Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор литературы 9
1.1 Метод адрон-гамма совпадений... 9
1.2 Реакции расщепления. 13
1.3 а-кластеры 17
Глава 2 Спектрометр МАГ 20
2.1 Трековая часть спектрометра (конструкция, режимы работы, анализ работы) 21
2.1.1 Спектрометрический магнит 21
2.1.2 Конструкция пропорциональных камер спектрометра МАГ ...„22
2.1.3 Влияние состава газовой смеси на регистрацию сигнала с пропорциональных камер 24
2.1.4 Кластеры 26
2.1.5 Проведение треков 27
2.1.6 Импульсное разрешение и аппаратурная функция 30
2.2 Эффективность камер и магнитного спектрометра 32
2.2.1 Факторы, влияющие на эффективность камер 32
2.2.2 Эффект старения пропорциональных камер 34
2.2.3 Эффективность магнитного спектрометра 36
2.2.4 Коэффициент программного восстановления траекторий заряженных частиц ЛГ 41
2.3 Гамма-спектрометр 42
2.3.1 Конструкция гамма-спектрометра , 42
2.3.2 Эффективность гамма-спектрометра 43
2.3.3 Энергетическая калибровка гамма-спектрометра . 45
2.4 Электронные системы спектрометра МАГ 48
2.4.1 Электроника магнитного спектрометра 48
2.4.2 Электроника у-спектрометра и формирования мастера 51
2.4.3 Аппаратное и программное обеспечение 52
Глава 3 Методические аспекты эксперимента по изучению реакций взаимодействия протонов с ядрами кремния при энергии 1 ГэВ 55
3.1 Магнитный тракт. Настройка пучка 55
3.2 Проведение эксперимента, характеристика полученных данных 57
3.3 Характеристики частиц, попадающих на мишень 60
3.4 Случайные срабатывания и просчеты 64
Глава 4 Измерение сечений у-переходов и образования ядер 69
4.1 Вычисление сечений . 69
4.2 Идентификация уровней 71
4.3 Сравнение полученных сечений с экспериментами и теоретическими расчетами 86
Глава 5 Анализ совместной информации с пропорциональных камер и гамма-детектора 88
5.1 Спектр квднтов при различных отборах 88
5.2 Распределения протонов по углам вылета 9 и ф и переданной энергии со.. 89
5.3 Угловые распределения протонов по данным с передних камер 94
5.4 Оценка сечения квазикогерентного взаимодействия по данным с передних камер . 97
Глава 6 Реакция Sifop Mg 104
6.1 Анализ данных в области 3 < 9 < 6.5 104
6.2 Основные источники фона 110
6.3 Определение сечения реакции... 117
6.4 Измерение парциальных сечений 119
6.5 Обсуждение результатов 123
Заключение 125
Литература 129
Приложения 135
- Влияние состава газовой смеси на регистрацию сигнала с пропорциональных камер
- Энергетическая калибровка гамма-спектрометра
- Проведение эксперимента, характеристика полученных данных
- Оценка сечения квазикогерентного взаимодействия по данным с передних камер
Введение к работе
Диссертация посвящена экспериментальному исследованию реакции расщепления ядер кремния протонами при энергии 1 ГэВ. Работа выполнена методом адрон-гамма совпадений на магнитно-германиевом спектрометре МАГ ИТЭФ, состоящем из магнитного спектрометра на основе пропорциональных камер и Ge(Li)-NaI(Tl) гамма-спектрометра.
Актуальность проблемы
Измерение сечений выхода ядер-продуктов, образующихся в реакциях расщепления атомных ядер при энергии протонов в несколько ГэВ, необходимо как для проверки различных теоретических моделей ядерных реакций, так и для решения прикладных задач, связанных с проблемой переработки отходов ядерных реакторов.
Такие измерения проводились в различных лабораториях мира в течение многих лет, их результаты вошли как в монографии [1], так и в современные базы данных (см., например, [2]). В последнее время интерес к исследованию реакций расщепления возобновлен с новой силой, так как они являются основой в создании мощных источников нейтронов (проекты ESS [3] и другие).
В подавляющем большинстве экспериментов в этом диапазоне энергий используется метод накопления продуктов расщепления ядер в процессе облучения образцов-мишеней в пучках протонов. Для выделения некоторых стабильных изотопов благородных газов, например, гелия и неона, используются масс-спектрометры.
Такими методами в реакциях расщепления не удаётся измерить выходы стабильных ядер, не относящихся к благородным газам, и радиоактивных ядер с малым периодом полураспада, что составляет заметную часть всех реакций расщепления. Задача измерения сечений реакций с образованием таких ядер может быть решена методом регистрации "мгновенного" у-излучения, возникающего при переходах возбуждённых ядер в состояние с меньшей энергией возбуждения или в основное состояние. Особенностью этого метода является то, что измеряются не полные выходы ядер, поскольку зарегистрировать все гамма-переходы практически невозможно, а парциальные сечения переходов, в основном, с первого возбуждённого состояния в основное.
Изучение механизмов расщепления ядер при столкновении с ними других частиц, требует анализ кинематики ядерных реакций с определением конечного состояния ядра. В большинстве экспериментов конечное состояние ядра определяется по недостающей массе, что можно сделать только для событий, в которых зарегистрированы и идентифицированы все продукты ядерной реакции и, кроме того, с высокой точностью измерены их импульсы. Эта сложная экспериментальная задача до сих пор решена лишь в узком диапазоне малых передаваемых ядру энергий, ограниченной энергией отделения нуклона.
При использовании метода адрон-гамма совпадений на спектрометре МАГ мгновенное у-излучение служит триггером, фиксирующим конечное ядро-продукт и, таким образом, выделяющим конкретную ядерную реакцию, кинематика которой анализируется магнитным спектрометром. Кроме возможности одновременно исследовать несколько различных процессов, другое преимущество спектрометра МАГ состоит в том, что в одном эксперименте кинематические характеристики анализируются в широком диапазоне передач энергии ядру от 0 и до 0.8 Г0 при переданных импульсах до (0.3-0.5)/ (То, ро- кинетическая энергия и импульс налетающих частиц).
Надо отметить, что в последние годы в других лабораториях мира появляются установки, использующие метод адрон-гамма совпадений (например [4]). Однако они не могут быть нашими конкурентами, т.к. работают над другими физическими проблемами.
Исследование образования Mg* при взаимодействии протонов с ядрами 28Si представляет несомненный интерес, поскольку процесс может трактоваться в рамках сс-кластерной модели. Хотя в методе адрон-гамма совпадений о кластеры не регистрируются, факт их вьшетания надёжно устанавливается фиксацией ядра-остатка 24Mg (по у-линии) и измерением переданной энергии, средняя величина которой равна энергии отделения а-частицы. Это позволяет измерять сечения независимо от угла вылета сс-кластера.
Цели и задачи исследования
Анализ работы пропорциональных камер магнитного спектрометра МАГ.
Выбор оптимальных условий проведения эксперимента по взаимодействию протонов с кремниевой мишенью,
Измерение сечений реакций расщепления при взаимодействии- протонов с энергией 1 ГэВ с ядрами 28Si.
Анализ совместной информации с пропорциональных камер и гамма-детектора.
Изучение механизма реакции 28Si(p,p/X)24Mg* в диапазоне, где ещё не рождаются %-мезоны.
Научная новизна и значимость работы
В работе получены следующие новые методические и научные результаты:
Проведён анализ факторов, влияющих на работу пропорциональных камер, и проведена их оптимизация. Определены эффективности магнитного спектрометра и у-детектора.
Впервые путём регистрации мгновенного у-излучения, возникающего при взаимодействии протонов с энергией 1 ГзВ с ядрами Si измерены сечения 28 у-переходов 19-ти ядер-продуктов.
В реакции 28Si(p,p/X)24Mg* в диапазоне малых переданных энергий получены сечения следующих процессов: рассеяние протона на внутриядерном а-кластере с вылетанием кластера из ядра; выбивание 4-х нуклонов с суммарным зарядом, равным 2, в результате столкновения протона с внутриядерным нуклоном.
Причём процесс 3) для всех углов вылета ос-кластера, и кинематические характеристики процесса 2) измерены впервые.
На защиту выносятся следующие положения
Анализ работы пропорциональных камер спектрометра МАГ.
Определение эффективности и просчётов магнитного спектрометра, а также учёт фонов в опыте взаимодействия протонов с кремниевой мишенью.
Идентификация уровней и определение сечений реакций расщепления при взаимодействии протонов с кремниевой мишенью,
Обзор информации, получаемой методом адрон-гамма совпадений на спектрометре МАГ.
Анализ процессов, происходящих в реакции 2SSi(p,p/X)24Mg* в диапазоне, где еще не рождаются я-мезоны,
Личный вклад диссертанта
Диссертант принимал активное участие в сеансах измерения, выполнял работы по ремонту, изучению и оптимизации работы пропорциональных камер спектрометра МАГ. Автором были определены эффективности и коэффициенты просчетов ПК. Были идентифицированы уровни и определены сечения реакций расщепления при взаимодействии протонов с кремниевой мишенью. Проведен физический анализ вкладов различных процессов в реакцию 28Si(p,p'X)24Mg*.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Диссертация содержит 134 страницы, 72 рисунка, 10 таблиц и библиографию, включающую 144 наименований.
В первой главе обосновывается актуальность темы исследования. Приводится описание преимуществ метода адрон-гамма и обзор экспериментов, выполненных этим методом. Даётся обзор экспериментов по измерениям сечений выхода ядер-продуктов, образующихся в реакциях расщепления, а также по вылетанию а-кластеров.
Во второй главе приводится описание Магнитно-германиевого спектрометра МАГ и анализ работы его отдельных частей. Особое внимание уделено оптимизации работы пропорциональных камер. Изложена методика определения эффективности отдельных камер W и всего магнитного спектрометра аик и коэффициента программного восстановления траекторий заряженных частиц Kv. Для Ge(Li)-Nal гамма-спектрометра, являющегося составной частью установки МАГ, определяется эффективность и энергетическое разрешение.
Третья глава посвящена постановке эксперимента по изучению взаимодействия 1 ГэВ протонов с кремниевой мишенью. Дано описание полученных экспериментальных данных и метода выбора оптимальных условий проведения эксперимента, в том числе настройки пучка. Анализируются основные источники фона.
В четвёртой главе приводятся результаты измерений сечений гамма-переходов но данным с гамма-детектора. Идентифицировано 28 у-переходов для 19-ти ядер-продуктов. Проведено вычисление сечений и сравнение их и другими экспериментальными данными и теорией.
В пятой главе проводится обзор физической информации., полученной методом адрон-гамма совпадения со спектрометра МАГ. Показано, что включение в мастер сигнала от у-детектора позволяет надёжно выделить неупругие взаимодействия пучковых протонов именно с мишенью. Приводятся спектры гамма-квантов при различных отборах. Рассмотрены особенности распределений по углам вылета протонов 6 и ф и по переданной протоном энергии ю. Приводится анализ угловой информации при проведении треков только по передним камерам.
В шестой главе изучается реакция 28Si(p,p/X)24Mg*. В области углов вылетающих из мишени протонов от 3 до 6.5 данные анализируются без учёта эффективности магнитного спектрометра (#ік=І). При учёте эффективности магнитного спектромегра в широкой области углов получено дифференциальное сечение реакции образования 24Mg*. В диапазоне передач энергии до образования мезонов найдены парциальные сечения процессов рассеяния протона на внутриядерном а-кластере с вылетанием кластера из ядра и выбивания 4-х нуклонов с суммарным зарядом, равным 2, в результате столкновения протона с внутриядерным нуклоном.
Основные результаты работы изложены в заключении.
Апробация работы и публикации
Материалы, изложенные в диссертационной работе, опубликованы в журналах "Приборы и техника эксперимента", "Ядерная физика ", "Письма в ЖЭТФ", а также в виде препринтов ИТЭФ и электронных препринтов. Основные результаты изложены в работах [5-11]. Результаты докладывались на научной сессии "МИФИ" (МИФИ 2000, МИФИ 2001 и МИФИ 2002), на конференции студентов, аспирантов и молодых ученых ИТЭФ, на секции ЯФ ОФН РАН, посвященной 60-летию ИТЭФ (5-9 декабря 2005 г.), на семинар ОФВЭ ПИЯФ и на семинаре ИТЭФ по ядерной физике высоких энергий.
Влияние состава газовой смеси на регистрацию сигнала с пропорциональных камер
Камеры работают на смеси газов Аг(70.0%) + С02(29.8%) + фреон 13В 1(0.2%). Устанавливая определённые скорости газовых протоков в регуляторах расхода, получаем рабочий газ в данной пропорции, и возможность менять поток газа в отдельных блоках камер. Рабочая смесь подаётся в камеры снизу, т.к. она тяжелее воздуха. Постепенно вытесняя воздух через незакрытое отверстие вверху, газ заполняет весь объем камеры. Суммарный объём камер составляет 400 л. Суммарный проток газов составляет 80 литров в час, что соответствует заполнению камер в среднем за 5 часов. При работе давление газа внутри камер практически равняется атмосферному. Изменение атмосферного давления отражается на работе камер. При увеличении атмосферного давления эффективность камер увеличивалась.
Основные принципы работы МІЖ приведены в работе Sauli [113]. В [10] были рассмотрены основные параметры сигналов и оценены значения коэффициентов газового усиления пропорциональных камер детектора МАГ. Уменьшение расстояния между проволочками с 2.5 до 2 мм приводит к уменьшению коэффициента газового усиления на порядок. Также заметным образом на коэффициент газового усиления влияет процентное соотношение газов в смеси.
Чтобы получить большой коэффициент газового усиления и расширить рабочий диапазон напряжений, в газовую смесь в очень небольших количествах добавляют электроотрицательный газ - бромистый фреон. При этом, рабочая характеристик камеры сдвигается на 200 В и возрастает рабочий диапазон напряжений, что позволяет поднимать напряжение и получать приемлемую эффективность работы камер без возникновения пробоев [107].
Для нашей камеры с шагом 2.5 мм при напряжении питания 3,8 кВ коэффициент газового усиления равен 5-Ю3. Зная суммарный коэффициент усиления схем электроники (13 мВ/мкА), можно получить выходное напряжение /вьк=65мВ [10]. Устанавливаемое пороговое значение напряжения в схеме регистрации сигнала /пор=32 мВ одинаково для всех камер и определяет амплитуду сигнала, начиная с которой сигнал с проволочки будет зарегистрирован. Снижение напряжения на камере на 200 В вызывает уменьшение сигнала в 2 раза, что может приводить к просчетам сигналов и уменьшению эффективности.
Исследования влияния гасящего газа (потенциал ионизации которого меньше потенциала ионизации основного газа) показали, что добавление к магической смеси 4% метилаля приводит к значительному улучшению характеристик. При небольшом сдвиге плато эффективных напряжений наблюдается увеличение длины плато по напряжению [114]. Таким образом, переход на смесь Аг(66%) + шобутан(29.8%) + метилаль(4%) + фреон 13В 1(0.2) может поднять эффективность наших многопроволочных пропорциональных камер.
Важным параметром оценки правильности работы камер является размер кластера -количество сработавших проволочек, находящихся рядом. В идеальном случае, когда частица летит перпендикулярно камере, должна сработать только одна проволочка ближайшая к траектории (размер кластера равен 1). К увеличению количества многокластерных событий приводит как наклон трека, так и дельта-электроны, отошедшие на большое расстояние от трека частицы. Все это может приводить к ухудшению пространственного разрешения. В идеальном случае, когда размер кластера равен 1, среднеквадратичная ошибка пространственного разрешения пропорциональных камер составляет df Jl2, где d - расстояние между проволочками [115]. С ростом кластерности оно может ухудшаться.
Распределение событий по размеру кластера приведено на рис. 2.4. С ростом размера кластера число событий плавно падает. Характер поведения этого распределения зависит от режима работы камеры. На рис. 2,4а и рис. 2.46 приведены распределения для рассеянных на мишени частиц для двух камер. На рис. 2.4в дано распределение событий для частиц, летящих вперед без взаимодействия. Для них число двухкластерных событий составляет 5% от однокластерных.
В некоторых случаях в камерах между соседними проволочками может возникнуть электромагнитная связь, создающая наводки с одной проволочки на другую ("cross talk"). Характерным признаком "cross talk" является значительно большее количество трёхкластерных событий, чем двухкластерных, так как срабатывание одной проволочки приводит к срабатыванию еще двух; справа и слева от нее. Чтобы выделить случайные срабатывания, была проведена группа экспозиций, в которых при отсутствии пучка заряженных частиц мастер на считывание информации с проволочек задавался сигналом с генератора. Такие случайные пробои, в основном, определяются фоновыми шумами пропорциональных камер и системы считывания (случайных треков относительно немного). Распределение по размеру кластера для случайных пробоев в одной из камер приведено на рис. 2,4г. Во всех камерах в распределении случайных пробоев количество трёхкластерных событий больше чем двухкластерных, что говорит о присутствии "cross talk". В экспозициях, регистрирующих протоны пучка (рис. 2.4а - рис. 2.4в) вклад "cross talk" незаметен.
Во время измерений одновременно работали не все камеры. В большинстве экспозиций имелось четыре Y камеры и четыре Z камеры до магнита, пять Y и пять Z камер после магнита, а также по одной камере с наклонным расположением проволочек до и за магнитом. Камеры, работающие в каждой из сеансов, приведены в приложении 2. Рассмотрим процедуру проведения треков и определения эффективности камер.
Адресная информация системы считывания преобразуется в информацию о координатах сработавших проволочек. При двух- и многокластерных событиях координатой срабатывания проволочки считается середина кластера. Слишком длинные кластеры отбрасываются.
Обработка событий включает в себя пространственное восстановление прямых в блоках камер до и после магнита, связь траекторий частиц в магнитном поле спектрометра, определение импульса частиц. Пространственное восстановление прямых начинается с нахождения проекций треков в плоскостях ХУ и XZ (у- и г- проекции трека) отдельно до и за магнитом. Для этого каждый пробой первой камеры связывался прямой с каждым пробоем последней Y- или Z- камеры соответственно. Вдоль этой прямой в пределах заданного небольшого расстояния от неё искались пробои в промежуточных Y- или Z- камерах - пробои внутри дорожки. Ширина дорожки и минимальное число сработавших камер отдельно в у- и Z- проекциях задались при обработке. При стандартной обработке ширина дорожки задавалась равной 1 см. Небольшое изменение ширины дорожки слабо влияет на отбор треков. Уменьшение ширины дорожки приводит к уменьшению числа треков, но треки становятся более чистыми.
Энергетическая калибровка гамма-спектрометра
Электроника приёма и запоминания информации с пропорциональных, камер и считывания её в ЭВМ (МС на рис. 2.23) разработана в ИТЭФ и описана в работах [120] и [121]. Особенностью системы приёма и запоминания информации является то, что она запускается синхроимпульсом от ускорителя и работает постоянно в течение всего времени сброса пучка на мишень, независимо от прихода мастерного сигнала. Сигнал с каждой проволочки поступает в ОЗУ емкостью 16 бит. Адрес ячейки ОЗУ формируется в виде кода Грея и непрерывно меняется на единицу с периодом Гя=70 не. В результате в каждую ячейку записывается состояние канала (наличие или отсутствие сигнала с проволочки) в данный момент времени. Средняя длительность Гз импульса, сформированного для записи сигнала с проволочек, составляет 160 не, т.е. сигнал записывается в две или в три ячейки. т2 - задержка сигнала записи по отношению к прохождению заряженной частице. В каждый момент времени в ОЗУ содержится информация о 16-ти состояниях проволочки, отделённых друг от друга временным интервалом 70 не, так что время памяти ОЗУ составляет 1120 не.
Сигнал от пучковых счётчиков, который задержан относительно реального события на определенное время ті, останавливает счетчик адреса в некотором состоянии "stop 1", соответствующем ячейке AN. Состояние ОЗУ, относящееся к зарегистрированному событию, считывается из ячейки с адресом AN=A-N, где N равно целой части xl/Г. Так как длительность задержки тД известна для конкретного эксперимента, то величина N ("досчёт") устанавливается заранее до начала измерений. По окончании передачи информации о событии в ЭВМ работа счетчика адреса возобновляется.
Задержка времени прихода сигнала ті вызвана как задержкой сигнала на кабелях, так и задержкой формирователей и схем совпадения. Состояние ОЗУ, относящееся к зарегистрированному событию, считывается из соответствующей ячейки. Выбирается такой досчёт N1, при котором в зарегистрированных событиях находится максимальное число треков заряженных частиц. ЛП - число ячеек, на которое нужно возвратиться к моменту прохождения через камеры частицы, давшей сигнала на считывание информации с ПК:
Сигнал от гамма-детектора приходит позже, чем от пучковых счётчиков. Чтобы обеспечить их совпадение, сигнал от пучковых счётчиков задерживают на время тЗ, Совпадение этих сигналов даёт сигнал "stop 2", вызывающий остановку счётчика адреса в некотором состоянии. Путем выбора досчёта N2 подбирается оптимальное время считывания информации с пропорциональных камер для мастера, включающего сигнал от у-детектора:
Сигнал с проволочки от прохождения заряженной частицы имеет длительность 20 не. В зависимости от расстояния, на котором частица прошла от проволочки, сигналы могут иметь разброс 25 не. Кроме этого, время прихода сигнала может меняться в пределах 10 не в зависимости от того, в каком месте по длине проволочки образовался заряд. Также из-за конечной скорости заряженной частицы сигнал от передней самой камеры приходит на 15 не раньше, чем от самой задней камеры. Разброс задержки срабатывания электроники составляет 15 не. Таким образом, разрешающее время МПК и электроники, обеспечивающее 100% эффективность регистрации, составляет примерно 60 не.
Считывание информации в ЭВМ ведётся через интерфейс в стандарте КАМАК. Система считывания использует принцип приоритетного кодирования, т.е. считываются только те ячейки, в которых записаны сигналы. Кроме того, информация от подряд сработавших проволочек сшивается в "кластер" и передается в ЭВМ одним словом, содержащим адрес начала "кластера" и его длину. Среднее время на считывание информации об очередном "кластере" не превышает 1.5 мке, что позволяет вести считывание со скоростями до 1 Мб/с.
Для управления различными системами спектрометра и контроля их режимов создан комплекс электронных блоков в стандарте КАМАК. С его помощью осуществляется синхронизация с циклом ускорителя, визуальный контроль, управление режимом установки и элементами тракта пучка (магнитами и коллиматорами), контроль и регулировка напряжения питания различных узлов спектрометра.
Сигнал с выхода предварительного усилителя (ГГУ на рис. 2.23), находящегося непосредственно вблизи германиевого детектора, разветвляется на 4 канала. Два идентичных спектрометрических тракта (ГД1) обеспечивают формирование и усиление аналогового сигнала. Аналоговый сигнал с выхода рабочего тракта после прохождения линейной схемы пропускания, открываемой сигналом на считывание информации, преобразуется в цифровую информацию с помощью АЦП и считывается в ЭВМ (мёртвое время АЦП составляет 10-15 мкс). По другому тракту осуществляется оперативный контроль работы у-спектрометра с помощью анализатора типа NOKLA,
Значительной трудностью при использовании Ge(Li)-детектора в нашем эксперименте явилось наличие фона от заряженных частиц и у-квантов высоких энергий. Амплитудная перегрузка спектрометрического тракта приводит к неконтролируемой потере эффективности спектрометра при использовании стандартной электроники, поскольку сигнал, формируемый зарядово-чувствительным предусилителем, имеет длительность несколько миллисекунд. Дня предотвращения эффектов перегрузки величина времени собирания заряда, определяемая цепью обратной связи в предусилителе, была уменьшена более чем на порядок. При этом неизбежно некоторое ухудшение энергетического разрешения детектора.
Сигнал Се(ЬІ)-детектора, поступающий на входы логических каналов (ГД2), дифференцируется с постоянной времени 50 не в блоках Б.Ус (рис. 2.23) и формируется дискриминаторами нижнего уровня (ДНУ). Канал быстрого сигнала имеет предельно низкий порог срабатывания при длительности сигнала на выходе 50 не. Канал подавления ложных запусков имеет длительность 200 не, но значительно более высокий порог срабатывания, уменьшая тем самым влияние электрических наводок. Система электроники, обеспечивающая работу Nal-сборки, содержит только логические блоки. Шесть Nal-детекторов работают в счётном режиме с порогом срабатывания каждого 50 кэВ. Сигналы этих шести детекторов суммируются, и сформированный сигнал запрета длительностью 200 не подается на 4-х входовую схему совпадений СС. На эту же схему поступают сигналы с выходов быстрого канала и канала подавления ложных запусков (ГД2), а также со схемы совпадения счётчиков Si-S& (СС1). При срабатывании схемы совпадений выдается сигнал-мастер, который разрешает запись информации в ЭВМ.
Проведение эксперимента, характеристика полученных данных
Измерение сечений образования ядер при взаимодействии протонов с энергией 1 ГэВ с ядрами кремния проводится методом регистрации мгновенного у-излучения, возникающего при переходах возбуждённых ядер в состояние с меньшей энергией возбуждения или в основное состояние. При этом измеряются не полные выходы ядер, поскольку зарегистрировать все у-переходы практически невозможно, а парциальные сечения переходов. Так, если мы зарегистрировали переход ядра с первого возбуждённого состояния в основное, и по площади соответствующего пика в спектре гамма-квантов измерили сечение у-перехода, то мы можем определить сечение возбуждения первого уровня ядра. Оно включает как сечение образования первого возбуждённого состояния ядра, так и сечения образования вышележащих состояний, снятие возбуждения которых происходят через первое.
В данной главе анализируется информацию только с германиевого у-детектора по части статистике. Всего имеется 2.5-10 таких событий. Гамма-спектр, полученный на пучке протонов с мишенью из кремния, приведён на рис, 4,1.
Непрерывная компонента спектра (континуум) формируется главным образом у-квантами с неполностью зарегистрированной энергией из-за вылета ливневых частиц за пределы детектора, комптоновским рассеянием и у-излучением фонового происхождения. Максимумы в спектре обусловлены у-переходами ядер, образующихся в реакции с протонами, из возбуждённых состояний в основное или состояние с меньшей энергией возбуждения.
В районе максимумов спектры аппроксимировались функцией / (см. формулы 2.5 и 2.6), определяющей форму линии, и линейной функцией, экстраполирующей континуум. Для описания интервалов спектра, состоящих из нескольких у-линий, в аппроксимирующую функцию включалось несколько функций/. Для каждой из них в результате фитиро-вания были найдены значения энергии д, соответствующей максимуму у-линии, параметр формы s и параметр а, связанный с амплитудой функции/" Найденные значения (і служили для идентификации у-переходов с помощью известных таблиц [2,122]. Параметры sma служили для вычисления площади спектра под графиком функции/. По величине площади определялось сечение соответствующего у-перехода. Большую трудность представляло то, что в некоторых интервалах спектра имеется несколько у-переходов разных возбужденных ядер с близкими энергиями, а также фоновые линии. Погрешность в юмерении вероятности переходов в таких интервалах значительно возрастает. где N - площадь под пиком, выраженная в числе событий; А = 28 - атомный номер ядра-мишени; NAV - число Авогадро; яг=6.18 г/см2 - толщина мишени;
f eff-эффективность гамма-спектрометра, выраженная в стерадианах; к(Еу) - коэффициент, учитывающий поглощение у-квантов в мишени и счётчике S$; m=0.95 поправка на мёртвое время гамма-детектора; - поправка на угловое распределение у-квантов в ядерных переходах; =1.05 для перехода 2+(i5 0+(gS) ядра Si [24], для остальных переходов =1.0; АГо=5.61-1010- количество частиц пучка, попавших на мишень за время измерений. Зависимость коэффициента поглощения фотонов в веществе от его энергии к(Еу) вычислялась методом Монте-Карло; она приведена на рис. 4.2. Величина коэффициента изменяется от 0,35 при энергии 200 кэВ до 0.7 при энергии 2500 кэВ.
Идентификация переходов осложняется тем, что среди зарегистрированных наблюдаются максимумы, возникающие при взаимодействии нейтронного фона ускорителя с ядрами конструктивных материалов, находящихся вблизи детектора - ядрами алюминия, железа и свинца. Возможны реакции (я,у) и (п,п{) с возбуждением ядра. Наблюдается также фоновое у-излучение, возникающее при поглощении нейтронов в кристалле Ge(Li). Энергии фоновых у-линий известны, и их наличие учитывалось при обработке спектров. Наблюдаются следующие фоновые гамма-линии: суммарная гамма-линия 198.4 кэВ ядра 71Ge (от перехода со второго уровня на первый
Для лучшей идентификации пиков были проведены дополнительные измерения. На установке МАГ регистрировались спектры у-квантов при взаимодействии протонов с энергией 1.5 ГэВ с мишенями углерода, магния, алюминия, кремния, фосфора и серы. Постановка эксперимента аналогична вышеописанной. Полученные у-спектры приведены на рис. 4.4 и рис. 4.5. Вышеперечисленные фоновые линии присутствуют на всех спектрах взаимодействия протонов с ядрами. Дія каждого из ядер отмечены наиболее интенсивные реакции (р,р), {р,р р)ш (р,р 2р2п). На различных мишенях наблюдаются, в основном, одни и те же максимумы, но интенсивность их различна в зависимости от того, на каком ядре и с вылетом каких частиц происходит реакция.
Как было отмечено, для четно-чётных ядер переход большинства возбуждённых уровней в основное состояние происходит каскадным образом через первый возбуждённый уровень. В этом случае можно считать, что сечение образования ядра близко к сечению у-перехода с первого уровня в основное состояние. В нашем эксперименте к таким конечным ядрам относятся 2SSi, 2SSi, 26Mg, 24Mg, 22Ne и 20Ne. Доя некоторых из этих ядер, например, Si и Mg, наблюдаются также переходы со второго возбуждённого состояния на первое возбуждённое состояние со значительно меньшим сечением.
Для ядер Na, Ne, F, О и В наблюдается у-переход в основное состояние только с первого возбуждённого уровня. Для ядер 23Na, Ne, 170 и 10В у-переходы с более высоких возбуждённых уровней в основное состояние проходят через первый возбуждённый уровень, поэтому сечение образования ядра близко к сечению образования первого возбуждённого состояния. Для ядра 20F сечение у-перехода в основное состояние с первого возбуждённого уровня можно считать нижней границей сечения образования ядра.
Оценка сечения квазикогерентного взаимодействия по данным с передних камер
При энергии 745 кэВ имеется пик с сечением о=5.3±0.5 мбн. Он отстоит от перехода ядра 1 бС с первого возбуждённого состояния в основное (при энергии 740.0 кэВ) на 5 кэВ. При взаимодействии протонов с другими ядрами при энергии 745 кэВ также наблюдаются максимумы. Поэтому, скорее всего, пик имеет фоновое происхождение.
Как отмечалось выше, в условиях нашего эксперимента мы регистрируем гамма-переходы в интервале энергии от 150 до 3400 кэВ с характерным временем от 100 фс до 20 не. Не регистрируются нами переходы с первого возбуждённого состояния в основное для ядер 14S1, nNa, uNa, $F и jN из-за слишком маленькой энергии излучаемых фотонов, а для ядер l gO, sA N, 14 C, 136С и 12еС из-за слишком большой энергии. Времена переходов с первого возбуждённого состояния в основное ядер 24ізА1, liNa, nsB, 95В слишком большие, чтобы быть зарегистрированными в условиях нашего эксперимента.
В табл. 4.1 приведены результаты измерений сечений у-переходов, возникающих при взаимодействии протонов с энергией 1 ГэВ с ядрами кремния. Данные расположены в порядке убывания заряда и массового числа ядра-продукта, образующегося в реакции. Приведено полученное в эксперименте значение энергии у-перехода, его табличное значение, взятое из базы данных NNDC[2], ядро-продукт, образующееся в реакции, вылетающие частицы (кроме протона), квантовые числа данного перехода, ядра-продукта и сечение у-перехода. В последнем столбце дана оценка сечения образования конечного ядра. Для двух пар ядер, AI и Mg и ЧМе и О, даны суммарные сечения для каждой пары, так как не удаётся разделить вклад отдельных компонент. Приведенные ошибки сечения являются статистическими и определяются ошибками параметров, полученными при фитировании пиков. Кроме этого, существуют ошибки, связанные со способом фитирования и учетом близлежащих пиков. Неточность, связанную с этими ошибками, можно оценить как 2% для интенсивных пиков (например, 1780.3, 418.2, 1369.8, 441.2, 1276.0 кэВ) и 5% для остальных пиков. Возможна также систематическая ошибка в определении эффективности спектрометра и в мониторировании пучка, равная примерно 10%. Идентифицированные гамма-переходы ядер, соответствующие табл. 4.1., даны на рис. 4.3.
Для кремния с уменьшением массового числа изотопа от 28 до 26 и для алюминия с уменьшением массового числа изотопа от 27 до 25 сечения падают, поэтому сечения образования ядер 25i4Si и 24ізА1, скорее всего, будут небольшими. Сечения образования других вышеперечисленных ядер также не могут быть большими, так как они образуются в реакциях с вылетом большого числа частиц.
В таблице 4.2 приведено сравнение полученных данных с данными других авторов и теоретическими расчетами. Приведены только наиболее достоверно определённые сечения. Во втором столбце приведены полученные в данной работе сечения образования ядер. В третьем столбце приведены результаты полученные на синхротроне Saturn в Сакле [45] при энергии налетающего протона 1.2 ГэВ. Сечение образования Ne получено на масс-спектрометре и совпадает в пределах ошибок с нашим результатом. Сечения, отмеченные символом (с), получены методом накопления. При этом в сечениях не исключён вклад радиоактивных предшественников, и результаты, как правило, являются верхней границей сечения реакции.
Далее приведены результаты эксперимента [123], в котором ядра Si, ускоренные до энергии 600 МэВ/нуклон, взаимодействовали с покоящимся протоном. Разделение ядер-продуктов происходило масс-спектрометрическим методом Результаты этого эксперимента близки к нашим для ядер 26Si, 24Mg, 22Ne, 21Ne и 20Ne. Отметим, что в данном эксперименте, в отличие от нашего, регистрируются ядра, образующиеся напрямую в основном состоянии. Существуют полуэмпирические модели, описывающие расщепление ядер при энергиях налетающего протона порядка 1 ГэВ, такие как формулы Рудстама [124], Silberberg и Tsao (ST) [125, 126], четырёхпараметрическая формула [127]. Обзор других полуэмпирических моделей приведен в [128]. Показано, что большинство из них не точнее формулы Рудстама и заметно хуже точности формулы ST. В пятом столбце приведены результаты выполненных нами расчетов по полуэмпирической формуле Silberberg и Tsao. Результаты расчёта по формуле Silberberg и Tsao наиболее близки к экспериментальным значениям для изотопов неона и значительно отличаются для ядер Mg, TVtgn a.
При расчёте выхода ядер в протон-ядерных взаимодействиях широко применяются каскадные расчеты. При прохождении высокоэнергичных протонов через ядро, они претерпевают последовательные соударения с нуклонами ядрами мишени, рождая множество вторичных частиц. Такой процесс называется "адрон-ядериый-каскад". Имеется большое количество программных кодов применяемых для моделирования внутриядерных взаимодействий. Обзор некоторых из них, а также их сравнение с экспериментом приводится в [129-131]. В шестой колонке таблицы приведены результаты моделирования методом Монте-Карло с помощью каскадно-предравновесно-испарительно-делительной модели INUCL [132, 133]. Из таблицы видно, что INUCL не всегда удовлетворительно описывает сечения расщепления, хотя для некоторых ядер, например,2 Al, 2INe и 2f Ne, данные расчётов близки к экспериментальным значениям.
В настоящее время широко используется расчёты с помощью программы GEANT 3.21 [117] и входящих в неё модулей расчёта ядерных взаимодействий GHEISHA [134] и FLUKA [135]. GHEISHA разыгрывает адронные взаимодействие с ядрами, оценивая сечения, множественность и кинематику конечных состояний. FLUKA - автономная симуляционная программа, содержащая физические процессы для адронов и лептонов, процессы переноса и программу расчёта геометрии. Эти программы претендуют на правильное описание всех сильных взаимодействий адронов с ядрами. Из таблицы видно, что расчёты с помощью кодов GHEISHA и FLUKA дают значения сечений, очень сильно отличающиеся от экспериментальных. Таким образом, GEANT плохо применим для описания расщепления ядер среднего атомного номера.
Таким образом, в четвёртой главе с помощью анализа спектров мгновенного у-излучения, возникающего при взаимодействии протонов с энергией 1 ГэВ с ядрами 2KSi, измерены сечения 28 у-переходов 19 возбуждённых ядер.
Требование наличия трека, зарегистрированного в магнитном спектрометре, а также отбор проведённых треков приводит к выделению определённых взаимодействий, при этом изменяются и спектры гамма-квантов. На рис. 5.1 приведён спектр у-квантов для всех событий (типа "набор"), записанных в ЭВМ (до проведения трека) - 1) и спектр у-квантов однотрековых событий, в которых восстановленный трек рассеянного протона лежит в области 1.5 0 6.5 - 2). Видно, что при отборе треков по углам протонов, форма спектра гамма-квантов изменилась. Заметно уменьшилась непрерывная часть спектра (континуум), изменился её наклон. Для большинства пиков от реакций расщепления выросло отношение сигнал/фон. Особенно сильно по сравнению с фоном вырос пик при энергии 1779.0 кэВ от квазикогерентного взаимодействия (28Si(p,p )2 Si ). Величина фоновых пиков 595.9 кэВ от Ge и 846.8 кэВ Fe заметно уменьшилась. Рассмотрим последовательно один за другим отборы, приводящие от спектра 1) на рис. 5.1 к спектру 2).
На рис. 5.2 приведены следующие отношения спектров гамма-квантов: 1 — отношение у-спектра всех событий к спектру однотрековых событий; 2-отношение у-спектра однотрековых событий с 8 15 к спектру событий 1.5 6 15 ; 3- отношение у-спектра однотрековых событий с 1.5б 15 к спектру событий 1.5 б 6.5.
