Экспериментальные исследования множественности нейтронов, испускаемых из отдельных осколков с фиксированной массой и кинетической энергией, при спонтанном делении 244,248Cm и 252Cf тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Воробьёв, Александр Сергеевич

• Воробьёв, Александр Сергеевич
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Воробьёв, Александр Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. НЕКОТОРЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ О ДЕЛЕНИИ ЯДЕР ПРИ МАЛЫХ ЭНЕРГИЯХ ВОЗБУЖДЕНИЯ.

1.1 Общие представления о процессе деления.

1.1.1 Потенциально-энергетическая поверхность (Статика). щ 1.1.2 Формирование массовых и энергетических распределений осколков деления (Динамика).

1.2 Методы экспериментальных исследований множественности нейтронов, испускаемых из отдельных осколков.

1.3 Постановка задачи - выбор объектов и метода исследований.

Глава 2. ИЗМЕРЕНИЯ МНОЖЕСТВЕННОСТИ НЕЙТРОНОВ,

• ИСПУСКАЕМЫХ ИЗ ОТДЕЛЬНЫХ ОСКОЖОВ С ФИКСИРОВАННОЙ МАССОЙ И КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИЕЙ ПРИ СПОНТАННОМ ДЕЛЕНИИ 244' 248Сш И 252Cf- • • • •

2.1 Описание и основные параметры установки.

2.2 Ионизационная камера.

2.3 Детектор нейтронов.

2.3.1 Общее устройство.

2.3.2 Эффективность нейтронного детектора.

2.4 Методика измерений и предварительная обработка данных экспериментов в 4п- и 2x271- геометрии.

2.4.1 Амплитуда импульса. т 2.4.2 Нейтронная множественность.

2.4.3 Накопление информации.

Глава 3. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.

3.1 Получение распределений "предварительных" масс и полной кинетической энергии осколков после испускания нейтронов.

3.1.1 Калибровка по энергии.

3.1.2 "Предварительная" масса и полная кинетическая энергия осколков после испускания нейтронов.

3.1.3 Полная кинетическая энергия и масса осколков до вылета нейтронов.

3.2 Восстановление моментов распределений множественности нейтронов в и 2x2геометрии.

3.2.1 Поправка на мёртвое время.

3.2.2 Поправка на фон.

3.2.3 Поправка на эффективность.

Ф 3.3 Восстановление распределений множественности нейтронов в 4п- и 2x2%- геометрии.

3.3.1 Распределение полного числа нейтронов на акт деления.

3.3.2 Двухмерное распределение множественности нейтронов.

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ИЗМЕРЕНИЮ ф МНОЖЕСТВЕННОСТИ НЕЙТРОНОВ ДЕЛЕНИЯ.

4.1 Массово-энергетические распределения осколков.

4.2 Распределения мгновенных нейтронов деления.

Глава 5. ОБСУЖДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

5.1 Моменты распределений множественности нейтронов деления в зависисмости от массы осколка.

5.2 Моменты распределений множественности нейтронов деления в зависисмости от полной кинетической энергии осколков.

5.3 Массовые распределения осколков деления для различного полного числа испущенных ими нейтронов.

5.4 Холодное деформированное деление.

5.5 Энергетический баланс в делении.

5.6 Энергия возбуждения осколков деления и её дисперсия.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальные исследования множественности нейтронов, испускаемых из отдельных осколков с фиксированной массой и кинетической энергией, при спонтанном делении 244,248Cm и 252Cf»

Со времени открытия деления атомных ядер (1938) уже прошло более 60 лет, и, несмотря на интенсивные исследования, до сих пор нет теории, которая с единых позиций описывала бы весь процесс деления ядер. Имеется лишь ряд моделей, объясняющих различные стороны этого процесса. Причина этого лежит в большой сложности явления. В процессе деления сильно изменяется форма ядра (от сферической к гантелеобразной), при этом энергия возбуждения ядра неоднократно перераспределяется между её различными видами и коренным образом перестраиваются его нуклонные конфигурации. Очевидно, создание такой теории потребует дальнейших экспериментальных исследований и теоретических расчётов.

Поскольку осколки являются основными конечными продуктами реакции деления ядер, все исследования этой реакции связанны с регистрацией и спектроскопией либо самих осколков, либо испускаемого из них ионизирующего излучения. Для полного понимания процесса деления и создания теории необходимо одновременно в каждом акте деления регистрировать все характеристики данного процесса (массы, заряды, кинетические энергии, множественности нейтронов и у-квантов, длиннопробежные частицы при тройном делении).

В силу того, что распределения множественности нейтронов, испущенных каждым из осколков деления, несут непосредственную информацию о распределении энергии возбуждения между осколками, одним из наиболее эффективных способов исследования движения делящейся системы вблизи точки разрыва является изучение энергетических и массовых распределений осколков для фиксированного числа нейтронов.

При этом особый интерес представляет информация о событиях деления с близкой к нулю внутренней энергией возбуждения, когда проявляются эффекты, определяющие особенности поверхности потенциальной энергии в точке разрыва". К таким эффектам относятся холодное истинное и компактное деления [1-8], холодное деформированное деление [9-11], холодное форм-асимметричное деление [12]. Смысл терминов холодного истинного и компактного деления заключается в наблюдении при делении событий, не сопровождающихся эмиссией мгновенных нейтронов (v,ot = 0), так как кинетическая энергия осколков исчерпывала всю (холодное истинное деление) или практически всю энергию реакции Q (холодное компактное деление), а сами осколки рождались при деформации основного состояния без внутреннего возбуждения. При низкой суммарной кинетической энергии осколков реализуются холодное деформированное (v,ot > 6) и форм-асимметричное деления {vH /vL>3, где Vl и vH - число нейтронов, испущенное лёгким и тяжёлым осколком, соответственно). Для холодных конфигураций, упомянутых выше, температура ядра в точке разрыва оказывается такой низкой, что выход зарядово-чётных осколков превалирует и в массовом распределении осколков проявляется тонкая структура с периодичностью 5 массовых единиц.

Помимо того, что данная установка позволяет получать сведения о механизме деления ядер, она представляет ещё и практический интерес, поскольку имеющиеся данные о распределении нейтронной множественности известны с большой неопределенностью и для ограниченного набора ядер (252Cf[13-18] и U [19,20]). Эти данные необходимы не только при конструировании реакторов, но и при решении задачи дожигания актинидов в рамках проблемы трансмутации, т.к. известно, что нейтроны спонтанного деления ^См дают основной вклад в нейтронное излучение отработанного топлива (например [21]). По тем же причинам эти данные необходимы для развития методов недеструктивного контроля [22,23] используемых на атомных электростанциях в бассейнах выдержки и на заводах по переработке топлива.

Основной целью экспериментальных исследований, выполненных в рамках данной диссертационной работы, являлось изучение двумерных распределений множественности нейтронов, испущенных из осколков определённой массы и кинетической энергии, Р( vb уи), при спонтанном делении 252Cf и 244,248Сш. Для выполнения этой задачи необходимо было модернизировать счётчик нейтронов, изготовленный ранее в Радиевом институте [24] и в течение десяти лет не эксплуатировавшийся. Также необходимо было создать систему регистрации и предварительной обработки данных, провести измерения множественности нейтронов деления посредством больших жидких сцинтилляционных счётчиков нейтронов с введённым гадолинием и выполнить анализ полученных данных с целью определения, как самих распределений множественности нейтронов, так и его основных характеристик (средних, дисперсий и ковариаций).

В первой главе диссертации основное внимание уделено некоторым аспектам процесса формирования массовых и энергетических распределений осколков в бинарном делении. При этом рассматриваются только те экспериментальные и теоретические данные, которые имеют непосредственное отношение к предмету настоящей работы. Во второй главе представлены описание экспериментальной установки, электронной аппаратуры и предварительной обработки экспериментальных данных. Там же изложены методики измерений полного числа нейтронов на акт деления (4л;-геометрия, полная эффективность регистрации -70%) и нейтронов испущенных из каждого конкретного осколка (2х2тс-геометрия, эффективность регистрации -55%). Третья глава посвящена обработке экспериментальных данных. В четвёртой главе приведены данные измерений распределений множественности нейтронов деления, а также результаты сравнительного анализа всей совокупности опубликованных и полученных автором экспериментальных данных. В результате делается вывод о том, что проведённые измерения и способ восстановления исходных нейтронных распределений реализованный в данной работе дают возможность достаточно корректно воссоздавать распределения нейтронов деления из осколков определённой массы и энергии.

Пятая глава посвящена анализу результатов обработки экспериментальных данных. В заключении кратко сформулированы основные итоги данной диссертационной работы и выделены результаты, полученные впервые.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты работы:

1. Модернизированная экспериментальная установка и усовершенствованная методика экспериментальных исследований множественности нейтронов, испускаемых из отдельных осколков с фиксированной массой и кинетической энергией, при спонтанном делении.

2. Впервые полученные распределения осколков по массам и кинетическим энергиям для фиксированных пар чисел нейтронов, испущенных при

244 248 252 спонтанном делении ' Сш в сравнении с Cf.

3. Основные результаты анализа экспериментальных данных, в том числе:

- Подтверждение существования антикорреляции между числом нейтронов испущенных парными осколками.

- Впервые обнаруженный в массовых распределениях осколков "холодного компактного" деления (vto, = 0) 248Cm и 244Cm повышенный выход в областях масс соответствующих положению нейтронных оболочек ЛГ=64-г68О0~О,55), N= 82-г84 09-0,1) и N= 86-г90 0,65). Вывод об определяющей роли нейтронных оболочек в формировании осколков по массам при средней внутренней энергия возбуждения осколков для случаев без нейтронной эмиссии не менее 5 -е- 7 МэВ.

- Впервые обнаруженная в массовых распределениях сильнодеформированных осколков деления (vtot > 6) ^Cm и Cm тонкая структура с периодом около 5 а.е.м., проявление которой усиливается с ростом асимметрии деформации осколков {vH/vL > 3).

- Обнаруженная антикорреляция между числом испущенных нейтронов vlot и полной энергией уносимой у - квантами деления из осколков.

Основные результаты работы докладывались на 6-м, 7-м, 8-м и 9-м Международных семинарах по взаимодействию нейтронов с ядрами (Дубна, 1998, 1999, 2000 и 2001 гг.), на XIV, XV и XVI Международных совещаниях по физике деления ядер (Обнинск, 1998, 2000 и 2003 гг.), на II и III Международных конференциях "Деление и свойства нейтронноизбыточных ядер" (Шотландия, Сент-Андрюс, 1999 г. и США, Флорида, 2002 г.), на IV и V Семинарах по делению (Бельгия, Понт Де'Уа, 1999 и 2003 гг.), на V Международной конференции "Динамические аспекты деления ядер" (Словакия, Паперничка, 2001 г.), а также были представлены на Международной конференции по ядерным данным для науки и техники (Япония, Цукуба, 2001 г.).

Включенные в диссертацию материалы опубликованы в 12 печатных работах [68-71, 78-80, 115, 119].

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Воробьёв, Александр Сергеевич

Основные результаты диссертационной работы:

1. С использованием единой методики впервые выполнены сравнительные измерения множественности нейтронов, испущенных осколками спонтанного деления 244Сш, 248Сш и 252Cf с известными массами и кинетическими энергиями.

2. Из измеренных распределений восстановлены истинные двумерные распределения множественности нейтронов деления. В результате для фиксированных пар числа испущенных нейтронов были получены распределения осколков по массам и кинетическим энергиям при спонтанном

244,248.", „ 252/~\f делении Cm и (л.

3. В результате анализа восстановленных распределений множественности нейтронов обнаружена антикорреляция между числом нейтронов, испущенных парными осколками, для всех исследованных ядер, которая, по-видимому, связана с преобладанием ассиметричных флуктуаций деформации осколков в "точке разрыва" и характеризует внутреннюю энергию возбуждения делящегося ядра.

4. В массовых распределениях осколков "холодного компактного" деления (vtot = 0) для трёх исследуемых изотопов обнаружен повышенный выход в областях масс соответствующих нейтронным оболочкам N = 64-Н38 (/б = 0,55), 7V=82-f-84 Off-0,1) и N = 86-f90 (/? ~ 0,65). При этом средняя полная энергия возбуждения осколков составляет величину порядка 10 МэВ при энергии деформации основного состояния около 3 -г 5 МэВ. Исходя из этого сделан вывод об определяющей роли нейтронных оболочек в формировании осколков по массам при средней внутренней энергии возбуждения (для случаев vto, = 0) не менее 5 7 МэВ.

5. В массовых распределениях сильнодеформированных осколков деления

Mf П AJQ а yto, > 6) для Cf и впервые для Cm и Cm обнаружена тонкая структура с периодом около 5 а.е.м, проявление которой усиливается с ростом асимметрии деформации осколков (vH lvL > 3) и вероятно является свидетельством существования сильнодеформированных "холодных" конфигураций делящейся системы в "точке разрыва".

6. Анализ восстановленных распределений множественности нейтронов обнаружил антикорреляцию между числом испущенных нейтронов vto, и полной энергией уносимой у - квантами деления < Егш>. С увеличением числа испущенных нейтронов vtot на единицу < Е Ytot > уменьшается в среднем на 0,27 ±0,05 МэВ, 0,35 ±0,05 МэВ и 0,26 ±0,07 МэВ для 252Cf, ^Cm и 244Cm соответственно. Обнаруженная антикорреляция по-видимому является проявлением п - у конкуренции обусловленной наличием у осколков углового момента <J> ~ 6-г8 h.

В заключение хочу выразить свою признательность и благодарность моему научному руководителю Г.А. Петрову, а также моему старшему коллеге и наставнику О.А. Щербакову.

Хотелось бы поблагодарить безвременно ушедшего от нас сотрудника Радиевого института В. А. Шпакова, который являлся инициатором многопараметрических экспериментальных исследований множественности нейтронов деления, а также сотрудников этого института В.А. Калинина, В.Н. Душина и Б.Ф. Петрова, являющихся активными участниками данной работы.

Я глубоко признателен за многолетнее плодотворное сотрудничество: Д.В. Николаеву, В.И. Петровой, Т.А. Заварухиной - выполнившим большую работу по созданию и обеспечению нормального функционирования электронной аппаратуры экспериментальной установки, сотрудникам Радиевого института Н.В. Сковородкину, Т.Е. Кузьминой и С.В. Давыдовой - за изготовление мишеней.

Считаю своим приятным долгом поблагодарить А.Б. Лаптева, Ю.С. Плева, В. Е. Соколова, в разное время принимавших активное участие в выполнении отдельных этапов данной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Воробьёв, Александр Сергеевич, 2004 год

1. Gonnenwein F., Borsig В., "Tip Model of Cold Fission" // Nucl. Phys., A530, 27-57 (1991).

2. Marten H., "Cold Scission Configurations and Odd-Even Effects in Nuclear Fission" // In Proceedings of the "Seminar on Fission Pont D'Oye II", Castle of Pont d' Oye, Habay-la-Neuve, Belgium, 23-25 October, 1991, ed. C. Wagemans, pp. 15-23(1991).

3. Floresky A., Sandulescu A., Coiaca C., and Greiner W., "Mass and Charge Yield

4. Calculations for Cold Fragmentation of Actinide Nuclei"// Journal of Physics, G19, 669-683 (1993).

5. Schwab W., Clerc H.-G., Mutterer M., Theobald J.P., Faust H., "Cold Fission of U233(nft, fTil Nucl Phys., A577, 674-690 (1994).

6. Hambsch, F.-J., Knitter, H.-H., and Budtz-Jorgensen C., "The Positive Odd-Even Effects Observed in Cold Fragmentation Are They Real?"// Nucl. Phys., A554, 209-222 (1993).

7. Moller A.,Gonnenwein F., Kaufmann J., Lemli J., Petrov G., Signarbieux C.,

8. New Results on Cold Fission in 252Cf(sf)"// In Proceedings of the "Seminar on Fission Pont D'Oye III", Castle of Pont d' Oye, Habay-la-Neuve, Belgium, 9-11 May, 1995, ed. C. Wagemans, pp.76-83 (1995).

9. Говердовский A.A., "Современное состояние физики атомных ядер"// ФЭИ,1. Обнинск, 1999,40с.

10. Alkhazov I.D., Kuznetsov A.V., Kovalenko S.S., Petrov B.F., Shpakov V.I,

11. Koczon P., Mutterer M., Theobald J. P., Geltenbort P., Gonnenwein F., Oed A., Moore M. S., "Cold and "Hot" Fragmentation in Thermal Neutron Induced Fission of 245Cm"// Phys. Lett. B191, 249-252 (1987).

12. Kaufmann J., Mollenkopf W., Gonnenwein F., Geltenbort P., Oed A., "Cold Deformed Fission in 232U(n,f) and 239Pu(n,/)" // Z. Phys. A341, 319-326 (1992).

13. Nifenecker H., Signarbieux C., Babinet R., Poitou J., "Neutron and Gamma

14. Emission in Fission" // In Proceedings of 3rd IAEA Symposium on Physics and

15. Chemistry of Fission, Rochester, New York, 13-17 August, 1973, printed by the IAEA, Vol. II, Vienna, pp.117-178 (1974).

16. Alkhazov I.D., Kuznetsov A.V., Shpakov V.I., "Formation of Fragment Mass Distributions in Spontaneous Fission of 252Cf" // Preprint RI-225 of the V. G. Khlopin Radium Institute, Moscow Atominform (1991).

17. During Ingo, "Ungewohnliche Moden der Spontanspaltung von 252Cf'// Dissertation, Technischen Universitat Dresden, 1993.41

18. Gavron A., Fraenkel Z., "Measurement of the Variance of the Number of Neutrons Emitted in Fission of 252Cf as a Function of the Fragment Mass and Total Kinetic Energy" // Phys. Rev. Lett., 27,1148-1151 (1971);

19. Gavron A., Fraenkel Z., "Neutron Correlation in Spontaneous Fission of 252Cf' // Phys. Rev., C9, 632-645 (1974).

20. Данилов M.M., Катаржанов Ю.Д., Недопекин В.Г., Рогов В.И., "Измерение Двухнейтронной Корреляционной Функции в Делении 252Cf' // Ядернаяфизика, том 58, с. 399-403 (1995).

21. Блинов М.В., Казаринов Н.М., Крисюк И.Т., Коваленко С.С., "О Распределении Энергии Возбуждения между Осколками Деления"// Ядерная физика, том 10, с. 923-928 (1969).

22. Данилов М.М., Катаржанов Ю.Д., Недопекин В.Г., Рогов В.И., "Исследование Выхода Пар Нейтронов при Делении 235U Тепловыми Нейтронами" II Ядерная физика, том 46, вып 5 (11), с. 1372-1379 (1987).

23. Манохин В.Н., Усачёв Л.Н., "Потребности в Ядерных Данных для Реакторов на Быстрых Нейтронах" // Материалы 6-ой Всесоюзной конференции по нейтронной физике, Киев, 2-6 октября, 1983, том 1, с. 1835 (Москва, ЦНИИатоминформ, 1984).

24. Cifarelli D.M., Hage W., "Models for a Three-Parameters Analysis of Neutron Signal Correlation Measurements for Fissile Material Assay"// Nucl. Instr. and Meth., A251, 550-563 (1986).