Передача энергии электронам в треках осколков деления ядер тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

£// 4 / Г* ~ 2 - )

' " // Л* ЛЛ^о^П-Л &/<>$•

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ "ФИЗИКО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. академика а.и.лейцунского"

Щ1.

>4 4$

(Ь Ш- правах рукописи

Рыков Владимир Александрович

ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОНАМ В ТРЕКАХ ОСКОЛКОВ ДЕЛЕНИЯ ЯДЕР

01.04.01 "Техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований" 01.04.16 "Физика ядра и элементарных частиц"

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Г

Обнинск - 1997

Содержание

стр.

Введение...........................................................................6

1. Основные явления, происходящие при движении осколков деления в веществе.............................................................22

2. Энергетическое распределение электронов, эмиттируемых

под углом 45° при прохождении осколков деления через тонкие пленки окиси алюминия........................................................40

2.1. Выбор методики измерений............................................. 43

2.2. Геометрия опыта и экспериментальная установка для исследования энергетического распределения

вторичных электронов...........................................................44

2.3. Вспомогательные методики.............................................. 49

2.4. Обработка данных..........................................................57

2.5. Исследование абсолютной эффективности

регистрации времяпролетного спектрометра.............................58

2.6. Результаты эксперимента

и их обсуждение................................................................ 65

2.7. Погрешности измерения................................................ 70

Заключение к разделу 2......................................................... 70

3.Энергетическое и угловое распределение вторичных электронов при прохождении осколков деления через тонкие пленки окиси алюминия и золота. Спектр электронов внутри пленки............. 71

3.1. Описание эксперимента..................................................... 72

3.2. Спектры электронов......................................................... 74

3.3. Теоретическое описание спектров электронов........................ 79

3.4. Восстановление спектра электронов внутри мишени.................87

Заключение к разделу 3...........................................................90

4.Спектры электронов и коэффициенты вторичной эмиссии для осколков деления с фиксированными

массой и кинетической энергией............................................... 92

4.1.Эксперимент................................................................... 93

4.2.Спектры электронов.......................................................... 95

4.3.Описание коэффициентов вторичной эмиссии......................... 97

4.4.Описание электронных потерь энергии.................................. 102

Заключение к разделу 4.......................................................... 105

5.Измерение дважды-дифференциальных сечений электронной эмиссии при взаимодействии осколков деления

с атомами и молекулами газов................................................ 108

5.1 .Выбор экспериментальной методики................................ 109

5.2 .Эксперимент..................................................................................................................................113

5.3 .Измерение толщины мишени.............................................. 116

5.4 .Результаты эксперимента..................................................................................................119

5.5.Дифференциальные сечения ионизации

атомов и молекул осколками деления.................................... 123

Заключение к разделу 5.......................................................... 136

6.Исследование неравновесных

ионных зарядов осколков деления 252Cf.......................................139

6.1 .Схема экспериментальной установки.................................... 140

6.2.Измерение неравновесных зарядов........................................ 146

6.2.1 .Неравновесные заряды для твердого тела........................ 146

6.2.2.Измерение зарядов осколков, неравновесных для газа...........147

6.2.3.Обработка результатов эксперимента............................... 149

6.2.4.Оценка погрешностей эксперимента................................. 151

6.3.Зарядовое равновесие осколков деления после вылета

из твердого тела в газ......................................................... 155

6.3.1 .Проведение эксперимента............................................... 155

6.3.2. У становление зарядового равновесия в газе........................ 155

6.3.3.Средние ионные заряды в газе..........................................157

6.3.4.Сечение захвата электронов осколками деления....................159

6.3.5.Эффект плотности.........................................................160

Заключение к разделу 6.........................................................160

7.Равновесные и неравновесные потери энергии

осколков деления................................................................. 162

7.1 .Постановка задачи...........................................................162

7.2.Измерение равновесных потерь энергии...............................165

7.2.1 .Равновесные потери энергии в тонких пленках................ 165

7.2.2.Равновесные потери энергии в газе............................... 171

7.3.Потери энергии осколков деления и эффект плотности

в газовых средах при различной частоте столкновений............ 174

7.3.1 .Предварительные замечания........................................ 174

7.3.2.Эффект плотности в газе.................... ......................... 175

7.3.3. Эксперимент............................................................ 176

7.3.5 .Расчет величины эффекта плотности.............................. 180

7.4.Измерение неравновесных потерь энергии

в тонких пленках........................................................... 183

7.4.1. Эксперимент............................................................ 183

7.4.2.Результаты эксперимента и их обсуждение..................... 187

7.4.3.Погрешности измерений............................................. 188

7.4.4.Модельное представление об изменении заряда............... 188

7.5.Потери энергии на ионизацию в газах................................. 191

Заключение к разделу 7................................................... 194

8.Энергетический спектр электронов, покидающих электронные

оболочки атома калифорния при делении его ядра..................... 197

8.1 .Методика эксперимента.....................................................199

8.1.1 Выбор источника................................................... 199

8.1.2 Оценка глубины расположения атомов 2:>Аав подложке..... 202

8.2.Эксперимент.................................................................. 207

8.3.Поправка на отражение электронов......................................209

8.4.Результаты и обсуждение...................................................217

Заключение к разделу 8......................................................225

Заключение..........................................................................227

Список использованных источников..........................................235

Введение

Преобразование ядерной энергии в энергию когерентного оптического излучения представляется в настоящее время одним из перспективных способов ее использования. Для успешного решения этой проблемы необходимо найти ответы к целому ряду задач - от научных и инженерно-технических до тех, которые непосредственно связаны с практической реализацией экспериментальных образцов лазеров с ядерной накачкой. Многие из этих задач рассматривались на проведенных в последние годы международных конференциях [1,2,3].

Для накачки лазерно-активных сред предложено несколько способов использования энергии, выделяющейся в ядерных реакциях [4,5]. Подавляющая часть энергии, выделяемой при делении ядер - это кинетическая энергия осколков деления [6]. Не только при гетерогенной ядерной накачке, но и при гомогенной, когда делящееся вещество внедрено в лазерно-активную среду, преобразование энергии осколков в другие виды энергии проходит целый ряд стадий, сопровождающихся неравновесными процессами, в которых меняются как свойства среды, так и самих налетающих частиц. Характерным моментом при гетерогенной ядерной накачке газовых лазеров является то обстоятельство, что осколки деления проникают в лазерно-активную среду, проходя через границу раздела веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях. Они попадают в газ из тонких слоев вещества, представляющих собой твердую фазу. При переходе осколков через область пространства вблизи поверхности раздела сред происходят важные процессы, характеризующие этот переход, как особый случай на всем протяжении трека. Из приповерхностного слоя твердого вещества в газ эмиттируются ионы, фотоны, ионы, нейтральные атомы и даже целые комплексы атомов. Но наиболее интенсивный процесс - это эмиссия электронов, число которых достигает нескольких сотен на один осколок.

Эти электроны вблизи поверхности слоя делящегося вещества при гетерогенной ядерной накачке будут вносить свой вклад в создание ядерно-возбуждаемой плазмы. Сведения об угловом и энергетическом распределении электронов вне твердого вещества могут служить основанием для получения информации о спектре внутри твердого тела, измерить который непосредственно не представляется возможным. Для газовой же среды, наоборот, осуществимо измерение спектра электронов первого поколения и получение на этой основе сечений ионизации атомов и молекул.

При пересечении поверхности раздела важные превращения происходят и в самом осколке. Наиболее значительные из них связаны с резким уменьшением ионного заряда, приблизительно в 1,5 раза после вылета в газовую среду. Соответственно возможны изменения и в характере торможения осколков.

Важнейшим этапом расчета лазера с прямой ядерной накачкой осколками деления является определение концентраций компонентов ядерно-возбуждаемой плазмы, под которыми понимаются атомы, молекулы, ионы и молекулярные ионы, находящиеся в различных квантовых состояниях. На различных этапах образование компонентов ядерно-возбуждаемой (или, иначе говоря, трековой) плазмы происходит под действием непосредственно осколков деления, при развитии каскада электронов различных поколений, а также при протекании плазмо-химических реакций. Для математического моделирования процессов, происходящих в ядерно-возбуждаемой плазме, необходима информация, во первых, об основных характеристиках осколков деления, таких как энергия, ионный заряд, потери энергии, во вторых, о сечениях ионизации и возбуждения атомов и молекул при их столкновениях с осколками деления, в третих, о распределении каскада электронов по энергии и углам и, в четвертых, о реакциях, протекающих на последующих во времени этапах. Эти данные, разумеется, крайне необходимы также и при

планировании экспериментов, прогнозировании их результатов, да и непосредственно при самом их проведении для понимания характера протекающих процессов.

Осколки деления принадлежат к классу многозарядных тяжелых ионов. К этому классу обычно относят ионы элементов с порядковым номером Ъ > 16. Но во многих случаях процессы, характерные для многозарядных тяжелых ионов, имеют место и для более легких элементов, вплоть до водорода. Уже для 2 > 2 наряду с основными физическими величинами, характеризующими ион, таких как масса и кинетическая энергия (или скорость), вводится понятие ионного заряда. Для многозарядных ионов эта величина в единицах заряда электрона имеет смысл разности между порядковым номером элемента и числом принадлежащих ему электронов.

При прохождении осколков через вещество все характеристики иона меняются. И если энергия осколков в веществе вдали от области пика упругих соударений меняется вдоль трека, в среднем, довольно плавно, то ионный заряд очень быстро реагирует на неравновесные ситуации, например, при прохождении через слои вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях. Да и весь трек осколка представляет собой состояние среды, неравновесное в пространстве и во времени [7]. Часто оказывается, что именно наличие у осколков деления не строго фиксированного, а переменного ионного заряда, вносит основные трудности и в расчет и анализ результатов эксперимента. Поэтому в данной работе этому параметру будет уделено особое внимание.

Процессы, исследуемые в настоящей работе главным образом вызваны событиями, происходящими вблизи границы раздела между твердым телом и газом по обе стороны от нее. Расстояние от границы внутрь твердого тела может быть оценено величиной, равной средней длине пробега электронов с энергией не выше нескольких кэВ или длиной установления зарядового равновесия. В газе расстояние от границы при

исследовании зарядового равновесия порядка длины установления этого равновесия. При исследовании потерь энергии эти пределы сильно расширяются.

Анализ экспериментальных данных, существовавших к моменту начала исследований, представленных в настоящей диссертации, показывает следующее :

• Экспериментальные данные о спектрах электронов, эмиттируемых из тонких пленок вещества при прохождении через них многозарядных ионов и осколков деления, имелись в ограниченном интервале энергии и углов вылета.

• Данные о спектрах электронов внутри твердого тела, полученные из опытов с многозарядными ионами, отсутствовали.

• Не существовало данных о спектрах электронов, покидающих твердую мишень после прохождения через нее осколков деления с фиксированными массами и кинетическими энергиями.

• Большой интерес для физики представляет энергетическое распределение электронов, покидающих электронные орбиты материнского атома после деления его ядра. Такие данные отсутствовали.

• Экспериментальных данных о сечениях ионизации атомов и молекул вещества при бомбардировке осколками деления, дифференциальных по энергии и углу вылета электронов, не было.

• Измерению ионных зарядов осколков посвящено несколько ранних работ, проделанных не вполне корректно.

• Резкое изменение ионных зарядов осколков деления при их влете из твердого тела в газ наблюдалось лишь в тех же ранних работах.

• Что касается начальных ионных зарядов осколков деления, которые они приобретают непосредственно после деления ядра, то экспериментальная информация о них отсутствовала.

• Объяснение так называемого эффекта плотности в газе, следующее из нескольких ранних работ, являлось неоднозначным.

♦ По какому сценарию происходит изменение зарядового состояния многозарядного иона при его пролете через тонкие мишени - это тоже служит предметом дискуссии. Происходит ли это уже внутри твердого тела или после вылета иона из слоя твердого вещества.

Сказанное выше показывает актуальность темы и позволяет сформулировать цель данной работы.

Она состоит в том, чтобы получить экспериментальные данные, которые позволили бы существенно уточнить характер процессов передачи энергии электронам в треках осколков деления, показать их тесную связь с ионными зарядами и сделать выбор между основными моделями поведения ионных зарядов в веществе.

Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:

1. Создана экспериментальная установка, разработана и применена методика измерений спектров электронов методом времени пролета при отсутствии "нуля времени" для мишеней из тонких пленок.

2.Разработана и применена методика измерений абсолютной эффективности регистрации времяпролетного спектрометра с детекторами электронов - вторично-электронными умножителями ВЭУ-6 и ВЭУ-7.

3.Разработана методика и проведены трехмерные эксперименты, позволяющие получить спектры электронов, относящиеся к осколкам деления, дифференцированным по массам и кинетическим энергиям.

4.Проведен анализ полученных результатов в рамках существующих теоретических представлений о механизме вторичной электронной эмиссии. На основе кинетической теории электронной эмиссии

получена информация о каскадном спектре электронов, созданном осколками деления внутри твердого тела.

5.Создана экспериментальная установка, разработана и применена методика измерений спектров электронов методом времени пролета при отсутствии "нуля времени" для газовых мишеней.

6.Получены экспериментальные данные о дважды-дифференциальных сечениях ионизации атомов гелия, аргона и молекул азота и диоксида углерода. Проведено сравнение результатов с расчетом по теории парных соударений и по методу Монте-Карло с использованием классических траекторий.

7. Создана экспериментальная установка и отработана методика проведения экспериментов по измерению величины отклонения осколков деления магнитным полем, а также методика получения из этих данных ионных зарядов осколков в двухгрупповом приближении.

8.Написана программа для обработки экспериментальных данных об ионных зарядах, моделирующая методом статистических испытаний весь эксперимент.

9.Проведены измерения неравновесных, близких к начальным, ионных зарядов осколков деления в двухгрупповом приближении. В том же приближении экспериментально показано, каким образом устанавливается зарядовое равновесие в газе.

10.Создана экспериментальная установка, разработана методика и проведено измерение потерь энергии осколков деления в газе при давлениях, значительно отличающихся друг от друга, с целью проверки влияния эффекта плотности на величину этих потерь. При этом получены также экспериментальные данные о потерях энергии осколков деления в оксиде алюминия и воздухе.

11 .Разработана методика и проведено измерение неравновесных потерь энергии осколков деления в тонких пленках оксида алюминия. Сделан выбор между двумя моделями этого процесса.

12.Разработана методика и проведено измерение энергетического распределения электронов, покидающих электронные орбиты материнского атома после деления его ядра.

Научная новизна заключается в следующем:

1 .Разработана новая методика абсолютного измерения сп