= ЯДРА ^^
ФОТОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ НА ИЗОТОПАХ МОЛИБДЕНА
© 2014 г. Б. С. Ишханов1),2), И. М. Капитонов1^ А. А. Кузнецов2)*, В. Н. Орлин2), Хан Дон Ен1)
Поступила в редакцию 11.03.2014 г.
Представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований фоторасщепления изотопов молибдена. Методом наведенной активности для стабильных изотопов молибдена определены выходы различных фотонуклонных реакций. Использовалось тормозное 7-излучение с верхними границами 19.5, 29.1 и 67.7 МэВ ускорителя электронов. Наблюдались реакции с вылетом из ядра до трех нуклонов. Экспериментальные результаты сравниваются с теоретическими расчетами по комбинированной модели фотонуклонных реакций, выполненными для 15 изотопов молибдена. Дано объяснение соотношений основных фотонуклонных реакций на исследованных изотопах молибдена.
DOI: 10.7868/80044002714100080
1. ВВЕДЕНИЕ
При энергиях фотонов, превышающих энергии отделения нуклонов, в ядрах интенсивно возбуждаются коллективные колебания нуклонов различного типа. Доминирующим типом коллективных колебаний в области энергий фотонов от 10 до 35 МэВ является гигантский дипольный резонанс (ГДР). Его исследование играет важную роль в понимании природы высокоэнергичных ядерных возбуждений [1—4].
При энергиях в районе 10—20 МэВ и ниже доминируют распады ГДР с вылетом из ядра одного нейтрона или протона, т.е. реакции (y, п) и (Y,p). Выше максимума ГДР существенную роль начинают играть фотоядерные реакции с вылетом из возбужденного ядра двух, трех и более нуклонов. Экспериментальных данных об этих реакциях существенно меньше, чем о реакциях с вылетом одного нуклона. Вместе с тем именно они определяют характер релаксации ядерных возбуждений на высокоэнергичном участке ГДР, где возрастает роль квадрупольного и квазидейтронного фоторасщепления ядер [5, 6].
Другим малоисследованным аспектом фотоядерных реакций является соотношение различных фотонуклонных реакций на изотопах молибдена. То, как изменяется это соотношение при переходе от одного изотопа к другому, позволяет получить
'-'Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Россия.
2)Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова, Россия.
E-mail: kuznets@depni.sinp.msu.ru
новую информацию о механизме распада высокоэнергичных ядерных состояний. Для исследования этой стороны фотоядерного расщепления особенно удобны средние и тяжелые ядра, многие из которых имеют длинные цепочки стабильных изотопов.
Целью настоящей работы является получение новой информации об основных фотоядерных реакциях на изотопах молибдена в широкой области энергий фотонов. Выполнены как экспериментальные, так и теоретические исследования. Экспериментальные данные получены методом наведенной 7-активности с использованием тормозного излучения от электронного ускорителя. Теоретические расчеты выполнены в рамках комбинированной модели фотонуклонных реакций [7], хорошо зарекомендовавшей себя при интерпретации данных ранее выполненных экспериментальных исследований.
Фоторасщеплению изотопов молибдена в области ГДР были посвящены экспериментальные работы [8—11]. В работе [8] методом наведенной активности на тормозном пучке было получено сечение реакции 92Мо(7, и)91 Мо до энергии 23.6 МэВ. В работе [9] прямой регистрацией нейтронов на тормозном пучке были определены сечения реакции (7,и) + (у,ри) + 2(7,2и) до энергии 30 МэВ для двух изотопов 92Мо и 98Мо. В работе [10] с использованием квазимонохроматических анни-гиляционных фотонов с энергией до 29.5 МэВ и прямой регистрации нейтронов были определены сечения реакций (у,и) + (у,ри), (у, 2и) и (у, 3и) для пяти четно-четных стабильных изотопов молибдена — 92>94>96>98>100Мо. Фотопротонный канал распада ГДР изотопа 92Мо исследовался в (е, е'р)-эксперименте [11]. С помощью метода виртуальных
1427
4*
фотонов было получено сечение реакции (у, п) + + (у,рп) + 2(-у, 2р) до энергии 25.4 МэВ. Отметим также работу [12], в которой в результате анализа имеющихся экспериментов было получено оцененное сечение фотопоглощения для ядра 92Мо до энергии возбуждения 25.2 МэВ.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Для анализа различных каналов фоторасщепления изотопов молибдена в настоящей работе применялся метод наведенной 7-активности, позволяющий, в отличие от методов прямой регистрации продуктов реакции, однозначно выделять фотонуклонные реакции различных типов. В этом методе мишень облучалась тормозным 7-пучком ускорителя и затем переносилась к 7-спектрометру, на котором вне пучка измерялись 7-спектры остаточной ^-активности. Преимуществом гамма-активационного метода является то, что по результатам одного эксперимента можно получить сведения о фотонуклонных реакциях на всех изотопах мишени и исследовать, как соотношение между числом нейтронов и протонов в ядре влияет на конкуренцию различных каналов его фоторасщепления.
Для генерации тормозного пучка использовался импульсный разрезной микротрон НТМ-70 НИИЯФ МГУ с максимальной энергией электронов 67.7 МэВ [13]. Его основными элементами являются линейный ускоритель на энергию МэВ и поворотные магниты, обеспечивающие 14-кратную рециркуляцию электронного пучка.
Эксперимент был выполнен при энергиях электронного пучка 19.5, 29.1 и 67.7 МэВ. Выведенный электронный пучок падал на мишень из вольфрама толщиной 2.5 мм, в которой образовывалось тормозное 7-излучение. Для восстановления формы тормозного спектра 7-квантов использовалось компьютерное моделирование с помощью пакета программ GEANT4 [14].
Мишенью служил образец естественной смеси изотопов молибдена. Содержание отдельных изотопов в естественной смеси составляет: 100Мо — 9.82%; 98Мо - 24.39%; 97Мо - 9.60%; 96Мо -16.67%; 95Мо - 15.84%; 94Мо - 9.15%; 92Мо -14.53%. Облучение мишени пучками тормозных фотонов длилось от 1 до 4.5 ч. Через несколько минут после окончания облучения начинались измерения спектров наведенной активности мишени. Всего было измерено несколько сотен спектров длительностью от 1.5 до 30 мин. Общая продолжительность измерений спектров составила 6 сут.
Спектры остаточной 7-активности измерялись детектором из сверхчистого германия эффективностью 30%. Энергетическое разрешение детектора
составляло для энергии 122 кэВ - 0.9 кэВ, для энергии 1.33 МэВ - 1.9 кэВ. Детектор был установлен в специальном помещении, расположенном примерно в 30 м от ускорительного зала, что давало возможность проводить измерения спектров остаточной активности образца в условиях низкого фона через несколько минут после окончания облучения.
Идентификация максимумов в спектрах 7-квантов и расчет их интенсивностей проводились с помощью специально созданной для этой цели автоматической системы набора и анализа спектров [15]. Другие детали экспериментальной методики можно найти в работах [16, 17].
Конечным результатом метода наведенной активности является определение выхода радиоактивных ядер, образовавшихся в облученной 7-квантами мишени вследствие соответствующих фотоядерных реакций. Связь между выходом У(Ет) и сечением а(Е) фотоядерной реакции определяется следующим соотношением:
Е„
У(Ет) = п I а(Е)Ш(Е,Ет)йЕ,
(1)
Ет
где п - число облученных ядер исследуемого изотопа; а(Е) - зависящее от энергии Е сечение реакции; Епорог - порог реакции; Ш(Е, Ет) - спектр фотонов тормозного излучения с верхней границей Ет, т.е. число фотонов с энергией Е в единичном энергетическом интервале в спектре тормозных фотонов, генерируемых в единицу времени монохроматическими электронами с кинетической энергией Ее = Ет.
Выходы фотоядерных реакций рассчитывались по формуле
У (Ет) = (2) __ЗА_
где Б - площадь фотопика в спектрах остаточной активности, соответствующего 7-переходу при распаде конечного ядра за время измерения; ¿1 -время облучения; ¿2 - время начала измерения; ¿3 - время окончания измерения; Л - постоянная распада; к - коэффициент, равный произведению эффективности детектора, коэффициента каскадного суммирования и квантового выхода 7-кванта при 7-переходах.
При расчетах выходов учитывалась возможность образования ядер как в результате фотоядерных реакций, так и за счет цепочек радиоактивных распадов. Также в расчетах общего выхода реакции учитывались вклады изомерных состояний.
Таблица 1. Характеристики наблюдавшихся реакций на изотопах молибдена для тормозных фотонов с верхней границей 67.7 МэВ
Реакция Конечное ядро (спин и четность) T1/2 (тип распада конечного ядра) Порог, МэВ Экспериментальный выход (ошибка эксперимента) Теоретический выход
100Mo(y, п) 99Мо(1/2+) 67 ч(/?-) 8.29 100(6) 100
100Мо(7 ,рп) 98mNb(5+) 51 мин (Г) 18.10 0.31(0.03)
98Мо(7 ,р) 97Nb(9/2+) 72 мин (Г) 9.79 6.6(0.1) 7.8
97Мо(7 ,р) 98Мо(7 ,рп) 96Nb(6+) 2.4 ч (Г) 9.23 17.87 11(1) 10.1 7.7 2.4
96Мо(7 ,р) 97Мо(7 ,рп) 95Nb(9/2+) 35 сут (Г) 9.3 16.72 5.1(0.4) 10.6(0.5) 15.0 10.0 (7 ,Р) 5.0 (7 ,рп)
96Мо(7 ,р) 97Мо(7 ,рп) 95mNb(l/2~) 3.6 сут (IT + /3-) 9.53 16.95 5.5(0.3)
94Мо(7 ,рп) 94Мо(7 ,рп) 92Nb(7+) 92Nb(7+) 3.5 х 107 лет (Ю 10.2 сут (Ю 17.32 17.45 2.60(0.02) 3.0
92Мо(7 ,п) 91Mo(9/2+) 15.5 мин (Ю 12.68 34(5) 65
92Мо(7,2 п) 90Mo(0+) 5.6 ч (Ю 22.78 5.1(0.4) 2.7
92Мо(7 ,рп) 90Nb(8+) 14.6 ч (Ю 19.51 14(5) 3.5
92Мо(7,р2п) 92Мо(7,Зп)89Мо -4 89Nb 89Nb(9/2+) 2.0 ч (Ю 29.59 1.9(0.2) 0.9
92Мо(7,р2п) 92Мо(7, 3n)89Mo A 89mNb 89mNb(l/2~) 66 мин (Ю 29.62 1.8(0.3)
92Мо(7,4п) 88Mo(0+) 8 мин (Ю 46.39 0.04(0.01) 0.006
Результаты экспериментов приведены в табл. 1 — 3. Указаны наблюдавшиеся реакции, образующиеся конечные ядра, их спины и четности, типы распадов и периоды полураспада, пороги реакций, выходы обнаруженных реакций, а также данные теоретического расчета измеренных выходов, с которыми сравниваются результаты экспериментов. Использованная для сравнения комбинированная модель фотонуклонных реакций [7] кратко описана в разд. 3.
Индекс т в массовом числе изотопа означает образование этого изотопа в изомерном возбуж-
денном состоянии, е — в+ -распад или электронный захват, IT (isomeric transition) — распад изомерного состояния через испускание 7-кванта или электрона внутренней конверсии.
Экспер
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.