Исследование эффектов угловой анизотропии в делении тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На правах рукописи

Копач Юрий Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ УГЛОВОЙ АНИЗОТРОПИИ В

ДЕЛЕНИИ

Специальность 01.04.16 — Физика атомного ядра и элементарных частиц

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель — доктор физико-математических наук А.Б. Попов

Дубна - 1999 год

Содержание

Введение 4

Часть I Исследование угловой анизотропии осколков деления выстроенных ядер U под действием резонансных нейтронов 10

1 История вопроса и мотивировка 11

2 Теория 14

3 Эксперимент 16

3.1 Методика выстраивания ядер .......................................16

3.1.1 Основные определения.....................................16

3.1.2 Выстраивание ядер урана в кристаллах уранил-рубидиевого нитрата ...................................17

3.2 Описание экспериментальной установки......................18

3.2.1 Рефрижератор с растворением 3Не в АНе..........................18

3.2.2 Рабочие образцы и детекторы........................................19

3.2.3 Система сбора данных ................................................20

3.3 Проведение эксперимента......................................................23

4 Обработка экспериментальных данных 25

4.1 Общие замечания .....................................25

4.2 Определение и вычитание фона...................... . 26

4.3 Определение средних значений полиномов Лежандра ....................28

4.4 Определение температуры и выстроенности................................29

4.5 Определение Аг .......................................31

5 Извлечение резонансных параметров 35

5.1 Д-матричный формализм ....................................................35

5.2 Описание программы SAMMY..............................................36

5.3 Экспериментальные данные, используемые в анализе....................37

5.4 Процедура подгонки .............................................38

6 Обсуждение результатов 40

6.1 Набор резонансных параметров..............................................40

6.2 Разложение сечений по К - компот ie п т ам......................................46

6.3 Интегральные и статистические характеристики . .......................51

6.4 Влияние абсолютного значения А2............................................53

Часть II Угловые корреляции нейтронов и 7-квантов в

тройном делении 252С7 57

7 Особенности процесса тройного деления 58

8 Эксперимент 60

8.1 Описание экспериментальной установки ..................60

8.1.1 Crystal ВаII спектрометр.................... . . . 61

8.1.2 Двойная ионизационная камера ......................................61

8.1.3 Кольцо из АЕ — Е телескопов........................................63

8.2 Проведение эксперимента......................................................65

8.3 Первичная обработка экспериментальных данных..........................65

8.3.1 Калибровка Crystal Ball спектрометра..............................65

8.3.2 Разделение нейтронов и 7-квантов и учет эффекта перерассеяния нейтронов................................................................67

8.3.3 Определения энергий и масс осколков...........................69

8.3.4 Определения углов вылета осколков...............' . . 71

8.3.5 Идентификация и определение углов вылета легких заряженных частиц ..................................................................76

9 Угловая анизотропия 7-квантов 77

9.1 Особенности анализа данных по 7-квантам ................................77

9.1.1 Сортировка экспериментальных данных в "динамическую" систему координат........................................................77

9.1.2 Устранение примесей нейтронов в 7-спектре........................78

9.1.3 Учет поправок на отсутствующие кристаллы............78

9.1.4 Учет влияния углового разрешения С В спектрометра и перерассеяния 7-квантов........................................................79

9.2 Анизотропия 7-квантов по отношению к оси деления......................80

9.3 7-анизотропия по отношению к а-частице..................................84

9.4 Угловые 7 корреляции для других частиц..................................86

9.5 Механизм формирования спинов осколков ..................................88

10 Испускание нейтронов из LCP 90

10.1 Наблюдение усиления нейтронной интенсивности..........................90

10.2 Обработка нейтронных спектров..............................................91

10.2.1 Симуляция угловых распределений нейтронов из легких заряженных частиц с помощью траекторных расчетов......................91

10.2.2 Определение нейтронного фона от осколков........................92

10.2.3 Определение углового разрешения С В спектрометра при регистрации нейтронов......................................................93

10.2.4 Определение выходов 5 Не, 7Не и 8Li................................94

10.3 Некоторые характеристики экзотических LCP..................98

СОДЕРЖАНИЕ 3 10.4 Систематика выходов изотопов гелия.................... 100

Заключение 102

Список литературы 105

Введение

В конце 1938 года Ган и Штрассман обнаружили, что при облучении нейтронами ядер урана образуются радиоактивные изотопы бария — элемента, находящегося в середине периодической таблицы элементов. Эти результаты были вскоре объяснены Мейтнер и Фришем как деление ядер урана на два более легких осколка. Открытие деления оказалось чрезвычайно важным как для прикладных целей, так и с точки зрения фундаментальной науки — для понимания сути процессов, происходящих в микромире. За время, прошедшее с момента открытия деления, накоплен огромный экспериментальный материал. Трудно найти какой-то аспект этого процесса, который не был бы исследован в той или иной мере. Обилие экспериментальных данных позволило выявить и объяснить основные закономерности ядерного деления. Тем не менее, удовлетворительного теоретического описания процесса деления до сих пор не существует.

Обычно под делением подразумевают распад тяжелого ядра на два сравнимых по массе осколка. Так как осколки образуются в возбужденных состояниях, процесс деления сопровождается испусканием нейтронов и 7-квантов из осколков. Кроме того, с заметной долей вероятности ядро может распадаться на три осколка, один из которых намного легче двух других и преимущественно является а-частицей. Такой процесс получил название тройного деления.

Как экспериментальные исследования, так и теоретические работы показывают, что угловые распределения продуктов деления неизотропны. В случае осколков наблюдается асимметрия вылета по отношению к направлению спина делящегося ядра, направлению нейтронного пучка или направлению нейтронной поляризации. В тройном делении а-частицы фокусируются преимущественно в плоскости, перпендикулярной оси деления. Нейтроны и 7-кванты также демонстрируют наличие выраженной анизотропии по отношению к оси деления. Большинство из наблюдаемых эффектов уже имеет качественное теоретическое объяснение. Тем не менее количественный анализ угловых распределений продуктов деления в ряде случаев представляет собой достаточно сложную задачу и дает дополнительную уникальную информацию, необходимую для понимания фундаментальных свойств процесса деления. В то же время существует ряд эффектов, в частности в тройном делении, которые до сих пор не имеют даже качественного объяснения.

Пожалуй, одним из наиболее изученных в настоящее время является нейтронно-ин-дуцированное деление. Благодаря отсутствию кулоновского барьера сечение захвата нейтрона достаточно высоко, при этом для ряда ядер энергия связи нейтрона выше барьера деления, что делает возможным деление даже под действием тепловых нейтронов. Использование время-пролетной методики дает возможность изучать зависимость нейтронных сечений от энергии нейтрона с точностью до долей электрон-вольт. Ис-

следование свойств нейтронных резонансов является одним из уникальнейших средств для получения информации о квантово-механических характеристиках деления.

Первые измерения сечения деления и пропускания для 235II на резонансных нейтронах были проведены Е.Е. Андерсоном и др. в Лос Аламосе в рамках Манхэттенского Проекта [1]. Были обнаружены резонансы при энергиях нейтронов 0.3, 1.1, 2.0, 3.3, 4.8, 5.7, 9, 12, 20 и 40 эВ. Сам факт наличия резонансной структуры у делящихся изотопов оказался неожиданностью для многих ученых. Если предположить, следуя Н.Бору и Уилеру [2], что средняя делительная ширина (Г/) = N0/2тг, где О — среднее расстояние между уровнями, N — число каналов деления и считать каждую возможную комбинацию пар осколков делительным каналом, тогда (Г/) т.е. никакой резонансной структуры в делении быть не должно. Этот парадокс был окончательно разрешен О.Бором в докладе, представленном на первой конференции по мирному использованию атомной энергии в Женеве в 1955 г. [3]. Введенное им понятие переходных состояний или, как их теперь называют, каналов Бора представляет собой состояния компаунд ядра в седловой точке, т.е. в момент, когда ядро проходит максимум потенциального барьера деления. В этом состоянии почти вся энергия сосредоточена в виде энергии деформации ядра, при этом число квантовых состояний (которые Бор и назвал каналами деления) невелико. Они представляют собой сравнительно простые формы коллективного движения ядерной материи и должны формировать спектр, качественно похожий на спектр, наблюдаемый при низкоэнергетическом возбуждении основного состояния ядра. Бор также предположил, что разница в высоте барьера деления для состояний компаунд ядра с различными спинами и четностью должна привести к разного рода "правилам отбора" в делении. В частности, анизотропия вылета осколков деления по отношению к направлению спина компаунд ядра должна зависеть от квантового числа К, являющегося проекцией спина ядра на ось симметрии.

Оказалось, что данные по угловой анизотропии осколков являются единственным источником информации о /^-структуре сечения деления и, следовательно, об относительных вероятностях прохождения деления через тот или иной боровский канал. Более того, в терминах ¿'-матричного формализма описания сечения нейтронно-индуцированного деления в резонансной области без информации об угловых распределениях осколков деления оказывается вообще невозможным получить однозначный набор резонансных параметров. Таким образом, измерения зависимости угловой анизотропии осколков от энергии налетающего нейтрона дают дополнительные уравнения для извлечения з-волновых делительных амплитуд. Этому посвящена первая часть данной работы.

Во второй части диссертации исследуются некоторые новые аспекты нейтронного и '/-излучения в спонтанном делении 252С/. Изучение спонтанного деления в принципе технически несколько проще, так как это не требует использования каких-либо источников нейтронного (или какого-то другого) излучения. В эксперименте, проведенном в 1994 году в Германии, наряду с обычным двойным делением исследовалось деление, сопровождаемое испусканием легких заряженных частиц. Использование современных детекторных систем позволило накопить достаточную статистику по тройному делению, получив при этом уникальную информацию об эмиссии нейтронов и 7-квантов.

Изучение 7-эмиссии в делении дает информацию о структуре возбужденных уровней и распределении спинов осколков. Хотя экспериментального материала о спинах

осколков в делении накоплено достаточно много [4, 5, 6], тем не менее в настоящее время нет единого теоретического объяснения механизма формирования спинов осколков. Существует две модели, в принципе позволяющие объяснить формирование и выстраивание спинов. Согласно первой колебательные квантово-механические движения ядерного вещества в момент разрыва переходят в угловые моменты осколков деления [7]. Другой возможностью, является формирование спинов осколков за счет кулоновского взаимодействия деформированных осколков в момент непосредственно после разрыва, приобретающих таким образом достаточный угловой момент [8].

В двойном делении существуют достаточно надежные и полные экспериментальные данные по угловым распределениям 7-квантов (см. напр. [4, 5]). Намного более интересным представляется исследование угловой анизотропии 7-излучения в тройном делении, так как в этом случае кроме оси деления появляется еще одно выделенное направление — направление движения легкой заряженной частицы. И хотя сама частица не является источником 7-излучения и из-за ее малости, по-видимому, существенно не влияет на поведение системы в момент разрыва, тем не менее направление ее движения может быть определенным образом скоррелировано с угловыми моментами осколков. Наблюдение или ненаблюдение такой корреляции в 7-излучении может привести нас к более полному пониманию механизма формирования спинов.

В тройном делении известны только две экспериментальные работы. В одной из них О. Иванов [9] измерил угловую анизотропию 7-квантов по отношению к оси деления (отношение W(0°)/W(90°)) для случаев двойного и тройного деления. В случае двойного деления было получено значение анизотропии, близкое к известным данным из других работ, в тройном же делении величина анизотропии равнялась нулю в пределах статистической точности. На основании этих результатов автор предположил, что присутствие третьей частицы в момент формирования спинов осколков приводит к полной дезориентации спинов. В более поздней работе Пильц и Нойберт [10] измерили кривые угловых распределений 7-квантов по отношению к оси деления для двойного и тройного деления. В двойном делении также было получено согласие с предыдущими работами, в то время как в тройном делении наблюдалось изменение формы угловой зависимости со смещением максимумов в район углов 30° и 150°. Для объяснения этого эффекта авторы предложили модель, в которой предполагалось наличие особого рода корреляции между направлениями импульса тройной частицы и спинов осколков. А. Барабанов [11] предложил альтернативное объяснение, предполагающее корреляцию вылета а-частицы с колебательными модами ядерного вещества в момент разрыва, которые предположительно отвественны за формирование и выстраивание спинов осколков.

Следует заметить, что обе вышеупомянутые экспериментальные работы по тройному делению были выполнены в условиях плохой геометрии и малых телесных углов, что могло привести к появлению дополнительной систематической погрешности в полученных результатах. Это, в свою очередь, могло привести к искаженному теоретическому описанию механизма формирования спинов, а также механизма самого тройного деления.

Результаты, представленные в данной работе, были получены с использованием 47г-установок высокой эффективности и однородности, что сводит к минимуму возможные систематические ошибки. Были исследованы как угловые распределения 7-квантов по отношению к оси деления, так и по отношению к направлению вылета

легкой заряженной частицы. Впервые получены результаты для более тяжелых тройных частиц. Данная работа позволяет прояснить экспериментальную ситуацию в этой области, хотя вопрос теоретической интерпретации все еще остается открытым. •

Испускание нейтронов в двойном делении также достаточно полно изучено. Зависимость множественности и энергии нейтронов от масс осколков дает информацию о плотности уровней возбуждения осколков деления. Большой интерес представляет также эволюция параметров нейтронного излучения при переходе от двойного к тройному делению, а также при испускании все более тяжелых тройных частиц, когда система становится достаточно холодной. Еще одним интересным феноменом является испускание нейтронов из легких заряженных частиц. В самом деле, вполне вероятно образование тройной частицы в возбужденном состоянии, которое распадается путем эмиссии одного или двух нейтронов. Кроме того, возможно также образование нейтронно-нестабильных изотопов, распадающихся на нейтрон и стабильную частицу за время порядка Ю-21 — Ю-20 сек, что сравнимо со временем ускорения продуктов деления во взаимном кулоновском поле. Анализ угловых и энергетических распределений таких нейтронов совместно с траекторными расчетами эволюции системы в кулоновском поле может дать уникальную информацию о динамике процесса деления в момент, близкий к разрыву.

Увеличение выхода нейтронов по направлению вылета тройной аг-частицы впервые наблюдалось Нефедовым и др. в 1966 г. [12]. Впоследствии, Хейфетц и др. [13] измерили ^коррелированные энергетические спектры нейтронов и а-частиц и объяснили полученные результаты испусканием в качестве тройных частиц ядер 5Не. Граевский и Солякин [14] также наблюдали усиление нейтронной интенсивности по направлению ск-частицы и указали на возможность образования ядер 6Не в возбужденном состоянии с последующим распадом на «-частицу и два нейтрона.

В данной работе впервые были измерены полные угловые корреляции нейтронов, легких заряженных частиц и осколков деления. Кроме случая формирования 5Не, впервые наблюдалось аналогичное усиление нейтронной интенсивности при испускании 6Не и 2л, что объясняется формированием нестабильного изотопа 7 Не и распадом первого возбужденного состояния 8Ы. Благодаря наличию полной информации об угловых распределениях нейтронов удалось с хорошей точностью определить выходы нестабильных гелиевых изотопов. Большое различие в экспериментальных и теоретических значениях выходов и видимое отсутствие четно-нечетного эффекта приводит к пересмотру некоторых положений существующих теорий тройного деления.

Ди�