Передача энергии электронам в треках осколков деления ядер

Преобразование ядерной энергии в энергию когерентного оптического излучения представляется в настоящее время одним из перспективных способов ее использования. Для успешного решения этой проблемы необходимо найти ответы к целому ряду задач — от научных и инженерно-технических до тех, которые непосредственно связаны с практической реализацией экспериментальных образцов лазеров с ядерной накачкой. Многие из этих задач рассматривались на проведенных в последние годы международных конференциях [1,2,3].

Для накачки лазерно-активных сред предложено несколько способов использования энергии, выделяющейся в ядерных реакциях [4,5]. Подавляющая часть энергии, выделяемой при делении ядер — это кинетическая энергия осколков деления [6]. Не только при гетерогенной ядерной накачке, но и при гомогенной, когда делящееся вещество внедрено в лазерно-активную среду, преобразование энергии осколков в другие виды энергии проходит целый ряд стадий, сопровождающихся неравновесными процессами, в которых меняются как свойства среды, так и самих налетающих частиц. Характерным моментом при гетерогенной ядерной накачке газовых лазеров является то обстоятельство, что осколки деления проникают в лазерно-активную среду, проходя через границу раздела веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях. Они попадают в газ из тонких слоев вещества, представляющих собой твердую фазу. При переходе осколков через область пространства вблизи поверхности раздела сред происходят важные процессы, характеризующие этот переход, как особый случай на всем протяжении трека. Из приповерхностного слоя твердого вещества в газ эмиттируются ионы, фотоны, ионы, нейтральные атомы и даже целые комплексы атомов. Но наиболее интенсивный процесс — это эмиссия электронов, число которых достигает нескольких сотен на один осколок.

Эти электроны вблизи поверхности слоя делящегося вещества при гетерогенной ядерной накачке будут вносить свой вклад в создание ядерно-возбуждаемой плазмы. Сведения об угловом и энергетическом распределении электронов вне твердого вещества могут служить основанием для получения информации о спектре внутри твердого тела, измерить который непосредственно не представляется возможным. Для газовой же среды, наоборот, осуществимо измерение спектра электронов первого поколения и получение на этой основе сечений ионизации атомов и молекул.

При пересечении поверхности раздела важные превращения происходят и в самом осколке. Наиболее значительные из них связаны с резким уменьшением ионного заряда, приблизительно в 1,5 раза после вылета в газовую среду. Соответственно возможны изменения и в характере торможения осколков.

Важнейшим этапом расчета лазера с прямой ядерной накачкой осколками деления является определение концентраций компонентов ядерно-возбуждаемой плазмы, под которыми понимаются атомы, молекулы, ионы и молекулярные ионы, находящиеся в различных квантовых состояниях. На различных этапах образование компонентов ядерно-возбуждаемой (или, иначе говоря, трековой) плазмы происходит под действием непосредственно осколков деления, при развитии каскада электронов различных поколений, а также при протекании плазмо-химических реакций. Для математического моделирования процессов, происходящих в ядерно-возбуждаемой плазме, необходима информация, во первых, об основных характеристиках осколков деления, таких как энергия, ионный заряд, потери энергии, во вторых, о сечениях ионизации и возбуждения атомов и молекул при их столкновениях с осколками деления, в третих, о распределении каскада электронов по энергии и углам и, в четвертых, о реакциях, протекающих на последующих во времени этапах. Эти данные, разумеется, крайне необходимы также и при планировании экспериментов, прогнозировании их результатов, да и непосредственно при самом их проведении для понимания характера протекающих процессов.

Осколки деления принадлежат к классу многозарядных тяжелых ионов. К этому классу обычно относят ионы элементов с порядковым номером Ъ > 16. Но во многих случаях процессы, характерные для многозарядных тяжелых ионов, имеют место и для более легких элементов, вплоть до водорода. Уже для 2 > 2 наряду с основными физическими величинами, характеризующими ион, таких как масса и кинетическая энергия (или скорость), вводится понятие ионного заряда. Для многозарядных ионов эта величина в единицах заряда электрона имеет смысл разности между порядковым номером элемента и числом принадлежащих ему электронов.

При прохождении осколков через вещество все характеристики иона меняются. И если энергия осколков в веществе вдали от области пика упругих соударений меняется вдоль трека, в среднем, довольно плавно, то ионный заряд очень быстро реагирует на неравновесные ситуации, например, при прохождении через слои вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях. Да и весь трек осколка представляет собой состояние среды, неравновесное в пространстве и во времени [7]. Часто оказывается, что именно наличие у осколков деления не строго фиксированного, а переменного ионного заряда, вносит основные трудности и в расчет и анализ результатов эксперимента. Поэтому в данной работе этому параметру будет уделено особое внимание.

Процессы, исследуемые в настоящей работе главным образом вызваны событиями, происходящими вблизи границы раздела между твердым телом и газом по обе стороны от нее. Расстояние от границы внутрь твердого тела может быть оценено величиной, равной средней длине пробега электронов с энергией не выше нескольких кэВ или длиной установления зарядового равновесия. В газе расстояние от границы при исследовании зарядового равновесия порядка длины установления этого равновесия. При исследовании потерь энергии эти пределы сильно расширяются.

Анализ экспериментальных данных, существовавших к моменту начала исследований, представленных в настоящей диссертации, показывает следующее :

• Экспериментальные данные о спектрах электронов, эмиттируемых из тонких пленок вещества при прохождении через них многозарядных ионов и осколков деления, имелись в ограниченном интервале энергии и углов вылета.

• Данные о спектрах электронов внутри твердого тела, полученные из опытов с многозарядными ионами, отсутствовали.

• Не существовало данных о спектрах электронов, покидающих твердую мишень после прохождения через нее осколков деления с фиксированными массами и кинетическими энергиями.

• Большой интерес для физики представляет энергетическое распределение электронов, покидающих электронные орбиты материнского атома после деления его ядра. Такие данные отсутствовали.

• Экспериментальных данных о сечениях ионизации атомов и молекул вещества при бомбардировке осколками деления, дифференциальных по энергии и углу вылета электронов, не было.

• Измерению ионных зарядов осколков посвящено несколько ранних работ, проделанных не вполне корректно.

• Резкое изменение ионных зарядов осколков деления при их влете из твердого тела в газ наблюдалось лишь в тех же ранних работах.

• Что касается начальных ионных зарядов осколков деления, которые они приобретают непосредственно после деления ядра, то экспериментальная информация о них отсутствовала.

• Объяснение так называемого эффекта плотности в газе, следующее из нескольких ранних работ, являлось неоднозначным.

По какому сценарию происходит изменение зарядового состояния многозарядного иона при его пролете через тонкие мишени — это тоже служит предметом дискуссии. Происходит ли это уже внутри твердого тела или после вылета иона из слоя твердого вещества.

Сказанное выше показывает актуальность темы и позволяет сформулировать цель данной работы.

Она состоит в том, чтобы получить экспериментальные данные, которые позволили бы существенно уточнить характер процессов передачи энергии электронам в треках осколков деления, показать их тесную связь с ионными зарядами и сделать выбор между основными моделями поведения ионных зарядов в веществе.

Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:

1. Создана экспериментальная установка, разработана и применена методика измерений спектров электронов методом времени пролета при отсутствии «нуля времени» для мишеней из тонких пленок.

2.Разработана и применена методика измерений абсолютной эффективности регистрации времяпролетного спектрометра с детекторами электронов — вторично-электронными умножителями ВЭУ-6 и ВЭУ-7.

3.Разработана методика и проведены трехмерные эксперименты, позволяющие получить спектры электронов, относящиеся к осколкам деления, дифференцированным по массам и кинетическим энергиям.

4.Проведен анализ полученных результатов в рамках существующих теоретических представлений о механизме вторичной электронной эмиссии. На основе кинетической теории электронной эмиссии получена информация о каскадном спектре электронов, созданном осколками деления внутри твердого тела.

5.Создана экспериментальная установка, разработана и применена методика измерений спектров электронов методом времени пролета при отсутствии «нуля времени» для газовых мишеней.

6.Получены экспериментальные данные о дважды-дифференциальных сечениях ионизации атомов гелия, аргона и молекул азота и диоксида углерода. Проведено сравнение результатов с расчетом по теории парных соударений и по методу Монте-Карло с использованием классических траекторий.

7. Создана экспериментальная установка и отработана методика проведения экспериментов по измерению величины отклонения осколков деления магнитным полем, а также методика получения из этих данных ионных зарядов осколков в двухгрупповом приближении.

8.Написана программа для обработки экспериментальных данных об ионных зарядах, моделирующая методом статистических испытаний весь эксперимент.

9.Проведены измерения неравновесных, близких к начальным, ионных зарядов осколков деления в двухгрупповом приближении. В том же приближении экспериментально показано, каким образом устанавливается зарядовое равновесие в газе.

10.Создана экспериментальная установка, разработана методика и проведено измерение потерь энергии осколков деления в газе при давлениях, значительно отличающихся друг от друга, с целью проверки влияния эффекта плотности на величину этих потерь. При этом получены также экспериментальные данные о потерях энергии осколков деления в оксиде алюминия и воздухе.

11 .Разработана методика и проведено измерение неравновесных потерь энергии осколков деления в тонких пленках оксида алюминия. Сделан выбор между двумя моделями этого процесса.

12.Разработана методика и проведено измерение энергетического распределения электронов, покидающих электронные орбиты материнского атома после деления его ядра.

Научная новизна заключается в следующем:

1 .Разработана новая методика абсолютного измерения спектров электронов в рамках метода времени пролета при прохождении осколков деления через твердотельные и газовые мишени.

2.Впервые получены спектры электронов, эмиттируемых тонкой пленкой при пролете через нее осколков деления во всем интервале энергий и широком интервале углов вылета.

3.Впервые получены спектры электронов, эмиттируемых тонкой пленкой при пролете через нее осколков деления с фиксированными массой и кинетической энергией. Обработка результатов этого эксперимента позволила связать коэффициенты вторичной электронной эмиссии с потерЯхМи энергии осколков деления. Получена полуэмпирическая формула для расчета потерь энергии в легкоатомных средах.

4.Впервые получены экспериментальные данные о дважды-дифференциальных (по энергии электронов и углу их вылета) сечениях электронной эмиссии, близким к сечениям ионизации, для атомов гелия и аргона, а также молекул азота и диоксида углерода.

5.Впервые получены результаты измерений неравновесных ионных зарядов осколков деления, близких к начальным, приобретаемым осколками сразу же после деления ядра.

6.Уточнены значения равновесных ионных зарядов осколков при их попадании в газ. Показано, что зарядовое равновесие устанавливается быстрее, чем это считалось ранее.

7.Дана новая трактовка эффекта плотности в газе, вытекающая из нелинейной связи между ионным зарядом осколков и их скоростью, и проведены измерения потерь энергии с целью выяснения степени влияния на них эффекта плотности.

8.Впервые получены экспериментальные результаты, относящиеся к неравновесным потерям энергии осколков деления в тонких пленках. Они говорят в пользу гипотезы Бетца-Гродзинса о характере поведения ионного заряда тяжелых ионов внутри твердого тела.

9.Впервые разработана методика и проведены измерения энергетического распределения электронов, покидающих материнский атом после деления его ядра для угла вылета, равного 45°.

Научная значимость заключается в следующем:

1. Ряд результатов и положений таких, как характер поведения ионных зарядов при переходе от неравновесного состояния к равновесному, некорректность определения ионных зарядов по эмиссии электронов из твердого тела, характер поведения неравновесных потерь энергии, энергетический спектр электронов покидающих материнский атом после деления его ядра представляют научную ценность.

2. Разработанные методики абсолютных измерений спектров электронов могут быть использованы при проведении исследований с другими мишенями или в других условиях для получения новых экспериментальных данных.

3. Результаты восстановления спектров электронов внутри среды из данных за ее пределами могут служить теоретическому изучению явления электронной эмиссии из приповерхностного слоя.

4. Методика измерения спектра электронов, покидающих материнский атом после деления его ядра, может быть использована для дальнейшего исследования этого интересного объекта. Такое исследование представляет значительный интерес для теории атомных столкновений, выделяя из множества вариантов так называемое половинное столкновение". Показано направление, в котором следует продолжать эти исследования. 5. Результаты, полученные для осколков деления могут быть обобщены на случай многозарядных ионов, близких к осколкам деления по своим физическим характеристикам.

Практическая значимость заключается в следующем: ¡-.Спектры электронов и сечения ионизации атомов и молекул необходимы для расчета кинетики ядерно-возбуждаемой плазмы, при разработке методов прямого преобразования ядерной энергии в электрическую, в радиационно-химических и ионных технологиях, в микродозиметрии, медицине.

2.Большое практическое значение как для расчета, так и для планирования эксперимента имеет исследование ионных зарядов осколков деления. Разработанные методики могут служить основой для проведения дальнейших исследований в этой области. Главное здесь состоит в том, чтобы провести измерения ионных зарядов осколков деления, тормозящихся в газе, не вводя априорной зависимости между зарядом иона и его скоростью.

3.Для расчета и для проведения различных экспериментов важно понимание того, что в потерях энергии осколков деления существует неравновесная стадия. Разработанные методики позволяют проводить дальнейшие исследования в этой области.

4.Полученные данные о потерях энергии в тонких пленках и в воздухе обладают, несмотря на давно известную постановку этого вопроса, самостоятельной практической ценностью. Это обусловлено тем разбросом в экспериментальных данных разных лет, который имеет место вплоть до настоящего времени. Поведение потерь энергии, предсказанное в эксперименте по электронной эмиссии для осколков с фиксированными параметрами, хорошо согласуется с их прямым измерением.

5.Основные результаты, относящиеся к теме данной работы, получены для тонких пленок оксида алюминия, золота и хчабора газов. Они могут служить базой для теоретического и экспериментального исследования явлений, происходящих в тех веществах, которые близки к ним по массам и порядковым номерам входящих в них элементов. В классе конденсированных лазерно-активных сред сюда относятся, например, рубин, алюмоиттриевый гранат, неодимовое стекло, апротонные кислоты и т. д. Результаты экспериментов для газовых сред уже применяются в расчетах процессов, происходящих в ядерно-возбуждаемой плазме. б. Полуэмпирическая формула для потерь энергии осколков деления применяется в исследовании их торможения в легкоатомных средах.

Автором представлены к защите методики:

1. Методика измерений спектров электронов по времени пролета при отсутствии «нуля времени» .

2. Методика измерений абсолютной эффективности регистрации времяпролетного спектрометра с детекторами электронов — вторично-электронными умножителями.

3. Методика проведения трехмерных экспериментов, позволяющих получить спектры электронов, относящиеся к осколкам деления, дифференцированным по массам и кинетическим энергиям.

4. Методика получения величин ионных зарядов осколков в двухгрупповом приближении из экспериментов по отклонению осколков деления магнитным полем, включая программу обработки экспериментальных данных об ионных зарядах, которая моделирует методом статистических испытаний весь эксперимент.

5. Методика проведения измерений неравновесных потерь энергии осколков деления в тонких пленках.

6. Методика проведения измерений энергетического распределения электронов, покидающих электронные орбиты материнского атома после деления его ядра.

К защите представляются результаты:

1. Спектры вторичных электронов в широком интервале энергии и углов вылета при прохождении осколков деления через тонкие пленки оксида алюминия и золота.

2.Спектры вторичных электронов в широком интервале энергии и для угла вылета 45° при прохождении осколков деления с фиксированными массой и кинетической энергией через тонкие пленки оксида алюминия и полученные из этих спектров коэффициенты вторичной электронной эмиссии в единицу телесного угла.

3.Восстановленный на основе кинетической теории электронной эмиссии в широком энергетическом и угловом диапазоне каскадный спектр электронов, созданный осколками деления внутри твердого тела.

4.Экспериментальные данные о дважды-дифференциальных сечениях по углу и энергии, а также о дифференциальных только по углу и только по энергии сечениях ионизации атомов гелия, аргона и молекул азота и диоксида углерода.

5.Результаты измерения неравновесных, близких к начальным, ионных зарядов осколков деления в двухгрушювом приближении. Экспериментальные данные о характере перехода ионных зарядов осколков деления от неравновесных значений к равновесным в воздухе.

6.Экспериментальные данные о потерях энергии осколков деления в оксиде алюминия и воздухе. Результаты измерения неравновесных потерь энергии осколков деления в тонких пленках оксида алюминия.

7. Результаты измерения энергетического распределения электронов, покидающих электронные орбиты материнского атома после деления его ядра.

Положения, выносимые на защиту:

1. Вытекающая из эксперимента пропорциональность между дифференциальными коэффициентами вторичной электронной эмиссии и электронными потерями энергии осколков деления.

2.Полуэмпирическая формула для расчета потерь энергии осколков деления с фиксированными массой и кинетической энергией в легкоатомных средах.

3. Объяснение эффекта плотности на основе предположения о связи между ионным зарядом и скоростью иона, задаваемой выпуклой функцией. Вывод о необходимости рассмотрения поведения ионных зарядов многозарядных ионов в газе совместно с поведением их потерь энергии.

4. Доказательство существования переходного процесса в потерях энергии многозарядных ионов в твердых телах. Выбор на этой основе модели поведения ионного заряда многозарядного иона внутри твердотельных мишеней.

Значимость результатов.

Совокупность методик, результатов и положений, изложенных в диссертации, представляет собой существенный вклад в изучение явлений, имеющих место при торможении многозарядных ионов в веществе, что имеет важное практическое значение. При проведении экспериментальных исследований на примере осколков деления значительно уточнен характер целого ряда процессов, сопровождаемых электронной эмиссией и изменением ионных зарядов.

Апробация работы.

Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались на научных семинарах в ГНЦ РФ ФЭИ, в Санкт-Петербургском университете, в Санкт-Петербургском техническом университете, в Институте электрофизики У О РАН, а таюке на международных конференциях [1,2].

Личное участие автора в работах, включенных в диссертацию.

Выбор направления исследований по спектрометрии электронов для твердотельных и газовых мишеней и постановка задач в этой области проведены автором совместно с доктором физико-математических наук Дьяченко П. П. Разработка конкретных научно-технических методик в этой области, получение результатов, их обработка и обобщение принадлежат автору.

Автором осуществлена разработка и изготовление узлов ряда экспериментальных установок. В процессе эксплуатации в их конструкцию автором неоднократно вносились изменения.

Автором усовершенствованы методики получения данных о равновесных и неравновесных ионных зарядах осколков деления, разработаны методики экспериментального исследования спектра электронов, покидающих электронные оболочки материнского атома после деления его ядра, а также неравновесных потерь энергии. Все экспериментальные результаты в этой части работы получены автором лично, их анализ и обобщение также выполнены автором лично.

Диссертация состоит из введения, восьми разделов, заключения и списка использованных источников.

Заключение

.

В процессе выполнения работы для достижения поставленной в ней цели были решены следующие задачи:

1 .Разработаны экспериментальные методики в области спектрометрии электронов по времени пролета в отсутствии «нуля» времени. В числе этих методик особенно следует выделить метод перевода аппаратурных спектров в энергетические и метод исследования абсолютной эффективности регистрации времяпролетного спектрометра.

2.Впервые измерен энергетический спектр электронов, выбиваемых из тонких пленок окиси алюминия осколками деления 2:>2а. Показано, что этот спектр распространяется от долей эВ до нескольких кэВ — энергии, максимально возможной в столкновениях осколков с электронами. Измерения являются абсолютными и проведены с большим числом образцов. Для дальнейших экспериментальных исследований наиболее валено то, что в результате этих измерений был выработан стандарт, по которому можно приводить к абсолютным значениям данные для других сред.

3.Впервые в широком интервале углов проведены измерения углового и энергетического распределения электронов, эмиттируемых тонкими пленками из окиси алюминия и золота, при пролете сквозь них осколков деления. Наблюдается сильная анизотропия при высоких и заметная анизотропия при малых энергиях электронов. Результаты этих опытов говорят в пользу существования в треке электрического поля, вызванного большим различием в скоростях электронов и ионов. Проведен расчет спектра электронов по теории кинетической электронной эмиссии, параметры которой подобраны по экспериментальным данным. Показана возможность количественного описания спектров электронов при разумных значениях параметров теории. В рамках модели поверхностного барьера, используемого в теории, проведено восстановление спектра электронов внутри твердого тела из экспериментальных данных.

4.Впервые проведен трехмерный эксперимент, в котором спектры вторичных электронов получены для осколков деления, разделенных по массам и кинетическим энергиям. Эти спектры оказались подобными друг другу. Наибольшие различия наблюдаются в области энергии электронов, в которой она определяется максимально возможной переданной энергией от осколка электрону. Числа электронов в спектрах представляют собой коэффициенты вторичной эмиссии в пределах телесного угла регистрации. Данные по этим величинам обработаны таким образом, что их абсолютные значения были связаны с электронными потерями энергии осколков деления в веществе мишени. Это позволило получить полуэмпирическую формулу, позволяющую рассчитывать потери энергии осколков деления, разделенных по массам и кинетической энергии, в различных средах. Показано, что эмиссия частиц без независимого исследования их углового распределения не может служить основанием для идентификации ионных зарядов многозарядных ионов, с которыми они пересекают обе поверхности мишени.

5.Впервые проведены эксперименты по исследованию эмиссии электронов при однократных столкновениях осколков деления с атомами гелия и аргона, а также молекулами азота и углекислого газа. Чтобы получить из спектров электронов сечение процесса, потребовалось решить задачу определения толщины мишени, представлявшую собой струю газа, истекающую из капилляра. Поскольку вклад других процессов, отличных от ионизации, мал, полученное сечение отождествляется с сечением ионизации. В эксперименте сечение ионизации является дважды-дифференциальным: по энергии электронов и углу их вылета, отсчитываемому от вектора скорости осколков. В угловом распределении электронов наблюдается анизотропия во всем энергетическом интервале. С использованием данных эксперимента и теоретического расчета впервые получено полное по углу вылета и дифференциальное по энергии сечение ионизации указанных выше атомов и молекул. Опыты показали качественное согласие между теорией Гризинского и экспериментом для инертных газов. По данным эксперимента рассчитаны полные сечения ионизации и средние энергии выбиваемых электронов. Для исследованных газов последние лежат в интервале от 80 до 100 эВ. Электроны с такими энергиями способны далее сами ионизировать и возбуждать атомы среды, вызывая ионизационный каскад.

6.Разработаны и изготовлены узлы экспериментальной установки, предназначенной для измерения ионных зарядов осколков деления. В основу методики положен эффект отклонения заряженных частиц от прямолинейного движения постоянным магнитным полем. Методом самопереноса калифорния на подложке из тонких пленок были изготовлены источники осколков деления, в которых атомы делящегося вещества расположены в среднем не глубже, чем несколько десятых долей нанометра. Это расстояние много меньше равновесной толщины для установления зарядового равновесия.

7.Впервые получены неравновесные ионные заряды осколков деления, близкие к начальным. При пролете осколков деления через тонкую пленку экспериментально получены величины ионных зарядов, равновесных для твердого тела, но неравновесных для газов. Проведен эксперимент, в котором исследован переход зарядового распределения к равновесию в газе. Получена толщина газа, при прохождении которой устанавливается это равновесие. Она равна «3 мкг/см2, и это значение в 5ч-10 раз меньше характерной величины для твердого тела в тех же единицах. Выяснена также роль эффекта плотности при малых давлениях, оценены сечения захвата электронов осколками деления на начальном участке трека. Эффект плотности приводит к появлению плавного минимума в определенном интервале толщины слоя газа вблизи равновесной толщины при увеличении давления приблизительно от 3 Па до 12 Па. Разработанная методика позволяет проводить дальнейшие исследования зарядовых состояний осколков деления в газе при уменьшении их энергии вдоль трека без привлечения априорных предположений о зависимости между ионными зарядами и скоростью частиц. Для этой цели необходимо фиксировать скорость осколков перед их попаданием в отклоняющую систему. Это можно сделать, измеряя энергию, оставшуюся у осколков после прохождения слоя газа. Последний вывод важно иметь в виду при планировании будущих экспериментов.

8.Разработаны и изготовлены узлы экспериментальной установки, позволяющей измерять потери энергии осколков деления в тонких пленках и в газе. В зависимости от толщины слоя вещества эти потери могут трактоваться как равновесные или неравновесные. В последнем случае имеется в виду процесс, в котором потери энергии зависят от характера изменения заряда осколка. В эксперименте получены данные о равновесных потерях энергии осколков деления, томозящихся как в тонких пленках так и в газе. Полученная в трехмерном эксперименте по эмиссии электронов из тонких пленок окиси алюминия формула позволяет с хорошей точностью рассчитать энергию, которую имеют осколки деления после прохождения слоя вещества. Проведен эксперимент по измерению потерь энергии осколков деления в воздухе для двух значений давления, отличавшегося в 10 раз. Во столько же раз, соответственно, менялось и расстояние. В пределах погрешности эксперимента влияние эффекта плотности на величину потерь энергии не проявляется в измеренном диапазоне давлений от 300 Па до 8000 Па. Проведенный в настоящей работе расчет траекторий осколков деления, которые они проходили в эксперименте Фалмера и Коэна, показал, что величина эффекта плотности в воздухе и аргоне сильно понижается при учете нелинейной зависимости между ионным зарядом и скоростью осколков в процессе их торможения. Расчет основывался на результатах измерения потерь энергии осколков деления в воздухе, проделанных в настоящей работе, и на современных данных по потерям энергии в аргоне.

9.Впервые для пленок с толщиной, сравнимой с равновесной, измерены неравновесные потери энергии. На основании данных эксперимента, проделанного в настоящей работе, предложена модель изменения заряда осколков внутри твердого тела. Эта модель соответствует модели Бетца-Гродзинса.

10.Проведены численные оценки и эксперимент, которые показали, что в источнике осколков деления, полученном методом самопереноса атомы калифорния располагаются в приповерхностном слое, толщина которого меньше ОД нм, то есть меньше длины свободного пробега электронов. Это позволяет регистрировать электроны, покидающие электронные оболочки атома калифорния в момент деления.

1 ¡-.Впервые проведены измерения спектра электронов при разрушении атомных оболочек материнского атома после деления его ядра. В рамках статистической теории атома получена величина средней кинетической энергии, приходящейся на один электрон. Результаты эксперимента находятся в хорошем согласии с результатами расчета, проведенного с применением техники корреляционных диаграмм. При учете анизотропии в угловом распределении и возможного захвата электронов осколками из соседних атомов результаты данного эксперимента согласуются с измерением неравновесных ионных зарядов осколков деления 252С£ проведенного нами для тонкого слоя. Результаты эксперимента находятся в качественном соответствии с критерием Бора, относящемся к ионным зарядам осколков деления.

После проведения экспериментов, описанных в настоящей работе, можно следующим образом описать процесс торможения осколков деления в среде, состоящей из веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях.

В момент деления в слое делящегося вещества (твердая фаза) осколки деления получают ионные заряды, характерные величины которых близки к приведенным в таблице 6.1. Электроны, покинувшие при делении электронные оболочки атома распределены по энергии в соответствии с рис. 8.10, и имеют среднюю энергию 1000±180 эВ. При торможении в среде осколки деления теряют энергию, а электронные потери энергии рассчитываются по формуле (4.19). В самом начале своего движения в веществе, в потерях энергии осколков наблюдается переходный процесс, в котором потери энергии уменьшаются, быстро достигая равновесного значения. Характер этого процесса изображен на рис. 7.13.

При торможении справедлива модель Бетца-Гродзинса, в которой потери энергии в твердом теле определяются зарядом иона, близким к его значению в газе. В среде при этом развивается каскад ионизационных столкновений электронов с атомами среды. В стационарном случае этот спектр имеет распределение по углу и энергии, представленное на рис. 3.8. Средние энергии в каскаде приведены в таблице 3.1. В соответствии с результатами раздела 4 спектры электронов для различных осколков подобны.

При торможении в веществе спектры электронов претерпевают изменения. Форма спектров сохраняется, но абсолютные значения уменьшаются в соответствии с уменьшением потерь энергии. В области высоких энергий электронов, близкой к максимально возможной переданной энергии, также происходят изменения, так как эта энергия уменьшается при деградации осколков по энергии. Анизотропия в распределении, объяснимая при высоких энергиях электронов характером передачи им больших значений импульса, наблюдается и при малых энергиях, хотя и в гораздо меньшей степени. На формирование спектра электронов при малых энергиях может оказывать влияние электрическое поле в треке осколка, обусловленное разной скоростью электронов и ионов.

При переходе осколков деления через границу раздела сред из твердого тела в газ, плавный характер процессов нарушается. В первую очередь, меняется ионный заряд. В соответствии с моделью Бетца-Гродзинса он сначала за время ~10″ 10 с возрастает до величины, равновесной для твердого тела, а затем, после прохождения осколком слоя газа с толщиной ~3 мкг/см2, принимает равновесное значение для газа. Величины равновесных зарядов отличаются приблизительно в полтора раза. Характер перехода к равновесию, не включающий быструю, Бетц-Гродзинскую, стадию, изображен на рис. 6.5. Величины равновесных зарядов представлены в таблице 6.2. Одновременно происходит эмиссия электронов из слоя, находящегося вблизи поверхности, имеющего толщину порядка длины пробега электронов. Спектр этих электронов представлен на рис. 3.3.

Попадая в газ, осколок деления ионизирует атомы среды. Спектры первичных электронов, переведенные в дважды-дифференциальные сечения (по углу и энергии) электронной эмиссии, представлены на рис. 5.9−5.14. Поскольку вклад других процессов, отличных от ионизации, в появлении электронов в непрерывном спектре мал, сечения электронной эмиссии отождествляются с сечениями ионизации. Впрочем, это не более, чем дань традиции — для дальнейших процессов в газе совершенно неважно, в результате какого именно процесса появился электрон. Средняя энергия в спектрах первичных электронов для четырех исследованных газов лежит в интервале 80−100 эВ. Электроны с такой энергией способны возбуждать и ионизировать атомы среды, производя ионизационный каскад в газе.

Торможение осколков деления в газе описывается той же формулой, что и в твердом теле (выражение 4.19). Различия в характере торможения определяются, главным образом, разницей в средних потенциалах ионизации сред. Это было проверено экспериментально в настоящей работе. Эксперименты показали, что роль эффекта плотности в потерях энергии осколков в газе не столь велика как это можно было бы ожидать из экспериментов, проведенных в 40-е — 50-е годы. Этот эффект допускает иную трактовку, а именно: он главным образом вызван зависимостью ионных зарядов осколков деления от их скорости, задаваемой выпуклой функцией.

Когда энергия осколков деления упадет настолько, что отношение их энергии в МэВ к массе в атомных единицах станет меньше 0,2, формула (4.19) перестает быть справедливой. Но при уменьшившихся энергиях осколков деления следует применять теорию Линдхарда (рис. 1.1). При дальнейшем уменьшении энергии начинают сказываться квазиупругие столкновения осколков деления с атомами среды. Для расчета потери энергии на такие столкновения, в соответствии с теорией Линдхарда, рекомендуется использовать выражение (8.3).

Что бы необходимо было прделать еще, кроме очевидного расширения набора исследуемых сред? На наш взгляд, это следующие задачи, интересные для физики и важные для приложений. а). Исследование эффекта плотности в газе в более широком интервале давлений, чем это было сделано в настоящей работе. При этом нельзя делать априорных предположений о характере связи между ионными зарядами и скоростью осколков. Для этой дели следует рассматривать торможение осколков, применяя результаты настоящей работы. б).Исследование угловой зависимости спектров электронов из электронных оболочек атома, ядро которого разделилось. Такие эксперименты очень важны для теории, так как они служили бы основой для проверки расчетов, проводящихся в области физики атомных столкновений. Интересно также было бы наблюдать Оже-линии, для чего требуется улучшить энергетическое разрешение спектрометра. Основные методики, требующиеся для проведения таких работ также разработаны в настоящей диссертации. в).Для практических приложений важно продолжить исследование ионных зарядов осколков деления, тормозящихся в среде. г).Важно также было бы провести эксперименты по торможению осколков деления с энергией, относящейся к диапазону, меньшему 0,2 МэВ/а.е.м. д).Следует измерить сечения взаимодействия осколков деления с атомами среды в широком интервале углов и с лучшей статистикой. Это достаточно сложно, так как потребуется использование весьма интенсивного источника осколков деления.

Методики, разработанные в диссертации, и экспериментальные данные, представленные в ней, могут служить основой для успешного решения указанных задач.