ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 4, с. 483-490
УДК 539.16.07,539.173.7,539.173.84
ИЗУЧЕНИЕ МНОЖЕСТВЕННОСТИ НЕЙТРОНОВ СПОНТАННОГО ДЕЛЕНИЯ КОРОТКОЖИВУЩИХ ИЗОТОПОВ (Z > 100) С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КИНЕМАТИЧЕСКОГО СЕПАРАТОРА ВАСИЛИСА
© 2015 г. А. И. Свирихин1, М. Гупта2, А. В. Ерёмин1, И. Н. Изосимов1, А. В. Исаев1, А. Н. Кузнецов1, О. Н. Малышев1, С. Мулинс3, А. Г. Попеко1, Е. А. Сокол1,
М. Л. Челноков1, В. И. Чепигин1
E-mail: asvirikhin@jinr.ru
Рассмотрена проблема изучения характеристик спонтанного деления ядер, лежащих в экзотической области короткоживущих нейтронно-дефицитных изотопов с Z > 100. Для решения поставленной задачи в фокальной плоскости сепаратора ВАСИЛИСА была создана комбинированная детектирующая система, основной частью которой является нейтронный детектор, позволяющий в режиме "он-лайн" измерять выходы нейтронов спонтанного деления ядер, получаемых в реакциях полного слияния на пучках тяжелых ионов. Реализация этой методики осуществлена впервые, в рамках проделанной работы получены данные об эмиссии нейтронов спонтанного деления корот-коживущих изотопов 244,246Fm и уточнены ранее полученные данные по 252No.
DOI: 10.7868/S0367676515040316
ВВЕДЕНИЕ
Деление тяжелых ядер — вынужденное и спонтанное — является одним из наиболее важных разделов физики атомного ядра. Интерес к спонтанному делению обусловлен тем, что этот процесс связан с коренной перестройкой структуры ядра и с движением большого количества ядерной материи. Согласно современным представлениям, именно деление определяет границы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева для тяжелых ядер. До настоящего времени для большей части известных спонтанно делящихся ядер с Z > 100 были экспериментально измерены парциальные периоды полураспада [1], достаточно точно измерены полные кинетические энергии (TKE, Total Kinetic Energy) осколков и, для нескольких изотопов, построены массовые и энергетические распределения осколков [1, 2]. Однако измерения такой важной характеристики, как среднее число мгновенных нейтронов спонтанного деления, осуществлялись только для долгоживущих изотопов из области от урана до калифорния [3, 4], для нескольких нейтронно-из-быточных изотопов фермия [4—6], для 252No [7, 8], для 259Md [9] и 260Md [10]. Спонтанно делящиеся ядра, свойства которых описаны в существующих работах, как правило, имеют периоды полураспада, достаточные для их изучения с помощью методик off-line. Трудности в изучении свойств
1 Объединенный институт ядерных исследований, Дубна.
2 Манипальский университет, Манипал, Карнатака, Индия.
3 Лаборатория ускорительных и прикладных наук, Кейптаун, ЮАР.
спонтанного деления связаны со сложностью получения достаточных количеств исследуемых изотопов, а также с невозможностью использования методик off-line для измерения характеристик спонтанного деления короткоживущих ядер.
Однако изучение множественности мгновенных нейтронов спонтанного деления имеет большое значение как с теоретической, так и с методической точек зрения. Для теории деления ядер важно, что испускаемое в процессе деления количество нейтронов непосредственно зависит от степени возбуждения осколков деления и, таким образом, играет важную роль в восстановлении энергетического баланса реакции. С другой стороны, среднее число нейтронов на один акт спонтанного деления является уникальной характеристикой ядра. Изучение зависимости этого числа от массы ядра может в значительной степени облегчить идентификацию спонтанно делящихся сверхтяжелых ядер, получаемых как в экспериментах off-line, где образцы, содержащие искомые ядра, помещаются внутрь нейтронного детектора [11], так и в on-line на пучках тяжелых ионов. Кроме того, систематики нейтронных выходов спонтанного деления используются при реализации наиболее чувствительного метода поиска сверхтяжелых элементов в природных образцах — детектирования множественной эмиссии нейтронов [12—14]. Для ядер тяжелее нобелия данные о нейтронных выходах практически отсутствуют, что делает необходимым экспериментальное изучение как можно более тяжелых ядер.
Рис. 1. Схема установки ВАСИЛИСА и комбинированной детектирующей системы: 1 — пучок тяжелых ионов с У-400; 2 — мишень; 3 — первый триплет квад-рупольных линз, 4 — электростатические дефлекторы с напряжением на пластинах ±100 кВ; 5 — центрифуга системы сепарации; 6 — второй триплет квадруполь-ных линз, 7 — дипольный магнит, 8 — железобетонная стена толщиной 1.5 м; 9 — полупроводниковые детекторы (ППД); 10 — нейтронный детектор. Времяпро-летная система, находящаяся после дипольного магнита, на схеме не изображена.
1. ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО СЕПАРАТОРА ВАСИЛИСА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ
СВОЙСТВ КОРОТКОЖИВУЩИХ НЕЙТРОННО-ДЕФИЦИТНЫХ СПОНТАННО ДЕЛЯЩИХСЯ ЯДЕР
Экспериментальные исследования на кинематическом сепараторе ВАСИЛИСА [15, 16] начались в 1987 г. Установка включает в себя мишенное устройство с вращающейся мишенью, систему сепарации, систему фокусировки, состоящую из двух триплетов квадрупольных линз, расположенных на оси пучка бомбардирующих ионов до и после системы сепарации, дополнительный ди-польный сепарирующий магнит и детектирующую систему, регистрирующую ядра отдачи и продукты их радиоактивного распада. Сепаратор использовался для изучения нейтронно-дефи-цитных нуклидов, образующихся в реакциях полного слияния с тяжелыми ионами на актинидных и трансактинидных мишенях [17—19]. Сепаратор ВАСИЛИСА обеспечивает высокую (5—40%) эффективность выделения короткоживущих (Т1//2 не менее 3 мкс) тяжелых ядер, получаемых в асимметричных реакциях полного слияния, и высокую степень (1017) очистки этих ядер от первичного пучка.
Детектирующая система сепаратора состоит из двух (старт и стоп) времяпролетных детекторов и сборки кремниевых полупроводниковых детекторов и расположена в фокальной плоскости сепаратора. Во времяпролетных детекторах использу-
ются микроканальные пластины для регистрации выбитых из пленок ядрами отдачи электронов. После прохождения времяпролетных детекторов ядра отдачи вбиваются в фокальный полупроводниковый 16-ти стриповый позиционно чувствительный детектор размером 60 х 60 мм. C боков фокального детектора размещены четыре 4 стри-повых детектора того же размера для регистрации осколков и деления и прочих частиц вылетающих из фокального детектора. Сборка фокального детектора расположена в цилиндрической вакуумной камере, которая окружена тремя слоями нейтронных счетчиков, помещенных в объем замедлителя. Нейтронная сборка окружена шестью плитами из барированного полиэтилена для защиты от фоновых нейтронов. Общая схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.
Методика, реализуемая при помощи данной детектирующей системы, заключается в следующем: ядра отдачи, синтезируемые на пучках тяжелых ионов в реакциях полного слияния, при помощи сепаратора отделяются от ионов первичного пучка и продуктов побочных ядерных реакций. Затем они имплантируются в фокальный полупроводниковый детектор (ППД), где и происходит спонтанное деление. В ходе эксперимента измеряется полная кинетическая энергия (ТКЕ) осколков и период их полураспада. Сигналы осколков деления запускают схему опроса нейтронных счетчиков, расположенных вокруг вакуумной камеры фокального детектора, что позволяет достоверно измерять количество нейтронов, сопровождающих каждый акт деления. Среднее время жизни т нейтронов деления в детекторе составляет 22.9 ± 0.3 мкс, эффективность регистрации единичных нейтронов — 36—40% (измерения осуществлялись с использованием источника 248Cm).
Высокая эффективность и благоприятные фоновые условия позволяют размещать в фокальной плоскости сепаратора самые разнообразные детектирующие системы. Успешно проводимые эксперименты по спектрометрии короткоживущих тяжелых ядер с использованием детекторов, регистрирующих коррелирующие между собой а-, в- и у-излучения тяжелых ядер, являются основной частью проекта GABRIELA (Gamma Alpha Beta Recoil Investigation with the Electromagnetic Analyzer), реализованного на сепараторе ВАСИЛИСА в период 2004—2010 гг. [20—25]. В настоящее время установка подвергнута модернизации, в результате которой создан по сути новый сепаратор, представляющий собой комбинацию из двух высоковольтных дефлекторов (до 40 кВ • см-1) и диполь-ных магнитов (1.4 Тл).
2. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ СВОЙСТВ СПОНТАННОГО ДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ НОБЕЛИЯ И ФЕРМИЯ
Первый эксперимент на сепараторе ВАСИЛИСА с модернизированной детектирующей системой проводился в октябре 2008 г. Впервые измерялись выходы нейтронов спонтанного деления ядра 246Бш, получаемого в реакции полного слияния ионов 40Аг с ядрами 208РЬ [26]. Использовалась мишень из 208РЬ, напыленного на подложку из алюминия (3 мкм). Толщина свинцовой мишени 280 мкг • см-2, обогащение 208РЬ — 97.2% (сумма примесей изотопов 206РЬ и 207РЬ ~ 2.5%). Интенсивность пучка ионов 40Аг+18 составляла 3 • 1012 ч • с-1. В ходе 10-дневного эксперимента для 246Бш было зарегистрировано 108 событий спонтанного деления и около 1000 а-распадов. Чтобы исключить из данных возможные фоновые события, например, сигналы от спонтанного деления 244Бш (получаемого на изотопах 206РЬ), осуществлялся корреляционный анализ полученных данных (корреляции ядро отдачи—осколок). Эта процедура позволяла исключить из данных случайные события, по амплитуде близкие к осколкам деления.
Период полураспада 246Бш, вычисленный на основании корреляционного анализа данных, составил 1.3 ± 0.2 с (ранее опубликованные значения 1.1 с [27] и 1.2 с [28]). Вероятность распада посредством спонтанного деления составила ЬЗР = = (5 ± 3)%, эта величина также хорошо согласуется с ранее измеренным значением Ъзр = 8% [29].
При восстановлении распределений нейтронов по множественностям Рм используются данные об эффективности нейтронного детектора, нейтронного фона и разрешающего времени детектирующей системы. В эксперименте вероятностью наложения импульсов в описываемой конфигурации можно пренебречь, вероятность искажений, связанных со случайным попаданием фоновых нейтронов в сборку, также очень низка, поэтому при восстановлении реальной множест
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.