ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
ИЗМЕРЕНИЕ СЕЧЕНИЙ 7-ПЕРЕХОДОВ ВОЗБУЖДЕННЫХ ЯДЕР, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ПРОТОНОВ С ЭНЕРГИЕЙ 1.1 ГэВ С ЯДРАМИ КРЕМНИЯ
© 2004 г. А. А. Васенко, Н. Д. Галанина, К. Е. Гусев, В. С. Демидов, Е. В. Демидова, И. В. Кирпичников, В. А. Кузнецов, Б. Н. Павлов, А. Ю. Соколов, А. С. Старостин, Н. А. Халдеева
Институт теоретической и экспериментальной физики, Москва, Россия Поступила в редакцию 21.06.2003 г.
Измерены сечения образования возбужденных ядер в реакции 28Б1(р, хр уи)Л* с последующим 7-переходом в состояние с меньшей энергией возбуждения или основное состояние. Эксперимент проводился на внешнем протонном пучке ускорителя ИТЭФ. Для идентификации реакции применялся Ое(Ы)—Ыа1(Т1)-спектрометр антисовпадений, с помощью которого регистрировалось мгновенное 7-излучение, испускаемое конечным возбужденным ядром. Чувствительность эксперимента — 1.5 мбн. Получены величины сечений для 24 7-переходов 17 ядер-продуктов. Оценены сечения реакций расщепления. Проведено сравнение с известными экспериментальными данными и расчетами по полуэмпирической формуле, а также с результатами моделирования адронных взаимодействий, полученными с помощью кодов ОБЛЫТ и ШУСЬ.
1. ВВЕДЕНИЕ
Измерение сечений выхода ядер-продуктов, образующихся в реакциях расщепления атомных ядер при энергии протонов в несколько ГэВ, необходимо как для проверки различных теоретических моделей ядерных реакций, так и для решения прикладных задач, связанных с проблемой переработки отходов ядерных реакторов.
Такие измерения проводились в различных лабораториях мира в течение многих лет, их результаты вошли как в монографии [ 1], так и в современные базы данных (см., например, [2]). Из теоретических моделей, описывающих расщепление ядер в этой области, следует упомянуть полуэмпирические зависимости [3—5], каскадно-испарительные модели и их реализацию в виде компьютерных монте-карловских кодов (например, [6—8]), а также развиваемые в настоящее время модели на основе квантово-молекулярной динамики [9—11].
В подавляющем большинстве экспериментов в этой области энергий используется метод накопления продуктов расщепления ядер в процессе облучения образцов-мишеней в пучках протонов. Количество накопленных радиоактивных изотопов определяется по интенсивности так называемого задержанного излучения, возникающего в процессе радиоактивного распада. Для выделения некоторых стабильных изотопов благородных газов, например гелия и неона, используются масс-спектрометры. В одной из последних работ [12]
представлены результаты измерений таким методом сечений выхода ядер-продуктов, образующихся при взаимодействии протонов с энергией от 0.8 до 2.6 ГэВ с различными ядрами (7 < Z < 30). В серии работ [13—15] измерены выходы радиоактивных нуклидов для более широкого спектра элементов (6 < Z < 92).
Методом накопления не удается измерить выходы стабильных ядер, не относящихся к благородным газам, и радиоактивных ядер с малым периодом полураспада, что составляет заметную часть всех реакций расщепления. Задача измерения сечений реакций с образованием таких ядер может быть решена методом регистрации "мгновенного" 7-излучения, возникающего при переходах возбужденных ядер в состояние с меньшей энергией возбуждения или в основное состояние. Особенностью этого метода является то, что измеряются не полные выходы ядер, поскольку зарегистрировать все 7-переходы практически невозможно, а парциальные сечения переходов, главным образом, с первого возбужденного состояния на основной уровень. Однако известно [16, 17], что в случае четно-четных ядер более 90% каскадных переходов на последнем этапе проходят через первый возбужденный уровень. Поэтому в таком случае сечение 7-перехода можно считать близким к сечению выхода данного ядра, а для ядер другого типа возможна только оценка сечения выхода. Для измерения энергий мгновенного 7-излучения при-
1529
51 52
Пучок
протонов
Мишень
I-
Ое
Рис. 1. Схема 7-спектрометра Ое(Ы)—№1(Т1).
меняются полупроводниковые (германиевые или кремниевые) спектрометры. Но их применение в экспериментах на ускорителях при энергиях протонов более 500 МэВ, когда фоновые условия резко ухудшаются, требует принятия дополнительных мер для выделения полезного сигнала.
В работе [17] был применен метод 7-спектро-скопии в пучке, что позволило измерить сечения выхода стабильных ядер и радиоактивных ядер с малым периодом полураспада; были получены данные для мишеней из А1 и Ре при энергии протонов 0.8 ГэВ.
В настоящем эксперименте измерены сечения 7-переходов возбужденных ядер, возникающих в реакциях взаимодействия протонов с энергией 1.1 ГэВ с ядрами 28 Б1.
Для идентификации реакции с помощью Се(Ь1)—Ыа1(Т1)-спектрометра антисовпадений регистрировалось мгновенное 7-излучение, испускаемое возбужденным конечным ядром. В работе [18] были опубликованы полученные нами предварительные результаты для сечений образования ядер-продуктов при расщеплении ядер М^, А1, Б1 протонами с энергией 1. 1 —2.5 ГэВ.
2. ЭКСПЕРИМЕНТ
Эксперимент проводился на внешнем протонном пучке ускорителя У-10 ИТЭФ. Для регистрации фотонов и измерения их энергий использовался 7-спектрометр Се(Ь1)—Ыа1(Т1), являющийся составной частью установки МАГ [19, 20]. Схема эксперимента представлена на рис. 1. Пучок протонов с импульсом 1.81 ± 0.02 ГэВ/с фокусировался на мишень с помощью системы магнитов и линз.
Монитором пучка служили совпадения счетчиков
х £2 х £3; размер счетчика £3 составлял 4 х х 4 см, а £1 и Б2 — 10 х 10 см. Интенсивность пучка поддерживалась на уровне 5 х 105 протонов на сброс при длительности сброса ^0.5 с. В качестве мишени использовался кристаллический кремний естественного изотопного состава (28 Б1 — 92.2%, 29Б1 — 4.7%, 30Б1 — 3.1%) в форме цилиндра диаметром 8 см и высотой 2.7 см. Пучок направлялся по центру цилиндра вдоль его образующей, так что количество вещества в пучке составляло 6.0 г/см2. Было проведено три сеанса работы установки на пучке. В работе [21] можно найти подробное описание условий проведения сеансов. Число протонов, попавших на мишень за время измерений, составляло М0 = 5.6 х 1010, а число переданных в ЭВМ "триггеров" Мт = 1.18 х 106.
2.1. Гамма-спектрометр
Се(Ь1)—Ыа1(Т1)-спектрометр располагался в направлении, перпендикулярном пучку, вниз от мишени (рис. 1). Детектирующая часть спектрометра представляла собой кристалл Се(Ь1) объемом около 100 см3, помещенный в криостат специальной конфигурации. Расстояние от центра кристалла до мишени составляло 35.7 см. Для уменьшения фона от 7-квантов и нейтронов, связанного с работой ускорителя, кроме пассивной защиты из свинца, 7-детектор был помещен внутрь 6-секционной Ыа1(Т1)-сборки в виде цилиндрического колодца высотой 30 см с внешним диаметром 45 см и диаметром внутреннего отверстия 10 см. Сигнал от шести кристаллов Ыа1 включался на антисовпадения с сигналом от германиевого детектора,
5
5
ИЗМЕРЕНИЕ СЕЧЕНИИ 7-ПЕРЕХОДОВ ВОЗБУЖДЕННЫХ ЯДЕР 1531
составляет 2.3 х 10-4 и уменьшается до 0.77 х
что подавляло непрерывную фоновую компоненту Y-спектра в 20—30 раз [19].
Сцинтилляционный счетчик S4, включенный на антисовпадение, предотвращал срабатывание спектрометра от попадающих в детектор заряженных частиц. Триггер для считывания информации
в ЭВМ задавался сигналом S'i^S's^S'sGeNal. Счетчик S5, расположенный в пучке на расстоянии более 5 м от мишени, включался на антисовпадения, чтобы подавить сигналы от частиц, прошедших через мишень без взаимодействий. Счетчик S5 регистрировал пучковые протоны с эффективностью 80%. Аналоговый сигнал германиевого детектора преобразовывался в цифровую информацию Ag.d с помощью блока АЦП с дискретностью 0.9 кэВ. Энергетический интервал регистрируемых фотонов составлял 150—3400 кэВ. Оперативный контроль работы спектрометра осуществлялся с помощью 4096-канального анализатора типа NOKIA.
2.2. Эффективность 7-спектрометра
Эффективность 7-спектрометра Пед(Е7) определяется как произведение двух множителей: ^ей(Е7) = (Е1)ц(Е1). Од описывает геометрическую часть эффективности, т.е. учитывает вероятность попадания 7-кванта в детектор и вероятность его потери за счет вылетания части электромагнитного ливня за пределы кристалла Се(Ь1); п(Е7) характеризует эффективность формирования триггерного сигнала.
Зависимость Од(Е1) измерялась экспериментально при регистрации спектрометром 7-излучения от четырех эталонных спектрометрических 7-источников 60Со, 137Сб и 228ТИ с хорошо известными интенсивностями. 7-Линии источников перекрывали изучаемый энергетический диапазон. Источники помещались на место исследуемой мишени, чтобы приблизить условия регистрации фотонов к экспериментальным.
Множитель п(Е7) отражает уменьшение эффективности за счет ограничения времени 5£, в течение которого допускался приход сигнала от Се(Ь1)-детектора на схему совпадения с пучковыми счетчиками. В наших измерениях этот интервал 5Ь = 50 нс. Из-за большого разброса длительности переднего фронта сигналов Се(Ь1)-детектора ограничение 51 = 50 нс приводило к ограничению эффективности спектрометра. Функция п(Е7) была определена экспериментально путем сравнения спектров 7-излучения из мишени, набранных с 5г = 50 нс и 5г = 250 нс.
Эффективность регистрации 7-кванта падает с ростом его энергии. Для энергии 200 кэВ она
х 10 4 при энергии 1000 кэВ и до 0.51 х 10 4 при 1800 кэВ.
Необходимо отметить, что неточность эффективности является одним из главных источников погрешностей в измерении сечений. Причем, если геометрическую эффективность Од можно определить с точностью до нескольких процентов, величина п(Е7) известна менее точно. Это приводит к систематическим ошибкам, которые могут составлять до ±10%.
Ограничение времени задержки регистрируемого сигнала Се(Ь1)-детектора величиной 51 определяет верхнюю границу на периоды полураспада Т1/2 уровней, которые могут наблюдаться в эксперименте. По-видимому, без искажений могут быть измерены интенсивности уровней с Т1/2 < < 10—20 нс, для более долгоживущих уровней следует вводить поправки на долю нерегистрируемых распадов. Нижняя граница регистрируемых времен жизни оп
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.