ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2015, том 78, № 7-8, с. 623-629
ЯДРА
ОБЛУЧЕНИЕ ЯДЕРНОЙ ЭМУЛЬСИИ ТЕПЛОВЫМИ НЕЙТРОНАМИ, ТЯЖЕЛЫМИ ИОНАМИ И ^-МЕЗОНАМИ
©2015 г. Д. А. Артеменков1)*, В. Браднова1), А. А. Зайцев1),2), П. И. Зарубин1), И. Г. Зарубина^, Р. Р. Каттабеков1),3), К. З. Маматкулов1),4), В. В. Русакова^
Поступила в редакцию 29.12.2014 г.
Представлен физический анализ облучений опытных образцов ядерной эмульсии (ЯЭ). В ЯЭ, обогащенной бором, изучались угловые и энергетические корреляции продуктов реакции, вызванной тепловыми нейтронами, п^ + 10В ^ 7Ы + (7) + а. ЯЭ была облучена ионами 86Кг+17 и 124Хе+26 с энергией около 1.2 А МэВ. Измерения пробегов в ЯЭ тяжелых ионов позволяют определить их значения энергии на основе модели БШМ. В облучении ЯЭ ультрарелятивистскими ^-мезонами наблюдается образование ядерных звезд с большой множественностью. Кинематические характеристики событий расщепления ^-мезонами ядер углерода на три а-частицы, изученные в этом облучении ЯЭ, указывают на ядерно-дифракционый механизм взаимодействия.
DOI: 10.7868/80044002715060021
ВВЕДЕНИЕ
Обладая превосходной чувствительностью и пространственным разрешением, ядерная эмульсия (ЯЭ) сохраняет позиции универсального и недорогого детектора для обзорных и поисковых исследований в физике микромира. Использование этой классической методики на пучках современных ускорителей и реакторов оказывается весьма продуктивным. В ряде важных задач полнота наблюдений, обеспечиваемая в ЯЭ, остается недостижимой для электронных методов детектирования. В частности, в прошедшее десятилетие исследована кластеризация целого семейства легких ядер, в том числе радиоактивных, в процессах диссоциации релятивистких ядер в ЯЭ [1—4]. В области низких энергий недавно выполнен анализ распадов ядер 8He, имплантированных в ЯЭ [5], и 3а-развалов ядер 12C термоядерными нейтронами [6].
В настоящее время возникает новый круг задач калибровки пробегов тяжелых ионов в ЯЭ. Их решение расширит методическую основу для исследования методом ЯЭ новых аспектов физики деления тяжелых ядер. Применение автоматических
1)Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия.
2) Смоленский государственный университет, Россия.
3)Физико-технический институт АН Республики Узбекистан, Ташкент.
4)Джизакский педагогический институт, Республика Узбекистан.
E-mail: artemenkov@lhe.jinr.ru
микроскопов позволяет на новом уровне подойти к применению ЯЭ. Новый горизонт открывает разработка ЯЭ с субмикронным разрешением для поиска гипотетических частиц темной материи по следам ядер отдачи. Таким образом, возвращение метода ЯЭ в практику ядерного эксперимента на современном уровне открывает новые возможности для решения широкого круга задач. Будущее метода ЯЭ недавно обсуждалось на тематическом совещании [7].
В рамках проекта БЕККЕРЕЛЬ [8] проводятся облучения опытных образцов ЯЭ, произведенных цехом МИКРОН, входящим в состав ОАО "Компания Славич" [9]. Образцы создаются путем полива ЯЭ слоями от 50 до 200 мкм на стеклянные подложки. По основным характеристикам данная ЯЭ близка к ЯЭ БР-2 с чувствительностью к релятивистским частицам. Производство ЯЭ БР-2 велось более четырех десятилетий и завершилось около 10 лет назад. Воспроизведенная ЯЭ [9] уже использовалась для спектрометрии а-частиц по пробегу [3, 4].
Опытные облучения направлены, прежде всего, на общий контроль качества и чувствительности ЯЭ к релятивистским частицам, а также на сравнение пробегов ядер медленных сильноионизирую-щих низких энергий со значениями, вычисляемыми в программе моделирования БШМ [10]. Облучения воспроизведенной ЯЭ на современных пучках ускорителей и реакторов позволяют не только выполнить калибровку пробега-энергии на перспективу, но и сделать физические наблюдения и выводы, имеющие самостоятельную ценность. В
Ne
30
20
10 -
80 120 160
9(7Li + 4He), град
Рис. 1. Распределение по углу разлета 6(7Ы + 4Не) для пар ядер 7и и 4Не, образованных тепловыми нейтронами в 112 событиях + 10 В ^ 7 и + (7) + + 4 Не.
Ne
15 10 5
нейтронов (nth) — определять их профили и потоки. Обогащение ЯЭ бором позволяет наблюдать заряженные продукты реакции nth + 10 B ^ 7Li + + (7) + 4He. Эта реакция, дающая выход энергии 2.8 МэВ, с вероятностью около 93% протекает с испусканием 7-кванта с энергией 478 кэВ ядром 7 Li из единственного возбужденного состояния. Образцы ЯЭ, изготовленные с добавлением борной кислоты, были облучены в канале № 1 реактора ИБР-2 ОИЯИ тепловыми нейтронами nth при интенсивности примерно 107n 30 мин.
th с-1 в течение
Выбранная длительность позволила избежать переоблучения и выполнить координатные измерения следов в 112 событиях 7Li + 4He на микроскопе KSM при 90-кратном увеличении объектива. Благодаря отчетливой разнице в ионизации продуктов реакции, координаты ее вершины определяются с точностью 0.5—0.8 мкм. Средняя длина следов ядер Li составила 3.1 ± 0.3 мкм (RMS = 0.8 мкм) при средней толщине 0.73 ± 0.02 мкм (RMS = = 0.05 мкм), а для следов ядер 4He соответственно 5.5 ± 0.5 мкм (RMS = 1.1 мкм) и 0.53 ± 0.01 мкм (RMS = 0.04 мкм). На основе этих измерений получены углы разлета для пар из ядер 7Li и 4He (рис. 1). Направления разлета в парах оказываются неколлинеарными, как следствие испускания 7-квантов. Значение среднего угла разлета 0(7Li + + 4He) составило 148° ± 14° (RMS 35°). В рас-Q( Li + He), МэВ пределении 6(7Li + 4He) присутствует
Рис. 2. Распределение по энергии Q(7Ы + 4Не) для пар ядер 7Ы и 4Не, образованных тепловыми нейтронами в 112 событиях щь + 10В ^ 7Ы + (7) + 4Не.
свою очередь эти облучения стимулируют развитие самого метода ЯЭ, поскольку предоставляют новый материал для развития автоматических микроскопов и ядерно-физического образования. Настоящая работа объединяет результаты анализа недавних облучений ЯЭ тепловыми нейтронами, тяжелыми ионами низких энергий и ультрарелятивистскими ^-мезонами. Столь разнообразные постановки экспериментов, включая работы [3] и [4], связаны с единым методическим использованием новой ЯЭ для координатных измерений следов длиной от нескольких до десятков микрон. Видеоматериалы по взаимодействиям, изучаемым в ЯЭ, доступны на сайте [8].
ОБЛУЧЕНИЕ ТЕПЛОВЫМИ НЕЙТРОНАМИ
Добавление борной кислоты в ЯЭ позволяет решать практические задачи на пучках тепловых
несколько
событий с 6(7и + 4Не) < 90о. Их происхождение может быть связано с неразличимым визуально рассеянием а-частиц на начальных участках вылета из вершины реакции.
Программа моделирования SRIМ позволяет дать оценку кинетической энергии ядер на основе измерения длин следов. Знание энергии и углов эмиссии позволяет получить распределение энергии Q(7и + 4Не) пар ядер 7и и 4Не (рис. 2). Переменная Q определяется как разница между инвариантной массой конечной системы М* и массой распадающегося ядра М: Q = М* — М. Масса М* определяется как сумма всех произведений 4-импульсов Р^ фрагментов, т.е.
м *2 = (Е р) 2 = Е (Р • Рк )■
Ее релятивистски-инвариантный характер позволяет сравнивать единым образом разнородные данные по ядерным реакциям. Среднее значение Q(7и + 4Не), составившее 2.4 ± 0.2 МэВ (RMS = = 0.8 МэВ), соответствует ожидаемому с учетом энергии, уносимой 7-квантом.
Распределение по углу ©(7 + 7Li) между направлениями испускания 7-квантов, вычисленными согласно условию сохранения импульса, и направлениями вылета ядер 7Li проявляет явную антикорреляцию в случае ядер 7Li (рис. 3). Оно характеризуется средним значением ©(7 + 7Li), равным 128 ± 3° (RMS = 31°), и коэффициентом асимметрии относительно угла 90°, равным 0.75 ± ± 0.07. В случае ядер 4He среднее значение ©(7 + + 4He) составило 84° ± 4° (RMS = 40°), а коэффициент асимметрии составил 0.14 ± 0.01.
Таким образом, а-частичные калибровки на основе распадов ядер 8He [5] и развалов ядер 12C [6] дополнены применением на пучках тепловых нейтронов и расширены на ядро 7Li. Следующим шагом в этом направлении станут калибровочные измерения на основе реакции nth + 6Li ^ 4He + + 3He в ЯЭ с добавлением бората лития.
ОБЛУЧЕНИЕ ТЯЖЕЛЫМИ ИОНАМИ
Вызывает интерес применение ЯЭ в физике тройного деления ядер. Спонтанное деление ядер 252Cf или деление 235U, инициированное тепловыми нейтронами, представляется источником поиска молекулярно-подобных ядерных систем. Эмиссия этих фрагментов может оказаться коллинеарной. При распаде трехтельной системы один из тяжелых осколков может увлекать легкий. ЯЭ позволит исследовать корреляции при малых углах фрагментов коллинеарного тройного деления. Предполагается, что ЯЭ будет засвечиваться фрагментами деления путем контакта с пленкой, на которой выполнено напыление исследуемого изотопа. В настоящее время ведется анализ ЯЭ, облученной источником 252Cf, дающим в основном а-частицы и с вероятностью 6% осколки спонтанного деления, а также, для сравнения, источником 241 Am, дающим только а-частицы.
Необходимо выполнить калибровку пробегов и оценку углового разрешения для возможно большего разнообразия тяжелых ионов известной энергии, имплантированных в ЯЭ. Энергетическую калибровку важно продвинуть в область ниже значений кулоновского барьера ядерных реакций. Опыт спектрометрии тяжелых ядер по пробегу будет востребован и в поисках гипотетических частиц темной материи.
ЯЭ была облучена ионами 86Kr+17 и 124 Xe+26, ускоренными до энергии около 1.2 A МэВ на циклотроне ИЦ-100 Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова ОИЯИ. Поскольку энергия этих ионов мала, облучение ЯЭ выполнено без светозащитной бумаги. Поэтому закрепление эмульсионных пластин в камере облучения выполнялось при
N
30
20 -
10 -
80 120 160 0(у + 7Li, 4He), град
Рис. 3. Распределение по углу ©(7 + 7Ы, 4Не) между вычисленными направлениями эмиссии 7-квантов и направлениями вылета ядер 7Ы (сплошная гистограмма) и 4Не (штриховая гистограмма), образованных тепловыми нейтронами в 112 событиях + 10В ^
7 и
(7)
He.
обыкновенном освещении в фотолаборатории. За 5 с облучения плотность следов составила около 105—106 ядер/см2. Эмульсионные слои площадью 9 х 12 см и толщиной 161 ± 10 мкм для криптона и 119 ± 3 мкм для ксенона устанавливались с наклоном 45° к оси пучка, что об
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.