научная статья по теме ФОТОДЕЛЕНИЕ ЯДЕР-АКТИНИДОВ В ОБЛАСТИ НУКЛОННЫХ РЕЗОНАНСОВ: ПЕРВЫЙ ФОТОЯДЕРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ НА НАКОПИТЕЛЕ ЭЛЕКТРОНОВ “СИБИРЬ-2” Физика

Текст научной статьи на тему «ФОТОДЕЛЕНИЕ ЯДЕР-АКТИНИДОВ В ОБЛАСТИ НУКЛОННЫХ РЕЗОНАНСОВ: ПЕРВЫЙ ФОТОЯДЕРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ НА НАКОПИТЕЛЕ ЭЛЕКТРОНОВ “СИБИРЬ-2”»

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2004, том 67, № 8, с. 1450-1454

ЯДРА

ФОТОДЕЛЕПИЕ ЯДЕР-АКТИНИДОВ В ОБЛАСТИ НУКЛОННЫХ РЕЗОНАНСОВ: ПЕРВЫЙ ФОТОЯДЕРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ НА НАКОПИТЕЛЕ ЭЛЕКТРОНОВ "СИБИРЬ-2"

© 2004 г. А. Д. Беляев1), Н. В. Руднев2), В. Г. Недорезов2), А. А. Туринге1)*

Поступила в редакцию 10.07.2003 г.; после доработки 17.12.2003 г.

Приведены результаты экспериментов по фотоделению ядер 238и, выполненных на начальной части фотоядерного канала ГАММА накопителя электронов "Сибирь-2" в РНЦ "Курчатовский институт". Результаты имеют в основном методический характер, поскольку фотоядерный эксперимент на этом канале проводится впервые. Однако полученные данные позволяют определить верхнюю границу вероятности "быстрого деления", или фрагментации, ядер 238и под действием фотонов с энергией до 2.5 ГэВ, что имеет отношение к вопросу об отличии полных сечений фотопоглощения ядер-актинидов от "универсальной кривой".

ВВЕДЕНИЕ

К настоящему времени установлено, что полные сечения фотопоглощения ядер, начиная от лития и кончая свинцом, в области нуклонных резонансов имеют универсальный характер [1]. Это означает, что сечение фотопоглощения, нормированное на число нуклонов в ядре, не зависит от атомного номера ядра-мишени (Л). Однако для самых тяжелых ядер-актинидов полные сечения фотопоглощения оказались на 20% выше "универсальной кривой". Первые результаты в этом направлении были получены для ядер 241 Am и 243Am на тормозном пучке в Харькове [2], затем они были подтверждены на пучке обратных комптоновских фотонов в Новосибирске для ядер 238U и 237Np [3]. Недавно получены результаты для 232Th, 235U, 238U и 237Np на пучке меченых тормозных фотонов [4,5]. Все они согласуются между собой.

Оценки полных сечений проводились путем деления измеренных сечений фотоделения на делимости, которые рассчитывались по каскадно-испарительной модели [6]. В этом случае полные сечения фотопоглощения для всех ядер-актинидов совпадают в пределах ошибок измерений, которые в работах [4, 5] не превышают 3%, а в работе [3] составляли около 5%. Таким образом, наблюдаемое отличие в 20% намного выходит за пределы ошибок измерений.

Для того чтобы объяснить это отличие сечений фотопоглощения ядер-актинидов от сечений

1)РНЦ " Курчатовский институт", Москва.

2)Институт ядерных исследований РАН, Москва.

E-mail: andrey@cpc.inr.ac.ru

остальных ядер предлагались разные модели. В работе [7] были проведены оценки вероятности неупругого рождения е+е_-пар на тяжелых ядрах по аналогии с кулоновской диссоциацией релятивистских ионов, когда взаимодействие имеет даль-нодействующий характер и коллективные возбуждения ядер, приводящие к делению, возникают при малой передаче энергии и импульса, без образования мезонов. Вероятность таких фотоядерных процессов согласно теоретическим оценкам, сделанным в работе [7], оказалась по крайней мере на два порядка ниже, чем наблюдалось в экспериментах [2—5]. Кроме того, следует отметить, что сечение рождения пар монотонно растет с ростом энергии 7-квантов, в то время как превышение полных сечений в области нуклонных резонансов имеет величину около 20% во всем указанном диапазоне.

Другое объяснение наблюдаемому эффекту может быть связано с предположением о существовании быстрого, или прямого, деления ядер фотонами, когда вся энергия налетающего фотона передается осколкам (также без образования мезонов), за счет чего в полном сечении фотопоглощения может появиться избыток. Подобный быстрый процесс обычно называют фрагментацией, чтобы отличить его от медленного деления ядра на два осколка. Было показано, что вероятность таких процессов при энергиях фотонов ниже порога рождения мезонов не превышает 10_5 по отношению к вероятности обычного бинарного деления [8], однако для энергий фотонов в области нуклонных резонансов такие данные отсутствуют. Одна из целей настоящей работы состояла в том, чтобы такие данные получить.

ФОТОДЕЛЕНИЕ ЯДЕР-АКТИНИДОВ

1451

В связи с указанной проблемой следует отметить также предположение о возможности фоторождения пионов на обменных мезонных токах [9], что отличает свободный нуклон от связанного в ядре. Если вероятность такого процесса пропорциональна числу пар нуклонов в ядре, которое равно А(А — 1)/2, то эффект должен быть лучше всего заметен в самых тяжелых ядрах (около 20% для ядер-актинидов), а для более легких его величина может быть сравнима с ошибками измерений. Если вероятность пропорциональна А, что косвенно следует из слабой зависимости энергии связи нуклона от атомного номера, то предположение о существовании мезонов в ядрах на основании данных по полным сечениям фотопоглощения становится менее обоснованным. В этой связи можно отметить, что до сих пор прямых указаний на существование мезонов в ядрах экспериментально не получено.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

На рис. 1 показана схема канала ГАММА, который создается на накопителе электронов "Си-бирь-2" РНЦ КИ. Настоящий эксперимент выполнен на начальной части этого канала, позволяющего выводить тормозной пучок с максимальной энергией 2.5 ГэВ из прямолинейной секции накопителя с интенсивностью около 105/с (излучение на остаточном газе). Выходной фланец для выпуска жесткого 7-излучения изготовлен из нержавеющей стали толщиной 1.0 мм.

В перспективе при использовании лазеров возможны два варианта создания 7-пучков, различающихся, как показывают результаты моделирования [10], диапазоном энергий и интенсивностью. Аргоновый лазер позволит иметь пучок с энергией от 100 до 500 МэВ с интенсивностью пучка до 107/с, с энергетическим разрешением около 10 МэВ с использованием системы мечения. Ограничение по интенсивности связано с уменьшением времени жизни пучка вследствие выбивания электронов лазерным лучом с орбиты накопителя. Использование длинноволновых лазеров типа СО2 позволит иметь пучок с энергией от 1 до 20 МэВ с интенсивностью до 109/с. В перспективе возможно создание пучка в том же диапазоне энергий, но с более высокой интенсивностью (до 1012/с) на базе лазера на свободных электронах.

На первой стадии эксперимента были проведены измерения параметров пучка с использованием мишеней из урана-238 и твердотельных трековых детекторов осколков деления ядер, поликарбонатных пленок типа "МакгоЮ1-К2". Эти детекторы характерны тем, что регистрируют тяжелые заряженные частицы с массой более

Рис. 1. Схема фотоядерного канала ГАММА: 1 — система мечения фотонов по энергии; 2 — радиационная заглушка; 3 — вакуумный пост; 4 — зеркало для ввода лазерного излучения в накопитель; 5 — лазер; 6 — монитор пучка; 7 — коллиматор с очищающим магнитом; 8 — фотоядерный детектор. (В настоящее время изготовлена начальная часть канала (внутри зала накопителя) и имеются отдельные элементы (3—8).)

16 а.е.м. и удельными энергетическими потерями более 4 (МэВ/мг) см2 [11].

Пленки размером 100 х 100 мм толщиной 10 мкм собирались в сандвич со слоями урана толщиной 1 мг/см2 (диаметр 100 мм) и радиатором из свинца толщиной 1 мм. Полученные таким образом сборки располагались на оси пучка, известной из геодезических измерений, внутри зала накопителя вблизи стены радиационной защиты (см. рис. 1). Тормозное излучение из прямолинейной секции ускорителя с максимальной энергией 2.5 ГэВ последовательно проходило через радиатор, слои урана и пленки.

Возникающие в слоях урана осколки фотоделения образовывали в пленках треки, координатное распределение которых соответствует профилю 7-пучка. После экспозиции пленки протравливались в течение 80 мин в растворе КОН при температуре 60°С, поддерживаемой с точностью до 0.1°С с помощью термостата. Счет треков и их визуализа-

4

1452

БЕЛЯЕВ и др.

100 80 60 40 20 0 80

60

40

20

_|_I_I_I_I_I_1_

150

100

50

0 100 80 60 40 20

• I

_|_I_I_1_

• •

_|_I_I_I_I_I_1_

_|_I_I_I_I_1_

0 2 4 6 0х, мрад (х, см)

0 2 4 6 0у, мрад (у, см)

Рис. 2. Слева фотографии трековых детекторов, полученные в одном из сеансов облучения при дозе экспозиции 135 (вверху) и 54 мА/ч (внизу). Справа — соответствующий им профиль тормозного 7-пучка на расстоянии 6 м от прямолинейной секции накопителя (расстояние от центра прямолинейной секции до детектора 10 м, поэтому 1 мрад соответствует 1 см).

ция производились автоматически электроискровым методом, описанным в работе [12].

При электроискровом пробое в качестве одного из электродов использовалась пленка из лавсана, покрытого тонким слоем алюминия. Это позволило получить увеличенное изображение треков и таким образом регистрировать совпадающие в соседних пленках треки при поиске длиннопробежных осколков деления. Контроль совпадающих треков проводился с использованием цифровой обработки изображений треков с применением сканера и ЭВМ.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В качестве примера на рис. 2 показаны фотографии пленок, расположенных в непосредственном контакте со слоями урана (пленки № 1). На рисунке приведены также рассчитанные на основе этих данных координатные распределения треков вдоль горизонтальной и вертикальной осей. Две пленки различаются временем экспозиции, которое составляло 4.5 и 1 час соответственно. Приведенные распределения иллюстрируют различие между короткими и длинными экспозициями. Средний ток накопителя был равен 30 мА. Из рис. 2 видно, что при малом времени экспозиции пучок имеет размер около 1 см по высоте и около 2 см по радиусу, что соответствует угловой расходимости около 1—2 мрад. При большом времени экспозиции распределение пучка по профилю имеет большие размеры: около 3 см по высоте и около 6 см

по радиусу (полная ширина на полувысоте). Это означает, что при большом времени экспозиции положение пучка недостаточно стабильно, и обуславливает использование пленок с размерами около 10 см. Тем не менее полученный результат подтверждает правильность юстировки канала и позволяет провести заключительный этап по выводу пучка через стену радиационной защиты. При этом потребуются дополнительные меры по обеспечению стабильности положения пучка на орбите.

Следует отметить, что достоинством используемого метода является высокий порог по энергии 7-пучка (порог деления составляет 6 МэВ), отделяющий тормозное излуч

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком