Введение к работе
В настоящей диссертации представлены экспериментальные результаты в области ядерных реакций на разделенных изотопах олова (112,118,120,124Sn) под действием протонов с энергиями 0.66, 1.0, 3.65 и 8.1 ГэВ и под действием дейтронов с энергией 3.65 ГэВ/нуклон. Приведены также результаты исследований для выходов реакций под действием протонов с энергией 0.66 ГэВ на радиоактивных ядрах 129I, 237Np и 241Am. Проведено детальное сравнение полученных результатов с соответствующими теоретическими моделями.
Актуальность темы:
Согласно современным представлениям взаимодействие высокоэнергетичных заряженных частиц с атомными ядрами описывается двухступенчатой, каскадно-испарительной моделью. В первой, быстрой стадии реакции, налетающая частица взаимодействуя на своем пути с ограниченным числом нуклонов ядра, вылетая из ядра уносит с собой определенное число быстрых частиц. На второй стадии, оставшееся после каскада, возбужденное ядро относительно изотропно испускает нуклоны (гамма кванты) и превращается в ядро-продукт [1]. Эта модель описывает ядерные реакции в широкой области масс мишеней, ядер-продуктов и энергий налетающих частиц. В тоже время, несмотря на многочисленные экспериментальные факты, накопленные за многолетнюю историю в физике ядерных реакций, некоторые из важных проблем, таких как механизм адрон- и ядро-ядерных взаимодействий при высоких энергиях, поиск нового острова стабильности сверхтяжелых элементов, свойства экзотических ядер и т.д. все еще ожидают своего решения. Одна из них связана с выяснением механизма образования легких ядер-продуктов (механизм мультифрагментации).
Ядерная фрагментация была открыта 70 лет назад при изучении космических лучей, как неожиданный феномен сопровождающий соударение релятивистских протонов с мишенями. Она выявилась в виде испускания медленных фрагментов, масса которых была тяжелее чем масса a-частиц, но легче чем масса фрагментов деления [2]. В настоящее время их называют Фрагментами Промежуточной Массы (ФПМ 7Z20). В дальнейшем, ядерная фрагментация была обнаружена в экспериментах на ускорителях. Ситуация сильно изменилась в 1982 году, когда на ускорителе в Беркли Якобсоном и др. во взаимодействиях 12C (250 МэВ/нуклон) с ядрами фотоэмульсий было открыто множественное рождение ФПМ (ядерная мультифрагментация) [3]. Это стимулировало появление многих теоретических моделей, в которых образование легких ядер-продуктов объяснялось фазовым переходом "жидкость-газ", который происходил при большой температуре горячего ядра, образующейся при облучении ядра–мишени высокоэнергетичной частицей [4,5]. Горячие ядра образуются при столкновении высокоэнергичных тяжелых ионов с ядрами. Нагревание ядра сопровождается сжатием, сильным вращением и искажением формы, что в свою очередь влияет на распад самого высоковозбужденного ядра. В таких случаях говорят о «динамической» мультифрагментации. Картина становится более ясной когда в качестве бомбардирующих частиц используются легкие релятивистские снаряды (протоны, дейтроны, a-частицы). В результате энергия возбуждения ядра почти целиком тепловая и можно применить термодинамические подходы для описания ядерного фазового перехода «жидкость-газ» («тепловая мультифрагментация»).
В настоящее время накоплен богатый экспериментальный материал в исследовании ядерной мультифрагментации. Несмотря на это все еще остается открытым вопрос: можно ли механизм мультифрагментации применить только для ФПМ (7Z20) или более тяжелые остаточные ядра тоже могут образоваться как остаточные партнеры ФПМ в ядерной мультифрагментации.
Другое важное направление в области ядерных реакций исследуемое в настоящей диссертации это трансмутация продуктов деления и трансурановых элементов, интерес к которым сильно возрос в последнее десятилетие в связи с проблемой утилизации ядерных отходов при работе атомных электростанций. Сделанные различными группами оценки показывают, что при трансмутации всех трансурановых элементов (ТУЭ) радиационный риск, обусловленный их утечкой из глубинного могильника, сравнивается с естественной радиоактивностью урановой руды не через 5106 лет, как в случае непереработанных отходов, а примерно через 103 лет. Но при этом увеличивается обращение с ТУЭ на всех этапах топливного цикла [6].
Оценки радиационной опасности отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) показывают, что после выделения актиноидов уран--плутониевого ряда и продуктов деления типа 90Sr и 137Cs, главным источником воздействия на население остаются 241Am и 237Np. При этом среди актиноидов наибольший вклад в радиоактивность дает 241Am. Опасность от 237Np заключается во первых в том, что, по массе этот элемент преобладает в ОЯТ, а во вторых у 237Np повышенная миграционная способность в биосфере, по сравнению с другими актиноидами, что приводит к большой вероятности попадания его в организм человека по пищевым цепочкам. Среди продуктов деления ОЯТ 129I тоже обладает повышенной миграционной способностью.
Несомненно, экспериментально полученные поперечные сечения образования ядер продуктов в радиоактивных мишенях 129I, 241Am и 237Np имеют важное значение для проектов сжигания трансурановых отходов на прямом протонном пучке.
Цель и задачи работы формулируются следующим образом:
1. Исследование сечений образования и кинематических характеристик остаточных ядер в реакциях протонов и дейтронов с разделенными изотопами олова с целью определения механизма образования продуктов в массовой области (40A80).
2. Исследование сечений образования выходов остаточных ядер в реакциях протонов с радиоактивными ядрами с целью систематизации и планирования трансмутации радиоактивных отходов.
3. Развитие современных спектроскопических методик для решения поставленных задач, автоматизации эксперимента и обработки данных.
Научная новизна:
Усовершенствована и автоматизирована методика идентификации и определения сечений образования короткоживущих b-нестабильных продуктов ядерных реакций методом наведенной активности.
Разработана методика расчета оптимальных параметров эксперимента по изучению ядер-продуктов находящихся в сложных цепочках распада.
Экспериментально определены сечения образования ядер-продуктов в широкой массовой области 7 A At из обогащенных изотопов олова (112Sn, 118Sn, 120Sn, 124Sn) под действием протонных пучков с энергиями 0.6. 1.0, 3.65, 8.1 ГэВ и дейтроного пучка с энергий 3,65ГэВ/нуклон. Из исследований следует, что легкие продукты образуются в процессе мультифрагментации, которая предполагает фазовый переход «жидкость-туман» происходящий в горячем ядре при бомбардировке его высокоэнергетическими частицами. Сделана оценка вклада механизма мультифрагментации в образовании продуктов в средней массовой области.
Получены новые результаты кинематических характеристик ядер-отдачи в реакциях на 118Sn под действием протонов и дейтронов с энергиями 3.65 ГэВ/нуклон. Сравнение передаваемых продольных импульсов на нуклоне указывает на более эффективную передачу импульсов протонами, чем дейтронами. Анализ этих экспериментальных результатов также указывает на вклад механизма мультифрагментации в образование лёгких и среднетяжелых продуктов.
Получены новые данные о процессах (p,xn), (p,pxn), (d,xn) и (d,pxn) при 1 x 14 на обогащенных изотопах олова 112, 118, 120, 124Sn при энергиях 0.6. 1.0, 3.65, 8.1 ГэВ/нуклон. Исследован характер изменений сечений реакций (p,xn), (p,pxn) в области энергий 1-8.1 ГэВ.
Исследованы изомерные отношения 20 ядер-остатков из разделенных изотопов 112, 118, 120, 124Sn. Из полученных результатов следует, что характер изменений изомерных отношений сечений в зависимости от числа испущенных мишенью нейтронов обусловлен присутствием нейтронного гало в тяжелых изотопах олова (испарение нейтронов с поверхности ядра), а также тем, что наряду с каскадно-испарительным процессом существует процесс поглощения отрицательных вторичных пионов поверхностными квазидейтронами p- +d n+n.
Впервые найдены сечения образования ~ 70 остаточных ядер из каждой радиоактивной мишени 237Np, 241Am и 129I, соответственно, при облучении протонами с энергией 660 МэВ. Сделана оценка эффективности трансмутации на прямом пучке протонов.
Научная и практическая ценность:
Исследование явления ядерной мультифрагментации не ограничивается сугубо областью ядерной физики, а находит свое применение в астрофизике и космологии. Привлекает особое внимание существенное подобие термодинамических характеристик (температура, плотность, изоспиновая асимметрия) наблюдаемых при ядерной мультифрагментации и при сжатии/вспышке массивных звезд. Данный факт, в свою очередь, открывает широкую возможность для использования хорошо известных моделей ядерных реакций при описании распределения и эволюции материи во время взрыва суперновой.
Полученные в этой работе экспериментальные данные могут быть использованы для формирования библиотек ядерных данных (EXFOR, NSR).
На защиту выдвигаются следующие результаты:
1. Усовершенствована и автоматизирована методика идентификации и определения сечений образования короткоживущих -нестабильных продуктов ядерных реакций методом наведенной активности.
2. Разработана методика для расчета оптимальных параметров эксперимента по изучению ядер-продуктов находящихся в сложных цепочках распада.
3. Получены новые экспериментальные данные о процессах (p,xn), (p,pxn), (d,xn) и (d,pxn) при 1 x 14 на обогащенных изотопах олова 112, 118, 120, 124Sn при энергиях 0.6. 1.0, 3.65, 8.1 ГэВ/нуклон. Анализ энергетических зависимостей этих выходов указывает на наличие вкладов в выходы измеряемых остаточных продуктов канала с образованием пионов.
4. Исследованы изомерные отношения »20 ядер-остатков из разделенных изотопов 112, 118, 120, 124Sn, из которых для 10 пар продуктов(95Nb, 95Tc) – новые данные. Из полученных результатов следует, что характер изменения изомерных отношений сечений, в зависимости от числа испущенных мишенью нейтронов, обусловлен присутствием нейтронного гало в тяжелых изотопах олова (испарение нейтронов с поверхности ядра), а также тем, что наряду с каскадно-испарительным процессом существует процесс поглощения отрицательных вторичных пионов поверхностными квазидейтронами (p- +d n+n).
5. Получены сечения образования ядер продуктов в широкой массовой области из обогащенных изотопов олова (112Sn, 118Sn, 120Sn, 124Sn) под действием протонов и дейтронов. Из исследований следует, что легкие продукты реакции образуются в процессе мультифрагментации, которая предполагает фазовый переход жидкость-газ происходящий в горячем ядре при бомбардировки его высокоэнергетическими частицами. Впервые оценен вклад механизма мультифрагментации в образовании продуктов реакции в массовой области 40
6. Получены новые результаты кинематических характеристик ядер-отдачи в реакциях на 118Sn под действием протонов и дейтронов с энергиями 3.65 ГэВ/нуклон. Сравнение передаваемых продольных импульсов на нуклоне указывает на более эффективную передачу импульсов протонами, чем дейтронами. Анализ этих экспериментальных результатов также указывает на вклад механизма мультифрагментации в образование лёгких и среднетяжелых продуктов.
7. В диссертации впервые получены сечения образования »70 остаточных ядер из каждой радиоактивной мишени 129I, 237Np и 241Am, соответственно, при облучении протонов с энергией 660 МэВ. Сделана оценка эффективности трансмутации на прямом пучке протонов.
Апробация работы:
Результаты представленные в диссертации, многократно докладывались на семинарах в отделе НЭОЯС и РХ Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований (г.Дубна), в Ереванском государственном университете, Ереванском институте физики, на международных конференциях по структуре атомного ядра (1997—2007гг), на XXV международном коллоквиуме «Теоретика групповые методы в физике» (Мексика 2004г.)
Публикации:
Основные результаты исследований представлены в 15 работах, опубликованных в реферируемых журналах. В целом, по материалам исследований представленных в диссертации, опубликовано 20 работ.
Структура и объем диссертации:
Диссертация написана на основе двадцати работ, состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Она содержит 206 страниц, включая 57 рисунков, 34 таблицы и список литературы из 193 наименований.
