Письма в ЖЭТФ, том 96, вып. 5, с. 310-314
© 2012 г. 10 сентября
Возможное обнаружение легких нейтронных ядер в делении 238и
а-частицами
Б. Г. Новацкий, Е. Ю. Никольский, С. Б. Сакутаг\ Д. Н. Степанов
Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", 123182 Москва, Россия Поступила в редакцию 17 июля 2012 г.
Методом активации проведен поиск ядерно-стабильных мультинейтронов среди продуктов деления 238и а-частицами с энергией 62 МэВ. Для идентификации ядерно-стабильных мультинейтронов использовалась реакция передачи 4 нейтронов на изотопе 883г: 883г(а,п, (ж — 4)п)923г —¥ 92У. В измеренных 7-спектрах облученного образца обнаружена линия с энергией Е = 1384 кэВ, что вместе с измеренной временной зависимостью спада ее активности указывает на образование /3-активного ядра 92 Бг. Полученный результат воспроизводится в повторных измерениях. Он свидетельствует о возможном существовании ядерно-стабильных мультинейтронов (хп) с х > 6. Дифференциальное сечение выхода хп под углом 30° в делении 238и а-частицами составило ~6 • Ю-2 мб/ср.
1. Введение. Проблема стабильности ядер, состоящих из одних нейтронов, давно является предметом интенсивных экспериментальных и теоретических исследований [1-7]. Интерес к этой проблеме понятен, поскольку открытие нейтронных ядер имело бы далеко идущие последствия не только для ядерной физики, но и для астрономии. Открытие нейтронных звезд явилось крупнейшим событием второй половины XX века. Однако на микроскопическом уровне убедительных свидетельств существования нейтронных ядер до сих пор не получено. Современные знания о них ограничены лишь длиной пп-рассеяния, т.е. динейтроном, недосвязанным всего на 70кэВ. Пятидесятилетняя история экспериментальных исследований, казалось бы, свидетельствует о том, что ядерно-стабильных и даже квазистационарных состояний легких нейтронных ядер Зп [4,5] и 4п [4,6,7] не существует. Поиски хп в спонтанном делении 252С£ методом активации также не привели к положительному результату [8]. И все же интерес к мультинейтронным системам вновь возрос после сообщений об обнаружении в экспериментах на радиоактивных пучках 14Ве и 8Не ядерно-стабильного тетранейтрона [9,10]. Авторы указанных работ сообщили о регистрации около десятка событий, которые были приписаны существованию связанного тетранейтрона (4п). Независимо в НИЦ "Курчатовский институт" были проведены исследования реакций 71л(71л, 1:1С)Зп и 71л (71л, 10С)4п под малыми углами (2°) [11] с использованием магнитного сепаратора МАСЭ. Регистрация ядер углерода осуществлялась телескопом кремниевых АЕ^Е де-
Че-таП: sbsakutaemail.ru
текторов, включенных в схему многомерного анализа. Высокая интенсивность пучка ионов 71л и большая селективность схем анализа продуктов реакций (АЕ^Е, Е^Ь) дали существенное преимущество перед методикой, использованной в работах [9,10]. Тем не менее ни связанного, ни квазистационарного 4п обнаружить не удалось [11]. В этой работе была получена рекордная величина верхней границы сечения образования 4п, равная 0.1нб/ср. Это позволяет с большим скептицизмом отнестись к выводу о существовании ядерно-стабильного состояния 4п. Тем не менее отсутствие связанного тетранейтрона не исключает ядерной стабильности более тяжелых нейтронных кластеров (6п, 8п и т.д.). Следовательно, их поиск по-прежнему остается актуальной задачей ядерной физики.
Укажем на аналогию п^п-систем с А-гиперонны-ми ядрами. Известно, что сильно взаимодействующие нейтральные А-гипероны не образуют связанного состояния гиперводорода (А^р), но А-тритон (3НЛ) уже устойчив (энергия связи е = 0.13 МэВ). С увеличением атомного номера гиперядер энергия связи гиперона увеличивается вплоть до кальция (е = 20 МэВ).
Степень устойчивости гипотетических мультинейтронов с А > б можно грубо оценить из экстраполяции зависимости энергии связи двух последних нейтронов в изотопах гелия (5Не-10Не). Два последних нейтрона в ядрах 6Не, 8Не связаны (е = 0.96 и 2.2 МэВ соответственно), тогда как 10Не уже неустойчив на 1.2 МэВ [12]. Подобная тенденция имеет место и для нечетных нестабильных изотопов 5Не и 7Не. Увеличение энергии связи нейтронноизбыточ-ного изотопа 8Не можно объяснить полностью запол-
Возможное обнаружение легких нейтронных ядер в делении 238 [/ а-частицами
311
ненными оболочками 1«1/2 и 1.Рз/2> т-е- существованием магического числа б по нейтронам, а не 2 и 8, как это наблюдается у обычных ядер. Отсюда можно ожидать ядерной стабильности системы из шести нейтронов. Отметим, что еще в классических работах А.И.Базя [1] подчеркивалось, что небольшие изменения ядерного потенциала не влияют на результаты фазового анализа и на энергии связи обычных нейтроноизбыточных ядер. Однако они могут стабилизировать нейтронные ядра, начиная 60. Следовательно, отрицательные результаты многочисленных поисков нейтронных ядер 2п^4п не исключают возможности существования связанных состояний хп с х > 6. Таким образом, данная фундаментальная задача ядерной физики по-прежнему актуальна.
Целью настоящей работы и является поиск легких нейтронных ядер хп с х > б методом активационного анализа в реакциях передачи четырех нейтронов.
2. Эксперимент. Поиски мультинейтронов на ускорителях требуют больших энергий бомбардирующих частиц, так как все реакции (кроме деления), в которых возможно образование нейтронных ядер, сильно эндотермичны. Эндотермичность реакции резко увеличивается с увеличением массы нейтронного ядра. Поэтому нами выбран "удобный" источник нейтронных ядер - тройное деление 238и а-частицами. При энергиях а-частиц в несколько десятков МэВ (нами использовался пучок а-частиц с энергией 62 МэВ) кинетическая энергия осколков вынужденного деления существенно превышает куло-новский барьер. Известно, что вылет легких частиц наиболее вероятен из шейки делящегося ядра, сильно обогащенной нейтронами. Установлено, что в делении, помимо тяжелых осколков, с вероятностью около 1% наблюдаются выходы изотопов водорода, гелия, лития и т.д., среди которых имеются изотопы, обогащенные нейтронами [13]. Поэтому естественно ожидать и вылета чисто нейтронных ядер, если они существуют. Грубые оценки показывают, что нейтронные ядра могут вылетать с А < 30 с наиболее вероятной энергией ~ 1 МэВ/нейтрон.
Нами был выбран активационный метод поиска мультинейтронов. Их идентификация осуществлялась по реакциям передачи нескольких нейтронов ядрам активируемой мишени. Такие реакции можно записать как прямой процесс передачи нейтронов, п, (х^к)п)м+кА, или как образование составного ядра с последующим испарением ж^й-нейтронов, МА+Хп А м+кА+ (х—к)п, где м+кА - обра-
зующийся в результате данной реакции /3-активный изотоп. Выбор конкретного изотопа диктуется приемлемым для измерений периодом его полураспада
(Тх/2 = (2^24) ч), а также наличием у него интенсивных 7-линий в диапазоне энергий, оптимальном для регистрации полупроводниковым ве-детектором.
Первичной мишенью служила пластина 238и толщиной 160мкм, которая устанавливалась в центре камеры рассеяния. Мишень бомбардировалась пучком а-частиц с энергией 62 МэВ, выведенным из изохронного циклотрона НИЦ "Курчатовский институт". Для отвода тепла от фольги 238и использовалось водяное охлаждение. Активируемые образцы в виде порошка БгСОз с обогащением по изотопу 88Бг 99.2% и массой 4.59 г помещались в герметичный контейнер, устанавливаемый в ту же вакуумную камеру рассеяния под углом 30° относительно пучка. Контейнер имел входное окно из каптона диаметром 30 мм и толщиной 0.1мм. Телесный угол регистрации составлял 5 • Ю-2 ср. Для подавления фона рассеянных а-частиц, а также тритонов из реакции 238и (а, Ь) перед образцами БгСОз устанавливался дополнительный фильтр из бериллия толщиной 1 мм.
Регистрация 7-лучей проводилась на установке Низкофоновый 7-спектрометр с детектором из сверхчистого ве объемом 120 см3. Для уменьшения влияния внешнего 7-фона от космического излучения и для подавления комптоновского рассеяния детектор помещался в пассивную (свинец толщиной 10 см) и активную (кольцевой кристалл КаЛ(Т1) размером 30 х 30 см2) защиты. Энергетическое разрешение по линии 60Со (Е = 1333 кэВ) составляло 2.3 кэВ.
Выбор оптимальной активируемой мишени и числа переданных нейтронов из гипотетических мультинейтронов представляет далеко не однозначную задачу. Поэтому исследования проводились с большим набором обогащенных изотопов, включающим легкие (19Г, 25'26Мё, 34'36Б), средние («вс, 88Бг, 93№, 1273, 130Те) и тяжелые (208РЬ, 209В1) ядра. Многочисленными исследованиями была установлена непригодность реакций, в которых осуществляется передача двух или трех нейтронов, из-за вклада двухступенчатых процессов, идущих в интенсивных потоках быстрых нейтронов. Источником последних является реакция (а, п) на первичной мишени 238и ((^ = — 11.3 МэВ), генерирующая нейтроны вплоть до энергий в несколько десятков МэВ. В результате нее, например, на образце 26М^ идут двухстадий-ные реакции с образованием радиоактивного 28М^: а) 26Мё(п, Ь), затем 26МёЦ, р)28]У^; б) 26Мф1, а), затем 26М^(а, 2p)28M.g. Эти реакции имитируют передачу двух нейтронов на ядре магния, т.е. 26Ш^(хп, (ж^2)п)28М^. Следовательно, идентификация хп по активности радионуклида 28М^ становится неприемлемой.
С особой осторожностью следует относиться к возможным примесям и загрязнениям в исследуемых образцах. Так, наличие микроскопических примесей натрия и алюминия в облучаемых образцах фторопласта (0^4) сделало невозможным поиск хп по 7-линиям 24Ма (Е = 1369 и 2754 кэВ), искомого в реакции передачи пяти нейтронов 10Г(3''п, (ж^5)п)24Г —^ —^ 24Ме —^ 24Ма. В этом случае образование 24Ма маскируется паразитными реакциями 23Ма(п, 7)24Ма и 27А1(п, а)24Ма. Более детальное рассмотрение роли двухступенчатых процессов и чистоты активируемых мишеней будет дано в следующей публикации.
В результате для поиска легких нейтронных ядер в делении 238и а-частицами была выбрана реакция передачи четырех нейтронов на изотопе стронция: 883г(*п, (ж^4)п)028г 02У. Мишень (885гС03) облучалась в вакуумной камере рассеяния в течение 7 ч при токе ионов гелия I = 1 мкА. В связи с большой актив
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.