Возбуждение и распад изомерных уровней атомных ядер в электродинамических процессах первого-третьего порядков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

РГ6 ОД РМИЕМИ _ _

1 о мап 1233

На правах рукописи УДК 539.166

Ткаля Евгений Викторович

ВОЗБУЖДЕНИЕ И РАСПАД ИЗОМЕРНЫХ УРОВНЕЙ АТОМНЫХ ЯДЕР В ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ПЕРВОГО - ТРЕТЬЕГО ПОРЯДКОВ

Специальность 01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора фиэико-лателатических наук

Санкт-Петербург - 1993

Работа выполнена в Институте проблем безопасного развития атомной энергетики РАН.

Официальные доктор физико-математических наук,

оппоненты: профессор

Ю.К.ЗЕМЦОВ

доктор физико-математических наук, профессор

М.А.ЛИСТЕНГАРТЕН

доктор физико-математических наук, профессор 0.В.ЛОЖКИН

Ведущая организация: ЛАБОРАТОРИЯ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИИ им.Г.Н.ФЛЕРОВА.

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ, г.Дубна, Московская область.

Защита диссертации состоится "_"_ 1993 г.

в _ часов на заседании Специализированного совета Д 034.07.01®

при Радиевом институте им.В.Г.Хлопина по адресу: 194021, г.Санкт-Петербург, проспект Шверника - 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Радиевого института им.В.Г.Хлопина.

Автореферат разослан "_"_ 1993 г.

Ученый секретарь Специализированного совета .

кандидат физико-математических наук А.В.Поздняков

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы.

Примерно в конце шестидесятых годов в научной литературе начали обсуждаться идеи о возможности проведения исследований на стыке ядерной физики и физики высокотемпературной плотной плазмы. Постановка таких проблем стала естественным этапом развития науки, а их решение сулит в будущем не только получение ценной научной информации, но и внедрение результатов исследований в области высоких технологий. В частности, в ряде работ, в том числе и экспериментальных, уже шла речь о разделении изотопов урана и получении с помощью лазерной плазмы практически 100% обогащенного 235и, обсуждались идеи создания инверсной заселенности ядерных уровней для гамма-лазера, или использования возбуждаемых в плазме нуклидов для последующей диагностики горячей плотной плазмы и ряд других. При этом вопросы о сечениях процессов, о механизмах и эффективности возбуждения атомных ядер в плазме возникают одними из первых. Именно предметное рассмотрение указанных проблем, фактически, и явилось тем отправным пунктом исследований, из которого постепенно выросли и выделились в самостоятельные направления научные работы, результаты которых представлены в диссертации.

Первоначально наибольшие надежды специалисты связывали с механизмом возбуждения ядер при переходе электрона в атомной оболочке (в англоязычной литературе - ЫЕЕТ, от Nuclear Excitation by Electron Transition). Объектом исследования был избран природный уран, один из изотопов которого (235П) имеет низколежащее с энергией 76,8 эВ и периодом полураспада примерно в 25 минут изомерное состояние. Предполагалось, что после ионизации в плазме с температурой в несколько десятков элпктронвольт некоторых внутренних оболочек атома урана, при заполнении соответствующих вакансий будет происходить эффективное возбуждения ядер 235U на указанный низко-лежащий уровень. После остывания плазмы распад изомера по каналу внутренней электронной конверсии приведет к ионизации атомов ура-на-235, в результате чего последние и могут быть выделены из смеси изотопов внешним электрическим полем. Ранняя модель NEET давала столь оптимистические значения для величины вероятности рассмотренного процесса, что были предприняты довольно интенсивные исследования возбуждения U в плазме и поставлены специальные экспе-

рименты (на электронном пучке, с помощью синхротрокного излучения, и т.д.) по изучении МЕТ на других ядрах, где возбуждались уровни с энергиями в несколько десятков килоэлектронвольт. В результате, в настоящее время имеются крайне противоречивые экспериментальные данные по вероятности МЕТ (в частности, для ядра 1890з и 197Аи) и теоретические оценки, значительно различающиеся как между собой, так и не соответствующие экспериментальным значениям для 197Аи, 237кр, 235и. С другой стороны, процесс МЕТ важен для физики ядра. Он может дать, например, информацию о ядерных переходах, практически ненаблюдаемых в традиционной ядерной спектроскопии (как в 1890з). Для 1-запрещенных и запрещенных по асимптотическим квантовым числам ядерных переходов (то-есть, в области наблюдающихся аномалий в коэффициентах внутренней конверсии (КВК)) измерения вероятности МЕТ позволят получить новые данные об аномалиях в ИЕЕТ. Последние могут иметь вообще уникальный характер, так как для тех же ядерных переходов, с которыми в МЕТ взаимодействует К-оболочка (а именно на ней аномалии проявляются максимально сильно), внутренняя электронная конверсия энергетически разрешена лишь с Ь- и более высоких оболочек, где, из-за уменьшения амплитуд электронных ВФ внутри ядра, проявление аномалий значительно слабее. *

В такой ситуации возникла естественная необходимость построения максимально строгой и точной теоретической модели, которая позволила бы, с одной стороны, трезво оценить точность имеющихся экспериментальных результатов и корректность применяемых при измерениях методик, а с другой, наметить пути дальнейших теоретических исследований.

В конце семидесятых годов были опубликованы результаты экспериментов по возбуждению низколежащего изомерного состояния 235и в лазерной плазме. Они дали новый импульс теоретическим исследованиям по поиску механизма, который мог бы объяснить наблюдавшийся в эксперименте, и слишком большой для МЕТ, выход изомеров урана-235. Для дальнейшего осмысленного продвижения в этой области необходимо было последовательно проанализировать все возможные механизмы возбуждения атомных ядер в плазме и провести сравнительный анализ их эффективности. Такая работа была проделана автором, и ее результатом стало понимание всех основных процессов, приводящих к возбуждению фотонами и электронами плазмы тех или иных ядер, с различными энергиями и мультипольностями переходов. Особое внимание было уделено численным оценкам, давшим представление о реаль-

пых количествах изомерных ядер, которые могут быть получены в экспериментах.

Несколько неожиданным следствием указанной работы стало теоретическое объяснение результатов экспериментов, проведенных в 1989 году в ИАЭ им. И.В.Курчатова на установке "Тритон", по возбуждению изомера 235ти в плазме, создававшейся на поверхности металлического урана сильноточным электронным пучком. Большой выход изомеров в этом эксперименте, с учетом имевших место параметров плазмы, не укладывался ни в одну из имевшихся теоретических схем. Стало ясно, что механизм образования возбужденных ядер здесь был, в некотором смысле, альтернативным уже известным "плазменным" механизмам: электроны пучка, имевшие энергии 300 - 500 кэВ, в результате неупругого рассеяния на ядрах урана-235 возбуждали высо-колежащие ядерные уровни, при распадах которых и заселялось долго-живущее изомерное состояние с энергией 76,8 эВ.

Совпадение результатов численных расчетов с экспериментальными данными позволило сделать ряд предложений о возможности использования сильноточных электронных ускорителей - генераторов плазмы для исследований в области традиционной ядерной физики, в частности, ядерной спектроскопии. Известно, например,: что у некоторых даже стабильных и долгоживущих ядер до сих пор не известны времена жизни первых возбужденных низкорасположенных уровней (201Нв, 205РЬ...). Часто причиной этого является плохое заселение указанных состояний в ядерных процессах. Отсутствие экспериментальных данных по величинам ядерных матричных элементов переходов между основным и изомерным уровнями затрудняет изучение самих ядер и их свойств. Между тем, получение больших количеств изомеров с последующим измерением времени распада при значительном превышении полезного сигнала над фоном возможно, как мы видели, на сильноточных электронных ускорителях, используемых для создания высокотемпературной плотной плазмы. Именно такие ускорители и могут быть инструментом для определения важной для ряда областей ядерной физики информации. Тем более, что подобные установки, как правило, обладают практически всей нужной для измерений аппаратурой.

При изучении механизмов возбуждения ядер фотонами и электронами плазмы особое внимание было уделено той позитивной роли передаточного усиливающего звена, которую может, при определенных условиях, сыграть атомная оболочка с ее относительно большими ширинами уровней. В третьем порядке теории возмущений по константе

электромагнитного взаимодействия е появляется механизм обратного электронного моста (ОЭМ), названный так по аналогии с известным прямым процессом - девозбуждением ядер через электронный мостик, в процессе ОЭМ ядра возбуждаются фотонами, переизлученными атомной оболочкой. Свойства механизма ОЭМ могут оказаться очень полезными для исследования уникального ядра тория-229, у которого в 1990 году был открыт аномально низколежащий уровень с энергией меньшей 5 эВ. Дело в том, что ни детальные экспериментальные измерения энер-

ООО

гий и интенсивностей гамма-переходов в ТЬ в основное и в первое возбужденное состояния с уровней, заселяемых при а-распаде ядер 233и, ни исследование реакции 230Тй(йД)229Т11 не позволили до настоящего времени точно определить энергию и измерить время жизни низколежащего изомера. Неизвестны также каналы распада первого возбужденного уровня. Относительно слабая заселяемость изомера (менее 2%) при а-распаде урана-233 заставляет всерьез рассматривать альтернативные возможности. Одной из них может быть схема с быстрой, за времена меньшие, либо сравнимые с периодом полураспада, "накачкой" изомерного состояния (например, лазерным излучением по механизму обратного электронного мостика) с целью получения большого количества возбужденных ядер тория-229. Это позволило £ы проводить исследования канала распада уровня при существенном превышении полезного сигнала над фоном. Но для более осмысленной постановки эксперимента крайне желательно знать возможные каналы распада и характерные времена жизни изомерного состояния в зависимости от величины энергии уровня Е1б. Для этого необходимы предварительные теоретические расчеты.

Проблема прямого взаимодействия интенсивного лазерного излучения с атомными ядрами дискутируется уже около двадцати лет. Создание в семидесятых годах лазеров с интенсивностями на уровне 1016 Вт«см~2, и наметившаяся перспектива достижения еще больших интенсивностей на новом поколении излучателей, вызвала целую серию публикаций о возможности наблюдения интересных явлений, связанных, в частности, с прямым воздействием лазерного излучения на атомные ядра. Следствием такого воздействия может стать, например, изменение времен жизни ядерных уровней относительно 7-распадов. В научной литературе определенного мнения касательно того, сколь значительно будет увеличение интенсивности ядерного 7-перехода, до сих пор не сложилось. Об этом свидетельствует периодическое появление публикаций с неоправданно оптимистическими

оценками на ожидаемую величину эффекта и относительную простоту экспериментальных работ. Связано это, по-видимому, с недопониманием тех физических процессов, которые собственно и приводят к ускорению 7-распада ядерных уровней в поле интенсивного лазерного излучения. Так, согласно некоторым расчетам, для ряда ядер, чтобы удвоить вероятности 7-распада изомерных состояний, будет достаточно лазерного луча с интенсивностью на уровне 1013 Вт«см~2. Такие оптимистические (а главное, неверные) теоретические результаты могут неправильно сориентировать экспериментаторов и привести к заведомо бесполезной растрате сил и средств. Именно поэтому и возникла необходимость получения реальных оценок на эффект ускорения 7-распада, и определения критериев для отбора наиболее подходящих ядер, если в будущем подобные экспериментальные исследования станут проводиться.

Огромное количество информации накопленное в Банках данных после Чернобыльской аварии постепенно обрабатывается и исследуется на предмет выявления наиболее достоверных результатов, которые затем можно было бы использовать при решении различных научных и прикладных задач. Анализ и сопоставление измеренных в населенных пунктах 100 километровой зоны вокруг ЧАЭС экспозиционных доз гамма-излучения с дозами, рассчитанными на основе радионуклидного состава проб грунта, важно как с точки зрения взаимной проверки методик измерений, отработки моделей распространения радионуклидов и гамма-излучения в среде, так и для получения самосогласованных данных по радиационной обстановке в зоне загрязнения. Важность этих задач в настоящее время очевидна.

Понятна также и постоянно растущая обеспокоенность населения, проживающего в районах расположенных вблизи работающих атомных станций, последствиями возможных гипотетических аварий на ядерных объектах. Для быстрого и адекватного реагирования при возникновении аварийной ситуации, для оценки величины возможного радиоактивного загрязнения и дозовых нагрузок, необходимо, в частности, знать реальное количество активности, содержащееся на данный конкретный момент в реакторе, и радионуклидный состав активной зоны. Для этих целей была разработана модель активной зоны реактора на тепловых нейтронах "Источник", позволяющая на персональном компьютере за времена порядка десяти секунд рассчитывать накопление в реакторе в течение кампании примерно 130 важнейших радионуклидов. Эта программа определяет также остаточное тепловыделение в актив-

- в -

ной зоне на любой момент после остановки реактора и некоторые другие характеристики, которые могут оказаться полезными для оценки последствий аварий. Необходимость программы "Источник" была еще раз подтверждена в январе 1991 года, когда с ее помощью были выполнены оценки возможных последствий разрушения авиацией США иракских исследовательских реакторов.

Цель работы.

Целью настоящей работы являлось:

- развитие строгого (в рамках КЭД) подхода к проблемам возбуждения ядер в атомных переходах (NEED, и возбуждения атомных ядер в высокотемпературной плотной плазме;

- корректный расчет вероятности NEET, и анализ имеющихся экспериментальных результатов;

- сравнительный анализ механизмов возбуждения атомных ядер в плазме, оценки выхода изомеров различных ядер в плазме с заданными параметрами;

- определение возможных каналов распада аномально низколежа-щего изомерного состояния ядра 229Th; расчет сечений возбуждения низколежащего ядерного уровня в плазме и лазерным излучением; ь

- оценка вероятности стимулированного интенсивным лазерным излучением распада изомерных ядерных уровней;

- сопоставление измеренных и восстановленных (рассчитанных) по радионуклидному составу проб грунта экспозиционных доз 7-излучения в 100 километровой зоне вокруг Чернобыльской АЭС; создание программы экспресс-расчета наработки различных радионуклидов в топливе, его остаточного тепловыделения и других характеристик.

Научная новизна работы.

1. В рамках КЭД разработана и обоснована теоретическая модель процесса безрадиационного возбуждения ядер при переходах электрона в атомной оболочке. Определена вероятность NEET на ядрах 1890s, 197àu, 237Np, 1931г, 161Dy, 235U, 181Ta и других. Исследован вклад диаграмм третьего порядка в NEET. Показана возможность исследования в NEET проявления аномалий, аналогичных аномалиям в КВК. С помощью сопоставления экспериментальных и теоретических результатов найдены характеристики одного из редких К-запрещенных перехо-

1 OQ

дов в Os. Объяснены противоречивые' результаты прецизионных экс-

периментов по возбуждению изомера осмия-189 в НЕЕТ на электронном пучке и пучке синхротронного излучения.

2. Впервые определены как функции энергии изомерного состояния каналы распада аномально низколежащено уровня 3/2+и 5 эВ) яд-

ООО

ра ТЬ - прямое ядерное излучение и электронный мостик. Предложен и обоснован способ накачки низколежащего уровня с помощью лазерного излучения по механизму обратного электронного моста, и рассчитаны выходы изомерных ядер 229иТ11 в низкотемпературной плазме по механизму обратной внутренней электронной конверсии. Вычислены вероятности конверсии с возбужденных состояний атома тория при распаде 229гаТ11.

3. Проведен сравнительный анализ различных механизмов от первого до четвертого включительно порядка малости по константе электромагнитного взаимодействия возбуждения атомных ядер в плазме. Для нескольких ядер с низкорасположенными изомерными уровнями и ядер с близкорасположенным к изомерному уровнем вычислены эффективности возбуждения по различным механизмам. Показана возможность экспериментального обнаружения эффекта.

4. Дана теоретическая интерпретация экспериментальным результатам работ по возбуждению низколежащего изомера 235ти (76,8 эВ) в плазме, создававшейся на поверхности высокообогащенного урана электронным пучком. Выполнены расчеты по наработке ряда низколежа-щих изомеров с помощью сильноточных электронных ускорителей, используемых для создания горячей плазмы. Обоснованы предложения по использованию таких ускорителей для исследований в области ядерной физики, в том числе, для определения некоторых характеристик ядерных уровней.

5. Рассчитаны интенсивности лазерного излучения (*сг), воздействующего на ядра, при которых скорость 7-распада изомерных уровней удваивается. Сформулированы критерии для отбора ядер, на которых эффект должен будет проявляться в максимальной степени. Для ряда ядер определены х при переходе через примеси уровней низкоэнергетической части спектра, а тзк же через примеси гигантских резонансов.

Научная и практическая ценность работы.

Все полученные в работе результаты приведены в виде, позволяющем экспериментальную проверку, а часть их уже имеет экспериментальное подтверждение.

Разработанная модель процесса NEET может быть использована в исследованиях электрон-ядерного взаимодействия, для изучения свойств редких ядерных переходов, в поиске аномалий в NEET, для определения внутриядерных матричных элементов проникновения.

Реализация предложенного и теоретически обоснованного способа накачки аномально низколежащего уровня в 229Th позволит в относительно простом эксперименте измерить энергию первого возбужденного ядерного уровня торя-229, исследовать каналы распада изомера и определить характеристики ядерного перехода. Открывается возможность наблюдения уникальных явлений - ядерного излучения в оптическом диапазоне и распада изомерного состояния по каналу электронного мостика.

Сравнительный анализ механизмов возбуждения атомных ядер в плазме позволяет получать реалистические оценки выхода изомеров в экспериментах, проводить диагностику плазмы при термоядерных исследованиях, намечает пути для изучения процессов на стыке трех наук - ядерной физики, физики высокотемпературной плотной плазмы и физики твердого тела.

Расчеты по наработке изомерных ядер на сильноточных электронных ускорителях-генераторах плазмы открывают новые возможности по определению неизвестных в настоящее время характеристик некоторых ядерных уровней.

Создание программы быстрого расчета радионуклидного состава активной зоны энергетического реактора на тепловых нейтронах, остаточного тепловыделения и активности топлива в атомном реакторе позволяет при необходимости быстро оценить последствия возможной аварии (например, утечки продуктов деления в окружающую среду), и предусмотреть привентивные меры. Длительность расчета годовой кампании реактора составляет примерно 10 секунд на персональном компьютере IBM PC АТ-286. С точностью не ниже 10% определяется наработка 130 радионуклидов, в том числе всех значимых по списку МАГАТЭ, включая плутоний-239.

Сопоставление измеренных и восстановленных по радионуклидному составу проб грунта экспозиционных доз 7-излучения в 100 километровой зоне вокруг Чернобыльской АЭС дает возможность согласованного анализа Банка данных, получения достоверной информации о степени загрязнененности местности и указывает на необходимость создания экспертной системы предварительного экспресс-анализа всей поступающей в Банк информации.

На защиту выносятся следующие основная» результаты.

1. Процесс безрадиационного возбуждения ядер при переходах электрона в атомной оболочке (NEET) описывается в рамках релятивистской теории возмущений для квантовой электродинамики (КЭД) диаграммами второго - третьего порядков малости по константе электромагнитного взаимодействия е. Механизм образования вакансии на нижней атомной оболочке не оказывает существенного влияния на вероятность NEET. Однако, ширины вакансий на нижней и верхней атомных оболочках, участвующих в процессе, вносят значительную поправку в вероятность NEET и могут быть учтены во втором порядке теории возмущений использованием электронных волновых функций с реальными ширинами уровней.

2. Разработанная модель процесса NEET позволяет рассчитать вероятности безрадиационного возбуждения ядер в электронных переходах и объяснить противоречивые результаты прецизионных экспериментов по NEET на 1890s. Механизмами, приведшими к наблюдавшимся выходам изомеров, были неупругое рассеяние электронов на ядрах осмия в эксперименте с электронным пучком и прямое фотопоглощение с возбуждением ряда вышележащих уровней осмия-189 в эксперименте с синхротронным излучением. Определены неизвестные ранее характеристики К-запрещенного первого порядка Е2-перехода между состояниями с энергиями 69,5 и 30,8 кэВ в 1890s. В некоторых ядрах NEET чувствителен к аномалиям, аналогичным аномалиям в коэффициентах внутренней электронной конверсии.

3. Эффективное возбуждение аномально низколежащего уровня 3/2+U5 эВ) ядра 229Th возможно оптическими фотонами от лазерного излучателя в процессе третьего порядка - обратном электронном мостике (ОЭМ). При этом не требуется резонансного совпадения энергий падающих фотонов с неизвестной энергией ядерного перехода, а достаточно настройки лазера на энергии хорошо известных атомных уровней тория. Сечение возбуждения ядра по механизму ОЭМ относительно велико, что обеспечивает достаточный для исследований выход изоме-

род

ров в эксперименте с накачкой низколежащего уровня Th лазерным излучением с реальной шириной линии.

4. Каналами распада низколежащено уровня 3/2+U 5 эВ) ядра 229Th являются прямое ядерное излучение и электронный мостик. Если энергия изомера находится в диапазоне от 0 до 1,5+2 эВ, преоблада-

ющим процессом будет прямое ядерное излучение, а время жизни изомера превысит дни. В области энергий изомерного состояния 2 - 5 эВ распад будет происходить через электронный мостик, а период полураспада составит минуты и более.

5. Число принципиально разных механизмов возбуждения атомных ядер фотонами и электронами в горячей, плотной плазме ограничивается процессом четвертого порядка малости по константе электромагнитного взаимодействия. Именно на этом этапе исчерпываются возможности электронной оболочки атомов по расширению рабочих участков спектров фотонов и электронов плазмы, приводящих к возбуждению ядер на низколежащие изомерные состояния. Процессы с перерассеянием на фотонах и электронах плазмы с переводом соответствующих частиц в "линию поглощения" ядер хоть и расширяют рабочие участки спектров, имеют меньшие эффективные сечения возбуждения по сравнению с резонансными механизмами.

6. Сравнительный анализ эффективности возбуждения ядер по различным механизмам в плазме в зависимости от энергии и мульти-польности ядерного перехода определил как наиболее конкурентноспо-собные следующие процессы: прямое фотовозбуждение излучением плаз-^ мы, обратную внутреннюю электронную конверсию, возбуждение при неупругом рассеянии электронов плазмы на ядрах и обратный электронный мостик. Ожидаемые эффективности возбуждения в высокотемпературной плотной плазме ядер 201Е&, 205РЬ, 235и и других, на современных установках по исследованию высокотемпературной плазмы достаточны для экспериментального обнаружения эффекта возбуждения ядер на низколежащие изомерные состояния.

7. Возбуждение низколежащего изомера 235ви (76,8 эВ) в эксперименте с плазмой, создававшейся на поверхности высокообогащенного урана электронным пучком сильноточного ускорителя "Тритон", произошло в результате заселения этого состояния с вышележащих уровней, возбудившихся при неупругом рассеянии электронов пучка на ядрах урана-235. Свойства образовавшейся плазмы оказались недостаточны для эффективного включения "плазменных" механизмов возбуждения. Сильноточные электронные ускорители - генераторы плазмы могут использоваться для исследований в области ядерной физики, например, для изучения свойств ядерных состояний с неизвестными характеристиками, в полной аналогии с экспериментом на установке "Тритон".

8. В поле интенсивного лазерного излучения возможно увеличение вероятности гамма-распада изомерных уровней ядер при непосредственном воздействии внешнего электромагнитного поля на ядро. Вероятности стимулированных переходов в ядрах с известными на сегодняшний день свойствами как через примеси низкоэнергетической части спектров, так и через примеси гигантских резонансов, становятся заметными при интенсивностях излучения, значительно превышающих достижимые в настоящее время значения.

Личный вклад автора.

Вклад автора является определяющим в разработке рассмотренных в диссертации проблем, в проведении всех аналитических и численных расчетов и анализе имеющихся экспериментальных данных. Все приведенные основные результаты работы получены лично автором или при его непосредственном участии.

Апробация.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Ш Международном симпозиуме "Слабые и электромагнитные взаимодействия в ядрах" (Дубна, 1992), на Международном симпозиуме "Коротковолновые лазеры и их применение" (Самарканд, 1990), на ХШ Международной конференции по нелинейной и когерентной оптике (Минск, 1988), на Рабочем совещании специалистов по атомной энергетике Болгарии и СССР (София, 1991). Эти результаты также докладывались на научных семинарах в Институте атомной энергии им. И.В.Курчатова, в НИИ ядерной физики Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова, в Институте проблем безопасного развития атомной энергетики АН России, в Институте ядерных исследований АН Украины, в Троицком институте инновационных и термоядерных исследований, в Радиевом институте им. В.Г.Хлопина. Основные результаты диссертации опубликованы в 30 печатных работах.

Структура диссертации.-

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений. Она содержит 341 страницу машинописного текста, в том числе 17 таблиц и 72 рисунка. Список литературы включает 204 наименования.

2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

во введении кратко обсуждается современный статус рассмотренных в диссертации проблем, обосновывается актуальность работы, ее цели и научная новизна.

Первая глава посвященэ проблеме возбуждения ядер при переходах электронов в атомной оболочке (далее для обозначения этого процесса будем использовать абревиатуру NEET от Nuclear Excitation by Electron Transition). Если в атоме имеется переход близкий по энергии и совпадающий по мультипольности с ядерным, то помимо обычных каналов девозбуждения атома - рентгеновского и Оже излучений, возможен также процесс безрадиационного возбуждения ядра путем непосредственной передачи ему энергии от атомной оболочки.

NEET в настоящее время интенсивно исследуется. Выполнены экспериментальные измерения вероятности безрадиационного возбуждения

Ч Q Q 1 Û7 237

ядер Os, Au и Np. В большом количестве теоретических работ делаются попытки объяснить имеющиеся экспериментальные результаты. Существенные расхождения между разными теоретическими оценками и противоречивые экспериментальные данные (на 197Au и 1890q.) потребовали построения максимально строгой модели процесса NEET.

В рамках КЭД для описания NEET достаточно рассмотреть диаграмму второго порядка, изображенную на рис.1(а). Вклады диаграмм более высоких порядков' малости, таких, например, как диаграммы рис.1(б,в) и т.д., учитываются в рамках второго порядка теории возмущений использованием электронных волновых функций с реальными ширинами состояний на атомных оболочках, участвующих в процессе, и приводят к появлению в конечном выражении поправочного слагаемого порядка Гп/Г^, где Гп и 1\ - соответственно, ширины вакансий на "нижней" (|1>) и "верхней" (|п>) атомных оболочках.

Формула для расчета вероятности процесса NEET имеет вид

«neet = ri"p '

где

Г_ Е* (Ь:и„:1-»п,1-»Р)

р = (1 + _!! )--, н-у— (2)

Г1 (0)н ~ V2 + <Г1 + гп>2/4 есть относительная вероятность возбуждения ядра при распаде вакансии на "нижней" атомной оболочке, ык и ид - соответственно, энергии ядерного и атомного переходов, Ь - их мультипольность. Через

|1> |п> |1> |п> > |i> |i> ^ |п> |i>

—-->--—>- ->-

->

|1> |F > |1> |F> |1> | Р>

(а) (б) (в)

Рис.1. Диаграммы процесса NEET: а) - во втором порядке теории возмущений; б) и в) - соответственно, прямая и обменная диаграммы третьего порядка.

Eint в обозначен квадрат модуля усредненной по начальным и просуммированной по конечным состояниям энергии взаимодействия тока электронной дырки j'L(r) = ef„(r)7'I(l). (г) и ядерного тока j!L(r)

Д.П 71 1 XI

= е$р{н)J^QjiR) во втором порядке теории возмущений - Jd3rd3R« ^n(r)Bfii>(u);r-R)JjF(R), D^fujr-R) - фотонный пропагатор в коорди-натно-частотном представлении. Для расчета E2nt получена формула

щ2(l+1)

Е2 (Ь;<0 = 4lCe2 -5-? (21+1 ) (J, 1 ЬОМ I)2

int n j(2l+1 )! i ]2 i 2 n 2

» |Я£(м)(иы)|2 B(E(M)b;I->F) , (3)

куда ядерный матричный элемент (МЭ) входит через приведенную вероятность ядерного перехода В(Е(М)L;1-»Р) и берется из эксперимента, а атомный МЭ рассчитывается в модели Хартри-Фока-Слеттера с

релятивистскими волновыми функциями.

Выражение (3) для энергии электрон-ядерного взаимодействия играет ключевую роль при расчете вероятности NEET. Его правильность можно доказать, записав формулу (3) через вероятности ядерного - г^ и атомного - Гд радиационных переходов в виде

2 1 г г 1

Eint = - r^(E(M)L;uH;i-»n).r^(E(M)L;uN;bP)» ( 1 + — ) , (4) 4 ö

где 5 = Re(5t^(M) (uN) ]/1ш(5^(м) (шы) ] - аналог функции хорошо известной в теории внутренней электронной конверсии, Re и Im означают реальную и мнимую части. Разрезая теперь фотонную линию па ди-

агранме рис.1(а) (то-есть, переходя к двум независимым процессам излучения) мы вместо (4), как и следует, получим произведение двух радиационных ширин. В самом деле, 1/62, очевидно, обратится в ноль, а множитель 1/4 в (4) появился из-за суммирования в Г* и Г* по поляризациям излучаемого фотона.

Наибольшее число экспериментов выполнено на ядре 1890б. Два из них прецизионные: в 1978 году - на электронном пучке, и 1987 -с помощью синхротронного излучения. Измеренные значения вероятности составили: Р = (1,7±0,2)»10~7 - в первом, и (5,7 + 1,7)»10-9 - во втором. Несоответствие результатов этих экспериментов обусловлено следующими причинами. 1). Использованием при обработке данных измерений неправильного коэффициента заселения ъ0 = 1,2»10 изомерного состояния 9/2"(30,81 кэВ) при распаде возбуждаемого уровня 5/2"(69,54 кэВ) (см. рис.2). 2). Использованием при анализе результатов неверной величины вероятности Р, полученной на основе расчетов по ранней модели МЕТ. 3). Неправильной трактовкой эксперимента 1978 года, где механизмом образования изомеров было неупругое рассеяние электронов пучка на ядрах осмия-189, и эксперимента с СИ-излучением 1987 года, в котором главным механизмом возбуждения ядер являлось прямое фотопоглощение. *

На основе проделанных теоретических расчетов и анализа экспериментальных данных удалось согласовать результаты прецизионных экспериментов на 1890э и определить величины коэффициента заселения изомерного уровня при распаде состояния 5/2"(69,54 кэВ) - ъ0 = З,4«10~3, и фактор ослабления показанного на рис.2 пунктиром К-звпрещенного первого порядка Е2-перехода - РЕ2 = 0,6.

Обработка экспериментальных данных с новыми параметрами Р и ъо дала совершенно естественные результаты. 1). Имевшее место в эксперименте с электронным пучком сечение возбуждения уровня 5/2-(69,5 кэВ) при энергии электронов 100 кэВ было равно о =

—П 9 -11 о 69,5

3,2» 10 см* (а отнюдь не 9,2»10 см , как это следует при Ь0 1,2*10-3). Новое же значение о практически совпадает с рассчитанным сечением возбуждения состояния 5/2~(69,5 кэВ) при неупругом рассеянии электронов пучка на ядрах 1890б: о^®'® ' = 3,1»10~31 см2. 2). Основным механизмом образования возбужденных ядер был процесс неупругого рассеяния электронов, а реальный вклад МЕТ оказался меньше последнего на два порядка. 3)."Следы" МЕТ были обнаружены в эксперименте с СИ-излучением, где он дал примерно ЮЖ от полученного в эксперименте количества долгоживущих изомеров.

3D 3S

3/2 1/2

Ml

£ь(кэВ) KtNnzA] J

1S

-2,03 -3,05

M1+E2

1/2

Atom Os

3/21512] 5/2"

M1+E2

1/21510) 1/2" 9/21505] 9/2"

-73,78 3/2[512] 3/2"

E2

Е(кэВ) T 69,54 1,62нс

>

36,20 0,53 не 30,81 5,8ч

0,0

Ядро 1890s

стаб.

Рис.2. Фрагменты схем уровней атома осмия и ядра 1890s

Процесс безрадиационного возбуждения ядер при электронных переходах на ядре 197Аи интересен тем, в эксперименте с электрон-

ным пучком (энергия

100 кэВ) сечение возбуждения ядерного состо-

-31 л„2

яния 1/2+(69,545 кэВ) при NEET, равное примерно 6»10 JJ- см", более

чем на порядок превышает - суммарное сечение возбуждения

, в©

уровня 1/2 (77,35 кэВ) при неупругом рассеянии электронов на ядрах

197

Au. Поэтому, здесь мы имеем один из тех редких случаев, когда процесс NEET, доминирующий над N(e,e')N* вследствие очень малой расстройки Д = Ujj-Шд, может быть исследован без значительного вклада других механизмов.

Процесс NEET может со временем стать важным инструментом исследования свойств ядерных волновых функций, а следовательно, структуры ядра. Из-за проникновения электронов К- и Ь-оболочек в ядро, в процессе NEET возможно измерение аномалий, аналогичных аномалиям в коэффициентах внутренней электронной конверсии. Известно, что наибольших значений указанные аномалии должны достигать в 1-запрещенных ядерных переходах, а также в переходах сильно ослабленных вследствие запретов по асимптотическим кваптовым числам модели Нильссона. Именно к таким относятся, в частности, 1-запрещенный протонный 2d3/2">3si/2 М1-переход 3/2+(0,0) -> 1/2+ (77,351 кэВ) в 197Аи, и запрещенный по асимптотическим кванто-

ВИМ числам Е1-переход 5/2+(0,0) 7/2"(102,96 кэВ) в 237Ир. При постановке точных экспериментов возможно наблюдение увеличения вероятности процесса ИЕЕТ по сравнению с той, где в расчете используются обычные т-излучательные ядерные матричные элементы.

во второй гкаве рассматривается круг проблем, связанный с изучением возможных каналов распада, определением времени жизни (Т^,) и энергии (Е. ) аномально низколежащего (Е. ^ 5 эВ) уровня

1/2 хэ 1Б

в ядре ТЬ. Это состояние своим "появлением" обязано предпринятым в конце 80-годов детальными экспериментальным исследованиям

ООО

эиергий и интенсивностей гамма-переходов в Тй в основное и в первое возбужденное (его будем обозначать 229юЦ1) состояния с уровней, заселяемых при а-распаде ядер 233и. Первые измерения показали, что Е1а не превышает 10 эВ, а затем верхний предел был снижен до 5 эВ. Несколько позже существование аномально низколежа-щего уровня в Тй было косвенно подтверждено в реакции 230ТЬ((1Л)229Тй. Однако, использовавшиеся в экспериментах методики не позволили точно определить и измерить время жизни изомерного состояния.

990

Фрагмент схемы уровней ТЬ с квантовыми числами состояний показан на рис.3. Из-за того, что известна лишь верхняя граница

нельзя определенно указать канал распада этого уровня. Верхний предел в 5 эВ на энергию изомерного состояния может сильно изменить по сравнению с традиционной ситуацию с каналами распада 229шТ11. Потенциал ионизации атома тория составляет 6,08 эВ, что делает невозможным переход ядра в основное состояние в результате внутренней электронной конверсии (ВЭК) в изолированном атоме. Независимую оценку на мог бы дать именно конверсионный эксперимент. Варьируя химическое окружение атомов тория и меняя тем самым потенциал ионизации, можно получить надежную оценку на величину энергии изомерного состояния. Для постановки такого эксперимента нужно знать характерные времена распада ядерного уровня. Здесь такие оценки приводятся. Если ВЭК например, окажется энергетически разрешенной с одной из возбужденных оболочек атома Тй, то перебрасывая электроны с помощью лазерного излучения соответствующих длин волн последовательно на все более высоколежащие возбужденные состояния, можно будет добиться открытия конверсионного канала распада, и тем самым измерить Е1 . Появляется интересная возможность изменять время жизни изомерного уровня ядра воздействием на атом лазерного излучения. Вероятности конверсии рассчитывалась с исполь-

<P К [Nn2A] 3/2 + 3/2 [63П

5/2+ 5/2 [633]

M1

T

E

^ 5 эВ 0,0

1/2

?

7880 лет

%a = 100

Qa = 5,1681 НэВ

Рис.3. Нижние состояния ядра 229ТП. [Ип Л] - квантовые числа в модели Нильссона.

зованием величины приведенной вероятности ядерного М1-перехода В(М1;3/2+-»5/2+) на два порядка меньшей, чем В(М1;№) - приведенная вероятность в модели Вайскопфа. Такой фактор ослабления Р интен-сивностей М1 гамма-переходов в нижней части спектра тория-229 между уровнями ротационных полос с К = 5/2 и К = 3/2, основаниями которых являются, соответственно, основное и изомерное состояния (см. рис.3), является, по разным оценкам, наиболее вероятным. Он, кстати, хорошо согласуется с нестрогим запретом по асимптотическим квантовым числам модели Нильссона. 1

Если Е1з действительно окажется меньше энергии ионизации атома, и внутренняя электронная конверсия будет энергетически запрещена, то в зависимости от величины энергии изомерного состояния, основным каналом девозбуждения ядра станет либо прямое т-излуче-ние, либо электронный мостик (ЭМ), являющийся процессом третьего порядка по константе электромагнитного взаимодействия (см. рис.4).

Неизвестный ядерный матричный элемент одинаково входит в вероятности прямого ядерного излучения ) и электронного моста (й^3)). Чтобы избежать зависимости от него, рассчитывалось отноше-

ние W(3) г

к которое может быть представлено в виде:

R =

W(3)

^TiT

г

Гп Гд(М1 ;wj_s;l-»n) (1+1/5 )

4((£г

£,

coig)2 + Г2/4)

(6)

п 1

где £ - энергии связи атомных состояний (1 - начального, п - промежуточного), б = йе[Ш?(и. : 1->п)]/1т[й?(и. ; 1->п) 1 - уже встречав-

X 1э X 15

шаеся выше отношение действительной и мнимой частей атомных матричных элементов, Гп - полная ширина промежуточного атомного состояния, Гд - радиационная ширина атомного перехода мультипольнос-

Ч 7 7

е |1> е |п> { е |1> е |1> \ е"|п> е |Г>

->-:->->--->-■ >—--»-

-к Т -к 7

-» У -» -» У

II* N И* N

(а) (б)

Рис.4. Девозбуждение ядра через электроный мостик: а) - прямая, б) - обменная диаграммы.

ти М1 с энергией .

Расчет по формуле (6) показал, что к меньше единицы и, соответственно, прямое ядерное излучение будет доминирующим каналом распада изомера при Е1в < [£ь(3Р2(6й7з27р)) - С^] - разности энергий связи возбужденного атомного состояния 3РX(6(17б27р), которое имеет величину €ъ около -4,74 эВ, и начального состояния 3Р2 -6<127б2 с С^ = -6,08 эВ. Связано это с тем, что упругий электронный мостик с 6й3/2 через возбужденное состояние 6с15^2 (и другие) н* с через (и другие вышерасположенные) имеет относитель-

но малую вероятность. Период полураспада изомера в диапазоне Е. <

о

1,3 эВ может составить десятки и более дней (при Р„, = 10 и Е.

1в М1 113

= 1 эВ » 27 дн.). Конечно, при резонансном совпадении энергии о>ы и энергии одного из разрешенных атомных переходов упругий электронный мостик сработает очень быстро.

Если Е1в окажется больше энергии уровня 3Р°(6с17з27р) относительно основного атомного состояния, то постепенно с ростом доминирующим каналом распада становится неупругий электронный мостик с заселением указанного уровня. В этом случае, сначала будет излучаться 7-квант с энергией = Е1е - [£ь(3Р2(6<17827р)) -а затем - фотон (или фотоны, если энергетически будет разрешено заселение более высоколежащих состояний) при девозбуждении атома. Спектр возможных времен жизни изомера здесь очень широк. Но если нет резонансного совпадения энергий ядерного и одного из атомных М1-переходов, период полураспада должен превысить минуты. При проведении эксперимента необходимо точнее знать энергию состояния 3Р^(6<17б27р) в том химическом окружении, в котором находится в

данный момент атом торкя, ибо именно это состояние открывает канал распада через неупругий электронный мостик.

Примесью Е2-перехода к изомерному ядерному М1-переходу в нашем случае можно пренебречь. В длинноволновом приближении (у нас длина волны изомерного перехода \ } 2,5*10~5 см значительно превышает радиус ядра вероятность излучения на единицу большего мультиполя меньше в (НКА)2 раз, что для данного перехода дает величину ^ Ю-15. Согласно результатам измерений, приведенные вероятности ядерных Е2-переходов между ротационными полосами, которым принадлежат основное и изомерное состояния, составляют несколько единиц Вайскопфа. М1-переход, как уже говорилось, ослаблен примерно на два порядка, относительно одночастичной оценки. Малые компоненты электронных волновых функций Г(г), входящие в радиальные матричные элементы магнитных переходов, по порядку величины составляют е2&(т). Таким образом, для отношения вероятностей Е2 к М1 получим (Кн/Х)2«(Ри/РК1)«е4 < Ю"8.

Имеющаяся в настоящее время неопределенность энергии и, соответственно, времени жизни изомера накладывают довольно жесткие требования на эксперимент по измерению Е1д и Относительно

слабая заселяемость изомера (менее 2%) при а-распаде урана-233 < заставляет всерьез рассматривать альтернативные возможности. Одной из них может быть схема с быстрой, за времена меньшие, либо сравнимые с периодом полураспада, "накачкой" изомерного состояния с целью получения большого количества возбужденных ядер тория-229, что позволило бы проводить исследования канала распада уровня при существенном превышзнии полезного сигнала над фоном.

Одним из источников большого числа изомерных ядер может служить плазма с температурой в несколько электрон-вольт, создаваемая тем или иным способом (например, лазерным излучением, электронным пучком и т.д.) на поверхности образца из металлического тория-229. Из известных механизмов стимулирования ядерных переходов в плазме наибольший выход изомеров в рассматриваемом случае дает процесс обратной внутренней электронной конверсии. Его эффективность, по определению равная числу образовавшихся изомеров к числу ядер, находившихся в сгустке плазмы, для 229ТЬ должна составить * Ю-5.

Существует еще одна имеющая высокую эффективность схема предварительной накачки низколежащего изомера тория-229 - лазерными фотонами по механизму обратного электронного моста (ОЭМ). До тех пор, пока энергия изомерного состояния ТЬ. не известна, говорить

о возбуждении уровня при непосредственном воздействии лазерного излучения на ядра тория преждевременно. Здесь эффективное возбуждение возможно только в резонансной близости от а для этого необходимо знать энергию ядерного изомерного перехода с точностью до ширины лазерной линии Аыь. Другое дело - возбуждение по механизму ОЭМ. Достоинствами возбуждения ядер по этой схеме являются: 1) высокая эффективность возбуждения (даже при относительно большой расстройке между энергией лазерных фотонов и энергией изомерного перехода); 2) достаточность настройки лазерного излучения на длины волн хорошо известных атомных переходов (т.е. не требуется настройка на неизвестную длину волны ядерного излучения); 3) не-разрушающая образец методика эксперимента.

Диаграмма процесса ОЭМ показана на рис.5. Сечение процесса достигает максимума при совпадении энергии лазерных фотонов иь с энергией одного из атомных переходов из основного в промежуточное состояние шд г £п - сС учетом того, что Г± = 0, а << Г , для сечения возбуждения изомерного уровня тория-229 получается формула

0(3) „ х1{и г£) Г>д;ьп-,н(Е)1) В^(ц18;И1;р,1,б,1з)

Гев 1 2Гп Гг. <'п"£л*>2+<Гл/2>2 '

(Хд = 2*/шд), которая справедлива в том случае, когда характерная ширина лазерной линии сравнима по величине с шириной промежуточного атомного состояния: Аиь « Гп. Однако, ширина лазерной линии Дшь может значительно превосходить ширины атомных уровней. В этом случае выражение для сечения возбуждения ядра получается интегрированием (7) по энергиям падающих фотонов с учетом реальной формы лазерной линии. При резонансной настройке лазере на энергию атомного 1-»п-перехода ь>0 = ыд, выражения существенно упрощаются. Учитывая также, что для ширин и энергий скорее всего будет выполняться условие (Гп+(Гг+Г^8)/2) << | » а также пренебрегая и

г1з по сРавнению с Г„. для численных оценок получим простейшую формулу для лоренцевой (Ь) и гауссовой (С) формы линий:

Р(3) г£(1->п;М(В)1) е|п^(0)1в:М1 ;п^Г.в->18) Г1/1С -ь агев* А ^ Ч<тг/1)1/2 - е.

Детвльные численные расчеты затруднены отсутствием в настоящее

V Т Г,

e"|i> 5 e~|n> e~|f> ->—-—_>_

т

K|g> N|i8>

Рис.5. Прямая диаграмма возбуждения ядра по механизму обратного электронного моста.

время характеристик термов абсолютного большинства возбужденных атомных уровней тория. Поэтому E2nt рассчитывались по формуле (3) для одноэлектронннх М1-переходов. Это дает представление о порядке величины, что и необходимо в настоящее время.

При удачном стечении обстоятельств, а именно, переход 1-»п -Е1, расстройка между ula и энергией одного из атомных п-»1-переходов между состояниями с отрицательной четностью мала -на уровне 0,1 эВ, сечение возбуждения ядра может достигать величин порядка Ю~2О-10~21 см2 при работе с обычным лазером с AuL/uL =¡ Ю-6. Рассмотрим теперь неблагоприятную ситуацию. Несмотря на довольно высокую плотность возбужденных атомных уровней в тории, зафиксируем расстройку между атомным и ядерным переходами в энергетическом знаменателе в (8) - - ы. ! в 1 эВ (чтобы иметь на

Í31 1 n f is<

агеа оценку снизу), в этом случае рассчитанное сечение возбуждения

изомера для и, = 1 * 5 эВ и Дсоь/о)ь =» 10~6 оказывается равным 10~23-10~25 см2 для неупругого ОЭМ с Е1 атомным 1-»п-переходом. Для упругого, или неупругого ОЭМ с Н1 атомным 1-»п-переходом, сечение при прочих равных условиях составляет ю~25~10"26 см2, так как радиационные ширины Гд(М1) примерно в а2 раз (здесь а - постоянная тонкой структуры) меньше соответствующих Е1-ширин г£(Е1).

Для образца 229Th массой 10"8 г, напыленного на подложку диаметром примерно 1 мм тонким около 10 1 слоем, эффективность возбуждения С. равная по определению отношению числа образовавшихся изомерных ядер 229шть к числу атомов тория, подвергнутых воздействию лазерного излучения, при облучении мишени сфокусированным в пятно диаметром « 1 мм лучом лазера мощностью 100+300 мВт за время 102-1О3 с может достичь величины 10~2+1 при сечении возбуждения ядер 10~23-10"24 см2. В результате, активность изомера даже при

т1/2 м 10 дн составит Ю5+107 Бк при а-фоне * 102 Бк.

Если в природе действительно реализуется один из рассмотренных каналов распада низколежащего уровня тория-229 (ядерное излучение в оптическом диапазоне, или электронный мостик), в распоряжении физиков со временем окажется высокий по точности инструмент для определения тонких эффектов в атомах, в структуре твердых тел и других.

главы третья и четвертая посвящены анализу различных механизмов возбуждения атомных ядер в высокотемпературной плотной плазме и использованию установок, на которых эта плазма получается (здесь - сильноточных электронных ускорителей), для наработки больших количеств изомерных ядер. Круг задач, которые при этом можно решать, достаточно широк. Здесь может быть и измерение характеристик ядерных уровней (у некоторых долгоживущих и даже стабильных ядер все еще не определены периоды полураспада низколежащих изомерных состояний), и диагностика высокотемпературной плотной плазмы, и создание инверсной заселенности в системе ядер и другие. Проблемой до сегодняшнего дня является трактовка экспериментальных результатов японских ученых по возбуждению урана-235 в лааерной плазме (1979 год), где был обнаружен очень высокий выход изомеров 235ши из плазмы, создававшейся излучением импульсного С02~лазера на поверхности образца из природного урана. Поэтому существует необходимость как поиска новых, так и сравнительного анализа уже известных механизмов возбуждения атомных ядер фотонами и электронами плазмы.

По-видимому, простейшим способом систематизации таких механизмов является определение порядка диаграммы Фейнмана, описывающей тот или иной процесс. Начиная со второго порядка по константе электромагнитного взаимодействия в рассмотрение, вообще говоря, необходимо включать диаграммы имеющие две и более ядерные вершины (во втором порядке, например, это - процесс двухфотонного поглощения собственного излучения плазмы ядром). В той области энергий, которая в ближайшие годы реально будет достижима на экспериментальных установках, диаграммы, содержащие ядерный пропагатор, обычно дают существенно меньший вклад в наработку изомеров, чем диаграммы с одной ядерной вершиной. Это связано со значительной удаленностью ядерных уровней друг от друга и с относительной малостью матричных элементов переходов между ядерными состояниями

вследствие разного рода структурных запретов. Но на некоторых ядрах (101Тс, 161Бу) процесс двухфотонного возбуждения собственным тепловым излучением плазмы может обеспечить выход изомеров существенно больший, чем другие механизмы, и поэтому представляет научный интерес.

Диаграммы процессов возбуждения в разных поорядках теории возмущений показаны на рис.6. Единственным процессом первого порядка возбуждения ядер является поглощение фотона плазмы ядром на резонансном участке спектра в пределах радиационной ширины соответствующего ядерного перехода.

N

N

Фотовозбуждение ядер излучением плазмы.

Процессы Ы(е,е', ОВЭК, ИЕЕТ.

н н*

Двухфотонное возбуждение излучением плазмы.

.4.;

е

е

7

»

N

N

N И* N Л*

Процесс ОЭМ Процесс четвертого порядка.

Рис.6. Диаграммы процессов возбуждения атомных ядер фотонами и электронами плазмы.

Диаграмма второго порядка описывает три различных процесса, приводящих к возбуждению ядра: неупругое рассеяние электронов плазмы на ядрах, обратную внутреннюю электронную конверсию, и прочее ЯЕЕТ, который мы условно, следуя сложившейся традиции, отнесем к процессам второго порядка, хотя он, строго говоря, является процессом четвертого или пятого порядка в зависимости от того, как происходит предварительная ионизация атомной оболочки - фотонами

или электронами плазмы.

К механизмам третьего порядка по константе электромагнитного взаимодействия е, помимо трехфотонного поглощения излучения плазмы ядром, относятся три процесса: обратный электронный мост (ОЭМ), расширенная за счет перерассеяния электронов на фотонах плазмы обратная внутренняя электронная конверсия, и процесс перекачки излучения плазмы в линию поглощения ядра за счет перерассеяния фотонов на электронах плазмы.

Основная причина из-за которой необходимо было исследовать процессы возбуждения ядер в плазме, описывающиеся диаграммой третьего порядка, состоит в существенном расширении спектра фотонов и электронов плазмы, участвующих в возбуждении ядер. В результате этого нельзя заранее исключить возможность конкуренции указанных механизмов с процессами более низкого порядка. Причем, в таком механизме, как ОЭМ, происходит увеличение резонансной области энергетического спектра фотонов за счет включения атомной оболочки, имеющей радиационные ширины уровней значительно большие, чем электромагнитные сирины соответствующих ядерных переходов.

Последняя диаграмма на рис.6 отвечает механизму возбуждения, который в своей атомной части является обратным к процессу Оже^ Диаграммой четвертого порядка и обратным процессом Оже исчерпываются возможности атомной оболочки по расширению спектров фотонов и электронов плазмы, тем или иным способом участвующих в возбуждении ядра. Добавление новых вершин в последнюю диаграмму на рис.6 возможно только в плосковолновой части электронного спектра. А это, с одной стороны, повторяет соответствующие электрон-фотонные части диаграмм более низких порядков, а с другой - приводит к уменьшению эффективных сечений врзбуждения в соответствии с обычными правилами КЭД.

Как следует из проведенного анализа, наибольшего внимания заслуживают механизмы прямого фотопоглощения ядрами излучения плазмы, обратной внутренней электронной конверсии, неупругого рассеяния электронов плазмы на ядрах и обратного электронного мостика. Рассчитанные для разных механизмов ожидаемые выходы возбужденных на низколежащие изомерные уровни ядер 235и, 229Ра, 2011^, 205РЬ, 181Та, 161Бу, 101Тс, 73Се и т.д. показали, что для ряда нуклидов, таких например, как уран-235, ртуть-201 и некоторых других, возможности имеющихся на сегодняшний день установок по созданию и исследованию высокотемпературной плотной плазмы достаточны как для

наблюдения собственно эффекта возбуждения атомных ядер в плазме, так и для наработки таких количеств изомеров, которых вполне хватит для исследования свойств ядерных переходов и определения времен жизни низколежащих уровней.

Когда температура плазмы Т и энергия ядерного перехода близки по величине, эффективности возбуждения достигают максимумов. Отношения эффективностей различных процессов как функции энергии и мультипольности 1 ядерного перехода для такого случая показаны на рис.7-9. Можно сделать следующие качественные выводы. В области энергий 0,5 кэВ < ын < 2 кэВ для Ь = 1 преобладающим является процесс прямого фотовозбуждения ядер, для 1 = 2- обратный электронный мостик, для 1=3- ОВЭК. Но при расчете выхода каких-то конкретных ядер в плазме с заданными параметрами, следует, конечно, проверять все механизмы. Это же следует делать и в области малых энергий ин ^ 0,5 кэВ.

На установках сильноточных электронных ускорителей - генераторах плазмы помимо рассмотренных выше плазменных механизмов возбуждения, возможна также наработка изомерных ядер в результате неупругого рассеяния электронов пучка на ядрах. В эксперименте '989 года (ИАЭ им.И.В.Курчатова), в котором плазма на-поверхности высо-кообогащенного до 99,9955 металлического урана-235 создавалась пучком электронов сильноточного ускорителя "Тритон", был обнаружен довольно значительный выход изомеров 235ти - порядка 103-И04 ядер на импульс, что соответствовало эффективности - Ю-12. Для плазмы, имевшей характеристики: время жизни % = 30 не, параметр пет = 1012-Н013 см~3«с (п - плотность электронов); температура Т = 20 эВ, объем V = Ю~4+10~5 см3, полученное значение С является очень большим. Самую высокую эффективность из плазменных механизмов при указанных выше параметрах дает ОВЭК. Ее величина, определяемая из соотношения Совэк * пе'ГС1овэк^е ' (здесь аовэк " сечение возбуждения состояния 76,8 эВ) составляет 10~14-НО-15, что существенно меньше наблюдавшейся. Число возбужденных по ОВЭК ядер не должно было превысить 10 на импульс ускорителя. Как показали дальнейшие исследования, механизм наработки возбужденных ядер в этом эксперименте был "не плазменный". Изомеры образовывались в результате возбуждения высоколежащих с энергиями от 100 до 500 кэВ уровней

полос К* [N11 Л] = 5/2+ [6331 , 5/2+ [622], и может быть полосы + 7'

1/2 [6311 (см. рис.10), при неупругом рассеяния электронов пучка

Отношение эффективностей механизмов ОЭМ и прямого фотовозбуждения гдер в плазме

на ядрах урана, с последующим заселением изомерного состояния при распадах указанных уровней.

К [NnzM

5/2(633]

5/2(622]

1/2(631] 7/2(743]

9/2 7/2+ 5/2 +

9/2+ 7/2+ 5/2+

5/2

1/2 7/2

+

Е1 i

1

Е(кэВ)

414,763 367,072 332,842

225,417 171,388 129,297

51,701

0,0768 0,0

"1/2

191 НС

25 мин 7*1 О8 лет

Рис. 10. Фрагмент схемы уровней ядра 235и с одним из возможных переходов, приводивших к заселению низколежацего изомерного состояния в эксперименте на установке "Тритон".

Количество изомеров, нарабатываемых в такого рода процессах, определяется по формуле

n* * па h аее' q ß (9)

в которой пд - плотность, ah- толщина слоя нанесенных на подложку атомов исследуемого элемента, Q - полный прошедший через мишень заряд, р - заселяемость изомерного состояния при распаде возбуждаемого в процессе К(е,е')N* уровня. На установках типа "Тритон" (ток i « 150 кА, 1 * 30 не, £& < 0,5 МэВ) и "Ангара" (ее характеристики: i » 3 MA, т « 90 не, £е м 1,5 МэВ) в течение десятков наносекунд через вышележащие уровни в зависимости от свойств ядерных переходов и условий конкретного эксперимента могут нарабатываться достаточные для исследований количества изомерных ядер. В таблице 1 приведены несколько примеров, позволяющих судить о масштабах наработки изомеров при обычных режимах работы установок.

Таблица i.

Наработка изомеров на сильноточных электронных ускорителях.

Ядро Еур(кэВ) T N */имп. Установка Механизм

45Sc 107Ag 12,4 93,1 0,3 с 44 С aí 104 103 "Тритон" N(e,e')N* через вышележащие уровни

1890s 30,8 5,8 ч т Ю5

205pb 2,3 г* ю5

а 107+8 "Ангара" "Плазменные"

201Hg 1 ,56 - С* м 107+8 1011+ 12 -//- N(e,e')N* через вышележащие уровни "Плазменные"

в пятой главе выполнены оценки вероятности гамма-распада изомерных уровней атомных ядер в поле интенсивного лазерного излучения.

Появление в семидесятых годах лазеров с интенсивностями на уровне Ю16 Вт/см2 и наметившаяся перспектива достижения еще больших интенсивяостей на новом поколении излучателей вызвала целую серию публикаций о возможности наблюдения прямого взаимодействия лазерного излучения с атомными ядрами. Большой интерес прослеживается к процессу стимулированного 7-распада. Определенного мнения относительно изменения вероятности 7-переходов в поле интенсивного лазерного излучения в научной литературе до сих пор не сложилось. Об этом свидетельствует периодическое появление работ с неоправданно оптимистическими оценками относительно возможной величины эффекта.

Механизм ускорения 7-распада уровня во внешнем поле связан с образованием дополнительных каналов распада метастабильного состояния. При воздействии на ядро сильного внешнего электрического поля, у волновой функции изомерного состояния появляются небольшие примеси ВФ других ядерных уровней $с . Образуется виртуальное состояние с волновой функцией Ф = +ЕР® и энергией

1Б с С С

Е « . Теперь возможны другие каналы распада изомера - через примеси Ф . Согласно стандартной теории возмущений, коэффициенты рс определяются отношением (Ес-Е1е), где Н1гЛ - га-

мильтониан взаимодействия ядра с внешним полем. Для уровня связанного с изомерным состоянием электродипольным переходом энергия взаимодействия равна d-E, где Е - напряженность электрического поля, ad- дипольный момент перехода (для оценок в ядре радиуса R примем d = ен, е - единичный электрический заряд, s = ¡Rj, а ослабление интенсивностей Е1-переходов будем ниже учитывать фактором РЕ1).

Предположим, что промежуточный уровень "с" имеет на единицу меньшую мультипольность перехода в основное состояние по сравнению с изомерным гамма-распадом. В длинноволновом приближении (а у нас всегда >> R) в одночастичной модели Вайскопфа уменьшение муль-

IS

типольности на единицу приводит к увеличению вероятности электромагнитного перехода в Uis/R)2 раз. Поэтому, для отношения т) вероятностей индуцированного процесса к спонтанному гамма-распаду, с учетом указанных выше приближений, получаем выражение

т, s JWii = р2(Х /R)2 _ g2 Х F 2 , (10)

"spent [(Ес- Е.з)ш.з]2

где uis - эиергия изомерного гамма-перехода, х - интенсивность лазерного излучения. Фактор F содержит в данном случае три множителя: F = «F / F. . Смысл каждого понятен из его обозначения:

С 1S

^e(mi) ~ осла(5ление интенсивности прехода ls-»c, Fc - ослабление интенсивности перехода c-»gs (gs - основное состояние), Fis -уменьшение вероятности спонтанного 7-распада изомера по сравнению с одночастичной оценкой.

При магнитодипольной связи между метастабильннм и промежуточным состояниями возможны два случая. В первом, при изомерном переходе магнитного типа, сохраняется соотношение (10). Во втором, при изомерном распаде электрического типа, т) из формулы (10) надо умножить на [10/(MtJR)]2.

Максимального эффекта можно ожидать при воздействии излучения на ядра у которых либо существует низкорасположенный изомерный уровень, либо имеющих рядом с метастабильным связанный с ним ди-польным переходом близкорасположенный промежуточнй уровень.

Численные оценки показывают, что с учетом реальных факторов ослабления F, интенсивности лазерного излучения хсг, при которых вероятность стимулированного 7-распада Win<j(rcr) сравняется с вероятностью спонтанного 7-перехода, для всех нуклидов с известными на сегодня характеристиками соответствующих ядерных переходов со-

-заставляют Ю23 Вт«см~2 и более, т.е. значительно превышают достижимые в настоящее время в лабораторных условиях интенсивности излучения. В основном, это обусловлено большими структурными запретами на Е1-переходы между уровнями в нижних частях спектров атомных ядер.

Несколько более универсальным характером обладают стимулированные гамма-переходы через примеси гигантских резонансов, в том числе - гигантского дипольного резонанса (ОБЮ. Коллективный характер таких переходов во многом компенсирует значительную удаленность гигантских состояний от изомерных уровней нижней части спектров. Но наличие структурных запретов проявляется и здесь. И если переходы с изомерного или с основного уровней в "свои", т.е. построенные именно на этих уровнях, гигантские состояния, в основном, исчерпывают соответствующие классические правила сумм, то перекрестные переходы (например, с изомерного - в гигантское состояние, построенное над основным ядерным уровнем, и т.д.) как это уже хорошо известно, бывают сильно ослаблены. Например, если основное и изомерное состояния принадлежат разным вращательным полосам с большим АК (АК в |К1а - Кдэ|). то перекрестные переходы в "не свои" гигантские состояния будут идти через примеси к волновым функциям. Величина этих примесей, как обычно, имеет масштаб 10~п, где степень К-запрета п определяется соотношением п = АК - Ь при АК ^ Ь, Ь - мультипольность перехода. Соответственно, интенсивность таких переходов уменьшается по сравнению с переходами в

2П

"свои" гигантские резонансы примерно в 10 раз.

В среднем переходы через примеси гигантских резонансов начинают конкурировать с переходами через примеси обычных ядерных уровней, дипольно связанных с изомерным, при Ес - Е1в ? 100 кэВ. Но так как разные ядра могут сильно отличаться по своим свойствам, то в каждом конкретном случае данная граничная энергия может быть смещена как в ту, так и в другую сторону. Такой процесс интересен тем, что зависит от более общих свойств ядер, проявляющихся обычно при энергиях 10-20 МэВ, и связывает тем самым традиционную низкоэнергетическую лазерную физику с физикой ядерных гигантских резонансов с масштабом энергий в 10 МэВ. Однако требующиеся для этого лазерные излучатели должны обладать сверхвысокими интенсивностями, достижение которых в настоящее время маловероятно.

В шестой главе проведен частичный анализ банка данных радиационных измерений 1986 года и дано описание модели быстрого расче-

та состава активной зоны энергетического реактора на тепловых нейтронах "Источник".

За пять прошедших после Чернобыльской аварии лет на территориях как прилегающих к АЭС, так и значительно удаленных от нее было проведено огромное количество измерений экспозиционных доз гамма-излучения и загрязненности почв различными радионуклидами. Получаемые таким образом данные аккумулируются в Информационные банки данных, что дает возможность проводить разного рода исследования - в том числе экологические и медицинские, а также держать под контролем радиационную обстановку на больших территориях и предсказывать ее возможные изменения.

Частичный анализ банка данных радиационных измерений 1986 года проведен в первой части настоящей главы. На примере 20 населенных пунктов, в которых в течение длительного времени выполнялись измерения экспозиционных доз ^-излучения, и были взяты пробы поверхностной активности на грунте основных радиоактивных элементов, показаны реальные соотношения между различными экспериментальными данными.

Наиболее важными для проводимых ниже расчетов являются измерения радиоактивной загрязненности местности отдельными изотопами. Используемая база данных содержит такую информацию о нуклидах 134Сз, 137Сз, 91У, 1311, 140Ва, 141Се, 103Ки, 95гг, 144Се, 10бйи, 132Те, 99Мо, 90Бг и 239Нр. При расчете доз изотопы 95гг и 140Ва

пс

должны быть учтены вместе со своими дочерними ядрами - "Шз и 140Ьа, которые также являются 7-активными. Если же перейти к еще более полной картине, то следует каким-то образом включить в расчет все изотопы, наработанные реактором к моменту аварии. Этот список может быть получен, например, из известных работ других авторов, либо из расчетов по программе "Источник". При этом, однако, неизбежно возникают вопросы о правомерности такого расширения списка радионуклидов. Все они имеют разные химические свойства, и, соответственно, разные коэффициенты летучести, осаждаемости и так далее. Как показал наш анализ, дозы, восстановленные по полному списку радионуклидов и по 12 измеренным в пробах, не сильно отличаются друг от друга. Это вполне естественно, если учесть что в измеренные 12 попали несколько радионуклидов, дающих главный на тот момент времени вклад в дозу. К тому же, в большинстве населенных пунктов амплитуда разброса экспериментальных значений доз оказалась либо намного больше, чем разница двух теоретических кривых,

либо экспериментальные точки одинаково плохо соотносятся со всеми теоретическими моделями.

Экспозиционную дозу р, создаваемую выпавшими на местности радионуклидами с поверхностными активностями можно рассчитывать либо с помощью факторов накопления (например, в модели Бергера), либо методом Монте-Карло. Здесь использовались оба подхода. Перерассеяние 7-квантов в воздухе учитывалось факторами накопления в форме Бергера. Тестирование с помощью монте-карловских расчетов показало хорошее согласие результатов, что является вполне естественным.

Доза р, создаваемая на высоте г радионуклидами, распределенными равномерно слоем нулевой толщины на бесконечной плоской поверхности, рассчитывается исходя из соотношения

О О-4 . (10)

рВ = I = I + -— е*р (1 -ь±)

1 1 1 " Ь1 I-

Величины р? и рв (символ В означает, что фактор накопления взят в

форме Бергера) измеряются в мР«час-1, а о - поверхностная актив—?

ность в Ки»км , и - гамма-постоянная данного радионуклида в единицах Р«см2«(час-мки)"1, ц - коэффициент ослабления 7-излучения в воздухе в см-1, а и Ь - численные параметры формулы Бергера. Индекс 1 соответствует 1-му элементу. Величина г = 1 м - стандартная высота точки проведения измерений над поверхностью Земли. Наконец, я - интегральная экспонента.

Коррекция дозовых кривых проводилась с помощью коэффициентов, рассчитывавшихся методом Монте-Карло. Для основных элементов находился множитель ае^, равный отношению доз рассчитанных методами Монте-Карло и Бергера. Фактор х оценивался для различных распределений нуклидов по грунту. Характерные функции распределения, в том числе и для территорий, подвергшихся загрязнению в 1986 году, известны в научной литературе.

Одна из дозовых кривых строилась по 12 радионуклидам, идентифицированным при взятии пробы грунта в каждом конкретном населенном пункте. Из указанных двенадцати, для тех нуклидов, при распаде которых образуется не обнаруженный в пробе сильно активный дочерний элемент с большой гамма-постоянной, был добавлен вклад в дозу от указанных дочерних элементов.

При построении дозовой кривой с топливными корреляционными

соотношениями между радионуклидами для определения поверхностных активностей использовалось хорошо известное положение о том, что церий летит вместе с топливом (т.е., что церий не покидает топливо при нагревании в процессе аварии). Рассчитывалась полная активность 144Се в топливе на момент взятия пробы грунта. Затем вычислялось отношение полученной полной активности к величине измеренной поверхностной активности того же церия-144 в данном населенном пункте. Полученный коэффициент с размерностью площади использовался как нормировочный для всех других элементов, имеющихся в реакторном топливе на момент аварии.

Приемлемое соответствие результатов дозиметрических измерений с расчетами на основе проб грунта имеет место в населенных пунктах Бабчин, Варовичи, Дитятки, Ладыжичи, Погонное и Хойники. Сильное различие - в пунктах Буда, Гдень, Лелев, Новый мир, Полесское, Тешков, Черевач. В диссертации обсуждаются возможные причины плохого соответствия разных экспериментальных данных.

Работа с данными дозиметрических измерений 1986 года позволяет осознать важность и необходимость системы оперативной обработки и анализа поступающей в Банк информации. Каждое новое вносимое в Банк число должно быть сразу проанализировано на совместимость с другими имеющимися экспериментальными и теоретическими оценками. Если вносимое значение выпадает из контекста предыдущих данных (пример - скачкообразное поведение измеряемых экспозиционных доз в ряде населенных пунктов), то системой предварительной обработки должна сразу выдаваться информация о необходимости дополнительных измерений как в данном пункте, так и вокруг него на предмет выяснения природы указанных изменений. Здесь возможен как ветровой перенос активности, при котором увеличение экспозиционных доз в одних пунктах должно сопровождаться их уменьшением в других без увеличения интегральной активности в зоне в целом, так и дополнительный выброс активности из реактора, при котором соответственно возрастает и интеграл активности. Такая система конечно не поправит ситуацию с имеющимися данными, но позволит избежать грубых ошибок в будущем.

Во второй части тестой главы дано описание модели быстрого расчета состава активной зоны Энергетического реактора на тепловых нейтронах "Источник". Основы этой модели были заложены в мае 1986 года, когда в связи с аварией на ЧАЭС возникла острая необходимость в быстрых расчетах радионуклидного состава активной зоны

реактора четвертого блока, в анализе состава и активности выброса, в моделировании процессов миграции радионуклидов по разрушенному блоку, в оценке остаточного тепловыделения, поддерживаемого накопившимися в реакторе за время его работы продуктами деления ядер урана и плутония и т.д. Одна из версий этой же программы была использована для оценок возможных последствий разрушения в результате бомбардировок в январе 1991 года иракских исследовательских реакторов.

В "Источнике" проводится расчет активности примерно 130 радионуклидов с различными периодами полураспада (от нескольких минут до десятков лет), количества плутония-239, нарабатываемого в активной зоне реактора, остаточной активности и остаточного энерговыделения на любой момент времени после остановки реактора, а также ряда других важных параметров активной зоны. Исходными для расчета являются следующие данные: тепловая мощность реактора как функция времени; масса топлива при полной загрузке активной зоны; степень обогащения топлива ураном-235. В программе предусмотрен режим перегрузок и независимый расчет трех зон реактора - центральной, средней и периферийной.

Реализованная в программе схема решения систем дифференциальных уравнений позволяет на персональном компьютере типа IBM PC AT-286 рассчитывать годовую кампанию реактора РБМК-1ООО за времена порядка 10 сек и определять наработку плутония-239 и основных радионуклидов с точностью не ниже 10% по отношению к известным прецизионным расчетам. Эта программа может использоваться, в частности, в системах поддержки принятия решений для быстрого и адекватного реагирования при возникновении аварийной ситуации, для оценки величины возможного радиоактивного загрязнения и дозовых нагрузокна на население, проживающее в районах расположенных вблизи работающих атомных станций.

в заключении перечислены основные результаты диссертации и выражены благодарности.

в приложении представлены: 1) систематизированный по энергиям возбуждения спектр состояний атома тория; 2) ядра, имеющие в спектрах возбуждения близкорасположенные уровни; 3) список радионуклидов, использующихся в расчетах по программе "Источник".

Основные результаты диссертации.

1. Развит строгий подход и построена модель в рамках КЭД процесса безрадиационного возбуждения ядер при переходах электрона в атомной оболочке (NEET). Получены формулы для энергии электрон-ядерного взаимодействия и вероятности процесса NEET. Рассчитаны вероятности NEET для ядер 1890s, 197Au, 237Np, 193Ir, 161Dy, 235U, 201Hg, 205Pb, 181Ta и 229Pa.

2. Объяснены противоречивые экспериментальные результаты по NEET на ядре 1890з, и найдены механизмы, приводившие к наблюдавшимся в экспериментах выходам изомеров. Как следствие, определены неизвестные ранее характеристики К-запрещенного первого порядка

1 од

Е2-перехода между состояниями с энергиями 69,5 и 30,8 кэБ в Os. Показана принципиальная возможность исследования в прецизионных измерениях вероятностей возбуждения ядер при атомных переходах аномалий в NEET, которые аналогичны аномалиям в коэффициентах внутренней электронной конверсии.

3. Рассчитано сечение возбуждения аномально низколежащего уровня 3/2+<<5 эВ) ядра 229Th оптическими фотонами по механизму обратного электронного моста. Определена эффективность накачки указанного изомерного состояния 229Th лазерным излучением с реальной шириной линии. Показано, что большой выход изомеров возможен при значительной расстройке между энергиями лазерных фотонов и ядерного перехода. Вычислены сечение и эффективность возбуждения ядра 229Th по механизму обратной внутренней электронной конверсии в плазме.

4. Определены как функции энергии изомерного состояния воз-

х 229

можные каналы распада низколежащено уровня 3/2 U 5 эВ) ядра Th - прямое ядерное излучение и электронный мостик, и выполнены оценки возможных периодов полураспада низколежащего изомера. Для энергий ядерного перехода от 1 до 5 эВ рассчитаны вероятности внутренней электронной конверсии с возбужденных оболочек атома тория, показывающие как изменится период полураспада изомера при переводе атомных электронов, например, лазерным излучением на все более высокие возбужденные атомные состояния.

5. Проведено систематическое в рамках КЭД рассмотрение механизмов возбуждения атомных ядер фотонами и электронами плазмы от первого до четвертого включительно порядка малости по константе

электромагнитного взаимодействия. Получены формулы для оценок эф-фективностей всех указанных процессов, в том числе, МЕТ, двухфо-тонного возбуждения ядер собственным излучением плазмы, обратного электронного мостика, обратной внутренней конверсии в поле обратного электронного моста и т.д. Выяснена роль процессов предварительного перерассеяния на фотонах и электронах плазмы с переводом соответствующих частиц в "линию поглощения" ядер.

6. Проведен сравнительный анализ эффективности возбуждения ядер по различным механизмам в плазме в зависимости от энергии и мультипольности ядерного перехода. Определены как наиболее конку-рентноспособные следующие процессы: прямое фотовозбуждение излучением плазмы, обратная внутренняя электронная конверсия, возбуждение при неупругом рассеянии электронов плазмы на ядрах и обратный электронный мостик. Рассчитаны ожидаемые эффективности возбуждения в высокотемпературной плотной плазме следующих ядер: 201Нй, 205РЬ, 181Та, 235и, 73Бе, 229Ра, 73Се, 171Ьи, 242Ат, 161Юу, 101Тс. Показано, что возможности современных установок по исследованию высокотемпературной плазмы достаточны для экспериментального обнаружения эффекта возбуждения ядер.

7. Дана теоретическая интерпретация экспериментальных результатов работ по возбуждению низколеаащего изомера 235ии (76,8 эВ) в плазме, создававшейся не поверхности высокообогащенного урана электронным пучком. Выполнены расчеты по наработке низколежащих изомеров с известными (в ядрах 45Бс, 107кё, 1890з) и неизвестными (в - 201не, 205РЬ) периодами полураспада на сильноточных электронных ускорителях. Обоснованы предложения по использованию таких ускорителей для исследований в области традиционной ядерной физики, например, для изучения свойств ядерных состояний с неизвестными характеристиками.

8. Вычислены критические интенсивности лазерного излучения, при которых удваивается скорость 7-распада изомерных уровней атомных ядер, находящихся в поле излучения. Рассмотрены стимулированные распады как через примеси низкоэнергетической части спектра ядер 73Бе, 183И, 235и, «Бс. 16бНо, 121Бп, 129Ва, 142Рг, 104А8, так и через примеси гигантских резонансов в ядрах 1б0, 40Са, 720е, 90,9б,9825\ 98мо, 177,180Н1, 1б5Но, 242Ат. Показано, что в ядрах с известными на сегодняшний день свойствами переходов между соответствующими уровнями критические интенсивности превышают 1023 Вт/см2.

Основные результаты опубликованы в следующих работах.

х. Арутюнян Р.В., Большое Л.А., Ткаля Е.В. / Электронное инициирование гамма-переходов в плазме. // Письма в ЖЭТФ. - 1987. -Т.46, N9. - С.354-355.

2. Арутюнян Р.В., Большов Л.А., Ткаля Е.В. / Высвечивание долгоживущих изомеров в плазме. // Доклады АН СССР. - 1988. -Т.299, N1. - С.99-102.

3. Арутюнян Р.В., Большов Л.А., Ткаля Е.В. / Внутриядерные переходы в высокотемпературной плазме. // Препринт ИАЭ-4570/6. Институт атомной энергии им.И.В.Курчатова. М., 1988. 13 с.

4. Стрижов В.Ф., Ткаля Е.В. / Стимулированный у-распад изомерных ядер в поле интенсивного лазерного излучения. // Препринт ИАЭ-4703/2. Институт атомной энергии им.И.В.Курчатова. М., 1988. 20 с.

5. Арутюнян Р.В., Большов Л.А., Солдатов A.A., Стрижов В.Ф., Ткаля Е.В. / Неупругое рассеяние электронов на близкорасположенных уровнях изомерных ядер. // Ядерная физика. - 1988. - Т.48, N5(11). - С.1301-1303.

6. Арутюнян Р.В., Баранов В.Ю., Большов Л.А., Доршаков С.А., Малюта Д.Д., Кольцов В.В., Поляков Г.А., Римский- Корсаков A.A.,

235

Ткаля Е.В. / Вероятность образования изомерных ядер и в приповерхностной лазерной плазме. // Препринт ИАЭ-4829/2. Институт атомной энергии им.И.В.Курчатова. М., 1989. 13 с.

7. Ткаля Е.В. / 7-Распад изомерных ядер в интенсивном внешнем поле. Роль гигантского дипольного резонанса. // Ядерная физика. -

1989. - Т.49, N6. - С.1603-1606.

8. Арутюнян Р.В., Большов Л.А., Стрижов В.Ф., Ткаля Е.В. / Взаимодействие интенсивного лазерного излучения с веществом: возбуждение атомных ядер в горячей лазерной плазме; распад изомерных ядер в интенсивном внешнем поле. // Препринт ИАЭ-4864/2. Институт атомной энергии им.И.В.Курчатова. М., 1989. 92 с.

9. Арутюнян Р.В., Большов Л.А., Стрижов В.Ф., Ткаля Е.В. / Возбуждение и высвечивание изомерных ядер в лазерной плазме и поле интенсивного лазерного излучения. // Квантовая электроника. -

1990. - Т.17, N4. - С.496-500.

ю. Арутюнян Р.В., Большов Л.А., Вихарев В.Д., Доршаков С.А., Корнило В.А., Смирнов В.П., Стрижов В.Ф., Ткаля Е.В. / 0 возбуждении низколежащих изомеров 181гата и 201mHg в плазме. И Препринт

ИАЭ-5090/6. Институт атомной энергии им.И.В.Курчатова. М. 1990. 8с.

11. Арутюнян Р.В., Баранов B.D., Большов Л.А., Вихарев В.Д., Доршаков С.А., Малюта Д.Д., Кольцов В.В., Криволапов A.A., Поляков Г.А., Римский-Корсаков A.A., Ткаля Е.В. / Возбуждение ядер урана-235 в горячей плазме, создаваемой электронным пучком. // Препринт ИАЭ-5087/6. Институт атомной энергии им.И.В.Курчатова. М., 1990. 17 с.

12. Стрижов В.Ф., Ткаля Е.В. / 0 каналах распада первого воз-

ООО

бужденного состояния ядра Th. // Препринт ИАЭ-5191/2, Институт атомной энергии им.И.В.Курчатова. М., 1990. 17 с.

13. Арутюнян Р.В., Большов Л.А., Стрижов В.Ф., Ткаля Е.В. / Стимулированные ядерные переходы в горячей плазме и в интенсивном внешнем поле. // В сб.: Проблемы безопасного развития атомной энергетики. М., Наука, 1990. С.42-45.

14. Ткаля Е.В. / Возбуждение атомных ядер в плазме по механизму обратного электронного моста. // Доклады АН СССР. - 1990. -Т.315, N6. - С.1373-1376.

15. Арутюнян Р.В., Большов Л.А., Вихарев В.Д., Доршаков С.А., Корнило В.А., Криволапов A.A., Смирнов В.П., Ткаля Е.В. / Сечение возбуждения изомера 235U в плазме, создаваемой электронным пучком. // Ядерная физика. - 1991. - 53, N1. - С.36-40. "

16. Стрижов В.Ф., Ткаля Е.В. / Каналы распада низколежащего изомерного состояния ядра 229Th. Возможности экспериментальных исследований. // Журнал экспериментальной и теоретической физики. -1991- Т.99, N3. - С.697-704.

17. Ткаля Е.В. / Возбуждение ядер при электронных переходах в атомной оболочке. // Препринт ИБРАЭ-12. Институт проблем безопасного развития атомной энергетики АН СССР. М.,1991. 23 с.

18. Ткаля Е.В. / 0 теоретической интерпретации экспериментальных результатов по возбуждению изомера 235юи (76,8 эВ) в плазме. // Письма В ЖЭТФ. - 1991. - Т.53, N9. С.470-472.

19. Ткаля Е.В. / Многофотонное возбуждение атомных ядер в горячей плазме. // Доклады АН СССР. - 1991. - Т.318, N5. - С.1158-1162.

го. Стрижов В.Ф., Ткаля Е.В. / Определение характеристик ядерных уровней на установках сильноточных электронных ускорителей, используемых для создания горячей плазмы. // Препринт ИБРАЭ-25. Институт проблем безопасного развития атомной энергетики АН СССР. М.,1991. 20 с.

21. Арутюнян P.B., Большое Л.А., Горшков В.Е., Григорьева Н.И., Киселев В.П., Лаврова Т.А., Лифшиц Е.П., Оганов Э.А., Прохоров A.A., Ткаля Е.В., Чиронов В.В. / Анализ и сопоставление экспозиционных доз гамма-излучения и данных по радиоактивному загрязнению местности в 1986 году в ближней зоне Чернобыльской АЭС. // Препринт ИБРАЭ-26. Институт проблем безопасного развития атомной энергетики АН СССР. М.,1991. 83 с.

22. Ткаля Е.В. / Возбуждение низколежащего изомерного уровня ядра 229Th оптическими фотонами. // Письма в ЖЭТФ. - 1992. - Т.55, N 4. - С.216-218.

23. Tkalya E.V. / Nuclear Excitation In Atomic Transitions (NEET Process Analysis). // Nuclear Physics A. - 1992. - Vol.539, N 2. - P.209-222.

TOO

24. Ткаля E.B. / Возбуждение низколежащего уровня ядра Th (3/2+, í5 эВ) оптическими фотонами по механизму обратного электронного моста. Спектр возбужденных состояний атома тория. // Препринт ИБГАЭ-40. Институт проблем безопасного развития атомной энергетики РАН. М.,1992. 34 с.

25. Ткаля Е.В. / Вероятность безрадиационного возбуждения ядер при переходах электрона в атомной оболочке. // Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 1992. - Т.102, N2(8). -С.379-396.

26. Стрижов В.Ф., Ткаля Е.В. / Исследование изомерных ядерных уровней на электронных ускорителях - генераторах плазмы. // Доклады АН СССР. - 1992. - Т.325, N2. - С.284-288.

27. Ткаля Е.В. / Сечение возбуждения низколежащего U5 эВ)

ООП

изомера Th лазерным излучением по механизму обратного электронного моста. // Ядерная физика. - 1992. - Т.55, N11. - С.2881-2892.

28. Ткаля Е.В. / 0 причинах различия теоретических и экспериментальных результатов для вероятности возбуждения ядер в атомных переходах. // Письма в ЖЭТФ. - 1992. - Т.56, N3. - С. 137-140.

29. Arutyunlan R.V., Bolshov L.A., Strizhor V.F., TKalya E.V. / Interaction of Intense Laser Radiation With Matter: Excitation oí Atomic Nuclei In Hot Laser Plasma; Decay oí Isomeric Nuclei In Intense External Field. // Thermal Physics Revievs (Sov. Tech. Rev. B.) - 1992. - Vol.4, part 2. - P.1-65.

30. Ткаля E.B. / Возбуждение и каналы распада аномально низколежащего уровня (3/2+, ^ 5 эВ) ядра 229Th. // В сб.: Проблемы безопасного развития атомной энергетики. М., Наука, 1992. С.13-26.