ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2012, том 75, № 3, с. 283-292
ЯДРА
ФОТОРАСЩЕПЛЕНИЕ ТАНТАЛА
© 2012 г. Б. С. Ишханов, В. Н. Орлин, С. Ю. Трощиев*
Научно-исследовательский институт ядерной физики Московского государственного университета,
Россия
Поступила в редакцию 05.07.2011 г.
Методом остаточной активности измерены выходы фотонуклонных реакций на изотопе 181 Ta под действием пучка тормозных фотонов с максимальной энергией 67.7 МэВ. При помощи программы TALYS и комбинированной модели рассчитаны сечения фотонуклонных реакций на изотопе 181 Ta. Измеренные выходы реакций сравниваются с выходами, рассчитанными из сечений, полученных в экспериментах на пучках квазимонохроматических и тормозных фотонов. В программе TALYS и в комбинированной модели рассчитаны спектры нейтронов, испускаемых из ядра 181 Ta после поглощения фотонов различной энергии.
1. ВВЕДЕНИЕ
Поглощение ядром фотонов с энергией 10— 30 МэВ приводит к возбуждению дипольного гигантского резонанса (ДГР), который в коллективных моделях описывается как колебания всех протонов относительно всех нейтронов [1, 2]. ДГР распадается с испусканием одного или нескольких нуклонов. При увеличении энергии фотона его длина волны уменьшается, и он может взаимодействовать не только с ядром как с целым объектом, но и с отдельными коррелированными протон-нейтронными парами. Такой механизм возбуждения ядра называется квазидейтронным. Поглощенная энергия затем перераспределяется между нуклонами ядра, которое распадается с испусканием нескольких нуклонов.
Положение максимума ДГР зависит от массового числа А и приближенно описывается соотношением E к 78А-1/3 [МэВ]. В тяжелых атомных ядрах форма ДГР практически полностью определяется деформацией ядра. В сферических тяжелых ядрах ДГР имеет вид одного максимума шириной 4—5 МэВ. По мере увеличения отклонения формы ядра от сферической ширина ДГР увеличивается, и в сильно деформированных эллипсоидальных ядрах ДГР расщепляется на два максимума, соответствующих коллективным колебаниям протонов относительно нейтронов вдоль и поперек оси симметрии ядра.
Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию фотонуклонных реакций на изотопе 181 Ta при энергии фотонов до 70 МэВ и расчету спектров нейтронов, вылетающих из ядра
E-mail: sergey.troschiev@googlemail.com
181 Ta в результате фотонуклонных реакций. Хотя сечения фотонейтронных реакций для данного ядра измерены в многочисленных экспериментах, результаты, полученные в разных работах, различаются в 1.5—2 раза. Кроме того, для изотопа 181 Ta не измерены сечения реакций с вылетом более трех нейтронов. В настоящей работе используется метод остаточной активности, позволяющий измерить выходы фотоядерных реакций различной множественности в одном эксперименте независимо от эффективности регистрации нейтронов.
Стабильный изотоп 181 Ta составляет 99.988% естественной смеси изотопов тантала. Это сильно-деформированное ядро с параметром квадруполь-ной деформации /32 = 0.26 [3]. Интересной особенностью изотопов тантала является существование долгоживущего изомера 180mTa (1п = 9", Е = = 75.3 кэВ, Т1/2 > 1.2 х 1015 лет), доля которого в естественной смеси изотопов Ta составляет 0.012%. В основном состоянии изотоп 180Ta имеет 1П = 1+ и Т1/2 = 8.152 ч. Пороги фотонуклонных
реакций на 181 Ta приведены в табл. 1.
2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Выходы фотонуклонных реакций на 181 Ta измерялись методом остаточной активности, ранее описанном в работах [4, 5]. Поэтому здесь мы остановимся только на параметрах облучения образцов и измерении спектра остаточной активности. Было проведено облучение двух образцов. Пучок электронов с энергией Етах = 67.7 МэВ разрезного микротрона RTM-70 [6] падал на тормозную мишень из вольфрама толщиной 2.5 мм. Образцы из естественной смеси изотопов Ta имели толщину
Таблица 1. Пороги фотонуклонных реакций на 181 Ta (в МэВ)
Количество испускаемых протонов Количество испускаемых нейтронов
On In 2 n 3 n An 5 n 6 n 7 n 8 n
0р - 7.58 14.22 22.15 29.00 37.54 44.46 53.20 60.61
1 р 5.94 13.33 21.87 29.80 33.44 41.60 48.31 56.82 63.90
Таблица 2. Временные параметры облучений образцов и измерений спектров остаточной активности образцов Та
Номер образца *1,Ч h ts, сут Количество измеренных спектров
1 2.5 2 мин 3 54
360 сут 6 276
2 3 3 мин 4 95
130 мкм и располагались за тормозной мишенью на оси пучка.
Время облучения образцов t1, время между концом облучения и началом измерения спектра t2, продолжительность измерения спектра t3 и количество измеренных спектров остаточной активности приведены в табл. 2. Первый образец облучался в течение 2.5 ч. Измерение спектров продолжалось в течение 3 сут. Затем после приблизительно годичного перерыва было измерено еще 276 спектров в течение 6 сут. Второй образец облучался в течение 3 ч, измерение спектров остаточной активности длилось 4 сут, за это время было измерено 95 спектров. Измерение спектров остаточной активности проводилось на детекторе из сверхчистого германия Canberra GC3019 [7].
На рис. 1 показаны два спектра остаточной активности второго образца, измеренные через 4 ч и через 1 сут после окончания облучения в энергетическом диапазоне гамма-квантов от 70 до 490 кэВ. Оба спектра измерялись в течение 4 ч.
Так как сечения фотонуклонных реакций на соседних изотопах слабо различаются [1] и содержание изотопа 181 Ta в естественной смеси приблизительно в 104 раз превышает содержание изомера 180mTa, выходы реакций рассчитывались в предположении, что все радиоактивные изотопы образовывались только в результате фотоядерных реакций на изотопе 181 Ta.
Идентификация различных каналов фотонук-лонных реакций проводилась по энергии максимумов в измеренном спектре гамма-квантов остаточной активности образовавшихся изотопов и по скорости уменьшения их с течением времени.
Выход фотонуклонной реакции У^(Етах) связан с тормозным спектром Ш(Е,Етах) и сечением этой реакции о^Е) соотношением
^шах
У^(Етах) = к ! Ог(Е)Ш(Е, Етах)йЕ, (1) о
где к — нормировочный коэффициент, характеризующий условия проведения эксперимента: параметры облучения и мишени. Выход реакции рассчитывался по формуле
Ie(1
— p-^tl )p-\t,2 (1 — p-Xt3
где Л — постоянная распада образующегося в результате реакции изотопа; е — эффективность регистрации германиевым детектором соответствующей гамма-линии в спектре остаточной активности образовавшихся изотопов; A — количество отсчетов детектора, соответствующих выбранной гамма-линии спектра остаточной активности образца Ta; I — интенсивность линий в спектре гамма-квантов дочерних ядер, образующихся при бета-распадах продуктов реакций. Интенсивности гамма-переходов [8] рассчитывались при помощи интерфейса [9]. Самопоглощение гамма-квантов в образцах Ta рассчитывалось при помощи библиотек GEANT4 [10].
3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
В тяжелых ядрах испускание протонов из ДГР подавлено потенциальным барьером, поэтому полное сечение фотонейтронных реакций sn) приблизительно равно сечению фотопоглощения а(^, abs):
a(j, sn) = a(j, n) + a(j, 2n) + + a(j, 3n) + ... w a(j, abs).
Сечение реакции a(^,sn) на изотопе 181 Ta исследовалось в большом количестве экспериментов:
1) в работе [11] приведено сечение фотопоглощения ct(y, abs), измеренное методом поглощения;
2) в Ливерморе (Lawrence Livermore National Laboratory) [12] и в Сакле (IRAMIS - Saclay Institute of Matter and Radiation) [13] на пучках
N 105
104
103
103 102
101 _|_|_!_|_ц_|_|_|__|_|_|_\\_|_Ц_|_|_|_|__|_|_|_|_I ! ■!_|_[]_|_|_|_ц.
100 150 200 250 300 350 400 450
Еу, кэВ
Рис. 1. Спектры остаточной активности образца 181 Ta, облученного при энергии 67.7 МэВ, измеренные через 4 ч (а) и через 1 сут (б) после облучения. Вертикальными штриховыми линиями на рисунке отмечены некоторые максимумы, соответствующие распаду указанных изотопов.
квазимонохроматических фотонов были измерены сечения а(*у, ей);
3) в работах [14—18] приведены сечения а(7, ей), полученные на пучках тормозных фотонов;
4) в работе[19] проанализированы фотонуклон-ные реакции различной множественности на 181 Ta и на основе этих сечений получено оцененное сечение а(7, abs) как сумма сечений всех наблюдаемых фотонуклонных реакций.
На рис. 2 приведены сечения, измеренные в экспериментах на квазимонохроматических пучках фотонов и методом полного поглощения. На рис. 3 приведены сечения, полученные из экспериментов на пучках тормозных фотонов. Сечения, измеренные в перечисленных работах, значительно отличаются друг от друга. Основные параметры сечений приведены в табл. 3. Несмотря на отличия параметров сечений, во всех работах наблюдается расщепление ДГР на два максимума: один при энергии 12—13 МэВ, второй при энергии 15—16 МэВ. Это расщепление обусловлено сильной деформацией ядра (в2 = 0.26).
Величина интегрального сечения реакции, оцененная на основе дипольного правила сумм, составляет = 60NZ/А = 2610 МэВ мбн. Большинство экспериментальных результатов в пределах 10%-ной точности согласуется с этой оценкой.
Парциальные сечения фотонуклонных реакций с вылетом от одного до трех нейтронов на изотопе
181 Ta измерены в двух экспериментах на пучках квазимонохроматических фотонов [12, 13]. Сравнительный анализ этих данных проведен в работе [22]. Сечения фотопротонных реакций и фотонейтронных реакций более высокой множественности на изотопе 181 Ta не измерены.
При помощи программы TALYS [20] и комбинированной модели (КМ) [21] нами были рассчитаны сечения фотонуклонных реакций от порога соответствующей реакции до 70 МэВ на изотопе 181 Ta. Интегральные сечения этих реакций приведены в табл. 4. На рис. 4 приведены сечения реакций на изотопе 181 Ta с вылетом до шести нейтронов, рассчитанные в программе TALYS и КМ. Рассчитанные сечения реакций с вылетом до трех нейтронов сравниваются с сечениями, измеренными в [12, 13].
Наибольшие расхождения в измеренных величинах сечений наблюдаются в реакции 181 Ta(7,п). Интегральное сечение этой реакции, измеренное в [13], на 50% больше, чем измеренное в [12]. Вероятно, это связано с некорректным учетом тормозной части спектра квазимонохроматических фотонов в [12
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.