Вероятности вылета легких зараженных частиц в реакциях с квазимонохроматическими фотонами и остановившимися антипротонами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

•л -- ^ т:

/На правах рукописи

Судов Александр Сергеевич

ВЕРОЯТНОСТИ ВЫЛЕТА ЛЕГКИХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В РЕАКЦИЯХ С КВАЗИМОНОХРОМАТИЧЕСКИМИ ФОТОНАМИ И ОСТАНОВИВШИМИСЯ АНТИПРОТОНАМИ

специальность 01.04-16 — физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК

На правах рукописи

Судов Александр Сергеевич

ВЕРОЯТНОСТИ ВЫЛЕТА ЛЕГКИХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В РЕАКЦИЯХ С КВАЗИМОНОХРОМАТИЧЕСКИМИ ФОТОНАМИ И ОСТАНОВИВШИМИСЯ АНТИПРОТОНАМИ

специальность 01.04-16 — физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК

Работа выполнена в лаборатории фотоядерных реакций Института ядерных исследований Российской академии наук.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук

В. Г. Недорезов

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

кандидат физико-математических наук

В.З.Гольдберг Г. Е. Беловицкий

Ведущая организация - НИИЯФ МГУ

Задута состоится 199^"года в

_/о час. на заседании Специализированного совета

Д 003.21.01 Института ядерных исследований РАН по адресу: 117312, Москва, проспект 60-летия Октября, дом 7а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института ядерных исследований РАН.

Автореферат разослан

года.

Ученый секретарь специализированного совета

кандитат физико-математических наук

В. А. Тулупов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Вопрос об изучении механизмов взаимодействия частиц с ядрами яплжчся одним из основных п ядерной физике. При средних энергиях налетающих частиц, а именно эта область составляет предмет обсуждения, доминирующим является каскадный механизм возбуждения ядер, который приводит к расщеплению ядра, сопровождающемуся испусканием быстрых нуклонов и легких заряженных частиц. Очевидно, что для полного понимания этого процесса необходима одновременная регистрация всех продуктов реакции. До сих пор, однако, экспериментальные данные по вылету заряженных частиц носят преимущественно инклюзивный характер, хотя эксперименты, в которых изучаются эксклюзивные реакции выбивания нуклонов, а также эксперименты с одновременной регистрацией несколько частии, являются значительно более информативными. Настоящая работа является одной из первых попыток в проведении совпадательных экспериментов на пучке фотонов средних" энергий.

Специфика каскадного механизма возбуждения заключается в том, что частицы, образующиеся в первичном акте взаимодействия, вызывают лавину бы-стры'х, инициирующих друг друга частиц и нуклонов отдачи, после чего ядро остается в сильно возбужденном состоянии. В средних и тяжелых ядрах внутриядерный каскад состоит, как правило, из нескольких ветвей и вылетающие частицы являются, в основном, вторичными. В результате их спектры имеют экспоненциальную форму, определяемую не типом начального взаимодействия, а каскадным процессом. Это позволяет использовать большое многообразие налетающих частиц при изучении процессов релаксации в ядрах в рассматриваемой области энергий. Среди них выделенными являются -/-кванты, электроны, ¡1- н т-мезоны и антипротоны, захватываемые с атомной орбиты, поскольку они относительно слабо возмущают ядро при взаимодействии. В па-стоящей работе изучение процессов релаксации ограничивается реакциями с 7-кваптамн и остановившимися антипротонами.

Изучение вылета легких заряженных частиц в совпадении с осколками деления позволяет проследить развитие ядерного каскада от начальной, быстрой стадии взаимодействия до полного установления термодинамического равновесия в составном ядре. Измерение выхода этих частиц позволило бы лучше определить пуклоиный состав начального составного ядра, что важно знать при расчете делпмостеи ядер: делимость изменяется при уменьшении энергии возбуждения ядра после испускания быстрых частиц. Подобного рода исследования легче всего проводить для тяжелых ядер-актинидов, низкий барьер деления которых приводит к том}', что испускание заряженных частиц практически всегда сопровождается делением ядра на два осколка. Экспериментальные данные по вылету заряженных частиц из тяжелых ядер, довольно ограниченные, были получены в реакциях с частицами различной природы

■и энергий (7, 7г~, п, р), а также с тяжелыми ионами. Первые результаты с тг-мезонами, быстрыми нейтронами и 7-квантами были получены сию в середине 50 гг. с помощью трековых детекторов, а затем в течение длительного времени новые экспериментальные данные практически отсутствовали. Эти исследования возобновились лишь в последние несколько лет, что связано с совершенствованием экспериментальной техники, появлением интенсивных пионных и квазимонохроматических фотонных пучков, а также с развити-. ем теоретических представлений о процессах взаимодействия частиц средних энергий с ядрами. Основной способ монохроматизации фотонов, получивший наибольшее распространение и используемый в настоящей работе, — это метод мечения фотонов по энергии, заключающийся в регистрации рассеянного от тормозной мишени электрона на совпадение с продуктами реакции.

Механизмы образования легких заряженных частиц могут зависеть как от . типа частицы, так и от массы ядра. Для детального анализа этих механизмов необходимы экспериментальные данные по вылету легких заряженных частиц различного типа в широком диапазоне масс ядер. В настоящее время данные подобного рода, очень ограниченные, имеются лишь для реакций с остановившимися тг--мезонами и антипротонами.

При больших энергиях внутриядерный каскад приобретает интересные особенности: вылет вторичных частиц, образующихся в тгК- и КМ-столкновениях, происходит в узкий конус. Вследствие этого происходит замедление диссипации энергии внутри ядра и может образоваться сложная частица, состоящая из нескольких нуклонов. С точки зрения традиционных представлений об атомном ядре невозможно объяснить вылет из него системы, энергия связи которой значительно меньше ее кинетической энергии. Для детального анализа этих механизмов необходимы экспериментальные данные по вылету легких заряженных частиц различного типа в широком диапазоне масс ядер. В настоящее время данные подобного рода, очень ограниченные, имеются лишь для реакций с остановившимися тг~-мезонами и антипротонами.

Таким образом, проблема получения новых экспериментальных данных по вылету легких заряженных частиц, в которой можно, например, выделить частицы, вылетающие в совпадении с осколками деления, а также данные инклюзивного характера для широкого интервала ядерных масс, представляется весьма актуальной. Эти исследования особенно интересны для частиц, вносящих в ядро минимальный угловой и линейный моменты, таких как 7-киапты средних энергий и остановившиеся антипротоны. Они эффективно возбуждают ядра до энергий, значительно превышающих энергии связи нуклонов в ядре, и описываются в рамках одной концепции (каскадно-испарительной модели). Отличие же реакций с фотонами от реакций с антипротонами связано, главным образом, с различным характером поглощения (объемным и поверхностным, соответственно), а также с разными энергиями возбуждения. Экспериментальные данные по вылету заряженных частиц в реакциях с остановившимися антп-

протонами также ограничены, что связано с большой технической сложностью получения антипротонных пучков и их высокой стоимостью.

Цель работы:

1. Разработка и создание сцинтилляционных пластиковых (АЕ, Е)-телескопов для регистрации легких заряженных частиц в совпадении с осколками деления ядер.

2. Разработка программы обработки данных по фотоделению ядер и ее адаптация к обработке данных с остановившимися антипротонами.

3. Получение экспериментальных данных по вылету протонов в совпадении с осколками деления в области промежуточных энергий при фотоделении ядер актинидов, а также по вылету легких заряженных частиц при аннигиляции остановившихся антипротонов для широкого диапазона ядер мишеней (от лития до торня) с целью исследования механизмов указанных реакций и проверку -предсказаний каскадно-испарительной модели.

• Научная новизна.

С помощью сцинтилляционных пластиковых (АЕ, £)-телескопов, являющихся составной частью детектора фрагментов деления (ФД), впервые были измерены сечения образования протонов с энергией от 30 до 80 МэВ в совпадении с осколками деления ядер 235'238и л 237Кр на пучке меченых фотонов с энергией Еп = 60 - 240 МэВ.

Разработана и отлажена программа обработки данных, с помошыо которой впервые получены экспериментальные данные по вылету фотопротонов при делении ядер-актинидов. Эта программа была также успешно использована для обработки данных по вылету легких заряженных частиц, вылетающих при аннигиляции остановившихся антипротонов в ядрах.

Впервые измерены спектры фотопротонов с энергией выше 30 МэВ от распада ядер 23о 235и ц 23'1\тр, предшествующих делению. Показано, что спектоы имеют экспоненциальную форму и качественно согласуются с результатом расчетов, выполненных в рамках каскадно-испарительной модели. Вместе с тем имеется расхождение в наклонах спектров для протонов с энергией выше 50 МэВ, которое может составить вопрос для дальнейших исследований.

Впервые получена вероятность вылита каскадных фотопротонов с ЕР > 30 МэВ, предшествующих делению ядер на осколки, в диапазоне Еу = 60 — 240 МэВ. Для всех исследуемых ядер она составляет в среднем 0.21 ±0.07 на акт деления.

С помощью созданной программы обработки данных впервые получены экспериментальные спектры протонов, дейтронов и тритонов, вылетающих при аннигиляции остановившихся антипротонов в ядрах в''1л, 40Са, а8'(,|1\т, '"Се, ,>8Мо. 165Но, 1,4\'Ь. 2СМРЬ и 232ТЬ. Эти спектры могут быть описаны суммой двух экспонент, что отражает факт существования двух основных механизмов испускания протонов: внутриядерного каскада при высоких энергиях и испарения при низких. Полученные экспериментальные данные находятся в

качественном согласии с расчетами по каскадно-испарптелыюй модели.

Получены Л-зависимости выходов протонов, дейтронов и тритонов в реакциях с антипротонами. Сравнение экспериментальных данных с расчетами по каскадно-испарнтелыюй модели, учитывающими различные механизмы образования легких заряженных частиц (каскад, предравновесная эмиссия, муль-тифрагментация и испарение) и выполненными А. С. Ильиновым с сотрудниками, показывает их качественное согласие.

Практическая ценность диссертации определяется, во-первых, возможностью использования полученных экспериментальных данных для более полного понимания механизмов взаимодействия 7-квантов и антипротонов с ядрами, в частности, для уточнения параметров каскадно-испарительной модели ядерных реакций, а во-вторых, разработкой методики регистрации легких заряженных частиц при делении ядер 7-квантами промежуточных энергий.

Созданные сцинтилляционные пластиковые (АЕ, £)-телескопы, как часть детектора фрагментов деления ФД, могут быть использованы для регистрации легких заряженных частиц в совпадении с осколками деления ядер, в частности, на установке ПМФ "Сибири-2".

Использованный метод обработки данных может быть применен для широкого круга задач корреляционных экспериментов, когда возникает проблема сбора и хранения информации в компактном виде. Созданное программное обеспечение позволяет проводить многопараметрический анализ данных, что во многих случаях может с успехом заменить широко известный пакет программ PAW.

. На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Разработка и создание сцинтнлляционных пластиковых (AjS, £)-телеско-пов, являющихся составной частью детектора фрагментов деления ФД. Телескопы позволяют регистрировать легкие заряженные частицы в совпадении с осколками деления ядер.

2. Создание программного обеспечения эксперимента по изучению фоторасщепления ядер на пучке меченых фотонов на установке РОКК-2 накопителя электронов ВЭПП-3. Это же программное обеспечение позволило провести обработку большого объема экспериментальных данных, полученных в реакциях с остановившимися антипротонами.

3. Результаты измерений сечений образования протонов с энергией от 30 до 80 МэВ в совпадении с осколками деления ядер 23S-238U и 237Np на пучке меченых фотонов с энергией 60-240 МэВ.

4. Результаты измерения спектров фотопротонов с энергией выше 30 МэВ от распада ядер 235-238U u 23' Np, предшествующих делению. Показано, что спектры имеют экспоненциальную форму и качественно согласуются с результатом расчетов, выполненных в рамках каскадно-испарительной модели.

5. Результаты измерения вероятности вылета каскадных протонов с Ер > 30 МэВ, предшествующих делению ядер на осколки, в диапазоне Е-у = 60 — 240

TYbB, которая составляет в среднем для всех исследуемых ядер 0.21 ± 0.07 на акт деления.

6. Адаптация программы обработки данных и полученные с ее помощью результаты обработки с помощью (АЕ, Е)-метода экспериментальных данных, полученных на установке LEAR по расщеплению ядер антипротонами с регистрацией протонов, дейтронов и тритонов.

7. Результаты измерения спектров протонов, образующихся в результате аннигиляции антипротонов в ядрах 6'7Li, 2SSi, 40С'а, S8'64Ni, 70Ge, 9sMo, 165Ho, 1,4Yb, 20SPb и 232Th. Спектры описываются суммой двух экспонент, что от-

• ражает факт существования двух основных механизмов испускания протонов: внутриядерного каскада при высоких энергиях и испарения при низких. Полученные экспериментальные данные находятся в качественном согласии с расчетами по каскадно-нспарнтельной модели.

8. Результаты измерения Д-зависимостей выходов протонов, дейтронов и тритонов в реакциях с антипротонами. Сравнение экспериментальных данных с расчетами по каскадно-испарителыюй модели, учитывающими различные

., механизмы образования легких заряженных частиц (каскад, предравновесная эмиссия, мультифрагментация н испарение) и выполненными А. С. Илышовым с сотрудниками, показывает их качественное согласие.

Аппробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 6-ой международной школе по физике промежуточных энергий (Венеция, 19S8), 6-ой международной конференции по механизмам ядерных реакций (Варенна, 1991), S-ом семинаре по электромагнитным взаимодействиям при малых и средних энергиях (Москва, 1991), гордоновской конференции по фотоядерным реакциям (Ныо-Хемпшир, 1992), международной конференции по ядерной физике (Висбаден, 1992), 2-ой международной конференции "Particle Production Near Threshold" (Уппсала, 1992), симпозиуме по ядерной физике (Бомбей, 1992). По материалам диссертации опубликовано 10 работ. Список основных публикаций приводится в конце автореферата.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения, содержит всего 147 страниц текста, в том числе 111 страниц основного текста, 37 рисунков, 10 таблиц и список литературы, содержащий 137 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы ее цели и описана структура диссертации.

В первой главе дается обзор основных экспериментальных данных по выле-

ту легких заряженных частиц в реакциях с различными частицами промежуточных энергий. Ядерные реакции в области промежуточных энергий сопровождаются вылетом большого количества каскадных и испарительных нуклонов,

— с—

а также легких фрагментов, что объясняется каскадно-исларительным механизмом взаимодействия.

13 разделе 1.1 рассматриваются общие характеристики заряженных частиц, и том числе данные по выходам и энергетическим спектрам протонов, данные но вылету легких фрагментов, а также вылету частиц, сопровождающихся делением тяжелых ядер.

Энергетические спектры легких заряженных частиц в реакциях с различными налетающими частицами очень похожи: они имеют экспоненциально спадающую форму с изломом при энергии несколько десятков МэВ. Этот излом отражает факт существования двух основных механизмов образования частиц — каскадного при больших энергиях и испарительного при малых.

При достаточно высокой переданной ядру энергии возможны процессы фрагментации ядер, которые включают в себя множественный вылет нуклонов, а также сравнительно легких ядер. Общей 'закономерностью является рост сечений, фрагментации в области энергий налетающих частиц до 1-2 ГэВ и затем выход этих сечений на плато. При этом вероятность вылета быстрых заряженных частиц падает с увеличением их массы.

Вылет легких заряженных частиц в случае тяжелых ядер почти всегда сопровождается делением ядер на два осколка, так как их делимости близки к единице в области промежуточных энергий. Вылет этих частиц происходит на всех этапах, которые проходит ядро па пути от начальной стадии взаимодействия до полной релаксации возбужденного ядра, поэтому их регистрация в совпадении с осколками деления позволяет получить ценную информацию о процессе взаимодействия налетающей частицы с ядром.

В разделе 1.2 подробно рассматриваются экспериментальные данные в реакциях с 7-кваитами и пионами.

Основными механизмами их взаимодействия с ядрами в области промежуточных энергий является одно- и двухпуклонный. Они проявляются в сеченнях и спектрах парциальных реакций. Так, например, п реакциях с фотонами на легких ядрах протоны могут испускаться как нуклоны отдачи при квазпево-бодпом рождении пионов. В этом случае их энергия сравнительно невелика, гак как часть се уходит на рождение пиона. При поглощении на коррелированной 1\\\'-паре энергия протона равна примерно половине энергии 7-кванта. В результате в спектре прогонов наблюдаются два широких пика. Однако с увеличением массы ядра мишени возрастает роль взаимодействия в конечном состоянии, которое проявляется в изменении спекра протонов. При этом пики, отвечающие квазидейтронному и фотопиониому механизмам поглощения -)-квантов, перестают разделяться.

Кроме выходов и спектров протонов, при анализе различных механизмов взаимодействия частиц с ядрами важное значение имеют также экспериментальные данные для дейтронов, тритонов и более тяжелых частиц, полученные для широкого круга масс ядер. Из-за малых сечений фотоядерных реакций

получение таких данных в реакциях с ^-квантами весьма проблематично.

В разделе 1.3 в качестве одной из возможностей получения таких данных рассматриваются реакции с остановившимися антипротонами. Аннигиляция антипротонов в ядре представляет собой очень специфический процесс, в котором происходит огромное выделение энергии (до 2 ГэВ) при малом угловом моменте и без компрессии ядра. Это приводит к тому..что в процессе ядерного каскада с большой вероятностью происходит вылет как быстрых нуклонов, так и более тяжелых частиц.

В конце главы, раздел 1.4. отмечается, что анализ экспериментальных данных указывает на то, что в средних и тяжелых ядрах информация о первичном акте усредняется в процессе прохождения ядерного каскада, что проявляется, н частности, в том, что все спектры вылетающих частиц имеют экспоненциальную форму, независимо от сорта налетающей частицы. Имеющиеся экспериментальные данные носят, в основном, инклюзивный характер, причем данных по вылету частиц, более тяжелых., чем протоны, относительно.мало. Данные о зависимости характеристик вылетающих частиц от массы ядра ограничены, также как и данные по вылету заряженных частиц в совпадении с осколками деления, которые получены, в основном,'с применением трековых детекторов. Таким образом, получение новых экспериментальных данных по вылету легких заряженных частиц, представляется весьма актуальным для изучения механизмов взаимодействия частиц с ядрами.

Во второй главе содержится описание эксперимента по изучению реакции

(-/, рГ) на ядрах 2-,5'238и и "7.\р п диапазоне энергий = 60—240 МэВ. Эксперимент проводился па тормозном пучке установки РОКК-2 (Рассеянные Обратно Комптоновские Кванты) на накопителе электронов ВЭПП-3 ПЯФ СО РАН с использованием системы мечення фотонов по энергии. Максимальная энергия тормозных -/-квантов составляла 2 ГэВ. диапазон системы мечення от 60 до 210 МэВ при энергетическом разрешении 30 МэВ. Интенсивность пучка фотонов в диапазоне системы мечення при токе электронов в накопителе /„ < 100 мА составляла < 10° -,/с.

В разделе 2.1 приводится общее описание детектора ФД. Он представляет собой стальной объем диаметром 0.4 м и длиной 1.3 м. внутри которого помешаются сборки мишеней и пропорциональных камер низкого давления для регистрации осколков деления, а ткже (А/Г, £')-телескопов пластических сцин-тплляторов для регистрации легких заряженных частиц. Общая схема эксперимента и параметры установки приведены на рис. !.

В эксперименте использовался тормозной пучок -,-квантов. получаемый в результате тормозного излучения электронов на остаточном газе накопителя и имеющий форму энергетического спектра, близкую к ~ 1 /Е-,. Энергия фотона, вызвавшего акт деления, определялась по отклонению первичного электрона в магнитном поле.

Наличие квазинепрерывного во времени пучка со средней интенсивностью

Рис. 1: Общая,схема эксперимента на установке РОКК-2 ВЭПП-3 (MWPC -координатные камеры" монитора пучка, SVV - сэнднич пластических сцинтил-ляторов п качеств« монитора пучка, D1 и D2 - детекторы заряженных частиц).

фотонов < 10° у/с позволило применить сравнительно медленные (временное разрешение ~ 20 не) пропорциональные камеры для регистрации осколков деления, но имеющие достаточно широкую апертуру (1.3/2лг) и не чувствительные к пучку. .

В основу конструкции пластиковых модулей для регистрации легких заряженных частиц, сопутствующих делению, были заложены требования измерения энергии в диапазоне до ~ 100 МэВ и выделение частиц с Z = 1 на основе (Л/í, Л')-метода.

В разделе 2.2 описывается система сбора и обработки данных. Причюявле-1ШИ спешим на любой осколочной камере происходило считывание всех составляющих элементов детектора, включая систему мечения и мониторирования пучка. Для сохранения полной информации о каждом событии они записывались на магнитный диск в первоначальном виде, а не суммировались в спектры. -)го позволило в дальнейшем вводить более тонкие совпадения между его параметрами. Число информационных каналов детектора составляло несколько десятков, однако вероятность наличия кореллнрованпых сигналов с различных элементов детектора, естественно, была невелика. Поэтому для экономии .тискового пространства проводился экспресс анализ каждого события и после первичного отбора оно записывалось на диск в упакованном виде.

В разделе 2.3 подробно рассматривается ецпнтнлляциопиый спектрометр лля регистрации легких заряженных частиц, его конструкция и вопрос калибровок.

Пластические ецннтилляторы состояли из пары А Е- и Л'-пластнкои размерами (¡50 х 65 х 5 мм3 и 500 х 120 х 51.5, соответственно. Они располагались » общем объеме детектора ФД, заполненном пзобутаном, вокруг пропорцио-

нлльных камер вдоль оси пучка. Сегментация Д.£-пластнков на S независимых модулей была сделана с целью измерения множественности частиц. Угол регистрации частиц составлял 90±:30° относительно оси пучка, что соответствовало телесному углу ~ 2тг стер. Каждый пластик просматривался с обоих торцов с помощью ФЭУ-84, включенных в совпадении. Для настройки электронных трактов использовались светодиоды.

Порог регистрации протонов определялся минимальной энергией, необходимой для прохождения 5 мм Д£-пластнка, и составлял 22.5 МэВ. Максимальная энергия протонов, которые останавливаются п Е- пластике при нормальном угле прохождения, равна ~ 85 МэВ.

Для уменьшения влияния затухания света в пластике, особенно тонком, в качестве характеристики энерговыделения использовалось среднее геометрическое значение амплитуд импульсов на его концах. При этом также улучшалось энергетическое разрешение.

Калибровка абсолютной энергетической шкалы энерговыделений в пластиках проводилась на космических .мюонах. Энергетическое разрешение составило ~ 60% для Д/Г-детектора и ~ 25 для Е-детектора. Разрешение на протонах должно быть для Д£-пластнка существенно лучше благодаря большему эпер-говыделенню.

Далее приведены результаты численного моделирования светового выхода в ЛЕ- и E-пластиках для частиц различных типов (/i, тг, р, d, а). Расчеты учитывают геометрические размеры мишеней, пластиков, их взаимное расположение, относительные конверсионные эффективности для разных частиц, краевые эффекты в /i-пластиках, потерн в стеклотекстолитовых рамках осколочных камер и энергетическое разрешение пластиков. Рассмотрено влияние этих факторов на реальное разрешение и возможность применения (ДЕ. Е)-мегода идентификации. В данной геометрии оказалось возможным отделить частицы с Z = I- (р и d) от л-частпц. Разделения же протонов и дейтронов не проводилось.

Для калибровки пластиков в процессе эксперимента использовался -,-источ-ник |,0Со (Е~, = 1.275 КэВ). Привязка к абсолютной шкале делалась по наклону спектра, имеющего экспоненциальную форму. Этот способ обеспечил точность энергетической привязки около 10%.

Еще одной возможностью привязать экспериментальные данные к энергетической шкале является использование электромагнитной компоненты излучения. сопутствующей делению ядер. Предполагая, что наклоны спектров приблизительно одинаковы для разных ядер и регистрируя энерговыделение от "(-квантов при делении -Мз-г38(* ц - !'.\'р. можно осуществлять привязку с точностью ~ 10%.

В разделе 2.4 приводятся результаты эксперимента на пучке монохроматических фотонов.

Было проведено две серии измерений на пучке 7-квантов, отличающиеся

Ер, МэВ

Рис. 2: Энергетический спектр протонов, усредненный по тормозному спек-■тру фотонов в диапазоне системы мечения (60-240 МэВ). Точки - экспериментальные данные, усредненные для ядер 235-238и и 2371\р, кривые - расчет по каскадио-испарительной модели (сплошная - 238и, штриховая - 237Кр).

толщиной используемых мишеней и расположением камер внутри ФД детектора. В первой серии при измерении абсолютных сечений деления одновременно экспонировалось 12 мишеней 23'Кр и 238И толщиной по 0.5 мг/см2 и диаметром 5 см на алюминиевых подложках 5 мкм (две мишени на каждую камеру. Во второй серии при измерении массовых -распределений осколков облучались по 2 мишени 23°и и 235и толщиной по 70 мкг/см2 (одна мишень на две камеры). В совпадении с осколками деления ядер в обеих сериях регистрировались также заряженные частицы, сопутствующие делению.

В соответствии с результатами моделирования по методу Мон те-Карло проводился (А Е, £)-анализ импульсов от А Е- и ^-детекторов и отбирались события, удовлетворяющие условию Е > 1В7 е'°-57АЕ, где Е и АЕ - амплитуды световой вспышки (в МэВ) в Е- и А£-пластиках, соответственно. Это позволило отделить частицы с 2 = 1 (протоны и дейтроны) от других заряженных частиц и фона. Хотя разделения протонов и дейтронов не проводилось, на основании литературных данных можно предположить, что вклад дейтронов не превышает 20-30%. Поэтому полученные результаты с указанной точностью можно отнести к вылету протонов.

Энергетические спектры протонов оказались в пределах ошибок измерений одинаковыми для всех исследуемых мишеней. Поэтому на рис. 2 для увеличения статистики показан усредненный для ядер 235'238(1 ц 23,Мр спектр протонов для диапазона энергий фотонов Еу = 60 — 240 МэВ. Порог регистрации протонов составлял около 20-30 МэВ. Эта величина соответствует мшшмаль-

0.8 1

0.4

0.0 0.4

235

и

Еу, МэВ

Рис. 3: Относительные вероятности вылета протонов с энергией Ер > 30 МэВ на акт деления ядер ц 237Мр. Точки - экспериментальные данные, кривая -

расчет по каскадно-испарительной модели для углов вылета протонов 25-155° по отношению к направлению 7-квантов.

нон энергии протонов, проходящих через Д£-пластик (5 мм) под нормальным углом.

Относительные вероятности вылета протонов с энергией выше 30 МэВ на акт деления для каждого из ядер 235-238и ц 2371Чр показаны на рис. 3. В таблице 1 приведены экспериментальные данные для 235'238и и 23^р для всего диапазона тормозного спектра до 2 ГэВ и усредненные по четырем диапазонам системы мечения.

Большие величины ошибок, достигающие иногда 30%, связаны в первую очередь с малой статистической точностью измерений. Для ядра 23511 измерения проводились только с тонкими мишенями, использовавшихся для измерения массовых распределений осколков деления, поэтому ошибки в этом случае наибольшие. Для учета систематических ошибок по результатам, полученным для разных мишеней, вычислялась среднеквадратичная ошибка. На графике показана максимальная из двух ошибок (статистической и среднеквадратич-

Таблица 1: Выходы протонов с энергией выше 30 МэВ по отношению к числу 1Х КО.ТКОВ деления.

Ядро Весь тормозной спектр Диапазон системы мечепия

23.-, и 0.19 ±0.11 0.32 ± 0.09

238 и 0.39 ±0.06 0.19 ±0.03

237Мр 0.18 ±0.02 0.13 ±0.02

мой).

В разделе 2.5 делается анализ полученных экспериментальных данных. Для сравнения с полученными экспериментальными данными были использованы расчеты по каскадно-испарительной модели ядерных реакций, выполненные группой А. С. Илышова с сотрудниками. Наряду с экспериментальными спектрами, они приведены на рис. 2. Видно, что экспериментальные и расчетные данные н среднем согласуются между собой, но экспериментальные точки идут заметно круче, чем расчетная кривая. Причины этого расхождения частично могут' быть связаны с геометрическими факторами, обеспечивающими большой телесный угол экспериментальной установки, однако величина этого эффекта не превышает 20%. Это расхождение выходит за пределы ошибок измерений и составляет предмет для дальнейших исследований.

Средние значения измеренной вероятности вылета протона с энергией выше 30 МэВ па акт деления, приведенные на рис. 3, для ядер 23->.238и ц 237Кр не отличаются в пределах ошибок и в среднем близки к 20% во всем диапазоне энергии фотонов, то есть 00-240 МэВ. На том же рисунке кривыми показаны результаты расчета по каскадно-испарительной модели. В расчетах не учитывались испарительные нуклоны, но их вклад при энергиях выше 30 МэВ можно «•читать пренебрежимо малым.

Из рисунка видно, что средние значении экспериментальной и расчетной вероятностей испускания протонов в рассматриваемом интервале энергий фотонов согласуются между собой. Однако расчетные кривые идут более круто, чем экспериментальные точки. Наблюдаемое расхождение в энергетической зависимости выходит за ошибки эксперимента. Тем не менее, недостаточно высокая статистика, связанная с малыми сечениями фотоядерных реакции, не понюляет по нескольким точкам детально проследить ход энергетической зависимости.

В разделе 2.С делаются краткие выводы. Отмечается, что сравнение с результатом расчетов, выполненных в рамках каскадно-испарительной модели, в которой учитывались два механизма фотопоглощения ядер - квазндейтронный механизм и фоторождепие пионов - указывает на их качественное согласие, прежде всего это касается средних вероятностей изучаемых процессов. Однако ншчггсн расхождение между экспериментальными и теоретическими данными

10 см

Рис. 1: Схема эксперимента на установке LEAR/CERN, включающая телескоп (SI, S2) для регистрации антипротонов, мишень и Се-телескоп для регистрации р, d и t.

(наклоны спектров и энергетические зависимости сечений реакции), что указывает на необходимость дальнейших исследовании в этом направлении.

Третья глава посвящена исследованию выходов легких заряженных частиц в реакциях с остановившимися антипротонами. Обсуждаются энергетические спектры и выходы протонов, дейтронов и тритонов, образующихся в результате аннигиляции антипротонов в ядрах И,'1Л, Si, "'"Ca, 5S,64.\Ti, '°Се, ')sMo, lfi1 Но. 17JYb, 208Pb п 2T2Th.

В разделе 3.1 приводится описание эксперимента, который был выполнен на установке LEAR (импульс антипротонов 300 МэВ/с, интенсивность ó х 10' р/с) с помощью телескопа германиевых детекторов. Схема эксперимента приведена на рис. 1. Пучок антипротонов проходит через полиэтиленовый модератор, сцинтплляционний счетчик .S1 (с отверстием <¿20 мм), включенный на антнсовпадение, и 52 (Ó20 мм), включенный на совпадение, которые служат для идентификации антипротонов и измерения-интенсивности пучка. Ядерные

Таблица 2: Толщины мишеней и число остановившихся антипротонов и них

Мишень 6Li 7Li Si 4uCa 5si\i '"Ni

Толщина* (мг/см2) 400 300 107 180 300 300

Число р (в 10е р) 351 464 1415 1918 571 (¡37

Мишень ™Ge 98Мо l(i5Ilo 174 Yb *"Tli

Толщина* (мг/см2) 300 100 180 310 30 251

Число р (в 10° р) 5S7 10SS 518 1501 213 1050

мишени располагались под углом 45° по отношению к пучку для уиеличения эффективной толщины. Толщины мишеней и полное число остановившихся антипротонов приведены в таблице 2.

Легкие частицы, такие, как р, <1 и I, регистрировались с помощью телескопа германиевых детекторов высокой очистки, находящихся при температуре жидкого азота. Эти детекторы помещались в той же вакуумной камере, где и мишени. Перед телескопом был установлен Та-коллиматор (<¿>12 мм, толщиной 50 мм). При анализе экспериментальных данных использовались только первые четыре Се-детектора (толщиной 0.0 мм, 14.4 мм, 14.5 мм и 12 мм, соответственно). Суммарный сигнал с Се-детектора в совпадении с 51 - 52 сигналом служил триггером для системы сбора данных. Последний из четырех детекторов служил для исключения частиц, которые не остановились в первых трех.

Энергетическое разрешение Се-телескопа составляло около УО КэВ для 120 МэВ протонов. Потерн частиц в результате многократного рассеяния пренебрежимо малы, поскольку Се-детекторы были достаточно большого размера. Систематические ошибки, связанные с определением эффективности регистрации частиц детектором, телесного угла и др., не превышают 10%. Телеспин угол С!е-телескопа составлял 2.4 ■ 10~5 стер.

Раздел 3.2 посвящен методике обработки данных. Идентификация частиц проводилась (ДЕ, Е)-методом, основанном на различии в Д ¿'-потерях разных частиц при одной и той же толщине детектора. В качестве полной энергии Е и ДЕ брались Е = ^ 11 = где ~ энергетические потери в

¿-ом детекторе, а л - помер детектора, в котором остановилась час тица. Такой способ вычисления обеспечивает наилучшую дискриминацию частиц. Зависимость параметра идентификации частицы

а а

от ее энергии, полученная в эксперименте, приведена на рис. 5 (здесь <I = ¡Г^,1 </,, (/; - толщина г'-го детектора, п - номер детектора, в котором ос тановилась частица). Выражение (1) получается из аппроксимированной зависимости Л — а ■ Еь для пробега (г/см2) частиц с энергией Е (МэВ), где а - параметр,

В

400 -

300 - — ь&ЖЩ^

3.

200-1 Р „- ^

О 25 50 75 100

Е, МэВ

Рис. 5: Зависимость параметра идентификации В от энергии Е для частиц из мишени для 40Са, остановившихся во втором и третьем слое телескопа ве-детекторов.

зависящий от вещества, заряда и массы частицы, а 6 ~ 1.76 для всех легких частиц в Се.

Энергетические спектры протонов, дейтронов и тритонов корректировались в дальнейшем с учетом ионизационных потерь в мишени н искажений, связанных с неупругими взаимодействиями частиц с веществом детектора. Это приводит к сдвигу спектров на 5-10 МэВ вправо и небольшому увеличению наклона в низкоэнергетической его части.

В разделе 3.3 приведены полученные экспериментальные данные.

Все энергетические спектры экспоненциально падают с увеличением энергии. В спектрах протонов, рис. 6, наблюдается излом вблизи 30 МэВ, в то время, как для дейтронов и тритонов наклон спектров постоянен по всем энергетическом диапазоне. В соответствии с этим, спектры протонов аппроксимировались суммой двух экспонент:

а для дейтронов и тритонов одной экспонентой.

Наличие излома в энергетических слрктрах протонов отражает факт существования двух различных механизмов испускания протонов. Первый - это прямое выбивание протона в процессе внутриядерного каскада, соответствующее высоко-энергетической части спектра, второй - испарение, которое дает дополнительный вклад в низкоэнергетическую часть спектра. Значения параметров 1), характеризующие наклон спектра, не связаны с температурой ядра, так как большинство частиц испускается, по-видимому, еще до достижения ядром термодинамического равновесия. Этот параметр отвечает за среднюю энергию вылетающих частиц. Значения Т^ для испарительных протонов меньше значений Тг на порядок. В энергетических спектрах дейтронов и тритонов

Аг(£) = Аг! • е-^' +N-2 ■ е~Е,т2

ю-10-ю-ю-ю-ю-ю-10-* 10-' ю-ю-ю-

N(E) •L¡ протоны N(E) "Ni N(E' '"Но

'Li "Ni ■"Yb

i f~

28Si "Ge . 208pb

"Ca 90Mo , Л \ 2í2Th

--- ---

0 30 60 90 0 30 60 90 О 30 60 90 120

Е [UeV] Е [UeVj Е [tleV]

Рис. 6: Энергетические спектры протонов. Сплошные кривые - экспериментальные данные, штриховые - результаты расчетов, учитывающие все механизмы испускания частиц, пунктирные - аппроксимация экспериментальных данных. N(E) нормированы на число антипротонов и энергетический интервал.

испарительная часть не наблюдается из-за малой вероятности этого механизма для более тяжелых частиц, чем протон, а также из-за довольно высокого порога регистрации дейтронов и тритонов (20-25 МэВ). Все параметры Т практически не зависят от номера ядра мишени и определяются массой вылетающих частиц.

Эксперименты, выполненные с протонами и пионами на различных ядрах, также указывают на независимость наклонов спектров р, с1 и I от массы ядра (реакции с пионами = 235 МэВ па ядрах N1 и Ag, реакции с зг_-мезонами 1.5-6.2 ГэВ/с и протонами 6.2-9.0 ГэВ/с на ядрах С, А1, Тл, Си, Сс1 и РЬ).

Экспериментальные данные по Д-зависимостям выходов протонов, дейтронов и тритонов в энергетических диапазонах ЕР = 25 —100 МэВ и Е^ = 35—100 МэВ приведены в таблице 3.

В разделе 3.4 дается интерпретация экспериментальных данных в рамках каскадно-испарительной модели.

Для анализа полученных экспериментальных данных А.С. Ботвиной были выполнены расчеты на основе стандартной модели внутриядерного каскада с

Таблица 3: Зависимости числа р. (1 и I на остановившийся антипротон в заданном диапазоне энергий (25-100 МэВ для р и 35-100 МэВ для <1 и 1)

Мишень Эксперимент Расчет

Р а Ь Р а г

«У 0.172(4) 0.0211(16) 0.0038(7) 0.285(3) 0.0129(6) 0.0009(2)

71\ 0.197(4) 0.0262(15) 0.0065(8) 0.289(3) 0.0190(7) 0.0033(3)

0.380(3) 0.0619(13) 0.0168(7) 1.018(14) 0.144(5) 0.030(3)

40Са 0.418(3) 0.0620(12) 0.0141(5) 0.806(13) 0.133(5) 0.026(2) '

0.650(7) 0.0978(26) 0.0209(12) 1.035(14) 0.150(6) 0.028(2)

64№ 0.526(6) 0.0977(25) 0.0273(13) 0.894(13) 0.151(6) 0.040(3)

""ве 0.390(5) 0.0681(22) 0.0169(11) 0.978(14) 0.161(6) 0.039(3)

98Мо 0.232(3) 0.0434(13) 0.0122(7) 0.944(14) 0.170(6) 0.049(3)

165Но 0.432(7) 0.0800(29) 0.0251(16) 0.946(14) 0.208(6) 0.076(4)

174УЬ 0.530(4) 0.0991(17) 0.0323(10) 0.974(14) 0.216(7) 0.080(1)

208рЬ 0.414(8) 0.0780(36) 0.0284(22) 0.692(12) 0.201(6) 0.082(1)

232ХЬ 0.474(3) 0.0921(15) 0.0333(9) 0.973(14) 0.240(7) 0.096(4)

учетом механизма коалесиенцин. мультифрагментацип, предравновесной эмиссии п испарения. Для описания процесса поглощения остановившегося антипротона ядром используется статистический подход. Он успешно применяется как к антипротон-ядерному взаимодействию, так и к глубоконеупругим ядерным реакциям.

Модель внутриядерного каскада удовлетворительно описывает форму спектров и в среднем, в пределах фактора 2-3, их абсолютные значения. Расчеты по каскадной модели, учитывающие механизмы коалесценцин и предравновесной эмиссии, имеют свободные параметры, к которым очень чувствительны абсолютные выходы, а форма спектров от них мало зависит. Необходимо отметить, что наблюдаемое различие не является критическим для идентификации основных механизмов рождения частиц.

Наклоны в экспериментальных и расчетных спектрах протонов совпадают. Расчетные спектры для дейтронов и тритонов идут несколько круче экспериментальных. Для объяснения этого проводится анализ отдельных механизмов образования частиц. Механизм коалесценцин может объяснить появление частиц с достаточно большой энергией (выше 30-40 МэВ), однако его вклад уменьшается с увеличением массы частицы, поскольку уменьшается вероятность того, что большее число нуклонов будет иметь одинаковый импульс. Из анализа также следует, что завышенный вклад предравновесной эмиссии приводит к увеличению наклона расчетных спектров дейтронов и тритонов.

Наклоны экспериментальных и расчетных спектров практически не зависят от массы ядра. Это довольно неожиданный факт. Отсутствие зависимости наклонов спектров от массы ядра для протонов может быть связано с тем, что

их испускание происходит, главным образом, при начальных столкновениях каскадных частиц с нуклонами ядра и что влияние ядерной среды является незначительным. Для дейтронов и тритонов это означает, что они рождаются в процессе неравновесной стадии, так как только в этом случае размеры ядра не влияют на энергию вылетающих частиц.

В разделе 3.5 подводятся итоги анализа экспериментальных данных. Сравнение экспериментальных данных с расчетами по каскадпо-испарнтельной модели, учитывающими различные механизмы образования легких заряженных частиц (каскад, предравиовесная эмиссия, мультнфрагментация и испарение) и выполненными А. С. Илыпювым с сотрудниками, показывает их качественное согласие.

Расчеты качественно согласуются с экспериментом и объясняют наблюдаемые спектры и А-зависимости выходов частиц. Однако в них,- по-видимому, завышен вклад предравновесной эмиссии, что проявляется в некотором увеличении крутизны спектров дейтронов и тритонов по сравнению с экспериментальными, а также в увеличении абсолютных выходов частиц. Сравнение двух вариантов расчетов, выполненных как с учетом изменения локальной плотности в ядре (эффекта траления), так и без него, указывают на то, что правильный его учет может привести к уменьшению вклада предравновесной эмиссии. Очевидно, необходимо дальнейшее улучшение параметров модели.

В приложении приводится описание пакета программ для обработки даи-цых, полученных в совпадательном эксперименте.

В разделе А.1 рассматривается специфика детектора ФД и структура данных. Отмечается необходимость хранения информации по каждому отдельному событию с последующим анализом совпадений программным способом. Описывается конфигурация детектора в терминах "элементов'' и "параметров". Используемая организация детектора позволяет оперативно менять его конфигурацию в зависимости от поставленной задача. Для этого необходимо лишь отредактировать ASCII файл конфигурации. Предлагается эффективный способ упаковки событий переменной длины, использующий побитовую кодировку.

В разделе А.'2 описывается программа, позволяющая просматривать файлы данных и сроить одно- и двумерные спектры. При этом обеспечивается возможность ввода сложной системы дополнительных совпадений и антнсовнадений.

Раздел А.З посвящен программе аппроксимации спектров, которая может работать совместно с программой просмотра. Отмечается возможность введения дополнительных условий на параметры аппроксимации при обработке массовых распределений осколков несколькими Гауссами.

В разделе А.4 предлагается алгоритм преобразования массивов данных для учета калибровок, проведения предварительного отбора событий и вычисления новых "виртуальных"'.параметров. Преобразованные данные организованы по тем же принципам, что и первичные. Для них автоматически создается новый

файл конфигурации и они могут просматриваться теми же программами либо подлежать дальнейшему преобразованию.

В заключение диссертации перечислены основные результаты и выводы. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. D.I. Ivanov, G.Ya. Kezerashvili, V.V. Muratov, V.G. Nedorezov, A.S. Sudov // Photofission experiments with bachscattered laser photons at VEPP-3. Proc. VI Int. Sell, on Interm. Energy Nuci. Phys., Venice, 1988, 8 стр.

2. Б.М. Александров, В.А. Запевалов, Д.И. Иванов, Г.Я. Кезерашвили, А.С. Кривохатский, В.В. Муратов, В.Г. Недорезов, А.С. Судов // ФД - детектор ядерных фрагментов для экспериментов на пучке комптоновских фотонов. Препринт ИЯИ АН СССР, П-0633, М, 1989.

3. В.М. Alexandrov, D.I. Ivanov, G.Ya. Kezerashvili, A.S. Krivokhatsky, V.V. Muratov, V.G. Nedorezov, A.S. Sudov, V.A. Zapevalov //A nuclear fragment detector for experiments with backscattered laser photons. Nuci. Instr. and Meth. A288, 1990, p. 399-405.

4. D.I. Ivanov, G.Ya. Kezerashvili, V.V. Muratov, V.G. Nedorezov, A.S. Sudov, V.A. Zapevalov // Measurements of the 238U and 237Np photofission cross section using tagged photons in the energy range 60-240 MeV. Препринт ИЯИ АН СССР, П-OSfi, М, 1991.

5. D.l. Ivanov, G.Ya. Kezerashvili, V.V. Muratov, V.G. Nedorezov, A.S. Sudov // Photofission of 237Np and 238U nuclei with low energy and momentum at intermediate energies. Препринт ИЯИ АН СССР, П-687, М, 1991.

6. Т. von Egidy, A.S. Botvina, D. Bowman, H. Daniel, P. David, Ye.S. Golubeva, F. Grabowska. T. Haninger, F.J. Hartmann, P. Hofmann, A.S. Iljinov, J. Jastrewska, J.S. Kim, W. Kurcewicz, J. Lieb, P. Lubinski, W. Lynch, H. Machner, V.G. Nedorezov, L. Pienkowski. U.S. Plendl, W. Plociennik, G. Riepe, II.H. Schmidt, A. Stolarz, A.S. Sudov, B. Wright, K. Ziock // Antiproton induced fission and fragmentation. Contribution to thee"1 International Conference on Nuclear Reaction Mechanisms, Varenna, 10-15 June 1991.

7. T. von Egidy, P. Baumann, H. Daniel, II. Haninger, F.J. Hartmann, P. Hofmann, Y.S. Kim, M.S. Lotfranaei, W. Schmid, A.S. Botvina, Ye.S. Golubeva, A.S. iljinov, V.G. Nedorezov, A.S. Sudov, J. Jastrzebski, \V. Kurcewicz, P. Lubinski, A. Grabowska, A. Stolarz, D. Hilscher, D. Polster, II. Rossner, II. Machner. G. Riepe, P. David, U.S. Plendl, J. Lieb, B. Wright, K. Ziock // Nuclear Heating and Fission Induced by Antiproton Annihilation. International Nuclear Conference, Wiebaden. July 26 - August 1, 1992.

8. A.S. Sudov, A.S. Botvina, A.S. Iljinov, Ye.S. Golubeva, V.G. Nedorezov, H. Daniel, T. von Egidy, F.J. Hartmann, P. Hofmann, W. Kanert, U.S. Plendl, G. Schmidt, C.A. Schug, G. Riepe // Production of light particles after antiproton-nucleus annihilation and their interpretation with statistical models. Nuci. Pliys. A554, 1993, p. 223-245.

9. Д.Н. Иванов, А.С. Ботвина, Д.А. Карапетьянц, Г.Я. Кезерашвили, В.А.

Кузнецов, Л.В". Лашш. В.Г. Недорезов, A.C. Судов // Изучение реакции (7, pf) на ядрах 235U, 23SU и 237Np под действием меченых фотонов с энергией 60-210 МэВ. Препринт И Я И РАН, П-0871/91, М, 1991; Ядерная физика 58, выи. 10, 1995, стр. 1-S.

10. 11. Machner, A.S. Botvina, II. Daniel, ]>. David, Т. von Egidy, Ye.S. Colubeva, F.J. Hart mann, D. Hilscher, P. Hofmann, A.S. lljinov, Y.S. Kim, W. Markiel, H.S. Plendl, D. Ploster, G. Riepe, H. Rossncr, W. Schmid, A.S. Sudov // Antiproton Interaction with Atomic Nuclei. Contribution to DAE Symposium 011 Nuclear Physics, Bhabha Atomic Research Centre, Bombay, Dec. 21-21, 1992; Proceedings KFA-IKP(I)-!993-4 Institut für Kernphysik, Jülich.