,Φ) so với phương chùm hạt tới, detector chiếm giữ một góc khối nhỏ dΩ. Gọi Ia là cường độ dòng tới (số hạt trên một đơn vị thời gian), n là số hạt nhân bia trên một đơn vị diện tích, Rb là số hạt b bay ra trong một đơn vị thời gian, khi đó ta có: b a R I N   (1.22) Detector chỉ chắn một góc khối nhỏ dΩ nên không ghi nhận hết được hạt bay ra. Thực tế chỉ ghi nhận được dRb, do đó chỉ rút ra được một phần tiết diện phản ứng dσ. Hơn nữa, các hạt bay ra nói chung không đẳng hướng, chúng sẽ tuân theo một phân bố góc r(θ,Φ) nào đó phụ thuộc vào θ hoặc có thể cả góc Φ. Khi đó ta có dRb=r(θ,Φ)dΩ/4π và tiết diện vi phân góc được định nghĩa: ( , ) 4 a d r d I n       (1.23)  max )().( E Eth dEEER  Luận văn tốt nghiệp Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 14 Tiết diện vi phân cho thông tin quan trọng về phân bố góc của sản phẩm phản ứng. Tích phân 1.23 theo toàn bộ góc khối sẽ thu được tiết diện phản ứng. Với dΩ=sinθdθdΦ ta có: 2 0 0 sin d d d d d d d               (1.24) Trong nhiều ứng dụng hạt nhân, không chỉ quan tâm đến xác suất tìm thấy hạt b tại một góc nào đấy mà còn quan tâm đến năng lượng của hạt b. Từ đó người ta đưa ra khái niệm tiết diện vi phân kép d2σ/dEbdΩ. Đối với các trạng thái gián đoạn, khi đó chỉ có một mức năng lượng nằm trong dải dEb, nên việc phân chia tiết diện vi phân kép và tiết diện vi phân góc là không cần thiết. Nếu không quan tâm tới góc bay ra của hạt b, mà chỉ quan tâm tới năng lượng của hạt b, thì ta có tiết diện vi phân theo năng lương dσ/dE, khi đó E có thể là năng lượng kích thích của hạt nhân Y. Bảng 1.1: Một số loại tiết diện phản ứng hạt nhân [8]. Tiết diện Ký hiệu Kỹ thuật đo Ứng dụng có thể Tiết diện tổng cộng σt Suy giảm chùm tia Che chắn Tiết diện phản ứng hạt nhân Σ Lấy tổng theo tất cả các góc và năng lượng của hạt b Tạo ra đồng vị Y thông qua phản ứng hạt nhân Tiết diện vi phân góc dσ/dΩ Đo b tại góc (θ,Φ) lấy tổng theo tất cả năng lượng Sự hình thành hạt b theo hương nào đó Tiết diện vi phân theo năng lượng dσ/dE Đo trạng thái kích thích của Y thông qua γ phát ra Nghiên cứu sự phân rã trạng thái kích thích hạt nhân Y Luận văn tốt nghiệp Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 15 Tiết diện vi phân kép d 2σ/dEb- dΩ Đo b tại (θ,Φ) tại năng lượng cụ thể Nghiên cứu sự hình thành trạng thái kích thích hạt nhân Y theo phân bố góc của hạt b Tiết diện tổng σt chính là tổng của các tiết diện phản ứng của tất cả các hạt bay ra. Tiết diện này có thể tính được bằng cách đo sự suy giảm chùm tia khi cho một chùm tia chuẩn trực đi qua bia. Khi nghiên cứu một phản ứng cụ thể nào đó, tiết diện mà ta quan tâm sẽ phụ thuộc vào chúng ta đo cái gì. Bảng 1.1 tổng kết các loại tiết diện, cùng với ứng dụng của chúng. 1.2. Phản ứng hạt nhân gây bởi hạt tích điện nhẹ 1.2.1.Vai trò của hàng rào thế Coulomb Khi hạt tích điện tương tác với vật hạt nhân, đường cong thế năng có dạng như hình 1.4. Đường cong nằm bên trên trục hoành là do lực đẩy Coulomb của hạt nhân và hạt tích điện. Thế năng trong vùng này phụ thuộc vào khoảng cách theo công thức: 2 ( ) Zze V r r  (1.25) Với Z, z lần lượt là điện tích hạt nhân và hạt tích điện, r là khoảng cách giữa hạt nhân và hạt tích điện. Tại r=R (bán kính hạt nhân), đường cong giảm nhanh,khi r<R phần thế năng này là do lực hút hạt nhân. Tương tác Coulomb của hạt tích điện với hạt nhân đặc trưng bởi hàng rào thế Coulomb: 2 C Zze B R  (1.26) Luận văn tốt nghiệp Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 16 Xét hạt đến có động năng T<BC, theo cơ học cổ điển thì hạt không đi được vào hạt nhân trong trường hợp này. Tuy nhiên, theo cơ học lượng tử, hạt với động năng T<BC vẫn có xác suất đi qua hàng rào thế. Xác suất để hạt đi qua hàng rào thế, hay còn gọi là độ thấm thấu được cho bởi công thức [11]:   2 1 2 exp 2 r C r D V T dr          (1.27) trong đó μ là khối lượng rút gọn, T là động năng trong hệ khối tâm. Giới hạn dưới của tích phân được coi bằng bán kính hạt nhân, còn giới hạn trên thu được khi giải phương trình T = Zze2/r2. Tích phân (1.27) dẫn tới:  expD g  (1.28) với g = 2πR/λ; √ √ √ ; √ là bước sóng Broglie tương ứng với động năng của hạt tới bằng hàng rào thế Coulomb. Hình 1.2: Thế năng tương tác 1.2.2. Vai trò của hàng rào thế xuyên tâm Xét tương tác của hạt tới với hạt nhân có thông số va chạm khác không. Trong cơ học lượng tử, hàm sóng mô phỏng tương tác này ứng có số lượng tử quỹ đạo l≠0. Thế xuyên tâm khi đó được biễu diễn bởi công thức [13]: Luận văn tốt nghiệp Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 17  2 2 1 2 xt l l V mr   (1.29) Khi r=R bán kính hạt nhân, ta có hàng rào thế xuyên tâm:  2 2 1 2 xt l l B mR   có giá trị (Bxt)min ứng với l=1; Khi nơtron tương tác với hạt nhân, hàng rào thế này làm giảm xác suất tương tác giống như hàng rào coulomb làm giảm xác suất tương tác của hạt tích điện. Với hạt mang điện, thế xuyên tâm cùng với thế Coulomb miêu tả tương tác của hạt tích điện với hạt nhân. Giá trị (Bxt)min chỉ lớn hơn BC với các hạt nhân nhẹ (Z<8). Các hạt nhân nằm từ giữa bản Tuần hoàn các nguyên tố trở đi, ta luôn có BC>>(Bxt)min dẫn đến BC+(Bxt)min≈BC. Các hạt tích điện tương tác với các hạt nhân nặng với (T<BC) xảy ra với cùng một xác suất cho cả hai giá trị l=0 và l=1; Khi l tăng, hàng rào thế xuyên tâm tăng, xác suất tương tác giảm. Tuy nhiên, với l nhỏ (l≤l0), điều kiện BC>Bxt tiếp tục làm cho xác suất tương tác không phụ thuôc vào l. Chỉ với l>l0 rất nhiều thì vai trò của hàng rào thế xuyên tâm mới lớn. Giá trị l0 có thể tính được khi cho giải phương trình Bxt=BC, ta có: 0 2 CB R l    Giá trị l0 không phụ thuộc vào năng lượng của hạt tới. Do đó, không giống như neutron, các hạt tích điện với T<BC có xác suất tương tác là như nhau với l=0 và l=1,2... l0. Điều này dẫn tới phân bố góc bất đẳng hướng trong hệ khối tâm. Với trường hợp T>BC, hạt tích điện tương tác với hạt nhân tương tự như tương tác của neutron. Với l≠0, tương tác sẽ xảy ra nếu: C xtT T B B    (1.30) Nếu năng lượng T của hạt tới xác định, tương tác quan sát được với l<lΔT, với lΔT thỏa mãn lΔT ≈ 2πR/λΔT. 1.2.3. Phản ứng hạt nhân gây bởi proton Proton có thể gây ra các phản ứng sau: (p,α), (p,n), (p,p), (p,γ) và (p,d) (rất hiếm). Chúng ta sẽ xem xét những đặc trưng chính của các phản ứng này. Luận văn tốt nghiệp Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 18 Phản ứng (p,α): phản ứng này là phản ứng tỏa nhiệt. Động năng của phản ứng Q=εa-εb [11], với εa là năng lượng liên kết của hạt tới, còn εb là năng lượng liên kết cảu hạt bảy ra trong hạt nhân hợp phần. Đối với phản ứng (p,α), Q=εp-εα. Với tất cả các hạt nhân bền β trong bảng tuần hoàn, εp≈ const và vào cỡ khoảng 8MeV. Còn năng lượng liên kết của α thay đổi từ giá trị nhỏ nhất εα =0 với Z=60 đến giá trị cao nhất εα =8 với Z=8, với Z>60 thi năng lượng liên kết của α mang giá trị âm. Do đó: pQ    (1.31) Chú ý thứ hai liên quan tới phản ứng (p,α) là xác xuất xảy ra phản ứng. Xác suất này là không lớn đối với các hạt nhân nặng, do hạt α bay ra khỏi hạt nhân bị cấm mạnh bởi hàng rào thế Coulomb (bằng 28 MeV với Z=80). Hàng rào thế chỉ cho các hạt alpha nhanh bay ra khỏi hạt nhân. Hạt alpha bay ra làm hạt nhân dịch chuyển xuống các mức thấp hơn (và do đó xắp xếp thưa hơn). Do trọng số thống kê của một trạng thái được định nghĩa bởi mật độ mức hạt nhân, nên dẫn đến xác suất phản ứng (p,α) thấp. Điều kiện này không áp dụng hạt nhân nhẹ, vì khi đó hàng rào thế Coulomb nhỏ. Phản ứng (p,n): Đối với các hạt nhân bền, phản ứng loại này luôn là phản ứng thu nhiệt với ngưỡng phản ứng lớn hơn 0.8MeV. Thật vậy, xét phản ứng A(p,n)B ta có: 1.3n pm m MeV  (1.32) 0.5B AM M MeV   (1.33) Nếu điều kiện thứ hai không thỏa mãn thì hạt nhân A sẽ chuyển thành hạt nhân B thông qua phân rã beta. Năng lượng của phản ứng:     1.3 0.5 0.8B n B pQ M m M m MeV       (1.34) Mặt khác theo công thức tính năng lượng, suy ra Tth>0.8 MeV. Phản ứng (p,p): Nếu động năng của hạt tới cao hơn hàng rào Coulomb xác suất của phản ứng loại này tương đương với xác suất của phản ứng (p,n). Trong vùng năng lượng thấp hơn, phản ứng (p,p) được dùng trong các trường hợp phản ứng (p,n) không xảy ra. Luận văn tốt nghiệp Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 19 Phản ứng (p,γ): Do xác suất phát ra các hạt từ hạt nhân hợp phần cao hơn xác suất phát lượng tử γ, nên phản ứng (p,γ) có suất lượng rất thấp. Tuy nhiên, vì một vài lý do nào đó hạt phát ra bị cấm, thì lúc đó phản ứng (p,γ) đóng vai trò quan trọng. Ví dụ, nếu Tp<Tth của phản ứng (p,n), thì sẽ quan sát được phản ứng (p,γ) bên cạnh phản ứng (p,p). Một thí dụ thú ví về phản ứng (p,γ) có suất lượng cao chính là phản ứng . Phản ứng (p,d): So với các phản ứng khác, phản ứng này rất hiếm vì đơteron là hạt có liên kết yếu (εd = 2.22 MeV), và cần lượng lớn năng lượng để hình thành nó. Do đó, phản ứng (p,d) thường là phản ứng thu nhiệt, còn nếu là phản ứng tỏa nhiệt thì giá trị Q rất nhỏ (ví dụ như có Q=0.56 MeV). 1.3 Một vài điểm cơ bản về thiên văn học hạt nhân Năng lượng sinh ra trong các sao là do các phản ứng tổng hợp hạt nhân xảy ra trong ngôi sao đó. Nếu Q>0 thì phản ứng là tỏa nhiệt. Khi đó phản ứng có thể xảy ra với mọi năng lượng của hạt tới trong hệ quy chiếu tâm khối dù cho các hàng rào Coulomb và hàng rào xuyên tâm có thể làm giảm xác suất xảy ra phản ứng (tiết diện σ). Hình vẽ 1 minh họa phản ứng hạt nhân sóng s (l=0) giữa các hạt tích điện. Theo vật lý cổ điển, nếu năng lượng của hạt tới E<EC thì phản ứng hạt nhân không thể xảy ra vì hạt tới không thể chui vào được hố thế hạt nhân (r<Rn). Lực đẩy coulomb chỉ cho phép hạt tới đến được khoảng cách r=RC. Tuy nhiên theo cơ học lượng tử thì vẫn tồn tại xác suất khác không để hạt tới chui được qua hàng rào thế bằng hiệu ứng đường ngầm. Trong trường hợp E<<EC (tương đương với điều kiện RC>>Rn), xác suất chui qua hàng rào theo hiệu ứng đường ngầm được tính bằng công thức: (1.35) trong đó η được gọi là tham số Sommerfeld. ( ) (1.36) Luận văn tốt nghiệp Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 20 Trong đó: - e là điện tích của electron, - Zx và ZA là điện tích của hạt tới và của hạt nhân bia, - ν là vận tốc tương đối, - µ là khối lượng rút gọn. Hình 1.3. Minh họa hố thế đối với hạt tới trong phản ứng hạt nhân xảy ra với sóng s. Khi rRn thì thế là do tương tác coulomb. Tiết diện σ(E) được tính bằng công thức: (1.37) Trong công thức này, tiết diện phụ thuộc vào 3 thừa số: thừa số exp(-2πη) tỉ lệ với xác suất truyền qua và nó giảm nhanh theo năng lượng. Thừa số S(E) được gọi là thừa số vật lý thiên văn hoặc thừa số hạt nhân S. Để mô tả phản ứng hạt nhân xảy ra trong các sao, người ta thường sử dụng cái gọi là “tốc độ phản ứng r” thay cho tiết diện σ. Tốc độ phản ứng r là số phản ứng xảy ra trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị thể tích. Nếu gọi NA và Nx Luận văn tốt nghiệp Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 21 tương ứng là số hạt nhân bia và số hạt nhân tới trong một đơn vị thể tích và gọi Φ(ν) là phân bố của vận tốc tương đối thì tốc độ phản ứng sẽ được tính bằng công thức sau: 〈 〉 ∫ (1.38) Với các sao đang trong giai đoạn phát triển ổn định thì lõi của nó sẽ chỉ có khí chứa các hạt nằm ở trạng thái cân bằng tại nhiệt độ T. Khi đó phân bố Φ(ν) sẽ có dạng Maxwell-Boltzmann: ( ) (1.39) Khi đó công thức (1.38) sẽ được viết lại như sau: 〈 〉 | | ∫ (1.40) với E=µν2/2 là động năng tương đối. Thay công thức (1.36) vào công thức (1.38) ta có: 〈 〉 | | ∫ ( ) (1.41) với tham số b được tính theo công thức: √ (1.42) Đại lượng b2 được gọi là năng lượng Gamow. Luận văn tốt nghiệp Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 22 Hình 1.4. Đỉnh Gamow Tích của 2 thừa số e-mũ dưới dấu tích phân trong công thức (1.41) sẽ làm xuất hiện một đỉnh có cực đại nằm tại năng lượng E0. Giá trị của E0 thường lớn hơn kBT. Đỉnh này được gọi là đỉnh Gamow. Do S(E) phụ thuộc khá trơn tru vào năng lượng E nên có thể suy ra rằng với những sao đang trong giai đoạn phát triển ổn định thì các phản ứng hạt nhân sẽ chỉ xảy ra trong một khoảng năng lượng E rất hẹp nằm xung quanh giá trị E0. Nếu cửa số Gamow không có một cộng hưởng nào thì có thể xem rằng S(E)≈const=S(E0). Dùng điều kiện này và nếu đặt đạo hàm bậc nhất của hàm tích phân trong công thức (1.40) bằng 0, ta sẽ có công thức để tính năng lượng Gamow: ( ) ( ) (1.43) Trong đó Tn là nhiệt độ tính theo đơn vị 10 n K. Luận văn tốt nghiệp Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 23 CHƯƠNG II: THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM 2.1 Giới thiệu về máy gia tốc thẳng 5SHD-2 Hệ máy gia tốc kiểu 5SDH-2 Pelletron do hãng National Electrostatics sản xuất, được đặt tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học quốc gia Hà Nội, là loại máy gia tốc thẳng tĩnh điện 1.7 triệu vôn, có khả năng gia tốc nhiều loại hạt ion khác nhau với giải năng lượng nhằm phục vụ cho các thí nghiệm tán ngược, PIXE, cấy ghép ion, và phản ứng hạt nhân. Nguyên lý hoạt động của kiểu máy 5SDH-2 khá đơn giản. Nguồn ion tạo ra chùm ion âm, chùm ion âm này được tiền gia tốc đến một năng lượng phù hợp trước khi được đưa vào phần gia tốc chính. Trước tiên, chùm ion âm đi vào phần đầu của ống gia tốc do bị hút cao thế dương, chùm ion âm này gia tốc đến phần giữa của ống gia tốc. Tại đây chùm ion âm đi qua bộ tước electron, khi qua bộ tước các ion âm này bị lấy đi mất hai electron hoặc nhiều hơn để trở thành ion dương. Sau đó, chùm ion dương này đi vào phần cuối của ống gia tốc, các ion dương này bị đẩy bởi cao thế dương vì vậy được gia tốc lần nữa. Cấu trúc gia tốc kép này cho phép một ion có điện tích đơn được gia tốc lần thứ nhất đến cao thế dương. Sau đó tùy thuộc vào ion đó bị bóc đi bao nhiêu electon để trở thành ion dương +n mà được gia tốc tương ứng. Năng lượng mà ion gia tốc thu được sẽ là (1+n).e.V. Trong đó n là bậc điện tích của ion, e là điện tích electron, V là cao thế tĩnh điện của máy gia tốc [13]. Hình 2.1 là sơ đồ khối của máy gia tốc 5SDH-2 tại trường đại học Khoa học Tự nhiên. Luận văn tốt nghiệp Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 24 Các thành phần chính của máy gia tốc 5SDH-2: Trên hình 2.2 là hình ảnh thực tế máy gia tốc 5SHD-2 tại phòng máy gia tốc trường Đại học Khoa học tự nhiên, hệ máy này gồm những thành phần chính sau: Hình 2.1. Sơ đồ khối máy gia tốc 5SDH-2 Hình 2.2. Hình ảnh thực tế máy gia tốc 5SHD-2 Luận văn tốt nghiệp Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 25 2.1.1 Nguồn ion. Gồm có hai loại nguồn RF (Radio Frequency) và SNICS II (Source of Nagative Ions by Cesium Spputtering). Nguyên lý hoạt động của nguồn RF là một chùm ion được tách ra khỏi trạng thái plasma được tạo ra bởi nguồn RF và được gia tốc lên 6 keV tới buồng trao đổi điện tích. Tại đây, khoảng 1÷2% số hạt trong chùm ion được chuyển thành các ion âm. Sau đó, các ion âm này sẽ được gia tốc tới năng lượng mong muốn [14]. Nguồn RF thường được sử dụng để tạo ra các chùm ione H, He. Nguyên lý hoạt động của nguồn SNICS II là hơi Cesium được tạo ra từ một bộ phận nung được được lái bằng điện trường để đập vào catot làm bắn ra các hạt ion cần gia tốc đã được phún xạ vào trong catot [15]. Nguồn SNICS II có thể tạo ra nhiều loại ion âm khác nhau từ các ion nhẹ như H-, D-, Li-, B- tới các ion nặng như Si - , P - , Cu - , Au - 2.1.2 Buồng gia tốc. Buồng gia tốc của máy gia tốc thẳng 5SDH-2 là bộ phận chứa các cấu trúc gia tốc của máy, buồng gia tốc có chức năng cách điện giữa cao thế tĩnh điện bên trong và môi trường bên ngoài. Chạy dọc theo buồng này là ống gia tốc được hút chân không cao để các ion chuyển động trong đó. Ngoài ra còn có các vòng tích điện, các cơ cấu tải hạt tích điện để tạo ra điện thế tĩnh điện cao. 2.1.3 Ống gia tốc Ống gia tốc là phần các ion gia tốc chuyển động trong đó, ống gia tốc được cấu tạo đặc biệt gồm các phần nhất định được ghép xen kẽ bởi các vòng kim loại và gốm sao cho mỗi phần có thể chịu được điện thế cao và duy trì được chân không cao cỡ 10-8 Torr. 2.1.4 Hệ tích điện Việc tạo ra cao thế tĩnh điện trong buồng gia tốc được thực hiện nhờ các xích tải điện. Xích tải điện được làm từ các miếng dạng hình trụ kim loại và được nối cách điện với nhau. Điện tích dương cảm ứng trên mỗi phần của xích tải Luận văn tốt nghiệp Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 26 điện khi chúng rời khỏi vòng đệm ở phía cuối buồng gia tốc và khi di chuyển đến phần cao thế một phần điện tích dương này được truyền cho bộ phận cao thế. Cứ như vậy cao thế sẽ được tích điện lên đến giá trị mong muốn. 2.1.5 Hệ bóc electron Tại chính giữa của ống gia tốc là bộ phận bóc electron, khi các ion âm đi qua phần này sẽ bị bóc đi các electron để tạo thành ion dương. Trong máy gia tốc 5SDH-2 sử dụng khí bóc tách Nitrogen. 2.1.6 Hệ chân không Bao gồm ống gia tốc, bộ tước, các ống trôi, các bộ phận này đều được làm từ kim loại và gốm là những vật liệu có thể chịu được chân không cao. Ngoài ra còn có các bơm dầu và bơm tạo chân không cao (bơm turbo). Chân không cao có vai trò rất quan trọng, khi chân không vượt quá 105 Torr sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện trong ống gia tốc. 2.1.7 Các bộ phận hội tụ, điều chỉnh chùm tia Để lái chùm tia từ nguồn tới buồng phân tích trên đường đi của chùm tia của hệ máy gia tốc 5SDH-2 đặt các nam châm lưỡng cực và tứ cực. Nam châm lưỡng cực có tác dụng chính là để lái chùm tai theo mặt ngang còn châm tứ cực để hội tụ chùm tia vào kích thước mong muốn. Ngoài ra còn có các thấu kính từ Einzel để hội tụ chùm tia trước khi đi vào buồng gia tốc chính. Trên đường đi của chùm tia cũng đặt các khe (slit) có thể điều chỉnh được kích thước, để giới hạn kích thước của chùm tia theo mong muốn. 2.1.8 Kênh phân tích, kênh cấy ghép Kênh phân tích nằm ở góc 300 chếch phải so với hướng của chùm tia từ buồng gia tốc, kênh này nối với buồng phân tích, trên kênh có các thiết bị như Faraday cup để đo cường độ dòng chùm tia, Beam Profile monitor để đo mặt cắt chùm tia hiển thị trên giao động ký, van chân không cao để cách ly với buồng chiếu. Kênh phân tích phục vụ chủ yếu cho các phân tích RBS, PIXE, NRA Luận văn tốt nghiệp Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 27 Kênh cấy ghép nằm ở góc 300 chếch trái so với hường chùm tia từ buồng gia tốc, trên kênh cấy ghép cũng có các thiết bị như Faraday cup, Beam profile monitor, van chân không, ngoài ra còn có bộ phần lái chùm tia để quét chùm tia vào phần diện tích mẫu cần cấy ghép. Kênh cấy ghép được nối với buồng cấy ghép ion. Kênh cấy ghép phục vụ chủ yếu cho mục đích cấy ghép các ion như Si, B, C, Au lên mẫu cần cầy ghép để làm biến tính vật liệu của mẫu 2.1.9 Phần mềm điều khiển, ghi nhận dữ liệu. Phần lớn các thiết bị của của hệ máy gia tốc được nối với với một bộ phận chuyển đổi tín hiệu để có thể điều khiển qua máy tính được phát triển bởi chính hãng cung cấp NEC, USA. Thông qua hệ điều khiển này có thể điều khiển để đạt được các thông số của chùm tia theo mỗi yêu cầu của phép phân tích đặt ra. Đây là một bước cải tiến lớn từ hãng NEC để nhằm đơn giản hóa việc vận hành máy so với các model trước đây thường được điều khiển qua các tín hiệu tương tự. Ngoài ra việc ghi nhận dữ liệu được thực hiện thông qua phần mềm NEC R43 Analytical [16] cũng được phát triển bởi hãng NEC, USA. Toàn bộ các dữ liệu từ các detector hàng rào mặt, nhấp nháy, tia X được kết nối với máy tính và ghi lại. Điều thú vị ở phần mềm này là hãng NEC đã phát triển một modun cho phép điều khiển giá để mẫu và một detector hàng rào mặt theo các góc và các vị trí mong muốn so với chùm tia. Điều này mang lại một sự tiện lợi rất lớn trong khi tiến hành các phép phân tích. 2.2. Giới thiệu về buồng phân tích Buồng phân tích của máy gia tốc 5SDH-2 là bộ phần nơi chùm tia tương tác với bia, buồng được thiết kế phục vụ cho các phép phân tích RBS, NRA, PIXE, Channeling. Trong buồng phân tích có chứa các detector đo hạt tích điện có thể quay theo các góc khác nhau so với chùm tia, detector nhấp nháy NaI để đo gamma Luận văn tốt nghiệp Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 28 phát ra từ các phép phân tích NRA, ngoài ra có buồng phân tích này còn chứa các cơ cấu để đưa mẫu vào và lấy mẫu ra tiện lợi, không những vậy mẫu còn có thể được điều chỉnh đến các vị trí mong muốn nhờ hệ thống motor được điều khiển bằng phần mềm trên máy tính. Hình 2.3 Sơ đồ buồng phân tích trên hệ máy gia tốc 5SHD-2 Hình 2.4 Hình ảnh thực tế buồng phân tích trên hệ máy gia tốc 5SHD-2 Luận văn tốt nghiệp Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 29 2.3. Các detector sử dụng trong thí nghiệm. 2.3.1 Detector bán dẫn Trong thí nghiệm sử dụng detector bán dẫn Germani siêu tinh khiết HPGe Model BE5030 hãng Canberra, USA , serial: 12078311, hệ làm lạnh bằng điện Cryostat model: CP-5F/RDC, Preamplifier model: 2002c, cao thế sử dụng 4000V, độ phân giải năng lượng (FWHM) tại đỉnh 1332 keV của đồng vị Co-60 là 1.85 keV. Phổ được ghi nhận và sử lý bằng phần mềm Genie 2000. Ngoài ra hệ phổ kế được đặt trong buồng phông thấp cũng do hãng Canberra cung cấp. Đặc trưng đường chuẩn năng lượng và đường cong độ phân giải (FWHM) của hệ phổ kế gamma BEGe 5030 xuất ra từ phần mềm Genie 2000 như hình 2.6: Hình 2.5. Hình ảnh detector bán dẫn siêu tinh khiết model BEGe 5030 với buồng phông thấp và hệ điện tử tại phòng thí nghiệm Bộ môn Vật lý Hạt nhân, trường ĐH KHTN Luận văn tốt nghiệp Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 30 Hình 2.6. Đặc trưng đường chuẩn năng lượng và đường cong độ phân giải phụ thuộc vào năng lượng của hệ phổ kế gamma model BEGe 5030 Hình 2.7. Đường cong hiệu suất ghi của hệ phổ kế model BEGe 5030 với các khoảng cách khác nhau Luận văn tốt nghiệp Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 31 Để xác định hiệu suất ghi tại đỉnh cần ghi nhận 478 keV ta làm khớp số liệu đo tại bề mặt detector ta có hàm sau: ( ( )) ( ( )) ( ) Từ hàm này thay giá trị của năng lượng cần tính hiệu suất ghi E = 477.595 ta tính được hiệu suất ghi tại bề mặt detector là = 7.0463%. 2.3.2 Cách chuẩn hiệu suất ghi: Để đo hoạt độ của đồng vị phóng xạ, cần phải chuẩn hiệu suất ghi của hệ phổ kế. Hiệu suất ghi của hệ đo thường được chia làm hai loại: hiệu suất ghi tuyệt đối và hiệu suất ghi nội tại. Hiệu suất ghi tuyệt đối được định nghĩa là: Hiệu suất ghi tuyệt đối phụ thuộc vào loại detector và hình học đo. Còn hiệu suất ghi nội tại được định nghĩa là: Không phụ thuộc vào hình học đo. Hai hiệu suất ghi có mối liên hệ: int 4 abs     (2.1) Với Ω là góc khối của nguồn so với detetor Đố