Исследование вторичных процессов при ядерном бета распаде тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ЛЕНИНГРАДСКИЙ

прлчна Ленина к ордена Трудочого Красного Знамени I ссудэгствешшП университет

ЯП праг-ах рукописи

Сукгхка Уалнль Лбдуеалам

ИССЛЕДОВАНИЕ ВТОРИЧНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ЯДЕРНОМ . БЕТА РАСПАДЕ

01.04.16 - физика атомного ядра и элекентарнчх частиц

Л13ТОРЕФЕРЛТ диссертации на соискэния учексЛ степени ¡ачшизча физико-математических наук

Ленинград - 1991

Габота выполнена ¡га кафедре ядерной физики Воронежского ордена Ленина государственного университета имени Ленинского комсомола

Научнии руководитель: Доктор физико-математических паук профессор Паткин И. С.

Официалышэ оппоненты: Доктор физико-математических наук Григорьев Е. И.

Кандидат Физико-математических наук Долгоиолов М. А.

Ведущая организация : Лаборатория ядерных проблем, ОИЯИ г. Дубна.

Запита состоится " " г. п -^^час. на

заседании специализированного совета Д 063.57.14 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук при Ленинградском ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени государственном университете по адресу: 199034 г.Ленинград, Университетская набережная , 7/9.'

С диссертацией можно ознакомиться п библиотеке Ленинградского университета.

Автореферат разослан " j Ç, " 1991 г.

Учений секретарь специализированного совета

О.В.Чубинский-Надетдин

ОПИАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЛПОТЫ "»И •»1*|Ч ПО"1:Ч"1(!На КК>рН1П'«ч:КО*у И ~»"<;ичриМРПГаЛЫК)».!у

игклсуитт» вторичных ироцоссо» при чт°риом в - распаде. Буд^ч пяч'пкпь втричют« процессами совокупность ?'1>}юктов, т ивтически св.чзашшх г псргичнич актом р - распада.

Актуальноегь темы исследования. Актуальноегь изучения вторична* процессов при [! - рагпадр аточннх ядер !>бусловлоп1 : а) пепбхаирчзст» полу чети» лсколттелмюй ип|ор№щпи о упроэтеупс тиках и прушуре ядер и о гсЯняачтах слабого взаимолейстзия. С) иеоО'хг»».и«осты!> учтипать зтрнчнце э^ректи при анализе крен»»:)'•«-них ткспориччп'ов в области р - у - спектроскопии, относительна.'! вероятность появления которих прийлнтаегсч к точности эхспэрр'.тсчна.

в) жчбходиюстм» разрешить существующий противоречия, как гегду теорией и экспериментом, так и между отдельными чксперимоптоль!;!;?и результатами п области изучения вторичных процессов.

г) необходимостью проведения намерения для количественного анализа вторичных эЭДектоп.

л) пеобходимгегтьп физического понимания этих процессов с црльп возможного практического применения.

Цель работа. Целью настоящей диссертационной работа является:

1. Теоретическое изучение характеристик внутреннего тормозного излучения (ЯТИ), сопропожд9ю:я°го (1 - распад поляризованных ядер.

2. Теоретическое исследование вклада механизма прямих соударений в процессе автсионизацин внутренних оболочек атома при р - распад» атомных ядер.

3. Теоретическое изучение кипе гики процесса одчоквантепсЯ аннигиляции позитронов при прсу'ат'мтш в конденсированиях средах с электронами вещества.

4. Экспериментальное исследование аюктра ВТИ при позитрониям (1 -

?2

распаде ( на примере изотопа На ).

5. Уточнение экспериментально!} вероятности автоионизашш К - оболочки

203

атоиа при р - распаде ядра

6. Проверка на эксперименте теоретического предсказаггия выхода процесса однокваитовой оппигиляции.

Новизна полученных результатов. И диссертационной работе впервые : '

+ 2?

- Измерен спектр ВТН, сопровождавдего р - распад ядра ' N3.

- Получено выражении для коэффициента асимметрии углового [Гаспреде-лепия г - квантов ВТИ, сопровождающего |3 - распад поляризованных ядер, относительно направления ядерных спинов, Выведены формулы для интенсивности и спектральной мощности радиоизлучения тока 0 электронов и предсказан новый эффект.

■ - Развита релятивистская модель автоионизации внутренних оболочек атома при ¡3 - распада с учетом вклада прямого механизма, который в ряде случаев оказался значительным, и исследована сходимость гю иультицолям в прямом механизме автоионизации при в - распаде.

- Построена теоретическая модель и проведены расчет» сечения одпо-кшиювой аннигиляции позитронов с учетом релятивистских эффектов и построена модель для определения относительного выхода одноквантовой аннигиляции, сопровождай йА оззимодейсгвие позитронов р - распада с веществом. •

- Проведены измерения относительного вклада канала одноквантовой аннигиляции во взаимодействие позитронов р - распада с веществом.

- Предложена новая возможность использования измерения отношения выходов однокваптогой, и двукваптовой аннигиляции в ряде практических приложений.

Научная и практическая ценность работы. Проведенный в первой главе

аналитический анализ углового распределения ПТИ из р - распада

поляризованных ядер дает попу» практическую возможность для изучения 'характеристик ядерного р - распада.

Разлитая по второй главе теоретическая модель автоионнэации позволяет описать большую совокупность экспериментальных данных.

Изучение особенности одпоквантсвой аннигиляции позитронов в веществе позволило указать новый путь практического применения этого явления.

Апробация работы. Результата работы докладывались на 39-м и 40-м Всесоюзных Совещаниях псГ~ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (Ташкент, 1989 г.) и (Ленинград 1990 г..) и на научных семинарах кафедр ядерной физики ЯГУ и кафедры ядерной спектроскопии ЛГУ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТ»

Во Введении сформулированы основные -задачи, рассматриваемые в диссертации, дан краткий литературный обзор предшествующих основных работ в области вторичных процессов, изложены главные результаты, полученные автором.

Из Введения следует, что, несмотря па большое число работ, посвященных исследованию внутреннего тормозного излучения ( ВТИ), тем не менее некоторый особенности этого процесса рстались неизученными, Например, не изучалось угловое распределение г - квантов ВТИ относительно направления спина ядер, отсутствовали эксперименты по измерений ВТИ, сопровождающего рраспад ядер.

Первая глава настоящей работы посвящена исследованию этих двух проблей. Проведено теоретическое исследование ВТИ, сопровождающего 3 - распад поляризованных ядер.

В параграфе '1.1 описывается процесс измерения спектра ВТИ,

+ 2? сопротшудащего р - распад ядра "На . Схема распад,- этого изотопа

призеденл. на рисунке Г> ■

2.53 Г.

1о"12сек.

22 " Рнс.1. Схема распада изотопа На

Методика измерения основана на одновременной регистрации гамма-линии 1274 кэВ, одного из анпигиляциошшх гамма-квантов 5ПкэВ и непрерывного тормозного спектра . [¡пользовался метод у т - быстро -медленных совпадений, блок - схема измерительной установки показана на рис.2.

Для обработки приборных спектров ВТИ, нзмерешшх с помощью многоканального диализатора, пведепч поправки на эффективности спектрометра и схемы совпадений, энергетическое разрешение и функцию отклика детектора. Наибольшая шибка измерений, вклвчаввдя й себя статистическую погрешность и неопределенности в значениях шюсимых

поправок, не превышает 25Х. Полученный спектр ВТИ приведен на рис. 3.

2

Экспериментальные результаты сравнивались методом * с кривой, рассчитанной по формулам Лыоса - Форда. Продемонстрировано согласие между теорией и экспериментом в пределах одной стандартной ошибки.

В параграфе 1.2 проведено теоретическое исследование ВТИ, сопровождающего /3 - распад поляризованных ядер. Получено выражение для углового распределения тормозных г - квантов относительно направления ядерных спинов.

• Для дифференциальной вероятности испускания тамма-кванта ВТИ

под углом о, нормированной на один акт 3 -распада, имеем :

dS Ik,в ) в г , '

—1---=-=-5---, I А(к) + B(k)cos в

WQdffrfn 2 л: f «1> t Л4< о- > ) L -J З.о

Проведены расчеты коэффициента асимметрии тКЮ = В(к)/Л(Ю для

случаев распада простейших ядер: нейтрона' ( = 782 кэВ) и трития

î w = 18,6 кэВ ). этот коэффициент оказывается чувствительным к

° gi

отношении констант слабого взаимодействия Л = —. На рис.4 и 5 пред-

g у

ставлены зависимости -г) от энергии ■ гамма-кванта при фиксированном Л и среднего значения <ri> при изменении Л. Как видно из рис.5, зависимость <п> от Л достаточно резкая, следовательно, появляется возможность получения дополнительной информации о X , измеряя угловое распределение квантов ВТН из бета-распада поляризованных ядер.

Бета распад поляризованных ядер приводит к еще одному интересному эффекту, который можно назвать когерентны» излучением. Из-за песохранения четности значительная часть электронов вылетает по направлению ядерного спина, следовательно, возникает электрический ток. Если под воздействием каких-либо переменных внешних полей будет меняться направление ядерных спинов с частотой и, то электрический ток стянет переменным. Согласно принципам электродинамики, переменный ток излучает электромагнитные волны с максимальной интенсивностью на частоте и . Выражение для с р ед и ей па времени интенсивности электромагнитного излучения, сопровождающего (3 - распад поляризованных ядер, запишем в виде:

2 И2 > е2

----5 N а V о

3 СГ 27 С

где 3 -.возникающий электрнчесчП ток, II - активность источника, а -

коэффициент рыстроенности ядер, va - средняя скорость бета-эдектро! Для проведения оценок В результате получим:

. Для проведения оценок приме« Я = ю^°/сек., и = ю6/сек.,

-4

W Я 0.3.10 эрг/сек.

Кроме ВТИ, самым известным эффектом сопровождавшим 3 - расп; является йвтоионйзация внутренних оболочек атомных ядер. Среди решенных проблем Остался вопрос о роли пряного механизма в эт процессе. Цель второй главы нашей работы - выяснить вклад этс механизма для бета-излучателей с большой граничной энергией. Расчэ показали, чтр он играет существенную роль и в отдельных случаях мо* достичь да 507,,

При теоретическом исследовании процесса автоионизации исгаш завалась стационарная теория возмущений. Механизмы, ответственные ; выбивание -электрона «следствии внезапного изменения заряда ядра прямого соударения бета-электрона с электронами атомной оболочки выделялись соответствующими диаграммами Фейпяаиа. -Матричный элемент пвтоионизации имеет вид:

где м матричный элемент "встряски", М^- матричный элемент ирямо-. Го взаимодействия, он имеет вид:

Hd

й (Н)Н^ tj н (Rü^thJOiH, г,Ер)У(г)Фр, (r)dR dr

где ф . 1Ф , ) - ядерные волновые функции, G(R,r,E ') и Jr' > + ' 1 . 11 .

ip(r) - функция Грина и волновая функция электрона, v(r) - потенциал

:заимодействия бета и атомных электронов.

При расчете матричного элемента MsJj волновые функции электрона

¡троились с использованием экранированного атомного потенциала.

вычисление матричного элемента Md проводилось разными способами в

шшсимости от граничной энергии бета -перехода. Для изотопов с малой

-рапнчной энергией ■ строилась иерелятивистская функция в атомном

тотенциале. п случае больших энергий бета-переходов использовалась

релятивистская функция Грина в виде, предложенном в работе H'lchmann и

Kroll. _ •

Особой внимание удалялось построению волновых функций электронов

автоионизашш с малой - энергией. Для этих электронов относительная

вероятность процесса возрастает , а численное решение уравнения

Нредингера сталкивается с трудностями. Поэтому, для получения волновых

функций электронов в области малых энергий использовалось

квазиклассическое приближение.

в таблицам 1 и 2 приведены результаты расчетов вероятности

автоионизации К - оболочки при fT- распадах. Для сравнения даны

имеющиеся экспериментальные данные и результаты различных теоретических

подходов. Видно, что вклад пряного механизма оказывается значительным

даже для ядер с большой граничной энергией р - перехода. Результаты

теоретических расчетов оказываются близки к экспериментальным данным,

однако следует отметить систематическое превышение теоретических

предсказаний. Зто превышение, возможно, связано с пренебрегите»!

кулонойскими эффектами при построении функции Грина и волновой

функции 3 - электрона при расчете и использованием чисто

кулоНовского потенциала для расчета' волновой функции электрона

встряски в области малых энергий.

I) качестве контроля нами был проведен эксперимент для измерения

203

вероятности процесса автоионизашш К - оболочки при ß ~ распаде Hg. >

о

У этого изотопа ест!, изолированная г - линия 279 ю1!, сопргчнпдашан ею р - распад. И тою время процесс встряски мри /1 - распаде шячо идентифицировать по виходу харакгерпетического реипенигского излучения. Следовательно, одновременная регистрация г - к наш а 279 юИ и рентгеновского кванта позволят однозначно отличить рассматривавший процесс на (]опе соиутстпумшх явлений, отетпч, что для этого ядра предыдущие эксперимент» лапали протнворечивни результаты. эго иизвало Необходимость проведения ею одного экспериментального исследования.

Эксперимент проводился на спектрометре т т - совпадений, разрешающее время кшорого составляло 40 нсек. Вюричное излучение, сопро-Нотдавдее ¡1 - распил ' '11%, регистрировалось кристаллом На 1(11) К'УхЮО мм?* в совпадении с > - линией 279 кэИ гозТ1, на которую

настраивался г.е(1Л) детектор, в результате получено следующее

-4

ышчрний вероятности автоионизации: ?к « (0.1 1 0.011x10 . Теоре-

-4

тическое значение равно Р^ =0.0йЭ х 10 . видно, что в пределах стандартной ошибки экспериментальное и теоретическое значения не отличаются.

(Х'.нопнич каналом исчезновения позитронии в веществе является днухквашешая и трехбайтовая аннигиляции. Вероятности эгих процессов относительно налн. поэтому большинство позитронов, попадающих в конденсированную среду, усне|.аюг затормозиться до тепловых энергий. В процессе тормокения, когда позитроны обладают еще достаточно высокой энергией, становится заметным вклад одноранговой аннигиляции с электронами внутренних оболочек атома . Вероятность этого процесса зависит ог эффективного заряда ядер среды и экспериментальное исследовании выхода оапокваптоноП ' аннигиляции могло бы позволить получить информацию о физических характеристиках вещества.

Основой для проведения теоретического анализа и сравнения с экспериментом служил расчет сечения одноквантовой аннигиляции

гяпктрогв'в ия внутренних ибччочк.чх «томов. Гясчртн проводились с уч'мнм рслятпичиа п ч{«|*'К1о» -.'кр'чв'ровгшия кулоноьгкого питтналя,

Р грен,ей маш; вручалась одпок дан юная твчн нллиия с илектро-IHM1! ГОЛЬКО К - оболочки. ЭТОТ КЧ1!:'.Л, 1П КИ1!№пичг;СКИХ соображений, ДЛЯ ОЛПОКВШПОВОЙ ЯШШГНЛШШИ ЯВЛЯ1МГ.Ч (Х'.шшпии.

ПЛЯ ПИрРДСЛ'.'НИЯ ЯНУиД!*. РЦВОГРИНТОВСЩ АННИГИЛЯЦИИ П !Пр:Ч"рЯ*Ч

111.2 наследовалась кинптнка лроцнсса. В области энергий нсзи'роноп порядка 10 кзВ - 5ИС) кэ!) Необходимо при расчетах учшыпагь юпууррщмт ичгко.'н.кнх чрописсоп:

;1)лис-х"и:11 (нч энергии ул счет иопизацкоти,'* щтгрь б)|!1!КОД BlleilllWO термосного И'.ЛуЧОМИЯ, Швиход двухбайтовой ипншиляпии г)виход одпоксашовой випш иляшш. Кроме того, следует принять no снимание, что при проведении эксперииеигоп используется источники позитронов, обяадавдне непрерывной формой спектра. Естественно, что спектральные особенности могут оказать влияния па соотношение могду различными каналами гихода эрпргнн при торможении позитронов .

И диссертации проведен расчет относительного выходя елноквантовоЯ

аннигиляции п предположении, что позитроны, возникаете и результата

+ 22 ' ft ~ распада ' На, navmr на мшисчш различной толщины И сд"лашше из

разных материалов. Толщина имени иям»пяэтсЯ п единицах ипкпимильиоЯ

длины пробега позитронов с энергией Е . Резулмпт приведен!) в

таблице 3. Как видно из приведенных данных, вихол г - квачтч с 2

энергией ■* 2ш с резко моняшия с изменением заряда чнюечн. Такая зьвнеичоств позволяет определять, изиг.рЛя ошдаечие 'мходоз одноквантовой М двухбайтовой анпнгилчцйи дяя изокаюв с данном граничной энергией, эффективней заряд чнпиепи.

Для проверки теоретических предсказаний чксисримпнгально измерялся

>

на установке г-Г совпадений выход одноквантовой ашшгилляции при

торможении позитронов в золотых фольгах. В качестве источника

22

позитронов использовался На. относительный выход р /I1 оказался слабо зависящим от толщины мишени и составил величину (7 ± з)1(Г4. . Величина ошибки определяется большим вкладом случайных совпадений из-за наличия гамма-линии 1274 кэв.

В диссертации предложены некоторые возможности практического использования особенности сечения одноквантовой аннигиляции. В Заключении сформулированы основные выводы диссертации:

1. Проведено первое измерение спектра внутреннего тормозного

+ 22 излучения (БТН) при р- распаде ядра Па и продемонстрировано'

согласие с расчетами ЛЬкса - сорда.

2. Получено выражение для коэффициента асимметрии углозого распределения гамма- квантов ВТИ при р - распаде поляризованных ядер. Продемонстрирорана чувствительность этого параметра к отношению констант слабого взаимодействия.

3. Выведены формулы для интенсивности й спектральной мощности радиоизлучения и на их основе предсказан новый эффект, который можно назвать когерентным электромагнитным излучением, сопровождающим р -распад поляризованных ядер.

4. Построена теоретическая модель автоионизации внутренних оболочек атома При ядерном р - распаде с. учетом вклада прямого мехниэма, который в большинстве случаев оказался значительным. Исследована сходимость по мультиполям в прямом процессе автоионизации при р - распаде атомных ядер.

5. Измерена вероятность автоионизации К - оболочки агома при р -

203

распаде ядра Не и продемонстрировано согласие с теоретическими оценками.

6. Проведены расчеты сечения одноквантовой аннигиляции позитронов

при Прохождении через конденсированную среду с электронами этой среды с учетом релятивистских эффектов и построен? теоретическая модель для определения выхода одноквантовой аннигиляции, сопровождающей взаимодействие Позитронов ß - распада с веществом!

7. проведены измерения относительного вклада канала одноквантовой

v. '

аннигиляции во взаимодействие позитронов ß - распада с веществом.

В. Предложена возможность использования измерений отношения выходов одноквантовой и двухквантозой аннигиляции в ряде практических приложений. . - -

Список опубликованных работ,. Основное „содержание• диссертации опубликовано в следующих работах;

1.Х.А. Буигахма, Л.И. Шумейко, И,И. Красиков. Новые методу в изучении пторИчных процессов при р - распаде. Деп. ВИНИТИ.

2.Х. А, Бушахма, А. 11. Шумейко, И. М. Красиков. Экспериментальное изучение энергетических распределений Пти, сопровождающего Е - захват

ЛС

ядра С1. Тезисы докладов 39-го совещания по ядерно!) спектроскопии и структуре атомного ядра. i989. d. E5i,

3.Х.А. Пувшма, Л.П. Шумейко, И.М, Красиков. Изучение внутреннего

22

тормозного излучения сопровождающего (3 - распад На. Тезисы докладов 40-го совещания nd Ядерной спектроскопии и структуре зтоного ядра, 1990.

4.и,С,1Ваткин,X.А, Бушахга, Т. Л. Чуракова, Релятивистское рассмотрение автоионизации внутренних оболочек атомов. В печати в "Journal of Physics".

Таблица I

Вероятность автоионизации К - оболочки атомов при р - распаде (хю4):

Изотоп С тс2] " и ' «к

[1] Ы [и [*] экспер.

58 Са 27 0.928 8.45 11] 9.23 [2] 13.15 [*] 5.36 5.62 13.2 18.06 13.8+2.412] 16.6+2.1[4]

64 си 23 * 1.286 I.44 [1] 8,25 [3] II,32 [«] 4.02 4. 46 10,6 15.01 13.2+0.813] 13.3+1.1[5] 'V

66 2п 30 0.636 6.05 [1] 9.21 [♦] 6.31 7,00 12.4 15.69 - 5/2" 3/2"

Таблица И

Вероятность автоиоцизацли К - оболочки атомов при (3 - распаде (хЮ4):

Изотоп Е 0 "к даннь и ^ е рабе «снг ты!»] М экспер. Л,-* ^

32 1 Р 1 б • 3.346 39.40 [6] 53.64 [7] 51.74 10. 10 60.84 47 [7] 99 [8] 72 [9] 1+-> 0+

114 3.888 3.35 [6] 5.42 [7] 4.15 2.84 7.20 5.4+0.4 [6] + + 1 —» 0

143 б9рг 1. 820 2.28 2. 86 4.57 2.89+0.141101 7/2+—> 7/2+

169 0.656 0.761 0.657 1.37 1.0+0.2 [11] 1/2"-» 1/2+

45 со' 20 0. 493 23,34 10.99 33.61 24.3+3.9 [12] 7/^2~—) 7/2"

[»] - результаты настоящей работы'

^ С.К. Ф. ]--

о.

5П-

Г~"Т

1274

| ВТЙ

]------.

L-.~j~K.ri. J---.У.

Б С С

II

.к.

—СИ}

1.и7]—

■ЕЕ

БЛОК СХЕМА .УСТАНОВКИ МЬТОДА ТРОЙНЫХ СОВПАДЕНИИ

К.П.- катодпчй повторитель *

У.- усилитель р.- дискимонатор С.К, согласующий каскад . - формпроиатоль

м

с с

ВОРОТА

и.К.А.

Рис. .2

Б<«)

ю

Ю'

—1

-4 N

V

"Ч \ т

* -< 1—

V . и.

■ I у

0

ч

(Л —

V S

[Ч у.

\

\

\

ю

юо

200

300

400

уяс. 3 Спектр внутреннего тормозного излучения, сопрововдащего ■бета - распад 22ма ('метод суммирования):-^ - кривая, расчитанная по теории Льве о - Форда; ф экспериментальные точки

Piic. 4 Зависимость'козффлцопта асимметрии (i?) от энергии 7 - квалта для иойтропа (w^ 782 кэВ)

.1 i

Рис. 3 .Зависимость среднего значения козффацента асимметрии <17 отношения констант.слабого взаимодействия - X, для нейтрона