Применение цифрового метода обработки формы сигналов для изучения выхода высокоэнергетичного гамма-излучения при спонтанном делении тяжелых ядер тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

Маркочев Сергей Сергеевич

ПРИМЕНЕНИЕ ЦИФРОВОГО МЕТОДА ОБРАБОТКИ

ФОРМЫ СИГНАЛОВ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ВЫХОДА ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧНОГО ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ СПОНТАННОМ ДЕЛЕНИИ ТЯЖЕЛЫХ ЯДЕР

Специальность: 01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

--'Щ ш

Москва-2013

005531192

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)".

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Еремин Николай Владимирович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

в.н.с. ЛИС ИОЯФ НИЦ "Курчатовский институт" Каретников Максим Донатович

кандидат физико-математических наук, начальник сектора №6 ЛЯР ОИЯИ Фомичев Андрей Сергеевич

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт ядерной

физики им. Д.В.Скобельцына Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова, г. Москва.

Защита состоится » (ЛМЛЛ 2013 г. в «¿5"» часов на заседании

диссертационного совета Д 720.001.06 при Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований по адресу: 141980, г. Дубна, Московская область, ул. Жолио-Кюри, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Объединенного института ядерных исследований.

Автореферат разослан « Ц. » Ш&АА 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н., с.н.с.

Попеко А.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы:

Несмотря на то, что за последние годы не появилось принципиально новых детекторов, бурное развитие вычислительной техники и появление быстрых оцифровщиков формы импульсов с частотой пропускания более 1 ГГц позволило качественно изменить процесс проведения эксперимента в ядерной физике -появилась возможность на новом уровне контролировать (и автоматизировать) процессы получения и обработки данных с детекторов ядерного излучения, применять комплексные математические алгоритмы для off-line обработки экспериментальных данных.

В качестве примера применения быстрых оцифровщиков формы импульсов с детекторов ядерного излучения было выбрано явление испускания высокоэнергетичных у-квантов при спонтанном делении ядер 252Cf.

В настоящее время энергетические и угловые распределения у-квантов и нейтронов, испускаемых с энергиями Еу < 10...20 МэВ при спонтанном делении тяжелых ядер, изучены достаточно хорошо. Исследования процесса испускания высокоэнергетичного (Ег > 20 МэВ) у-излучения вызваны как необходимостью создания полной картины эволюции делящейся системы (испускание предразрывных у-квантов, возбуждение гигантских дипольных резонансов в осколках [1,2]), так и поиском экзотической радиоактивности тяжелых ядер.

В 1989 году группа японских физиков [3] обнаружила у-излучение с энергией до 160 МэВ, сопровождающее спонтанное деление ядер 252Cf. Из пяти экспериментов [1,4-7], ставивших целью проверить результаты японской группы, только два дали положительный результат [1,6]. На основании этого был сделан вывод о необходимости разработки более чувствительного метода регистрации высокоэнергетичного у-излучения.

Особенностью экспериментального исследования высокоэнергетического у-излучения при спонтанном делении является низкая вероятность выхода у-квантов, которая составляет ~ 10"8 фотон/(МэВ • деление). Основными трудностями измерения их выхода являются правильный учет влияния космического фона и эффекта наложенных импульсов, поступающих с детекторов. Использование аналоговой

электроники, с помощью которой были получены все экспериментальные результаты предыдущих групп [1,3-7], не позволяет корректным образом учесть это влияние.

Существенное повышение чувствительности детектирующей установки возможно только путем перехода к использованию быстрых оцифровщиков формы импульсов с частотой пропускания более 1 ГТц. Разработке комплексной методики регистрации высокоэнергетичного у-излучения при спонтанном делении тяжелых ядер (в первую очередь, 252Cf) на основе цифровых алгоритмов обработки импульсов с у- и нейтронного детекторов и методики вычитания космического фона и случайных совпадений и посвящена эта диссертационная работа.

Цель работы:

1. Разработка методики регистрации импульсов с детекторов ядерного излучения. Создание цифрового алгоритма обработки формы импульсов (в том числе, и наложенных) с у- и нейтронного детекторов;

2. Создание экспериментальной установки для измерения выхода высокоэнергетичных у-квантов, сопровождающих спонтанное деление тяжелых ядер, и разработка методики регистрации высокоэнергетичного у-излучения тяжелых ядер в совпадении с нейтронами деления и методики вычитания космического фона и случайных совпадений;

3. Измерение энергетических спектров у-квантов при спонтанном делении 2S2Cf при различных углах между у- и нейтронным детекторами.

Научная новизна и практическая значимость работы;

Впервые для измерения выхода высокоэнергетичных у-квантов при спонтанном делении тяжелых ядер был применен цифровой метод получения и обработки формы импульсов с у- и нейтронного детекторов, который позволил существенно улучшить чувствительность экспериментальной установки. Для этой цели был разработан и создан цифровой спектрометр на основе цифрового запоминающего осциллографа Tektronix TDS 7704В, разработаны цифровые алгоритмы обработки записанных форм импульсов и программное обеспечение управления осциллографом. Впервые был разработан цифровой алгоритм, который позволил обрабатывать события, связанные с наложением импульсов.

Впервые для двух значений углов (90° и 180°) между у- и нейтронным детекторами были измерены выходы у-квантов при спонтанном делении ядер 252Cf в области энергий 20...60 МэВ, значения которых удовлетворительно совпали с данными других авторов [1,3,6] и между собой, что может указывать на наличие изотропии в процессе испускания высокоэнергетичного у-излучения.

Разработанный метод цифровой обработки формы сигналов с детекторов ядерного излучения был применен для исследования сцинтилляционных характеристик перспективных материалов для селективной регистрации нейтронов: обогащенного 61л-силикатного стекла и дигидрофосфата калия (исследован впервые). Измерены значения времен высвечивания и эффективностей регистрации нейтронов сцинтилляторами в смешанных у-, п- полях.

Вклад автора:

Личный вклад автора заключается в обосновании необходимости использования цифрового метода получения и обработки импульсов с детекторов ядерного излучения для измерения выхода высокоэнергетичных у-квантов при спонтанном делении тяжелых ядер, разработке и создании спектрометра на основе цифрового запоминающего осциллографа Tektronix TDS 7704В и программного обеспечения управления осциллографом, тестировании спектрометра, в разработке и апробации цифровых алгоритмов обработки форм импульсов с детекторов у- и нейтронного излучения, разработке и апробации методики вычитания космического фона и случайных совпадений, в проведении численного моделирования экспериментальной установки в пакете GEANT4, в получении экспериментальных данных по вероятности выхода высокоэнергетичного у-излучения при спонтанном делении ядер 252Cf для двух значений углов между у- и нейтронным детекторами, в экспериментальном исследовании свойств перспективных сцинтилляторов для селективной регистрации нейтронов - обогащенного 61л-силикатного стекла и дигидрофосфата калия (КН2Р04).

Основные результаты диссертации, выносимые на защиту: 1. Методика регистрации у-квантов, испускаемых в редких ядерных

превращениях, происходящих с вероятностью до 10"8 фотон/(МэВ • деление) в

области энергий 20...60 МэВ, на основе время-пролетных совпадений нейтронов деления и высокоэнергетичных у-квантов с использованием быстрых оцифровщиков формы импульсов.

2. Апробация разработанного цифрового алгоритма обработки формы импульсов с у- и нейтронного детекторов в экспериментах с Ри(Ве) источником, космическими мюонами и экспериментах по регистрации а-у совпадений.

3. Экспериментальные данные по энергетическому распределению вероятностей выхода высокоэнергетичного у-излучения при спонтанном делении ядер 252Cf в диапазоне энергий 5...60 МэВ для углов 90° и 180° между у- и нейтронным детекторами.

4. С помощью разработанных цифровых методов регистрации импульсов результаты исследований свойств перспективных неорганических сцинтилляционных материалов - монокристаллов дигидрофосфата калия (КН2РО4) и 61л-силикатного стекла, активированного церием.

Апробация работы:

Результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались на семинаре молодых ученых и научно-техническом совете НИЦ нанотехнологий ФГУП ЦНИИХМ; на 53-й всероссийской молодежной конференции МФТИ; на международных конференциях «Nuclear Reactions on Nucléons and Nuclei» (Италия); «Ядро-2010» (Санкт-Петербург); LUMCOS-2011 (Харьков); ИСМАРТ-2012 (Дубна); на международном симпозиуме «Quasifission Process in Heavy Ion Reactions» (Италия).

Публикации:

Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, опубликованы в 8 печатных работах, в том числе в 3 журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и трех приложений. Общий объем диссертации 126 страниц. Диссертация содержит 45 рисунков, 10 таблиц и список литературы, включающий 66 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении определена актуальность выбранной темы, сформулированы предмет и цель диссертационной работы, положения, выносимые на защиту. Изложена структура диссертации, представлена информация об апробации полученных результатов.

В первой главе описана история развития применявшихся в ядерно-физических экспериментах методов цифровой обработки формы сигналов, приведена классификация, архитектура и типичные характеристики современных цифровых осциллографов.

Использование оцифровщиков формы импульсов для задач ядерной физики долгое время сдерживалось высокими требованиями к их характеристикам. Тем не менее, цифровой метод уже применяется в задачах разделения типов ядерного излучения по форме импульсов. Так, в пионерской работе физиков из ФЭИ им. Лейпуновского [8] описан С51(Т1)-спектрометр для разделения заряженных частиц, а в работах М.В.Прокуронова, А.Н.Шабалина и др. [9, 10] - метод разделения нейтронов и у-квантов по форме импульса сцинтилляционного детектора на основе стильбена.

Оцифровка формы импульсов использовалась также для поиска наложенных импульсов в эксперименте по исследованию высокоэнергетического у-излучения, сопровождающего деление ядер 235и тепловыми нейтронами [7], а также для изучения амплитудно-временных характеристик современных сцинтилляционных материалов [11,12]. Следует отметить, что массовое применение быстрых оцифровщиков формы импульсов до сих пор сдерживается высокой стоимостью этих устройств.

Во второй главе представлен литературный обзор работ по экспериментальному изучению высокоэнергетичного у-излучения при спонтанном делении тяжелых ядер, на основе анализа существующих экспериментальных методик доказывается необходимость применения цифрового метода для изучения выхода высокоэнергетичного у-излучения, предложена новая методика регистрации высокоэнергетического у-излучения в совпадении с нейтронами деления 252СС.

Первые попытки обнаружить высокоэнергетичное у-излучение, сопровождающее деление тяжелых ядер, [13] были связаны с поиском сверхплотного состояния ядер, предсказанного А.Б.Мигдалом [14], или экзотической (пионной,

мюонной и другой) радиоактивности тяжелых ядер, предсказанной группой румынских физиков [15]. В результате многочисленных экспериментов существование пионной и мюонной радиактивности не было подтверждено (см., например, [16]), но были обнаружены высокоэнергетичные р- [17] и у-излучения [3], сопровождающие спонтанное деление ядер 252Cf.

В пионерской работе [3] группа японских физиков измерила энергетический спектр и определила вероятность испускания у-квантов при спонтанном делении ядер 252Cf вплоть до энергий ~ 160 МэВ. Высокоэнергетичный "хвост" у-спектра был интерпретирован как когерентное тормозное излучение, возникающее при кулоновском ускорении осколков деления 252Cf. Было предпринято несколько попыток проверить результаты японской группы [1,4-7]. Во всех работах полученные экспериментальные данные по выходам у-квантов с энергиями Еу < 20 МэВ удовлетворительно согласовывались как между собой, так и с данными японской группы (в этой области энергий основной вклад в у-излучение вносят каскадные у-кванты и у-кванты из распадов гигантских дипольных резонансов возбужденных осколков). Однако для энергий у-квантов Ет > 20 МэВ только два эксперимента [1,6] подтвердили данные японской группы [3].

Экспериментальные методы измерения вероятности излучения высокоэнергетичных у-квантов при спонтанном делении тяжелых ядер можно условно разбить на три группы:

• непосредственное измерение выхода у-квантов с активной антисовпадательной защитой от космического фона (prompt у);

• измерение совпадений у-квантов с осколками деления (f-y совпадения);

• измерение совпадений высокоэнергетичных у-квантов с низкоэнергетичными у-квантами, испущенными из возбужденных состояний осколков деления (у-у совпадения).

В Таблице 1 представлены результаты измерений выходов Рг высокоэнергетичных у-квантов, испускаемых при спонтанном делении тяжелых ядер [1,3-7]. Как видно из Таблицы 1, наблюдается существенный разброс в измеренных величинах выходов у-квантов при энергиях более 20 МэВ.

Наибольшие трудности при измерении выхода высокоэнергетичных у-квантов с энергией Ет > 20 МэВ связаны с учетом влияния космического фона. Анализ

8

имеющихся экспериментальных данных показал, что ни прямое измерение выходов у-квантов с использованием антисовпадательной защиты, ни (£-у) и (у-у) совпадательные методики не позволяют корректным образом учесть это влияние.

Таблица 1.Значения измеренных выходов высокоэнергетичного у-излучения, испускаемого при спонтанном делении тяжелых ядер

Авторы Год Метод Диапазон энергий ЕТ, МэВ Вероятность выхода Ру, фотон/(МэВ • деление)

Японская группа [3] 1989 У-У 20...160 5-10"7...10~8

Ю.Н.Покотиловкий [4] 1990 рготр! у 20...160 <10"8

Американская группа [5] 1991 у-Г, у-у >30 <10"8

Нидерландская группа [6] 1992 У-У 20...40 2-10"6...5-10'7

Томская группа [7] 2005 235и(п,50, рготр! у >36 <9-10"

Индийская группа [1] 2010 У-У 20...80 5-10"7...4-10~8

В данной диссертационной работе для этих целей предложено использовать (п-у) время-пролетную методику в сочетании с быстрой временной оцифровкой формы сигналов. Помимо эффективного вычитания совпадений от космического фона метод п-у совпадений позволяет измерять угловые распределения выхода высокоэнергетичных у-квантов относительно оси деления вследствие сильной анизотропии выхода нейтронов деления 252СГ с энергией Еп > 0.5 МэВ [18].

Применение цифрового метода получения и обработки экспериментальных данных позволило также решить проблему искажения формы энергетического спектра регистрируемого излучения вследствие эффекта наложения импульсов, поступаемых с детекторов. Оцифровка сигнала позволила многократно обрабатывать экспериментальные данные и оптимизировать разработанные алгоритмы обработки формы сигналов — учесть эффекты наложения импульсов и смещения базовой линии, осуществлять временную привязку к сигналу с точностью до долей наносекунды.

Третья глава посвящена описанию экспериментальной установки и методики регистрации высокоэнергетичных у-квантов 252Cf в совпадениях с нейтронами деления. Приведено описание разработанного программного обеспечения для регистрации и обработки спектров и методики калибровки и численного моделирования функции отклика BGO-детекторов.

Высокоэнергетичные у-кванты регистрировались двумя BGO-детекторами, состоящими из сцинтилляционных кристаллов тригерманата висмута (BGO) размерами 0 7.62 х 7.62 см и фотоэлектронных умножителей ХР 4312 фирмы Photonis Co. Prod. Детектор нейтронов состоял из органического сцинтилляционного кристалла на основе пластика размером 0 6 * 2 см и фотоэлектронного умножителя ХР 4312 и формировал стартовый сигнал для записи совпадений с низкоэнергетичными у-квантами и нейтронами деления 252Cf. Активность закрытого источника 252Cf была равна 1.6 х 106 нейтрон/сек. Расстояние от источника до BGO-детекторов составляло 10 см, до пластикового детектора - 50 см. Регистрацию совпадений и запись форм импульсов осуществлял многоканальный цифровой запоминающий осциллограф Tektronix TDS 7704В с полосой пропускания 7 ГГц. Время дискретизации было выбрано равным 0.2 не.

Для осциллографа Tektronix было разработано специальное программное обеспечение, написанное на языке С++, с использованием Plug&PIay драйвера осциллографа, которое позволяло получать экспериментальные данные в автоматическом режиме. Управление осциллографом (его перенастройка, запуск измерений, сохранение информации на жестком диске) осуществлялось программой с помощью интерфейса ввода/вывода TekVisa.

Оцифрованные формы импульсов (фреймы), чистое время измерения и скорость счета импульсов в каждом детекторе записывались в файлы для последующей off-line обработки на персональном компьютере. Обработка фреймов проводилась с помощью разработанных цифровых алгоритмов в пакете MatLab. Визуализация полученных результатов осуществлялась с помощью разработанного для пакета MatLab графического интерфейса пользователя (GUI), который позволял строить многомерные графики сразу после обработки экспериментальных данных.

Временная привязка к импульсам осуществлялась constant-fraction методом -по фронту импульса на высоте, равной 1/3 его амплитуды. Энергия импульса

10

оценивалась по площади под импульсом. Лучшее энергетическое разрешение у-детектора на основе ВОО-сцинтиллятора (~7% для линии 4.43 МэВ Ри(Ве) источника) было получено путем интегрирования сигнала во временном окне -50...900 не относительно точки временной привязки. Если длительность импульса в записи была короче временного окна (вследствие эффекта наложения импульсов), применялось интегрирование сигнала во временном окне 0...200 не, которое приводило к энергетическому разрешению ~ 9% для у-липии 4.43 МэВ.

Проведенный анализ известных в литературе цифровых алгоритмов обработки наложенных импульсов показал, что во всех алгоритмах события, связанные с наложенными импульсами, убираются из дальнейшего рассмотрения. В данной работе был разработан новый алгоритм, основанный на простой модели спадающей части формы импульса сцинтиллятора ВСО:

где to — абсцисса амплитуды импульса, т = 300 не. Алгоритм позволял определять точки временной привязки и оценивать энергию наложенных импульсов, время между приходами которых было больше 200 не, а вклад в энергию от предыдущих импульсов составлял не более 20%. Он применялся для обработки наложенных импульсов как с BGO-детекторов, так и с пластикового детектора. Алгоритм состоял из следующих шагов:

• Сглаживание каждого фрейма путем свертки с функцией Гаусса;

• Нахождение числа импульсов и их положений в фрейме с помощью двух порогов — по второй производной сигнала и по отклонению формы импульса от модельной (см. формулу 1);

• Временная привязка и определение энергии найденных импульсов. Корректность работы описанных алгоритмов была проверена на примере п-у

время-пролетного спектра 252Cf (Рис.1), у-у и n-у пики которого удовлетворительно разделялись при расстоянии между источником и нейтронным детектором, равном 50 см. (Символом n-у обозначены события, когда у-квант зарегистрировался BGO-детектором, а нейтрон - пластиковым детектором. Символ у-n обозначает, наоборот, что нейтрон зарегистрировался BGO-детектором, а у-квант - пластиковым детектором).

(1)

Калибровка ЕЮО-детекторов до энергии у-квантов Еу < 5 МэВ проводилась стандартными источниками у-излучения из комплекта ОСГИ: '"Се, 60Со и Ри(Ве). Энергетическая разрешающая способность детекторов составила 13% для '"Се, 11% для 60Со и 7.2% для Ри(Ве) источника. На энергиях Еу ~ 70 МэВ ВОО-детекторы калибровались по энергии, оставленной в сцинтилляторе ВОО мюонами космического фона. Схема экспериментальной установки и измеренный спектр мюонов изображены на Рис.2 и Рис.3, соответственно.

Метод измерения вероятности испускания высокоэнергетичных у-квантов основан на регистрации п-у совпадений от источника 252С£ Вероятность испускания у-кванта с энергией Еу при спонтанном делении ядра 2з2Cf определялась в соответствии с формулой:

Р{Еу, Еу + АЕу) = Мп_у ЦТ ■ п„ ■ ег{Ег)- АЕу) (2)

где Еу - энергия у-кванта;

Р{Еу, Еу + АЕу) - искомая вероятность испускания у-кванта с энергией Еу при

спонтанном делении ядра С1;

Нп.у - число зарегистрированных п-у совпадений;

Т - общее время эксперимента;

еу(Еу) - аппаратурная функция отклика ВОО-детектора, рассчитанная в пакете ОЕА1ЧТ4;

АЕу - интервал усреднения энергетического спектра у-квантов;

пп = А-Р(Ег1)-иг1 -е„(Еп) - скорость счета нейтронов в пластиковом детекторе без

совпадений (экспериментальная величина);

Время, не

Рис. 1. Время-пролетный спектр 252С1\

А - активность источника"

Р(ЕП) - вероятность испускания нейтрона с энергией Еп;

- средняя множественность выхода нейтронов; еп(Еп) - аппаратурная функция отклика пластикового детектора на нейтроны с энергией Е„.

Мюоны

Пластиковый детектор

ВСО

детектор

130-,

120-

110-

100-

са " 90-

л 80-

с*

70-

1 60-

с 5 50-

40-

■х 30-

20-

10-

0-

Рис.2. Схема экспериментальной установки для калибровки ЕЮО-детекторов мюонами космического фона.

О (0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Энергия, МэВ Рис.3. Энергетический спектр, оставленный космическими мюонами в ВСО-детекторе.

Четвертая глава посвящена апробации разработанного цифрового метода обработки формы импульсов на примерах: 0 обработки наложенных импульсов с использованием Ри(Ве) источника, п) регистрации низкоэнергетичного у-излучения при а-распаде ядер 226Яа, 222Кп и 2,4Ро.

Апробация алгоритма наложенных импульсов проводилась с использованием Ри(Ве) источника активностью ~5х106 нейтрон/сек, при различных расстояниях с1 от которого (от 5 до 70 см) располагался ВОО-детектор. Для оценки работы алгоритма экспериментальные данные были обработаны также с помощью упрощенного метода без обработки наложенных импульсов. Сравнение результатов работы двух алгоритмов на примере экспериментальных данных при расстояниях (1 = 5 см и ё = 70 см между ВвО-детектором и источником приведено на Рис.4.

Расчетная оценка доли наложенных импульсов согласуется с

экспериментальным результатом (при с! = 5 см доля наложенных импульсов

составляет -32%, при (1 = 70 см - 0.05%). Следует отметить, что разработанный

алгоритм позволяет обрабатывать наложенные импульсы, не вычитая их. Алгоритм

13

продемонстрировал работоспособность при высоких загрузках BGO-детектора (до ~ 103 имп/сек) и доли наложенных импульсов -30%.

Проверка разработанных методик была осуществлена в эксперименте по регистрации у-квантов, испускаемых из возбужденных состояний дочерних ядер, образующихся при а-распаде ядра 226Ra. Наиболее интенсивным у-переходам

226 222 214

соответствуют а-распады изотопов " Ra, Rn, Ро на первые возбужденные состояния ядер 222Rn, 218Ро, 210РЬ с последующим снятием возбуждения путем Е2-переходов с испусканием у-квантов с энергиями 186.1, 510 и 799.7 КэВ соответственно [19].

Для регистрации а-частиц использовался полупроводниковый поверхностно-барьерный детектор с площадью рабочей поверхности ~ 0.5 см2 (0.8 см в диаметре) и толщиной рабочего слоя ~ 300 мкм. Для регистрации у-квантов применялся полупроводниковый детектор на основе сверхчистого германия GC5020 (производство фирмы Canberra) размером 0 71 х 57 мм. Углы между детекторами и нормалью к поверхности источника выбирались равными 45°, так что общий угол между у- и а-полупроводниковыми детекторами был равен 90°. Определение разрешения у-детектора проводилось совместно с измерением его эффективности и составило ~ 2.2 КэВ для линии 59.5 КэВ (241Агп) и ~ 3.3 КэВ для линии 1.33 МэВ (60Со). В эксперименте использовался источник 226Ra из комплекта ОСАИ с активностью ~ 10 кБк. Диаметр радиактивного пятна на никелевой подложке составлял ~ 1 см. Энергетическое разрешение полупроводникового кремниевого

Энергия, МэВ Энергия, М>В

Рис.4. Измеренный спектр у-квантов Ри(Ве) источника. Слева ё = 5 см, справа ё = 70 см. Результаты обработки новым алгоритмом обозначены линиями, упрощенного алгоритма - точками.

а-детектора определялось путем измерения а-спектров исследуемых изотопов (Еа = 4.784, 5.304, 5.490, 6.002, 7.687 МэВ) без совпадений с у-квантами и было равно ~ 36 КэВ для а-частиц с энергией ~ 7.69 МэВ.

Таблица 2. Экспериментальные значения вероятностей испускания у-квантов с возбужденных уровней дочерних ядер, заселяемые вследствие а-распада

материнских ядер

у-переход Эксперимент Данные из работы [19]

Ет= 186.1 КэВ - 222Rn (3.52 ±0.11) -10"2 3.5 -10"2

Еу = 510 КэВ - 2,8Ро (7.8 ±1.2) -10"4 7.6 • 10"4

Ет = 799.7 КэВ -2|0Ро (1.3 ±0.6) -10"4 1.04 -10"4

Полученные экспериментальные значения вероятностей (а-у)-переходов вместе с имеющимися в литературе данными [19] представлены в Таблице 2. Из удовлетворительного согласия результатов эксперимента с данными других авторов можно сделать вывод о корректности работы предложенной экспериментальной методики.

В пятой главе приведены основные полученные экспериментальные результаты по выходам высокоэнергетичных у-квантов при спонтанном делении тяжелых ядер, приведена разработанная методика вычитания космического фона и случайных совпадений.

В области энергий Ег < 20 МэВ экспериментальные данные по выходам у-квантов 252Cf из работ [1,3-7] удовлетворительно согласуются между собой и, поэтому, служат эталоном для проверки разработанной методики измерения в области Ег > 20 МэВ. Вероятность испускания у-квантов Ру для энергий EY < 20 МэВ была измерена по n-у и у-у совпадениям (см. Рис.5).

Границы у-у и n-у пиков были определены из время-пролетного спектра 252Cf (см. Рис.1) и выбраны равными -2.7...2.7 не и 10...45 не соответственно. Нуль по оси времени на Рис.1 совмещен с максимумом пика у-у совпадений из соображений удобства. Для п-у пика выбранные границы соответствуют максимальной энергии нейтронов 12 МэВ и минимальной энергии 0.65 МэВ.

Как видно из Рис.5, значение Рт, измеренное по n-у совпадениям, согласуется с данными других авторов [1,4-7] в области энергий у-квантов Ет < 20 МэВ. Для у-у совпадений значение Ру оказалось завышенным для Еу >11 МэВ из-за влияния космического фона, который является основным фактором, мешающим измерению выхода высокоэнергетичных у-квантов, сопровождающих спонтанное деление ядер 252Cf.

Космический фон оказывает влияние двумя путями. Во-первых, космические ливни регистрируются экспериментальной установкой как совпадения от источника 252Cf в выбранных временных окнах времяпролетного спектра. Для оценки влияния этих совпадений был проведен эксперимент по измерению космического фона в геометрии основного эксперимента. Во-вторых, у-кванты космического фона регистрируются в случайных совпадениях с у-квантами и нейтронами деления 252Cf. Для оценки влияния этого фактора был проведен эксперимент с Ри(Ве) источником активностью ~106 нейтрон/сек.

На Рис.6 представлен n-у время-пролетный спектр космического фона, измеренный за -1500 часов. Видно, что совпадательные события космического фона имеют ярко выраженный пик у-у совпадений и "хвост" задержанных (до 50 не и более) совпадений. Следует отметить, что в окне, соответствующему n-у пику для источника 252Cf, было зарегистрировано в ~30 раз меньше событий, чем в окне, соответствующему у-у пику. Максимум пика у-у совпадений космического фона смещен относительно нуля (пика у-у совпадений от источника 252Cf) на ~2 не во времени - разницу во временах пролета двух у-квантов от источника 252Cf до BGO- и пластикового детекторов.

Методика вычитания космического фона и случайных совпадений состояла из следующих шагов:

1. Во время-пролетном спектре выбиралось временное окно Д^ч, в котором могли быть только случайные совпадения Nc;ly4 (100...200 не);

2. Из измеренного спектра N^BH+ay4 (Ег) вычитается спектр случайных совпадений, приведенный к нужному значению временного окна r ;

3. Из полученного спектра вычитался спектр космического фона, приведенный к одному времени измерения Т"'г.

Таким образом, число зарегистрированных у-квантов с энергией Ет в совпадениях с нейтронами М^ИН(ЕГ) определялось как:

дг »-г (Е \ = ДГ"-

истин. V у г исп

Д t Т"'г

фон

(3)

H, О

п 2Û

■ Американская гр\ ппа [5j

о Нидерландская группа [6|

•> у—у совпадения

• n-у совпадения

'«"Îfl^i .

Ч 11 1

- „

□ а

X 1(1 12 14 16 IX Энергия. МэВ

2(1 22 24

В соответствии с этой методикой высокоэнергетичных у-квантов с энергией Еу > 30 МэВ от источника Ри(Ве) обнаружено не было. Однако были обнаружены совпадательные п-у события с энергией у-квантов Ег до 20 МэВ, которые можно интерпретировать как

события вынужденного деления ядер 238Ри под действием нейтронов,

испускаемых в (а-у)-реакциях на ядрах 9Ве. Измеренный спектр

у-квантов, приведенный на Рис.7, совпадает со спектром у-квантов спонтанного деления 252СГ, что указывает на их общую природу.

Установим связь между углом вылета у-кванта относительно

направления вылета

нейтронов 0п_у и углом вылета относительно оси деления Ос-,,. Известно, что в системе центра инерции, связанной с осколками деления, угловое

Рис.5. Измеренная вероятность испускания у-квантов при спонтанном делении ядер 252Cf, определенная по у-у и n-у совпадениям.

60(1-,

500-

5 400 у

=' 300 -

^ 200-■т

10(1-

Y-7

vS(l

n-у

-20

30

50

) О 10 20 Время, не

Рис.6. Измеренный время-пролетный спектр космического фона. На рисунке обозначены области у-у и n-у совпадений 25 Cf.

| ■ Американская ip> una J?|

^ в llii.icp.iaii.KK4i« ipMinu [6]

ee • !4l< lie) ll-Y corikuchim

» 2 4 л х ш I: и 16 1к :о :: :-1 Энергия. М)В

Рис.7. Измеренная вероятность выхода у-квантов Ри(Ве) источника в п-у совпадениях в сравнении с данными для источника 252С£

41 21» 40 61) КО 100 120 140 160 180 Угол О град\ сы

Рис. 8: Рассчитанное методом Монте-Карло угловое распределение углов Gf-y для фиксированных углов 0,,-, = 90° и 180°.

распределение нейтронов изотропно, а в лабораторной системе отсчета нейтроны преимущественно вылетают в направлении оси деления. Имеющиеся в литературе экспериментальные данные по зависимости выхода нейтронов с энергиями Еп = 1...5 МэВ от косинуса угла вылета 0„-г [18,20,21] удовлетворительно описываются формулой:

(4)

С учетом этой зависимости и конечных пространственных размеров нейтронного и у-детекторов был проведен расчет методом Монте-Карло распределений углов вылета у-квантов относительно оси деления Ос-у при двух фиксированных углах между нейтронным- и у-детектором 0п-у = 90° и 180° (см. Рис.8). Как и следовало ожидать, в лабораторной

ч а

■ Японская ip> пна (3|

о Нидерландская фуппа |6|

а Индийская группа [1|

• n-у совпадения. 180"

о п-у совпадения. УО"

I) 10 20 3» 40 50 Энергия. МэВ

Рис.9. Измеренная вероятность испускания высокоэнергетичных у-квантов при спонтанном делении ядер 252С{ для углов 0„.т = 90° и 180°.

системе отсчета сохраняется выделенность направления вылета у-квантов относительно оси деления. Рассчитанные средние значения углов 9f_y равны:

ef_y= 146° ±22° (вп_г = 180°);

0f_r = 90° ±38° (вп_г = 90°).

Измерение выхода высокоэнергетичных у-квантов в области энергий 20...60 МэВ, сопровождающих спонтанное деление ядер 252Cf, проводилось для двух значений углов 0П_7 = 90° и 180° в течение -2-103 часов. Измеренные вероятности выхода у-квантов приведены на Рис.9 вместе с результатами японской [3], нидерландской [6] и индийской [1] групп, использовавших у-у совпадательную методику. Из Рис.9 видно, что наблюдается удовлетворительное согласие полученных данных с использованием n-у совпадательной методики с данными авторов [1,3,6].

Как видно из рисунка, в пределах погрешности эксперимента в диапазоне энергий Еу = 20...60 МэВ измеренные выходы у-квантов для двух значений углов 0П.Т равны, что может указывать на наличие изотропии в процессе испускания высокоэнергетичного у-излучения при спонтанном делении тяжелых ядер.

В приложении 1 приведен листинг программы, реализующей алгоритм обработки наложенных импульсов на языке MatLab.

В приложении 2 представлены результаты проверки пакета GEANT4 на тестовых задачах из найденных в литературе экспериментальных данных - расчеты абсолютной и относительной эффективности регистрации Nal-детектором и BGO-детектором у-квантов с энергией до 15 МэВ и расчет реального спектра источника 207Bi.

В приложении 3 приведены результаты исследования с помощью цифрового спектрометра перспективных сцинтилляторов для селективной регистрации нейтронов - 61л-силикатного стекла и дигидрофосфата калия (КН2Р04). Были определены времена высвечивания сцинтилляторов и измерены их отклики на у-кванты и нейтроны в смешанных n-у полях. Для б1л-силикатного стекла показана возможность дополнительного разделения тепловых нейтронов и у-квантов по форме импульса.

В заключении представлены основные результаты, полученные в данной диссертационной работе:

1. Разработана методика измерения выхода высокоэнергетичных у-квантов, испускаемых в редких ядерных превращениях, происходящих с вероятностью до 10~8 фотон/(МэВ • деление) в области энергий 5...60 МэВ. Основу методики составляет регистрация совпадений нейтронов деления и высокоэнергетичных у-квантов с использованием быстрых оцифровщиков формы импульсов, что позволяет корректным образом учесть влияние космического фона, случайных совпадений и наложений импульсов.

2. Результаты численного моделирования методом Монте-Карло n-у совпадений в реальной геометрии эксперимента показали, что вследствие анизотропии испускания нейтронов с энергиями > 1 МэВ в лабораторной системе отсчета сохраняется выделенность направления вылета у-квантов относительно оси деления.

3. Проведена апробация разработанного цифрового метода обработки формы импульсов с детекторов ядерного излучения на примере измерения выхода у-квантов с энергией до 20 МэВ из источников 252Cf и Ри(Ве) во время-пролетной постановке эксперимента, а также при регистрации низкоэнергетичного у-излучения при а-распаде ядер 226Ra, 222Rn и 214Ро.

4. Впервые получены экспериментальные данные по вероятностям выхода высокоэнергетичного у-излучения при спонтанном делении ядер 252Cf в диапазоне энергий 20...60 МэВ для углов 9,,^ = 90° и 180° между у- и нейтронным детекторами. Для обоих углов наблюдается плавное падение вероятности испускания у-квантов:

для Е7 = 20 МэВ Рт = 4 х 10~7 фотон/(МэВ • деление); для Ет = 60 МэВ Рт = 4 х 10~8 фотон/(МэВ • деление).

Значения вероятностей испускания у-квантов для углов = 90° и 180° равны в пределах погрешности эксперимента. Усредненные по углам вероятности испускания высокоэнергетичных у-квантов находятся в удовлетворительном согласии с данными других авторов, полученными с использованием у-у совпадательной методики и традиционного аналогово-цифрового способа обработки результатов.

5. Достоверность полученных экспериментальных результатов подтверждается как согласием с имеющимися в литературе данными по выходам у-излучения с

энергией Ет < 20МэВ при спонтанном делении ядер 252СГ , так и согласием полученных значений вероятностей (а-у)-переходов при а-распаде ядер 226Яа, 222Яп и 2,4Ро с данными других авторов.

6. Разработанные цифровые методы регистрации импульсов с детекторов ядерного излучения применены для исследования свойств перспективных неорганических сцинтилляционных материалов - монокристаллов КОР и литиевых стекол. Измеренное время высвечивания для КБР сцинтиллятора составило < 2 не, а коэффициент подавления у-квантов оказался равным 10"3. Для литиевого стекла время высвечивания составило 60 не, а коэффициент подавления - 10"2.

Список публикаций по теме диссертации В реферируемых журналах:

1. N.V.Eremin, S.S.Markochev, A.A.Paskhalov, E.A.Tsvetkov, G.Mandaglio, M.Manganaro, G.Fazio, G.Giardina. New experimental method of investigation the rare nuclear transformations accompanying atomic processes: bremsstrahlung emission in spontaneous fission of 252-Cf // International Journal of Modern Physics E, 2010, Vol.19, nos.5&6, pp.1183-1188.

2. Н.В.Еремин, С.С.Маркочев, А.А.Пасхалов, Е.А.Цветков. Измерение выхода высокоэнергетичных у-квантов, сопровождающих спонтанное деление ядер 252Cf// Известия РАН. Серия Физическая, 2011, Том 75, № 4, стр.580-582.

3. N.V.Eremin, S.S.Markochev, A.A.Paskhalov, G.Mandaglio, M.Manganaro, G.Fazio, G.Giardina, M.V.Romaniuk. Investigation of high energy y-rays accompanying spontaneous fission of 252Cf in double and triple neutron-y coincidences // Journal of Physics: Conference Series, 2011, Vol.282, pp.12-17.

В сборниках трудов научных конференций:

1. N.V.Eremin, S.S.Markochev, A.A.Paskhalov. Application of fast digital shape analysis for investigation amplitude-temporal properties of inorganic scintillators: YAP, BGO, Csl, BaF2 // Book of Abstracts 60 International Conference on Nuclear Physics "Nucleus 2010", Saint-Petersburg, 2010, p.363.

2. N.V.Eremin, S.S.Markochev, A.A.Paskhalov, E.A.Tsvetkov. Investigation of the high energy gamma-ray emission accompanying spontaneous fission of the 252Cf nucleus // Book of Abstracts 60 International Conference on Nuclear Physics "Nucleus 2010", Saint-Petersburg, 2010, p.364.

3. С.С.Маркочев. Применение метода цифровой обработки формы сигнала для задач гамма-нейтронной спектрометрии // Сборник тезисов "Труды 53-й научной конференции МФТИ". Часть III. Аэрофизика и космические исследования, Долгопрудный, 2010, Том 2, стр.23-24.

4. С.С.Маркочев, Н.В.Еремин, А.П.Воронов. Неорганические кристаллы KDP:T1 для селективной регистрации нейтронов // Сборник тезисов конференции LUMCOS-2011, Харьков, 2011, стр.35.

5. С.С.Маркочев, Н.В.Еремин, В.И.Арбузов. Метод цифровой обработки формы импульсов в применении к исследованию перспективных сцинтилляторов // Сборник тезисов конференции ИСМАРТ-2012, Дубна, 2012, стр.51.

ЛИТЕРАТУРА

1. D.Pandit, S.Mukhopadhyay, S.Bhattacharya et al. Coherent bremsstrahlung and GDR width from 252Cf cold fission // Phys. Let. B, 2010, Vol.690, pp.473-476.

2. P.Glassel, R.Schmid-Fabian, D.Schwalm et al. 252Cf fission revisited - new insights into the fission process //Nucl. Phys. A, 1989, Vol.502 (9), pp.315-324.

3. J.Kasagi, H.Hama, K.Yoshida and M.Sakurai. Nucleus-nucleus bremsstrahlung observed in the spontaneous fission of 252Cf // J. Phys. Soc. Jpn., 1989, Vol.58, pp.620-625.

4. Ю.Н.Покотиловский. Экспериментальный предел для вероятности излучения гамма-квантов с энергией Е > 20 МэВ при спонтанном делении 252Cf // Ядерная физика, 1990, Том 52, стр.942-943.

5. S.J.Luke, C.A.Gossett, R.Vandenbosh. Search for high energy y-rays from the spontaneous fission of 252Cf// Phys. Rev. C, 1991, Vol.44 (4), pp.1548-1554.

6. H. van der Ploeg, R.Postma, J.C.Bacelar et al. Large gamma anisotropy observed in the 252Cf spontaneous-fission process // Phys. Rev. Let., 1992, Vol.68 (21), pp.31453147.

7. В.А.Варлачев, Г.Н.Дудкин, В.Н.Падалко. Существует ли когерентное тормозное излучение осколков деления ядер? // Письма в ЖЭТФ, 2005, Том 82 (7), стр.440—444.

8. В.А.Хрячков, М.В.Дунаев и др. Новый метод разделения заряженных частиц с использованием кристаллов CsI(Tl) // ПТЭ, 2000, Том 3, стр.29-37.

9. М.В.Прокуронов, А.А.Голубев и др. Цифровая идентификация частиц по форме импульса // ПТЭ, 2006, Том 2, стр.67-83.

10. М.В.Прокуронов, А.Н.Шабалин. Цифровая идентификация нейтронов и гамма-квантов по форме импульса при высокой загрузке детектора и низкой энергии регистрируемого излучения // ПТЭ, 2007, Том 3, стр.31-45.

П.В.А.Хрячков. Методы цифровой спектрометрии ядерных излучений / Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук, ФЭИ им. Лейпуновского, Обнинск, 2004.

12.N.V.Eremin, S.S.Markochev, A.A.Paskhalov. Application of fast digital shape analysis for investigation amplitude-temporal properties of inorganic scintillators: YAP, BGO, Csl, BaFi // Book of Abstracts 60 International Conference on Nuclear Physics "Nucleus 2010", Saint-Petersburg, 2010, p.363.

13.В.Г.Николенко, А.Б.Попов и др. Поиски сверхплотных ядер в активной зоне реактора // Письма в ЖЭТФ, 1978, Том 27 (1), стр.65-67.

14. A.B.Migdal. Pion fields in nuclear matter HRev.Mod.Phys, 1978, Vol.50, pp.107-172.

15.D.B.Ion, M.Iwascu, R.Ion-Mihai. Spontaneous pion emission as a new natural radioactivity // Ann. Phys., 1986, Vol.171 (2), pp.237-252.

16.J.N.Knudson, C.L.Morris et al. Search for neutral pions from the spontaneous fission of 252-Cf//Phys. Rev. C, 1991, Vol.44 (6), pp.2869-2871.

17.Ю.В.Рябов. Поиск высокоэнергетичного /?-распада продуктов спонтанного деления 252-Cf // Bulletin of the Lebedev Physics Institute, 1999, № 2, стр.9-16.

18.C.Budtz-Jorgensen, H.H.Knitter. Simultaneous investigation of fission fragments and neutrons in 252-Cf (SF) //Nucl. Phys. A, 1988, Vol.490 (2), pp.307-328.

19.C.M.Lederer, R.B.Firestone, V.S.Shirley. Table of Isotopes (Eighth edition). CD-ROM edition / Lawrence Berkley National Laboratory, University of California, 1996.

20. H.R.Bowman, S.G.Thompson, J.C.D.Milton et al. Velocity and angular distributions of prompt neutrons from spontaneous fission of 252-Cf // Phys. Rev., 1962, Vol.126 (6), pp.2120-2136.

21.N.V.Kornilov, A.B.Kagalenko, S.V.Poupko et al. New evidence of an intense scission neutron source in the 252-Cf spontaneous fission II Nucl. Phys. A, 2001, Vol.686, pp. 187-203

Подписано в печать 24.05.2013 г. Формат 60x90 1/16 Печать на ризографе. Тираж 100 экз. Заказ № 13343. Объем: 1,0 усл. пл.

Отпечатано в типографии ООО "Алфавит 2000", ИНН: 7718532212, г. Москва, ул. Маросейка, д. 6/8, стр. 1, т. 623-08-10, www.alfavit2000.ru