Возбуждение изомерных состояний в фотоядерных реакциях в области гигантского дипольного резонанса тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Мб ой

I 3 ИЮН №

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

15-95-177

На правах рукописи

ТОНЧЕВ Антон Пенев

т

ВОЗБУЖДЕНИЕ ИЗОМЕРНЫХ СОСТОЯНИЙ

В ФОТОЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЯХ В ОБЛАСТИ ГИГАНТСКОГО ДИПОЛЬНОГО РЕЗОНАНСА

Специальность: 01.04.16 — физика атомного ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Дубна 1995

Работа выполнена в Лаборатории ядерных реакций имени Г.Н. Флерова Объединенного института ядерных, исследований, Дубна

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор физико-математических наук,

профессор ГАНГРСКИЙ Ю.П.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор физико-математических наук,

профессор КАПИТОНОВ И.М.;

I

доктор физико-математических наук МАЛОВ Л.А.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Российская академия наук,

Институт ядерных исследований, Москва

Защита диссертации состоится " £ " ^АЛр/л^ 1995 года в " IН " час. на заседании специализированной) совета Д 047.01.05 при Лаборатории нейтронной физики и Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований, г. Дубна, Московская обл.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИЯИ.

Автореферат разослан "ЗФ' Ц Си^у 1995 года.

Ученый секретарь > диссертационного совета кандидат физико-математических наук:

Попеко А.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Фотоядерные реакции (ФЯР) с образованием конечного ядра в изомерных состояниях становятся одним из перспективных методов получения новой информации как о механизме этих реакций, так и о структуре уровней, через которые происходит заселение изомерных состояний. Нередко такой источник сведений является единственным, т.к. эти уровни обычно не проявляются при 3-распаде, а в ядерных реакциях их трудно выделить из массы остальных /ровней. Эти сведения получают при измерении выходов ядер в изомерных состояниях, а также изомерных отношений (ИО). Из вероятности заселения изомера можно судить о свойствах состояний, через которые происходит ¡асслснис изомеров: о распределении их плотности по энергии и по спину, а также о вероятностях радиационных переходов между ними. ФЯР являются наиболее удобными для этого, т.к. из-за отсуствия кулоновского барьера и энергии связи для у-квантов, можно получать возбужденные ядра как в збласти выше нуклонного порога, так и ниже его.

В настоящее время накоплен большой объем экспериментальных результатов ю исследованию изомерных состояний в ФЯР. Однако большинство этих шнных разрознены и не имеют целенаправленного характера. Поэтому детальное «учение процесса возбуждения изомерных состояний, а также зависимости его вероятности от различных ядерных параметров и характеристик ядерной реакции представляет важное значение.

Накопление более полной экспериментальной информации о структуре 1тих состояний является основой для проверки и развития различных -еоретических моделей.

Цель работы:

1. Расчет спектров тормозного излучения при различных значениях энергш падающих электронов, угла наблюдения, толщины и материала мишени.

2. Разработка относительного метода измерения выходов изомерны) состояний и их функций возбуждения в области гигантского диполыюгс резонанса.

3. Изучение механизма возбуждения и распада высокоспиновых изомеро: 180ШЩ ^ 180тТа ^ 190тО5 и 204трь в рсакциях неупругого раССеЯНИЯ у-КВаНТОВ.

4. Исследование особенностей возбуждения изомерных состояний Ьц/2 (50 : N < 82) в ФЯР с выпетом одного нейтрона в области гигантского диполыюгс резонанса. Изучение зависимостей ИО от энергии возбуждения, массовой числа нуклидов, разницы в спинах изомерного и основного состояний.

5. Изучение влияния оболочечной структуры осколков деления н; формирование их углового момента.

Научная новизна:

1. Впервые измерены выходы и получены сечения неупругого рассеяния у квантов для высокоспиновых изомеров 180шШ, 190шО8 и 204тРЬ ниже нуклонного порога.

2. Впервые на высокоспиновой мишени 180тТа в области нуклонного порог; наблюдалась реакция неупругого рассеяния электронов.

3. Впервые в области гигантского дипольного резонанса измерены функциг возбуждения реакций (у,п) на изотопах 130-132',34-13бва и 138Се.

4. Впервые измерены ИО для изотопов 118,ш8п, 122Л24'130Тс, 138-140Се, в (у,п] реакциях при максимальной энергии у-квантов Еу = 25 МэВ.

5. В реакции фотоделения 2,2ТЬ измерено ИО осколка деления П41 и с помощью формализма Юзеши и Ванденбоша расчитан его угловой момент.

Практическая ценность работы:

1. Разработанный метод расчета тормозного излучения может быть использован на любых электронных ускорителях в области энергии до 30 МэВ с целью проведения абсолютных измерений выходов ФЯР.

2. Некоторые исследования в области ниже нуклонного порога имеют важный астрофизический аспект.

3. Результаты исследований изомерных состояний могут быть использованы в гамма-активанионном анализе.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Расчет спектра тормозного излучения у-квантов в области энергии от 1 до 30 МэВ для различных углов наблюдения, толщин и материалов мишени.

2. Исследование реакций (у,у') в области энергий 5 - 9 МэВ, приводящих к образованию высокоспиновых изомеров, которые относятся к трем областям ядер - силыюдеформированньш - 180тНГ, переходным - 190тОч и сферическим - 204тРЬ.

5. На высокоспиновой изомерной мишени 180тта измерение сечения девозбуждеиия изомера при переходе с изомерного 9" па 1+ основное состояние.

Измерения ИО для реакции (у,п) для широкого круга ядер (46< Ъ < 64 и 50 < N < 82) в области гигантского диполыюго резонанса. Получение зависимости ИО от энергии возбуждения, массового числа и атомного номера нуклидов.

5. Измерение ИО в осколке деления 1341 с целью изучения влияния оболочечной структуры на формирование углового момента осколков деления.

Аппробация работы:

Материалы, послужившие основой данной диссертации докладывались на международных конференциях и совещаниях:

1. International Workshop on "Dynamical Aspects of Nuclear Fission", Smolenice, CSFR (1991).

2. 41-е Международное совещание "Ядерная спектроскопия и структура атомного ядра", 1991, Минск, СССР.

3. The International Symposium on fundamental investigations with electron accelerators, Plovdiv (1992).

4. 44-e Международное совещание "Ядерная спектроскопия и структура атомного ядра" 17-20 мая, 1994, Санкт-Петербург, Россия.

5. VI International Conférence on Selected Topics in Nuclear Structure, July 59,1994, Dubna, Russia.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Она содержит 86 страниц машинописного текста, включая в себя 27 рисунков, 10 таблиц и список литературы из 83 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются основные цели исследования и определяется круг решаемых задач.

Первая глава иосит методический характер и касается вопросов, связанных с шюсительными измерениями выходов и сечений изомерных состояний в /словиях работы на тормозном излучении.

Описана методика расчета спектра тормозного излучения из толстой мишени юд различными углами. Максимум тормозного излучения вперед соответствует -олщине мишени = 0.3 рад. длины. Спектр излучения из такой мишени шльзя считать эквивалентным обычно используемому Шиффовскому спектру шя "тонких" мишеней и требует специальных расчетов. Поэтому нами был фоведен теоретический расчет спектров из мишеней различной толщины и юд различными углами наблюдения в интересующем нас диапазоне энергий >лектронов 5-30 МэВ [1].

Предполагая, что "элементарный" спектр излучения, т.е. спектр излучения лектрона при одном акте рассеяния, известен, суммируются спектры тормозного [злучения из всей мишени с учетом рассеяния электронов, поглощения [злучения в материале мишени, вероятности испускания фотонов под заданным тлом, а также потерь энергии электронами и их поглощения. Рассчитанные [ами спектры хорошо совпадают с имеющимися экспериментальными энными в диапазоне энергий 1-30 МэВ.

Рассмотрен относительный метод определения выходов фотоядерных реакций, рименение которого является наиболее эффективным, когда исследуемые мониторные сечения измеряются одновременно. При определении выходов сследуемых реакций отпадает необходимость в мониторировании пучка у-вантов. Эффективность этого метода при исследовании ФЯР под действием у-вантов тормозного излучения обусловливается тем, что при его рименении извлекается информация одновременно о разных каналах »аимодействия.

Рассматривается и вопрос о математическом методе определения сечений реакции по результатам измерения интегральных выходов фотоядерных реакций. В задаче определения сечений фотоядерных реакций по данным о выходе появляется необходимость решать интегральное уравнение I рода. Для решения этого вопроса нами был использован модифицированный метод минимизации направленного расхождения, предложенный В.Е. Жучко. Одно из основных преимуществ этого метода - положительность решения во всем диапазоне энергий.

Во второй главе представлены экспериментальные результаты исследования реакций (у,у'), в области энергий 5- 9 МэВ, приводящих к образованию высокоспиновых изомеров в четно-четных ядрах, которые относятся к трем областям - сильнодеформированным - 180тН^ переходным - 190тО$ и сферическим - 204тРЬ [2].

Большой интерес к исследованию изомерных состояний в (у,у') реакциях связанны с тем фактом, что из-за отсутствия кулоновского барьера и энергии связи для у-квантов, можно получать возбужденные ядра в области ниже энергии связи нейтрона. Такие особености заселения высокоспиновых изомеров в реакциях (у,у') приводят к тому, что изомерные отношения оказываются очень чувствительными к параметрам плотности уровней и вероятностям радиационных переходов.

В деформированных ядрах причиной изомерии и запрета для у-переходов может являтся не только большая разница спинов изомерного и основного состояний, но и их проекций на ось симметрии ядра (квантовое число К). Яркими примерами К - изомера служить 180ГО и ""Оэ.

На рис.1 показаны полученные зависимости сечений и изомерных

ю

X

150 125 100 75 50 25 0

I

12

£ Ю

180

Щу.у')180^

I

I I

! !>

♦ » .

...........Дт~. А. . Л -.

1! 13 15

Еу, МэВ

190О5(уУ)190тО5

I..

5 7 9 11 13 15

Еу, МэВ

100

ю 32 80 6

80 40

20 0

б 7 9 11 13 13

Еу, МэВ

Рис.1. Функции возбуждения исследуемых реакций

отношений от энергии у-квантов. Функции возбуждения исследуемых реакций имеют резонансную форму и их максимумы в пределах точности измерения совпадают с порогом В„ реакций (у,п) [2].

Выходы этих трех высокоспиновых изомеров контрастируют с интегральным сечением, полученным на высокоспиновои изомерной мишени Та при

неупругом рассеянием у-квантов вблизи нейтронного порога. Эксперименты по неупругому рассеянию у-квантов и электронов на 180тТа [3] указали на его необычно большое интегральное сечение. Если сравнить это сечение с сечением возбуждения для 180НГ, то оно оказывается на четыре порядка выше. В

<г 1 1801т4- 180Т-

табл. 1 представлены интегральные сечения для ш и Та при двух

энергиях у-квантов. По-видимому, большая разница в спинах для 180Та не является препятствием для его девозбуждения. Это сечение имеет самое большое значение для (у,у') реакций, "связывающих" основное и изомерное состояния ниже порога вылета нейтрона.

Изомерное состояние 180Ш распадается через одночастичные состояния основной вращательной полосы (К" = 0). В случае 180Та, по-видимому, имеет место другая схема девозбуждения. При дипольном поглощении у-квантов с

Таблица 1. Интегральные сечения 180тНГ и 180тТа при двух энергиях у-

квантов

Еу, МэВ (у,у'). мбарн.кэВ

Щ 0+ => 8") Та( 9" => Г )

6.5 0.015 (5) 380 (80)

7.0 0.055 (10) 450 (90)

зомерного состояния 9" возбуждаются состояния со спином и четностью 8+ , + и 10+. Эти состояния находятся при энергии возбуждения 6.5 - 7 МэВ. [рямой переход с этих состояний на основное 1+ состояние маловероятен из за олыной разницы в спинах - А1>7. Поэтому более вероятны М1 и Е2 ереходы на основную ротационную полосу с К" =1+ . Однако, в этом пучае возникает большой запрет по квантовому числу т.к. АК=8. Из кспериментальных данных известно, что в нечетных ядрах даже при эвольно низких энергиях возбуждения плотность уровней большая и эзможно смешивание по квантовому числу К. Таким образом снимается шрет по К и после этого возможен переход с состояний 8+ , 9+ и 10+ (К" 9' ) на 7+ ,8+ и 9+ (К" =1+ ). Далее происходит обычный каскад на основную олосу, ведущий к основному состоянию 1+ (К*=1+). Такие переходы из эзбуждаемых состояний 8+ , 9+ , 10+ возможны и на другие полосы с К"=Г, л=3" и К*=4". В случае 180НГ такие переходы на полосу, построенную на юмерном состоянии невозможны, из-за сильного различия по спину уровней этационной полосы и возбуждаемых после захвата у-квантов уровней.

третьей главе представлены экспериментальные результаты по исследованиям юмерных состояний Ьп/2 в ФЯР с вылетом одного нейтрона для широкого >уга изотопов с 50 < N < 82 и 46 < Ъ < 62 . Для всех исследуемых ядер гбрано изомерное состояние с одним и тем же спином и четностью 11/2" , участвующие в реакции изотопы являются четно-четными, которые после глощения у-кванта имеют спин Г. Таким образом, для возбуждения омерных сотояний во всех изучаемых изотопах выбраны идентичные условия -инаковый тип реакции и энергия возбуждения, одни и те же спины чального и конечного состояний. Поэтому можно ожидать, что изменения меряемых на опыте изомерных отношений при переходе от одного ядра к

другому, будут определятся тем, как в этих ядрах меняется структур; уровней, через которые происходит заселение изомерного состояния Полученные экспериментальные данные позволяют судить как ( статистических свойствах этих уровней (о зависимости их плотности от энергщ и спина), так и об их спектроскопических характеристиках - спинах, четностях вероятностях переходов различной мультиполыюсти в изомерное состояние.

В зависимости ИО от массового числа наблюдалось несколько изотопны* зависимостей. На изотопах Ва получена зависимость ИО от энергии у-кванго1 и массового числа изотопа [4]. На рис. 2 представлена зависимость ИО от энергии у-излучения (для дифференциальных сечений) и от гранично? энергии тормозного излучения (для интегральных сечений). В последнем случае ИО соответствуют отношениям изомеренных выходов реакций, приводящих к изомерному и основному состояниям, т.к. обе реакции имеют близкие не форме функции возбуждения. Это указывает на одинаковый механизм заселения изомерного и основного состояний - эмисия нейтронов из состояний гигантскогс дипольного резонанса на уровни с энергией возбуждения несколько МэВ, г затем каскад у-квантов. ИО в реакциях (у,п) на изотопах Ва обнаруживаю! зависимость от энергии у-квантов и массового числа изотопа. ИО растут с уменьшением числа нейтронов в ядре. Оно максимально для наиболее

129

легкого изотопа Ва.

Зависимость ИО для изотопов Те при максимальной энергии у-квантов Е, =25 МэВ увеличивается с увеличением числа нейтронов в ядре, и самое большое ИО имеет 1МТс. Это ИО представляет и самое большое значение из всех исследуемых нами нейтронных состояний Иц/г-

Интересно посмотреть и на изотопную зависимость ИО (рис.3). В этом

О)

к

I Ф

3

0

1 I-

о

0)

0

1

о.

си ^

о

со

0.320.280.24 0.200.160.120.080.04-

• • . ■

• ■ А

> ^ А Л А ^

• — \ ♦----?

■ «♦♦ + + + + + 1 ф + т

. * + +

V

. X +

т +- а

—I—1—I—'—I—'—I—'—I—1—I ■—I—1 I 1—I

10 12 14 16 18 20 22 24 26

Ег МэВ

Рис.2. Зависимость изомерных отношении для различных изотопов бария

от энергии у-квантов. Значки ( 129тВа

131т

Ва

133т

Ва

135т

Ва

"Ва + ) относится к интегральным сечений, сплошная

кривая - отношения дифференциальных сечений для * тВа и

отношении благоприятной группой ядер являются изотопы, имеющие замкнутые нейтронные оболочки № = 82) как 138Ва, 140Се, 142Ш и 1443ш. В (у,п) реакциях на этих ядрах возбуждаются состояния, имеющие одинаковые спины и четности в изомерном и основном состояниях и приблизительно одинаковые коэффициенты квадрупольной деформации в основном состоянии.

ИО имеет максимум в районе 140Се и |38Ва. Эта зависимость уменьшается с приближением к "замкнутой" протонной оболочке Ъ = 64. По-видимому аналогичная ситуация будет наблюдаться и с левой стороны этой зависимости при приближении к другой замкнутой протонной оболочке 7=50.

*

и

0.20

0) з:

I

О)

1 0.16-] I

н о

о 0.12

0

1

о.

| 0.08

О

со

^ 0.04-1

135Хе 137Ва 139Се 143Зт

*

т -1-

+

т I 1.

•

в

в

52 54 56 58 60 62 Число протонов, 7.

64

Рис. 3. Зависимость ИО от Ъ для изотопов с N=81.

Результаты измерений ИО для состояний Ъип, образующихся в реакциях (у,п) на 16 четных ядрах при максимальной энергии у-квантов Е-, =25 МэВ представлены на рис.4 [5,6]. Для самых легких и самых тяжелых ядер, которые соответствует началу и концу "острова" изомерии этих состояний, ИО, а вместе с ними и интегральные сечения наиболее низкие. Максимальные значения ИО имеют изотопы Эп и Те.

Таким образом, на ИО влияет целый ряд факторов: значения спинов изомерного и основного состояний, энергия связи нейтрона в начальном и конечном ядре, зависимость плотности уровней конечного ядра от энергии и спина, структура уровней выше изомерного состояния.

105 110 ' 115 120 125 130 135 140 145

Массовое число

Рис.4. ИО для состояний Ьц/2.

Энергия возбуждения ядра перед каскадом у-квантов зависит от энергии связи юйтрона. Поэтому в области гигантского дипольного резонанса, энергия юзбуждения ядра после вылета нейтрона будет меньше для легких изотопов. Это приводит к меньшему интервалу энергии для каскада у-квантов и, :ледователыю, к уменьшению ИО. Однако при больших энергиях у-квантов шияние этого фактора будет слабее.

Плотность уровней и распределение их по спину в конечном ядре оказывают ухцественное влияние на ИО. С увеличением параметров, определяющих ависимость плотности уровней от энергии возбуждения и спина ядра ИО растет.

Оба эти параметра растут с увеличением деформации ядра, что имеет место при уменьшении числа нейтронов в ядре.

И, наконец, спектр дискретных уровней над изомерным состоянием и вероятности переходов между ними определяют в конечном счете ИО. Однако данные о характеристиках этих уровней в исследованных изотопах далеко не полные.

В четвертой главе описаны измерения изомерного отношения для осколков деления и метод определения их угловых моментов. Относительное заселение основного и изомерных состояний с различными спинами зависит от первоначального распределения по спинам осколков. На рис. 5 показаны

134 232 238

угловые моменты I при делении ядер изотопов ТЬ(у,0 и Щу,Г) как функция числа нейтронов в допольнителыюм ему осколке [7].

Предполагается что энергия возбуждения этих нуклидов почти одинакова и что среднее число мгновенных нейтронов, испущенных из осколка с массой 135, приблизительно равно 1, т.е. значения 1ЧС для делящихся нуклидов 232ТЪ и 238и = 60 и 65 соответственно.

Так как 1341 является ядром, близким к дважды "магическому" (2 « 50, N » 82), форма которого мало отличается от сферы, дополнительный к нему осколок ( нейтроноизбыточные изотопы ЛЬ и У) обладает значительной деформацией. Энергия деформации в дальнейшем преобразуется в энергию возбуждения осколков. Угловой момент фрагмента уменьшается с увеличением N0 приближаясь к деформированной оболочке с 66 нейтронами. Поэтому, дополнительный к 1351 фрагмент становится более деформированным, начиная от фотоделения 232ТЬ вплоть до 238и.

Рис.5. Зависимость углового момента " I от числа нейтронов в дополнительном

ему осколке

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Расчитаны спектры тормозного излучения из толстых мишеней в области энергии от 1 до 30 МэВ для различных углов наблюдения и материала мишени.

2. Впервые измерены выходы и получены сечения нсупругого рассеяния у-квантов для высокоспиновых изомеров 180,1,НГ, 190тОч и "04тРЬ. Показан большой вклад квадрупольных переходов в каскаде у-квангов при заселении изомерного состояния.

3. На высокоспиновой изомерной мишени |80шТа получен аномально большой выход основного состояния при псупругом рассеянии у-квантов и электронов.

Наблюдалось слабое влияние квантового числа К в механизме девозбуждения этого состояния.

4. Впервые в области Гигантского дипольного резонанса измерены функции возбуждения реакций (у,п) на изотопах 130|1:,2'134'13бВа и 138Се. Впервые измерены ИО для изотопов U8'124Sn, 122'124'шТс, 138Д40Се, в (у,п) реакциях при максимальной энергии у-квантов Еу = 25 МэВ.

5. Исследованы особенности возбуждения изомерных состояний hu/2 (46 < Z < 64 и 50 < N < 82) в (у,п) реакциях области Гигантского дипольного резонанса. Получена зависимость ИО от энергии возбуждения, массового числа и атомного номера нуклидов.

6. Определены независимые выходы осколка деления 1341 в основном и изомерном состояниях и расчитан его угловой момент при фотоделении 232Th и 238U у-квантами с максимальной энергией 25 Мэв.

Основные результаты работы диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Kondev Ph.G., Tonchev А.Р., Khristov Kh.G. and Zhuchko V.E. Calculation of bremsstrahlung spectra from a thick tungsten radiator as a function of photon energy and angle. // Nucl. Instruments and Methods in Physics Research B. 1992. Vol.71, p.126-13

2. Balabanov N.P., Belov A.G., Gangrsky Yu.P., Kondev F.G., Tonchev A.P. Excitation of the high-spin isomers 180mHf, 190mOs, 204mPb in (y,y') reactions: Preprint JINR E15-93-370, Dubna, 1993.

3. Белов А.Г., Гангрски Ю.П., Зузаан H„ Тончев А.П., Выход 180Та в (у,у') и (е,е') реакциях: 45-е Международное совещание "Ядерная спектроскопия и структура атомного ядра" 1995, Санкт-Петербург, Россия.

4. Tonchev A.P., Gangrsky Yu.P., Belov A.G., Balabanov N.P., Hristov H.G. Measurement of the isomer ratio in (y,n) reaction for the barium isotopes in the giant dipole resonance region: Preprint J1NR E15-95-91, Dubna, 1995.; Ядерная Физика, 1996, т.60, N.2.

5. Тончев А.П., Гашрский 10.П., Балабанов Н.П., Белов А.Г. Возбуждение изомерных состояний hi 1/2 в фоюядернмх реакциях.: 45-е Международное совещание "Ядерная спектроскопия и структура атомного ядра" 1995, Санкт-Петербург, Россия.

6. Bclov A.G., Gangrsky Yu.P., Tonchcv A.P., Balabanov N.P. Photoactivation of isomer l37mCe in the region of Giant, Dipole Resonance. Workshop on application of microtrons in nuclear physics. Plovdiv, 22-24 September, 1992, p. 106-108.

7. Tonchev A.P., Kondev Ph.G., Gangrsky Yu.P., Balabanov N.P., Hristov H.G. Isomeric yield ratio of 134I in photofission of 232Th and 238U, // J.Radioanal.Nucl.Chcm., Letters 1991. Vol. 155(5). p.299-309.

Рукопись поступила в издательский отдел 19 апреля 1995 года.