Исследование динамических эффектов спонтанного деления 252Cf и генерации нейтроноизбыточных ядер в фотоделении

За время исследования процесса деления накоплен большой объем экспериментальной информации, анализ которой позволил выявить и объяснить основные закономерности данного явления [1]. Существует сильная взаимозависимость между величинами полной' кинетической энергии, масс-асимметриейи энергией возбуждения осколков спонтанного и низкоэнергетического деления ядер. Эти параметры определяются, главным образом, пред разрывной: конфигурацией ядра. Энергия кулоновского взаимодействия после разрыва делящегося, ядра переходит в кинетическую энергиюобразовавшихся осколков, а энергия их деформации — в энергию возбуждения: В многомерном деформационном пространстве потенциальная энергия (Холодного делящегося ядра представляет сложную структуру, которая-1 определяется влиянием замкнутых и деформированных оболочек этого ядра. Для различных делящихся систем сложная поверхность потенциальной энергии имеет ярко выраженные долины, которые идут от седловых точек к точкам наиболее вероятного разрыва ядра [2]. В соответствии с принципом4 минимального действия процесс разрыва ядра развивается по этимv долинам. Различные пути (траектории) деления ядра в деформационном пространстве соответствуют различным модам деления. Каждая мода деления характеризуется значениями средних величин и дисперсиями масс осколков и полных кинетических энергий (ТКЕ) [2]. Модель мультимодального деления, основанная на анализе поверхности потенциальной энергии деформированного ядра, позволяет описать средние значения масс осколков и средних кинетических энергий отдельных мод деления. Для объяснения дисперсий массовых и энергетических распределений осколков деления необходимо рассматривать не только потенциальную энергию ядра, но и динамику процесса деления. Успешно интерпретировать массовые и энергетические распределения осколков спонтанного и низкоэнергетического деления ядер позволяет модель мультимодального деления с применением случайного разрыва шейки ядра, основанной на гидродинамической нестабильности Рейли разрыва шейки делящегося ядра [3].

При изменении формы ядра от седловой точки до точки разрыва освободившаяся энергия V частично переходит в предкинетическую энергию осколков деления. Часть энергии AV расходуется на возбуждение коллективных степеней свободы ядра (дипольных колебаний, колебаний в направлении перпендикулярном оси деления), а часть вследствие действия ядерной вязкости, AV будет переходить во внутреннюю энергию делящегося ядра. Сегодня имеется немного эксперименталбных данных, которые позволяют оценить распределение энергии AV и извлечь информацию о динамике деления ядер. Экспериментальная информация явно недостаточна для построения полной модели динамики ядра. Существующие модели, объясняющие отдельные проявления динамических процессов, дают часто противоречивые результаты.

Важным свойством динамики ядерного деления является формирование угловых моментов у осколков спонтанного и низкоэнергетического деления, величина которых значительно превышает спин делящегося ядра. Генерацию углового момента принято объяснять возбуждением поперечных колебаний в делящемся ядер при его движении от седловой точки к точке разрыва. Исходя из условия статистического равновесия в точке разрыва] авторы теоретических работах [4] показали, что угловой момент должен возрастать с увеличением их деформации в точке разрыва. Однако, угловые моменты и их связь с другими характеристиками деления ядер недостаточно изучены.

Таким образом, в физике деления существует целый ряд проблем, связанных с динамикой процесса деления, для решения которых необходимы новые, более подробные экспериментальные исследования. Такие новые данные могут быть получены как совершенствованием экспериментальной техники и существующей методики исследования, так и применением новых методов. В данной работе основное внимание уделено применению нового оригинального метода 4лгамма спектрометрии осколков в изучении спонтанного деления, как и методики 2v спектрометрии масс фрагментов деления.

Получение информации о характеристиках мгновенного у-излучения, возникающего в процессе деления, позволяет получить новые сведения о механизмах фрагментации массы и заряда. Ниже мгновенными называем гамма кванты испущенные в диапазоне наносекунд от акта деления.

Метод определения выхода осколков, основанный на соответствии интенсивности эмиссии мгновенных гамма квантов распада первого возбужденного состояния четно-четных осколков и их независимого выхода в спонтанном делении «Cf, впервые применен авторами работы [5,6,7]. Первые количественные результаты позволили получить сведения о характеристических гамма переходах и их внутрикаскадных интенсивностьях ряда четно-четных осколков деления. Полученная экспериментальная информация позволила впервые получить независимые выходоы осколков и оценить величины их первичных углщвых моментов.

Первые экспериментальные работы по определению выходов осколков в реакциях «U (n, f) и Pu (n, f) вынужденного деления тепловыми и резонансными нейтронами проведенные в восемидесятых годах [8−12] позволили полуцитьить независимые выходы ряда четно-четных и четно-нечетных осколков деления и оценить величины динамических переменных в точке разрыва ядра. Результаты этих экспериментов дали также возможность определить полную множественность и энергию мгновенных гамма квантов в делении составных ядер 236U и 240Ри.

В начале 80-тых годов академик Г. Н. Флеров выдвинул идею применить метод регистрации характеристичесого мгновенного гамма* излучения для определения заряда спонтанно делящихся сверхтьяжелых элементов при их поисках в природе. Однако, недостатки в технологии изготовления Ge (Li) детекторов, ограничивавшие эффективность регистрации гамма квантов, спектрометрические характеристики иб в целом, недостаточное количество использованных детекторов не позволил получить положительных результатов. 1 Большой прогресс в изготовления Ge детекторов, ядерной электроники и вычислительной техники способствовал качественному улучшению гамма спектрометров. Современные 4тг-у спектрометры представляют собой оптимальную шарообразную сборку большого количества HPGe детекторов с антикомптоновской защитой. В них достигается высокая эффективность регистрации у-лучей, отличное качество спектрометрической информации, и повышенную радиационную стойкость. Высокая модульность детектирующей системы позволяет регистрировать у-кванты с большой множественностью. Регистрация характеристического у-излучения пары осколков позволяет однозначно, в случае четных осколков, определить их заряд и массу.

На основе такого подхода были получены новые характеристики спонтанного деления 252Cf впервые для двойного и тройного деления определены выходы коррелированых пар осколков деления, абсолютные — целочисленные величины множественности испущенных нейтронов деления, интегральные характеристики эмиссии у-квантов — полную энергию, множественность и средную энергию на одно деление в зависимости от массы осколка и его полной кинетической энергии.

Полученные характеристики позволяют извлечь, из полного гамма спектра статистическую и ротационную составляющие. Первая из них отвечает за снятие части остаточной (после эмиссии нейтронов) энергии возбуждения осколка, тогда как вторая отвечает за снятие остающегося: возбуждения и основной части разницы спинов возбужденного и основного состояний. Полученные сведения об эмиссии у-квантов проверяются путем сопоставления с дополнительными' данными об энергетическом балансе процесса деления.

Применение данного экспериментального подхода позволило получить новые сведенияоб' угловых моментах осколков деления, составляющих разные. пары: Полученные данные позволили оценить энергию огибающих (понеречых) вибраций, формирующих угловой момент, энергию деформации и моментоы инерции осколков в моменте разрыва-,.

Применяемая методика может быть такжеиспользована и дляисследованияпроцесса деленияболее тяжелых ядерАктуальным оказывается также рассмотрение особенностей выхода осколковв спонтанном и вынужденом делении с. точки зрения их применения в качестве источника нейтронноизбыточных ядер для ускорительных комплексов тяжелых ионов: Пучки радиоактивных нейтроноизбыточных ядер вызывают особый интерес с точки> зрения развития ядерной физики и, следовательно, углубления знаний о строении материи: Последние десятилетие большое внимание в ядерной физике уделяется генерации и ускорению радиоактивных ядер: Прогресс ускорительной техники позволил заниматься вопросами ускорения достаточно интенсивных пучков тяжелых ионов только в конце прошлого века. В настоящее время в мире работает или находятся на стадии создания несколько установок или проектов пучков радиоактивных ионов. На современных комплексах ускорителей применяют реакцию скалывания-деления U протонами с энергией 1−50 ГэВ (CERN, КПК, ISAC-TRIUMF), быстрыми нейтронами, генерированными дейтронами, с энергией 120 МэВ- (проект Spiral 2 Ганил) и тепловыми нейтронами-ядерного реактора (проект MAFF, Мюнхен). Применение высокоэнергетических протонов при делениии фрагментации трансуранов дает осколки в основном из области протонизбыточных ядер. Деление быстрыми нейтронами, когда энергия возбуждения сложного ядра достигает 25 — 30 МэВ, также не позволяет получать осколки с большим избытком нейтронов в следствие большого количества испарившихся из них нейтронов.

При синтезе сверхтяжелых ядер и изучении деления тяжелых ядер (коллективная динамика многотельных систем) ни одна из комбинаций пучок—мишень не дает в процессе слияния ядро с нейтронной оболочкой N=184, В случае, когда используются самые нейтроноизбыточные ядра мишени 244Ри, 248Сш или ~ Cf и пучок 48Са, в процессе слияния формируются ядра в их основном состоянии, удаленные на 7−9 массовых единиц от области повышенной стабильности. Применение радиоактивных пучков ионов, которые имеют нейтроноизбыточность больше 48Са может решить эту проблему.

Применение тормозного излучения электронов при получении экзотических ядер является основой проекта ДРИБС — фаза II (ОИЯИ). Вторая фаза проекта ориентирована на получение радиоактивных пучков нейтроноизбыточных ядер. Сечение фотоядерной реакции является одним из основных параметров при выборе мишени, оно определяет интенсивность генерации осколков деления. Экспериментальные и расчетные результаты показали, что подход, основанный на применении реакции фотоделения. позволяет получить радиоактивные ядра — осколки с высокой нейтронизбыточностыо при интенсивности необходимой для ускорения и проведения экспериментов. Такой источник нейтронизбыточных радиоактивных ядер, представляющий собой электронный ускоритель с энергией 30 -50 МэВ и мишенью U, является конкурентоспособным по отношению к большим и дорогим ускорительным комплексам применяющим в качестве источника реакции (d, f), (p, f) или используют ядерный реактор. В настоящее время применение ядерной реакции фотоделения легло в основу проектов ускорения радиоактивных пучков ДРИБс Дубна (Россия) и АЛТО Орсе (Франция) [13]. Установку в Ок Ридж (США) [14] планируют оснастить фото делительным источником радиоактивных ядер в связи с недостаточной интенсивностью и малой нейтронноизбыточностью существующих пучков .

Основные результаты.

1. Обоснован и применен в эксперименте новый метод определения независимых выходов осколков деления — выходов коррелированных пар. С применением выхода коррелированных по заряду пар осколков введена методика определения абсолютного значения множественности нейтронов деления. Определены независимые выходы вторичных и первичных коррелированных пар по ядерному заряду осколков. Впервые получено распределение множественности нейтронов зарядовых пар Zr-Ce, Мо-Ва, Ru-Xe и Pd-Te осколков двойного деления. Найдено, что повышенная эмиссия нейтронов (u=6−10), которая наблюдена только у пары Мо-Ва, возможна, когда осколки Ва находятся в гипердеформированном состоянии.

2. Определены выходы осколков безнейтронного двойного деления, при котором происходит холодная фрагментация. Из результатов эксперимента оценен диапазон энергий возбуждения отдельных пар осколков. Определена новая область холодной и деформированной фрагментации в районе ядер, близких к магическим ядрам с Z=28 h N=50. Также определены массы ядер, участвующие в холодной и деформированной фрагментации одновременно. Впервые наблюдено холодное симметричное деление.

3. Получены новые данные о распределении энергии возбуждения в зависимости от массы и полной кинетической энергии осколков двойного о со деления1 Cf. Рассмотрен механизм эмиссии гамма-лучей, отвечающий за разрядку энергии и углового момента, в зависимости от полной кинетической энергии и массы осколков. Определены значения угловых моментов осколков деления и рассмотрены связи внутренних и коллективных переменных при формировании углового момента.

4. Впервые при исследовании тройного деления получены независимые выходы вторичных и первичных коррелированных пар по заряду осколков. Получено распределение множественности нейтронов зарядовых пар. Найдены зависимости интегральных характеристиках эмиссии гамма-квантов в зависимости от кинетической энергии ядер Не, Be и С. Определены средние угловые моменты пар осколков тройного деления 252Cf с эмиссией ядер Не. Выявлена зависимость их значений от амплитуды поперечных колебаний, деформационной энергии и моментов инерции осколков на их предразрывной и разрывной стадиях процесса деления.

5. Показано, что реакция фото деления может быть успешно использована для получения интенсивных радиоактивных нейтроноизбыточных пучков ядер средних масс.

5.8.

Заключение

.

Из проделанного анализа возможностей применения тормозного излучения электронов с энергией Ее=25 МэВ и током 20 цкА следует, что применение мишени 238U в форме пористого карбида или в форме фуллерена 238U позволяет на существующих ускорителях достигнуть 1011 делений в секунду, что обеспечит выход отдельных изотопов-осколков деления на уровне ~109 /с" 1. В качестве сравнения на рис. 67 показаны выходы 132Sn, полученные с разными пучками и мишенями [133].

Рис. 70. Выход изотопов Sn при делении и фрагментации 238U. офрагментация,? -деление-фрагментация протонами, А — деление быстрими нейтронами, • - фотоделение.

Выход нейтроноизбыточных ядер зависит от энергии возбуждения делящегося ядра, которая снимается посредством преди постделительных нейтронов, соответственно, до и после деления ядра. Известно, что постделительные нейтроны испаряются, прежде всего, из осколков с большим нейтронным избытком. В таком случае, более выгодным при получении сильно нейтроноизбыточных осколков оказывается применение низкой энергии возбуждения при делении ядер, что и следует из результатов, показанных на рис. 70.

В таблице 20 приведены данные о массе мишени из 238U, необходимой для получения 5×109 атомов 137Хе при применении пучков протонов, тепловых и быстрых нейтронов и тормозного излучения. В качестве сравнения приведены оценки по спонтанному делению 252Cf. Данные представляют разные проекты получения пучков радиоактивных ионов.

Из сравнения разных проектов следует, что применение микротрона МТ-25 с энергией ускоренных электронов 25 МэВ и средним током 20 цкА в качестве источника нейтроноизбыточных ядер реально. Эффективность применения тормозного излучения выражает также количество электронов, которые необходимы для разделения одного ядра 238U.