Введение к работе
Актуальность темы. Вопрос об изучении механизмов взаимодействия частиц с ядрами являє і ся одним из основных в ядерной физике. При средних энергиях налетающих частиц, а именно эта область составляет предмет обсуждения, доминирующим является каскадный механизм возбуждения ядер, который приводит к расщеплению ядра, сопровождающемуся испусканием быстрых нуклонов и легких заряженных частиц. Очевидно, что для полного понимания этого процесса необходима одновременная регистрация всех продуктов реакции. До сих пор, однако, экспериментальные данные по вылету заряженных частиц носят преимущественно инклюзивный характер, хотя эксперименты, в которых изучаются эксклюзивные реакции выбивания нуклонов, а также эксперименты с одновременной регистрацией несколько частиц, являются значительно более информативными. Настоящая работа является одной из первых попыток в проведении совпадательных экспериментов на пучке фотонов средних энергий.
Специфика каскадного механизма возбуждения заключается в том, что частицы, образующиеся в первичном акте взаимодействия, вызывают лавину бы-стры'х, инициирующих друг друга частиц и нуклонов отдачи, после чего ядро остается в сильно возбужденном состоянии. В средних и тяжелых ядрах внутриядерный каскад состоит, как правило, из нескольких ветвей и вылетающие частицы являются, а основном, вторичными. В результате их спектры имеют экспоненциальную форму, определяемую не типом начального взаимодействия, а каскадным процессом. Это позволяет использовать большое многообразие налетающих частиц при изучении процессов релаксации в ядрах в рассматриваемой области энергий. Среди них выделенными являются -/-кванты, электроны, /<- и т-мезоны и антипротоны, захватываемые с атомной орбиты, поскольку они относительно слабо возмущают ядро при взаимодействии. В па-стоящей работе изучение процессов релаксации ограничивается реакциями с 7-кваптамн и остановившимися антипротонами.
Изучение вылета легких заряженных частиц в совпадении с осколками деления позволяет проследить развитие ядерного каскада от начальной, быстрой стадии взаимодействия до полного установления термодинамического равновесия в составном ядре. Измерение выхода этих частиц позволило бы лучше определить пуклонный состав начального составного ядра, что важно знать при расчете делпмостеіі ядер: делимость изменяется при уменьшении энергии возбуждения ядра после испускания быстрых частиц. Подобного рода исследования легче всего проводить для тяжелых ядер-актинидов, низкий барьер деления которых приводит к том}', что испускание заряженных частиц практически всегда сопровождается делением ядра на два осколка. Экспериментальные данные по вылету заряженных частиц из тяжелых ядер, довольно ограниченные, были получены в реакциях с частицами различной природы
— 2—
и энергий (7, /'", т-, п, р), а также с тяжелыми ионами. Первые результаты с тг-мезонами, быстрыми нейтронами и 7-квантами были получены еще в середине 50 гг. с помощью трековых детекторов, а затем в течение длительного времени новые экспериментальные данные практически отсутствовали. Эти исследования возобновились лишь в последние несколько лет, что связано с совершенствованием экспериментальной техники, появлением интенсивных пионных и квазимонохроматических фотонных пучков, а также с развити-. ем теоретических представлений о процессах взаимодействия частиц средних энергий с ядрами. Основной способ монохроматнзации фотонов, получивший наибольшее распространение и используемый в настоящей работе, — это метод мечения фотонов по энергии, заключающийся в регистрации рассеянного от тормозной мишени электрона на совпадение с продуктами реакции.
Механизмы образования легких заряженных частиц могут зависеть как от . типа частицы, так и от массы ядра. Для детального анализа этих механизмов необходимы экспериментальные данные по вылету легких заряженных частиц различного типа в широком диапазоне масс ядер. В настоящее время данные подобного рода, очень ограниченные, имеются лишь для реакций с остановившимися я-~-мезонами и антипротонами.
При больших энергиях внутриядерный каскад приобретает интересные особенности: вылет вторичных частиц, образующихся в ;rN- и NN-столкновениях, происходит в узкий конус. Вследствие этого происходит замедление диссипации энергии внутри ядра и может образоваться сложная частица, состоящая из нескольких нуклонов. С точки зрения традиционных представлений об атомном ядре невозможно объяснить вылет из него системы, энергия связи которой значительно меньше ее кинетической энергии. Для детального анализа этих механизмов необходимы экспериментальные данные по вылету легких заряженных частиц различного типа в широком диапазоне масс ядер. В настоящее время данные подобного рода, очень ограниченные, имеются лишь для реакций с остановившимися тг_-мезонами и антипротонами.
Таким образом, проблема получения новых экспериментальных данных по вылету легких заряженных частиц, в которой можно, например, выделить частицы, вылетающие в совпадении с осколками деления, а также данные инклюзивного характера для широкого интервала ядерных масс, представляется весьма актуальной. Эти исследования особенно интересны для частиц, вносящих в ядро минимальный угловой и линейный моменты, таких как 7-киапты средних энергий и остановившиеся антипротоны. Они эффективно возбуждают ядра до энергий, значительно превышающих энергии связи нуклонов в ядре, и описываются в рамках одной концепции (каскадно-испарителыюй модели). Отличие же реакций с фотонами от реакций с антипротонами связано, главным образом, с различным характером поглощения (объемным и поверхностным, соответственно), а также с разными энергиями возбуждения. Экспериментальные данные по вылету заряженных частиц в реакциях с остановившимися антп-
— з—
протонами также ограничены, что связано с большой технической сложностью получения антипротонных пучков и их высокой стоимостью. Цель работы:
-
Разработка и создание сцинтнлляционных пластиковых (АЕ, .^-телескопов для регистрации легких заряженных частиц в совпадении с осколками деления ядер.
-
Разработка программы обработки данных по фотоделению ядер и ее адаптация к обработке данных с остановившимися антипротонами.
-
Получение экспериментальных данных по вылету протонов в совпадении с осколками деления в области промежуточных энергий при фотоделении ядер актинидов, а также по вылету легких заряженных частиц при аннигиляции остановившихся антипротонов для широкого диапазона ядер мишеней (от лития до тория) с целью исследования механизмов указанных реакций и проверку предсказаний каскадно-пспарителыгой модели.
Научная новизна.
С помощью сцинтнлляционных пластиковых (і\Е, )-телескопов, являющихся составной частью детектора фрагментов деления (ФД), впервые были измерены сечения образования протонов с энергией от 30 до 80 МэВ в совпадении с осколками деления ядер 235'23SU и 237Np на пучке меченых фотонов с энергией Е1 = 60 - 240 МэВ.
Разработана и отлажена программа обработки данных, с помощью которой впервые получены экспериментальные данные по вылету фотопротонов при делении ядер-актинидов. Эта программа была также успешно использована для обработки данных по вылету легких заряженных частиц, вылетающих при аннигиляции остановившихся антипротонов в ядрах.
Впервые измерены спектры фотопротонов с энергией выше 30 МэВ от распада ядер 23o23SU и 23,1\тр, предшествующих делению. Показано, что спектоы имеют экспоненциальную форму и качественно согласуются с результатом расчетов, выполненных в рамках каскадно-нспарнтельной модели. Вместе с тем имеется расхождение в наклонах спектров для протонов с энергией выше 50 МэВ, которое может составить вопрос для дальнейших исследований.
Впервые получена вероятность вылета каскадных фотопротонов с ЕР > 30 МэВ, предшествующих делению ядер на осколки, в диапазоне Еу = 60 — 240 МэВ. Для всех исследуемых ядер она составляет в среднем 0.21 ±0.07 на акт деления.
С помощью созданной программы обработки данных впервые получены экспериментальные спектры протонов, дейтронов и тритонов, вылетающих при аннигиляции остановившихся антипротонов в ядрах B''Li, 2SSi, 40Са, D8,(''i\Ti, ,0Ge, ,>8Мо. 165Но, ,,4Yb. 20SPb п 232ТЬ. Эти спектры могут быть описаны суммой двух экспонент, что отражает факт существования двух основных мехаїшз-мов испускания протонов: внутриядерного каскада при высоких энергиях и испарения при низких. Полученные экспериментальные данные находятся в
— 4—
качественном согласии с расчетами по каскадно-испарнтельноіі модели.
Получены Л-зависимости выходов протонов, дейтронов и тритонов в реакциях с антипротонами. Сравнение экспериментальных данных с расчетами по каскадно-испарнтелыюй модели, учитывающими различные механизмы образования легких заряженных частиц (каскад, предравновесная эмиссия, муль-тифрагментация и испарение) и выполненными А. С. Ильиновым с сотрудниками, показывает их качественное согласие.
Практическая ценность диссертации определяется, во-первых, возможностью использования полученных экспериментальных данных для более полного понимания механизмов взаимодействия 7-квантов и антипротонов с ядрами, в частности, для уточнения параметров каскадно-испарительной модели ядерных реакций, а во-вторых, разработкой методики регистрации легких заряженных частиц при делении ядер 7-квантами промежуточных энергий.
Созданные сцинтилляционные пластиковые (АЕ, )-телескопы, как часть детектора фрагментов деления ФД, могут быть использованы для регистрации легких заряженных частиц в совпадении с осколками деления ядер, в частности, на установке ПМФ "Сибири-2".
Использованный метод обработки данных может быть применен для широкого круга задач корреляционных экспериментов, когда возникает проблема сбора и хранения информации в компактном виде. Созданное программное обеспечение позволяет проводить многопараметрический анализ данных, что во многих случаях может с успехом заменить широко известный пакет программ PAW.
. На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Разработка и создание сцинтнлляционных пластиковых (АЕ, ^-телескопов, являющихся составной частью детектора фрагментов деления ФД. Телескопы позволяют регистрировать легкие заряженные частицы в совпадении с осколками деления ядер.
-
Создание программного обеспечения эксперимента по изучению фоторасщепления ядер на пучке меченых фотонов на установке РОКК-2 накопителя электронов ВЭПП-3. Это же программное обеспечение позволило провести обработку большого объема экспериментальных данных, полученных в реакциях с остановившимися антипротонами.
-
Результаты измерений сечений образования протонов с энергией от 30 до 80 МэВ в совпадении с осколками деления ядер 23S-238U и 237Np на пучке меченых фотонов с энергией 60-240 МэВ.
-
Результаты измерения спектров фотопротонов с энергией выше 30 МэВ от распада ядер 235-238U и 23' Np, предшествующих делению. Показано, что спектры имеют экспоненциальную форму и качественно согласуются с результатом расчетов, выполненных в рамках каскадно-испарительной модели.
-
Результаты измерения вероятности вылета каскадных протонов с Ер > 30 МэВ, предшествующих делению ядер иа осколки, в диапазоне Е-у = 60 — 240
Mali, которая составляет в среднем для всех исследуемых ядер 0.21 ± 0.07 на акт деления.
-
Адаптация программы обработки данных и полученные с ее помощью результаты обработки с помощью (АЕ, )-метода экспериментальных данных, полученных на установке LEAR по расщеплению ядер антипротонами с регистрацией протонов, дейтронов и тритонов.
-
Результаты измерения спектров протонов, образующихся п результате аннигиляции антипротонов в ядрах ejU, 2SSi, 40С'а, S8'64Ni, 70Ge, 9sMo, 165Ho, 1,4Yb, 20SPb и 232Th. Спектры описываются суммой двух экспонент, что отражает факт существования двух основных механизмов испускания протонов: внутриядерного каскада при высоких энергиях и испарения при низких. Полученные экспериментальные данные находятся в качественном согласии с расчетами по каскадно-испарнтельной модели.
-
Результаты измерения Д-зависимостей выходов протонов, дейтронов и тритонов в реакциях с антипротонами. Сравнение экспериментальных данных с расчетами по каскадно-испарительной модели, учитывающими различные механизмы образования легких заряженных частиц (каскад, предравновесная эмиссия, мультифрагментадия и испарение) и выполненными А. С. Илышовым с сотрудниками, показывает их качественное согласие.
Аппробацня работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на б-оіі международной школе по физике промежуточных энергий (Венеция, 19S8), 6-ой международной конференции по механизмам ядерных реакций (Варешіа, 1991), S-ом семинаре по электромагнитным взаимодействиям при малых и средних энергиях (Москва, 1991), гордоновской конференции по фотоядерным реакциям (Ныо-Хемпшнр, 1992), международной конференции по ядерной физике (Висбаден, 1992), 2-ой международно]'! конференции "Particle Production Near Threshold" (Уппсала, 1992), симпозиуме по ядерной физике (Бомбей, 1992). По материалам диссертации опубликовано 10 работ. Список основных публикаций приводится в конце автореферата.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введення, трех глав, заключения и приложения, содержит всего 1-17 страниц текста, в том числе 111 страниц основного текста, 37 рисунков, 10 таблиц и список литературы, содержащий 137 наименований.
