Измерение длительности протекания ядерных реакций с помощью метода, основанного на явлении торможения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

а

■учу

. ^ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ^ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ имени Д.В.СКОБЕЛЬЦЫНА

На правах рукописи УДК 539.172

Егорова Ирина Михайловна

ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ПРОТЕКАНИЯ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА, ОСНОВАННОГО НА ЯВЛЕНИИ ТОРМОЖЕНИЯ

Специальность: 01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА, 1998

Работа выполнена в отделе: Ядерных Реакций Научно-исследовательского института Ядерной Фчтекп нм.Д.Ь Скобельцына МГУ им.М.В.Ломоносова

Научные руководители: доктор фшкко-математических наук

О.А.ЮМИНОВ

кандидат физико-математических наук С.Ю.ПЛАТОНОВ

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Н.П.КАЛАШНИКОВ (МГЙУ, г.Москва)

кандидат физико-математических наук В.М ЛЕБЕДЕВ (НИИЯФ МГУ, г.Москва)

Ведущая организация:

Институт теоретической и экспериментальной физики, г.Москва

Защита состоится ".Л." (.уф.^¿.¡А.. 1998 г. в "../4." часов на заседании Диссертационного Совета К-053.05.23 в Московском Государственном Университете им.М.В.Ломоносова.

Адрес: Москва, 119899, Воробьевы Горы, НИИЯФ МГУ, 19-й корпус, ауд.2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ. Автореферат разослан ".-¿."¿М</>Ш. 1998г.

/ ,

Ученый секретарь (у

Диссертационного Совета //

кандидат физико-математических наук </О.В.ЧУМАНОВА

1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Исследование временных характеристик ядерных реакций позволяет получать информацию как о динамике ядерных превращений, так и о структурных особенностях взаимодействующих ядер. При этом в ряде случаев подобные сведения не могут быть получены на базе экспериментальных данных по традиционным, интегральным по времени характеристикам ядерных реакций, таким как сечения, энергетические и угловые распределения продуктов реакций. В последнее время был создан ряд экспериментальных методов, позволяющих прямым образом определять длительность протекания ядерных процессов. Из них наиболее широкое применение получили время-пролетные методы и предложенный А.Ф.Тулиновым метод, основанный на использовании эффекта теней. С помощью данных методов исследуются характеристики ядерных реакций, протекающих за времена т > 10~'° с. и 10~19 < т < Ю-15 с. соответственно. Для изучения ядерных превращений в диапазоне Ю-10 -г 10~15 с. интенсивно используются методы, основанные на явлении допплероаского смещения линий "/-излучения. Однако, данные методы не позволяют исследовать распад возбужденных ядер в области перекрывающихся уровней и распад по каналам с вылетом заряженных частиц.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью настоящей работы является разработка нового метода измерения длительности протекания ядерных реакций, основанного на использовании явления торможения заряженных частиц в веществе, исследование областей применимости и апробация его на примере измерения времени жизни возбужденных состояний .(5.47 МэВ, 7/2+) и (5.62 МэВ, 3~) ядер и 20Яе соответственно.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Развит новый экспериментальный метод измерения временных характеристик ядерных реакций в диапазоне Ю-10 Ч-10~15 с. В отличии от интенсивно используемых в этой области времен допплеровских методик, основывающихся на 7- спектроскопии выделенных возбужденных уровней, метод позволяет прямым образом измерять временные характеристики распада ядерных систем по каналам с испусканием заряженных частиц.

Исследована возможность использования метода торможения для измерения временных характеристик процесса околобарьерного деления тяжелых ядер, для поиска и определения характеристик короткожи-вущих (10~'° -г Ю-15 с.) спонтанноделящихся изомерных состояний, а

также для исследования процессов образования и распада сверхтяжелых ядер (Z > 100)адер.

С помощью нового метода, проведено измерение времен жизни состояний (5.47 МэВ, 7/2+) ядра l9F и (5.62 МэВ, 3~) ядра 20iVe, заселяемых в реакциях7Ы(иО,а) и тЬг(шО,3 Н) соответственно.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы обусловлена тем, что создан новый экспериментальный метод исследования статистических, динамических и статических характеристик составных ядер. В частности, в работе показано, что метод позволяет исследовать характеристики енльнодеформированыых переходных состояний тяжелых ядер, заселяющихся в процессе деления (параметры барьеров деления, плотности уровней во второй потенциальной яме и в седловых точках и др.), механизмы их образования и распада. На защиту выносятся следующие положения:

- метод измерения длительности протекания ядерных реакций, основанный на использовании явления торможения заряженных частиц в веществе.

- результаты эксперимента по измерению времени жизни состояний (5.47 МэВ, 7/2") ядра 19F и (5.62 МэВ, 3~) ядра 20JVe, заселяемых в реакциях vlï(160,a) и ?Li(l60;s H) соответственно.

- результаты расчетов энергетических спектров осколков деления тяжелых ядер в околобарьерной области энергий возбуждения с учетом времени жизни состояний в первой и второй потенциальных ямах, образования и распада короткоживущих (Ю-10 Ч-10~15 с.) спонтанноделя-щихся изомеров формы и сверхтяжелых ядер.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на:

-XVI Международной конференции по атомным столкновениям в твердом теле (г.Линц, Австрия, 1995 г.);

-45-ом Международном совещании по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (г.Санкт-Петербург, Россия, 1995 г.); -II Международном симпозиуме по временным характеристикам ядерных реакций (г.Москва, Россия, 1993 г.);

-Международном симпозиуме "Large-Scale Collective Motion of Atomic Nudei" (г.Броло, Ит.шия, 199G г.);

-Международном совещании "Свойства ядер, удаленных от долины стабильности" (47-ом Совещании по ядерной спектроскопии и струк-

туре атомного ядра) (г.Обнинск, Россия, 1997 г.);

-Международной школе-семинаре по фишке взаимодействия тяжелых ионов (Дубна, Россия, 1997 г.);

-научных семинарах Лаборатории ядерных реакций НИИЯФ МГУ, Института ядерных исследований АН Украины (г.Киев). По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 84 страницы и включает в себя 22 рисунка, 5 таблиц и список литературы in 104 наименований.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы исследования, кратко сформулированы основные цели работы, описано распределение материала по главам и перечислены основные положения, которые автор выносит на защиту.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ рассмотрены физические основы современных методов измерения длительности протекания ядерных реакций. Обсуждаются границы применимости, основные достоинства и недостатки каждого из методов. Анализируются возможности использования различных экспериментальных методик для исследования временных характеристик распада возбужденных состояний, а также для исследования динамических аспектов реакций взаимодействия тяжелых ионов, и, в частности, реакций типа слияния-деления.

ВО ВТОРОЙ главе описаны базовые принципы, лежащие в основе нового метода определения длительности протекания ядерных реакций.

Рассматривается процесс взаимодействия налетающего высокоэнергетического тяжелого иона с двухслойной мишенью, состоящей из достаточно тонкого слоя легких элементов ( 1-слой ) и относительно толстого слоя тяжелых элементов ( Г1-слой ). Если энергия бомбардирующих частиц достаточна для слияния с. ядрами легких элементов, но много меньше порога слияния с ядрами тяжелых элементов, то ядерные реакции будут протекать только в первом слое мишени. При этом образовавшаяся составная ядерная система будет тормозиться во втором слое и распадаться по ходу движения. Если энергетические потери

составного ядра и тормозном слое существенно превышают энергетические потери продуктов распада, то энергия продуктов распада, регистрируемых на выходе из мишени, будет зависеть от пространственного распределения распадающихся ядер и, следовательно, от их закона распада и времени жизни.

В случае экспоненциального закона распада пространственное распределение составных ядер в тормозном слое мишени может быть записано в виде:

/о (<(*))

Ус(Х)

ад • г

а)

где г - время жизни составного ядра.

А форма энергетического спектра продуктов распада составного ядра, вылетающих из мишени под нулевым углом относительно пучка бомбардирующих ионов, будет определяться выражением:

НХ) 1 ДХ)

г [Е(Х) =

№

¿х

2№Ш их

(2)

где

Е(Х) = Е^Х)~ }

¿X

¿X

(3)

- энергия продуктов распада, вылетающих из мишени толщиной /;

М\

Е1{Х) = ЕС(Х)^ + Е0+2М1

ЕС(Х) ■ Е0

Мс-М1

(4)

- энергия продуктов распада, испущенных составным ядром на глубине X под нулевым углом к направлению движения составного ядра; Ео - энергия продуктов распада в системе центра масс; М\ - масса продуктов распада.

Таким образом, используя данные об энергетическом спектре продуктов реакции, вылетающих из мишени, мы получаем информацию о пространственном распределение распадающихся ядер - Е(Х) и, следовательно, о законе распада и времени жизни ядра. Пример зависимости формы спектров продуктов распада составного ядра от его времени жизни приведен на рис. 1. Из приведенных данных следует, что метод

обладает высокой чувствительностью в диапазоне 10

-ю

10

-15

С.

21 25

Ес, МэВ

Рис. 1. Энергетические спектры вылетающих из мишени л-частпц -продуктов распада состояния (эА7МэВ,7/2+) ядра 1!).Р, образованного в реакции ' Ы +16 О 19Г -2» при энергии ионов кислорода 120 МэВ. Кривые - результаты расчетов для случая тормозного слоя золота толщиной 13 мкм и различных значений времени жизни:

1 - 5.0 • Ю-15 е.; 2 - 1.0 • 10~14 е.; 3 4 - 1.0 • 10~13 е.; 5 - 1.0 ■ Ю-'2 е..

5.0 • 10~14

ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвящена использованию метода торможения для измерения времени жизни низколежащих, распадающихся по п-каналу возбужденных состояний ядер 19Е и 20Аге, заселяемых в реакциях 7Ы{150,а) и '¿г{160;1 Я) соответственно при энергии ионов кислорода 120 МэВ.

В §1 дано описание техники изготовления мишени, состоящей из слоя фторида лития - ИР толщиной 0.13 мкм, нанесенного на золотую подложку толщиной 10 мкм, представлена схема экспериментальной установки, в которой регистрация с*- частиц - продуктов распада ядер 19Р и 20Л/е - производилась по схеме совпадений с продуктами прямых реакций - «-частицами и тритием - двумя АЕ— Е телескопами. Использование схемы совпадений необходимо для выделения канала реакции

и энергии возбуждения распадающихся ядер.

В §2 анализируются полученные энергетические спектры а-частиц - продуктов распада наиболее долгоживущцх ыизколежащих состояний ядер и '20Ые. Анализ экспериментальных данных выполнен с учетом вероятностей заселения к распада возбужденных состояний ядер, играющих доминирующую роль в формировании выхода а-частиц в исследуемом энергетическом диапазоне. Константы распада состояний (5.47 МэВ, 7/2+) ядра 1дР и (5.62 МэВ, 3") ядра 20ЛГе варьировались с целью описания формы соответствующих экспериментальных спектров. Наилучшее описание было получено для значения времени жизни состояния(5.47 МэВ, 7/2+) ядра19/1, равного (3.2±3.0)-10~и с. псостояния (5.62 МэВ, 3") ядра 20ЛГе, равного (2.1 ±1.8) -10"13 с. Полученные значения времен жизни хорошо согласуются с другими экспериментальными данными, измеренными с помощью метода, основанного на явлении допплеровского смещения линий ^-излучения.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ анализируются возможности использования метода торможсшгя.

В §1 проведен анализ процессов вынужденного деления тяжелых ядер, выполненный в рамках статистической теории ядерных реакций и модели двугорбого барьера деления. Показано, что времена жизни состояний, имеющих энергию возбуждения порядка и меньше барьера деления, лежат в области времен, больших Ю-15 с. что позволяет использовать метод торможения для исследования процессов вынужденного деления тяжелых ядер.

В §2 выполнены расчеты энергетических спектров осколков деления ядра П9и, образующегося в реакции 2 Я +2-!8 II 239£/* М. дЛЯ случая двухслойной мишени, состоящей из тонкого (0.1 мкм) дейтери-рованного слоя Тг на толстой (10 мкм) золотой подложке, и значения энергии бомбардирующих ионов 10 МэВ/А. На данном примере показано, что форма спектров осколков деления зависит от величины времен жизни возбужденных состояний как в первой так и во второй потенциальных ямах. Таким образом использование метода торможения для исследования процесса деления тяжелых ядер позволит получить прямую информацию о законах распада, величинах времен жизни возбужденных состояний в первой и второй потенциальных ямах, и, следовательно, о характеристиках переходных состояний делящихся ядер.

В Р на примере рассмотренной выше реакции проведен анализ при-

монимостп метода торможения для исследование процессов образования п распада стштаннодслящпхоя короткожпвущих (Ю-10 4- КГ'' сок.) изомеров формы тяжелых ядер. Показано, что энергетические спектры осколков деления содерлсат информацию как об изомерных отношениях, так п о константах распада изомеров. Ожидаемые спектры осколков деления приведены на рис .2.

ЕГ) МэВ

Рис. 2. Энергетические спектры осколков деления ядра ши, образующегося в реакции 2Я +238 С/ Д М90'4 Л при энергнн бомбардирующих ионов V 10 МэВ/А. Кривые расчптаны с учетом возможности заселения п распада спонтанно-делящегося изомерного состояния для случая времени жизни изомера формы тизомер = 1.0-Ю-10 сек н для различных значений энергии возбуждения делящегося ядра и изомерного отношения:

1. Е* = 6.5 МэВ, ту = 3.8 ■ 10~ы сек., У/'/У/ = 10~3;

2. Е* = 6.8 МэВ, ту = 1.0 • 10-и сек., Г/'/Г/ = Ю-4;

3. Е" = 7.0 МэВ, ту = 3.8 • Ю-15 сек., У/'/Г/ = 10"3;

4. Е* = 7.0 МэВ, ту = 3.8 • 10~15 сек., У/'/У/ = 1(Г4

В §4 показано, что метод торможення может быть полезен при исследовании вынужденного деления сверхтяжелых ядер {2 > 100) с энер-

гией возбуждения вблизи барьера деления. В частности продемонстрировано, что временные характеристики распада сверхтяжелых ядер чувствительны к природе барьера деления. Значения барьера деления для статической п динамической траекторий деления в многомерном пространстве деформаций различны, а именно высота, динамического барьера, как правило, больше статического. Различие в величине барьеров деления проявляется во временных характеристиках распада сверхтяжелых ядер, а, следовательно, а в форме энергетических спектров осколков деления. Эти утверждения проиллюстрированы на примере реакции -Ь2,!х V 266 1 06* при энергии бомбардирующих ионов урана 5.5 МэВ/А. Расчеты энергетических спектров осколков деления выполнены для случая использования двухслойной мишени, состоящей из слоя серы толщиной ОЛмкм, нанесенной на золотую подложку толщиной 10 мкм и значения энергии возбуждения -266 1 06, равной 9.0 МэВ.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ кратко сформулированы основные выводы диссертации:

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Развит новый метод измерения длительности протекания ядерных реакций, основанный на использовании явления торможения заряженных частиц в веществе.

2. Показано, что метод торможения может быть использован для определения времени жизни составных ядерных систем, распадающихся по каналам с испусканием заряженных частиц, во временном диада-зоне от 10"15 до Ю-10 сек. Проанализирована чувствительность метода торможения к типу закона распада исследуемого ядра, величине энергетических потерь составной ядерной системы, а также особенностям кинематики исследз'емых ре акций.

3. С помощью нового экспериментального метода проведено измерение времени жизни резонансных состояний (5.47 МэВ, 7/2+) ядра 19Г и (5.62 МэВ, 3') ядра 20/Уе, заселяемых в реакциях 7Ы(]60,а) и 7Ы(160,Л И), соответственно.

4. В рамках статистической теории ядерных реакций и модели двугорбого барьера деления выполнены расчеты временных характеристик деления тяжелых ядер. Показано, что метод торможения позволяет исследовать процессы околобарьерного деления тяжелых ядер, образования и распада короткоживугцих (Ю-10 Ч- Ю-15 сек.) спонтанноде-лящихся изомеров формы, а также исследовать процессы образования и распада сверхтяжелых ядер (Z > 100).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. O.A.Yuminov, S.Yu.Platonov, D.O.Eremenko, N.V.Eremin, I.M.Egoro-va, V.O. Kordyukevicli, O.V. Fotina, F. Malaguti, A. D'Arrigo, G. Giar-dina, A.Taccone, G.Vaimini, A.Moroni, R.A.Ricci, L.Vannucci, A novel experimental technique of nuclear lifetime measurements. Nucl.Instr. and Meth. in Phys.Res., 1995, v.B95, p.543 - 547.

2. O.A.Yuminov, S.Yu.Platonov, I.M.Egorova, D.O.Eremenko, V.O. Kor-dyukevich, O.V.Fotina, F.Malaguti, A. D'Arrigo, G. Giardina, A.Taccone, G.Vannini, A.Moroni, R.A.Ricci, L.Vannucci, Energy loss and time duration of nuclear reactions. Abstracts of 16"1 International Conference on Atomic Collisions In Solids, 1995, Linz, Austria, p.A34.

3. Егорова И.М.,Еременко Д.О., Платонов С.Ю., Фотина О.В., Юмп-нов О.А.. Использование метода торможения, для: исследования процесса околобарьерного деления тяжелых ядер. Тезисы докладов 45-го Международного Совещания по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра. Санкт-Петербург, 1995, с.295.

4. O.A.Yuminov, S.Yu.Platonov, I.M.Egorova, D.O.Eremenko, N.V.Eremin, V.O. Kordyukevicli, O.V.Fotina, F.Malaguti, A. D'Arrigo, G. Giardina, A.Taccone, G.Vaimini, A.Moroni, R.A.Ricci, L.Vannucci, Slowing-down method for nuclear lifetime measurements. Proceedings of the International Symposium on Time Characteristics of Nuclear Reactions. Moscow, Russia, 20 - 25 September, 1993, MSU Edition, 1995, p.87 - 107.

5. Егорова И.М., Еременко Д.О., Мал агути Ф., Платонов С.Ю., Фотина О.В., Юминов О. А., Использование метода, основанного на явлении торможения, для исследования процесса околобарьерного деления тяжелых ядер. Известия РАН, серия физическая, 1996, т.60, № 5, с.109 -117.

G. I.M.Egorova, D.O.Eremenko, O.V.Fotina, G. Giardina, P. D'Agostino. V.O. Kordyukevicli, F. Malaguti, S.Yu.Platonov. E.I.Sirotinin, O.A.Yuminov.

New "slowing-down" experimental technique for investigation of formation and decay of heavy and superheavy nuclei. Proceeding of the International Conference "Large-Scale Collective Motion of Atomic Nuclei", Brolo(Messiua), Italy, October 15 - 19, 1997, p.446-450.

7. I.M.Egorova, D.O.Eremeiiro, S.Yu.Platonov, O.A.Yumiuov, F.Malaguti, A.Ugnzzoni, J.Forster. Angular correlation of fission fragments as a probe of nuclear decay mechanism. Тезисы докладов Международного совещания "Свойства ядер, удаленных от долины стабильности" (47-ое Совещание по ядерной спектроскопии и: структуре атомного ядра), Обнинск, 1997, с. 76.