Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Гигантские мультипольній резонанси. систематика экспериментальных свойств еі-резонанса 17
І.І. Изовекторный ГДР, его основные свойства 28
Глава 2. Методика фотонейтронного эксперимента 43
2.1. Система регистрации, накопления и обработки данных в фотонейтронном эксперименте .45
2.1.1. Детектор нейтронов 45
2.1.2. Стабилизация энергии ускоренных электронов .49
2.1.3. Дозиметрия пучка тормозного гамма-излучения 51
2.2. Организация работы измерительной системы на линии с ЭВМ 54
2.2.1. Нестандартные внешние устройства 61
2.2.2. Программное обеспечение фотонейтронного эксперимента 68
Глава 3. Обработка данных фотонейтронного эксперимента на пучке тормозного гамма-излучения
3.1. Организация диалоговой работы экспериментатора и ЭВМ "Саратов-2п 71
3.2. Получение сечения фотонейтронной реакции 73
3.3. Применение Фурье-преобразования для анализа сечений фотоядерных реакций 78
3.4. Методы внесения поправки на нейтронную множественность 90
Глава 4. Фоторасщепление ядер района 97
4.1. Экспериментальные характеристики низкоэнергетических состояний четно-четных ядер Za, G-e , Se
fiik f\f\ fcH fop*
4.2. Сечения фотонейтронных реакций на ядрах D4»DD»D/»DO» Za, 70,72,73,74,76 Qr&f 74,76,77,78,80,82 ge и 84,86,87,88 ІОб
4.3. Анализ свойств ГДР на основе данных фотонейтронного эксперимента 122
4.3.1. Влияние изоспинового расщепления ГДР на характеристики сечений фотонейтронных реакций 125
4.3.2. Анализ структуры фотонейтронных сечений 133
4.3.2.1. Интерпретация эволюции ширины ГДР в рамках динамической коллективной модели 139
Глава 5. Фоторасщепление ядер района 170 А 180 143
5.1. Структура низкоэнергетических состояний четно-четных, деформированных ядер Yb и Н| . 143
Т70 Т7Т Т7?
5.2. Сечения фотонейтронных реакций на.ядрах х' »J-,J-»*-t<-» 173,174,176 yb и 176,178,180 150
5.3. Анализ свойств ГДР в сильно деформированных ядрах 170,171,172,173,174,176 у и 176,178,180
5.3.1. Описание структуры ГДР в деформированных ядрах на основе ДКМ 163
5.3.2. Сравнение экспериментальных данных с расчетами в рамках квазичастично-фононной модели ядра. 165
Заключение 172
Литература.
- Стабилизация энергии ускоренных электронов
- Получение сечения фотонейтронной реакции
- Влияние изоспинового расщепления ГДР на характеристики сечений фотонейтронных реакций
- Сечения фотонейтронных реакций на.ядрах х' »J-,J-»*-t<-» 173,174,176 yb и 176,178,180
Введение к работе
Ядерные возбуждения, лежащие в области непрерывного спектра, выше порога отделения нуклона, являются предметом интенсивных экспериментальных и теоретических исследований.
Одним из важных направлений таких исследований является изучение фотоядерных реакций, характерной особенностью которых является возбуждение гигантского дипольного резонанса (ГДР) в диапазоне энергий 8-30 МэВ. Изучение реакций этого типа, начатое около 40 лет тому назад, стимулируется известными преимуществами реакций с электромагнитным взаимодействием над реакциями с сильным взаимодействием. Информация о структуре атомных ядер и механизме фотоядерных реакций, в которых эти ядра участвуют, является очень обширной, а предсказания ядерных моделей достаточно строго проверяемыми.
Преобладание ГДР в реакциях, вызванных реальными фотонами, позволило провести систематическое изучение его свойств с использованием пучков квазимонохроматического и тормозного гамма-излучения, получаемых на линейных и циклических ускорителях электронов. К настоящему времени получен большой объем информации о сечениях фотопоглощения и сечениях парциальных фотоядерных реакций, об эволюции их абсолютных величин, форм и структур, средних энергий локализации, интегральных характеристик в широком диапазоне атомных масс. Важные сведения о свойствах ГДР получены также из анализа угловых и энергетических распределений продуктов фотоядерных реакций.
Многие характеристики ГДР описываются в рамках двух основных теоретических подходов: макроскопического, базирующегося на гидродинамических представлениях, и микроскопического, исходным пунктом которого является модель оболочек. В последние годы достигнут заметный прогресс в развитии этих подходов, что позволяет прово- , дить не только качественное, но во многих случаях и количественное сравнение результатов теоретических расчетов с экспериментальными данными.
Основные сведения о свойствах ГДР, отражающие результаты экспериментальных и теоретических исследований фотовозбуждения атомных ядер, подробно обсуждены в обзорных статьях [1-6] и монографиях [7-9].
Важным результатом экспериментальных работ последних лет является обнаружение промежуточной и тонкой структуры в сечениях фотоядерных реакций не только для легких ядер, но и для ряда тяжелых ядер [і]. Теоретические расчеты, в свою очередь, предсказывают усложненную структуру возбужденных состояний атомных ядер в области ГДР, а также существование гигантских резонансов различных мультипольностей, перекрывающихся друг с другом.
Для осуществления надежной проверки предсказаний теоретических моделей необходимо проведение точных и детальных измерений сечений фотопоглощения для ядер различных районов атомных масс. Эта потребность реализуется в настоящее время на основе усовершенствованных и вновь развиваемых экспериментальных методов.
Обширную и достоверную информацию о сечениях фотопоглощения в области ГДР дает метод поглощения [9], основными достоинствами которого являются непосредственный учет всех парциальных каналов распада возбужденного ядра и отсутствие проблем, связанных с использованием пучка тормозного гамма-излучения.
В течение ряда лет этот метод использовался только для измерения сечений фотопоглощения в легких ядрах [ТО, її]. Соответствующие измерения на средних и тяделых ядрах были выполнены сравнительно недавно после выполнения жестких требований, предъявляемых к точности эксперимента в этом случае.
В Институте Ядерных Исследований АН СССР (ИЯИ АН СССР) требуемая статистическая точность измерений ( 0,1 %) и высокое качество обработки данных обеспечивалось применением высокоэффективной спектрометрической установки, работающей под управлением ЭВМ [12]. На этой установке исследованы три группы ядер [ІЗ]: А 80, 154 А 09 , 23 А 239 . Для первой группы ядер ( Se и Se) оценены вклады парциальных сечений фотопротонных реакций в полные сечения фотопоглощения. Анализ экспериментальных данных для второй группы ядер-52 Sm, 156&d , 165 Но , I68 Er , mYb , I78Hf . IS0Hj , I8ITa , I82W, I8V , I86W , I98Au
ВI , проведенный в рамках классического коллективного подхода, позволил обнаружить интересную особенность в поведении ширин ГДР [l4]. У статически деформированных ядер района 155 А І&0 установлено отсутствие корреляции между ширинами ГДР и параметрами деформации ядер. Сечение фотопоглощения для ядер третьей группы-?32" , 235 U , 238 U , 239 Pa (2« 90) имеет форму, характерную для сильно деформированных ядер, причем наблюдается определенная аналогия эволюции этих сечений с атомным номером и эволюции сечений фотопоглощения ядер редкоземельной области С N 5 ъ90. Этот результат свидетельствует о сильном изменении свойств поверхности атомных ядер в области 2 90, т.е. о переходном эффекте [15].
Сведения о гросс-структуре сечений фотопоглощения средних и тяжелых ядер, полученные методом поглощения, находятся в хорошем согласии с данными фотонейтронных экспериментов, выполненных с применением метода прямой регистрации нейтронов на пучках квазимонохроматического [2] и тормозного гамма-излучения [2, 16, ].
Для ядер с А 100 фотонейтронные сечения (5 tot-G"(tf»a) + + G lffift) + (fl P)+ ••• являются, в пределах нескольких процентов, хорошей оценкой сечений фотопоглощения. Этот факт, а также относительная простота метода прямой регистрации нейтронов, явились причиной того, что большая часть сведений о параметрах ГДР получена из фотонейтронных экспериментов.
Измерения фотонейтронных сечений с умеренным энергетическим разрешением С 2-3 МэВ) подтвердили предсказания гидродинамической модели относительно общих свойств ГДР, в том числе расщепление ГДР на два резонанса для ядер с большой статической деформацией. Значения внутренних квадрупольных моментов Q.0, выводимые из величин этих расщеплений, находятся в хорошем согласии со значениями, полученными в реакциях кулоновского возбуждения и другими методами. Однако для ядер, не являющихся статически деформированными, ряд особенностей сечений фотопоглощения был объяснен только с появлением более последовательных моделей [8}.
Успехи в развитии экспериментальных методов и, как следствие, резко возросшее энергетическое разрешение позволяют проверить предсказания теоретических моделей относительно промежуточной структуры ГДР и её эволюции, в том числе и в переходных районах атомных масс.
В фотонейтронных экспериментах, использующих квазимонохроматический пучок гамма-излучения, в настоящее время достигнута точность измерения абсолютных сечений 7 % в районе максимума ГДР, а относительная точность измерений между различными изотопами составляет л/ 2 %. Энергетическое разрешение меняется от 0,08 МэВ при энергии 10 МэВ до 0,170 МэВ при энергии 35 МэВ [l7j. Парциальные сечения (у,я) ,(V,2n) и (у За) реакций определяются путем измерения множественности нейтронов, одновременно с измерением средних энергий нейтронов для каждой парциальной реакции с помощью метода кольцевых отношений. Приведенные величины энергетического разрешения являются лучшими из достигнутых в настоящее время на пучках с квазимонохроматическим гамма-излучением. Фотонейтронные эксперименты с таким довольно высоким энергетическим разрешением позволяют получать много дополнительных сведений о механизме фотовозбуждения ядер и распадных характеристиках ГДР.
Информацию относительно нескольких аспектов ядерного фотоэффекта дало изучение легких ядер, имеющих один или два нуклона вне замкнутых оболочек. Например, в фотонейтронных сечениях ядер
С » 17»180 [18, 19] обнаружена коллективная сила ниже ГДР (пигми-резонанс). Значительная резонансная структура, наблюдаемая в полных фотонейтронных сечениях этих ядер в районе ГДР, по разному проявляется в парциальных фотонейтронных сечениях. Совместный анализ этого эффекта и данных по средним энергиям фотонейтронов для каждой парциальной реакции позволил установить значения изоспинов для всех резонансных структур и подтвердить наличие изоспинового расщепления ГДР у этих ядер.
Возможности квазимонохроматической методики изучения фотонейтронных реакций наглядно продемонстрированы в недавних экспериментах на средних и тяжелых ядрах [17, 20]. Информация, извлеченная из экспериментальных данных, включает в себя параметры гигантских дипольного [17, 20] и квадрупольного [20] резонансов, интегральные сечения и моменты, энергии ядерной симметрии, параметры ядерной деформации, внутренние квадрупольные моменты. В фотонейтронных сечениях средних ядер Ма и СО наблюдается богатая, но слабо выраженная структура [17]. Теоретические расчеты сечений фотопоглощения для этих ядер, основанные на гидродинамической модели и динамической коллективной модели (ДКМ) не дали удовлетворительного описания экспериментальных данных, что указывает на необходимость проведения дополнительных теоретических исследований. Значительно лучше предсказания ДКМ согласуются с наблюдаемой эволюцией ГДР для ядер области А 190 [20], при чем различие в поведении ГДР для ядер OS и OS можно интерпретировать как фазовый переход от статически деформированного вытянутого ядра к ft -нестабильному.
Простота получения пучков тормозного гамма-излучения в определенной степени обуславливает тот факт, что эксперименты на таких пучках до сих пор являются одним из основных источников получения сведений о характеристиках фотоядерных реакций.
Согласие между абсолютными величинами сечений, измеренных с помощью пучков квазимонохроматических и тормозных гамма-квантов, довольно хорошее. Однако длительное время обсуждался вопрос о разрешающей способности математических методов извлечения сечений из кривых выхода и о искажениях, вносимых подобными методами. Усилиями многих исследователей были развиты экспериментальные методики [9, 21-23] и способы обработки данных [24., 25], что в конечном счете привело к резкому повышению надежности результатов измерений на пучках тормозного гамма-излучения. Абсолютные величины, форма и структурные особенности фотоядерных сечений, полученные в таких измерениях, очень хорошо согласуются с аналогичными результатами экспериментов на квазимонохроматических пучках гамма-излучения [ze].
Для современных исследований структурных особенностей сечений фотоядерных реакций на пучках тормозного гамма-излучения характерными являются результаты, полученные в НИИЯФ МГУ для большого числа ядер различных областей атомных масс [і]. Ярко выраженная структура, обнаруженная в фотонейтронных и фотопротонных сечени-ях большинства изученных ядер, от 1СС до Pb , её основные особенности интерпретируются в рамках частично-дырочного формализма и ДКМ, на основе представлений о изоспиновом и конфигурационном расщеплении ГДР l, 27]. Известно, однако, что информация о характере возбуждения ГДР, содержащаяся в сечениях фотоядерных [зі] ,реакций, оказывается недостаточной для установления сильных и слабых сторон модельных представлений о структуре ядра. Поэтому в последнее время увеличилось число работ, посвященных изучению спектров фотонуклонов [28-30) и спектров фотонов, снимающих возбуждение конечных ядер, образующихся после эмиссии фотонуклонов
. Информация, получаемая в таких работах, позволяет связать характеристики высоковозбужденных состояний ядер-мишеней и хорошо изученных низколежащих уровней конечных ядер и получить сведения о природе волновых функций состояний ГДР.
Получение полной информации о свойствах возбужденных состояний ГДР невозможно без систематического исследования реакций упругого и неупругого рассеяния фотонов. Упругое сечение рассеяния связано с сечением фотопоглощения посредством оптической теоремы и дисперсионных соотношений. Реакции неупругого рассеяния обеспечивают убедительную проверку связи между модами дипольного возбуждения и другими степенями свободы ядер, такими как коллективные поверхностные и ротационные возбуждения [8, 32, 33].
Достаточно строгое доказательство идей ДКМ представлено в работе [З З, в которой исследовалось рассеяние плоско-поляризованных 15Д МэВ фотонов на ЇЧ ядрах в диапазоне атомных номеров от Z = 48 до Z.= 92. Из измеренных отношений полных сечений рассеяния фотонов под углом 90°, параллельно и перпендикулярно вектору поляризации в пучке рассеиваемых фотонов непосредственно определялось отношение неупругой и упругой компонент сечения рассеяния. Найденные отношения хорошо согласуются с расчетами по ДКМ. Более детальная проверка предсказаний ДКМ и других теоретических подходов [35 J требует проведения экспериментов с разделением упругих и неупругих вкладов в полное сечение рассеяния во всем диапазоне энергий, где возбуждается ГДР. При этом необходимо исследовать ядра с различными коллективными свойствами, в частности ядра различных переходных районов. Многие из этих требований выполнены в последних экспериментальных работах [36, 37].
Развитие представлений о механизме протекания ядерных реакций, связанное с появлением концепции предравновесного распада возбужденного ядра [38-43], обусловило повышенный интерес к изучению энергетических спектров фотонейтронов. В большинстве таких спектров для ядер средних и тяжелых масс наблюдается значительная высокоэнергетическая компонента, обусловленная частицами, эмиттированными в начальной фазе ядерной реакции из высоковозбужденных состояний ядра. По данным работы [28], в которой выполнен обзор последних экспериментальных результатов по измерению фотонейтронных спектров, доля высокоэнергетичных нейтронов в полном нейтронном распаде ГДР является функцией энергии возбуждения ядра и может достигать 15 % для тяжелых ядер и 5 % для средних ядер.
Этот экспериментальный факт не согласуется с представлением об образовании долгоживущего состояния статистического равновесия (составное ядро). Для описания механизма ядерной реакции требуется учет всех более быстрых процессов, протекающих до установления статистического равновесия, так называемых предравновесных процессов [40].
В работе [44] была предложена усовершенствованная модель предравновесного распада, в которой когерентный характер реакций фотопоглощения был учтен модуляцией плотности экситонных состояний ядра кривой резонансного вида с параметрами, определяемыми из экспериментальных сечений фотопоглощения. Модель позволила объяснить высокоэнергетическую часть спектра фотонейтронов тяжелых ядер Та » А а , В1 при различных энергиях возбуждения, причем вклад неравновесных процессов в спектре испущенных нейтронов достигает 20 %. Среди моделей, позволяющих дать количественное объяснение наблюдаемым спектрам фотонуклонов, следует отметить комбинированную модель распада ГДР [42], в которой эмиссия частиц из коллективных 4p--fh распадных состояний описывается в рамках оболо-чечной модели, а предравновесная и равновесная эмиссии рассматриваются в терминах модели, предложенной в работе [38]. Дальнейшее развитие модели [43] связано с проблемой включения в нее изоспи-нового квантового числа.
В соответствии с изоспиновым формализмом [44, 45] электрический ГДР у ядер с N Z расщепляется на две компоненты, разделенные на несколько МэВ. Следовательно, в сечениях фотопоглощения, в дополнение к какому-либо деформационному уширению, должно наблюдаться уширение и расщепление, зависящее от изоспина основного состояния ядра. Большие нуклоновские барьеры ядер и правила отбора по изоспину позволяют обнаружить этот эффект на пути раздельного изучения нейтронного и протонного каналов распада ГДР [4, 29, 30, 46-49].
Таким образом, актуальность исследований фотоядерных реакций определяется возможностью установления надежных и полных количественных характеристик EI-гигантского резонанса в самых различных ядрах, а также возможностью получения новых сведений, например, о промежуточной структуре в сечениях парциальных реакций на средних и тяжелых ядрах, о соотношении прямых и резонансных процессов, о роли аналоговых состояний и др.
Цель работы. Целью данной работы является экспериментальное исследование свойств нейтронного канала распада состояний ГДР, возбуждаемых фотонами в ядрах районов 64 А 88 и 4?О А 80. На начальной стадии исследования была создана система для автоматического измерения и обработки данных фотоядерного эксперимента на линии с ЭВМ. Совершенствовалась методика фотонейтронного эксперимента на пучке тормозного гамма-излучения, аппаратура и программное обеспечение. Все это позволило существенно повысить точность конечных результатов. Решались следующие основные задачи:
1. Проведение в широком диапазоне А и Z детальных измерений выходов фотонейтронных реакций и восстановление из них сечений.
2. Установление полноты представления сечений фотопоглощения фотонейтронными сечениями с учетом конкуренции канала распада ГДР с эмиссией протонов.
3. Получение из сечений фотопоглощения основных характеристик ГДР и установление тенденций их изменения с ростом А .
4. Прослеживание корреляции формы и структуры сечений фотопоглощения в области ГДР со свойствами низкоэнергетических коллективных состояний ядер.
5. Оценка применимости различных теоретических подходов для описания свойств ГДР в сферических и деформированных ядрах.
Научная новизна и практическая ценность работы. В данной работе впервые систематизирована экспериментальная информация о фотонейтронных сечениях для 20 ядер района 64 А 88 при энерги fifi П 70 70 ях возбуждения, соответствующих ГДР. Для ядер измерения вшолне_ ны впервые, а для 0D»0/ °°Sr уточнены форма и абсолютные величины сечений. Также впервые для ядер ° En., G-e , Be и оч,86,07,00 gr проведено экспериментальное разделение полного фотонейтронного выхода на компоненты, соответствующие (у,п.) и
(4 ,2гг) каналам реакции. Это позволило количественно оценить возможности статистической модели ядерных реакций в описании каналов распада возбужденных состояний ядер. Результаты экспериментов подтвердили ожидаемую картину: отклонение величин интегральных фотонейтронных сечений от величин, даваемых правилами сумм, сильно проявляется у ядер с низким порогом фотопротонной реакции и малым изоспином основного состояния. Для большинства исследованных ядер, однако, доля протонов в полном выходе фотоядерной реакции пренебрежимо мала. Это позволило определить из фотонейтронных данных основные характеристики ГДР: средние энергии, ширины и интегральные сечения. Прослежена эволюция формы ГДР в районе 64 А 88 , в котором наблюдаются сильные изменения структуры ядер с-изменением N иЕ. Найдена корреляция распадных ширин ГДР с низкоэнергетическими величинами S и Ег + , характеризующими в ДКМ "мягкость" ядер по отношению к поверхностным квадрупольным колебаниям. Анализ структуры сечений фотопоглощения для изотопов Sr позволил проверить справедливость имеющихся теоретических расчетов коллективных дипольных сил, выполненных в рамках микроскопического и полумикроскопического подходов.
Для 9 ядер района f?0 A 482, , примыкающего к переходным
ядрам с А 190, получены сечения фотопоглощения, причем для 171 Yb , 172,173,174,176уЬ и 176.180 нзмврения вшолнвны
впервые. Экспериментальное разделение выходов (Y n ) и ( 2п) реакций проведено для ядер J-76,i7b,XcU . g результате анализа сечений определены характеристики ГДР: средние энергии, ширины и интегральные сечения. В рамках гидродинамической модели рассчитаны внутренние квадрупольные моменты, величины которых и знаки указывают на сильную аксиальносимметричную и вытянутую деформацию изотопов Yb и H-f . Этот вывод подтверждается расчетами сечений фотопоглощения по ДКМ, а также расчетами по квазичастичной-фонон-ной модели (КФМ), выполненными в ОИЯИ.
Полученные экспериментальные данные позволяют существенно уточнить имеющиеся систематики основных свойств ГДР и представляют интерес с точки зрения выяснения применимости той или иной теоретической модели для описания этих свойств. Эти данные могут быть также использованы при интерпретации результатов экспериментов по электрорасщеплению ядер с целью выделения гигантских мультипольних резонансов, Разработанная и созданная система регистрации, накопления и обработки данных фотонейтронного эксперимента универсальна и может быть использована при проведении фотоядерных экспериментов различных типов, а также для решения прикладных задач, в том числе при элементном анализе с использованием источников ионизирующих излучений. Прикладной аспект работы состоит также в возможности применения данных о выходах и сечениях фотонейтронных реакций для целей гамма-активационного анализа, при проектировании защит от потоков гамма-излучения.
Цифровые данные по сечениям фотонейтронных реакций переданы в Центр данных фотоядерных экспериментов при НИИЯФ МГУ..
Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации докладывались наВсесоюзных совещаниях по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра, на I Всесоюзном совещании по автоматизации научных исследований в ядерной физике. Основное содержание работы изложено в публикациях [іб, 50-63]..
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем работы - І9Г страница текста, в том числе 18 таблиц и ЧЧ рисунка. Список литературы включает 178 наименований.
На защиту выносятся:
1. Усовершенствованная методика измерений кривых выхода и множественности фотонейтронов с использованием пучка тормозного гамма-излучения.
2. Аппаратура и математическое обеспечение измерительной системы, работающей на линии с ЭВМ. 3. Методика обработки сечений фотоядерных реакций, основанная на применении Фурье-преобразования.
4. Экспериментальные сечения фотонейтронных реакций для изотопов
5. Кривые множественности фотонейтронов для изотопов маренные в результате экспериментального разделения вкладов парциальных фотонейтронных реакций. Анализ этих данных в рамках статистической теории и с учетом неравновесной эмиссии нейтронов.
6. Полученные в результате анализа фотонейтронных сечений величины интегральных сечений 01 _ , моментов (Г а и % п» средних энергий и ширин ГДР, а также, для ядер района 170 А 180, параметры квадрупольной деформации.
7. Результаты расчета сечений фотонейтронных и фотопротонных реакций для ядер района 64 А 88 в рамках статистической теории с учетом изоспинового расщепления ГДР. Анализ на основе этих результатов экспериментальных величин интегральных фотонейтронных сечений.
8. Анализ формы и структуры экспериментальных сечений фотопоглощения в области ГДР для динамически деформированных ядер (64 А 88) и статически деформированных ядер (170 А 180) на основе выполненных в рамках ДКМ расчетов.
9. Сравнительный анализ основных свойств ГДР для ядер района 170 А 180, полученных в эксперименте и предсказываемых ква-зичастично-фононной моделью.
Стабилизация энергии ускоренных электронов
Из полученных оценок видно, что ядерные реакции с реальными фотонами являются хорошим инструментом исследования ГДР, так как несмотря на интерференцию ГДР о изоскалярным и изовекторным ГКР, последние подавлены в 10-100 раз.
При изучении ГДР важную роль играют интегральные моменты сечения фотопоглощения Их можно использовать для определения различных "средних энергий" гигантского резонанса Величины этих средних энергий связаны между собой следующим образом [97]:
Знак равенства в выражении Сі.16) возникает только в предельном случае дельта-резонанса. В общепринятой терминологии величины ЕІ И Е0 определяют среднюю арифметическую и среднюю гармони- ческую энергии, соответственно. Для кривой Лоренца, используемой обычно для аппроксимации сечений фотопоглощения сферических ядер, различные средние энергии связаны следующим образом где Е, и Г - энергия максимума и ширина кривой Лоренца, соответственно. Величина средней арифметической энергии для этой кривой является величиной расходящейся ввиду расходимости момента сечения CTjj .
Прямое экспериментальное доказательство существования гигантских резонансов, отличных от ГДР, основано на использовании свойства избирательности ядерных реакций неупругого рассеяния электронов и адронов к возбуждению гигантских резонансов различных мультипольностей. Интенсивное экспериментальное исследование подобных реакций позволило достаточно полно систематизировать основные свойства электрических изоскалярного и изовекторного ГКР, возбуждаемых также и в реакциях с реальными фотонами, но сильно подавленных по сравнению с ГДР вследствие малой величины передаваемого ядру импульса ty-Ef/Q,. Это свойство избирательного возбуждения при поглощении реального фотона обусловило тот факт, что экспериментальные характеристики ГДР являются наиболее полно изученными.
Полный обзор современного состояния экспериментальных и теоретических исследований свойств гигантских мультипольних резонансов можно найти в работах [92 94]
Изовекторный ГДР (или EI-резонанс), также как изоскалярный и изовекторный ГКР, локализуется при энергиях возбуждения довольно сильно превышающих пороги эмиссии частиц, Кулоновский барьер препятствует появлению заметной эмиссии заряженных частиц из тяжелых ядер и из большинства ядер средних атомных масс. Поэтому большая часть имеющихся к настоящему времени данных о сечениях фотопоглощения была получена из измерений выходов нейтронов как функции энергии гамма-излучения, т.е. из измерений функций возбуждения фотонейтронных реакций.
На рис. I.I приведены значения энергии возбуждения Снане-сенной как Е А3 МэВ), ширины и величины исчерпывания ЭВПС для ГДР, полученные для большого числа ядер периодической таблицы элементов в экспериментах на пучке квазимонохроматического гамма-излучения [2, 93]. Величины средних энергий возбуждения ГДР, определенные с точностью лучше 50 КэВ из подгонки кривых Лоренца к полным фотонейтронным сечениям, сравниваются на рис. 1.1а с зависимостью, предсказанной в модели ШЙ в предположении гармонических колебаний нейтронной и протонной плотностей в пределах жесткой сферы и при отсутствии трения [8]
Как видно из рис. I.I, для ядер с А 130 ГДР систематически локализуется при энергиях возбуждения, предсказываемых выражением Сі.19), и исчерпывает большую часть ЭВПС. Для более легких ядер резонансные энергии лежат ниже значения 78 А г МэВ и регулярно падают с уменьшением А , причем исчерпывается менее 100 % ЭВПС (по крайней мере до энергии возбуждения 30 МэВ). Несколько лучшее описание энергетического положения ГДР в ядрах с А 4 130 дает модель ГТ, в которой энергия колебаний
Получение сечения фотонейтронной реакции
После получения перфолент, на которых записаны результаты фотонейтронного эксперимента, проводится многоступенчатый процесс окончательной обработки данных по соответствующей цепочке программ. Если на различных этапах процесса обработки отсутствует контроль и анализ результатов обсчета, то ошибки и сбои в исходных данных, нормировочных функциях, константах, а также дефекты в программах и методах обработки обнаруживаются только в окончательном результате. После редактирования исходных данных и параметров приходиться повторять обработку полностью, что затягивает процесс получения приемлемых результатов.
Для сокращения срока обработки информации и повышения её качества мы использовали возможности ЭВМ "Саратов-2" для организации диалога "Экспериментатор - ЭВМ", позволяющего решать вопросы управления прохождением расчетных задач, редактирования начальных данных или параметров, анализа результатов расчета [52]. Программное обеспечение работы в диалоговом режиме основано на возможностях, даваемых усовершенствованной библиотекой стандартных программ ЭВМ; и специализированным пакетом программ, позволяющих организовать обработку массивов данных фиксированного объема ("строки" данных) [52]. Пакет программ реализован в кодах ЭВМ иСаратов-2" и занимает половину объема ОЗУ (I6K). В качестве аппаратурных средств диалога используются ЭПМ "Консул", графический дисплей, константонабиратели и функциональные кнопки. Задание на решение какой-либо задачи вводится с ЭПМ "Консул" в виде директивы с параметрами. Управление системой программ осущес твляет программа "Диалог". Она расшифровывает директиву и составляет из. программных модулей программу, решающую поставленную задачу.
Имеется несколько режимов работы программы "Диалог", они задаются управляющими командами, вводимыми с клавиатуры ЭПМ "Консул". По команде &: производится загрузка директивы (набора директив) и их исполнение после признака конца ввода. По команде " W адресе : производится загрузка набора директив в память без исполнения. Этот режим позволяет формировать в памяти большие программы обработки информации, а также вносить необходимые изменения в тексты существующих программ. По команде Or ад-рес происходит передача управления на директиву с данным адресом. Команды Р адрес нач адрес конеч и Т фдрес нач адрес конеч.] позволяют выдать на перфоратор и ЭПМ набор директив в пределах заданных граничных адресов, соответственно.
При обработке данных фотонейтронного эксперимента длина "строк", на которые делится массив данных, определяется числом значений энергий (каналов), в которых измерен выход реакции или множественность нейтронов. Информация о "строках" данных, с которыми должна выполнять операции данная программа пакета, содержится в списке параметров директивы. В списке параметров может присутствовать также информация о константах, используемых данной программой. В некоторых программах используется информация с константонабирателей и функциональных кнопок, что расширяет диалоговые возможности системы, позволяет оперативно ("по кнопке") выбирать различные варианты обработки, управлять масштабом изображения на дисплее, размечать "строки" данных и производить операции с их частями и т.д.
Основными диалоговыми программами обработки данных являются: программа математической обработки исходных лент и получения ленты суммарных результатов фотонейтронного эксперимента; программа получения кривой приведенного выхода реакции; программа получения кривой множественности фотонейтронов; программа расчета сечения реакции методом Пенфольда-Лейса; программа Фурье-преобразования и сглаживания данных; и др.
Результирующая кривая выхода и её среднеквадратичные ошибки получаются из исходного числового материала, разбитого на отдельные серии1. Данные каждой серии предварительно обрабатываются с целью отбрасывания результатов, вызванных сбоями измерительной аппаратуры, с помощью одного из статистических критериев, предложенных в работе [іЗО]. После внесения в кривую выхода поправок на просчеты, эффективность регистрации нейтронов, фон и дозу, выполняется расчет сечения реакции.
Влияние изоспинового расщепления ГДР на характеристики сечений фотонейтронных реакций
Сохранение изоспина при взаимодействии электромагнитного излучения с ядром приводит к тому, что у ядер с M Z и изоспином основного состояния Т0= Тг - (N-)/2, ГДР расщепляется на две компоненты с Т = Т0 и Т s Т0 + 4 Энергетический интервал между такими Т и Т состояниями, а также отношение дипольных матричных элементов, полученные в рамках схематической модели [4.4], записываются Е .Е = 60 (Г, И) МэВ C4.II) l D t.» la - ЕЛТ„ + і) _ \ --1,5ТоА" ОД2) 1 Г»т„г (Г-Н(Т0) Т0( И,5А-)
В соответствии о правилами отбора по изоопину возбужденные состояния ГДР с изоспином Т s Т0 могут распадаться путем протонной или нейтронной эмиссии на низколежащие состояния сТ=Т0-ІІ/2 в остаточных ядрах. Состояния ГДР о изоспином Т =Т0 + 1 могут распадаться путем нейтронной эмиссии только на высоколежа-щие изобар-аналоговые состояния остаточного ядра о Т=Т0+ 4/Z , а протонный распад разрешен как на низколежащие состояния с Т= = Т0+ \/ L » так и на высоколежащие из о бар-аналоговые состояния G Т = Т0 + 3/2. .На рис. 4.13, на примере ядра Еа , дана схема распада изоспиновых компонент ГДР. Переходы, разрешенные пра вилами отбора по изоспину, показаны сплошными линиями, а запрещенные переходы - пунктирными линиями. Силы переходов оценены по теореме векторного сложения в терминах коэффициентов Клебша-Гор дана. В тяжелых ядрах состояния ГДР с Т = Т распадаются преимущественно путем эмиссии нейтронов, так как протонная эмиссия сильно подавлена кулоновским барьером. В распаде Т состояний ГДР преобладает протонная эмиссия, так как большая часть нейтронных каналов распада запрещена по изоспину, а разрешенный распад на состояния с Т = Т0 + -(/2, в остаточном ядре мало вероятен воледствие очень высоких энергий возбуждения этих состояний в тя-желых ядрах. Поэтому, сечения (f,p) и (у,п) реакций в хорошем приближении представляют в тяжелых ядрах сечения J и Т ГДР, соответственно. В ядрах легкого и среднего веса влияние изоспи-нового расщепления ГДР на протонную эмиссию становится более запутанным, так как она начинает сильнее зависеть от энергии отделения протона, высоты кулоновского барьера, положения изобар-ана-логовых уровней в остаточном ядре и энергии локализации Т - ГДР. Кроме того, как видно из рис. 4.13, становится энергетически возможным нейтронный распад Т ГДР на состояния с Т=Т0Н/2 в остаточном ядре.
Среди недавних исследований выделяется большой цикл работ, связанный с изучением фотонейтронного и фотопротонного каналов распада ГДР на изотопах 6,48,50- 51 v $ 52 Сг 59 Со 54ре
Измеренные в этих работах сечения (f,p) и (У,п) реакций сравнивались с сечениями, рассчитанными в рамках статистической модели с учетом кулоновских эффектов, энергий отделения нуклонов, плотности остаточных состояний и возможных каналов распада Т и Т состояний ГДР. Получено превосходное согласие экспериментальных результатов с относительными силами и энергетическими сдвигами рассчитанных фотонейтронных и фотопротонных сечений, что является одним из доказательств существования изоспинового расщепления ГДР.
Для того, чтобы установить насколько хорошо измеренные в данной работе сечения фотонейтронных реакций на изотопах Zri,G-e, $е и $г представляют ГДР с Т = Т , мы провели расчет фотопротонных и фотонейтронных сечений для этих ядер в рамках статистической теории (модели испарения) с учетом теоретических предсказаний относительно характеристик изоспинового расщепления ГДР.
В энергетической области, где возбуждается ГДР, доминируют /у О) И (Y,rt) реакции, поэтому в дальнейшем анализе будут рассматриваться только эти две реакции. Используя схему; распада Т и Т состояний ГДР, представленную на рис. 4,13, можно записать следующие выражения спиновые коэффициенты Клебша-Гордана в канале распада; f p плотность ядерных состояний с изоспином Т в остаточном ядре, основанных на нижайшем состоянии с энергией Ее ., отсчитываемой от основного состояния начального ядра. Вид функции рТ для состояний с различными изоспинами предполагается подобным виду функции плотности уровней, базирующихся на основном состоянии остаточного ядра, и определяется формулой (4.10). Для определения энергий Ее использовались экспериментальные данные по ку-лоновским энергиям сдвига [161] и энергиям отделения нуклонов [162].
Если отвлечься от деталей структуры, проявляющейся в экспериментальных сечениях (-JSp) и (y,rij реакций, то каждое из сечений (TV и (Г можно представить в виде одиночной функции Лоренца, причем абсолютная величина сечений определяется нормировкой полного сечения фотопоглощения Отношение интегральных сечений Т и Т компонент ГДР можно получить из выражений (4.II) и (4.12)
Сечения фотонейтронных реакций на.ядрах х' »J-,J-»*-t<-» 173,174,176 yb и 176,178,180
Структура на выоокоэнергетической стороне фотонейтронных сечений может быть обусловлена эмиссией нейтронов из Т состояний ГДР» Такая эмиссия может происходить, если открыт нейтронный канал распада Т состояний на аналоговые состояния остаточного ядра, имеющих из оспин Т + \\2 , или если существует смешивание по изоспину, приводящее к распаду TV состояний путем нейтронной эмиссии на основное или другие состояния с изоспином Т- у2. в остаточном ядре.
У ядер 88Sr , Sr , Sr открывание разрешенного правилом отбора по изоспину нейтронного канала распада Т состояний ГДР происходит при энергиях 21,8, 20,8 и 20,2 МэВ, соответственно [161]. Эксперимент показывает, однако, что превышение фотонейтронных сечений над подгоночными кривыми Лоренца имеет место для упомянутых ядер при энергии 19 МэВ. Интегральные сечения связанные с этими превышениями, равны 60І7, 50І6, 60І і 6 мб»МэВ соответственно для ядер 8 Sr , Sr и 8 Sr Как показывает сравнение этих данных с оценками величин б Сем. выражение (4.16)), равными 126, 159 и 202 мб»МэВ, в пределах экспериментальных ошибок отсутствует зависимость величины интегрального сечения (Tjjn от изо спина ядра. Учитывая сказанное выше, а также тот факт, что экспериментальные фотопротонные сечения для ядер о А» 90, обусловленные распадом Т состояний ГДР, исчерпывают предсказываемое значение 0 [29], можно сделать заключение об отсутствии достаточных оснований для интерпретации структуры на выоокоэнергетической стороне фотонейтронных сечений как проявление изоспинового расщепления ГДР. Аналогичное заключение сделано также в работе [I66J на основе изучения фото-нейтронных спектров для ядер - - Fe и Zn. .
Что касается нейтронной эмиссии из Т состояний ГДР на нижние уровни остаточного ядра, то в настоящее время отсутству ют экспериментальные доказательства нарушения чистоты изоспина для дипольных Т состояний в средних и тяжелых ядрах.
Имеется несколько попыток интерпретации высокоэнергетической структуры фотонейтронных сечений для тяжелых ядер как проявление изовекторного ГКР [20]. Как следует из эмпирической зависимости Ек = 430 А з МэВ и выражения (І.І5), у ядер с А4 90 ГКР локализуется при энергиях Е 29 МэВ и дает в полное сечение фотопоглощения интегральный вклад, не превышающий 80 мб»МэВ. При энергиях Е 25 МэВ влияние изовекторного ГКР на форму сечения фотопоглощения пренебрежимо мало.
Одной из особенностей формы фотонейтронных сечений четно-четных изотопов a,G-e,5e и $г (см. рис. 4.5-4.8) является существование при энергиях 12 13 МэВ резонансоподобной структуры с шириной примерно равной энергетическому разрешению, с которым получены сечения (0,8-1,0 МэВ). Такая структура не связана с возбуждением изоскалярного ГКР, так как она проявляется при энергии на несколько МэВ меньшей энергии локализации ГКР С Е = = 63 А з МэВ) и, кроме того, она значительно уже ширины ГКР (4-5 МэВ) у ядер с А 90, как установлено в экспериментах по рассеянию электронов и адронов. Теоретические расчеты, выполненные в рамках квазичастично-фононной модели для Sr [165] и в рамках оптико-оболочечной модели для Se [167], предсказывают существование низкоэнергетической структуры в сечениях дипольного фотопоглощения. Для проведения количественного сравнения экспериментальных и теоретических данных необходимо, однако, повышение экспериментального разрешения и проведение систематических расчетов сечений фотопоглощения для ядер широкого района атомных масс, как это сделано в рамках квазичастично-фононной модели для тяжелых ядер [б].
Не смотря на то, что современные полумикроскопические модели, такие как квазичастично-фононная и оптико-оболочечная, позволили вплотную подойти к вопросу количественной интерпретации полной ширины ГДР в средних и среднетяжелых ядрах, в настоящее время нет опубликованных теоретических расчетов, с которыми можно было бы сравнивать эволюцию ширин экспериментальных сечений фотопоглощения в широком интервале атомных масс.
Динамическая коллективная модель, даже в своем наиболее современном варианте [8, 33], не в состоянии объяснить структурные особенности на низкоэнергетической стороне экспериментальных сечений фотопоглощения, а также эффекты, связанные с изоспиновым расщеплением ГДР, с полупрямым и предравновесным распадом. Однако, эта модель успешно воспроизводит общую тенденцию изменения ширин и общей формы сечений фотопоглощения как для ядер с большими амплитудами нулевых квадрупольных колебаний поверхности или большими статическими деформациями, так и у переходных ядер.
Из систематики низкоэнергетичеоких свойств ядер района Zn.-Sr , приведенной в разделе 4.1, следует, что эти свойства могут быть приближенно описаны вибрационной моделью сферических ядер. Динамическая коллективная модель сферических ядер [108--110] предсказывает уширение ГДР вследствие диполь-квадруполь-ного взаимодействия, характеризуемого безразмерным параметром h= 0,?6 Е4 б /Еа
