ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2008, том 71, № 12, с. 2036-2040
ЯДРА
УГЛОВЫЕ КОРРЕЛЯЦИИ В ЭМИССИИ ПРЕДРАЗРЫВНЫХ НЕЙТРОНОВ ДЕЛЕНИЯ ^ МЕДЛЕННЫМИ ПОЛЯРИЗОВАННЫМИ
НЕЙТРОНАМИ
© 2008 г. Г. В. Данилян1)*, Т. Вилперт2), П. Гранц2), В. А. Крахотин1), Ф. Мезеи2), В. В. Новицкий1), В. С. Павлов1), М. В. Руссина2), П. Б. Шаталов1)
Поступила в редакцию 17.06.2008 г.
Описана новая методика поиска и исследования предразрывных нейтронов деления, основанная на анализе специфических угловых корреляций в делении ядер поляризованными нейтронами. С использованием этого метода получено значение доли предразрывных нейтронов в общем числе мгновенных нейтронов деления 235и, испускаемых перпендикулярно оси деления.
PACS:25.85.Ec, 24.70.+S
1. ВВЕДЕНИЕ
В 1998 г. Коллаборацией ИТЭФ, Тюбингенско-го университета, Технического университета Дарм-штадта, ПИЯФ, Курчатовского института и ИЛЛ был поставлен эксперимент на пучке холодных поляризованных нейтронов реактора ИЛЛ с целью поиска T-нечетной корреляции в тройном делении 233U [1]. Впервые это предложение было высказано много лет назад Шрекенбахом [2]. Эта корреляция может быть представлена в виде
W = const • (1 + DaPa[S, Plf]). (1)
Здесь Da — коэффициент корреляции; S — спин захватываемого нейтрона; Ра и Plf — соответственно импульсы а-частицы и легкого осколка тройного деления (все векторы нормированы).
В результате эксперимента было обнаружено неожиданно большое значение лево-правой асимметрии испускания а-частицы тройного деления относительно плоскости, образованной векторами импульса легкого осколка деления и поляризации нейтронного пучка. Полученная величина коэффициента асимметрии составила Dа = (-2.7 ± ± 0.07) х 10"3. При нормировании этой величины на среднее значение поляризации делящегося ядра уровень эффекта достигает примерно 1%.
Хотя угловой член выражения (1) меняет знак при обращении времени, это не означает, что в процессе деления обнаружена неинвариантность
'-'Институт теоретической и экспериментальной физики,
Москва, Россия.
2)Hahn-Meitner Institut, Berlin, Germany.
E-mail: danilyan@itep.ru
относительно обращения времени. Подобная корреляция может возникать в результате электромагнитного или сильного взаимодействия частиц в конечных состояниях деления. Поскольку теоретическое рассмотрение этого явления затруднено (задача трех тел), основным методом изучения обнаруженной корреляции является эксперимент.
В качестве первого шага мы исследуем аналогичную корреляцию при испускании в процессе деления электически нейтральных частиц. Испускание предразрывных нейтронов не принято рассматривать в качестве тройного деления. Тем не менее из-за электромагнитного отталкивания протонов шейка делящегося ядра может быть обогащена нейтронами. Кроме того, для нейтронов отсутствует кулоновский барьер. Все это дает основания для поиска нейтральной компоненты тройного деления.
2. ПРЕДРАЗРЫВНЫЕ НЕЙТРОНЫ
Мгновенные нейтроны деления (МНД) могут испускаться из трех различных источников. 1) Основная часть нейтронов испускается ускоренными осколками деления, возможно, в том числе во время их ускорения. 2) Нейтроны, сопровождающие тройное деление, испускаются из нестабильных легких заряженных частиц, например 5Не. Эти нейтроны преимущественно испускаются перпендикулярно к оси деления в соответствии с траекторией легких заряженных частиц в электромагнитном поле осколков. Поскольку тройное деление является редким процессом, а выход 5Не составляет всего около 20% от выхода 4Не, вклад этих нейтронов мал. 3) Третья часть МНД может испускаться делящейся системой
2036
УГЛОВЫЕ КОРРЕЛЯЦИИ В ЭМИССИИ ПРЕДРАЗРЫВНЫХ НЕЙТРОНОВ
2037
в процессе спуска от седловой точки к точке разрыва или в момент разрыва ("предразрывные" нейтроны (ПРН)). Такие нейтроны представляют основной интерес в рамках настоящей работы, так как некоторая их доля может быть испущена из шейки, как и легкие заряженные частицы тройного деления.
Предразрывные нейтроны также представляют большой интерес в рамках изучения динамики процесса деления ядер, так как они, в отличие от нейтронов, испускаемых продуктами деления, являются реликтами непосредственно процесса деления.
Существует ряд экспериментальных работ, посвященных вероятности испускания ПРН и их энергетическому спектру, но полученные результаты противоречивы. В большинстве работ изучались угловое и энергетическое распределения нейтронов деления относительно направления движения осколка деления в зависимости от массы и кинетической энергии осколков. Из-за различных предположений об угловом и энергетическом распределениях испускаемых нейтронов результаты этих работ существенно расходятся. Первое указание на существование ПРН было сделано в работе Боумана и др. [3]. Для описания обнаруженного избытка нейтронов под углом ^90° ими была введена ПРН-компонента, составляющая примерно 10% нейтронов, изотропно распределенных в л.с. и имеющих среднюю энергию 2.6 МэВ. В работе Корнилова и др. [4] приводится подробный обзор экспериментальных данных, имеющих отношение к поиску ПРН. Различные работы оценивают вклад ПРН в общее число МНД от 0 [5] и 1% [6] до 35% [7]. Поэтому, прежде чем работать над поиском тройной корреляции в испускании предраз-рывных нейтронов, нам следовало разработать новый метод определения их количества.
3. НОВЫЙ МЕТОД ПОИСКА
ПРЕДРАЗРЫВНЫХ НЕЙТРОНОВ
Угловые корреляции являются следствием интерференции амплитуд переходов между квантовы-
ми состояниями с различными угловыми моментами. Как величины, так и знаки коэффициентов корреляции зависят от квантовых характеристик начального и конечного состояний системы, в том числе от квантовых характеристик испускаемых частиц. Если условия эксперимента не позволяют выделить определенное начальное или конечное квантовое состояние, наблюдаемые величины будут усреднены по всем N состояниям, дающим вклад в реакцию. Соответственно любой коэффициент корреляции будет подавлен в N1/2 раз. Применительно к процессу деления следует заметить, что число квантовых состояний системы осколков составляет порядка 107—109. Таким образом,
например, коэффициент Р-нечетной корреляции в испускании нейтронов осколками должен быть подавлен в 103—104 раз по сравнению с коэффициентом Р-нечетной корреляции в испускании легких осколков деления (а^(235и) = 8 х 10"5 [8]).
Напротив, в случае предразрывных нейтронов число начальных состояний системы должно быть сравнительно небольшим, поскольку ПРН испускаются холодным, сильно деформированным делящимся ядром. Поэтому ПРН могут проявлять существенную корреляцию со спином делящегося ядра. В этом состоит основная идея нашей методики разделения предразрывных и осколочных нейтронов.
Для поиска ПРН была использована Р-нечет-ная корреляция в испускании МНД в делении 235и холодными поляризованными нейтронами:
Ж = С (1 + ^(Б, Р^ ))• (2)
Здесь Б — направление поляризации пучка нейтронов, Р^ — единичный вектор в направлении импульса мгновенного нейтрона деления, ар^ — коэффициент корреляции.
Если |а^п| > 10"6, то данный эффект обусловлен предразрывными нейтронами, и, сравнивая |арп| с |ац|, можно оценить вклад ПРН в МНД.
Чувствительность данного метода в общем случае ограничена существованием кинематического отклика Р-нечетного эффекта, возникающего из-за наличия аналогичной асимметрии в осколках деления и того, что легкие осколки испускают больше нейтронов, чем тяжелые [9]. При регистрации нейтронов в направлении оси деления кинематический эффект в нейтронах, испускаемых осколками, составляет примерно 0.1 (величина зависит от исследуемого ядра) от величины Р-нечетного эффекта в осколках деления. Этот побочный эффект минимизируется при использовании ортогональной геометрии эксперимента, т.е. при регистрации нейтронов, испускаемых перпендикулярно направлению оси деления. Такая постановка эксперимента обеспечивает как ослабление вклада кинематического отклика Р-нечетного эффекта в осколках деления (с полным его "занулением" в случае идеально ортогональной геометрии эксперимента), так и значительное уменьшение фона осколочных нейтронов.
Серьезным недостатком метода оценки вклада ПРН в МНД является его привязка к двум априорным предположениям. Первое из них заключается в гипотезе изотропии углового распределения ПРН (или, в общем случае, знания этого распределения). Чтобы избежать неоднозначности результата, в настоящей работе приводится только доля ПРН в МНД, испускаемых перпендикулярно оси деления. Вторым является предположение о
2038
ДАНИЛЯН и др.
Рис. 1. Детекторная часть экспериментальной установки: 1 — мишень 235и, 2 — поперечное сечение пучка холодных поляризованных нейтронов, 3 — детекторы осколков деления, 4 — детекторы нейтронов и 7-квантов, 5 — камера деления, наполненная изобута-ном поддавлением 8 мбар, 6 — стенки камеры деления.
равенстве коэффициентов Р-нечетной корреляции в испускании ПРН и осколков деления, которое следует из теории [10], но требует экспериментальной проверки.
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Пучок холодных поляризованных нейтронов реактора ББН-И Берлинского центра нейтронного рассеяния Института Гана—Мейтнера падал на толстую двустороннюю мишень 235и, расположенную в камере деления, наполненной изобутаном при давлении 8 мбар. Нейтронные детекторы находились вне камеры в направлении поляризации пучка нейтронов, а осколочные детекторы, расположенные в камере деления по обе стороны от мишени, регистрировали осколки, движущиеся в направлении, перпендикулярном нейтронным детекторам (рис. 1). Это позволило нам в пределах полученной точности пренебречь кинематическим откликом Р-нечетного эффекта в осколках деления.
Мгновенные нейтроны деления регистрировались методом совпадения сигналов с нейтронного
и осколочного детекторов. В качестве нейтронных детекторов использовались сцинцилляцион-ные счетчики (пластик), а осколочными детекторами служили многопроволочные пропорциональные счетчики низкого давления. Наши "нейтронные" детекторы регистрировали не только нейтроны, но и 7-кванты. Для разделения МНД и мгновенных 7-квантов деления использовалась времяпролет-ная методика, основанная на р
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.