Многочастичное фоторасщепление ядер таллия и висмута тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Макаренко, Ирина Витальевна

• Макаренко, Ирина Витальевна
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Макаренко, Ирина Витальевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И АНАЛИЗ ДАННЫХ.

§ 1.1. Активационный метод исследования множественных фотонуклонных реакций.

§ 1.2. Импульсный разрезной микротрон RTM-70 НИИЯФ МГУ.

§ 1.3. HPGe детектор у-квантов.

§ 1.4. Анализ экспериментальных данных. Расшифровка у-спектров и идентификация пиков.

§ 1.5. Определение выходов многочастичных фотоядерных реакций методом наведенной активности.

§ 1.6. Метод определения выходов фотоядерных реакций по интенсивности характеристического рентгеновского излучения.

§ 1.7. Тормозной спектр у-квантов.

ГЛАВА 2. МНОГОЧАСТИЧНЫЕ ФОТОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ НА ЯДРЕ 209Bi.

§ 2.1. Выходы многочастичных фотонейтронных реакций на ядре 209Bi. Расшифровка экспериментальных спектров остаточной активности.

§ 2.2. Фотопротонные реакции на ядре 209Bi.

§ 2.3. Сравнение и анализ данных различных работ по сечениям (у,п) и (у,2п) реакций на ядре 209Bi.

§ 2.4. Расчет интегральных сечений реакций (у,/п), /-1.7 на ядре 209Bi.

ГЛАВА 3. МНОГОЧАСТИЧНЫЕ ФОТОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ НА ЯДРАХ

203,205гр|

§3.1. Условия эксперимента и наблюдаемые фотоядерные реакции на изотопах таллия.

§ 3.2. Выходы многочастичных фотонейтронных реакций на ядрах

203,205Т1.

§ 3.3. Фотопротонные реакции на ядрах ' Т1.

§ 3.4. Результаты расчетов интегральных сечений многочастичных фотоядерных реакций на ядрах 203'205Т1.

ГЛАВА 4. ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ. СРАВНЕНИЕ С ТЕОРИЕЙ.

§ 4.1. Описание модели.

§ 4.2. Общий анализ данных по ядрам 197Au, 203'205Т1, 209Bi и сравнение с теоретической моделью.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многочастичное фоторасщепление ядер таллия и висмута»

Область фоторасщепления атомных ядер простирается от нуклонного порога (В„,р ~ 5-10 МэВ) до порога фоторождения мезонов на ядрах (135 МэВ). В этом энергетическом интервале шириной ~ 100 МэВ в течение более чем 60-летних исследований основное внимание экспериментаторов и теоретиков было приковано к гигантскому дипольному резонансу, доминирующему в сечениях поглощения фотонов атомными ядрами в области Еу ~ 10-40 МэВ. В настоящее время можно считать, что физика этого уникального ядерного явления понята достаточно хорошо 1-4]. Область за гигантским дипольным резонансом долгое время оставалась как бы в тени исследований этого резонанса. Основная причина состояла в методических трудностях. В области за гигантским дипольным резонансом возбужденные ядерные состояния распадаются, главным образом с испусканием нескольких (до 10) нуклонов (прежде всего, нейтронов). Поэтому методы прямого детектирования фотонуклонов, обычно используемые в области гигантского дипольного резонанса, который распадается с испусканием одного (реже, двух) нуклонов, оказываются, по существу, непригодными.

Вместе с тем, изучение фоторасщепления за гигантским дипольным резонансом и вплоть до мезонного порога, представляет несомненный интерес. В этой энергетической области ожидается (и имеются указания на это) изменение механизма взаимодействия фотонов с ядрами. В отличие от области гигантского дипольного резонанса, где фотоны взаимодействуют с ядром как с целым объектом, в области выше этого резонанса фотон из-за уменьшения длины волны и кинематических ограничений, связанных с сохранением импульса, взаимодействует с системами из малого числа нуклонов, формирующимися внутри ядра и, прежде всего, с квазидейтронами [5-7]. Таким образом, имеет место конкуренция двух механизмов фоторасщепления: традиционного - через возбуждение гигантского дипольного резонанса и нерезонансного, квазидейтронного. Возникает задача исследования конкуренции этих двух механизмов.

Изучение фоторасщепления ядер в области энергий выше гигантского дипольного резонанса, по существу, сводится к изучению множественных фотонуклонных реакций (МФНР).

Множественными фотонуклонными реакциями (МФНР) мы называем фотоядерные реакции с вылетом из ядра нескольких нуклонов, т.е. реакции типа (у, 2п), (у, 2р), (у, Зп), (у, рп), (у, 4п) и т.д. Под множественностью понимается число нуклонов, покинувших ядро в одном акте реакции. Эти реакции вызываются фотонами с энергиями, превышающими энергию максимума гигантского дипольного резонанса, и их сечения также имеют вид достаточно широких резонансных кривых, лежащих на «хвосте» этого резонанса (см. рис. 1). эффективное сечение энергия фотона, МэВ

Рис. 1. Схематическое изображение множественных фотонейтронных сечений

На рис. 1 показано как примерно выглядят сечения МФНР у средних и тяжелых ядер. В этом случае доминируют фотонейтронные реакции (реакции с вылетом протонов также имеют место, но сильно подавлены кулоновским барьером). Гигантский резонанс (ГР) средне-тяжелых и тяжелых ядер формируется практически за счет реакции (у, п),. которая определяет основные параметры ГР - положение его максимума ширину Г и величину сечения в максимуме <тм. Следует подчеркнуть, что сечения МФНР быстро падают с увеличением множественности (числа вылетевших нуклонов). Тем не менее, наличие интенсивных пучков фотонов с энергиями до 50-70 МэВ и использование эффективных методов выделения определенного канала реакции позволяет исследовать МФНР с вылетом до 7-8 нуклонов.

Какую пользу может принести изучение МФНР? Во-первых, как мы уже отмечали выше, можно установить, как ядро поглощает высокоэнергетичный фотон - через возбуждение гигантского дипольного резонанса (его высокоэнергетичной части) или посредством расщепления внутри него квазидейтрона. Во-вторых, появляется возможность установить, как распадается ядро, поглотившее высокоэнергетичный фотон. Как известно, существует два основных механизма распада возбужденных состояний ядра — прямой и через составное ядро. Если иметь в виду фотоядерные реакции в области ГР, то здесь мы имеем дело с конкуренцией так называемого полупрямого механизма, когда происходит вылет одного нуклона сразу после образования коллективного дипольного состояния, и статистического, крайним проявлением которого является вылет нуклонов из составного ядра, достигшего теплового равновесия. 1

Полупрямая фотоядерная реакция происходит за время ~ 10 ~ с, распад ГР через составное ядро, достигшее теплового равновесия, требует времени ~ 1019~ Ю-18 с. Если распад ГР происходит на промежуточной между этими крайними способами распада стадии (её называют предравновесной), то

2 Q он занимает время ~ 10 с. У легких ядер доминирует полупрямой распад ГР, у тяжелых - статистический. О механизме распада ядра за ГР практически ничего не известно и, поскольку именно в этой области протекают МФНР, то их изучение способно дать ответ на поставленный вопрос.

В-третьих, реакции с вылетом нескольких нейтронов (в основном они формируют набор МФНР) приводят к образованию конечных ядер, сдвинутых от линии стабильности в сторону перегруженных протонами нуклидов, т. е. нейтронодефицитных ядер. Изучение таких ядер является одним из магистральных направлений современной физики ядра. Реакции (у, 2п), (у, Зп), (у, 4п) и т.д. дают информацию о том с какой скоростью образуются нейтронодефицитные ядра при облучении мишени интенсивными потоками высокоэнергичных фотонов и тем самым позволяют прогнозировать достижимые концентрации таких ядер в различных мишенях, подвергнутых облучению. Эти концентрации могут оказаться приемлемыми для успешного исследования свойств нейтронодефицитных ядер тонкими современными методами.

Изучение МФНР сопряжено с рядом трудностей. Прежде всего, это малые сечения, к тому же быстро падающие с ростом множественности вылетевших из ядра частиц. Начальная стадия фотоядерной реакции вызвана электромагнитным взаимодействием и поэтому сечение такой реакции обычно на порядки уступает реакциям, идущим по сильному взаимодействию. Эта ситуация тем более усугубляется для МФНР. Во-вторых, обычно используемая в современной ядерной физике техника непосредственной регистрации продуктов реакции (в данном случае нейтронов и протонов), помимо аппаратурной и методической сложности, по-существу, не позволяет уверенно разделить каналы реакций различной множественности, тем более, если мишень не является моноизотопной.

Настоящая диссертация посвящена экспериментальному исследованию фоторасщепления тяжелых ядер за гигантским дипольным резонансом. Эксперименты выполнены на тормозном пучке импульсного разрезного микротрона RTM-70 НИИЯФ МГУ с максимальной энергией jqo 205 электронов 67.7 МэВ [8]. Исследовалось фоторасщепление ядер ~ ' Т1 и 209Bi. Применялся метод наведенной у-активности. В этом методе мишень облучается тормозным у-пучком ускорителя и затем перемещается к у-спектрометру, который вне пучка измеряет у-спектры остаточной Р-активности. По результатам одного такого эксперимента можно получить сведения обо всех фотонуклонных реакциях. Проведение измерений вне пучка резко снижает фон, многократно повышает чувствительность опыта и позволяет исследовать каналы фотоядерных реакций с низкими эффективными сечениями, ранее недоступные для наблюдений. Метод наведенной активности, по сравнению с прямыми методами регистрации продуктов фотоядерных реакций, использует более простые измерительные установки, а в случае больших времен полураспада радиоактивных ядер, позволяет проводить многократные и тщательные измерения с целью получения максимальной информации о парциальных каналах реакций. Конечным результатом применяемого метода наведенной активности является определение выхода образовавшихся ядер.

Успеху данного метода исследований в настоящее время способствует наличие интенсивных ускорителей электронов нового поколения на энергии в несколько десятков МэВ (до 100 МэВ), использование эффективных у-спектрометров высокого разрешения из сверхчистого германия и, наконец, обширные и надежные данные о схемах уровней остаточной активности и свойствах ядер, систематизированные в международных базах ядерных данных.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и Приложения. Она содержит 57 рисунков и 30 таблиц. Список цитируемой литературы включает 64 наименования. Общий объем диссертации составляет 132 страницы.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Макаренко, Ирина Витальевна

Выводы

В настоящей главе приведены основные положения теоретической модели [48], описывающей фотопоглощение атомными ядрами в области энергий до мезонного порога с учетом двух конкурирующих механизмов фоторасщепления - через возбуждение гигантского дипольного резонанса и путем расщепления квазидейтронов

Проведено сравнение результатов расчетов сечений по этой модели [48] с экспериментальными данными, полученными в настоящей диссертации для ядер 203'205Т1 и 209Bi и при участии автора диссертации для ядра 197Au [44]. На примере ядер 203'205гп? 209Bi, 197Au показано, что модель хорошо описывает данные эксперимента по сечениям фотоядерных реакций на тяжелых ядрах в области ГДР.

Установлено, что полученные экспериментальные данные могут быть описаны лишь при совместном учете обоих механизмов фоторасщепления - через возбуждение гигантского дипольного резонанса и квазидейтронного фоторасщепления. Роль квазидейтронного фоторасщепления растет с увеличением энергии фотона и нейтронной множественности и становится доминирующей для реакций, в которых из ядра вылетает не менее четырех нейтронов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Резюмируем основные результаты диссертации:

1. Создана и успешно апробирована методика проведения экспериментов по исследованию многочастичных фотоядерных реакций в режиме наведенной активности на пучке тормозного излучения от ускорителя электронов RTM-70 НИИЯФ МГУ. Методика характеризуется высокой эффективностью, позволяющей изучать идущие с весьма низкими сечениями реакции фоторасщепления ядер с вылетом из ядра до семи нейтронов.

2. Создана система обработки экспериментальных данных, позволяющая из у-спектров остаточной активности получить выходы фотоядерных реакций различной множественности.

3. Предложен метод определения выходов фотоядерных реакций по интенсивности характеристического рентгеновского излучения.

4. Получены данные о выходах и интегральных сечениях многочастичных фотоядерных реакций на ядрах 203'205гп и 209Bi в области за гигантским дипольным резонансом и вплоть до энергии 67.7 МэВ. Данные для 203'205т1 получены впервые, а данные для 209Bi существенно уточняют результаты более ранних (полученных 40 лет назад) измерений.

5. Проведен совместный анализ имеющихся экспериментальных данных по многочастичному фоторасщеплению за гигантским дипольным резонансом для тяжелых ядер с массовым числом около

->пл 197 л 203,205ti 209т}- / 203,205^1 209п

200: Au, Т1 и Bi (данные для Т1 и Bi получены в настоящей диссертации, а для 197Аи — ранее также при непосредственном участии автора диссертации). Установлено, что экспериментальные данные для всех рассмотренных тяжелых ядер характеризуются общими чертами, свидетельствующими об универсальности механизма фоторасщепления в тяжелых ядрах за гигантским дипольным резонансом. 6. Экспериментальные данные по многочастичному фоторасщеплению

197 л 203,205-гт 209т.для ядер Au, 11 и Bi сравниваются с данными современной теоретической модели фоторасщепления [48], учитывающей как фоторасщепление через возбуждение ГДР, так и квазидейтронное фоторасщепление. Данные этих теоретических расчетов успешно описывают для всех ядер соотношение между выходами фотонейтронных реакций различной множественности, что свидетельствует об адекватности модели и позволяет сделать следующие выводы: а) экспериментальные данные могут быть описаны лишь при совместном учете обоих альтернативных механизмов фоторасщепления - через возбуждение гигантского дипольного резонанса и квазидейтронного фоторасщепления; б) роль квазидейтронного фоторасщепления растет с увеличением энергии фотона и нейтронной множественности и становится доминирующей для реакций с вылетом из ядра не менее четырех нейтронов.

Автор выражает искреннюю благодарность моему научному руководителю д.ф.-м.н. профессору И.М. Капитонову за всестороннюю помощь при подготовке диссертации.

Заведующему кафедрой Общей ядерной физики д.ф.-м.н. профессору Б.С. Ишханову я весьма признательна за постоянный интерес к работе, помощь и поддержку.

Большая и неоценимая помощь при проведении экспериментов была оказана мне научным сотрудником ОЭПВАЯ НИИЯФ МГУ к.ф.-м.н.

A.Н. Ермаковым. Я признательна руководителю Центра данных фотоядерных экспериментов НИИЯФ МГУ д.ф.-м.н. профессору

B.В. Варламову и заведующему Лабораторией радиохимии НИИЯФ МГУ к.ф.-м.н. Р.А. Алиеву за помощь и консультации на отдельных этапах работы. Я также благодарна всем сотрудникам кафедры Общей ядерной физики, Отдела электромагнитных процессов и взаимодействий атомных ядер НИИЯФ МГУ и Центра данных фотоядерных экспериментов НИИЯФ МГУ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Макаренко, Ирина Витальевна, 2008 год

1. Ишханов Б.С., Капитонов ИМ. Взаимодействие электромагнитного излучения с атомными ядрами. — М.: Изд-во московского ун-та, 1979. —216 с.

2. Eramzhan R.A., Ishkhanov B.S., Kapitonov I.M., Neudatchin KG. The giant dipole resonance light nuclei and related phenomena. // Physics Reports. — 1986. —V. 136. — P. 229-400.

3. Ишханов Б.С., Капитонов И.М., Неудачин В.Г., Шевченко В.Г., Эрамжян Р. А. , Юдин Н.П. Конфигурационное расщепление дипольного гигантского резонанса в атомных ядрах // УФН. — 1990.

4. Т. 160, вып. 3. — С. 57-99.

5. Ишханов Б.С., Капитонов И.М., Эрамжян Р.А. Исследование дипольного гигантского резонанса в (у,ху')-экспериментах // ЭЧАЯ.1992. — Т. 23. — С. 1770-1826.

6. Levinger J.S. The high energy nuclear photoeffect // Phys. Rev. — 1951.1. V. 84. —P. 43-51.

7. Levinger J.S. Nuclear photo-disintegration. — Oxford University Press, 1960.

8. Chadwick M.B., Obloinsky P., Hodgson P.E., Reffo G. Pauli-blocking in the quasideuteron model of photoabsorption // Phys. Rev. C. — 1991. — V. 44.—P. 814-823.

9. Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. — 2005. — V. 550. — P. 39-53.

10. Асанов Ж.А., Белышев С.С., Ермаков А.Н, Kyaw Kyaw Htun, Кузнецов

11. A.А., Макаренко И.В., Салахутдинов Д-Р-, Ханкин

12. Конюхов И.Г., Макаренко И.В., Минеева Т.Н. Фотоядерные реакции103на ядре Rh. Форум «Всемирный год физики в Московском университете», Конференция молодых ученых, (сентябрь 2005 г., Москва). Сборник тезисов. — Москва, 2005. — С. 113.

13. Конюхов И.Г., Макаренко И.В., Минеева Т.Н. Изучение изомерного92уровня 135.5 кэВ ядра Nb. Форум «Всемирный год физики в Московском университете», Конференция молодых ученых, (сентябрь 2005 г., Москва). Сборник тезисов. — Москва, 2005. — С. 115.

14. Сборник материалов конференции. Ростов-на-Дону, 2007. — С. 323324.

15. Белышев С.С., Ермаков А.Н., Кузнецов А.А., Макаренко И.В., Ханкин В.В. «Ускоритель РТМ 70 как импульсный источник нейтронов и фотонов». // Вестник Московского университета. Серия 3. Физика и астрономия. - 2007. - № 6. - С. 25-28.

16. Ермаков А.Н., Ишханов Б.С., Капитонов И.М. , Чжо Чжо Тун, Макаренко ИВ. Мультинейтронные фотоядерные реакции на изотопе1 Q7

17. Аи. // Вестник Московского университета. Серия 3. Физика и астрономия. 2007. - №5. - С. 49-52.

18. Ермаков А.Н., Ишханов Б.С., Капитонов И.М. , Чжо Чжо Тун, Макаренко И.В., Орлин В.Н., Шведунов В.И. Мультинейтронноефоторасщепление ядра I97Au за гигантским дипольным резонансом // Ядерная физика. 2008. - Том 71, №3. - С. 419-426.

19. Ишханов Б.С., Орлин В.Н. Предравновесная модель фотонуклонных реакций, базирующаяся на ферми-газовых плотностях. // Ядерная физика. 2008. - Т. 71.-С. 517.

20. Michael F. L'Annunziata, Michael F. L'Annunziata, Mohamed M. El Baradei, Werner Burkart. Handbook of Radioactivity Analysis. — 2003. -San Diego, California, USA: Academic Press. — 1273 p.

21. Kocimski S.M., Cook B.C. Photoneutron cross sections for 209Bi. // In proceedings In proceedings Int. Conf. on Photonuclear Reactions (Pacific Grove, 1973). 1973. - V.2. - P. 1059.

22. Harvey R.R., Caldwell J.T., Bramblett R.L., Fultz S.C. Photoneutron cross sections of Pb206, Pb207, Pb208 and Bi209. // Phys. Rev. 1964. - V. 136, Issue IB.-P. 126.

23. Wyckoff J.M. Integrated Cross Sections for 209Bi(g,xnyp) Reactions. // Phys. Rev. 1967. - V. 159, №4. - P. 953.

24. Antropov G.P., Mitrofanof I.E., Prokofev A.I., Russkikh V.S. Photoneutron cross sections for 203T1 and 205T1. // Izv. Kaz. Akad. Nauk, Ser.Fiz.-Mat. 1970.-V.34.-P. 116.

25. Гаврилов Б.И. и др. II ЖЭТФ. 1956. - Т. 30, вып. 5. - С. 855.61 .Fultz S.C., Bramblett R.L., Caldwell T.J. et al. Photoneutron Cross-Section Measurements on Gold Using nearly Monochromatic Photons. 11 Phys. Rev. C. 1962. - V. 127. - P. 1273.

26. Belov A.G., Gangrsky Yu.P., Gudima K.K., Zuzaan P. Integral Cross Sections of The Photonuclear Reactions in The Region of Giant Dipole Resonance. // At. Energ. 2000. - V. 88. - P. 391.