научная статья по теме ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕАКЦИИ ДЕЛЕНИЯ КАК ИНДИКАТОРА МУЛЬТИНЕЙТРОНОВ Физика

Текст научной статьи на тему «ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕАКЦИИ ДЕЛЕНИЯ КАК ИНДИКАТОРА МУЛЬТИНЕЙТРОНОВ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 7, с. 988-991

УДК 539.173

ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕАКЦИИ ДЕЛЕНИЯ КАК ИНДИКАТОРА МУЛЬТИНЕЙТРОНОВ © 2015 г. А. В. Фомичев

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" E-mail: fomichev_07@bk.ru

Дана аннотация применяющихся экспериментальных подходов к поиску ядер, состоящих из одних только нейтронов. Предложен еще один способ поиска таких ядер. Метод состоит в проведении прецизионных измерений отношения сечений деления двух ядер, порогового и непорогового, в двух нейтронных потоках, в одном из которых предполагается присутствие мультинейтронов, в другом их не должно быть. Обсуждается простота метода, предельная чувствительность, фоновые преимущества. Указано на существующее уже оборудование, на котором может быть поставлен новый эксперимент.

DOI: 10.7868/S0367676515070108

ВВЕДЕНИЕ

Принято считать, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, которые, благодаря ядерным силам взаимодействия между ними, как-то "уживаются" в ядре, правда, не в любых пропорциях. Есть лишь один элемент, ядро которого не содержит нейтронов, это протий. Ядер же, состоящих из одних нейтронов, не найдено, хотя вопрос об их существовании давно привлекает исследователей. Поискам простейшего из чисто нейтронных ядер — динейтрона в свое время было посвящено большое количество работ. Измерялась длина рассеяния нейтронов на протонах и нейтронов на нейтронах. Измерения показали, что сила притяжения между двумя нейтронами существует, но она недостаточна для образования связанной системы из двух нейтронов. Теоретические и экспериментальные выводы из этих опытов хорошо прокомментированы в монографии Н.А. Власова 1971 года [1].

Но парные нуклон-нуклонные силы отличаются от тех связей, которые нуклон испытывает, находясь в составе ядра, поэтому не исключено, что добавление к динейтрону следующих нейтронов может привести к связанному состоянию. Это вселяет надежду на существование более тяжелых нейтронных ядер. Сообщения об обнаружении нейтронных кластеров 3n, 4n и более тяжелых время от времени появляются в литературе, но не подтверждаются последующими экспериментами.

В недавно выполненных работах [2—4] нейтронные кластеры искали среди продуктов вынужденного деления урана.

Известно, что при делении ядер образуются разнообразные другие ядра. Разнообразие это очень велико (около 800, из всего известных 3000 ядер). На две тысячи случаев деления на два осколка вылетает третья частица. Чаще всего это альфа-частица — 90%. Оставшиеся 10% распределяются между другими ядрами. На втором месте стоят изотопы водорода — протоны, дейтроны, тритоны (7%). Но есть косвенные свидетельства (измерения углов вылета третьей частицы и нейтрона) того, что на втором месте по частоте вылета стоят не изотопы водорода, а все-таки изотопы гелия 5Не и 7He. Поскольку время их жизни мало ~10-21 с, их трудно зарегистрировать. На спектрометре Лоэн-грин в Гренобле измерялись выходы ядер при тройном делении с вероятностью их вылета вплоть до 10-9% на одно деление. На этом пределе чувствительности обнаружены сера и кремний. Рождается много нейтронно-избыточных ядер. Имея такую картину, естественно ожидать, что в делении будут образовываться и ядра, состоящие из одних нейтронов.

В упомянутых выше экспериментах [2—4] использован активационный метод, предполагающий захват кластера ядрами активируемой мишени с последующим анализом у-излучения облученного образца. В работе [2] активируемые мишени, запаянные в кювете из кварцевого стекла помещали в центр активной зоны реактора. В

ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕАКЦИИ ДЕЛЕНИЯ

989

работах [3, 4] активируемые мишени в герметичном контейнере помещались рядом с пластиной 238и, бомбардируемой выведенным циклотронным пучком а-частиц с энергией 62 МэВ. В каждом эксперименте использован свой набор индикаторов. Некоторые из них дали у-линии, появление которых можно объяснить захватом нейтронного кластера. Это эксперименты по поиску нейтронных кластеров в свободном состоянии, т.е. вне ядер.

Другой тип экспериментов, они выполняются на радиоактивных пучках полученных на ускорителях, дает основания полагать, что нейтронные кластеры существуют в составе ядер. В таких экспериментах нейтронные кластеры непосредственно детекторами не регистрируются, регистрируются заряженные продукты реакций. Однако при трактовке результатов использование модельного инструмента — пространственная ассоциация нейтронов — является продуктивным.

Примером успешного использования ди-ней-тронной конфигураци при описании рассеяния 6Не на ядрах водорода и гелия служит работа [5]. В ней убедительно показано существование ди-нейтрона в ядре 6Не.

Можно ожидать, что при распаде ядер, содержащих пространственные ассоциации нейтронов, последние могут освобождаться, существовать какое-то время в свободном состоянии, и быть зарегистрированы нейтронными детекторами. Поиски кластеров такого происхождения проведены в работе [6].

В ней пучок тяжелых ионов, разогнанных на ускорителе до энергии 120 МэВ/нуклон путем сложных действий: последовательной бомбардировки двух бериллиевых мишеней с промежуточной чисткой пучка сверхпроводящими линзами и селекции выходных продуктов по времени пролета, — производит на последней мишени ядра 16Ве, весьма короткоживущие. За время 10-21 с 16Ве распадается на 14Ве и два нейтрона. Оба продукта регистрируются в совпадении. 14Ве идентифицируется детектором заряженных частиц, а нейтроны — сборкой из 144 пластиковых сцинтилляторов. Тот вывод, что два нейтрона вылетают из распадающегося ядра, как кластер, а не по очереди, делается на основании того, что две нейтронные вспышки наблюдаются одновременно в двух элементах сборки (10 х 10 см) и угол между двумя нейтронами мал.

Надежность результата, полученного в этом эксперименте, полностью зависит от надежности методики выделения искомой информации в условиях огромной фоновой нагрузки на сборку нейтронных детекторов. Сборка расположена в

створе падения на мишень пучка ионов большой энергии, 53 МэВ/нуклон, и бомбардируется быстрыми нейтронами из фоновых реакций.

Надежность результата экспериментов, использующих радиационный захват, зависит от субъективного фактора. Не пропущена ли при обработке у-спектров какая-нибудь цепочка реакций, которая приводит к появлению в спектре той же линии, которая трактуется авторами в пользу захвата нейтронного кластера.

МЕТОД

Настоящая работа выносит на рассмотрение еще один способ поиска нейтронных кластеров в свободном состоянии. Метод может быть применен при поиске кластеров, освобождающихся при делении ядер, спонтанном или вынужденном, или рожденных в 8раПаИоп-процессе. Трудности упомянутых выше методик возникают, в частности, из за того, что такие кластеры приходится искать среди большого количества и разнообразия продуктов этих реакций, которые дают большую фоновую нагрузку на детекторы.

Принцип предлагаемого метода мы поясним на следующем примере.

В нейтронный поток помещен детектор делений — двухсекционная ионизационная камера с мишенями 235и и 232ТИ. Известно, что уран 235 делится нейтронами любых энергий, в то время как торий 232 — нет. Он является пороговым нуклидом, начинает хорошо делиться, когда кинетическая энергия нейтронов достигает 1 МэВ. Нейтроны, движущиеся со скоростями, меньшими той, которой обладает нейтрон с энергией 1 МэВ, не будут вызывать делений в мишени 232ТЪ. Отношение числа отсчетов поступающих с ториевой секции к числу отсчетов с урановой секции будет равно нулю. В области более быстрых нейтронов это отношение будет равно единице (разница сечений скомпенсирована подбором толщин мишеней).

Нейтрон, попадая в ядро-мишень, образует составное ядро. Энергия его возбуждения складывается из кинетической энергии нейтрона и энергии связи нейтрона в ядре ~7.5 МэВ. Кластер, состоящий из двух нейтронов, образует составное ядро с энергией возбуждения, намного большей, чем единичный нейтрон, движущийся в нейтронном потоке со скоростью этого кластера. Энергия возбуждения будет равна сумме кинетических энергий двух нейтронов плюс их энергий связи. Она превысит порог деления образовавшегося составного ядра 234ТЪ. Таким образом, в потоке частиц, где нет нейтронов, который состоит из

990

ФОМИЧЕВ

Сечение деления, б 100

0-1

0-2 0-3 о-4 0-5 0-6

0-

10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 Энергия нейтронов, МэВ

Сечение деления порогового ядра тория-232 в зависимости от энергии нейтронов. Экспериментальные данные и результаты оценки взяты из работ [7] (квадраты), [8] (ромбы) и [9] (линия).

одних только кластеров 2п, отношение числа отсчетов с двух секций всегда будет равно единице.

Методика селекции нейтронов по времени пролета позволяет выбирать положение временного окна, в котором мы хотим регистрировать сигналы с детектора, тем самым выбирая область энергий, в которой проводим измерения. В до-пороговой области энергий отношение числа отсчетов с двух секций ионизационной камеры покажет пропорцию мультинейтронов в нейтронном потоке.

Чувствительность методики ограничена величиной перепада в сечении деления порогового нуклида при переходе делительного порога. На рисунке показаны экспериментальные данные и результат оценки зависимости сечения деления от энергии налетающего нейтрона для ТИ-232, взятые из работ [7—9]. Как видно, на коротком отрезке в районе 1 МэВ сечение возрастает на пять порядков. Примесь мультинейтронов в нейтронном потоке ~10-5 может быть зафиксирована.

В нашем примере в качестве порогового нуклида взят 232ТЪ, потому что экспериментальные данные по сечению деления для этого ядра имеются в обеих энергетических областях, выше и ниже порога деления. Перепад в сечении в пять порядков не вызывает сомнений.

В случае использования других пороговых нуклидов, например свинца или висмута, можно ожидать большую чувствительность, причем на несколько порядков. Ожидания основаны на жидкокапельных представлениях о механизме деления, так как экспериментальных данных о величине сечения дел

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