Содержание к диссертации
стр.
ВВЕЩЕНИЕ 4
ГЛАВА I. СТАТИСТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ НЕУПРУГОГЭ РАССЕЯНИЯ
БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ НА ЯДРАХ 12
I.I.'Концепция составного ядра и формализм
Хаузера-Фешбаха 13
Интегральные сечения в парциальной статистической модели 15
Учет флуктуации ширин 18
Определение экспериментальных и теоретических заселяемостей уровней в реакции (Я, п о) , . . 22
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ПО ИЗУЧЕНИЮ ІІЕУПРУГОГО
РАССЕЯНИЯ БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ РЕАКТОРА НА АТОМНЫХ
ЯДРАХ И МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРШМТАЛЬНЫХ
ДАННЫХ 27
2.1. Экспериментальная установка по изучению
реакции {П,П'У) на радиальном канале ВВР-К . . 29
Измерительный тракт экспериментальной установки 33
Методика измерений и обработка гамма-спектра 33
ГЛАВА 3. СВОЙСТВА ВОЗБУЖДЕННЫХ СОСТОЯНИЙ ЧЕТНО-ЧЕТНЫХ
ИЗОТОПОВ НИКЕЛЯ В РЕАКЦИИ {П,п'$) 39
3.1. Уровни возбужденные в реакции
(","'/) 40
3.2. Обсуждение результатов реакции
60тщп'/) 47
3.3. Заселяемость и спины возбужденных состояний
в реакции (П,п'У) 52
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗБУЖДЕННЫХ СОСТОЯНИИ НЕЧЕТНЫХ
ЯДЕР НИКЕЛЯ И МЕДИ В РЕАКЦИИ (П, Ґ)'If) 60
Характеристики уровней У\С 60
Исследование свойств уровней Сиъ реакции
(Л,Я'Л 69
4.3. Свойства возбужденных состояний Си .... 81
ГЛАВА 5. СПЕКТРОСКОПИЯ ЯДЕР 6S,7,Qq ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ
ЗАСЕЛЯЕМОСТЕЙ И УГЛОВЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИИ /-ИЗЛУЧЕНИЙ
В РЕАКЦИИ (/7, Я У) 88
5.1. Определение спинов при исследовании
пространственного распределения полей
ядерных излучений 88
5.2. Теория угловых корреляций в реакции {Н,П о) .
на основе формализма составного ядра .... 90
Ис следование ядра G-& , возбужденного в реакции (#, по) 99
Спины уровней и смеси мультиполей
7/
/-переходов в &* НО
ЗАКЛЮЧЕНИЕ J2Q
ЛИТЕРАТУРА '. . 124
ПРИЛОЖЕНИЕ 136
_ 4 -
Введение к работе
Современный период развития ядерной физики характеризуется интенсивным набором экспериментальных результатов и их интерпретацией. Тем не менее имеющаяся количественная экспериментальная информация о структуре атомных ядер еще не велика. Действительно, только у одной десятой части существующих 300 стабильных ядер и около 1300 радиоактивных ядер экспериментально изучены низколежащие возбужденные состояния.
Успехи (-f> - и /-спектроскопии и физики ядерных реакций сыграли большую роль в развитии наших представлений о структуре ядра. В экспериментах по упругому рассеянию протонов ядрами получены параметры оптического потенциала, действительная часть которого является, по существу, потенциалом среднего поля. Неупругое рассеяние протонов, дейтонов, электронов и тяжелых ионов позволяет определить энергию Е , спины и четности о/ и приведенные вероятности ft(L) для низколежащих состояний.
Методы современной ядерной спектроскопии разнообразны, результаты получаемые в различных экспериментах дополняют друг-друга. Поэтому применение и развитие новых методов получения спектроскопической информации о возбужденных состояниях является одной из актуальных задач ядерной физики. При неупругом рассеянии быстрых нейтронов имеется несколько путей получения спектрометрической информации об уровнях остаточного ядра. Это - измерение спектра и углового распределения неупруго рассеянных нейтронов используя наиболее совершенный спектрометр нейтронов или же регистрации /-квантов распада возбужденных состояний остаточного ядра. Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки. Если первый путь дает такие возможности, как непосредственное наблюдение уровня и измерение дифференциального сечения реак-
ций (/7,/7 /), то второй путь выгоден тем, что /-кванты можно регистрировать с более высоким энергетическим разрешением, чем нейтроны. Гамма-спектроскопия стабильных ядер на пучке нейтронов, протонов и других заряженных частиц в последнее время находит все больше своих сторонников по сравнению с традиционной гамма-спектроскопией искусственных радиоактивных ядер, что неоднократно отмечалось на последних совещаниях по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра.
В последнее десятилетие начала развиваться новая методика изучения неупругого рассеяния быстрых нейтронов на ядрах, основанная на применении потока быстрых нейтронов реактора. Преимущество более интенсивного потока быстрых нейтронов, имеющего непрерывный энергетический спектр, по сравнению с величиной потока получаемого в нейтронных генераторах с дискретной энергией, обусловило развитие данной методики в различных научных центрах как в СССР, так и за рубежом /I/.
Целью настоящей работы является исследование возбужденных состояний ядер стабильных изотопов никеля, меди и галлия при неупругом рассеянии быстрых нейтронов реактора, для чего была собрана установка на горизонтальном канале ВВР-К ШФ АН КазССР. Энергетический спектр и интенсивность потока быстрых нейтронов обеспечивает возбуждение большого числа уровней при малых количествах исследуемого изотопа, что допускает использование дорогостоящих обогащенных изотопов.
Применение антикомптоновского детектора позволило получить богатую информацию о гамма-переходах между уровнями изучаемого ядра, об их энергии, интенсивности и угловом распределении, которая использовалась для построения схемы распада возбужденных состояний исследуемого изотопа. Как известно, построение
схемы распада возбужденных состояний ядер, являясь главной задачей ядерной спектроскопии, требует кропотливой обработки экспериментальных результатов и литературных данных. В работе были использованы рекомендации Б.С.Джелепова /2/ и публикации под его редакцией сводных таблиц по исследуемвм ядрам /77,103/, а также издания
39,46,47,52,60,83,98/. Спектр возбужденных состояний в (/?,/? /) охватывает широкую область энергии до 5 МэВ, восполняя существующий пробел между низко- и выеоколежащими уровнями. Энергия уровня наблюдаемого в прямых реакциях или при неупругом рассеянии частиц с погрешностью ~10 кэВ, благодаря высокой точности определения энергии /-квантов уточняется до десятых долей кэВ.
Целесообразность поставленной задачи заключается в том, что спектрометрическая информация, получаемая из реакции (ft,Я У), существенно дополняет и обновляет данные по схемам распада, извлекаемые из других экспериментов. В теоретическом плане это -возможность сравнения модельных расчетов энергетического спектра возбужденных состояний ядра с экспериментальными результатами. Выбор объектом исследования ядер У/і, Си и ffa обусловлен во-первых, тем, что для этих сферических, близких по 2. , четно-четных и нечетно-четных ядер существуют теоретические интерпретации в рамках оболочечной модели атомного ядра различной модификации. Поэтому появляются возможности сравнения теоретических и экспериментальных'результатов по энергетическим уровням рассматриваемых ядер. Во-вторых, сплавы никеля ж меди являются конструкционными материалами и определение выхода /-излучения при взаимодействии быстрых нейтронов реактора со средами, содержащими никель и медь, представляет самостоятельный интерес при проектировании ядерно-энергетических установок. Например, при
_ 7 -
расчетах тепловыделения в конструкционных и топливных материалах и процесса замедления быстрых нейтронов.
С другой стороны, исследование ядерных реакций с нейтронами является одним из эффективных методов изучения ядерных взаимодействий. Прогресс в понимании механизма этих реакций определяет современный уровень развития ядерной физики и служит источником новых физических идей в практическом использовании атомной энергии и нейтронных излучений. Современные методы теории -ядра и ядерных реакций позволяют численно воспроизвести обширные массивы информации о нейтронных сечениях с помощью ограниченного набора теоретических параметров, имеющих конкретную физическую интерпретацию /3,4/.
При бомбардировке быстрыми нейтронами с непрерывным спектром у ядра-мишени возбуждаются уровни до энергии ~ 5 МэВ, т.е. в одном эксперименте можно получить значения заселяемостей (парциальных сечений возбуждения) свыше двадцати уровней. Теоретическое описание сечений возбуждения уровней ядер при неупругом рассеянии быстрых нейтронов успешно проводится по оптико-статистической модели /5-8/. Расчеты проведенные автором в рамках формализма Хаузера-Фешбаха-Молдауэра /9—II/ показали, что в области масс рассматриваемых ядер такой подход к описанию неупругого рассеяния быстрых нейтронов на ядрах является вполне корректным и плодотворным. Более того при сравнении экспериментальных и теоретических значений заселяемостей оказалось возможным получение дополнительных данных для определения спина возбужденных состояний ядер.
Новизна работы. Особенность применяемой методики заключается в том, что в одном только эксперименте продолжительностью 15 - 20 часов получается обширная информация о десятках уровнях
исследуемых ядер. Благодаря возможности применения обогащенных
изотопов спектроскопическая информация из реакции {П,п* /) зна
чительно богаче, чем в случае использования естественной смеси
изотопов в качестве мишени. Новым в работе является: а) установ
ка по изучению неупругого рассеяния быстрых нейтронов реактора
на горизонтальном'канале ВВР-К ШФ Ш. КазССР, с антикомптонов-
ским детектором, позволяющая измерять.- угловых распределений
/-квантов; б) новые и уточненные данные по схемам распада воз-
бужденных состоянии ядер ' ' ' /Yl , См ж 6%? полу-
ченные на основе идентификации /-квантов из реакции (/7,^ /), которые потвердили результаты расчетов по оболочечной модели ядра с поверхностным о -взаимодействием; в) теоретические величины заселяемостей уровней для изучаемых ядер рассчитанные по статистической модели; г) проведенная систематика данных по экспериментальным и теоретическим заселяемостям уровней, на основе которой определены неизвестные ранее спины возбужденных состояний ядер; д) найденные коэффициенты смеси мультиполей из угловых распределений /-переходов в Qct и &Q.
Научная и практическая ценность настоящих исследований в том, что полученная новая информация о возбужденных состояниях ядер существенно дополняет уже имеющиеся в литературе экспериментальные результаты, что необходимо для их теоретического анализа. Из сравнения экспериментальных и теоретических значений заселяемостей уровней в реакции (#, >? /) заключается вывод о применимости, в достаточной мере, концепции механизма составного ядра в области А'-'бО -г- 70 для описания энергетической зависимости сечении возбуждения не только низколежащих, но и вышележащих состояний атомного ядра. Измеренный выход гамма-излучения при взаимодействии быстрых нейтронов со средами, содержащими атомы никеля
и меди имеет прикладное значение при проектировании ядерно-энергетических установок.
На защиту выносятся новые экспериментальные данные относительно Еур , JJ' , о , И?к.сгт и теоретические результаты из которых следует вывод о том, что в области атомных масс А~ 60 -* 70 справедливо описание сечении реакции {п, п /) в рамках формализма Хаузера-Фешбаха-Молдауэра и вывод о том, что исследуемые околомагические ядра лучше всего описываются оболочечнои моделью с поверхностным о -взаимодействием.
Личный вклад автора. Автор проводил экспериментальные работы по формированию потока быстрых нейтронов с помощью различных фильтров и коллиматоров, а также по защите детекторной системы от рассеянного нейтронного и гамма-излучения, в результате чего были получены оптимальные фоновые условия. Проводил измерения М обработку /-спектра на ЭВМ БЭСМ-6, с целью построения схем распада возбужденных состояний ядер М, Си и в-а.. Автором рассчитаны теоретические заселяемости уровней девяти исследуемых ядер, которые сравнивались с экспериментальными значениями.
Публикаций. Результаты настоящих исследований отражены в 5 статьях и 10 тезисах, опубликованных в республиканской и центральной печати.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на 26,27, 30-33 Совещаниях по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра, 12 Координационном совещании по исследовательским атомным реакторам.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации 146 страниц машинописного текста, 33 рисунков, 14 таблиц.
В первой главе рассматривается статистическое описание неупругого рассеяния быстрых нейтронов на атомных ядрах. Показано, что для описания сечении возбуждения низколежащих состояний ядер вполне применим формализм Хаузера-Фешбаха-Молдауэра, основанный на концепции составного ядра. Обсуждается параметры оптического потенциала, используемые для вычисления коэффициентов проницаемостей ядер при неупругом рассеянии быстрых нейтронов. Описана методика определения экспериментальных и теоретических значений заселяемостей уровней в реакции (#,п J). В конце главы сделан вывод о том, что используя некоторые особенности возбуждения уровней в зависимости от величины спина и сравнивая экспериментальные и теоретические заселяемости можно определить спины возбужденных состояний изучаемых ядер.
Во второй главе описана экспериментальная установка по исследованию неупругого рассеяния быстрых нейтронов реактора на атомных ядрах и методика обработки экспериментальных результатов. Показано, что оптимальные фоновые условия, применение анти-комптоновского гамма-спектрометра и обработка /-спектров на ЭВМ БЭСМ-6 позволяют получить достоверные и надежные результаты.
В третьей главе обсуждается свойства возбужденных состояний четно-четных изотопов никеля в реакции (/7, /?'/) Приведены наиболее полные, к настоящему времени, схемы распада возбужденных
S?, 60.62,64 а/. А,
состоянии ядер ' У*с . Обосновывается выбор значении спинов состояний, которые определены впервые. Проведен сравнительный анализ наших данных с результатами других исследований. Экспериментальный спектр уровней сопоставляется с теоретическим, рассчитанным по модели оболочек с поверхностным -взаимодействием. Показано, что обе модификации оболочечной модели, и MSpJ и ASb± f воспроизводят, в целом,' спектр возбужденных
- II -
состояний четно-четных изотопов никеля до энергии ~ 3 МэВ.
В четвертой главе исследованы возбужденные состояния нечетных ядер никеля и меди. На основе идентифицированных /-линий из реакции (п,п' У) составлены схемы разрядки возбужденных состояний У/і и ' /У* . Определены экспериментальные и теоретические заселяемости уровней этих ядер в реакции (л, #; /). Совместное рассмотрение согласия экспериментальных и теоретических величин заселяемостей и данных по угловым распределениям /-излучений позволило, во многих случаях, однозначно определить, некювестные ранее, спины возбужденных уровней. Экспериментальный спектр возбуждения кшкдого ядра сравнивается с расчетными tloMSvJ. и AS2>J/ а также по модели "слабой связи".
Пятая глава посвящена спектроскопии ядер г?при исследовании заселяемостей и угловых распределений /-излучений в реакции (я,h ' У). Здесь рассмотрены экспериментальные и теоретические значения заселяемостей ' *? угловые распределения /-излучений для определения значений спинов состояний и коэффициентов смешивания мультршольностей /-квантов. Приводятся, также, полные схемы распада возбужденных состояний и сравнение с теоретически-ми расчетами спектра уровней Q-й. и ff# по модели "промежуточной связи" и кластерной модели.
В заключении приведены основные результаты настоящих исследований и сформулированы выводы.
