Luận án Nghiên cứu tham số hoá tiết diện quang phân hạch của ²³⁸U và mô phỏng tối ưu sử dụng GEANT4 phục vụ cho thiết kế hệ thiết bị igisol tại dự án ELI-NP

ủa IGISOL
bao gồm CSC và ống chuẩn trực nằm trên beam-line. Các bia 238U được đặt bên trong buồng
CSC chứa đầy khí Helium. Các mảnh phân hạch sẽ được lấy ra và đưa đến khu vực ghi đo
thông qua một RFQ (radio frequency quadrupole), nam châm phân tích và một khối phổ kế
MR-TOF-MS. Buồng CSC, chuẩn trực và RFQ sẽ được đặt trên cùng một mặt phẳng. Chúng
có thể dễ dàng lắp đặt vào đường beam-line. Cần nhấn mạnh rằng, chùm gamma gây phản
ứng quang phân hạch sẽ đến từ điểm tương tác có năng lượng cao. Có hai vị trí khả dĩ để đặt
buồng CSC. Vị trí đầu cách 7m so với điểm HIP, trong khi vị trí thứ 2 sẽ cách 40m.
Cần phải thực hiện một loạt các mô phỏng để tính toán số lượng tối ưu, góc nghiêng,
độ dày, kích thước và khoảng cách của các bia uranium để có được chùm phóng xạ với cường
độ cao nhất. Để giải quyết vấn đề này, tôi sử dụng bộ thư viện mô phỏng Geant4.
1.4.Introduction of Geant4 toolkit
Geant4 là bộ thư viện được xây dựng dựa trên phương pháp Monte-Carlo để giải bài
toán mô phỏng chuyển động của các hạt (heavy ions, light ions, γ, e, . . . ) trong vật chất. Nó
đã được sử dụng trong các ứng dụng trong vật lý hạt, vật lý hạt nhân, thiết kế máy gia tốc,
kỹ thuật không gian và vật lý y tế.
Geant4 được chọn vì nó cung cấp cho người dùng nhiều mô hình để mô phỏng sự vận
chuyển của các hạt trong vật chất. Trong trường hợp của chúng tôi, việc mô phỏng các mảnh
phân hạch di chuyển trong bia và khí sẽ giúp tối ưu hóa thiết kế của CSC. Tuy nhiên, quá trình
quang phân hạch (photofission) không có sẵn trong Geant4. Do đó, một mô hình mới cần được
đưa vào Geant4 để mô phỏng phản ứng này. Để thực hiện được việc này thì cần nghiên cứu
phản ứng quang phân hạch, đặc biệt là tiết diện của nó.
1.5.Quá trình quang phân hạch
Năm 1939, Bohr và Wheeler đưa ra lý thuyết giải thích cơ chế của quá trình phân hạch
hạt nhân. Lý thuyết cho thấy rằng khi một hạt nhân nặng được cung cấp đủ năng lượng kích
thích thì sự phân chia của hạt nhân sẽ xảy ra. Năng lượng kích thích có thể được cung cấp
thông qua bắt giữ các hạt (n,p,e . . .) hoặc lượng tử gamma. Quá trình quang phân hạch được
định nghĩa là quá trình phân hạch bởi hạt gamma. Phản ứng phân hạch lần đầu tiên được
quan sát vào năm 1940 bởi Haxby và các cộng sự bằng cách chiếu xạ uranium và thorium với
chùm γ 6.3 MeV cường độ cao từ flo. Từ đó, phản ứng quang phân hạch, đặc biệt là phản ứng
quang phân hạch tại vùng năng lượng thấp đã được nghiên cứu rộng rãi.Các nghiên cứu về
quang phân hạch này rất quan trọng không chỉ để hiểu cơ chế phân hạch mà còn để khám phá
các hiệu ứng cấu trúc hạt nhân.
Gần đây, phản ứng quang phân hạch được quan tâm nhiều hơn bởi vì nó cho phép tạo
ra chùm hạt nhân phóng xạ hiếm giàu neutron mà gần với quá trình r-process (r-process path).
Ví dụ, phản ứng quang phân hạch của bia Uranium đã và sẽ được sử dụng ở cở sở nghiên
cứu ALTO tại IPN Orsay, trung tâm nghiên cứu DRIBs tại JINR, ARIEL ở TRIUMF, viện
ANURIB ở VECC, và trên hệ thiết bị IGISOL tại trung tâm nghiên cứu ELI-NP.
Để tạo hạt nhân giàu neutron, viêc tính toán chính xác tiết diện tạo ra các mảnh phan
hạch là rất quan trọng trong thiết kế các thí nghiệm vật lý hạt nhân hay rất nhiều ứng dụng
7Hình 1.8: Sơ đồ bố trí của hệ thống tạo chùm Gamma (GBS).
8khác. Việc tính toán tiết diện quang phân hạch của 238U tại vùng năng lượng thấp, bao gồm
cả vùng cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ (GDR) đang được quan tâm trong việc ước tính suất
lượng tạo ra của các mảnh phân hạch giàu neutron và tối ưu hóa các thí nghiệm vật lý hạt nhân
ở cơ sở nghiên cứu đã đề cập ở trên. Các mẫu phân hạch tổng quát, như GEF và FIPRODY đã
được phát triển để dự đoán các đa phân hạch quan sát được ở nhiều hệ phân hạch. Tuy nhiên,
kết quả dự đoán suất lượng của chúng cho quang phân hạch của 238U chưa được xác thực. Do
các tính toán bởi những mô hình phân hạch thống kê này có thể rất tốn thời gian nên cần có
một bộ tham số thực nghiệm nhanh chóng và chính xác để tính toán tiết diện tạo thành các
mảnh phân hạch. Gần đây, một bộ tham số thực nghiệm dựa trên phân bố khối lượng tại năng
lượng trung bình của photon 13.7 MeV đã được phát triển để tính toán tiết diện các mảnh
phân hạch gây bởi quá trình quang phân hạch của 238U tại 13.7 MeV. Tuy nhiên, bộ tham số
hoá này không mô tả được suất lượng ở vùng năng lượng dưới 30 MeV, đặc biệt các mode phân
hạch có sự phụ thuộc mạnh vào năng lượng như mode đối xứng. Vì vậy cần phát triển một bộ
tham số thực nghiệm đáng tin cậy hơn cho các ứng dụng đã đề cập ở trên.
9Chương 2.NGHIÊN CỨU VỀ THAM SỐ HOÁ TIẾT DIỆN PHẢN ỨNG
QUANG PHÂN HẠCH CỦA 238U
Như đã trình bày ở chương trước, cần phải phát triển một bộ tham số thực nghiệm để
tính toán được chính xác tiết diện tạo thành các hạt nhân giàu neutron sinh ra trong phản
ứng quang phân hạch gây bởi γ ở vùng năng lượng thấp (Eγ < 30MeV ). Chương này sẽ trình
bày quá trình xây dựng bộ tham số này. Bộ tham số hoá này bao gồm ba phần: tiết diện tổng
phản ứng quang phân hạch, phân bố khối lượng và điện tích hạt nhân.
2.1.Thực nghiệm tham số hoá cho tiết diện tổng, phân bố khối lượng và điện tích
trong phản ứng quang phân hạch của 238U
Tiết diện để tạo ra một mảnh phân hạch xác định với số khối A và điện tích Z trong
phản ứng quang phân hạch của 238U có thể được tính dựa trên công thức giải tích sau:
σ(A,Z) = σf (Eγ)Y (A,Z)/100 (2.1)
σf (Eγ) là tiết diện quang phân hạch tại năng lượng photon tới Eγ và Y(A,Z) là suất lượng độc
lập tính trên 100 phân hạch. Chi tiết về các thành phần này sẽ được trình bày bên dưới.
2.1.1.Tham số hoá tiết diện tổng
Trong luận án này, tiết diện quang phân hạch của 238U trong dải từ 5.93 đến 30 MeV
được tham số hoá bằng tổng của hai hàm Lorentz:
σf (Eγ) =
2∑
i=1
σi
1 +
[
(E2γ−E2i )
EγΓi
]2 (2.2)
σi, Ei , và Γi lần lượt là chiều cao đỉnh (peak height), năng lượng cộng hưởng (resonance energy)
và độ rộng tại nửa chiều cao cực đại (full width at half maximum). Các đại lượng này được xác
định bằng cách làm khớp với số liệu thực nghiệm trên 5.93 MeV. Tiết diện quang phân hạch
tại năng lượng Eγ < 5.93MeV (dưới hàng rào phân hạch) được tham số hoá như sau:
σf (Eγ) = t1exp
[− (Eγ − t2)2 /t3] (2.3)
Giá trị của các tham số t1, t2, and t3 thu được từ việc làm khớp Eq. (2.3) trên số liệu thực
nghiệm ở vùng năng lượng thấp và được liệt kê trong Bảng 2.1.
Hình 2.1 trình bày sự so sánh giữa tiết diện quang phân hạch thực nghiệm của 238U với
tính toán dựa trên các công thức (2.2) và (2.3).
2.1.2.Tham số hoá cho phân bố khối lượng
Dựa trên mô hình phân hạch đa phương thức (The multimodal fission model), phân bố
khối lượng của các mạch phân hạch có thể được diễn tả bằng tổng các đóng góp từ ba mode
phân hạch khác nhau: một mode đối xứng (SM) và hai mode bất đối xứng (ASMI và ASMII).
Do đó, suất lượng tổng của mảnh phân hạch với số khối A (tính trên 100 phân hạch) có thể
10
Hình 2.1: Tiết diện quang phân hạch của 238U .
Bảng 2.1: Giá trị của các tham số cho tiết diện quang phân hạch của 238U.
Parameter Constant Value
High energy photofission σ1 59.39
cross section E1 10.71
Γ1 1.9394
σ2 169.586
E2 14.4136
Γ2 5.0806
Low energy photofission t1 23.9285
cross section t2 7.08
t3 0.9851
được mô tả bẳng tổng của năm hàm Gaussian:
Y (A) = YSM (A) + YASMI (A) + YASMII (A)
= CSMexp
[
−(A− ASM)
2
2σ2SM
]
+CASMIexp
[
−(A− ASM −DASMI)
2
2σ2ASMI
]
+CASMIexp
[
−(A− ASM +DASMI)
2
2σ2ASMI
]
+CASMIIexp
[
−(A− ASM −DASMII)
2
2σ2ASMII
]
+CASMIIexp
[
−(A− ASM +DASMII)
2
2σ2ASMII
]
(2.4)
Biên độ của mode đối xứng được tham số hoá bởi:
CSM = c1exp(c2Eγ) (2.5)
và độ rộng của mode đối xứng được thể hiện bởi:
σSM = w1Eγ + w2 (2.6)
11
Bảng 2.2: Giá trị của các tham số cho phân bố số khối của các hạt nhân sinh ra trong phản
ứng quang phân hạch của 238U..
Parameter Constant Value
Symmetric mode SM CSM c1 0.021
c2 0.21
Symmetric mode SM σSM w1 0.437
w2 -0.5337
Asymmetric mode ASMI CASMI c3 32.095
c4 0.947
Asymmetric mode ASMI σASMI σASMI 2.23
Asymmetric mode ASMII CASMII CASMII 5.55
Asymmetric mode ASMII σASMII σASMII 5.58
Peak position of 3 modes ASM 117.35
DASMI 15.78
DASMII 21.8
Biên độ của mode bất đối xứng ASMI được tham số hoá bởi:
CASMI = c3E
−c4
γ (2.7)
Hình 2.2: Số liệu thực nghiệm cho phân bố số khối của phản ứng quang phân hạch gây bởi bức
xạ hãm có các năng lượng cực đại 12, 19.5, 29.1, và, 70 MeV.
Các giá trị tham số hoá được trình bày trong Bảng 2.2.
2.1.3.Tham số hoá cho phân bố điện tích
Sau khi xác định được phân bố khối lượng, suất lượng độc lập của mảnh phân hạch cụ
thể với A và Z cho trước (tính trên 100 phân hạch) được tính như sau:
Y (A,Z) =
Y (A)√
piCp
exp
[
−(Z − Zprob)
2
Cp
]
(2.8)
với phân bố điện tích của các mảnh phân hạch có số khối A được mô tả xấp xỉ bằng một hàm
Gaussian. Zprob là giá trị điện tích được kỳ vọng nhất của mảnh phân hạch có số khối A, còn
Cp là độ rộng của phân bố điện tích. Suất lượng Y(A) được tính bởi công thức (2.4).
12
Bảng 2.3: The values of constants used in the empirical parametrization for 238U photofission
isobaric charge.
Zprob correction ∆Z d1 32.452
d2 -0.957
d3 9.42× 10−3
d4 −3.09× 10−5
d5 0.373
d6 -4746.9
d7 -16.418
Charge Width Cp Cp 0.85
Giá trị kỳ vọng Zprob có thể được tính xấp xỉ như sau:
Zprob = Zs − 3.8 + ∆Z (2.9)
với Zs được tính từ công thức (2.12). Số hạng hiệu chỉnh ∆Z được tham số hoá như sau
∆Z = d1 + d2A+ d3A
2 + d4A
3 (2.10)
cho các mảnh nhẹ với A < 134, và như sau
∆Z = d5 + d6exp(A/d7) (2.11)
cho các mảnh nặng với A ≥ 134. Cách tham số hoá số hạng hiệu chỉnh ∆Z cho kết quả phù
hợp với một số thí nghiệm đo phân hạch của 238U, như thể hiện trong hình 2.3. ∆Z có giá trị
cực tiểu tại xung quanh A = 134, và Zprob = 52 và do đó giá trị kỳ vọng của số neutron sẽ là
Nprob = 82, tương ứng với lớp vỏ neutron đóng 82 (closed neutron shell).
Hình 2.3: So sánh giữa giá trị thực nghiệm Zprob đo bởi Donzaud et al., Frenne et al., cũng như
Pomme et al. và giá trị (Zs − 3.8) đề xuất bởi Bhowmick.
Zs là đồng vị bền nhất của mảnh phân hạch với số khối A mà thu được từ công thức
khối lượng của mẫu vỏ:
Zs =
A+ [(acA
2/3)/(2x)]
(4asym/x) + [(acA2/3)/(x)]
(2.12)
13
Hình 2.4: So sánh suất lượng Y (Z) =
∑
Y (A,Z) đo từ hai thí nghiệm quang phân hạch 238U .
Hình 2.5: So sánh giữa phân bố suất lượng trong hai thí nghiệm tại GSI với kết quả tính toán
từ công thức tham số hoá trong luận án này.
Tham số bề rộng Cp in Eq. (2.8) được thấy gần như là hằng số, Cp = 0.85.
Giá trị của các hằng số sử dụng trong các phương trình trên được liệt kê trong Bảng
2.3.
2.2.Kiểm tra các giá trị tham số hoá
Hình 2.4 trình bày sự so sánh giữa số liệu thực nghiệm về phân bố Y (Z) =
∑
Y (A,Z)
đo được trong thí nghiệm phân hạch của 238U tại các năng lượng kích thích khác nhau với
tính toán dựa trên bộ tham số hoá được phát triển trong luận án này. Giữa tính toán và thực
nghiệm có sự phù hợp trong phạm vi sai số.
Để tiếp tục kiểm tra tính đúng đắn của bộ tham số hoá, số liệu thực nghiệm suất lượng
trong phân hạch của 238U gây bởi photon ảo được so sánh với kết quả tính toán dùng tham số
hoá ở trên. Hình 2.5, cho thấy số liệu đo được và tính toán tương đồng với nhau trong cả hai
thí nghiệm.
14
2.3.Dự đoán suất lượng tạo hạt nhân giàu neutron tại ELI-NP
Hình 2.6 đưa ra ví dụ tính toán tiết diện của các mảnh giàu neutron sinh ra trong phản
ứng quang phân hạch của 238U dùng chùm photon 14 MeV. Kết quả tính toán cho thấy quang
phân hạch của 238U phù hợp để sản xuất các hạt nhân giàu neutron với 31 ≤ Z ≤ 62 và
80 ≤ A ≤ 160. Với rất nhiều hạt nhân giàu neutron nằm trên hoặc gần với đường r-process,
tiết diện tạo thành cỡ 1 mb có thể được tạo qua quang phân hạch của 238U tại năng lượng
thấp. Ví dụ, tiết diện tạo ra 80˘82Ge và 85˘87Se quanh lớp đóng N = 50 là lần lượt khoảng 0.17
and 1.1 mb, trong khi đó tiết diện tạo ra 132 Sn và 134 Te quanh lớp đóng N = 82 xấp xỉ 0.66
và 6.4 mb.
Hình 2.6: Tiết diện các mảnh phân hạch tạo từ phản ứng quang phân hạch 238U bởi phonton
14 MeV tính toán bởi công thức thám số hoá.
Các kết quả tính toán tiết diện kể trên có thể được dùng để ước lượng tốc độ tạo ra các
hạt nhân giàu neutron từ phản ứng quang phân hạch 238U và tối ưu hoá các thí nghiệm vật
lý. Ví dụ, tốc độ tạo ra 132Sn và 134Te trong bia 238U với tổng khối lượng 251 µm vào khoảng
2× 104 và 2× 105 ions/s cho hệ thiết bị IGISOL trong tương lại tại ELI-NP. Trong tính toán
này, cường độ chùm gamma (giả thiết dùng chùm gamma dải rộng có năng lượng từ 10 đến
18.5 MeV) là 5× 1010γ/s tại điểm tương tác (HIP), còn bia 238U được đặt cách điểm này 7m.
2.4.Kết luận cho Chương
Như vậy, một bộ tham số hoá thực nghiệm cho việc tính toán tiến diện phản ứng quang
phân hạch đã được xây dựng thành công. Nó áp dụng cho một dải năng lượng rộng dưới 30
MeV. Bộ tham số này cho phép tính toán tiết diện tổng, phân bố khối lượng cũng như điện tích
của mảnh phân hạch. Bộ tham số được đánh giá bằng việc so sánh với kết quả thực nghiệm và
cho kết quả tốt.
15
Chương 3.TỐI ƯU HOÁ THIẾT KẾ BUỒNG CSC CHO HỆ IGISOL Ở ELI-NP
Chương này trình bày quá trình phát triển một chương trình máy tính dựa trên thư
viện Geant4 để mô phỏng các quá trình vật lý xảy ra ở trong buồng CSC (Cryogenic stopping
cell) chứa đầy khí He. Việc sử dụng chương trình này để tối ưu thiết kế CSC cho hệ thiết bị
IGISOL ở ELI-NP cũng sẽ đươc mô tả chi tiết trong chương này.
3.1.Cấu trúc của chương trình mô phỏng được phát triển dựa trên thư viện Geant4
Người dùng Geant4 phải tự viết chương trình C++ cho bài toán cụ thể. Chương trình
được phát triển trong luận án này cho phép mô phỏng tạo chùm gamma từ tán xạ Compton
ngược CBS (xem hình 1.1.1), mô phỏng quá trình quang phân hạch, sự lan truyền của các hạt
ion, electron, gamma trong vật chất. Hình 3.1 thể hiện cấu trúc của chương trình. Kết quả mô
phỏng được lưu trong file ROOT (TFile) và sẽ được xử lý bằng bộ công cụ phân tích ROOT.
Phần Physics-Lists đóng vại trò quan trọng vì chứa các quá trình vật lý xảy ra. Geant4 cung
cấp tất cả các mô hình vật lý cho các hạt γ, ions, electrons trừ quá trình quang phân hạch.
3.2.Xây dựng lớp (class) mới để mô phỏng quá trình quang phân hạch
Bởi vì quá trình quang phân hạch chưa có trong Geant4 nên một trong những nhiệm vụ
quan trong là xây dựng lớp (class) mới đưa vào Geant4 để mô phỏng quá trình này. Việc đưa
một quá trình vật lý mới vào Geant4 bao gồm hai module. Module đầu tiên liên quan tới việc
tính toán tiết diện. Bộ tham số hoá thực nghiệm mà trình bày ở chương trước sẽ được đưa vào
module này. Module thứ hai sẽ tính toán phân bố động học cuối cùng của các hạt bay ra. Hình
3.2 và 3.3 mô tả các đặc trưng của mảnh phân hạch tạo bởi chương trình Geant4 trong luận
án này.
3.3.Điện tích ion hiệu dụng
Trong Geant4, công thức tham số hoá Ziegler-Manoyan được dùng để mô tả sự thay đổi
điện tích của ion khi chúng di chuyển trong vật chất. Để làm sáng tỏ sự biến đổi điện tích này,
hai công thức tham số hoá mới được đưa vào Geant4. Đầu tiên là công thức tham số hoá được
phát triển bởi Shima và các cộng sự. Tham số hoá này mở rộng việc tính toán cho các ion năng
lượng thấp. Công thức tham số hoá thứ hai được phát triển bởi Schiwietz và Grande.
3.4.Tối ưu hoá hình học bia phản ứng
Kích thước chùm tia A tại khoảng cách D được xác định bởi:
A = 2Dθmax = 4D
√
EL/Eth − EL/Emaxγ (3.1)
Hình 3.1: Cấu trúc của chương trình Geant4 được phát triển trong luận án.
16
Hình 3.2: Động năng và số khối A của các mảnh phân hạch tính bởi chương trình Geant4 trong
luận án.
Hình 3.3: Mối tương quan giữa động năng và góc bay θ ra của các mảnh phân hạch tính bởi
chương trình Geant4 trong luận án.
trong đó EL = 2.4 eV là năng lượng photon laser.
Trong hình 3.4, các hình tam giác màu đỏ mô tả tiết diện chùm tia tại D = 7 m, còn
tại D = 40 m là các hình tròn màu xanh da trời. Kết quả này cho chùm tia có Emax = 18.5
MeV và năng lượng ngưỡng là Eth = 12 MeV.
Nhiều bia mỏng với kích thước t được dùng để tạo ra phản ứng phân hạch xảy ra như
trong hình 3.5. Các bia mỏng này được đặt nghiêng một góc a so với trục z (trục của chùm
tia tới) vì hai lý do: (i) Các bia không nên đặt đối diện nhau để tránh các hạt bay ra đập vào
bia bên cạnh và (ii) việc nghiêng các bia sẽ làm tăng quãng đường tia gamma đi trong bia,
t/sin(a) mà không cần tăng bề dày bia. Với cấu trúc hình học các khối bia mỏng như vậy, với
tiết diện chùm bia A và tổng bề dày bia T, tổng chiều dài đặt các bia Lt thì số bia mỏng N
được xác định:
Lt =
A (N − 1)
tan (a)
(3.2)
N =
T
t
sin(a) (3.3)
(3.4)
17
Hình 3.4: Phân bố ngang của chùm gamma tại D = 7 m và Eth = 12 MeV (màu đỉỏ), tại D =
40 m và Eth = 12 MeV (xanh da trời), tại D = 40 m và Eth = 9 MeV (màu đen).
Hình 3.5: Hình học bia trong mặt phẳng yz.
Tổng bề dày được tính bởi:
T (t, A, a) = t
(
Lt
Acos(a)
+
1
sin(a)
)
(3.5)
Tốc độ giải phóng các mảnh phân hạch ra khỏi các bia Nr(t, B,A, a) được mô tả bằng
công thức sau:
Nr(t, B,A, a) = NftB (3.6)
trong đó Nr(t, A, a) là tốc độ phân hạch, t là hiệu suất giải phóng các mảnh phân hạch ra
khỏi các bia và B là hiệu suất giải phóng các mảnh phân hạch ra khỏi bề mặt lớp đế (backing
layer).
3.4.1.Tối ưu hoá bề dày các bia
Sự phụ thuộc của tốc độ phân hạch Nf vào bề dày bia mỏng được thể hiện bằng các
điểm tròn đen trong hình 3.6 cho Lt =1m, A =6mm and a=10
o, và số bia mỏng N = 30. Nếu
A, a và Lt được giữ cố định, khi tăng t thì Nf cũng tăng tuyến tính theo. Tuy nhiên, do hiệu
suất giải phóng mảnh phân hạch t giảm khi tăng bè dày bia nên tốc độ giải phóng mảnh phân
hạch Nr sẽ tăng nhanh và đạt tới bão hoà tại một giá trị bề dày bia nào đó. Điều này được thể
hiện trên hình 3.6 với hình vuông đỏ tương ứng với công thức tham số hoá Schiwietz-Grande
và hình vuông xanh tương ứng với công thức tham số hoá. Với trường hợp đầu, trạng thái bão
hoà đạt được khi t > 1µm và với Schiwietz-Grande là t > 2µm. Chỉ có độ lớn của trạng thái
18
Hình 3.6: Sự phụ thuộc của tốc độ phân hạch và tốc độ giải phóng vào bề dày bi mỏng.
Hình 3.7: Sự phụ thuộc của PB vào bề dày lớp nền.
bão hoà là phụ thuộc vào các thông số khác của bia, còn dạng của Nr(t) thì không. Do đó, bề
dày tối ưu của bia được chọn là t ≈ 2µm.
3.4.2.Bề dày lớp đế
Lớp đế (backing layer) là lớp graphite mỏng bao bọc bia 238U để bảo vệ. Để tối ưu bề
dày lớp đế, đại lượng PB(%) được tính bởi công thức:
PB =
Number of ions lost in the backing layers
Number of ion released from the 238U foils
% (3.7)
Hình 3.7 thể hiện độ mất mát PB vào bề dày lớp đế cho cả công thức tham số hoá điện
tích Schiwietz-Grande và Ziegler-Manoyan. Nếu PB = 5% (được giới hạn bởi đường gạch ngang)
là giá trị chấp nhận được, thì khi đó giá trị tối ưu cho bề dày lớp đế là trong dải 0.4− 0.9µm.
3.4.3.Sự phụ thuộc tốc độ giải phóng mảnh phân hạch vào kích thước ngang A,
góc nghiêng a và khoảng cách các bia s
Trong hình 3.8, kích thước ngang (The target transversal size) A được thể hiện theo
thang trục x màu xanh với màu đen cho D = 7 m và màu xanh cho D = 40 m. Tốc độ giải
phóng các mảnh phân hạch đạt giá trị cực đại khi A nhận giá trị 0.7 cm và 3.9 cm tương ứng
với hai vị trí đặt buồng CSC.
19
Tốc độ giải phóng các mảnh phân hạch phụ thuộc yếu vào góc nghiêng a. Ví dụ, phân
bố trên hình 3.8 lần lượt giảm 2% và tăng 5% khi a thay đổi 10o.
Hình 3.8: Sự phụ thuộc của tốc độ giải phóng các mảnh phân hạch vào năng lượng ngưỡng
(tương ứng với giá trị A) của chùm gamma.
Tuy nhiên, có một đại lượng khác có ảnh hưởng đáng kể tới góc nghiêng. Đó là phần
mất đi floss của các mảnh phân hạch do chúng đi vào trong các bia liền kề. Đại lượng này tăng
khi tăng a: từ 1% tại 5o, tới 3.5% tại 15o , tới 24% tại 45o. Phần mất này có thể được loại bỏ
bằng cách tăng khoảng cách s giữa các bia. Ví dụ với a = 45o, có thế thu được giá trị floss dưới
5% nếu đặt s > 1 cm. Tuy nhiên, điều này có nghĩa là phải bỏ đi một nửa số bia mỏng vì chiều
dài Lt của buồng CSC là cố định, đồng nghĩa với tốc độ phân hạch giảm đi một nửa. Do đó,
việc tăng giá trị s không làm tố