ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2004, том 67, № 7, с. 1263-1269
ЯДРА
ИЗМЕРЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТИ ТРОЙНОГО ДЕЛЕНИЯ 232^ ПОД ДЕЙСТВИЕМ БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ
© 2004 г. В. А. Хрячков*, М. В. Дунаев, И. В. Дунаева, Н. Н. С еменова, А. И. Сергачев
Физико-энергетический институт, Обнинск, Россия Поступила в редакцию 20.05.2003 г.; после доработки 18.08.2003 г.
Приводятся результаты измерений энергетической зависимости вероятности тройного деления 232 ^ в области вибрационных резонансов. Измерения проведены с помощью двойной ионизационной камеры с сетками Фриша и сцинтилляционного детектора на основе CsI(Tl). Использование методов цифровой обработки сигналов позволило добиться высокой надежности результатов. Анализ данных показал, что значение вероятности тройного деления не противоречит существующим систематикам, которые, тем не менее, нуждаются в корректировке. Результаты измерений позволяют сделать однозначный вывод о том, что невозможно объяснить локальные вариации полной кинетической энергии осколков в отдельных вибрационных резонансах за счет соответствующих изменений вероятности тройного деления.
ВВЕДЕНИЕ
Хорошо известно, что почти все события деления сопровождаются эмиссией легких частиц, если принять во внимание нейтроны, испаряющиеся из осколков. Однако наибольший интерес для понимания динамики процесса деления представляют легкие заряженные частицы, испускание которых происходит вблизи точки разрыва делящегося ядра за времена, значительно более короткие, нежели время испарения.
После обособления легкой частицы ее движение происходит под действием кулоновского отталкивания двух разлетающихся осколков. Траектор-ные расчеты позволяют воспроизвести угловые и энергетические распределения легких частиц для различных начальных условий. Расчеты показывают, что энергетические и угловые распределения третьих частиц, излучаемых в процессе деления ядер, очень чувствительны к начальному положению заряженной частицы и к скорости осколков в момент эмиссии. Таким образом, конечные угловые и энергетические распределения третьих частиц являются наиболее прямым способом определения свойств делящейся системы в момент разрыва. К настоящему времени детальные исследования вероятности тройного деления проведены практически для всех спонтанно делящихся ядер и для ряда ядер при делении их тепловыми нейтронами. Обнаружены каналы реакции с испусканием протонов, дейтронов, тритонов, а-частиц и других, более тяжелых, ядер [1].
В то же время целый ряд ядер, делящихся исключительно быстрыми нейтронами, до сих пор
E-mail: hva@ippe.obninsk.ru
остаются за рамками исследований. Изучение вероятности тройного деления этих ядер может помочь построению систематик за счет расширения диапазона параметра делимости (22/А). Особый интерес также вызывает зависимость выхода тройного деления от энергии возбуждения делящегося ядра, которую можно изучить только при использовании быстрых нейтронов. Так, например, обнаруженное явление локального уменьшения полной кинетической энергии осколков в некоторых вибрационных резонансах [2] не удается объяснить ни изменениями массового распределения, ни поведением множественности мгновенных нейтронов [3]. Было высказано предположение о том, что в этих резонансах, возможно, увеличивается вероятность тройного деления, что и является причиной уменьшения полной кинетической энергии осколков [4].
Развал ядра на три частицы маловероятен и с полным правом может быть отнесен к редким событиям. Так, при спонтанном делении 252Cf вероятность эмиссии а-частицы составляет х х 10-3, тритона х 10-4, протона х 10-5. Для исследования тройного деления традиционно используются системы из двух или более полупроводниковых (АЕ + Е)-детекторов [5, 6]. Такая схема эксперимента обладает низкой светосилой и нашла применение при изучении спонтанного деления и деления под действием тепловых нейтронов, где можно обеспечить необходимую для анализа статистическую точность. Очевидным недостатком такой системы является высокий порог регистрации легкой частицы, который определяется полным ее поглощением в АЕ-детекторе. Другим примером установок для изучения тройного деления
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки: ОФИ — оцифровщик формы импульса, ПУ — зарядочувствительный предусилитель, БУ — быстрый усилитель, СС — схема совпадений, БЗ — блок задержки, БД — быстрый дискриминатор, 51—54 — входы оцифровщика, ОЭ — охранные электроды, СФ — сетка Фриша.
являются сложные многодетекторные устройства с большой эффективностью регистрации легкой заряженной частицы [7]. Детекторы этого типа прекрасно зарекомендовали себя при изучении тройного деления для спонтанно делящихся ядер, однако громоздкость и сложность таких установок делает невозможным их использование на пучках не только быстрых, но и тепловых нейтронов.
Сечение деления быстрыми нейтронами в сотни раз меньше, чем при делении тепловыми нейтронами. Большой 7-фон от нейтронной мишени и жесткие геометрические ограничения при работе на ускорителе создают дополнительные трудности. Для их эффективного решения была разработана новая детекторная система, отвечающая поставленным условиям.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Спектрометр состоит из двойной импульсной ионизационной камеры (ИИК) с сетками Фриша для регистрации парных осколков деления и тонкого сцинтиляционного экрана с ФЭУ для регистрации легких частиц. Схема детектора показана на рис. 1. Ионизационная камера состоит из двух анодов, двух сеток Фриша и общего катода. В центре катода помещается спектрометрический слой 232ТЬ диаметром 3 см и толщиной 200 мкг/см2 на прозрачной для осколков подложке из А1203. Для обеспечения электропроводности катода по всей поверхности слой был запылен золотом (^50 мкг/см2).
Диаметр электродов составлял 120 мм. Для обеспечения однородности электрического поля в пространстве между катодом и сеткой расположены три охранных электрода. Расстояние между катодом и сеткой Фриша — 40 мм, между сеткой и анодом — 2 мм. Верхний анод камеры изготовлен
в виде кольца из нержавеющей стали, на которое приклеена металлизированная полипропиленовая пленка толщиной 100 мкм, обеспечивающая сбор электронов из ионизационной камеры и прозрачная для длиннопробежных частиц, рождающихся в слое исследуемого изотопа. Камера наполнялась смесью 90%Аг+ 10%СН4 поддавлением 0.75 атм. К катоду прикладывалось напряжение смещения —4 кВ. Система делителей между катодом и землей обеспечивала подачу необходимых потенциалов на охранные электроды и сетки Фриша. Аноды находились под потенциалом земли.
В качестве детектора легких частиц мы использовали сцинтилляционный детектор с тонким кристаллом Сб1(Т1) и ФЭУ-110. При толщине кристалла в 1 мм он способен полностью поглотить а-частицы с энергией до 50 МэВ, тритоны — до 20 МэВ и протоны — до 14 МэВ. Диаметр сцинтил-лятора составлял 70 мм.
Сигналы от спектрометра (катодный, два анодных от камеры и один анодный от ФЭУ) подавались на входы оцифровщика формы импульса ^е Сгоу 2262). Эти четыре сигнала переводились в цифровой вид и сохранялись в памяти компьютера для последующей обработки. Пример цифровых осциллограмм, соответствующих событию тройного деления 233ТЬ, показан на рис. 2. Такая организация спектрометрического тракта позволяет добиться значительного улучшения точности и надежности измерений. Использование мощных, хорошо развитых математических методов, таких, как фурье-анализ и метод наименьших квадратов, позволяет получать из анализа формы информацию, недоступную на сегодняшний день аналоговым методам.
Анализ цифровых осциллограмм с использованием методов цифровой обработки сигналов позволил получать кинетическую энергию, массу, угол
Амплитуда, каналы
Рис. 2. Пример сигналов спектрометра.
вылета [8] и изучать поведение удельных ионизационных потерь [9] для каждого из дополнительных осколков одновременно. Энергии осколков были скорректированы на неэффективность сетки Фриша [10], потери энергии в мишени [11] и амплитудный дефект [8]. Кроме того, каждый из сигналов проходил тщательную проверку на наличие наложений от а-частиц или рассеянных протонов. Были получены следующие основные характеристики детектора осколков: энергетическое разрешение для а-частиц (Еа = 6 МэВ) — 36 кэВ; энергетическое разрешение для осколков МэВ; массовое разрешение а.е.м.; угловое разрешение — 0.067 в единицах косинуса угла вылета.
Сигналы от детектора длиннопробежных частиц анализировались на предмет наличия наложений. По площади сигнала вычислялась энергия частицы. Энергетическое разрешение, определенное по а-частицам 226На, составило 180 кэВ. Спадающая часть сигнала при помощи метода наименьших квадратов аппроксимировалась суперпозицией двух экспонент. В результате подгонки мы получали для каждого сигнала значения вкладов и распадных времен. Полученная площадь быстрой компоненты использовалась как критерий для разделения частиц по типу. Более подробно методы обработки сигналов от С81(Т1) описаны в [12]. Метод, основанный на анализе вклада быстрой компоненты, дает в 1.5—2 раза лучшее разрешение, чем классический АЕ-метод. Различие в разрешающей способности можно объяснить тем, что названный метод позволяет анализировать полный вклад быстрой компоненты во всем временном интервале, не допуская при этом примеси медленной компоненты, как происходит в случае аналоговых
методов. Представляется важным то обстоятельство, что новый метод особенно хорошо позволяет отделить электроны от других заряженных частиц (быстрая компонента для электронов полностью отсутствует). При изучении тройного деления ядер быстрыми нейтронами 7-лучи, в-частицы и нейтроны являются основным источником фона, который может быть эффективно подавлен при использовании этого метода разделения частиц.
Анализ временных корреляций между моментами появления катодного импульса от ионизационной камеры и анодного импульса ФЭУ предоставляет экспериментатору широкие возможности для оценки вклада и исследования структуры случайных фонов.
Для тестирования спектрометра была выбрана реакция спонтанного тройного деления 252 С!. Выбор был обусловлен тем, что данная реакция хорош
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.