Thạc Sĩ Mô phỏng thiết kế thí nghiệm nghiên cứu phản ứng α(21Na,24Mg)p dựa trên máy gia tốc của viện riken

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ HẠT NHÂN
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
Năm – 2009

MỤC LỤC ( Luận văn dài 79 trang )


LỜI CÁM ƠN . 1
MỤC LỤC . 2
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT . 4
DANH MỤC BẢNG BIỂU 5
DANH MỤC HÌNH VẼ 6
LỜI MỞ ĐẦU . 8


Chương 1: SƠ LƯỢC VỀ NGÀNH THIÊN VĂN HỌC HẠT NHÂN 10
1.1. Sự tổng hợp hạt nhân trong Big Bang . 11
1.2. Chu trình cháy Hydro 13
1.3. Chu trình cháy Hêli 15
1.4. Những hiện tượng biến động sao 17
1.5. Chu trình Ne-Na và tầm quan trọng của phản ứng α(21Na,24Mg)p 21
1.6. Phương pháp tạo chùm hạt nhân phóng xạ cho nghiên cứu thiên văn học hạt nhân
1.7. Các phương pháp đo tiết diện trực tiếp hoặc gián tiếp 25
1.8. Năng phổ hạt nhân của các hạt nhân lạ . 27
1.9. Triển vọng của nghành thiên văn học hạt nhân sử dụng chùm hạt nhân phóng xạ


Chương 2: THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM 29
2.1. Vùng năng lượng quan tâm . 29
2.2. Tạo chùm hạt nhân 21Na phóng xạ 31
2.3. Phổ kế từ CRIB dùng để tách chùm hạt phóng xạ 21Na . 32
2.4.Các detector ghi bức xạ dùng trong thí nghiệm 36
2.4.1. Detector silic . 37
2.4.2. Detector PPAC 37
2.5. Phương pháp đoán nhận hạt 39
2.5.1. Nhận dạng hạt bằng telescope ΔE – E 40
2.5.2. Đoán nhận hạt bằng phương pháp đo thời gian bay 41
2.6. Thiết kế thí nghiệm . 43
2.6.1. Bia sơ cấp tạo chùm ion phóng xạ 21Na . 43
2.6.2. Bia thứ cấp 45
2.6.3. Hệ detector đo phương bay của chùm tới và ghi nhận sản phẩm của phản ứng


Chương 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM . 51
3.1. Kết quả mô phỏng . 51
3.1.1. Giải thuật chương trình mô phỏng 51
3.1.2. Mô phỏng tạo tia sơ cấp 20Ne 52
3.1.3. Nhận dạng hạt sau buồng F0 . 53
3.1.4. Nhận dạng hạt tại buồng F3 59
3.2. Một số kết quả thực nghiệm 60
3.2.1. Nhận diện các sản phẩm phản ứng tại buồng F2 . 60
3.2.2. Nhận dạng sản phẩm của phản ứng tại buồng F3 62
KẾT LUẬN . 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 66
PHỤ LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU


Bảng 1.1. Các phản ứng quan trọng nhất trong mô hình tổng hợp Big Bang . 13
Bảng 3.1. Các kênh ra đối với phản ứng 20Ne + d tại năng lượng 120 MeV 54
Bảng 3.2. Các kênh ra đối với phản ứng 21Na + α tại năng lượng 37 MeV . 59

DANH MỤC HÌNH VẼ


Hình 1.1. Sơ đồ phản ứng hạt nhân trong mô hình tổng hợp Big Bang 12
Hình 1.2. Chuỗi prôton–prôton . 15
Hình 1.3. Quá trình bắt ba hạt nhân alpha xảy ra trong các sao 16
Hình 1.4. Sự tạo thành 16O trên nhân 12C 17
Hình 1.5. Mô hình của hiện tượng sao mới. Vật chất do “sao khổng lồ đỏ” (quả cầu lớn) phóng ra sẽ được “sao lùn trắng” (vật bé hơn) hút vào và tạo thành một đĩa xoáy tròn xung quanh sao lùn trắng . 19
Hình 1.6. Chu trinh CNO lạnh và nóng . 20
Hình 1.7. Chu trình Ne–Na lạnh và nóng 22
Hình 1.8. Sơ đồ nguyên tắc của các phương pháp tạo chùm hạt nhân phóng xạ 25
Hình 2.1. Đỉnh Gamow là vùng được gạch chéo 30
Hình 2.2. Sơ đồ mức năng lượng của phản ứng α(21Na,24Mg)p . 31
Hình 2.3. Sơ đồ của phổ kế từ CRIB. F0, F1, F2 và F3 là các mặt phẳng hội tụ. Các chữ viết hoa “Q” là các khối nam châm tứ cực từ, “M” là các khối nam châm đa cực và “D” là các khối nam châm lưỡng cực, và E×B chỉ Wien Filter
Hình 2.4. Thiết bị lọc vận tốc Wien filter . 36
Hình 2.5. Nhận diện các sản phẩm phản ứng hạt nhân sau bia thứ cấp trong thí nghiệm p(7Be,7Be∗ )p′ bằng telescope ΔE–E
Hình 2.6. Phổ TOF–ΔE đo tại buồng F2 . 43
Hình 2.7. Buồng F0 nơi đặt bia sơ cấp để tạo chùm hạt nhân phóng xạ 21Na 45
Hình 2.8. G.S. Lê Hồng Khiêm (người chỉ huy thí nghiệm này) đang lắp ráp và dán cửa sổ ra của bia thứ cấp
Hình 2.9. Buồng F3, nơi tiến hành đo phản ứng α(21Na,24Mg)p . 48
Hình 2.10. Bố trí thí nghiệm α(21Na,24Mg)p theo thiết kế . 50
Hình 2.11. Bố trí hệ đo tại buồng F3 khi tiến hành thí nghiệm . 50
Hình 3.1. Sơ đồ thuật giải của chương trình mô phỏng 52
Hình 3.2. Hình dạng mô phỏng của chùm tia sơ cấp 20Ne 53
Hình 3.3. Phổ năng lượng của chùm tia sơ cấp 20Ne . 53
Hình 3.4. Dạng của chùm tia ion thứ cấp trước hệ thống các tấm chắn 55
Hình 3.5. Dạng của chùm tia ion thứ cấp sau khi đi qua hệ thống các tấm chắn 55
Hình 3.6. Đồ thị hai chiều TOF–ΔE dùng để nhận dạng hạt . 57
Hình 3.7. Phổ các ion với ΔBρ/Bρ = 30% 58
Hình 3.8. Phổ các ion với ΔBρ/Bρ = 10% 58
Hình 3.9. Đồ thị hai chiều ΔE–E thu được sau bia thứ cấp tại buồng F3 . 60
Hình 3.10. Chùm tia ion phóng xạ tại PPAC–F2 61
Hình 3.11. Phổ các hạt được nhận diện tại buồng F2 62
Hình 3.12. Toạ độ của tia thứ cấp thu được từ detector PPACa tại F3 . 63
Hình 3.13. Toạ độ của tia thứ cấp thu được từ detector PPACb tại F3 63
Hình 3.14. Phổ các sản phẩm được tạo ra sau bia thứ cấp tại F3 64

LỜI MỞ ĐẦU


Lĩnh vực Vật lý Thiên văn Hạt nhân trong những năm gần đây đã đạt được những thành tựu đáng kể. Việc áp dụng những tiến bộ của khoa học công nghệ để xây dựng những trạm quan sát tại mặt đất và trên không gian đã cho phép con người tìm hiểu sâu hơn về vũ trụ. Những hiểu biết của chúng ta về quá trình tổng hợp các nguyên tố và cơ chế hình thành năng lượng trong các sao đều có được từ sự kết hợp
tuyệt vời giữa vật lý hạt nhân và thiên văn học. Phản ứng hạt nhân α(21Na,24Mg)p cần thiết để tìm cách giải thích một câu hỏi trong thiên văn học: sự mất tích của bức xạ gamma 1,275 MeV do hạt nhân 22Na phát ra sau khi phân rã bêta. Theo các kịch bản thiên văn học hiện nay về quá trình tổng hợp nguyên tố trong các hiện tượng sao mới và bùng nổ tia X, đồng vị phóng xạ 22Na được tạo ra theo chu trình Ne–Na. Đồng vị này phát ra xạ gamma 1,275 MeV. Bức xạ gamma này trở thành mục tiêu quan sát lý tưởng để nghiên cứu các
hiện tượng sao mới và hiện tượng bùng nổ tia X. Nhưng cho đến hiện nay chưa có dữ liệu nào từ các kính thiên văn vũ trụ thu nhận được bức xạ gamma 1,275 MeV. Vấn đề trở thành câu hỏi bí ẩn trong thiên văn học và cần xem lại các kịch bản đã đề xuất trong chu trình Ne–Na. Với mong muốn tìm kiếm câu trả lời cho vấn đề này, nhóm Vật lý Hạt nhân của Viện Vật lý Việt Nam cùng với các nhà khoa học của Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân tại Đại học Tổng hợp Tokyo đã đề nghị nghiên cứu phản ứng hạt nhân α(21Na,24Mg)p tại vùng năng lượng tương ứng với nhiệt độ của vụ nổ tia–X (T=1×109 K đến 3×109 K).

Lý do đề xuất của thí nghiệm này là: có thể có khả năng sau khi đồng vị 21Na được tạo thành, nó lại bắt alpha và phát prôton để tạo thành
đồng vị 24Mg. Nếu điều này xảy ra thì 22Na sẽ không được tạo ra và do vậy sẽ làm giảm lượng bức xạ gamma 1,275 MeV. Thí nghiệm nghiên cứu phản ứng α(21Na,24Mg)p sử dụng máy gia tốc của Viện Vật lý và Hóa học RIKEN (Nhật Bản) và phổ kế từ CRIB của Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân thuộc Đại học Tổng hợp Tokyo.
Thí nghiệm nghiên cứu phản ứng hạt nhân α(21Na,24Mg)p rất phức tạp và đòi hỏi chi phí rất cao. Vì vậy, việc mô phỏng và thiết kế trước khi tiến hành thí nghiệm là việc làm bắt buộc để đảm bảo rằng thí nghiệm là khả thi và để tối ưu hóa tất cả các tham số liên quan đến thí nghiệm như: thiết kế bia sơ cấp, bia thứ cấp, hệ detector ghi nhận, thời gian tiến hành thí nghiệm,


Luận văn bao gồm ba chương:
ã Chương 1: dùng để giới thiệu sơ lược về lĩnh vực thiên văn học hạt nhân. Trong chương này, mối liên hệ giữa thiên văn học và vật lý hạt nhân sẽ được trình bày sơ bộ, qua đó dẫn ra các yêu cầu về số liệu của các phản ứng hạt nhân cần thiết để làm sáng tỏ cơ chế tạo năng lượng và tổng hợp các nguyên tố trên các sao. Một số nghiên cứu gần đây cũng sẽ được giới thiệu sơ lược
trong chương này.


ã Chương 2: trình bày các kỹ thuật được dùng trong các thí nghiệm vật lý hạt nhân để nghiên cứu thiên văn học. Thiết kế của nhóm thí nghiệm dựa trên hệ phổ kế từ CRIB của Trung tâm nghiên cứu hạt nhân Đại học Tokyo, đặt tại Viện Vật lý và Hoá học RIKEN, Nhật Bản.


ã Chương 3: trình bày các kết quả mô phỏng dùng để tối ưu thí nghiệm và một số kết quả thực nghiệm ban đầu mà nhóm nghiên cứu đã thu được sau khi tiến hành thí nghiệm.