Изучение массовых распределений продуктов деления высоковозбужденных ядер

Развитие физики деления в последнее время отмечено возрастающим интересом к исследованию процесса деления средне-тяжёлых и лёгких ядер, т. е. ядер в области масс с, А ^ 200 а.е.м. Эти исследования дают возможность получить экспериментальную информацию о таких важных характеристиках процесса как вероятность деления, массовые и зарядовые распределения продуктов, их кинетические энергии и проследить их эволюцию в широком диапазоне изменения параметра делимости ядер Х-(И2/А) /50,13. Эти данные представляют интерес по нескольким причинам. Одна из них состоит в возможности сравнения экспериментальной информации с результатами расчётов макроскопических теорий, таких как модель жидкой капли и различные её модификации Эти расчёты указывают на существование ряда особенностей в характеристиках процесса деления, приходящихся на диапазон средне-тяжёлых и лёгких ядер. Эти предсказания в модели жидкой капли связаны с исследованием зависимости от параметра делимости ядра таких характеристик процесса деления как величина барьера деления, определяющая вероятность процессаустойчивость седловых форм ядер относительно координаты массовой асимметрии, определяющая форму массовых распределений, средние значения и дисперсии энергетических, массовых и зарядовых распределений осколков.

История экспериментального исследования деления относительно лёгких ядер восходит к работам, выполненным новым в ту пору методом фотоэмульсий^, Так, например, целый ряд работ был посвящён исследованию деления ядер Jig Однако, предположение о справедливости экспоненциального падения <э±-/ бin (б"^. — сечение деления- 6″ in — полное сечение неупругих взаимодействий) с уменьшением г*2/А ^ во всём диапазоне ядер периодической системы элементов означало бы, что деление для ядер с, А < 150 практически отсутствует. Новые перспективы в изучении процесса деления ядер этой области массовых чисел открылись с появлением теоретических расчётов делимостей ядер^Л где предсказывалось наличие минимума (в районе ядер J}g) в зависимости С^/6}п от параметра Z/^A ядер. Сопоставление имеющихся экспериментальных данных по делимостям для протонов промежуточных энергий с систематикой Перфилова ^ можно найти в работе /Ю/.

Особый интерес вызывает вопрос об «асимметрии» деления лёгких ядер. Анализ устойчивости седловых конфигураций ядер относительно координаты массовой асимметрии во всех без исключения версиях модели жидкой капли указывает на существование критического значения параметра делимости Xв^(предел Бусинаро-Галлоне) ' ¦LX"J-C/, ниже которого седловые формы делящихся ядер теряют устойчивость относительно координаты массовой асимметрии образующихся осколков. Существование области неустойчивости следует из рассмотрения хода потенциальной энергии ядра вдоль координаты массовой асимметрии, проходящей через седловую точку (см. рис.1). Для ядер с параметром делимости X > X & q. потенциальная энергия ядра увеличивается по мере увеличения массовой асимметрии, переходя через максимумы (максимумы Бусинаро-Галлоне) при некотором знагоры" Бусинаро-Галлоне двойного деления о о.

Рис Л. Сечения потенциальной поверхности ядра по делительной координате eft в плоскости рисунка) и координате массовой асимметрии р> (перпендикулярно плоскости рисунка). чении параметра массовой асимметрии. Для ядер с параметром делимости X < X в & максимумы Бусинаро-Галлоне сливаются друг с другом образуя единый максимум, соответствующий симметричной конфигурации. Следствием этого является стабильность симметричных седловых форм относительно асимметричных деформаций для ядер с X > и их нестабильность для ядер

О.бг. с X < Хв&-. Это, как ожидается, должно приводить к переходу от симметричного массового распределения осколков к резко асимметричному, которое в отличие от ядер актинидной области характеризуется неустойчивой массовой асимметрией. Такой переход иллюстрируется на рис. 2 данными расчёта сопоставляющего ходу потенциальной энергии ядра в зависимости от параметра массовой асимметрии определённый вид массового рас.

РТР ТЯ7 fiS пределения продуктов для ядер Ро, Хе и &-а при температуре распадающегося ядра равной 2 МэВ.

Динамические расчёты ^ предсказывают симметричный характер массовых и зарядовых распределений осколков деления ядер выше предела Бусинаро-Галлоне, ширины которых увеличиваются с уменьшением параметра делимости и по мере увеличения температуры ядра в седловой точке. Хотя расчётные ширины резко возрастают при приближении к X в, расчёты не позволяют описать переход от симметричного к асимметричному способу разделения.

Так как энергетический порог процесса деления ядер растёт с уменьшением массы ядра, возможность его экспериментального изучения в диапазоне средне-тяжёлых и лёгких ядер может быть реализована только в реакциях, приводящих к обра.

Ро.

О) о.

Хе.

Рис. 2. Зависимость потенциальной энергии от параметра зарядовой асимметрии р>2 (слева) и соответствующие относительные выходы продуктов распада (правая шкала) ядер Ро, Хе и G-a зованиго высоковозбуждённых ядер. Эти реакции можно условно разделить на две группы: образование составных ядер в реакциях слияния с тяжёлыми ионами и образование возбуждённых ядер в результате взаимодействия протонов и гамма-квантов промежуточных энергий с ядрами.

Исследования процесса деления средне-тяжёлых и лёгких ядер с помощью пучков гамма-квантов ограничиваются в основном измерениями делимости ядер или изучением характеристик отдельных продуктов реакции, что объясняется главньи. образом отсутствием монохроматических интенсивных пучков гамма-квантов /14/.

В реакциях слияния с тяжёлыми ионами образующиеся составные ядра характеризуются большой средней величиной углового момента. Наличие большого углового момента, а точнее набора угловых моментов, у распадающегося составного ядра, затрудняет интерпретацию экспериментальных данных. Это связано с необходимостью учёта зависимости от углового момента таких величин как барьер деления, сечение образования составных ядер, вероятность конкурирующих с делением процессов испарения частиц, ширина массового распределения продуктов деления. К сожалению, эффекты, связанные с зависимостью от углового момента указанных выше величин, в настоящее время изучены нетк/ достаточно, хотя исследуются очень интенсивно ' ', Что касается области массовой неустойчивости делящихся ядер, то в модели вращающейся жидкой капли критическое значение параметра делимости X & Q. является функцией величины углового момента.

С экспериментальной точки зрения выделение делительных событий в реакциях с тяжёлыми ионами затруднено из-за большого вклада событий от двойных распадов составных систем, не достигших полного слияния. Анализ сечения образования составных ядер в зависимости от массы налетающего иона и массы ми/17/ шени показал ' ', что возможность образования составных ядер ограничена асимметричными комбинациями тяжёлый ион-мишень, что создаёт дополнительные трудности при идентификации продуктов асимметричного распада составных ядер в области предполагаемой массовой неустойчивости.

Взаимодействие протонов промежуточных энергий с ядрами приводит к образованию высоковозбуждённых остаточных ядер, которые в отличие от реакций с тяжёлыми ионами характеризуются относительно малой величиной углового момента. В настоящее время основой для интерпретации ядерных реакций с протонами высоких и промежуточных энергий служит модель двухступенчатого взаимодействия протонов с ядрами. Для описания первой, быстрой стадии взаимодействия применяются различные модели внутриядерных каскадов. В рассматриваемой области энергий налетающих протонов (I ГэВ) на этой стадии взаимодействия существенными являются только процессы упругого нуклон-нуклонного взаимодействия и ровдения пионов. В результате процессов перерассеяния нуклонов и пионов, а также поглощения пионов, образуются высоковозбуждённые остаточные ядра.

На следующей более медленной стадии распада эти ядра расходуют свою энергию возбуждения путём испарения частиц или в результате деления. Обычно, при описании процессов распада возбуждённых ядер достаточно учитывать вероятность испарения нуклонов и лёгких фрагментов (n, р, d, t, %е, %е).

Попытки обнаружить теоретически предсказанное явление массовой неустойчивости предпринимались в ряде работ, Но в экспериментах с тяжёлыми ионами сделать однозначный вывод о природе асимметричных продуктов не представляется возможным в силу вышеизложенных причин. В экспериментах же, проведённых с протонами больших энергий, массовое распределение продуктов деления ядер вблизи X в .е-, получалось традиционным методом путём измерения энергий совпадающих осколков /18−20/^ что> как будет показано в этой работе, не адекватно прямому измерению масс продуктов деления сильно возбуждённых ядер. Что же касается измерения массовых распределений продуктов с использованием метода времени пролёта, то на настоящий момент ситуация такова. В работах /2^, 25/ ставилась задача исследовать процесс деления при высокой энергии возбуждения (Ер = 2,9 ГэВ). С этой целью в этих экспериментах был перекрыт большой диапазон углов разлёта совпадающих осколков. Однако самым лёгким ядром-мишеныо был Bi. В работах выполненных при энергии протонов I ГэВ, авторы заметно расширили диапазон ядер от TJ-Bi ^^ до U — £>т, но процесс деления изучался только при малых продольных компонентах импульса, переданного делящейся системе. Использование в экспериментах /2^, 27/ коллинеарной геометрии регистрации продуктов приводит к отбору лишь доли всех событий деления, тем меньшей, чем легче ядро-мишень, имеющей характеристики, существенно отличающиеся от характеристик всей совокупности событий.

В связи с вышеизложенным, было предпринято исследование процесса деления в широком диапазоне делящихся ядер с использованием времяпролётной методики измерения масс осколков деления наряду с регистрацией угловой корреляции совпадающих продуктов.

В данной работе представлены результаты эксперименталь.

2Q9q. 497,1. IJMi. ieciyn ест<�м ного изучения процесса деления ядер oi, Ли, W, ого, о о, eCJ) g necTJfi под действием протонов с энергией I ГэВ.

Диссертация состоит из четырёх глав.

В первой главе даётся описание методики экспериментов, условий проведения измерений на пучке протонов, обсуждаются составные элементы экспериментальной установки.

Вторая глава посвящена изложению вопросов, связанных с калибровкой спектрометра, обработкой информации и точностью полученных данных.

В третьей главе приводятся экспериментальные результаты, проводится их обсуждение и сравнение с данными других работ. Здесь представлены массовые и энергетические распределения осколков деления, а также результаты измерения спектров угловых корреляций осколков.

В четвёртой главе кратко излагается теоретический подход, используемый для описания процесса деления ядер протонами с энергией I ГэВ и проводится сопоставление полученных экспериментальных данных с результатами расчёта, выполненного в рамках статистического подхода.

В заключении приведены основные выводы, вытекающие из результатов проведённого исследования.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Разработаны и созданы газовые лавинные детекторы для регистрации тяжёлых заряженных частиц, на основе которых создан светосильный двухплечевой времяпролётный спектрометр для исследования характеристик продуктов двойного распада ядер.

2. Времяпролётным методом получены массовые распределения продуктов двойного распада ядер, образованных при взаимодействии протонов с энергией I ГэВ с ядрами Bi «Ли ,.

W «Sm ¦ Sb «Л с| и Ml, причём данные для ядер—мжпеней Ли «W, Sb «Лд и Ni получены впервые.

3. Обнаружено изменение формы массовых распределений продуктов двойного распада ядер при переходе от средне-тяжелых ядер Bi * Яи * W к более лёгким.

Измерение скоростных корреляций продуктов показало, что наблюдаемое массовое распределение для ядер-мишеней в районе Лд соответствует асимметричному массовому распределению мгновенных продуктов деления ядра в точке разрыва.

4. Измерение угловых корреляций продуктов для всех исследуемых ядер позволило определить средние значения продольных составляющих импульсов < Р&bdquo-> делящихся ядер. Установлено, что значения < Р&bdquo-> линейно возрастают с уменьшением параметра Z2/A мишени только до тяжёлых редкоземельных элементов. При дальнейшем уменьшении параметра 2г/А величина < Рц > в пределах ошибок не меняется.

Оценка средней начальной энергии возбуждения делящихся ядер, полученная двумя независимыми методами из средних значений продольных составляющих переданных импульсов и из полных нуклонных потерь), показывает, что величина < Е|> остаётся практически постоянной для ядер в диапазоне W — Лд. 5. Сравнение экспериментальных данных с расчётами, проведёнными в рамках каскадно-испарительной модели и статистической теории деления, показало, что расчёт хорошо воспроизводит массовые распределения и другие характеристики продуктов деления ядер.

Анализ экспериментальных данных позволяет связать наблюдаемое в эксперименте изменение формы массовых распределений с существованием предсказываемой в модели жидкой капли области нестабильности седловых форм делящихся ядер относительно координаты массовой асимметрии образующихся осколков (предел Бусинаро-Галлоне).

Материалы диссертации докладывались на сессиях Отделения Ядерной физики АН СССР в 1979, 1982 г. г., на Международной конференции по Экстремальным состояниям в ядерных системах (Дрезден, ГДР, 1980 г.), на XII Международном симпозиуме по ядерной физике деления и тяжёлых ионов (Гаузиг, ГДР, 1982 г.), на У1 Всесоюзной конференции по нейтронной физике (Киев, 1983 г.), на симпозиуме по нуклон-нуклонным и адрон—ядерным взаимодействиям при промежуточных энергиях (Ленинград, 1984 г.) и опубликованы в работах /34,35,39,49,53,64−66/.

Выражаю глубокую благодарность А. А. Котову за научное руководство работой, большой вклад в реализацию эксперимента и обсуждение результатовВ. Нойберту, Л. А. Вайшнене, М. Н. Андро ненко за неоценимую помощь на всех этапах проведения настоящего исследованияГ.Г.Ковшевному, Б. Л. Горшкову, А. И. Ильину, принимавшим участие в подготовке и проведении экспериментовГ.Г.Семенчуку, Г. Е. Солякину за интерес к работе и обсуждение результатовМ.М.Нестерову, Н. А. Тарасову за сотрудничество и полезные дискуссиисотрудникам отдела радиоэлектроники Л38Э и ускорительного отдела ЛИЯФ, обеспечившим возможность проведения экспериментов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.