2
ОГЛАВЛЕНИЕ
•ведение. стр. 5
'лава 1. Времяпролетный спектрометр незамедленных продуктов еления (ПД) на вертикальном канале реактора МИФИ. 15
.1. Установки для измерения характеристик незамедленных ПД. 15
1.1.1. Спектрометр на базе масс-сепаратора "Лоэнгрин". 15
1.1.2. Установки с использованием метода "двух энергий". 17
1.13. Времяпролетные спектрометры. 18
2. Обоснование выбора общей схемы спектрометра. 20
3. Конструктивное решение спектрометра. 24
13.1. Режекция рассеянных ионов 24
13.2. Мишенный блок. 26
133. Конструкция спектрометра. 28
.4. Измерительный комплекс спектрометра. 33
.5. Электростатическая фокусирующая система (ЭФС). 38
1.5.1. Принцип действия и характеристики ЭФС. 38
1.5.2. ЭФС с изогнутым каналом. 42
1.53. Исследование многосекционной ЭФС. 45
1.5.4. Времяпролетный фильтр на основе ЭФС. 47
.6. Режим генератора тяжелых ионов (ГТИ). 50
"лава 2. Развитие методики спектрометрии незамедленных продуктов
іеления. 53
1.1. Устройства временной отметки (УВО) на микроканальных
шастинах. 53
2.1.1. УВО с изохронным переносом электронов в постоянном
іагнитном поле. 53
2.1.2. УВО с движением электронов в аксиальном электрическом
юле. 59
2.13. Двухкоординатный УВО с электростатическим зеркалом. 60
2.1.4. Методика измерения разрешения УВО на несспарированном
іучке ПД. ' 63
12. Полупроводниковые детекторы (ППД). 67
3
2.2.1. Факторы, определяющие спектрометрические характеристики ДЦ тяжелых ионов.
2.2.2. Экспериментальные исследования ППД на пучке тяжелых онов.
2.2.3. Амплитудно-временные корреляции параметров сигнала ХЩ тяжелых ионов и их использование.
2.2.4. Детектирование ПД в режиме каналирования.
2.2.5. Экспериментальные исследования дефекта амплитуды мпульса ППД с помощью эффекта каналирования.
2.2.6. Энергетическое разрешение ППД для тяжелых ионов в ежиме каналирования.
1.3. Методы массово-энергетической калибровки спектрометра.
2.3.1. Массовая калибровка времяпролетного спектрометра.
2.3.2.Непараметрическая калибровка ориентированных детекторов. 233. Калибровка по эффективности регистрации спектрометра с
>ФС.
1.4. Ионизационная газовая камера для измерения энергии и заряда
Щ.
лава З.Массово-энергетические и зарядово-энергетические аспределения продуктов деления некоторых актинидов.
1.1. Распределения масса-энергия и заряд-энергия ПД в делении епловыми нейтронами изотопов 233и, 235и, 242тАш, 245Ст, 249СГ .2. Распределения по энергии и массе первичных продуктов понтанного деления 252а, 244Сш, 248Сш, измеренных на
пектрометре РОВОБ.
.3. Спектры масса-заряд-энергия (М-1£-Е) ПД в реакции 233и(пшД змеренные на спектрометре СоБьРап-ТиПе.
.4.Тонкая структура Е-М и Е-Х распределений ПД 234и*.
3.4.1.Алгоритмы выделения тонкой структуры.
3.4.2.Достоверность обнаруженной тонкой структуры.
лава 4. Проявления кластерных степеней свободы в изкоэнергетическом делении актинидов
стр. 68
71
76
79
87
95
98
102
105
109
110 116 116
127
138
142
142
158
169
4
I .'Л у
.1. Кластерная концепция многомодального деления актинидов -
экспериментальные указания в нейтронных и зарядовых данных. стр. 169
к2. Поверхность потенциальной энергии делящегося ядра и
делительной моды. 175
3.Сравнительный анализ реакций 252Cf(sf)H 249Cf(n^,f). 181
43.1."Бамп"-структура в распределении масса-энергия 250Cf*. 181
433.Тонкая структура распределения масса-энергия ПД Cf. 184
433.Г росс-структура распределения масса-энергия ПД 252Cf. 185
43.4. Обсуждение. 187
.4. Проявление кластеризации делящегося ядра в массовоэнергетических распределениях изотопов Cm. 192
.5. Кластеризация шейки делящейся системы. 199
4.5.1. Потенциальная и полная кинетическая энергия кластерных онфигураций. 201
4.5.2. Результаты и обсуждение. 203 .6. Образ делительной моды в пространстве масса-заряд-энергия ПД и
сценарий деления. 209
1.7. Тройной кластерный распад ядер 248Ст и 252Cf. 220
4.7.1. Эксперимент. 220
4.7.2. Методические комментарии. 228
4.73. Интерпретация данных. 232
Заключение. 236
Литература 242
5
Введение.
Мультимодальный характер деления остается одним из ведущих направлений следований в физике низких энергий в течении по крайней мере последних пятнадцати ît. Это направление своим развитием обязано в широком смысле результатам, олученным в рамках метода оболоченной поправки В.М.Струтинского расчета энергии дра при его деформации. В расчетах поверхности потенциальной энергии (ППЭ) ядра >8РЬ , выполненных в 1971 году В.В.Пашкевичем [1], впервые было установлено наличие вух долин, связанных с масс-симметричными и масс-асимметричными формами елящейся системы. Эволюция ядра на спуске с барьера деления через последовательность юрм, характерных для каждой из долин, вплоть до точки разрыва, в эксперименте роявляется наличием структуры (дискретных компонент) в распределениях наблюдаемых еременных, в частности, наиболее изученного массово-энергетического распределения родуктов деления (ПД). Мультимодальность низкоэнергетического деления до ктинидных ядер была надежно установлена в экспериментах алма-атинской группы [2]. Существование двух отчетливо выраженных мод ('’бимодальное деление”) в делении зотопов в окрестности Fm выявили эксперименты Е.К.Хьюлетта с сотрудниками [3]. Имея виду перечисленные результаты, мультимодальность деления ядер с промежуточными 1ассами - актинидов - представлялась почти очевидной. Эта гипотеза нашла [одтверждение в результатах цикла расчетов, выполненных в рамках метода оболочечной юправки У.Брозой с соавторами [4]. Расчеты ППЭ в сочетании с предложенным этой руппой сценарием разрыва делящегося ядра (“random neck rupture”) позволили грсдсказать среднюю множественность испускаемых нейтронов v , среднюю массу (<М>) I полную кинетическую энергию (<ТКЕ>) ПД, а также дисперсии двух последних величин щя каждой из делительных мод. Две моды, названные Standart I (St I) и Standart П (St II), фоявляются в большинстве рассмотренных ядер. Предсказанные характеристики наиболее заселенных мод St I и St П удовлетворительно согласуются с экспериментальными щенками, полученными фиггированием массово-энергетических распределений ПД 'ауссианами. Теоретические предсказания заселенности делительных мод отсутствуют. Результаты, полученные У.Брозой с соавторами, послужили отправной точкой для огромного числа экспериментальных работ, в которых данные анализировались и шализируются в терминах “брозовских” мод. Вместе с тем отмеченное согласие расчетов : экспериментом не следует переоценивать. Выбор трехпараметрического семейства форм ядра априори ориентированный на воспроизведение экспериментальных данных по
1СЙтронным множественностям у(ш) , при том, что расчет ППЭ в дальнейшем проводится сорректно - с учетом оболочечных поправок и спаривания, придает рассматриваемому, по существу, феноменологическому подходу, черты некоторой обобщенной жстраполяционной формулы, корректность которой базируется на удовлетворительном воспроизведении топологии ППЭ. Грубо говоря, в результате расчета получается не на иного больше того, что заложено в качестве исходной информации, если учесть, что тредсказываемые величины V, <М>, <ТКЕ>, ам> сттке сильно коррелированы, являясь функцией предразрывной формы ядра. Подтверждением такого заключения является зример, на который ссылаются сами авторы [4]: на выбранном семействе форм делящейся системы и с принятым критерием разрыва не удается правильно воспроизвести даже тенденцию изменения от массы фрагмента такого существенного для физики процесса зараметра как жесткость системы относительно деформации (сМс1(ТКЕ)). В зяьтернативном подходе к расчету ППЭ, реализуемом, в частности, в работах 3.В.Пашкевича, феноменологическая “подсказка” какие формы должна выбирать целящяяся система на спуске с барьера деления отсутствует. Эволюция системы рассматривается в гарантировано достаточном по размерности пространстве деформаций ( зоказано, что увеличение размерности от 10 до 20 параметров не влияет существенно на результаты расчета). Такой подход представляется более надежным и информативным. Как этмечалось в работе [5], ставшей классической, явные или неявные ограничения на зозможные изменения формы ядра в процессе его удлинения, например, за счет эграничения размерности деформационного пространства, эквивалентно введению в расчет возможно больших, и, главное, неконтролируемых, сил. С учетом изложенного именно результаты, полученные в рамках схемы расчетов ППЭ В.В.Пашкевича, послужили основой для интерпретации наших экспериментальных данных.
Исчерпывающий обзор выполненных до 1992 года работ по низкоэнергетическому целению содержится в книге [6]. Среди более поздних работ следует отметить цикл экспериментов по исследованию структуры ППЭ делящихся ядер, выполненных в Физикоэнергетическом институте (г.Обнинск) под руководством А.А.Говердовского [7-10]. Обширный экспериментальный материал, главным образом по зарядовым распределениям ПД, получен в Дармштадте при исследовании в обратной кинематике деления ядра 238и (11,12]. Новые данные о редких модах деления 252СГполучены на у-болле [13].
5.
Уже на момент постановки настоящей работы оболочЬчная природа многомодальное™ деления практически не вызывала сомнений. В то же время
7
исследование конкретных механизмов проявления оболочечных эффектов, приводящих к юзникновению делительных мод, было, и во многом остается, особенно в количественном тлане, актуальной задачей. Наши исследования инициировались отсутствием даже <ачественных ответов на вопросы: на сколько надежна и модельно независима вдентификация делительных мод в экспериментально полученных распределениях ПД актинидов, где проходит граница, разделяющая структурные эффекты в распределениях ПД, обусловленные протонным четно-нечетным эффектом и делительными модами, как выглядит сценарий низкоэнергетического деления с учетом многомодальносги. Представлялась перспективной также попытка поиска проявлений кластерных степеней свободы в делении, имея в виду интригующие результаты, связанные с кластеризацией четких ядер [14]. Ключевым пунктом в решении сформулированных задач могло бы стать выявление априорно незаданного образа делительной моды посредством анализа структуры прецизионно измеренных распределений масса-заряд-энергия (М-г-Е) ПД.
Таким образом, цель работы заключалась в выявлении физического механизма, обуславливающего мультимодальность деления актинидов. Поставленная цель достигалась:
1. Разработкой и созданием прецизионного время-пролетного спектрометра (ВПС) незамедленных продуктов деления (ПД) на вертикальном канале исследовательского реактора МИФИ для измерения распределений первичных ПД по массе, энергии и ядерному заряд>'.
2. Измерениями с полной статистикой 106-107 событий многомерных спектров ПД
тепловыми нейтронами изотопов 233и, 242тАш, 249СТ 245Ст на ВПС МИФИ и продуктов спонтанного деления ядер 244Ст, 248Ст, 252СТ, на 4-я спектрометре заряженных продуктов ядерных реакций РОВОБ (ОИЯИ, Дубна).
3. Разработкой методов выявления и анализа структурных особенностей двумерных распределений наблюдаемых переменных, основанного на расчетах поверхностей потенциальной энергии делящихся ядер и ядер-ядерных потенциалов.
Научная новизна.
В работе впервые предложена кластерная концепция многомодальной модели деления, получены:
- экспериментальные и расчетные подтверждения следующего из этой концепции дикластсрного механизма формирования делительной моды;
- экспериментальные и расчетные подтверждения кластеризации шейки делящейся системы;
- экспериментальные указания на реализацию тройного кластерного распада ядер 248Сш и 252С{\
- экспериментальные свидетельства двух типов коллективных колебаний делящейся системы на пути к разрыву.
Перечисленные физические результаты стали возможными вследствие разработки и использования оригинальных схем измерения характеристик незамедленных ПД а также алгоритмов обработки и интерпретации двумерных распределений ПД. К наиболее существенным новым методическим результатам относятся:
- схемное решение многоцелевого прецизионного время-пролетного спектрометра незамедленных продуктов деления на вертикальном канале исследовательского реактора;
- методика обеспечения чувствительности спектрометра к энергии возбуждения ядер-осколков деления;
- методика измерения ядерного заряда осколков деления с разрешением, близким к 1 ед. зар. для ПД легкого массового пика;
- результаты исследования дефекта амплитуды импульса полупроводниковых детекторов тяжелых ионов с помощью эффекта каналирования;
- методики энергетических калибровок и оптимизации характеристик амплитудного и временного трактов спектрометра на пучке несепарированных по массе и энергии тяжелых ионов;
алгоритмы выделения структурных особенностей двумерных распределений масса-энергия и заряд-энергия ПД.
Научная и практическая значимость работы.
В работе установлены определяющие черты физического механизма возникновения
Г
делительных мод : преформирование двух кластеров -магических ядер- в объеме делящейся системы на ранних стадиях ее удлинения , вид корреляций в движении нуклонов шейки, тип коллективных колебаний делящейся системы на пути к разрыву ([5-колебания кластеров и колебания системы типа баттерфляй). *
9
Выявленные закономерности структурирования холодной ядерной материи ринципиально важны для ответа на “вечные” вопросы физики деления: на какой стадии ;ления формируется нуклонный состав осколков, как распределяется по различным гепеням свободы энергия, освобождающаяся при делении и т.д.
В принятой классификации ’’чистые фундаментальные исследования” (pure basic :search) и “ориентированные (потенциально на технологию ) фундаментальные сследования” (oriented basic research ) настоящая работа тяготеет ко второму направлению этой потенциальной технологией может быть управление делением в смысле збирательного заселения выделенных с точки зрения практики делительных мод, алример, с экологически чистыми продуктами деления.
Практическую ценность представляют результаты методических разработок, еречисленных в предыдущем пункте (“научная новизна”), как инструментов дальнейших сследований в делении и близких областях .
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты.
1 .Решение методической задачи создания на базе низкопоточного (сследовательского реактора времяпролетного спектрометра (ВПС МИФИ) - физической становки мирового уровня новизны и конкурентоспособности для многомерной :пектрометрии осколков деления.
2.Методика выявления ранее неизвестных структурных особенностей двумерных определений масса-энергия и заряд-знергия подуктов деления.
3.Проявления кластеризации делящихся ядер-актинидов, впервые обнаруженные в >езультате анализа:
- массово-энергетических распределений ПД в реакциях деления тепловыми тейтронами изотопов 235U, 233U, 242mAm, 245Cm, 249Cf, измеренных нами на ВПС МИФИ;
- распределений масса-заряд-энергия ПД в реакции U (nth,f), полученных нами по ‘сырым” данным, измеренным на двухплечевом ВПС Cosi-Fan-Tutte (Тюбинген, Германия);
- распределений масса-энергия продуктов спонтанного деления 244Сш, 248Сш, 252Cf, измеренных нами на 4-л спектрометре заряженных продуктов ядерных реакций FOBOS (ОИЯИ, Дубна). ?
10
4. Кластерная концепция многомодальной модели деления.
5. Экспериментальные указания на реализацию нового типа радиоактивности -хшного кластерного распада ядер 248Сш и 252 С£
Структура диссертации.
Диссертация включает введение, четыре главы и заключение.
Первая глава посвящена обоснованию выбора общей схемы спектрометра и его писанию. Здесь же приводятся результаты исследований одной из систем спектрометра -лектростатической фокусирующей системы (ЭФС) и её модификаций. Описывается пециальный режим работы установки в режиме генератора тяжелых ионов.
Во второй главе представлены результаты методических исследований по рецизионной спектрометрии ПД на ВПС. Следует отметить, что они носят более общий арактер по сравнению с решением проблем конкретной установки.
Третья глава посвящена описанию экспериментов по измерению спектров энергия-[асса и энергия-заряд фрагментов индуцированного тепловыми нейтронами и спонтанного деления ряда актинидных ядер. Полученные данные сравниваются с известными из гитературы. Отдельный раздел посвящен методике выделения тонкой структуры Е-М и 1-2 распределений.
В четвертой главе анализируются и обсуждаются на базе расчетов ППЭ делящихся дер а также расчетов ядер-ядерных потенциалов экспериментальные данные, фсдставленные в предыдущей главе.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались на
следующих конференциях и совещаниях.
€
Совещание по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (Алма-ата 1992, Эбнинск 1997, Дубна 1999), Всесоюзная школа “ППД в ядерной физике” (Рига 1985), Международное совещание по физике деления ядер (Обнинск 1987, 1993,1995, 1998), XIX Всесоюзное совещание по физике взаимодействия заряженных частиц с монокристаллами (Москва 1989), Международная школа-семинар по физике тяжелых ионов (Дубна 1989,
11 $ве
?93, 1997), Int. Conf. w Fifth Anniversary of Nuclear Fission” (Leningrad 1989), 1еждународное совещание по установке FOBOS (София 1990, Краков 1994, Дармштадт 996), Int. Conf. “Dynamical aspects of nuclear fission” (Smolenice 1991, 1993, Casta-apiemicka 1996), Int Symposium on Nuclear Physics (Gaussig 1988), Int. Workshop on High-.esolution Spectroscopy of Fission Fragments, Neutrons and y-rays (Dresden 1993), Int. Conf. luclear Structure and Nuclear Reactions at Low and Intermediate Energies (Dubna 1992), Int. Workshop on Nuclear Fission and Fission -Product Spectroscopy (Chateau de la Baume 1994), II at. Seminar on Interaction of Neutrons with Nuclei (Dubna 1994), Int. Conf. Neutron Ipectroscipy, Nuclear Structure and Ralated Topics (Dubna 1994 , 1997), XV Nuclear Physics )ivisional Conference “Low Energy Nuclear Dynamics” (St Petersburg 1995), Int. Conf. on -luclear Data for Science and Technology (Triest, Italy 1997), Научная конференция МИФИ Москва 1983, 1985, 1987, 1998, 1999), Russian-German Workshop “Collective Modes in Tsssion: Regular and Chaotic Aspects” (Dubna 1996), 9-th Nordic Meting on Nuclear Physics Jyvaskyla, Finland 1998).
Исследования были поддержаны на заключительной стадии грантами Российского 1>онда фундаментальных исследований (грант 96-02-17674) в 1996-98 г.г.; INTAS TNT AS -94-1892) в 1995-97 г.г.; Минобразования РФ в 1998 г.
Основные результаты диссертации отражены в следующих публикациях.
1. СЛ.Подпшбякин, Ю.В.Пятков, АИ.Слюсаренко, А.Н.Шеметов. //
Позиционно-чувствительный детектор временной отметки на МКП.// ПТЭ, № 6,
1988, с. 67-70.
2. А.А.Александров, Н.Н.Демидович, Ю.А.Коржук, Ю.Ф.Певчев,
Ю.В.Пятков, С.И.Ситников, А.И.Слюсаренко, СЛ.Шаров, А.Н.Шеметов.,// Измерительный комплекс времяпролетного спектрометра для исследования редких мод деления тяжелых ядер.// ПТЭ, № 4,1989, с. 44-46.
3. А.А.Александров, Н.Н.Демидович, А.В.Ермоленко, И.В.Нахутин,
Ю.В.Пятков, А.И.Слюсаренко, М.П.Шарак, В.Г.Шатунов, Шеметов А.Н. И.А.Шляпина. // Спектрометр незамедленных продуктов деления. // ПТЭ, № 3
1989, с.38-42.
4. A.A.Alexsandrov, I.A.Alexandrova, S.L.Podshibyakin, Yu.V.P''jeov*
A.I.Slyusarenko, A.N.Shemetov, R.A.Shehmametiev7/ Fine structure r **ss*on
- fragment mass-energy distributions for thermal neutron induced fission ^^des.//
-t*e . . .
Proc. ofUfe Int Conference “Fifth Anniversary of Nuclear Fission”, Leningrad, USSR, October 16-20, 1989, p. 383-386.
5. A.A.Alexandrov, I.A.Alexandrova, A.V.Ermolenko, Yu.A.Koijuk,
D.S.Nikulin, Yu.F.Pevchev, S.L.Podshibyakin, Yu.V.Pyatkov. // A time-of-flight spectrometer for unslowed fission fragments.// NIM A303,1991, p. 323-331.
6. A.A.Alexandrov, I.A.Alexandrova, S.L.Podshibyakin, Yu.V.Pyatkov,
A.I.Slyusarenko, A.N.Shemetov, R.A.Shehmametiev. // Energy calibration of the time-of-flight fission fragments spectrometer.//NIM A302,1991, p. 478-481.
7. A.A.Alexandrov, I.A.Alexandrova, S.L.Podshibyakin, Yu.V.Pyatkov,
A.I.Slyusarenko, A.N.Shemetov.// Study of the surface-barrier semiconductor detector response to the fission fragments in the channeling mode.// NIM A312, 1992, p. 542-546.
8. A.A.Alexandrov, I.A.Alexandrova, Yu.V.Pyatkov, A.I.Slyusarenko,
A.N.Shemetov. // Study of fission fragments channeling in silicon monocrystals. // Radiation Effects and Defects in Solids, v. 124,1992, p. 191-196.
9. С.Л.Подшибякин, Ю.В.Пятков, С.Н.Ситников, А.И.Слюсаренко,
А.Н.Шеметов, Р.А.Шехмаметьев. // Измерение заряда продуктов деления 235U ионизационной камерой в составе времяпролетного спектрометра.// ПТЭ, 1992, с. 66-68.
10. Yu.V.Pyatkov, R.A.Shehmametiev, A.I.Slyusarenko. // Fine structure in Cold Fission Mass Distribution of 249Cf(nth, f) Reaction.// HNR Rapid Communications 2, 1993, p. 98-104.
11. A.A.Naletov, Yu.V.Pyatkov, R.A.Shehmametiev, A.I.Slyusarenko.// Clustering aspects of heavy nuclei deformation process.// Proc. Of the Int. School-seminar on heavy ion physics. Dubna, 1993, p. 358-361.
12. Yu.V.Pyatkov, A.A.Alexandrov, I.A.Alexandrova, B.I.Andreev, P.Gippner, K.-M.Herbach, E.M.Kozulin, A.Matthies, Yu.Ts.Oganessian, H.-G.Ortlepp, Yu.E.Penionzhkevich, G.Renz, K.-D. Schilling, O.V.Strekolovski, V.M.Vasko W.Wagner.// Two-velocities measurements of Fragment spectra in 244Cm С spontaneous Fission on the FOBOS spectrometer.// Proc. Of the Int. Works): Nuclear fission-product spectroscopy, Chateau de la Baume, Seysis, France
13. А.А..Александров, И.А.Александрова, С.А.Подшибякин, Ю.В.Пятков, А.И.Слюсаренко, А.Н.Шеметов, Р.А.Шехмаметьев.// Массово-энергетические спектры осколков деления в реакции Аш(п<ь, О- // Я.Ф., т. 57, вып. 12, 1994, с. 2137-2139.
14. Ю.В.Пятков, Р.А.Шехмаметьев.// Кластерная концепция многодолинной модели деления.// Я.Ф., т. 57, 1994, с. 1182-1185.
15. A.A.Alexandrov, B.I. Andreev, P.Gippner, C.-M.Herbach,
Yu.Ts.Oganessian, H.-G.Ortlepp, Yu.E.Penionshkevich, Yu.V.Pyatkov, R.A.Shehmametiev, W.Wagner // Structure peculiarities in the mass-energy
spectruraof the 244Cm(s.f.) fission fragments studied at the FOBOS set-up.// Proc. Of the XV Nuclear Physics Divisional Conference Low Energy Nuclear Dynamics, St.Petersburg, April 18-22, 1995, p. 239-241.
16. Ю.В.Пятков, Г.Г.Адамян, М.В.Антоненко, В.Г.Тищенко, М.Е.Фукс, Р.А.Шехмаметьев. // Кластерная интерпретация тонкой структуры массовоэнергетических распределений осколков деления урана.// Proc. of the ХШ Meeting on Physics of Nuclear Fission in the Memory of Prof. G.N. Smirensin, Obninsk, 1995, ed. B.D. Kuzminov, p.74-79.
17. Ю.В.Пятков, АБ.Унжакова, В.В.Пашкевич, В.Г.Тищенко. // Форма ядер 250, 252Cf в процессе деления с точки зрения геометрической структуры кластерной природы.// Изв. РАН, сер. физ., Т60, 1996, с. 30-35.
18. Yu.V.Pyatkov, G.G.Adamian, N.V.Antonenko, V.G.Tishchenko.// Nucl. Phys.,
A611 ,1996, p. 355-369. Cluster approach to description of fission modes.
19. V.V.Pashkevich, Yu.E.Penionzhkevich, Yu.V.Pyatkov, V.G.Tishchenko, A.V.Unzhakova, H.-G.Ortlepp, P.Gippner, C.-M.Herbach, W.Wagner.// Manifestation of clustering in the 252Cf(s f) and 249Cf(nih, f) reactions.//Nucl. Phys. A624, 1997, p. 140-156.
20. W.Wagner, (FOBOS collaboration, Yu.V.Pyatkov.).// The 4тг- fragment-spectrometer FOBOS7/NTM, A403,1998, p. 65-97.
21. Ю.В.Пятков, В.В.Пашкевич, В.Г.Тищенко, В.А.Маслов, И.В.Клюев.// Выделение структурных особенностей двумерных распределений наблюдаемых переменных.// Препринт ОИЯИ, Р13-98-32,1998.
22. Yu.V.Pyatkov, V.V.Pashkevich, H.-G.Ortlepp, ^A.V.Unzhakova, V.G.Tishchenko.// The cluster concept of multimodal fission of actinides: status and
14
prospectsJ! Proc. of Int. Conf. on Nuclear Data for Science and Technology ed. By G.Reffo, A.Ventura and C.Grandi, Triest 19-24 May, 1997, V59, part 1, p. 465-467.
23. RA.Shekhmametiev, Yu.V.Pyatkov, F.Göennenwein, P.Geltenbort.// Mass-nuclear charge-energy spectra of fission fragments from the reaction 233U(nth, f).// Proc. of Int. Conf. on Nuclear Data for science and technology ed. By G.Reffo, A.Ventura and C.Grandi, Triest 19-24 May, 1997, V59, part 1, p. 655-657.
24. Ю.В.Пятков, В.В.Пашкевич, Ю.Э.Пенионжкевич, В.Г.Тищеико, К.-М.Хербах. // Экзотические моды распада 248Ст и 252Cf. // Препринт ОИЯИ, Р15-98-263.
25. Yu.V.Pyatkov, A.A.Alexandrov, I.A.Alexandrova, V.V.Pashkevich., Yu.E. Penionzhkevich, V.G.Tishchenko, A.V.Unzhakova, V.A.Maslov, I.P.Tsurin, W.Wagner, H.-G.Ortlepp, P.Gippner, C.-M.Herbach, K.-D. Schill mg, B.I.Fursov, V.F.Mitrofanov.// The ”two-Sn” mode observed in cold fission of Cm and Cf isotopes.// Proc. of the VI Int. School - seminar on Heavy Ion Phys., Dubna, 1997, p. 720-722.
15
ГЛАВА I. Время-пролетный спектрометр незамедленных продуктов деления.
Выбор концепции установки по исследованию незамедленных ПД определялся как классом задач, которые предполагалось решать - измерение массы и заряда ПД до уровня выходов - КГ6 , так и “граничными” условиями - мощностью базового реактора (ИРТ МИФИ) и доступными материальными ресурсами. Очевидным требованием является также конкурентоспособность проектируемой установки. Методический фон, на котором проходила разработка установки, представлен в следующих разделах главы. Кратко анализируются аналогичные по назначению установки, характеристики которых задавали минимальный уровень требований к параметрам создаваемого спектрометра.
Установки по исследованию незамедленных продуктов теплового деления тяжелых ядер можно разделить на две группы:
1. с мишенью делящегося вещества вблизи активной зоны реактора;
2. на выведенном пучке нейтронов.
К первой группе относятся установки на базе масс-спектрометров. Установки второй группы построены на основе методов измерения 2-х энергий (“2Е-метод”), 2-х скоростей (“2V -метод”) или скорости и энергии генетически связанных осколков деления (“V-Е метод”).
1.1.1. Спектрометр на базе масс-сепаратора “Лоэнгрин”.
Известной установкой, относящейся к первой группе, на которой проведены систематические исследования характеристик ПД в том числе, является спектрометр на базе масс-сепаратора “Лоэнгрин” в институте Лауэ и Ланжевена (ILL) в Гренобле [15,16,17]. Для последующего анализа с масс-сепаратора поступают ПД с выделенным отношением A/q и E/q, где А - массовое число, Е - кинетическая энергия, a q - ионный заряд ПД. Энергию ПД измеряют обычно ионизационной камерой (ИК). Сравнение измеренной энергии с отношением E/q позволяет определить ионный заряд и из значения A/q - массу ПД, так как для каждого массового числа существует хотя бы одно отношение A/q, которого нет у других ПД. Для выделенного значения E/q спектр масс измеряют изменяя магнитное поле сепаратора. Разрешающая способность установки по массе А/дА и энергии Е/дЕ составляет ~ 103.
16
Ядерный заряд (2) ПД с данными значениями А и q определяют, измеряя с помощью ИК остаточную энергию ПД после прохождения ими пассивного поглотителя. В качестве поглотителя используется девять пленок из парилена-С, для обеспечения однородности поглотителя, общей толщиной 1,16 мг/ см3. Энергетический страгглинг в поглотителе составляет 1000 кэВ по сравнению с разрешением ИК 400 кэВ для остаточной энергии Е=30 МэВ группы легких ПД. Разрешающая способность по заряду составляет 2Уд2 = 58 для ZSl39 и является рекордной.
Достигнутые на данной установке разрешения позволили изучить массовые и зарядовые выходы группы легких ПД соответственно до уровня < 10'6 и 10"4 для ядер
233и, 235и, 239ри> 249СГ
Низкая эффективность масс-сепаратора < 10'9 заставляет помещать делящееся вещество, являющееся источником ПД, в интенсивный нейтронный поток ~ 5-1014 н/(см2-с), чтобы за разумное время измерить весь набор комбинаций энергий, масс и зарядов ПД до необходимого уровня выходов. По этой причине, например, не удалось реализовать для исследования редких мод деления возможности масс-сепаратора на пучке нейтронов реактора Института ядерной физики в Ташкенте [18].
Использование мишеней в нейтронном потоке ~ 5*1014 н/(см2с) возможно только с покрытием делящегося вещества защитным слоем, чтобы предотвратить его потери за счет шрегатной отдачи. Так, на масс-сепараторе “Лоэнгрин” делящееся вещество покрывается слоем тантала толщиной 140 мкг/см2, что позволяет уменьшить его потери для изотопа 233и с 85 до 4 % в день. Последняя величина практически целиком обусловлена выгоранием делящегося вещества мишени. Уменьшение толщины слоя делящегося вещества в ходе измерений вследствие выгорания и его внедрения в подложку и покрытие из-за агрегатной отдачи приводит к изменениям энергии и интенсивности потока ПД. Для учета таких изменений, которые могут привести к ошибкам в определении выходов ПД при переходе от одного диагноза измерений к другому, приходится по несколько раз в день проводить контрольные замеры для фиксированного значения А/я и нескольких энергий.
Недостатком установки на базе масс-сепаратора “Лоэнгрин” является то, что из-за интенсивного выгорания делящегося вещества мишени, низкой эффективности и высокой стоимости эксплуатации измеряются выходы ПД только для нескольких фиксированных энергий. По этой же причине не удается исследовать на данной установке деление редких элементов, имеющихся в небольших количествах.
17
Для решения указанной проблемы предназначена специально разработанная координато-чувствительная дЕ-Е-ИК с большим входным окном [19]. Камера позволяет определять координаты частицы в фокальной плоскости сепаратора с точностью дХ =7 мм и дУ = 4 мм и идентифицировать ядерные заряды ПД до 2=41. Энергетическое разрешение ИК составляет 600 кэВ для средней массы и энергии легкой группы ПД. Входное окно камеры состоит из трех частей прямоугольной формы размером 12 х 1,8 см каждая. Во всех выполненных до настоящего времени измерениях размер выходной щели сепаратора был ограничен 35 х 3 мм2 и 20 х 3 мм2 при измерении массовых и зарядовых выходов соответственно.
Характеризуя масштаб и сложность базовой установки “Лоэнгрин” и последующих ее дополнений, можно отметить, что они создавались в рамках межнациональных проектов.
1.1.2. Установки с использованием метода “двух энергий”.
В установках на основе метода измерения кинетической энергии парных ПД используются двойные импульсные ИК или полупроводниковые детекторы (ППД). Масса ПД в данном методе определяется из закона сохранения импульса при делении, из которого следует, что отношение кинетических энергий ПД обратно пропорционально отношению их массовых чисел с точностью, определяемой нейтронной эмиссией из ПД.
В работе [20] для исследования холодной фрагментации (ХФ) 235и (пл,0 авторами была впервые применена двойная импульсная ИК с сетками Фриша и общим катодом, а также предложена методика сьема информации. Катод камеры совмещен с мишенью из делящегося вещества ир4 толщиной 3 мкг/ см2, нанесенной на углеродную
л _
подложку толщиной 5 мкг/ см . Для ПД, из которых в среднем вылетает менее одного нейтрона (при энергии ПД легкой группы больше 106 МэВ), достигнуто разрешение по массе 0,3 а.е.м. Для определения ядерного заряда ПД Ъ использовался известный факт, что для ионов с фиксированной массой и скоростью средний пробег Я зависит только от Ъ и, что для событий с фиксированным отношением А1/ А2 и полной кинетической энергией сумма пробегов Я[+ Я2 остается величиной постоянной. Поэтому, отбирая события из достаточно узкого интервала углов 0 ( Д() ~ 20° ), можно получить для отношения зарядов:
Ъ2 Я2 (с1/У)-Т2 (1.1)
= = ..—-г,
г, я, (ал/) - т,
18
Где d - расстояние между катодом ИК и сеткой Фриша, V - скорость дрейфа электронов в рабочем газе камеры, Ті и Тг - времена задержек в появлении сигналов с катода и анода ИК. С помощью такой методики идентифицированы заряды ПД, отношение которых Z\! Z2 не превышает 50/42.
ХФ в реакции 235U (nth,f) также исследовалась с помощью двойной ИК [21]. Разрешение камеры, оцененное по отношению пик/ впадина (ОПВ) в массовом спектре ПД 235U (n,h,f) составило » 2 а.е.м. Полученные данные хорошо согласуются с результатами, измеренными на сепараторе “Лоэнгрин”.
С помощью ППД 2-Е методом исследовались массово-энергетические распределения ПД f) и 237Np(nth,f) [22,23]. Для регистрации ПД
использовались кремниевые поверхностно-барьерные детекторы. Измерения были выполнены на пучке нейтронов с плотностью потока 5 х 109 н/(см2 с) реактора в ILL. Заколлнмированные для устранения краевых эффектов ППД были размещены на расстоянии * 7 см друг от друга по обе стороны от мишени. Кроме амплитуд импульсов с ПГІД измерялась разница времен пролета парных ПД до детекторов, которая использовалась при обработке для получения достоверной информации в области малых выходов. Разрешение по массе в работе [22] составляло * 3 а.е.м. В работе [23] в массовых спектрах ПД 23'Np(nu,,f) при высоких кинетических энергиях удаюсь наблюдать тонкую структуру с периодом « 2,5 а.е.м. В данной работе кроме ПД с помощью ДЕ-Е - телескопа ППД регистрировались а- частицы тройного деления.
В качестве преимущества установки с использованием метода измерения энергий парных ПД можно указать их высокую геометрическую эффективность.
Недостатком установок с использованием измерения энергий парных ПД является принципиальное ограничение массового разрешения вследствие эмиссии мгновенных нейтронов из ПД. По этой же причине метод дает только значения, так называемых, условных масс, если не вводится поправка на число излучаемых из ПД нейтронов. Установки такого типа также не позволяют проводить исследования делящихся изотопов с высокой естественной а- активностью из-за недопустимых загрузок а- частицами.
1.13. Времяпролетные спектрометры.
Метод измерения массы ПД по разности времен пролета парными ПД разных по величине пролетных баз был предложен в работе [24] и использовался для
19
исследования ХФ 233и, 235и и 239Ри (п^, 0 [25,26]. Данный метод позволяет разделять соседние массы ПД в области, где из ПД излучается в среднем менее одного нейтрона ( » 6 % от всего числа делений). Суть метода заключается в следующем. Из закона сохранения импульса в делении следует, что разность во временах пролета парных ПД АТ определяется следующей формулой:
Ь\ 1>2 ГО2 V ГП)
АТ = — [1- - • - ] (1-2)
>/ Е1 1>1 Ш1 ш2
где , Е| и т* - длина пролетной базы, кинетическая энергия и масса Г1Д (\ = 1,2 ). Для фиксированного значения Е) величина АТ представляет собой дискретный набор значений, соответствующих различным массовым разделениям.
Экспериментальная установка состоит из двух поверхностно-барьерных детекторов, помещенных на расстоянии 49 и36 см (для изотопов урана) по обе стороны от мишени, один из которых дает стартовый, а другой - стоповый сигналы от парных ПД. Отношение длин пролетных баз Ь2/Ь[ выбирается, исходя из требования оптимизации разрешения близким к значению Ш)/Ш2 . С помощью ППД также измеряются кинетические энергии ПД. Исследования проводились на пучке нейтронов реактора в 1ЬЬ с плотностью потока 5x109 н/(см2-с). Для легкой группы ПД 236и(п1ъ,0 в коридоре энергий 111-112 МэВ массовое разрешение составило « 0,5 а.е.м.
Времяпролетная методика реализована также в установке “СоБ^Рап-ТиПе” в ИХ. Для измерения времени пролета ПД в данном спектрометре используются устройства временной отметки (УВО) на основе микроканальных пластин [27]. Расстояние между УВО составляет 107 см. Кинетическая энергия ПД измеряется с помощью импульсной ИК [28], в которой ПД останавливаются после прохождения УВО. Разрешение спектрометра по времени и энергии для среднего легкого ПД 233и(пл,0 составляет <100нс и 470 кэВ соответственно. Размер входного окна ИК равен 0,78 см2, что обеспечивает геометрическую эффективность 2,04* 10"6. Массовое разрешение спектрометра, оцененное по массовому спектру ПД 233и(пл,0 составило 0,7 и 1,2 а.е.м. для легкой и тяжелой группы ПД соответственно. Для регистрации а-частиц тройного деления вокруг мишени на сферической поверхности радиусом 126 мм крепятся 16 поверхностно-барьерных детекторов. Основные характеристики спектрометра “СоБ^Рап-ТиПе” взяты из работы [29], в которой впервые был измерен массово-энергетический спектр ПД Ст(п1ь,0 , включая область холодной и холодной деформированной фрагментации.
20
На используемой в спектрометре “Cosi-Fan-Tutte” ИК по методике, описанной в [28], при испытаниях на масс-сепараторе “Лоэнгрин” получено разрешение по заряду Z/AZ - 43 для Z- 39. Суть методики состоит в измерении времени дрейфа трека ПД от катода к аноду камеры путем измерения длительности фронта токового импульса. С учетом однородности электрического поля в камере это эквивалентно измерению пробега ПД.
Недостатком времяпролетных систем является низкая геометрическая эффективность, которая обусловлена необходимостью использования довольно больших пролетных баз. В двухплечевом варианте происходит дополнительное уменьшение эффективности вследствие потери парными ПД коллинеарности после эмиссии нейтронов. В спектрометре “Cosi-Fan-Tutte” такое уменьшение эффективности составляет 100 раз и делает невозможным исследование редких мод деления при регистрации парных ПД. Из-за низкой эффективности использование времяпролетных спектрометров на выведенных пучках нейтронов возможно только на высокопоточных реакторах.
Из проведенного выше анализа существующих установок, на которых выполнены исследования по редким модам в делении тяжелых ядер тепловыми нейтронами, следует, что конструкция подобных установок представляет собой компромисс между многими, отчасти противоречивыми требованиями, предъявляемыми экспериментом.
1.2. Обоснование выбора общей схемы спектрометра.
Из всех перечисленных вьеше установок изучение элементного состава ПД удалось осуществить только с помощью спектрометра на базе масс-сепаратора “Лоэнгрин” и времяпролетного спектрометра “Cosi-Fan-Tutte” и только группы легких продуктов теплового деления. Однако вследствие низкой интенсивности потока ПД, регистрируемых в данных установках, для эксплуатации последних необходим высокопоточный реактор (> 5- 1014 н/(см2 с).
Интенсивность потока тепловых нейтронов в активной зоне исследовательского реактора МИФИ, который предполагалось использовать в качестве базового для создания установки, составляет 2,5-1013 н/(см2 с), что в - 40 раз меньше, чем на реакторе в ILL , на котором базируются сепаратор “Лоэнгрин” и “Cosi-Fan-Tutte”. Исследование редких мод деления на таком реакторе с помощью установки на базе
21
масс-сепаратора или времяпролетного спектрометра на выведенном пучке нейтронов оказывается невозможным из-за неразумной (годы) длительности экспериментов.
Существует ли возможность более эффективного использования нейтронного потока реактора в экспериментах с применением времяпролетной методики? Принципиально это возможно, если расположить мишень делящегося вещества вблизи активной зоны реактора, как это было сделано в работе [30]. Простые расчеты показывают, что на горизонтальном экспериментальном канале (ГЭК-2) реактора с плотностью потока тепловых нейтронов 5*1012 н/(см2-с) можно обеспечить интенсивность регистрации ПД во времяпролетной системе, установленной вдоль оси канала за биологической защитой реактора, достаточную для исследования редких мод деления. Однако использование микроканальных пластин (МКП), способных обеспечить необходимое разрешение при измерении времени пролета ПД, в условиях ГЭК оказывается проблематичным. Установка МКП соосно пучку ПД, как это сделано в спектрометре “СоБьРап-Ти«е”, в данном случае исключается, так как мощность дозы у -излучения на выходе ГЭК-2 составляет ~ 8 р/с. Тогда как, оцененная величина допустимой мощности дозы на МКП составила ~ 100 мкр/с.
Следует отметить, что прецизионные измерения на спектрометре “СоБГРап-ТиПе” проводятся в нейтроноводном зале реактора в практически безфоновых условиях. Данные по использованию МКП в условиях открытых экспериментальных каналов реакторов в литературе отсутствуют.
Казалось бы, проблему можно решить, если ограничить открытую область экспериментального канала до размеров рабочей поверхности используемых детекторов ПД и использовать конструкцию устройства временной отметки (УВО), которая позволяет поместить МКП вне открытой области канала. Однако, рассеяние реакторных у -квантов в стенке ионопровода приводит к ореольности у -излучения на выходе последнего. Мощность дозы такого у -излучения в области МКП сравнима по порядку величины с оцененной величиной допустимой мощности дозы.
В качестве следующего варианта базового канала для создаваемого спектрометра были рассмотрены вертикальные экспериментальные каналы (ВЭК) реактора. Четырехкратное уменьшение эффективности по сравнению с ГЭК вследствие большой длины может быть скомпенсировано величиной нейтронного потока. Например, в ВЭК-17 плотность последнего достигает 2,5-1013 нДсм^с), что на порядок превышает величину нейтронного потока на мишени в ГЭК-2. Однако, интенсивность у -излучения на детектирующей системе спектрометра остается примерно такой же, как и в случае с
22
ГЭК-2. Удаление от центра активной зоны, например в ВЭК-9, который имеет характеристики аналогичные ГЭК-2, также не решает проблемы использования МКП в составе спектрометра.
Проблема фоновых загрузок УВО решается, если в качестве базового канала использовать ВЭК в тепловой колонне реактора. Так, в ВЭК-18 с плотностью потока тепловых нейтронов 3,7*1011 н/(см2*с) кадмиевое отношение равно 400, а мощность дозы у -излучения на дне канала составляет всего 50 р/с, что в 102 - 103 раз меньше, чем в обычных ГЭК и ВЭК. Уровень у -фона на ВЭК-18 за биологической защитой (~ 80 мкр/с) на препятствует, исходя из оценочных расчетов, нормальной эксплуатации МКП. Следует, однако, отметить, что такой у -фон не исключая исследования характеристик УВО на основе МКП в условиях прямого экспериментального канала, так как это делалось впервые.
Выбор ВЭК-18 в качестве базового канала создает другую проблему: плотность потока тепловых нейтронов в нем явно недостаточно для исследования редких мод деления, если учесть, что геометрическая эффективность в данном случае составляет величину ~ 10‘7. Эффективность установки можно повысить при использовании в качестве ионопровода коаксиального конденсатора, образованного стенкой ионопровода и натянутой вдоль его оси металлической нитью [31]. При попадании ПД в область электрического поля этого конденсатора часть из них захватывается в режим колебаний относительно центрального электрода - нити и движется по спиральным траекториям вдоль ионопровода к детектирующей системе спектрометра. Такая электростатическая фокусирующая система (ЭФС) согласно расчетам, выполненным в работе [32], может существенно (в 102 - 103 раз) повышать эффективность установки при значительном удалении (несколько метров) мишени от детектирующей системы.
Как и при измерении времени пролета ПД, для определения их кинетической энергии должны использоваться детекторы с наилучшими характеристиками. Такими детекторами являются газовая ИК и ППД в особом режиме - ориентированном [33], регистрирующий ПД в режиме каналирования. Следует отметить, что для определения заряда ПД других типов детекторов не требуется. Использование ориентированных ППД возможно при расходимости пучка ПД <0,5°. В вышерассмотренных установках на базе ППД такой режим реализовать не удается. Система формирования пучка ПД на основе ЭФС обеспечивает необходимую угловую расходимость последнего для реализации режима каналирования ПД в ППД.
23
%
Таким образом, исходя из анализа существующих установок и наиболее перспективных детекторов, а также характеристик базового реактора для измерения выходов ПД до уровня КГ6 и исследования детекторов тяжелых ионов была принята следующая концепция спектрометра: одноплечевой
времяпролетный спектрометр с мишенью делящегося вещества вблизи активной зоны реактора, системой формирования на базе ЭФС пучка ПД с малой угловой расходимостью, пригодного для реализации режима каналирования ПД в ППД.
Установка с такой схемой обладает рядом потенциальных преимуществ по сравнению с известными. В отличие от установки на масс-сепараторе “Лоэнгрин” измерение всего спектра масс, энергий и зарядов происходит одновременно. Умеренная интенсивность нейтронного потока позволяет использовать мишени без покрытия. Все эти факторы, вместе взятые, снимают проблемы сшивки выходов ПД для разных отношений E/q и A/q и определения абсолютных значений кинетической энергии ПД, которые существуют в спектрометре на базе масс-сепаратора “Лоэнгрин”. Пренебрежимо малая (~ 10'3 % в день) скорость выгорания делящегося вещества в мишени позволяет работать с элементами, имеющимися в небольших количествах.
В принятой нами схеме измерения массы и кинетической энергии снимаются ограничения на предельно достижимое разрешение по массе и а - активности мишени, характерные для описанных ранее схем, использующих закон сохранения импульса при делении (бинарность процесса).
Реализованный в работе вариант времяпролетной установки, благодаря использованию ЭФС, обеспечивает эффективность, по крайней мере, сравнимую с последней в спектрометре “Cosi-Fan-Tutte”, а в ~ 70 раз большая интенсивность потока тепловых нейтронов на мишени позволяет исследовать ядра с малой делимостью.
При проектировании базовых систем спектрометра особое внимание было обращено на обеспечение возможности калибровок используемых детекторов непосредственно в условиях эксперимента- Как показывает опыт работы в ILL, любая из применявшихся схем регистрации прежде подробно исследовалась на пучке ПД, сепарированных по массе и энергии на масс-сепараторе “Лоэнгрин”.
Объективно потребность в отработке методики на мономассовых и монохроматических пучках тяжелых ионов обусловлена сложностью и недостаточной изученностью физики взаимодействия тяжелых многозарядных ионов со средой, отсутствием адекватных теоретических моделей и даже оценок, например, такого важного параметра, как сечения перезарядки [34]. В то же время данные, получаемые
- Київ+380960830922