научная статья по теме ФОТОРАСЩЕПЛЕНИЕ ИЗОТОПОВ КАДМИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «ФОТОРАСЩЕПЛЕНИЕ ИЗОТОПОВ КАДМИЯ»

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2014, том 77, № 7, с. 856-863

= ЯДРА ^^

ФОТОРАСЩЕПЛЕНИЕ ИЗОТОПОВ КАДМИЯ

© 2014 г. С. С. Белышев1),2), Б. С. Ишханов1),2), А. А. Кузнецов2), В. Н. Орлин2), К. А. Стопани2), В. В. Ханкин2), Н. В. Шведунов2)*

Поступила в редакцию 16.09.2013 г.

Измерены выходы фотонуклонных реакций различной множественности на естественной смеси изотопов кадмия. В качестве источника 7-квантов использовалось тормозное излучение с верхней границей спектра 55 МэВ. Выходы реакций определялись с помощью методики наведенной активности. Впервые получены выходы фотоядерных реакций для нескольких каналов распадов возбужденных состояний изотопов Сё в области энергий до 55 МэВ. Сравнение полученных экспериментально результатов с теоретическими расчетами показывает, что в случае тяжелых изотопов Сё удается получить достаточно хорошее описание экспериментальных результатов. Однако в случае легкого изотопа 106Сё теоретические расчеты противоречат экспериментальным данным, что, по-видимому, объясняется особенностями оболочечной структуры изотопа 106Сё, расположенного вблизи границы ^-стабильности.

DOI: 10.7868/80044002714060038

ВВЕДЕНИЕ

Изучение фоторасщепления ядер, расположенных вблизи замкнутой протонной оболочки Z = 50, представляет интерес, так как позволяет получить информацию о влиянии заселенности ядерных оболочек на особенности распада возбужденных состояний атомных ядер. Механизмы возбуждения и распада ядерных состояний в области энергий 10— 50 МэВ определяют выходы различных каналов реакции фоторасщепления изотопов в зависимости от соотношения между числом нейтронов и протонов в ядре.

Изотопы кадмия (Z = 48), в которых число протонов близко к "магическому" числу 50, являются удобным объектом для исследования, поскольку в естественных условиях существует восемь стабильных изотопов, что позволяет получить зависимость выходов различных реакций от числа нейтронов в ядре. Поэтому в последнее время исследованию возбужденных состояний стабильных изотопов кадмия посвящено большое количество экспериментальных работ [1]. Информация о заселенности нейтронами одночастичных состояний в изотопах Cd получена в реакциях срыва и подхвата [2]. В реакциях под действием протонов и нейтронов получена информация о спинах и четностях

!)Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, Россия.

2)Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова, Россия.

E-mail: gg.swedn@gmail.com

низколежащих возбужденных состояний изотопов Сё [3, 4]. В то же время имеется лишь небольшое число работ, в которых изучен механизм возбуждения и распада изотопов Сё в реакциях под действием 7-квантов в области энергий выше порога отделения нуклона Е = 10—50 МэВ.

В экспериментах на пучке квазимонохроматических фотонов были измерены сечения фотонейтронных реакций а(7,п), а(7,2п) и сечение полного поглощения а(7, зп) = а(7, п) + а(7,2п) на естественной смеси изотопов Сё [5]. В работах [6,7] на пучке тормозного излучения измерены выходы фотоядерных реакций на обогащенных изотопах 112Сё и 116Сё.

Целью настоящей работы является измерение выходов фотонуклонных реакций различной множественности для мишени из естественной смеси кадмия под действием пучка тормозных 7-квантов с верхней границей спектра 55 МэВ. Для определения выходов различных каналов реакций использована методика наведенной активности.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В состав естественной смеси изотопов кадмия входят восемь стабильных изотопов, перечисленных в табл. 1. Эксперимент выполнен на 55-МэВ разрезном микротроне РМ-55 [8]. Схема эксперимента показана на рис. 1. Облучение проводилось на пучке тормозного излучения (рис. 2), генерируемого в вольфрамовой тормозной мишени-конверторе толщиной 2.2 мм. Исследуемая мишень представляла собой порошок СёО массой 0.3 г и

Таблица 1. Изотопный состав мишени из оксида кадмия, пороги фотонуклонных реакций

Изотоп Cd Содержание изотопа, % Порог реакции, МэВ

(7 (7, 2п) (7,3п) (7 ,Р) (7 ,рп)

106 1.225 10.9 19.3 30.7 7.4 17.4

108 0.875 10.3 18.3 29.2 8.1 17.7

110 12.3 9.9 17.3 27.6 8.9 18.1

111 12.75 7.0 16.9 24.2 9.1 15.9

112 24.07 9.4 16.4 26.3 9.6 18.5

113 12.26 6.5 15.9 22.9 9.7 16.2

114 28.86 9.0 15.6 25.0 10.3 18.8

116 7.58 8.7 14.9 23.9 11.0 19.1

площадью 6.3 см2. Кадмиевая мишень в процессе облучения располагалась непосредственно за тормозной мишенью. Площадь поперечного сечения пучка была значительно меньше площади мишени. Доза 7-излучения контролировалась с помощью цилиндра Фарадея. Заряд регистрировался при помощи АЦП с периодом 1 с и записывался в запоминающее устройство, а затем использовался при обработке экспериментальных данных.

Длительность облучения мишени составляла 10 мин. После чего мишень переносилась в отдельное низкофоновое помещение и начиналось измерение активности, наведенной в облученной мишени. Спектры 7-квантов измерялись в диапазоне энергий от 35 кэВ до 3.7 МэВ на детекторе из сверхчистого германия "Canberra GC3019" с цифровым многоканальным анализатором "InSpector 1250". Калибровка детектора по энергии и эффективности проводилась при помощи набора стандартных калиброванных источников и моделировалась по программе GEANT4. Энергетическое разрешение HPGe-детектора составляло 0.8 кэВ при энергии Ey = 150 кэВ и 1.9 кэВ при энергии Ey = 1332 кэВ.

Измерение спектров 7-квантов проводилось каждые 3.5 с. Общая продолжительность измерения спектров составила 470 ч. Для измерения и последующей обработки измеренных спектров использовалась специально разработанная система сбора и обработки данных [9]. Спектры наведенной активности, полученные через 5 мин и через 2 сут после окончания облучения, показаны на рис. 3.

В спектрах 7-квантов было обнаружено 100 пиков, соответствующих образованию различных радиоактивных изотопов в облученной мишени. Образовавшиеся в результате фотоядерных реакций изотопы идентифицировались по энергии 7-квантов, интенсивности спектральных линий и

периоду полураспада образовавшихся изотопов. Первичная обработка спектров проводилась с помощью автоматической системы набора и анализа спектров [9]. Пики, соответствующие линиям в 7-спектрах, аппроксимировались функцией Гаусса с учетом фоновой подложки. Определялось энергетическое положение пиков и количество 7-квантов в пиках. Аналогичная обработка проводилась для серий спектров, измеренных последовательно друг за другом в течение выбранного временного интервала. Затем с помощью экспоненциальной аппроксимации полученных кривых распада рассчитывались периоды полураспада изотопов, образовавшихся в облученной мишени. Дополнительно проводилось сопоставление между собой относительных вероятностей испускания различных линий 7-квантов каждого изотопа.

Выходы реакций У(Т) рассчитывались по формуле

Y (T ) =

Sy ln 2

(1)

где Т = 55 МэВ — верхняя граница тормозного спектра; — количество 7-квантов, зарегистрированных в пиках; е1 — эффективность регистрации детектором 7-квантов данной энергии; Т1/2 — период полураспада образующегося изотопа; 11 — относительная доля 7-переходов в изотопе, образовавшемся после ^-распада продукта фотоядерной реакции; /(¿1,^2,^3) — временной фактор, зависящий от времени облучения ¿1, времени между концом облучения и началом измерения ¿2, времени измерения ¿3, определяемый соотношением:

/(¿1,^3) = (1 - в-х*2 (1 - . (2)

В некоторых случаях накопление исследуемых изотопов происходило не только непосредственно в

спектра у-квантов Исследуемая

мишень

Рис. 1. Схема 7-активационного эксперимента.

результате определенных фотоядерных реакций, но и за счет цепочек радиоактивных распадов. В частности, образование изотопа 105Ag может происходить в результате как реакции 106Сё(7,р)105Ag, так и реакции 106Сё(7, п)105Сё с последующим -

Рис. 2. Тормозной спектр 7-квантов (сплошная кривая, левая шкала) и сечение реакции а = 0(7,п) + + 0(7, рп) + 0(7, 2п) на естественной смеси изотопов кадмия, полученное в работе [5] (штриховая кривая, правая шкала).

распадом 105Сё ^ 105Ag. Для определения выходов изотопов в таких случаях решались системы дифференциальных уравнений, описывающих последовательность радиоактивных распадов.

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Относительные выходы различных реакций на изотопах Сё, полученные на основе анализа спектров 7-квантов остаточной активности, приведены в табл. 2. Приведенные выходы нормировались на суммарный выход реакций 116Сё(7, п)115Сё с образованием ядра 115Сё в основном состоянии и 116Сё(7, п)115Сё* с образованием ядра 115Сё в изомерном состоянии (Т1/2 = 44.56 сут, Е* = = 181 кэВ) с учетом процентного содержания изотопов кадмия в облучаемой мишени. Впервые измерены выходы фотопротонных реакций (7,р) на изотопах 106>113>114 Сё, выходы реакций 106Сё(7,р2п)103А^ 106Сё(7,3п)103Сё с образованием трех частиц в конечном состоянии. Для реакции 106 Сё(7,рп) получены выходы образования изотопа 104Ag в основном и изомерном состояниях (Е* = 6.9 кэВ).

В табл. 2 представлены как экспериментальные данные, так и результаты теоретических расчетов [10, 11]. В первом столбце указана основная реакция, приводящая к образованию наблюдаемого изотопа. Во втором и третьем столбцах даны спины начального и конечного ядер. В четвертом столбце приведены экспериментально измеренные относительные выходы реакции. Для некоторых реакций

Таблица 2. Выходы реакций, пороги реакций, спины начального и конечного ядер, полученные из эксперимента и в теоретических расчетах [10, 11] (в скобках указаны результаты для данной реакции, полученные в предыдущих работах)

Реакция Спин начального ядра Спин конечного ядра Относительный выход реакции

Эксперимент Расчет [10] Расчет [11]

116Сс1(7,п)115Сс1 0+ 1/2+ 0.88 ±0.01 (0.88 ± 0.04 [6], 0.87 ±0.03 [7]) 1 0.866

116Сс1(7, п)115СсГ 0+ 11/2 0.12 ±0.01 (0.12 ±0.01 [6], 0.13 ±0.01 [7]) 0.134

116Сс1(7,р)115А§ 0+ 1/2- 0.017 ±0.002 (0.017 ±0.002 [6]) 0.039 0.001

114Сс1(7,р)113А§ 0+ 1/2- 0.037 ± 0.005 0.048 0.002

113Сс1(7,р)112А§ 1/2+ 2- 0.045 ± 0.004 0.051 0.0012

112СС1(7, П)1ИССГ 0+ 11/2 0.117 ±0.005 (0.13 ±0.02 [7]) - 0.077

112С(1(7,р)111А§ 0+ 1/2- 0.035 ± 0.002 (0.

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