Изучение распада ядер, удаленных от полосы b-устойчивости, представляющих интерес для описания астрофизических r- и rp-процессов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

лч • и ^ ... -7 / ОЯ^ I • I / ;/ и ^

российская академия наук петербургский институт ядерной физики им. б.п. Константинова

На правах рукописи 2-

Попов Андрей Вальтерович

удк 539.172

Изучение распада ядер, удаленных от полосы р-устойчивости, представляющих интерес для описания астрофизических г- и гр-

процессов.

01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

диссертация

на соискание ученей степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Ю.Н. Новиков

Санкт-Петербург 1999 г.

Оглавление

Введение ________________^

1. Распад ядер удаленных от полосы бета-стабильности______9

1.1. Астрофизические приложения________9

1.1.1. гр-процесс__________- 9

1.1.2. г-процесс ________-__-__.__1'

1.2. Энергии связи ядер___________-—---12

1.2.1. Энергии р-распада__________

1.2.2. Барьеры деления__-_________ 13

1.2.3. Вопросы, связанные с Вигнеровской симметрией. _____14

1.3. Бета-распад-----16

1.3.1. Разрешенный Ферми переход _____17

1.3.2. Разрешенный переход Гамова-Теллера_.______ 17

1.4. Основные закономерности описывающие поведение запаздывающих процессов._18

1.5. Распад основного состояния с эмиссией заряженных частиц__.20

2. Эксперименты._______.__21

2.1. Экспериментальные методы_______21

3. Исследование мод распада ядер с в области А=70. _ _____

24

3.1. Введение ______—-——24

3.2. Эксперимент _____:-24

3.3. Изучение распада Тг=-1 нуклида 70Кг_____25

3.4. Изучение распада Т* = -1/2 нуклида 71Кг.-----26

3.4.1. Запаздывающее излучение__—— 26

3.4.2. Время жизни и р-распад______29

3.4.3. Обсуждение __—.—.—--30

3.5. Поиск Тг = -1/2 нуклида 73Ш)______32

3.5.1. Обсуждение ___________33

3.6. Бета-распад Н-Х нуклида 74Ш} и поиск Т=0 изомера74,11 ИЬ __—___33

3.6.1. Обсуждение._____—-—----—-34

4. Спектроскопия запаздывающих нейтронов из распада нуклидов 94'97Ю)._36

4.1. Введение ___________—-36

4.2. Времяпролетный спектрометр атомов отдачи._____38

4.3. Эксперимент_________—40

4.4. Анализ спектров атомов отдачи__________42

4.4.1. Калибровка ____________—____42

4.4.2. Вычитание фона ________________42

4.4.3. Учет эффективности_____________ 42

4.4.4. Регистрации нейтрона______.___42

4.4.5. Регистрации атома отдачи. ____________43

4.4.6. Полная эффективность ____________-—-— 43

4.4.7. Учет заселения возбужденных состояний._______._44

4.4.8. Силовая функция Р-распада ______________45

4.5. Результаты ___________ 45

4.6. Обсуждение ____________53

5. Нейтронодефицитпые изотопы таллия. _____54

5.1. Введение _______-__-__—--^

5.2. Эксперимент,

6.1. Введение _

6.2. Эксперимент.

6.6. Обсуждение. Заключение_

Литература

56

5.3. ШТ1._____-____56

5.4. ,83Т1._______-58

5.5. ШТ1.______60

5.6 ШТ1. _________61

5.7. 180Т1.________63

5.8. Обсуждение__________

6. Изучение нейтроноизбыточных изотопов 232Fr, 233Ra, 233'234Ас.--65

_65

65

6.3. Распад 232Fr ------65

6.4. Распад 233Ra_____________67

6.5. Распад 234Ra ____-69

_______69

_____71

73

Введение

Создание в электромагнитных масс-сепараторов, работающих в линию с ускорителем, существенно увеличило селективность изучения нуклидов, имеющих малые сечения образования и малые времена жизни. К настоящему времени использование таких сепараторов для целей ядерной спектроскопии стало почти обыденным. Теряют статус "экзотических" распады нуклидов с эмиссией нуклонов из основных и возбужденных состояний, процесс запаздывающего деления. Постепенно на первый план выходит возможность использования нуклидов удаленных от полосы ^-стабильности в качестве полигона для изучения механизма процессов распада, структуры ядер, уточнения условий протекания астрофизических процессов. Появившаяся в последнее время возможность получения "очищенных" нуклидов даже в малых количествах позволяет проверить наиболее яркие предсказания, не требующие знания деталей схем распада. Это позволяет существенно уменьшить количество "степеней свободы" в используемых моделях и дает информацию о некоторых особенностях распада ядер, максимально удаленных от полосы бета-стабильности.

Для ядер, удаленных от полосы (3-стабильности, характерны большие энергии Р-распада и низкие энергии связи нуклонов. В ряде случаев энергия возбужденного состояния превышает энергию связи нуклона в дочернем ядре или сравнима с величиной барьера деления. При этом возникает возможность распада заселяемых в (3-распаде состояний с испусканием нуклонов или путем деления. Изучение таких распадов дает информацию об особенностях Р-распада в широком диапазоне энергий и для большой области ядер. Высокая избирательность методик регистрации тяжелых частиц позволяет изучать как распад основных ядер с аномальным соотношением Ии так и распад слабо заселяемых высоковозбужденных состояний.

Эмиссия протонов из основного состояния энергетически возможна в ядрах с большим избытком протонов. Однако наблюдение такого распада возможно только при условии небольшой энергии испускаемого протона и достаточно высокого кулоновского или орбитального барьера. Определение положения границы протоноустойчивых ядер дает возможность уточнения модельного описания массовой поверхности ядер. Область ядер, где пересекаются линии и Вр=0, перекрывается с областью, представляющей интерес в описании астрофизического гр-процесса1.

Развитые за последние годы теоретические подходы к описанию (3-распада ядер требуют данных о распаде экзотических нуклидов, уточнения характеристик уже известных ядер . При этом в ряде случаев предсказываются явления, которые могут существенно повлиять на интерпретацию астрофизических данных.

Такая ситуация сложилась в области нейтронодефицитных ядер с А~70, где для описания гр-процесса нуклеосинтеза необходима информация о положении границы протонной устойчивости нуклидов. Данные об устойчивости

относительно эмиссии протона из основного состояния нуклидов 69Br, 73Rb позволили бы снять вопрос о возможности распространения процесса в область более тяжелых нуклидов2.

Роль запаздывающего деления3 оказывается существенна для описания синтеза

4

тяжелых элементов в r-процессе в природе и во взрывах термоядерных зарядов3'5. При этом, область нейтроноизбыточных нуклидов с массовым числом А-232 представляет существенный интерес для описания процесса образования тяжелых космохронометров. Предсказанные в этой области вероятности запаздывающего деления6 приводят к необходимости существенной коррекции начальной распространенности тяжелых космохронометров и, как следствие7, к изменению оценок времени существования Вселенной. При этом актуальным становится как прямое измерение вероятностей запаздывающего деления нуклидов в этой области, так и изучение основных характеристик их распадов.

Для описания особенностей протекания г- процесса нуклеосинтеза и образования стабильных нуклидов после его вымерзания, необходима информация о временах жизни и вероятностях эмиссии запаздывающих нейтронов при распаде нуклидов как вовлеченных в процесс, так и расположенных между траекторией процесса и полосой стабильных нуклидов. Оценки этих величин для нуклидов, вовлеченных в r-процесс, даются рядом теоретических подходов, описывающих ß-распад8. Корректный выбор параметров модели при описании экзотических ядер возможен только на основании сравнения предсказаний поведения заселенностей состояний в ß-распаде с экспериментальными данными. В случае нейтроноизбыточных ядер это приводит к необходимости измерения спектров запаздывающих нейтронов в широком (0-10 МэВ) энергетическом диапазоне.

Экспериментальный материал представляемый в данной работе упорядочен по возрастанию массовых чисел изучаемых нуклидов, что примерно соответствует обратной хронологической последовательности проведенных экспериментов.

В первой главе диссертации приведено описание общего аппарата, необходимого для описания распада нуклидов, удаленных от полосы ß-стабильности, и анализа экспериментального материала.

Во второй главе представлено описание общей части экспериментальных методик использовавшихся при проведении экспериментов. Все эксперименты проводились на масс-сепараторах, работающих «в линию» с пучком протонов с энергией 1 ГэВ (ИРИС (ПИЯФ) и ISOLDE-PS (CERN)).

Третья глава посвящена исследованию нуклидов, расположенных в области пересечения границы протонной устойчивости и линии с N=Z, определению роли 73Rb как конечной точки гр-процесса. Приведено описание эксперимента и полученных результатов.

В результате изучения области нейтронодефицитных нуклидов впервые наблюдался (3-распад 70Кг. Проведенное изучение распада 71 Кг позволило разрешить разногласие относительно времен жизни, полученных в различных экспериментах при измерении p-спектра и спектра запаздывающих протонов. Получена оценка величины Гамов-Теллеровского матричного элемента в ядрах в конце fp-оболочки. Отсутствие событий в (3- и протонном спектре, соответствующем ?3Rb позволило с большей достоверностью подтвердить вывод об отрицательной энергии связи протона в этом ядре. Этот вывод приводит к необходимости выбора сценария протекания гр-процесса, существенно подавленного выше «точки ожидания» 72Кг.

Четвертая глава посвящена изучению эмиссии запаздывающих нейтронов в нейтроноизбыточных изотопах 9497Rb расположенных вблизи траектории г-процесса.

Автором разработана новая методика спектроскопии запаздывающих нейтронов по времени пролета атомов отдачи. Спектрометр представляет собой комбинацию системы подготовки тонкого источника и набор детекторов для измерения времени пролета атома отдачи. С использованием этого спектрометра измерены спектры атомов отдачи, образованных в результате эмиссии запаздывающих нейтронов в изотопах.

Пятая глава посвящена изучению распада нейтронодефицитных изотопов 180-183, 185xi. Интерес к этим нуклидам определялся нестабильностью относительно эмиссии протона из основного и изомерного состояний, возможной в изотопах Т1 с А< 185, наблюдавшимся эффектом запаздывающего деления в 180Т1 и близостью магического числа Z=82, возможностью наблюдения влияния заполнения протонной оболочки на ширины а-распада.

Шестая глава посвящена изучению распада нейтроноизбыточных изотопов, расположенных в области А=232 и определения величины ветви запаздывающего деления в них. Как предполагалось, запаздывающее деление нейтроноизбыточных нуклидов может играть существенную роль в процессе образования тяжелых элементов в природе. Большие вероятности запаздывающего деления, предсказанные в области нуклидов, вовлеченных в процесс нуклеосинтеза тяжелых космохронометров, приводят к выводам о необходимости коррекции начальной распространенности 232Th, 235' 238U, 244Ри и, как результат, к изменению оценки времени жизни Вселенной.

Основные результаты представленные в диссертации опубликованы в

следующих работах:

1. В.А.Большаков, К.А. Мезилев, Ю.Н. Новиков, А.Г. Поляков, А.В. Попов, Ю.Я. Сергеев, В.И. Тихонов. «Новые нейтроноизбыточные изотопы 232Fr, 233Ra, 234Ra.» Препринт ЛИЯФ № 1517, август 1989.

2. К.А. Мезилев, Ю.Н. Новиков, А.В. Попов, Ю.Я. Сергеев, В.И. Тихонов. "Поиск запаздывающего деления в нейтроноизбыточных нуклидах и космохронология." Препринт ЛИЯФ № 1525, август 1989.

3. Е.А. Беломытцева, В.А.Большаков, А.Г. Дернятин, К.А. Мезилев, Ю.Н. Новиков, А.Г. Поляков, А.В. Попов, Ю.Я. Сергеев, В.А. Сергиенко, В.И. Тихонов. "Новый нуклид 232Ra", Программа и тезисы 40 совещания по ядерной спектроскопии и структуры атомного ядра, 1990, с. 134.

4. Е.А. Беломытцева, Г.В. Веселов, К.А. Мезилев, Ю.Н. Новиков, А.Г. Поляков, А.В. Попов, Ю.Я. Сергеевб В.А. Сергиенко, В.И. Тихонов. "Энергия распада 232Ас", Программа и тезисы 40 совещания по ядерной спектроскопии и структуры атомного ядра, 1990, с.132.

5. К.А. Мезилев, Ю.Н. Новиков, А.В. Попов, Ю.Я. Сергеев, В.И. Тихонов. "Времяпролетный спектрометр ядер отдачи для изучения запаздывающих процессов", Программа и тезисы 40 совещания по ядерной спектроскопии и структуры атомного ядра, 1990, с.444.

6. К.А. Mezilev, Yu.N. Novikov, A.V. Popov, Yu.Ya. Sergeev, V.I. Tikhonov. "Search for Delayed Fission in Neutron-Rich Nuclei." Z. Phys. A337, 109 (1990)

7. K.A. Mezilev, Yu.N. Novikov, A.V. Popov, Yu.Ya. Sergeev, V.I. Tikhonov. "Search for Delayed Fission in Neutron-Rich Nuclei." Proc. Int. Scool-Seminar on Heavy Ion Physics. Dubna, 3-12 October 1989, D7-90-142, p. 199-207.

8. В.А. Большаков, Г.В. Веселов, К.А. Мезилев, Ю.Н. Новиков, А.Г. Поляков, А.В. Попов, Ю.Я. Сергеевб В.А. Сергиенко, Ю.Я. Сергеев, В.И. Тихонов. "Идентификация основного состояния 185Т1", Программа и тезисы 41 совещания по ядерной спектроскопии и структуры атомного ядра, Минск, 1991, с.116.

9. В.А. Большаков, Г.В. Веселов, К.А. Мезилев, Ю.Н. Новиков, А.Г. Поляков, А.В. Попов, Ю.Я. Сергеевб В.А. Сергиенко, Ю.Я. Сергеев, В.И. Тихонов. "Распад 182-183Т1", Программа и тезисы 41 совещания по ядерной спектроскопии и структуры атомного ядра, Минск, 1991, с. 114.

10.V.A. Bolshakov, A.G. Dernyatin, К.А. Mezilev, Yu.N. Novikov, A.V. Popov, Yu.Ya. Sergeev, V.I. Tikhonov, V.A. Sergienko , G.V. Veselov. "Identefication of the New Tl- Isotopes at the Proton Drip-Line." Proceed. Int. Conf on Exotic Nuclei, Foros, Crimea, 1-5 October 1991, p 219-229.

11.V.A. Bolshakov, A.G. Dernyatin, K.A. Mezilev, Yu.N. Novikov, A.V. Popov, Yu.Ya. Sergeev, V.I. Tikhonov, V.A. Sergienko, G.V. Veselov "Identification of the New Tl-Nuclides at the Proton Drip-Line." Contrib. 6th Intern. Conf. on Nuclei Far from Stability + 9th Intern. Conf. on Atomic Masses and Fundamental Constants, Bernkastel-Kues, Germany, PE50 (1992)

12.K.A. Mezilev, Yu.N. Novikov, A.V. Popov, Yu.Ya. Sergeev, V.I. Tikhonov "Experimental Approach to Nuclear Cosmochronology." Contrib. 6th Intern.Conf.on Nuclei Far from Stability + 9th Intern.Conf.on Atomic Masses and Fundamental Constants, Bernkastel-Kues, Germany, PE51 (1992)

13.M. Oinonen, P. Baumann, F. Didierjan, P. Hoff, A. Huck, A. Jokinen, A. Knipper, G. Lhersonneau, M. Leino, G. Marguier, K. Mezilev, Yu. Novikov, A. Popov, C. Serre, P.Van Duppen, G. Walter and J. Aysto. "Search for 73Rb and investigation of nuclear decay modes near the Z=N line in the border region of the astrophysical rp-process path." Proceed. XXIX Ann Conf. of the Finnish Physical Society. Jyvaskyla, Finland March 16-18, 1995. 27.50

14.G.D. Dernjatin, K.A. Mezilev, Yu.N. Novikov, A.V. Popov, Yu.Ya. Sergeev, V.I. Tikhonov. "Time of flight recoil atom spectrometer for delayed neutron study." Contrib. Intern. Conf. on Exotic Nuclei and Atomic Masses. Aries, France June 1923, 1995.

15.A. Jokinen, M. Oinonen, J. Didierjean, P. Hoff, A. Huck, A. Knipper, G. Marguier, Yu.N. Novikov, A.V. Popov, M, Ramdhane, D.M. Seliverstov, P.Van Duppen, G. Walter and the ISOLDE collaboration. "Proton instability of 73Rb" Z. Physik A 355, 227 (1996).

16.M. Oinonen, A. Jokinen, P.Baumann, F. Didierjean, A. Honkanen, A. Huck, M.Huyse, A. Knipper, G. Marguier, Yu.N. Novikov, A.V. Popov, M. Ramdhane, D.M. Seliverstov, P.Van Duppen, G. Walter and the ISOLDE collaboration, "(3-decay of the proton-rich Tz=-l/2 nucleus 71Kr". Phys.Rev.C56(2), 1997, p745.

1. Распад ядер удаленных от полосы бета-стабильности

1.1. Астрофизические приложения

Для реалистичного описания последствий астрофизических процессов необходимо знание свойств ядер вовлеченных в процесс и особенностей ряда ядерных реакций. Области соприкосновения ядерной физики и астрофизики:

1. ядерные реакции ответственные за нуклеосинтез и определяющие распространенность изотопов в природе,

2. энергетическое снабжение процессов в звездах путем стационарных или взрывных процессов ядерного горения,

3. поведение ядерной материи при повышенных плотностях.

В работе речь идет о процессе взрывного горения, при котором существует большое количество протонов или нейтронов. Такой процесс, при определенных условиях, может привести к синтезу ядер, удаленных от полосы бета-стабильности, либо путем быстрого захвата протонов с последующим (3+-распадом в Новых или X-ray звездах (гр-процесс), либо путем быстрого захвата нейтронов и бета-минус распадом (r-процесс) в Суперновых II типа. В обоих случаях модельное описание процессов требует знания свойств ядер, удаленных от стабильности.

1.1.1. гр-процесс

Процесс быстрого захвата протонов (гр-процесс) описывает последовательность ядерных реакций, ответственных за генерацию термоядерной энергии во время аккреции компактных объектов в бинарных системах9. Энергия генерируется при горении гелия в За - реакции и последующего Не и Н горения в серии (а, р) и быстрого (р,у) захвата при температуре до 3 ГК и плотности 106-107r/cMJ. Временная шкала нуклеосинтеза определяется малыми скоростями бета-распада нуклидов на траектории процесса (в основном в так называемых точках ожидания). Энергии протонного захвата определяют такие ядра. Малая энергия связи протона Sp может препятствовать продолжению захвата либо путем прямого распада (Sp<0), либо через механизм фотоэмиссии протона. Точка ожидания будет конечной для гр-процесса, если эффективное время ожидания в ней (парциальное время жизни относительно (3-распада) больше, чем время, характеризующее механизм процесса (Ю-100с.). Несколько нуклидов имеющие большие времена бета-распада (64Ge(Ti/2=64c), 68Se(T1/2=35c), 72Кг(Т1/2=17с)) рассматривались в качестве возможных конечных точек в гр-процессе. Таким образом, стабильность относительно испускания протона нуклидов 65As, 69Br, 73Rb становится одним из наиболее существенных факторов, определяющих траекторию процесса.

N=Z

Рис. 1 Часть нуклидной карты, представляющая область, критическую для продолжения гр-процесса. Ломаной линией обозначена возможная траектория процесса.

Нуклид 65As был идентифицирован10 как бета-эмиттер со временем жизни 190(11)мс, что, как предполагается, позволило гр-процессу проследовать в область следующей возможной точки ожидания 68Se. В результате недавнего эксперимента в GAÑIL11 получены данные, свидетельствующие, что энергия отрыва протона 69Br Sp<-450 кэВ. Это могло бы означать, что гр-процесс должен идти только через (3- распад 68Se со временем жизни 35с., что больше типичной временной шкалы взрывного горения. Однако, как отмечено12, в определенных условиях возможен одновременный захват двух протонов, что может позволить процессу перейти к следующей критической точке 73Rb.

Ряд моделей масс ядер предсказывают, что 73Rb протононестабилен. Одна�