Исследование свойств нуклидов в диапазоне массовых чисел А=80-86, представляющих астрофизический интерес тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

САНКТ - ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НУКЛИДОВ В ДИАПАЗОНЕ МАССОВЫХ ЧИСЕЛ А - 80 - 86, ПРЕДСТАВЛЯЮЩИХ АСТРОФИЗИЧЕСКИЙ ИНТЕРЕС

Специальность 01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правахрукописи

Санкт - Петербург

2004 г.

Работа выполнена на кафедре ядерной физики физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор

Новиков Юрий Николаевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Митропольский Иван Андреевич

доктор физико-математических наук

Чечев Валерий Павлович

Ведущая организация:

Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе РАН

Защита состоится «0?4» АлрыА, 2004 г. на заседании диссертационного совета Д 212.232.16 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034 Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета.

Автореферат разослан

Ученый с е к р е диссертационного совета

уг^г-

В . Чубинский-Надеждин.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Одним из основных мотивов развития физики ядра является задача осознания богатства всей таблицы нуклидов как ступенек в творении окружающего мира. Все разнообразие ядерного состава Вселенной сводится примерно к 300 нуклидам, и современный уровень науки позволяет описать историю появления этих нуклидов и их распространенность. Для описания особенностей протекания процессов нуклеосинтеза необходима информация о временах жизни, массах ядер, знание схем распада, сечений захвата нуклонов, вероятности испускания запаздывающих частиц для нуклидов, занимающих весьма обширные области на нуклидной карте. В то же время, имеются области нуклидов и отдельные ядра, которые играют ключевую роль в описании тех или иных астрофизических процессов. К ним относятся нуклиды, располагающиеся непосредственно на пути этих процессов. Расчет пути процессов основывается на использовании "сетки" данных [1], полученных из анализа свойств нуклидов и сечений реакций захвата, ответственных за протекание процессов. В случае взрывных процессов (г и гр) в расчет вовлечены основные состояния ядер, которые частично известны, или неизвестные нуклиды, свойства основных состояний которых могут быть предсказаны. Однако на пути процессов могут быть изомерные состояния, экспериментально еще не обнаруженные, которые трудно предсказать, но которые могут существенно изменить характер процесса. Поэтому, поиск изомерных состояний нуклидов, лежащих на пути г и гр-процессов, представляется весьма важным.

Информация об экзотических ядрах, охваченных гр-процессом в области массовых чисел А > 80, весьма скудная, и там, где она имеется, получена, как правило, одной экспериментальной группой и требует подтверждения. Так возникает насущная необходимость ревизии основных свойств ядер - таких,

как период полураспада, основные моды распада, особенно связанные с разрядкой по каналу испускания электронов, запрещенному в звездных условиях. При высокой температуре в астрофизических объектах совокупность ядер будет образовываться не только в основном состоянии, но будет распределяться и по нижним возбужденным уровням в соответствии с распределением Больцмана. Но поскольку при подобных условиях все ядра будут полностью ионизированы, каналы распадов с участием орбитальных электронов будут закрыты. Наличие значимой ветки конвертированного распада у нейтрального долгоживущего изомера может притормозить внутренний переход при экстремальных звездных условиях и тем самым изменить характер гр-процесса.

Цель работы. Важнейшим вопросом в описании гр-процесса является его протяженность на карте нуклидов» Последние расчеты [2] показывают, что в области А ~ 80 нуклид 84Мо, содержащий дважды полумагическое ядро 807г плюс альфа-частицу, является вероятным кандидатом для прерывания процесса. Поэтому появляется возможность консервации всего

задействованного вещества в так называемом Zr-Nb цикле (рисунок 1).

•

N : _

Мо Ч 1 К * 1

ль Щ

Ъг * | ч^ \

V | N ■» 1

\ | % •* > ■

1 1 ч

Г 1 ■ 1

ё 1 I

36 I" 38 40 42 44

Рве. 1. Путь гр-ороцесса в области А ~ 80. Возможное зацикливание обозначено жирной линией. Черным цветом обозначены стабильные ядра, серым - изученные в

данной работе.

Однако интенсивность потока нуклидов замкнутого цикла определяется свойствами всех ядер, через которые он проходит.

Основная цель экспериментов, проведенных на установке IGISOL (Ion Guide Isotope Separator On-line) (Jyvaskylü, Финляндия) заключалась в получении информации о распаде экзотических ядер с N ~ Z в области массового числа А ~ 80. Изучаемые в работе ядра обозначены на рисунке 1 серым цветом, работа сфокусирована на получение спектроскопической информации о нуклидах, вовлеченных в гр-процесс. Большое внимание уделяется поиску долгоживущих изомеров, с периодом полураспада, близким к ожидаемой длительности процесса 10 - 100 с.

Научная новизна. В работе произведен поиск изомерных состояний экзотических нуклидов, принимающих участие в астрофизическом процессе быстрого протонного захвата. Обнаружен новый изомер в не

обнаружено изомерное состояние в о котором сообщалось в литературе. Детально исследован распад изомерного состояния 80Y и впервые определено время жизни изомера в "голом состоянии". Указана важность учета изомерных переходов при описании rp-процесса, через который проходит основной поток нуклидов.

Исследование распада другого изомерного состояния

позволило

впервые определить экспериментальное значение приведенной вероятности захвата нейтрино ядром что усилило утверждение о возможности

использования данного нуклида в качестве детектора солнечных нейтрино.

Необходимость учета изомерных состояний признавалась в астрофизических исследованиях и ранее, однако, целенаправленный поиск изомеров вдоль пути rp-процесса произведен впервые.

Получен большой методический материал по работе установки IGISOL, опробованы различные варианты газовой ячейки, в которой осуществляется торможение продуктов реакции, предложены методы по улучшению

эффективности выделения ионов. Определены экспериментальные величины выходов нуклидов в области массового числа А ~ 80.

Прастическая ценность. Полученные результаты демонстрируют возможности образования, выделения и сепарации короткоживущих ядер с помощью установки, использующей газ в качестве термализующей среды.

Полученные в работе новые спектроскопические данные об изомерных состояниях нуклидов, а также новые результаты об известных ранее изомерах и основных состояниях, войдут в справочные издания и базы ядерных данных.

Исследованные изомерные состояния должны быть включены в «сетку» расчетов астрофизического гр-процесса.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на третьей международной конференции по экзотическим ядрам и атомным массам ЕКЛМ в 2001 году (ИагпеепНша, Финляндия), а также на научных семинарах кафедры ядерной физики Санкт-Петербургского государственного университета, циклотронной лаборатории университета города Ювяскюля, (Финляндия) и Петербургского института ядерной физики РАН.

Достоверность полученных результатов. Было произведено сравнение результатов, полученных в данной работе, с результатами других независимых исследований. Аналогичные, но менее подробные или более грубые результаты спектроскопии изученных ядер представлены в работах [3, 4, 5, 6]. Рассчитанная величина скорости

81-п

нейтринного захвата ядром Вг находится в согласии с ранее оцененным значением [7], и уточняет его в соответствии со спектроскопическими данными, полученными в данной работе.

Публикации, Основные результаты диссертации опубликованы в 5 работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Общий объем диссертации - 91 страница, включая библиографию из 77 наименований. Работа содержит 43 рисунка и 8 таблиц, размещенных внутри глав.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении представлен краткий обзор современного состояния экспериментальных исследований нуклидов и описывается взаимосвязь астрофизики и ядерной физики.

В первой главе диссертации представлено краткое изложение современных взглядов и сведений о синтезе ядер (нуклеосинтезе) в процессе рождения и эволюции звезд. Прогресс в этой области науки связан с достижениями физики ядра и элементарных частиц. Наиболее интересными для нас являются различные аспекты протекания гр-процесса в области элементов за железным пиком, а также вопросы, связанные с регистрацией солнечных нейтрино детектором на основе

Во второй главе диссертации приведен обзор различных реакций, используемых для получения экзотических ядер. Наибольшее внимание уделено реакции слияния средних ядер при энергии пучка несколько МэВ на нуклон с последующим охлаждением составного ядра, как основного механизма получения искомых нуклидов.

В третьей главе приведено краткое сравнение методов разделения пучков радиоактивных ядер, обсуждаются преимущества и недостатки различных типов систем. Описывается установка IGISOL как промежуточный вариант ISOL и In-flight систем.

Четвертая глава посвящена подробному описанию установки IGISOL, дается описание основных процессов, происходящих с ионами в газе (рисунок 2). В основу положены материалы методических экспериментов,

Рис. 2. Схематическое изображение )С1аиовкн IUG1SOL.

проведенных диссертантом как в on-line, так и в off-line режиме. С помощью открытого а-источника измерены среднее время эвакуации ионов из газового объема, определены зависимости эффективности газовой камеры от давления, расстояния а-источника до выходного отверстия, уровня чистоты буферного газа. На основе приводимых результатов тестовых экспериментов, выполненных на установке, делаются выводы о способах улучшения эффективности работы газовой ячейки.

В пятой главе приведены результаты экспериментов по изучению распада нейтронодефицитных ядер в области А - 80, участвующих в гр-процессе. Набранный материал упорядочен но возрастанию массовых чисел изучаемых нуклидов. Подробно рассматривается этап проведенной диссертантом подготовки к экспериментам, включающий установку мишени, выбор энергии налетающего пучка, формирование композиционного состава де1екторньгх станций и настройку спектрометрическою тракта.

Представлена таблица выходов изучаемых экзотических нуклидов. Эти значения получены из анализа площадей соответствующих пиков с учетом

ifhihCFCTHRHOOTH pel игтрчнмм npTf^rnpriR врлмрии ыяк-лт^ина >' vnrii/iie^Toe

накопленных или распавшихся нуклидов в течение цикла измерения. Опираясь на теоретические значения выходов, рассчитанные с помощью ALICE [8], учитывая толщину мишени и количество частиц в пучке можно оценить общую эффективность работы установки от получения нуклидов до регистрации. Это значение колебалось в нашем случае между 10"4 и 10"5 по порядку величины для разных экспериментальных сеансов работы.

Таблица 1. Значения выходов нуклидов, полученные в работе. Выходы из мишени мГе, обозначены индексом (1), па мишени - индексом (2).

Нуклид Ъп. с Переход. кэВ Выход, (ат/cl

80у m 30 v 385 10

"Vm 5 e'.v 228.5 3

80Zr ГП 4 у 311 <0.1

8,Krmm 13.1 Y190.5 15

8,Sr ГП 1338 Y 147.8.186 750

"y rn 70.4 Y 79.124 50

81 Zr rn 5-15 Y 113 <0.2

^Nb (2) 10.3 Y 540 6

$5Zt(2) 471 Y 416.455 200

85Zrm Г2} 10.9 Y 292.2 5

8SNb Г2) 21 e". y 50 2

85Nbm C2) 3.3 e" 69 1

86Nb (2) 88 e\ y 47.50 15

86Mo (2) 19 Y 752.915 25

A = 80. На примере ядра 80у показана важность долгоживущих сильно конвертированных переходов для описания особенностей протекания астрофизического гр-процесса и образования стабильных нуклидов после его вымерзания. В условиях звездной плазмы в процессе взрывного горения предполагается, что все ядра будут полностью ионизованы. В таком случае, разрядка изомерного состояния испусканием конверсионного электрона будет невозможна. Период полураспада «голого» ядра может быть определен как

Используя значение измеренных величин для изомерного уровня с энергией 228 кэВ в 8°Y, а также теоретическое отношение а^/атт, равное 0.867 [9], нами впервые был получен период полураспада изомера в звездных условиях, равный 6.8±0.5 секунд. Парциальный период полураспада для у -разрядки составил 9.3 секунды, а для Р-распада - 25.4 секунды. Таким образом, период полураспада «голого» изомерного состояния сравним с типичным значением времени протекания гр-процесса. В условиях гр-процесса нуклид будет заселяться только в результате являющегося «точкой ожидания». Это заселение будет идти через изомерное состояние 228 кэВ. Но, поскольку время жизни изомера гораздо больше по сравнению со временем протонного захвата, образование будет

происходить именно на нем, а не на основном состоянии.

А = 81. Величина скорости электронного захвата из изомерного состояния который является обратным процессом для нейтринного

S1 п

захвата ядром определяется выражением:

где Х(е) обозначает вероятность электронного захвата, Кх означает интенсивность характеристического излучения, - коэффициент

флюоресценции, о — коэффициент конверсии. Как видно из последнего выражения, значение ветки электронного захвата зависит от следующих факторов:

• отношения интенсивностейКх лучей для брома и криптона,

• отношения вероятности ^ + М) - электронного захвата к К -захвату,

• фактораак/( 1+аии) для внутреннего перехода.

Кх(Вг)*0к(Кг)*ак Кх(Кг)*а>г{В>-П1ам)

~л—-

Взяв за основу расчетов отношение интенсивностей характеристических излучений Кг и Вг из работы [7] и используя значение отношения вероятностей электронного захвата с К, L и М оболочек, взятое из таблиц [10], мы получаем оценку на ветвь £ - захвата из изомерного состояния Кг, равную (2.8±0.6)*10'i. Имея значение интегральной функции Ферми [10] и парциальный период -захвата легко сосчитать значение для захвата

электронов и инверсного захвата нейтрино. Полученная нами величина для

5.1±0.1 меньше принятых оценок,

"Br (stable)

что усиливает утверждение о

81_ Рис. 3. Схема распада изомерного

возможности использования Вг в сотояния «"кг. Неизвестные до нашей

качестве детектора солнечных Р"6оты величины помечены знакком »?».

нейтрино.

А = 84. Существенно уточнена схема распада нуклида продолжающего гр-процесс после распада нуклида 84Мо, который является точкой ожидания процесса. По результатам анализа Др^у-совпадений квантовые характеристики основного состояния этого ядра должны быть изменены на (1,2)+. Это противоречит предложенному ранее [5] значению 3+.

А = 85. В спектре конверсионных электронов видно присутствие линии с энергией 50 кэВ, которая не может быть отнесена ни к одному из переходов в изобарной цепочке А = 85. Совпадение этих электронов с характеристическим излучением Nb, достаточно большой выход и отсутствие совпадений с аннигиляционным излучением свидетельствуют о распаде изомерного состояния, принадлежащего Измеренный период

югг

Рис. 4. Период полураспада и возможная схема распада изомерного перехода с энергией 69 кэВ в ИМ».

полураспада составляет 3.3(8) секунд (рисунок 4). Принимая во внимание систематику изомерных уровней в А-нечетных изотопах ниобия, данному состоянию можно приписать спин и четность В диссертации

обсуждаются различные варианты расположения этого нового состояния в спектре возбуждения ядра В любом случае, именно обнаруженное нами состояние будет заселяться при распаде во время гр-процесса ядра имеющего спин и четность основного состояния '/г*.

А = 86. Распад ядра 86Мо, находящегося также на пути гр-процесса, изучен с помощью у-детекторов и спектрометра конверсионных электронов. Исходя из полученных в данной работе коэффициентов внутренней конверсии

Рисунок 5. Предлагаемая схема и период полураспада "Мо.

основных переходов и данных о совпадениях, предложен вариант схемы распада (рисунок 5). На основании анализа площадей основных пиков, возникающих из распада по временным зонам уточнен период

полураспада этого ядра. Нами не было обнаружено каких-либо признаков существования еще одного изомера в ниобии с периодом полураспада 56 секунд, о котором сообщалось в [11].

В Заключении приводится краткое описание полученных результатов и дается перечень вопросов, выносимых на защиту.

На защиту выносятся следующие результаты:

• Выходы нуклидов из области массовых чисел А = 80 - 86, участвующих в астрофизическом гр-процессе, определенные в оптимизированном режиме работы системы IGISOL.

• Основные экспериментальные величины, характеризующие распад изомерного состояния с энергией 228.5 кэВ в S0Y, определение периода полураспада этого изомерного состояния в условиях звездной среды.

• Парциальная вероятность электронного захвата изомерным состоянием

с заселением основного состояния и, соответственно,

вероятность захвата нейтрино нуклидом Полученное значение (v е"), равное 5.1(1), усиливает существовавшее до настоящего времени утверждение о возможности использования этого нуклида в качестве детектора солнечных нейтрино.

• Вариант схемы распада являющегося точкой возобновления процесса (р,у) после p-распада ключевого в гр-процессе ядра 84Мо.

«

• Наличие нового изомера с периодом полураспада 3.3(8) секунды в Nb, предлагаемые спин и четность Наличие сильно конвертированного перехода делает это состояние важным при рассмотрении гр-процесса.

• Вариант схемы распада и уточненный период полураспада 86Мо. Отсутствие изомера с периодом полураспада 56 секунд в о котором сообщалось в [11].

В заключение хочу выразить благодарность Ю. Н. Новикову за плодотворное руководство и предоставленную возможность заниматься интересной темой. Хочу поблагодарить Селиверстова Д. М. за поддержку работы и Попова А. В. за неоценимую помощь и обучение при постановке и обработке экспериментов. Выражаю признательность Е. П. Григорьеву и Ю. П. Суслову за полезные обсуждения и замечания. Благодарю J. Äystö и финских коллег за предоставленную возможность работы на ускорителе.

Список цитированной литературы:

1. Н. Shatz et al, Phys.Rev.Lett., 86,3471 (2001).

2. Н. Schatz et al., Nucl. Phys. A688,150c (2001)

3. W. X. Huang et al, Phys.Rev. 59,2402 (1999).

4. K. Jonsson et al, Nucl.Phys. A645,47 (1999)

5. G. Korschinck ct al, Z.Phys A281,409 (1977)

6. S. Delia Negra et al, Z.Phys A307, 305 (1982)

7. M. M. Lowry et al. Phys.Rev. C35,1950 (1987)

8. David A. Dahl, Idaho National Engineering Laboratory at www.srv.net

9. R.S.Hager, E.C.Seltzer, Internal conversion table at www.nndc.bnl.gov

10. Б.С.Джелепов, Л.Н.Зырянова, Ю.П.Суслов «Бета-процессы», Наука, 1972 1 l.T. Shizuma et al, Z.Phys. A348,25 (1994)

Основные результаты диссертации представлены в работах:

1. J. Huikari, Р. Dcndooven, R, Beraud, Yu. N. Novikov, Ch. Miehe, M. Oinonen, А. V. Popov, J, Äystö, P. Baumann, G. Canchel, Ph. Dessagne, A. Emsallem, W. X. Huang, A. Jokinen, A. Knipper, V. Kolhinen, A. Nieminen, H.

Penttila, К. PerajSrvi, I. Piqueras, S. Rinta—Antila, D. M. Seliverstov, J. Szerypo, G. K. Vorobiev. Y. Wang. "Studying exotic nuclides close to the N=Z line at the HIGISOL facility" //Proceedings of the Third International Conference Exotic on Nuclei and Atomic Masses (ENAM), p. 481, Springier, 2001.

2. Yu. N. Novikov, H. Schatz, P. Dendooven, R. Beraud, Ch. Miehe, A. V. Popov, D. M. Seliverstov, G. K. Vorobjev. P. Baumann, M. J. G. Borge, G. Canchel, Ph. Dessagne, A. Emsallem, W. X. Huang, J. Huikari, A. Jokinen, A. Knipper, V. Kolhinen, A. Nieminen, M. Oinonen, H. Penttila, K. Perajurvi, I. Piqueras, S. Rinta—Antila, J. Szerypo, Y. Wang,

and it's role in the astrophysical rp-process." //Eur.Phys.J. All, 257-261 (2001).

3. В. И. Безноскж, Г. К. Воробьев. С. А. Елисеев, К. А. Мезилев, Ю. Н. Новиков, А. Г. Поляков, А. В. Попов, Ю. Я. Сергеев, В. А. Сергиенко, В. И. Тихонов. "Исследование высокотемпературной мишени для получения короткоживущих нуклидов", //Np-66 2280, ПИЯФ, Гатчина, 1998.

4. Yu. N. Novikov, H. Schatz, P. Dendooven, R. Beraud, Ch. Miehe, A. V. Popov, D. M. Seliverstov, G. K. Vorobiev. P. Baumann, M. J. G. Borge, G. Canchel, Ph. Dessagne, A. Emsallem, W. X. Huang, J. Huikari, A. Jokinen, A. Knipper, V. Kolhinen, A. Nieminen, M. Oinonen, H. Penttillu, K. Perajarvi, I. Piqueras, S. Rinta—Antila, J. Szerypo, Y. Wang, J. Aysto. "Isomeric state of and it's role in the astrophysical rp-process." //Proceedings of the Third International Conference on Exotic Nuclei and Atomic Masses (ENAM), p. 115, 2001, Springer, 2001.

5. Г. К. Воробьев. А. Канкаинен, Ю. Аисто, С. А. Елисеев, В. Хуанг, Ю. Хуикари, А. Ёкинен, А. Пиеминен, 10. Н. Новиков, X. Пенттиля, А. В. Попов, С. Ринта-Антила, X. Шатц, Д. М. Селиверстов. "Исследование нуклидов с массовыми числами А = 81, 85 и 86, представляющих астрофизический интерес." //Препринт 2533, ПИЯФ, Гатчина, 2003.

6173

Отпечатано копировально-множительным участком отдела обслужвааиия учебного процесса физического факультета СПбГУ. Приказ Лк 571/1 от 14.05.03. Подписано в печать 10.03.04 с оригинал-макета заказчика. Ф-т 30x42/4, Усл. оеч. д. 0,9. Тираж 60 экх, Заказ М 104/с 198504, СПб, Ст. Петергоф, уд. Ульяновская, д. 3, тел. 428-43-00.

Введение.

Глава 1. Некоторые аспекты астрофизики:

1. Нуклеосинтез во вселенной: s - процесс. г - процесс. гр - процесс.

2. Проблема солнечных нейтрино:

Хлорный детектор.

Галлиевый детектор.

Детектор KAMIOKANDE.

Бромовый детектор.

Глава 2. Методы получения экзотических ядер.

Глава 3. Методы получения вторичных радиоактивных пучков.

Глава 4. Описание установки IGISOL:

Схема установки.

Остановка ионов в газе.;

Некоторые аспекты газодинамики

Сохранение ионов в газе..;

Off-line тестирование газовой ячейки.

Глава 5. On-line эксперименты:

Экспериментальные методы. 53

Результаты экспериментов:60

А = 80. 61

А = 81. 67

А = 84. 72

А = 85. 74

А = 86. 80

Заключение.82

Литература88

Введение

Одним из основных мотивов развития физики ядра становится задача осознания богатства всей таблицы нуклидов как ступенек в творении окружающего мира. В настоящее время мы можем судить о том, как устроена Вселенная вплоть до масштабов расстояний порядка 15 млрд световых лет. То, что мы видим - это области очень компактной концентрации материи (горящие и угасшие звезды вместе с планетными системами, объединенными в галактики) и огромные пространства "пустоты" между ними, заполненнные излучением и нейтрино. Вещество концентрируется в звездах и планетах, главным образом, в виде атомных ядер химических элементов с различным числом Ъ протонов и N нейтронов от водорода до урана. Все разнообразие ядерного состава Вселенной сводится примерно к 300 нуклидам, и современный уровень науки позволяет описать историю появления этих нуклидов и их распространенность. Радиоактивные ядра, резонансные состояния ядер - не просто шлейф отходов при работе звездных реакторов, взрывов звезд, а необходимые "станции ожидания" для генерации стабильных ядер [1].

Ядерная астрофизика и ядерная физика развиваются рука об руку. Первая формулирует проблемы и находит ответы во второй в экспериментах, проводимых в лабораторных условиях. В то же время, исследования ядер, лежащих в области границы нуклонной стабильности, сформировали в последние годы актуальное направление исследований - физику ядер с экзотической структурой. Современная ядерная физика движется в сторону исследования свойств ядерной материи во все более экстремальных условиях: очень малого времени жизни, высокой плотности, высокой температуры, высокой степени ионизации, состояниям с большими угловыми моментами, то есть условиях, возникающих в астрофизической среде.

Возможности для таких экспериментов значительно расширились с использованием пучков радиоактивных ядер. Это направление исследований стимулировало в свою очередь строительство новых уникальных ускорителей, создание новых экспериментальных методов детектирования продуктов реакций и развитие прецизионной техники детектирования отдельных атомов, измерение масс ядер с точностью Am/m ~ 10'7. Эксперименты с пучками ядер, ускоренных до энергии порядка нескольких ГэВ, признаются одним из наиболее перспективных путей исследования основных свойств экзотических радиоактивных ядер.

Развитие техники эксперимента привело ко многим открытиям в областях, близких к границам нуклонной устойчивости, представляющих интерес, как для ядерной физики, так и для астрофизики.

• Обнаружены новые типы радиоактивного распада - протонная, двупротоннная и кластерная радиоактивности.

• Открыты ядерные состояния за границами нуклонной стабильности, проявляющиеся в виде резонансных состояний.

• Обнаружены гало-ядра - состояния ядерной материи, при которых нейтронное облако простирается на расстояния большие, чем радиус ядра, определяемый формулой R=1.3A1/3.

• Открыты новые сверхтяжелые ядра, существенно расширившие границы известных химических элементов.

• Получили подтверждение магические числа долины стабильности, в то же время были обнаружены случаи, когда эти магические числа «размываются» за пределами этой долины.

• Обнаружены новые области деформированных ядер.

В то же время, многие проблемы ждут своего решения.

• Остается открытым вопрос о том, как меняется нуклон-нуклонное взаимодействие в ядерной среде с необычным нуклонным составом.

• Новые экспериментальные результаты поставили перед теорией проблему - насколько надежно можно экстраполировать параметры моделей, полученные для ядер долины стабильности, в область ядер, сильно перегруженных протонами или нейтронами. Известны случаи, когда такая экстраполяция оказывается несостоятельной.

• Исследование свойств полностью ионизованных атомов выявило ряд новых проблем в астрофизических исследованиях.

Как видно, изучение структуры ядер вызывает несомненный и глубокий интерес у ядерной астрофизики. Для описания особенностей протекания процессов нуклеосинтеза необходима информация о временах жизни, массах ядер, знание схем распада, сечений захвата нуклонов, вероятности испускания запаздывающих частиц для нуклидов, занимающих весьма обширные области на нуклидной карте. В то же время, имеются области нуклидов и отдельные ядра, которые играют ключевую роль в описании тех или иных астрофизических процессов. К ним относятся нуклиды, располагающиеся непосредственно на пути этих процессов. Расчет пути процессов основывается на использовании "сетки" данных [2], полученных из анализа свойств нуклидов и сечений реакций захвата, ответственных за протекание процессов. В случае взрывных процессов (г и гр) в расчет вовлечены основные состояния ядер, которые частично известны, или неизвестные нуклиды, свойства основных состояний которых могут быть предсказаны. Однако на пути процессов могут быть изомерные состояния, экспериментально еще не обнаруженные, которые трудно предсказать, но которые могут существенно изменить характер процесса. Поэтому, поиск изомерных состояний нуклидов, лежащих на пути г и гр - процессов, представляется весьма важным.

Настоящая работа посвящена ядерной спектроскопии нуклидов, расположенных на пути астрофизического гр-процесса. Получение и выделение этих ядер в лабораторных условиях является непростой научно-технической задачей, включающей необходимость исследования возможностей установки, на которой ставятся эксперименты, с целью создания оптимальных условий для синтеза этих экзотических объектов.

Информация об экзотических ядрах, охваченных гр - процессом в области массовых чисел А > 80, весьма скудная, и там, где она имеется, получена, как правило, одной экспериментальной группой и требует подтверждения. Так возникает насущная необходимость ревизии основных свойств ядер - таких, как период полураспада, основные моды распада, особенно связанные с разрядкой по каналу испускания электронов, запрещенному в звездных условиях. Поиск долгоживущих изомерных состояний, как уже отмечалось выше, и исследование их свойств является ключевым и весьма актуальным в настоящее время.

В первой главе диссертации представлено краткое изложение современных взглядов и сведений о синтезе ядер (нуклеосинтезе) в процессе рождения и эволюции звезд. Прогресс в этой области науки связан с достижениями физики ядра и элементарных частиц. Наиболее интересным для нас являются различные аспекты протекания гр-процесса в области элементов за железным пиком, а также вопросы, связанные с регистрацией солнечных нейтрино.

Во второй главе диссертации приведен обзор различных реакций, используемых для получения экзотических ядер. Наибольший интерес для нас представляет реакция слияния средних ядер с последующим охлаждением составного ядра, как основной механизм получения исследуемых нуклидов.

В третьей главе приведено краткое сравнение методов синтеза радиоактивных ядер и описывается установка IGISOL (Ion Guide Isotope Separator On-line) как промежуточный вариант ISOL - системы и метода сепарации на лету.

Четвертая глава посвящена подробному описанию установки IGISOL, дается описание основных процессов, происходящих с ионами в газе. Приводятся результаты тестовых экспериментов, выполненных диссертантом на установке, делаются выводы о применимости и способах улучшения эффективности работы газовой ячейки, используемой для термализации продуктов реакции и "выравнивания" их ионизации.

В пятой главе приведены результаты экспериментов по изучению схем распада нейтронодефицитных ядер в области массового числа А ~ 80. Все эксперименты проводились на установке IGISOL в Финляндии. Набранный материал упорядочен по возрастанию массовых чисел изучаемых нуклидов.

В заключении приводятся основные результаты исследований, выставляемых на защиту.

Основные результаты, представленные в диссертации опубликованы в следующих работах:

1. J. Huikari, P. Dendooven, R. Béraud, Yu. N. Novikov, Ch. Miehe, M. Oinonen, A. V. Popov, J. Âystô, P. Baumann, G. Canchel, Ph. Dessagne, A. Emsallem, W. X. Huang, A. Jokinen, A. Knipper, V. Kolhinen, A. Nieminen, H. Penttila, K. Perâjârvi, I. Piqueras, S. Rinta—Antila, D. M. Seliverstov, J. Szerypo, G. K. Vorobiev. Y. Wang. "Studying exotic nuclides close to the N=Z line at the HIGISOL facility" //Proceedings of the Third International Conference Exotic on Nuclei and Atomic Masses (ENAM), p. 481, Springier, 2001.

2. Yu. N. Novikov, H. Schatz, P. Dendooven, R. Beraud, Ch. Miehe, A. V. Popov, D. M. Seliverstov, G. K. Vorobiev. P. Baumann, M. J. G. Borge, G. Canchel, Ph. Dessagne, A. Emsallem, W. X. Huang, J. Huikari, A. Jokinen, A. Knipper, V. Kolhinen, A. Nieminen, M. Oinonen, H. Penttila, K. Perajarvi, I. Piqueras, S. Rinta—Antila, J. Szerypo, Y. Wang, J. Aysto. "Isomeric state of 80Y and it's role in the astrophysical rp-process." //Eur.Phys.J. All, 257-261 (2001).

3. В. И. Безносюк, Г. К. Воробьев. С. А. Елисеев, К. А. Мезилев, Ю. Н. Новиков, А. Г. Поляков, А. В. Попов, Ю. Я. Сергеев, В. А. Сергиенко, В. И. Тихонов. "Исследование высокотемпературной мишени для получения короткоживущих нуклидов", //Np-66 2280, ПИЯФ, Гатчина, 1998.

4. Yu. N. Novikov, Н. Schatz, P. Dendooven, R. Beraud, Ch. Miehe, A. V. Popov, D. M. Seliverstov, G. K. Vorobiev. P. Baumann, M. J. G. Borge, G. Canchel, Ph. Dessagne, A. Emsallem, W. X. Huang, J. Huikari, A. Jokinen, A. Knipper, V. Kolhinen, A. Nieminen, M. Oinonen, H. Penttilla, K. Perajarvi, I. Piqueras, S. Rinta—Antila, J. Szerypo, Y. Wang, J. Aysto. "Isomeric state of 80Y and it's role in the astrophysical rp-process." //Proceedings of the Third International Conference on Exotic Nuclei and Atomic Masses (ENAM), p. 115, 2001, Springer, 2001.

5. Г. К. Воробьев. А. Канкаинен, Ю. Аисто, С. А. Елисеев, В. Хуанг, Ю. Хуикари, А. Ёкинен, А. Ниеминен, Ю. Н. Новиков, X. Пенттиля, А. В. Попов, С. Ринта-Антила, X. Шатц, Д. М. Селиверстов. "Исследование нуклидов с массовыми числами А = 81, 85 и 86, представляющих астрофизический интерес." //Препринт 2533, ПИЯФ, Гатчина, 2003.

В заключение хочу выразить благодарность Ю. Н. Новикову за плодотворное руководство и предоставленную возможность заниматься интересной темой. Хочу поблагодарить Селиверстова Д. М. за поддержку работы и Попова А. В. за неоценимую помощь и обучение при постановке и обработке экспериментов. Выражаю признательность Е. П. Григорьеву и Ю. П. Суслову за полезные обсуждения и замечания. Благодарю I. АуБ1б и финских коллег за предоставленную возможность работы на ускорителе.

Заключение.

В работе представлены результаты спектроскопических экспериментов по изучению ядер, удаленных от полосы ^-стабильности и представляющих астрофизический интерес. Особое внимание уделено двум аспектам этой проблемы — процессу быстрого захвата протонов, приводящему к цепочке гр

О |

- процесса, и проблеме нейтринного детектора Вг.

Астрофизический гр - процесс ответственен за производство энергии в звездах и за галактический синтез легких изотопов элементов до значений массовых чисел < 100. Однако он может прерваться раньше, в районе массового числа А « 80, и для выяснения такой возможности требовалось знание свойств ряда нуклидов, вовлеченных в этот процесс. Исследованию этих свойств: периодов полураспада, каналов электронной разрядки, схем распада, поиску новых изомеров и посвящена, в основном, настоящая работа.

Для выяснения другого вопроса - о возможности использования нуклида

81 8 7

Вг для детектирования солнечных нейтрино (преимущественно от В и Be), требовалось достоверное знание величины вероятности внутренней разрядки изомерного состояния 81mKr (13 с), являющегося дочерним при захвате нейтрино ядром Вг. Эта вероятность перехода была определена из измерений спектров короткоживущих нуклидов, предназначенных для целей гр - процесса.

Измерения проводились в режиме "on-line" на системе HIGISOL -электромагнитном масс — сепараторе, базирующем на изохронном циклотроне К-130 Университета города Ювясюоля (Финляндия). Эта система была настроена диссертантом для реакции синтеза тугоплавких элементов от Zr до Мо, получаемых в результате слияния ионов 28Si и 32S с атомами Fe и Ni -мишени. Для термализации продуктов реакции и «выравнивания» их ионных зарядов использовалась газовая ячейка с гелиевым наполнением и поглотителем первичного пучка, расположенным вне камеры, существенно уменьшавшего нейтрализацию продуктов. Оптимизация параметров этой камеры проводилась автором настоящей работы в режиме "off-line".

Детектирование спектров X, у и е" -излучений проводилось комбинированным методом на двух детекторных станциях с использованием полупроводниковых детекторов и электронного магнитного транспортера Е1Н для измерения спектра в малофоновых условиях. Для обработки информации, полученной в эксперименте, автором был создан набор программ, осуществляющих перекодировку данных из стандарта Eurogam, необходимых для анализа полученных данных в режиме off-line.

В диссертации исследованы свойства короткоживущих нейтронодефицитных нуклидов с массовыми числами А = 80, 81, 84, 85 и 86, лежащих на пути гр - процесса вблизи линии Z = N. Основные результаты работы сводятся к следующему:

• Сохраняется актуальность проблемы опрделения сечений различных реакций с точки зрения уточнения их механизма. В оптимимизированном on-line режиме работы системы HIGISOL определены выходы нуклидов из области А = 80 - 86, разделенные по массовым числам.

• Исследован распад изомерного состояния 80mY. Переход с энергией 228.5 кэВ и периодом полураспада 5.0 ± 0.5 секунд был однозначно идентифицирован как происходящий из распада изомерного состояния в 80Y. Отсутствие других электронов конверсии в спектре позволяет считать изомерное состояние 228.5 кэВ первым возбужденным уровнем. Измеренный коэффициент конверсии подтверждает МЗ - характер перехода. Полученные данные позволили определить период полураспада этого изомерного состояния в условиях звездной среды, когда нуклиды лишены электронной оболочки и поэтому, в силу отсутствия электронного канала разрядки, имеют большие периоды полураспада. Полученное значение периода «голого» состояния составляет 6.8 ± 0.5 секунд, что качественно не меняет принятой картины расчета пути гр - процесса.

• Исследован распад изомерного состояния 81mKr с периодом полураспада 13.1 ± 0.1 секунды. Измерен коэффициент К - конверсии и отношение K/(L+M+N) для изомерного ЕЗ перехода с этого состояния. По полученным данным о конверсии и периоде полураспада рассчитана парциальная вероятность электронного захвата с заселением основного о 1 состояния Вг и соответственно вероятность обратного процесса, т.е.

О 1 захвата нейтрино нуклидом Вг. Полученное значение lg ft (v —> е") ~ 5.1 усиливает существовавшее до настоящего времени утверждение о возможности использования этого нуклида в качестве детектора солнечных нейтрино.

• Изучен распад основного состояния 84Nb. Сделан вывод, что его квантовые характеристики Jn равны 1+ или 2+. Это противоречит предложенному ранее значению 3+.

• Обнаружен новый изомер с периодом полураспада 3.3 ± 0.7 секунды в о?

Nb, обсуждаются его возможные спин и четность. Наличие сильно конвертированного перехода (atot > 3) делает это состояние потенциально важным при рассмотрении гр - процесса.

• Не подтверждается наличие изомера с периодом полураспада 56 секунд в о котором сообщалось ранее в литературе. Исследование как у-квантов, так и конверсионных электронов, показало, что четность изомера, заселяемого при распаде 8бМо, отрицательна, а не положительна,

Q/ как было принято. Уточнен период полураспада ядра Mo.

Данные, полученные в работе, представляют новую информацию по основным свойствам Р-распада нейтронодефицитных ядер в области массового числа А ~ 80, которую необходимо принимать во внимание при дальнейших расчетах астрофизического гр-процесса и при исследовании схем возбуждения уровней ядер.

1. Б.С.Ишханов, И.М.Капитонов. И.А. Тутынь "Нуклеосинтез во вселенной" М., Изд-во Московского университета. 1998

2. H.Shatz et al, Phys.Rev.Lett., 86, 3471 (2001).

3. E.M.Birbidge, G.R.Birbidge, W.A.Fowler, F.Hayle., Rev.Mod.Phys., 1957, v.29, p. 547-650.

4. Ядерная астрофизика. Под редакцией Ч.Барнса, Д.Клейтона, Д.Шрамма. -М.: Мир, 1986.

5. Я.М. Крамаровский, В.П. Чечев. Синтез элементов во вселенной., М.: Наука. 1987.

6. K.Takahashi, M.Yamada, Prog.Theor.Phys. 47, 1972, р.1500-1518

7. P.Moller, J.Rundrup Nucl.Phys. A514,1990, p.1-26

8. R.K.Wallace, S.E.Woosley, Astrophys. J. 45,1981, p.3899. www.nscl.msu.edu/~schatz/PHY983/Notes/rp process.ppt 10.S.K. Chakrabarti, Phys.Rep. 266, 1996, p.2291 l.R.E.Taam, B.A.Fryxell, Astrophys. J. 294 (1985), p.303

9. A.Shankar, W.D.Arnett, B.A.Fryxell, Astrophys. J. 227, 1993, p.223

10. H.Shatz et al. Physics Reports 294 (1998), p. 167-263 и ссылки внутри H.P.E.Haustein, D.S.Brenner, R.F.Casten, Phys.Rev. C38, 1988, p.467

11. H.von Groote, E.R.Hilf, K.Takahashi At.DataNucl. DataTabl., 17,1976, p. 418

12. P.Moller, J.R.Nix, At. Data Nucl. Data Tabl., 39, 1988, p.213-224

13. J.Janecke, P.Masson, At. Data Nucl. Data Tabl. 39, 1988, p.265-272

14. J.N.Bahcall and R.Davis, Science 191, 264 267 (1976).

15. Г.Е. Кочаров Термоядерный котел в недрах солнца http://phys.web.ru

16. Y.Fukuda et al, Phys.Rev.Lett. 77, 1683 (1996)

17. Дж.Бокал Нейтринная астрофизика M., Мир, 1993.

18. R.D.Scott, Nature 264, 729 (1976)

19. D.Krofcheck et al., Phys.Lett., 189B, 299 (1987)

20. M.M.Lowry et al., Phys.Rev. C35,1950 (1987)

21. C.N.Davids et al., Phys.Rev. C35,1114 (1987)

22. J. Bjomholm. W.J. Swiatecki, Nucl.Phys A.391,471(1982)

23. N.V. Antonenko et al., Phys Lett В 319,425 (1993)

24. Artukh.A.G. et al., Nucl.Phys., 1971,v.l60, p.551

25. Nuclear Physics A 701 (2002) 265 The fifth international conference on radioactive nuclear beams RNB 2000

26. В.И.Безносюк и др. Исследование высокотемпературной мишени ZrCx для получения короткоживущих нуклидов, Препринт ПИЯФ NP-66-1998 2280.

27. K.Morita et al NIM B70 (1992), p. 220

28. P.Van den Bergh et al NIM В126 (1997)33J.Aije, PhD Thesis, Department of Physics, University of Jyvaskyla.

29. P.Dendooven, NIM B126 (1997)

30. A.Nieminen et al., NIM A469 (2001), p. 244-253

31. J. F. Ziegler, J. P. Biersack and U. Littmark, "The Stopping and Range of Ions in Solids", Pergamon Press, New York, 1985

32. Л.Г.Лойцянский «Механика жидкости и газа», «Наука», Москва, 1978

33. H.Geissel, G.Munzenberg, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 45,1995, c.163

34. J.Aije, K.Valli, NIM 179 (1981), 533

35. M.R. Flannery, Ionic recombination in atomic processes and applications, edited P.G.Burke and B.L.Moiseiwitsch, North-Holland Publishing Co., 1976

36. W.Lindinger, T.D.Mark, F.Howorska, Swarm of ions and electrons in gases, Springer-Verlag Wien-New York, 1984, ISBN 3-211-81823-5

37. W.Lindinger, A.L.Schmeltekopf, F.C.Fehsenfeld, J.Chem.Phys., 61, 1974,2890

38. Л.Н.Розанов, Вакуумная техника M., Высшая школа, 1990.

39. David A. Dahl, Idaho National Engineering Laboratory at www.srv.net

40. M.Huyse et al., "Intensity limitations of gas cell for stopping, storing and guiding of radioactive ions" NIM В187,4 (2002), p.535-547.

41. А.Попов Отчет по проекту "Ion-catcher", private comunications.

42. H.Schatz et al., Nucl. Phys. A688,150c (2001)

43. J.I.Ressler et al, Phys.Rev.Let., 84, 10,2104 (2000)

44. J.D6ring et al, Phys.Rev. C59, 59 (1999)

45. W.X.Huang et al, Phys.Rev. 59,2402 (1999).

46. C.Longour et al, Phys.Rev.Let., 81,16, 3337 (1998) 52.S.Della Negra et al, Z.Phys A307, 305 (1982)

47. Nucl.Data Sheets 92, 893 (2001)

48. G.Koschinek et al., Z.Phys A281,409 (1977)

49. P.Kienle et al., Prog.Part.Nucl.Phys. 46, 73 (2001)

50. K.Jonsson et al., Nucl.Phys. A645,47 (1999)

51. J. Huikari et al., "Studying exotic nuclides close to the N=Z line at the HIGISOL facility" //Proceedings of the Third International Conference Exotic on Nuclei and Atomic Masses (ENAM), p. 481, Springier, 2001.

52. P.Dendooven et al., NIM A408, 530 (1998)

53. М. Blann and H.K. Vonach, Global Test of Modified Precompound Decay Models, PhysRev C28 1475-1492 (1983).

54. J.M.Parmonen et al., NIM A306,504-511 (1991)

55. Http://ns.ph.liv.ac.uk/software.html

56. P.H.Regan et al., Acta Phys. Polonica B28, 431, (1997).

57. Yu. N. Novikov et al., "Isomeric state of 80Y and its role in the astrophysical rp-process." //Eur.Phys.J. Al 1,257-261 (2001).

58. A.Piechaczek et al., Phys.Rev., C61, 047306 (2000)

59. R.S.Hager, E.C.Seltzer, Internal conversion table, http:// www.nndc.bnl. go v/nndc.

60. C.Chandler et al, Phys.Rev. C61,044309

61. C.Baglin, Nucl.Data Sheets, 79,447 (1996)

62. W.O.Doggett et al., UCRL-3438 (1956)

63. P.G.Hansen et al., Phys.Lett., 28B, 415 (1969) 70.S.Vaisala et al., Phys.Fenn., 10,133 (1975)

64. J.Liptak et al., Nucl.Phys., A286,263 (1977)

65. K.Toyoshima et al., Nucl.Phys., A323, 61 (1979)

66. Б.С.Джелепов, Л.Н.Зырянова, Ю.П.Суслов «Бета-процессы», Наука, 1972

67. Г. К. Воробьев и др. "Исследование нуклидов с массовыми числами А = 81, 85 и 86, представляющих астрофизический интерес." //Препринт 2533, ПИЯФ, Гатчина, 2003.75.http://www.nndc.bnl.gov.

68. T.Shizuma et al, Z.Phys. A348,25 (1994)

69. M.Wiedekig et al, Phys.Rev. C62,024316