Эмиссия нейтронов и динамика деления нагретых ядер тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Введение

1 Некоторые современные теоретические и экспериментальные методы изучения реакций слияния-деления.

1.1 Модель жидкой капли.

1.2 Основные механизмы реакций с тяжелыми ионами.

1.3 Делительные моды.

1.4 Диссипация энергии в процессе деления. Ядерное трение.

1.5 Метод нейтронных часов для определения временной шкалы реакций слияния-деления.

2 Экспериментальная установка

2.1 Подсистема для регистрации осколков деления - двух-плечевой времяпролетный спектрометр.

2.1.1 Детекторы осколков деления на базе микроканальных пластин.

2.1.2 Позиционно-чувствительные лавинные счетчики.

2.2 Позиционно-чувствительный нейтронный детектор (ПЧ

НД) на основе жидкого сцинтиллятора.

2.2.1 Методика регистрации быстрых нейтронов.

2.2.2 Конструкция и параметры ПЧНД.

2.3 Система сбора и предварительной сортировки данных.

2.4 Обработка данных.

2.4.1 Восстановление массовых и энергетических распределений осколков деления.

2.4.2 Построение энергетических спектров нейтронов.

2.4.3 Определение множественностей нейтронов.

2.5 Калибровка установки HENDES на спонтанном источнике 252Cf.

3 Множественности нейтронов в делении 220Th. Временная шкала деления.

3.1 Экспериментальные условия.

3.2 Выделение канала полного слияния с последующим делением.-.

3.3 Определение временной шкалы деления. 220Th по множественности предделительных нейтронов.

4 Испускание нейтронов в делении 238U протонами с энергией 20-60 МэВ

4.1 Постановка эксперимента.

4.2 Экспериментальные результаты и их обсуждение

4.2.1 Массовые распределения осколков деления

4.2.2 Параметры полной кинетической энергии осколков

4.2.3 Учет испускания частиц до момента формирования составного ядра

4.2.4 Зависимость множественности и средней энергии нейтронов отэнергии протона

4.2.5 Зависимость множественности и энергии постделительных нейтронов от массы и полной кинетической энергии осколков деления.

4.2.6 Выходы постделительных нейтронов для различных мод деления.

4.2.7 Энергетический баланс реакции.

4.2.8 Множественности предделительных нейтронов в различных диапазонах масс и ТКЕ осколков деления.

4.3 Теоретическое описание динамики реакции.

Со времени создания Бором и Уилером первой модели деления [64] - модели жидкой капли (МЖК) - научное сообщество продвинулось далеко вперед по пути понимания этого сложнейшего явления. Наиболее существенным развитием МЖК стал учет вращения делящегося ядра [101], учет влияния оболочечных поправок [12] и др. введение диффузной поверхности ядра [211], а также переход к рассмотрению деления как динамического процесса.

Толчком к изучению динамики деления стали работы по измерению множественностей нейтронов, испускаемых на различных стадиях реакций слияния-деления [132, 144]. Основным экспериментальным фактом, свидетельствующим о наличии динамических процессов, замедляющих деление составной системы в реакциях слияния- деления, было превышение числа частиц (нейтронов, легких заряженых частиц, фотонов), испущенных на предделительной стадии реакции. То есть, время, в течение которого испускаются предделительные частицы, оказалось существенно больше, чем время коллективного движения идеальной ядерной жидкости. Природа этого явления связана со взаимодействием коллективной и одноча-стичной степеней свободы в делящемся ядре, вызывающим динамическое замедление формирования делительной (коллективной) степени свободы. Это замедление обычно формулируется в терминах

5. ядерного трения.

Несмотря на значительные экспериментальные и теоретические успехи, достигнутые за последнее время, природа и величина ядерного трения до сих пор остается одной из важнейших нерешенных проблем ядерной физики. В настоящее время существует несколько подходов к описанию этого явления: однотельное трение ("wall and window") (напр, [298, 299]), двутельное трение [248], модель поверхностного трения [135] и др. Различные теоретические подходы к описанию динамики деления предсказывают различное поведение параметра вязкости с изменением энергии возбуждения.

Непосредственное определение временной шкалы реакций слияния деления и связанных с ней параметров ядерного трения как правило производится методом нейтронных часов (напр., Hilscherl992, [182]). Делались также попытки использовать для этой цели легкие заряженные частицы напр., [224, 138] и гамма-кванты (напр., [152]).

В настоящее время метод нейтронных часов представляет собой сформировавшийся инструмент для изучения динамики реакций слияния- деления. Для экспериментальной реализации этого метода необходимо иметь высокоэффективную систему регистрации нейтронов в совпадении с продуктами деления, позволяющую измерять энергетическое и угловое распределение нейтронов в широком диапазоне углов. Геометрические параметры такой установки должны позволять варьировать положение и тип детекторов фрагментов деления и нейтронов в зависимости от конкретной задачи, а также позволять вводить в систему при необходимости другие детекторы, например ДЕ-Е телескопы для регистрации легких заряженных частиц. В наибольшей степени этим требованиям удовлетворяет модульная система, состоящая из позиционночувствительных нейтронных детекторов.

Цель работы состояла в создании высокоэффективной системы регистрации нейтронов в совпадении с продуктами деления и в сравнении характеристик нейтронной эмиссии и динамики деления ядер 220Th и 239Np, полученных при различных начальных энергиях возбуждения в реакциях с тяжелыми ионами и с нуклонами.

В работе получены следующие новые результаты:

• Создана новая модульная высокоэффективная система регистрации нейтронов на основе позиционно-чувствительных нейтронных детекторов (ПЧНД). Система позволяет измерять энергетические и угловые распределения нейтронов в диапазоне энергий 0.5 - 55 МэВ и диапазоне углов 0=0-2pi. Модули ПЧНД, составляющие систему, имеют в этом диапазоне энергий собственную эффективность от 30% до 15%, временное разрешение не хуже 0.8 не и позиционное разрешение 10 см. Сбор и обработка данных с установки полностью автоматизированы.

• Получены новые данные о зависимости множественности пред-делительных и постделительных нейтронов в реакции 40Ar + 180Hf от энергии аргона в диапазоне 180 - 249 МэВ.

• Впервые методом нейтронных часов определена временная шкала реакции 40Ar + 180Hf, установлен пороговый характер зависимости ядерного трения от энергии возбуждения. Впервые измерены зависимости параметров нейтронной эмиссии в реакции р + 238U в диапазоне энергий протона 20 - 60 МэВ от начальной энергии возбуждения системы, массы и энергии

7. осколков деления.

• Измерены массовые и энергетические распределения осколков деления в реакции р + 238U в диапазоне энергий протона 20 -60 МэВ, а также изучено влияние на эти распределения эмиссии нейтронов на различных стадиях реакции.

• Определена временная шкала реакции р + 238U и параметры ядерного трения.

Научная и практическая ценность работы.

Созданная в результате работы высокоэффективная система регистрации нейтронов на основе позиционно-чувствительных нейтронных детекторов может быть использована для решения широкого класса задач, связянных с измерением нейтронов. В частности, установка HENDES уже использовалась в Ускорительной лаборатории университета г. Ювяскюля, Финляндия, как для измерений нейтронов в реакциях слияния-деления, так и для определения абсолютных выходов нейтронов в реакциях р + 1213С и d + 9Ве, которые планируется использовать для получения вторичных пучков нейтронов.

Созданное программное обеспечение позволяет полностью автоматизировать сбор данных. Разработанная методика обработки корреляционных измерений з^спешно используется для анализа результатов, полученных на других типах детекторов тяжелых продуктов деления и нейтронов (например, на установке CORSET и нейтронных детекторах коллаборации DEMON).

Результаты исследования параметров нейтронной эмиссии и оскол ков деления могут быть использованы при создании моделей про

8. цесса слияния- деления, учитывающих динамические аспекты эволюции системы.

Результаты измерения выходов осколков и нейтронов при делении 238U протонами в диапазоне энергий 20 - 60 МэВ представляют интерес при решении задач, связанных с трансмутацией отработанного ядерного топлива.

Апробация работы.

Результаты диссертации докладывались на:

• 15th European Physical Society Conference, LEND-95, 17-23 Апреля 1995 г С.-Петербург, Россия.

• XLVII Совещании по ядерной спектроскопии и структуре атомно го ядра, 10-13 июня 1997 г., Обнинск, Россия.

• Международной конференции по ядерной физике "Clustering phenomena in nuclear physics", 14-17 июня 2000 г., С.-Петербург, Россия. а также на семинарах в Радиевом Институте и на кафедре ядерной физики Санкт-Петербургского Государственного Университета.

Основные результаты, изложенные в диссертации, были опубликованы в работах:

1. A.V. Kuznetsov, I.D. Alkhazov, D.N. Vakhtin et.al., Neutron multi detector system: the mutual influence of its modules. Nucl. Instr. and Meth. A346 (1994) p.259.

2. A.V. Kuznetsov et al., Pre- and post-scission neutron emission in the reaction 40Ar + 180Hf at Elab = 216 MeV. Proc. of the 15th European Physical Society Conference, LEND95, St.Petersburg, April 18-22,

1995, eds. Yu. Oganessian et al. (World Scientific Publishing Co.), (1995) p.252.

3. W.H. Trzaska et al. HENDES a New Tool in the Study of Fission. Pioc. of the 15th European Physical Society Conference, LEND95, St.Petersburg, April 18-22, 1995, eds. Yu. Oganessian et al. (World Scientific Publishing Co.), (1995) p.246.

4. A.V. Kuznetsov, V.A. Rubchenya, D.N. Vakhtin et al. Pre- and post-scission neutron emission in the reaction 180Hf(40Ar, fission) at Elab = 216 MeV. Zeitschrift fur. Phys. A354, (1996) p.287.

5. W.H.Trzaska et al. Study of Isospin Dependence of Nuclear Collective Dynamics in Fusion-Fission Processes with HENDES. Proc. of Internation. Symposium "Large-Scale Collective Motion of Atomic Nuclei", Brolo (Messina), Italy, Oct. 15-19, 1996, Published by World Scientific, (1997) p.637.

6. W.H. Trzaska et al. Research on Fission Dynamics at JYFL Using HENDES -High Efficiency Neutron Detection System. Acta Phvsica Polonica B, vol.28, (1997) p.443.

7. W.H. Trzaska et al. HENDES - High Efficiency Neutron Detection System for Correlation Measurements with HI Beams. Proc. of XIV Int. Conf. on the App. of Accelerators in Research and Industry, Denton, Texas, USA, November 6-9, 1996, //in CP392. "Application of Accelerators in Research and Industry", edited by J.L.Duggan and I.L.Morgan, AIP Conference Proceedings 392, vol. 2, (1997) p.1059.

8. W\H. Trzaska et al. Recent results from HENDES collaboration. Proc. of VI Inter. School Seminar on Heavy Ions Physics, Dubna,

10.

Russia, September 22-27, (1997).

9. J. Aysto and HENDES Collaboration, New results on superasymmetric fission at intermediate energy. JYFL Preprint No. 16/1997, (1997).

10. W.H. Trzaska and HENDES Collaboration, Current research at HENDES Proc. of the "Meeting on Demon Detector Related Heavy Ion Physics", Warsaw, 6-8 November, 1997 Nukleonika vol.43.n.3, (1998) p.291.

11. Trzaska W.H. et al., Fragment Mass Distributions in Superasymmetric Region in Proton-Induced Fission of U and Th. II Nuovo Cimento, vol.111 A, N8-9, (1998) p.1055.

12. V.A. Rubchenya et al. Fission time scale and viscosity for compound nucleus 220Th formed in reaction 40Ar + l80Hf at Elab = 180, 190, 216, 249 MeV. Phys. Rev. C58, N3, (1998) p.1587.

13. Rubchenya V.A. et al., Fission Modes in 238U-f-d Reaction at Intermediate Energy. Proc. of the 2nd Int. Conf. on Fission and Neutron-Rich Nuclei, June 28-July 2, 1999. Sy.Andrews, Scotland (1999).

14. Д.Н.Бахтин и др., Эмиссия нейтронов в реакции 40Ar + 180Hf при ЕЛаб = 180, 190, 216, 249 МэВ. Известия Академии Наук, Серия физическая. Т.39. N1. (1999) С.207.

15. V.A. Rubchenya, W.H. Trzaska, D.N. Vakhtin et al., Neutron and fragment yields in proton-induced fission of 238U at intermediate energies. Nucl. Instr. and Meth. A463, (2001) p.653.

Диссертация состоит из четырех глав и одного приложения. В первой главе приведен краткий обзор основных теоретических подходов к изучению реакций слияния-деления, излагаются основы

11. метода нейтронных часов для определения временной шкалы деления.

Вторая глава посвящена описанию высокоэффективной системы регистрации нейтронов в совпадении с осколками деления HENDES. Приводится конструкция и параметры позиционно-чувствительных нейтронных детекторов (ПЧНД), составляющих основу системы, а также излагаются методика обработки данных с многопараметрической установки и способы определения множественности нейтронов, испускаемых на различных этапах реакции.

В третьей главе излагаются результаты измерений зависимости множественности предделительных и постделительных нейтронов в реакции 40Ar + 180Hf от энергии аргона в диапазоне 180 - 249 МэВ. Приведены результаты сравнения модельных расчетов по программе SCRONMCD с экспериментом и значения параметров динамической модели, позволяющие описать экспериментальные данные. Делаются выводы о характере зависимости величины ядерного трения от энергии возбуждения системы.

В четвертой главе приводятся результаты измерения зависимости параметров нейтронной эмиссии в реакции р + 238U в диапазоне энергий протона 20 - 60 МэВ от начальной энергии возбуждения системы, массы и энергии осколков деления, а также массовые и энергетические распределения осколков деления. Обсуждается характер взаимного влияния эмиссии нейтронов и выбора ядром той или иной моды деления. Определена временная шкала реакции р + 23bU и параметры ядерного трения.

В Приложении приведена таблица с результатами более 170 измерений параметров нейтронной эмиссии в делении, выполненных

12. с 1975 г. по настоящее время. Таблица может представлять самостоятельный интерес для специалистов при планировании экспериментов, построении систематик, а также при составлении обзоров литературы.