Моделирование испарительных и предравновесных процессов в области низких и средних энергий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.Ломоносова

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Скобельцына Д.В.

РГб од

1 1 МАР

на правах рукописи

Парфенова Юлия Львовна

МОДЕЛИРОВАНИЕ ИСПАРИТЕЛЬНЫХ И ПРЕДРАВНОВЕСНЫХ ПРОЦЕССОВ В ОБЛАСТИ НИЗКИХ И СРЕДНИХ ЭНЕРГИЙ

01.04.16 -физика ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1996

Работа выполнена в отделе ядерных реакций Научно -исследовательского института ядерной физики int. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова

Научные руководители доктор физико - математических наук

O.A. Юмннов

кандидат физико - математических наук О.В. Фотина

Официальные оппоненты доктор физико - математических наук,

профессор Е.А. Романовский (НИИЯФ МГУ) кандидат физпко - математических наук В.А. Кузьмин (Дубна. ОИЯИ)

Ведущая организация: Физико - энергетический институт (Обнинск)

Защита состоится 41 " ¿иииЬМ 1996 г. в " /Г " часов на Заседании Диссертационного совета К 053.05.23 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова.

Адрес: Москва, 119899, НИИЯФ МГУ, 19-й корпус, ауд. 2-15. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ. Автореферат разослан " Г " жарта- 1996 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат физико - математических наук

О.В. Чумалопа

Актуальность проблемы.

При анализе спектров вторичных частиц в ядерных реакциях и оПла-стп низких (до 100 МэВ) и средних (до 1 ГтВ) энергий налетающих частиц традиционно выделяют вклады испарительных, предравношчных л прямых процессов. Для описания каждого из этих процессов на сегодняшний день предложены самые разнообразные модели. Однако, так как их область применимости ограничена, то для проведения достаточно полного анализа экспериментальной информации, как правило, необходимо привлечение и согласованное использование нескольких моделей, основанных на различных физических представлениях. Так для описания ядерных реакций в области энергии налетающих частиц до 100 МэВ наиболее традиционным является использование комплексного подхода (ЭМХФ), основанного на объединении модели Хаузера- Фешбаха [1] и эксптонной модели Гриффина [2].

При построении подхода ЭМХФ обычно делается ряд предположений относительно механизмов протекания ядерных реакций, которые требуют специального рассмотрения. Среди них — предположение о независимости развития предравновесных процессов от испарительных, которое приводит к аддитивному сложению сечений этих процессов. Величины сечений определяются относительным вкладом каждого из процессов в сечение взаимодействия. При этом относительные вклады зависят от момента установления термодинамического равновесия, который, в свою очередь, зависит от выбора критерия установления равновесия. Таким образом исследование временных характеристик ядерных реакций, в частности, времени установления равновесия, позволит получить дополнительную ииформацшо для выбора критерия установления равновесия, который является параметром эксптонной модели. В последнее время с помощью методики, основанной на эффекте теней, накоплен значительный экспериментальный материал по времени вынужденного деления актинидных ядер. Так как предравновесная стадия предшествует

испарительной, а деление — процесс, протекающий после установления равновесия в ядре, то, используя экспериментальные данные по времени деления, можно исследовать влияние пред равновесных процессов на временные характеристики ядерных реакций.

Другое приближение, к которому мы вынуждены прибегать при объединении моделей Хаузера - Фешбаха и экситонной. обусловлено проблемами учета в экситонной модели углового момента, уносимого предрав-новеснымп частипамп. Как правило, считается, что предравновесные процессы слабо влияют на распределение состояний ядер по моментам на равновесной стадии. Среди различных характеристик ядерных реакций наиболее чувствительной к распределениям по моментам является изомерное отношение, и, следовательно, экспериментальные данные по изомерным отношениям, в принципе, могут дать информацию о распределении составного ядра по моментам и о моменте, уносимом предрав-новеснымп частицами.

Объединение моделей в единый подход ЭМХФ проводится на основе использования общих параметров модели Хаузера - Фешбаха и экситонной модели — параметров плотности уровней ядер и коэффициентов проницаемости, через которые выражается сечение реакции. В этих моделях для описания плотности уровней привлекается статистический подход. В экситонной модели плотности уровней вычисляются в рамках статистики Бозе, а в модели Хаузера - Фешбаха — в рамках статистики Ферми. При этом в обоих случаях предполагается, что плотности уровней с разной четностью равны. Вместе с тем анализ схем дискретных уровней ядер [3] показывает, что число уровней с разной четностью может заметно отличаться. Кроме того, распределение по моментам уровней с разной четностью также может существенно различаться. Представляется, что и эти вопросы можно исследовать, используя экспериментальные данные по изомерным отношениям.

В области энергий до 1 ГэВ в спектрах вторичных частиц заметный

вклад составляет жест км компонента, обусловленная внутриядерным каскадом. Однако оппсанпе этого механизма в рамках строгих подходов осложнено в связи с большим количеством параметров п чисто техническими трудностями прп проведении расчетов. С другой стороны, для оценок спектров вторичных нуклонов в реакциях с частицами средних энергии была предложена полуфеноменологическая модель движущегося источника (МДИ). Эта модель позволяет выделять в спектрах частиц вклады испарительных, предравновесных и каскадных процессов, что дает принципиальную возможность проводить детальный анализ механизмов этих процессов в рамках других независимых подходов. Все свободные параметры МДИ подбираются на основе экспериментальных данных по дважды дифференциальным спектрам вторичных частиц. В частности, накопленный обширный экспериментальный материал позволил построить систематики параметров модели для (р, тг) - реакции как по энергии налетающих частиц для свинца, так и по массовым числам для значений энергий протона 113 и 585 МэВ [4]. В связи с простотой МДИ и легкостью ее применения, а также необходимостью опенок спектров вторичных частиц в целом ряде прикладных задач, несомненный интерес представляет дальнейшая разработка систематик параметров МДИ.

Цель работы.

В рамках единого подхода ЭМХФ разработать методику расчета таких характеристик ядерных реакций, как функция возбуждения, время протекания ядерной реакции и распределение возбужденных состояний ядер по моментам и четностям. Получить систематики параметров модели движущегося источника для расчета дважды дифференциальных спектров вторичных нуклонов, образующихся в реакциях с протоиа?.п1 средних энергий. Разработать программное обеспечение для проведения исследований различных характеристик ядерных реакций в области энергий до 1 ГэВ.

к

Научная новизна.

• Подробно изучается вопрос о влиянии предравновссных процессов на величину времени вынужденного деления ядер. Предложен критерий установления термодинамического равновесия. В рамках подхода ЭМХФ проанализированы экспериментальные данные по времени вынужденного деления изотопов нептуния, образующихся в реакциях 23,1 ¿7 + с1 и 23811 + й в диапазоне энергии дейтрона от 7 до 17 МэВ.

• Показано, что на основе совокупности экспериментальных данных по спектрам вторичных частиц и изомерным отношениям в рамках единого подхода можно оценить распределение состояний составных ядер по моментам. На примере реакций взаимодействия а - частиц с ядрамп редкоземельных элементов в диапазоне энергий налетающих частиц от 10 до 30 МэВ продемонстрирована принципиальная возможность определения момента, уносимого предравновесными частицами.

• Для рада ядер (445с,73 5е,137 Се,т 1г) исследуется зависимость плотности уровней ядра от четности. Показано, что для ядер с массовыми числами А < 70 плотности уровней с разной четностью в области возбуждения до -5 МэВ могут существенно отличаться. Показано, что изомерные отношения чувствительны к зависимости плотности уровней от четности.

• Проведена апробация подхода ЭМХФ в широкой области энергий возбуждения на примере решения задачи вычисления энергетических спектров и множественностей вторичных легких частиц и у - квантов в реакциях Сн1 + и для энергий налетающих частиц от 6 до 100 МэВ. Получены спектры - квантов, сопровождающих эмиссию протонов с определенной энергией.

• Получена систематика параметров модели движущегося источника для расчетов дважды дифференциальных спектров вторичных протонов в реакциях взаимодействия протонов с ядрами 20 < Л < 250 при энергиях от 0.1 до 1 ГэВ. Предложена параметризация сечения неупругого взаимодействия протонов в этой области энергий. Усовершенствована систематика параметров модели движущегося источника для расчетов дважды дифференциальных спектров вторичных нейтронов.

Практическая ценность.

• Разработаны новые программные комплексы: программа MAIDEN — для проведения комбинаторных расчетов возбужденных состоянии ядра в рамках оболочечнон модели и для получения на их основе набора параметров плотности уровнен модели Ферми - газа, программа DSIG — для подбора параметров МДИ на основе экспериментальных данных по спектрам вторичных нуклонов, новый комплекс программ MSMpp — для расчетов дважды дифференциальных спектров и множественностей вторичных нуклонов в области энергий налетающего протона от 0.1 до 1 ГэВ. Модифицирован комплекс программ STAPRE, в который введены дополнительные программные модули — для расчета временных характеристик ядерных реакций. для введения зависимости плотности уровней от четности, для вычисления распределения составных ядер по моментам с учетом предравновесных процессов. Эти программные комплексы прошли апробацию в проводимых нами исследованиях различных характеристик ядерных реакций в области энергий налетающих частиц от 1 МэВ до 1 ГэВ.

• Результаты расчетов спектров вторичных легких частиц и 7 - квантов, получаемых при взаимодействии нейтронов с энергиями от G

до 100 МэВ с ядрами С* и /, а также результаты расчетов спектров - квантов, сопровождающих эмиссию протонов определенных энергий, были использованы [5] при определении эффективности детектора при регистрации нейтронов в космическом пространстве.

• Полученные систематики параметров модели движущего источника для расчетов дважды дифференциальных спектров вторичных нуклонов были использованы при моделировании источников нейтронов. возникающих при облучении образцов протонами с энергиями 800 МэВ (см. работу 14 в Публикациях по теме диссертации).

На защиту выносятся.

1. Предлагаемый критерий установления термодинамического равновесия. Методика расчета временных характеристик ядерных реакций в рамках единого подхода и результаты теоретических расчетов временных характеристик распадающихся ядер, образующих в реакциях 4- (I и + Л в области энергий от 7 до 17 МэВ.

2. Способ опенки момента, уносимого предравновеснымн частицами, основанный на анализе экспериментальных данных по спектрам вторичных частиц и изомерным отношениям.

3. Результаты расчетов энергетических спектров и множественностеп вторичных легких частиц и у -квантов в реакциях взаимодействия нейтронов с энергиями от 6 до 100 МэВ с ядрами С'« и I.

4. Полученная систематика параметров модели движущегося источника и параметризация сечения неупругого взаимодействия для расчетов дважды дифференциальных спектров и множественностей вторичных протонов в реакциях взаимодействия протонов с энергией от 0.1 до 1 ГэВ с ядрами 20 < .4 < 250.

Апробация работы.

Работы, составившие основу диссертации, докладывались на международных семппарах по взаимодействию нейтронов с ядрами (Дубна, 1994, 1995 гг), на международной школе-семинаре по физике тяжелых ионов (Дубна, 1993) на международном симпозиуме по временным характеристикам ядерных реакций (Москва, 1993 г.), на совещаниях по спектроскопии и структуре атомного ядра (Минск, 1991 г., Санкт-Петербург 1994 г., Санкт-Петербург 1995 г.), на конференции по ядерным данным в областп средних энергий (NEA Data Bank, France, 1994).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ (см. Публикации по теме диссертации 1 - 14).

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Она содержит 94 страницы машинописного текста, 41 рисунок, 6 таблиц и список литературы из 106 наименований. Всего 125 страниц.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы основные цели работы, определена практическая ценность результатов и дано краткое описание содержания глав.

В первой главе излагаются основные положения модели Хаузера -Фешбаха и экситонной модели, рассматриваются основные предположения о механизмах протекания ядерной реакции, составляющие основу подхода ЭМХФ. Приводится формализм описания таких нетрадиционных для этого подхода характеристик, как время протекания ядерной реакции, зависимость плотности уровней возбужденных ядер от четности.

Во второй главе в рамках подхода ЭМХФ изучается влияние пред-равновесных процессов на основных характеристик ядерных реакций. В

H)

области энергий возбуждения до ,'30 МзВ на основе анализа экспериментальных д<1нных по времени вынужденного деления изотопов нептуния для реакций с дейтронами на ядрах ги'иь1~ проводится исследование временных характеристик испарительных и продравновесных процессов. Исследуется влияние предравновесных процессов на величину времени протекания реакции. На базе введенного представления о доле равновесных конфигураций в произвольном состоянии возбужденного ядра исследуется динамика процесса релаксации ядра к равновесному состоянию, предлагается новый критерии установления термодинамического равновесия. Полученные значения времени вынужденного деления изотопов нептуния сравниваются с экспериментальными данными.

На основе анализа совокупности экспериментальных данных по изомерным отношениям (ИО) и спектрам вторичных легких частиц устанавливается связь величины ИО с распределением по моментам составных ядер, образующихся после установления термодинамического равновесия. Наследуется чувствительность ИО к вариации зависимости плотности уровней от момента и четности в области энергий возбуждения до 5 МэВ, так как в этой области энергии плотности уровней для разных четностеп могут з<шетно различаться. Показано, что допустимая вариация эффективного момента инерции, оцениваемая в рамках оболочечнои модели, лежит в пределах 10% и не приводит к существенному изменению величины ИО в исследуемых реакциях. На основе анализа совокупности экспериментальных данных по ИО и спектрам вторичных частиц для реакций шТе(а, пу)тХе и 134Бя(«, п~>) 131 Се проведены оценки распределение составного ядра по моментам и оценки углового момента, уносимого предравновесными частицами.

Комплексный подход ЭМХФ проходит апробацию ори решении прикладной задачи о вычислении спектров и множественностей вторичных легких частиц и - квантов в реакциях взаимодействия нейтронов с ядрам С'ч/ при энергиях налетающих частиц от ■> до 100 МэВ. Проводит-

<я анализ изменения доли предравновесных и испарительных процессов о ростом энергии налетающих нейтронов. Вместо с тем на примере решения этой задачи проверяется справедливость приближения, сделанного в используемом нами подходе, — об эмиссии одной предравновееноп чп< типы.

Кроме того кратко описаны изменения, внесенные в программный комплекс БТАРНЕ для решения задач о временных характеристиках ядерных реакций п моделировании зависимости плотности уровней от момента и четности. Также приводится краткое описание комплекса программ МАГОЕХ. разработанного для получения наборов состояний ядер н рамках оболочечноп модели ядра, и использующего для распета, зависших тн от момента плотности возбужденных уровней различных тетностсц.

Третья глава посвящена развитию подхода МДИ для вычисления спектров ц множестзенностеп вторпчных нуклонов в реакциях с протонами в области энергии от 0.1 до 1 ГэВ. Для этого была получена систематика параметров МДИ для расчета спектров вторичных протонов п усовершенствована систематика для спектров вторичных нейтронов в области энергий налетающего протона от 10и до 1000 МэВ для масс ядер-мншеней от 12 до 250. Также предложена параметризация сечения неупругого взаимодействия протонов с ядрами в диапазоне энергий о г !.М) МэВ до 1 ГэВ, полученная на основе анализа экспериментальных данных.

Приведен пример использования подхода ЭМХФ в комплексе с МДИ для оценки выхода нейтронов из всевозможных ядер-продуктов реакции скалывания в результате взаимодействия протонов с ядрами 77), при энергии 300 МэВ.

Также в этой главе кратко приведен формализм, реализованный в разработанном нами комплексе программ МБМ для решения прикладных задач по вычислению спектров п мкожественностей вторичных нуклонов в реакциях с протонами средних энергий.

В Заключении кратко сформулированы основные результаты и ука-

зываются возможные направления дальнейших исследований. Основные результаты работы.

1. Предложен критерий установления термодинамического равновесия. В рамках подхода ЭМХФ рассчитано время протекания реакции вынужденного деления изотопов 235-240ДГр, образующихся в реакциях с дейтронами в диапазоне энергий от 7 до 17 МэВ. Проведен подробный анализ механизма влияния предравновесных процессов на время протекания реакции вынужденного деления.

2. В рамках подхода ЭМХФ и на основе анализа совокупности экспериментальных данных по спектрам вторичных частиц и изомерным отношениям в (а, /17) - реакциях на ядрах редкоземельных элементов в области энергий налетающих частиц от 10 до 30 МэВ проведены исследования связи распределения составного ядра по моментам с величиной изомерных отношений. Показана принципиальная возможность оценки углового момента, уносимого предравновесны-ме частицами. Исследуется чувствительность величины изомерных отношений к вариациям параметра спинового обрезания плотности уровней. Показана принципиальная возможность получения зависимости плотности уровней от четности.

3. Проведена апробация подхода ЭМХФ при расчетах спектров и множественностей вторичных легких частиц и 7- квантов в реакциях на Сь1 с нейтронами в области энергий от 6 до 100 МэВ. Получены спектры 7 - квантов, сопровождающих эмиссию протонов определенных энергий.

4. Получена систематика параметров Модели Движущегося Источника для расчета спектров вторичных протонов и усовершенствована систематика для спектров вторичных нейтронов в области энергий налетающего протона от 100 до 1000 МэВ для масс ядер -мишеней от 12

до '250. Также на основе анлли «« экспериментальны данных пр'',по-жена параметризация сечения неупругого вэаимод<ч1е i пня иричонои с ядрами [1 диапазоне энергии от ТОО МэВ до I ГэВ.

5. На основе согласованного использования подхода ЭМХФ н Mill'1 про ведена оценка вкладов нейтронов пз всевозможных ядер-про ivжтоз реакции скалывания, идущих при взаимодействия протонов > ядрами Tk при энергии 800 МэВ.

6. Разработан ряд программных комплексов для расчетов ра ¡личных характеристик ядерных реакппн.

Публикации по теме диссертации.

1. Парфенова К).Л., Фотпна О.В., "Оценка времени вынужденного де-

ления ядер с учетом предравновесных процессов". Тезисы докладов

41-го совещания по ядерной спектроскопии и структуре .помпою

ядра. Минск. 1G-19 апреля, 1991. Л.: "Наука". 1991. С. 402.

2 Москаленко И.В.. Парфенова Ю.Л., Рюмин С.П.. Фотпна О В..

''Спектры легких частиц и у - квантов в реакциях с пейтрон.шп на

ядрах шСа п Х1Ч в диапазоне энергий нейтронов от о до -SO МэВ".

Препринт НИИЯФ МГУ 91-20/224. Москва. 1991. 20 С.

3. Парфенова Ю.Л., Фотпна О.В., "Влияние предравновесных процессов на длительность реакции вынужденного деления изотопов У р". ЯФ. 1991. Т.54. N 5. С. 1217-1224.

4. Парфенова К).Л., Фотпна О.В., "Спектры легких частиц и -квантов в реакциях с нейтронами на C.sl в диапазоне энергии от 6 до 100 МэВ". ЯФ. 1993. Т.56. N 8. С. 20-30.

о. Fotina О.v., Parfenova Yu.L. "Nucleoli spectra ill proton-induced react,ions in the incident range of 0.1 to 1 GeV:\ Interanational Scliool-Seniinar on Heavy Ion Physics. Dubna. 1993. V. 2. P. 324-327.

G. Fotina О.V., Parfenova Yu.L., "Eifect of preequilibriuin processes 011 the duration of induced fission of Np isotopes". Proceedings of the International Symposium on Time Characteristics of Nuclear Reactions, Moscow. Russia. 1993. M.: Изд-во Моск. ун-та. 1995. С. 62 - 71.

7. Eremenko O.D., Fotina O.V., Parfeuova Yu.L., Platonov S.Yu., Yuminov O.A., "Generation of neutron sources in proton-induced reactions in the energy range of 0.1 to 1 GeV". Preprint INP MSU 94-8/330. Moscow. 1994. 30 P.

8. Парфенова Ю.Л., Тулинов А.Ф., Фотпна О-В., Чувильская Т.В.. Шавтвалов Л.Я.. Широкова А.А., "'Изомерные отношения b9W" и т1г в реакциях с а -частицами". Изв. РАН, сер. фнз. 1995. Т. 59. N 1. С. 35- 38.

9. Еременко О.Д., Платонов С.Ю., Парфенова Ю.Л., Фотпна О.В., Юминов О.А., "Спектры нуклонов в реакциях с протонам в диапазоне энергий от 0.1 до 1 ГэВ". Изв. РАН, сер. физ. 1995. Т. 59. N 11. С. 198 - 206.

10. Eremenko O.D., Fotina O.V. Parfenova Yu.L., Platonov S.Yu., Yuminov O.A. "Generation of neutron sources in proton-induced reactions in the energy range of 0.1 to 1 GeV". Proceedings of the 2-nd International Seminar on Interaction of Neutrons with Nuclei. Neutron specroscopv, Nuclear structure, Related topics. JINR. Dubna. 1994. E3-94-419. P. 310- 317.

11. Eremenko O.D., Fotina O.V. Parfenova Yu.L., Platonov S.Yu., Yuminov O.A. "Generation of neutron sources in proton-induced reactions in the energy range of 0.1 to 1 GeV". Intermediate energy nuclear Data: Models and codes. Proceedings of a specialists meeting ISSY- LES- Moulineax (France). 1994. P. 287- 300.

1Г>

12. Fotiua O.V. Parfenova Yu.L., Chuvilskaya T.V. "Population of liigh-spin levels and isomer ratios in (a,ny)~ reactions". 3-d International Seminar on Interaction of Neutrons witli Nndei. Neutron .specroscopy, Nnclear stnicture, Related topic.s. .TINR. Dnbna. 1995. E3-95-119. P. 37.

13. Парфенова Ю.Л., Тулинов А.Ф., Фотпна O B., Чувнльская Т.В., Широкова A.A., "Изучение изомерных отношении для ядер 'vu" 'JSc и 13|Г",3Се в («,/17)- реакциях". Тезисы докладов на 45-м Совещании по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра. Санкт -Петербург. 1995. С. 273.

14. Еременко О.Д., Платонов С.Ю., Парфенова Ю.Л., Фотина О.В., Юмпнов O.A., "Спектры нуклонов в реакциях с протонами в диапазоне энергий от 0.1 до 1 ГэВ". Тезисы докладов на 44-м Совещании по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра. Санкт -. Петербург.1994. С. 195.

Литература.

[1] W. Hauser, Н. Feshbach. Phys. Rev. 1952. V.87. Р. 366.

[2] J.J. Griffin, Phys.Rev.Lett. 19C6. V.17. Р. 478.

[3] Т. Von Egidy, A.N. Behkami, H.H. Schmidt. Nucl.Phys. 1986. V.A454.

P. 109.

[4] Shibata T.-A., et al. Nucl.Phys. 1983. V.A408. P. 525.

[5] Богомолов A.B. и др. Вестник МГУ, сер. физика, астрономия. 1994.

Т.35. С. 81.