Ядерные реакции на среднетяжелых разделенных изотопах и на тяжелых радиоактивных ядрах
На правах рукописи
Балабекян Анаит Рафиковна
Ядерные реакции на среднетяжелых разделенных изотопах и на тяжелых радиоактивных ядрах
01.04.16 -- физика атомного ядра и элементарных частиц.
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
доктора физико-математических наук
Дубна – 2008
Работа выполнена в Лаборатории ядерных проблем им. В.П.Джелепова Объединенного института ядерных исследований и на кафедре ядерной физики Ереванского государственного университета
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,
профессор Чубарян Эдвард
Вартанович
доктор физико-математических наук
Ковалик Алоиз
доктор физико-математических наук
Демьянова Алла Сергеевна
Ведущая организация: Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В.Скобельцына (НИИЯФ МГУ)
Защита состоится «___»___________2009 г. в «____» час на заседании диссертационного совета по защите диссертации Д 720.001.03 при Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ по адресу: Россия, 141980, Московская область, г. Дубна, ул. Жолио-Кюри, д. 6, ОИЯИ
С диссертацией можно ознакомиться в НТБ Объединенного института ядерных исследований
Автореферат разослан “_____” _______________ 2009 г
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор физико-математических наук Ю.А.Батусов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
В настоящей диссертации представлены экспериментальные результаты в области ядерных реакций на разделенных изотопах олова (112,118,120,124Sn) под действием протонов с энергиями 0.66, 1.0, 3.65 и 8.1 ГэВ и под действием дейтронов с энергией 3.65 ГэВ/нуклон. Приведены также результаты исследований для выходов реакций под действием протонов с энергией 0.66 ГэВ на радиоактивных ядрах 129I, 237Np и 241Am. Проведено детальное сравнение полученных результатов с соответствующими теоретическими моделями.
Актуальность темы:
Согласно современным представлениям взаимодействие высокоэнергетичных заряженных частиц с атомными ядрами описывается двухступенчатой, каскадно-испарительной моделью. В первой, быстрой стадии реакции, налетающая частица взаимодействуя на своем пути с ограниченным числом нуклонов ядра, вылетая из ядра уносит с собой определенное число быстрых частиц. На второй стадии, оставшееся после каскада, возбужденное ядро относительно изотропно испускает нуклоны (гамма кванты) и превращается в ядро-продукт [1]. Эта модель описывает ядерные реакции в широкой области масс мишеней, ядер-продуктов и энергий налетающих частиц. В тоже время, несмотря на многочисленные экспериментальные факты, накопленные за многолетнюю историю в физике ядерных реакций, некоторые из важных проблем, таких как механизм адрон- и ядро-ядерных взаимодействий при высоких энергиях, поиск нового острова стабильности сверхтяжелых элементов, свойства экзотических ядер и т.д. все еще ожидают своего решения. Одна из них связана с выяснением механизма образования легких ядер-продуктов (механизм мультифрагментации).
Ядерная фрагментация была открыта 70 лет назад при изучении космических лучей, как неожиданный феномен сопровождающий соударение релятивистских протонов с мишенями. Она выявилась в виде испускания медленных фрагментов, масса которых была тяжелее чем масса -частиц, но легче чем масса фрагментов деления [2]. В настоящее время их называют Фрагментами Промежуточной Массы (ФПМ 7Z20). В дальнейшем, ядерная фрагментация была обнаружена в экспериментах на ускорителях. Ситуация сильно изменилась в 1982 году, когда на ускорителе в Беркли Якобсоном и др. во взаимодействиях 12C (250 МэВ/нуклон) с ядрами фотоэмульсий было открыто множественное рождение ФПМ (ядерная мультифрагментация) [3]. Это стимулировало появление многих теоретических моделей, в которых образование легких ядер-продуктов объяснялось фазовым переходом "жидкость-газ", который происходил при большой температуре горячего ядра, образующейся при облучении ядра–мишени высокоэнергетичной частицей [4,5]. Горячие ядра образуются при столкновении высокоэнергичных тяжелых ионов с ядрами. Нагревание ядра сопровождается сжатием, сильным вращением и искажением формы, что в свою очередь влияет на распад самого высоковозбужденного ядра. В таких случаях говорят о «динамической» мультифрагментации. Картина становится более ясной когда в качестве бомбардирующих частиц используются легкие релятивистские снаряды (протоны, дейтроны, -частицы). В результате энергия возбуждения ядра почти целиком тепловая и можно применить термодинамические подходы для описания ядерного фазового перехода «жидкость-газ» («тепловая мультифрагментация»).
В настоящее время накоплен богатый экспериментальный материал в исследовании ядерной мультифрагментации. Несмотря на это все еще остается открытым вопрос: можно ли механизм мультифрагментации применить только для ФПМ (7Z20) или более тяжелые остаточные ядра тоже могут образоваться как остаточные партнеры ФПМ в ядерной мультифрагментации.
Другое важное направление в области ядерных реакций исследуемое в настоящей диссертации это трансмутация продуктов деления и трансурановых элементов, интерес к которым сильно возрос в последнее десятилетие в связи с проблемой утилизации ядерных отходов при работе атомных электростанций. Сделанные различными группами оценки показывают, что при трансмутации всех трансурановых элементов (ТУЭ) радиационный риск, обусловленный их утечкой из глубинного могильника, сравнивается с естественной радиоактивностью урановой руды не через 5•106 лет, как в случае непереработанных отходов, а примерно через 103 лет. Но при этом увеличивается обращение с ТУЭ на всех этапах топливного цикла [6].
Оценки радиационной опасности отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) показывают, что после выделения актиноидов уран--плутониевого ряда и продуктов деления типа 90Sr и 137Cs, главным источником воздействия на население остаются 241Am и 237Np. При этом среди актиноидов наибольший вклад в радиоактивность дает 241Am. Опасность от 237Np заключается во первых в том, что, по массе этот элемент преобладает в ОЯТ, а во вторых у 237Np повышенная миграционная способность в биосфере, по сравнению с другими актиноидами, что приводит к большой вероятности попадания его в организм человека по пищевым цепочкам. Среди продуктов деления ОЯТ 129I тоже обладает повышенной миграционной способностью.
Несомненно, экспериментально полученные поперечные сечения образования ядер продуктов в радиоактивных мишенях 129I, 241Am и 237Np имеют важное значение для проектов сжигания трансурановых отходов на прямом протонном пучке.
Цель и задачи работы формулируются следующим образом:
1. Исследование сечений образования и кинематических характеристик остаточных ядер в реакциях протонов и дейтронов с разделенными изотопами олова с целью определения механизма образования продуктов в массовой области (40A80).
2. Исследование сечений образования выходов остаточных ядер в реакциях протонов с радиоактивными ядрами с целью систематизации и планирования трансмутации радиоактивных отходов.
3. Развитие современных спектроскопических методик для решения поставленных задач, автоматизации эксперимента и обработки данных.
Научная новизна:
Усовершенствована и автоматизирована методика идентификации и определения сечений образования короткоживущих -нестабильных продуктов ядерных реакций методом наведенной активности.
Разработана методика расчета оптимальных параметров эксперимента по изучению ядер-продуктов находящихся в сложных цепочках распада.
Экспериментально определены сечения образования ядер-продуктов в широкой массовой области 7 A At из обогащенных изотопов олова (112Sn, 118Sn, 120Sn, 124Sn) под действием протонных пучков с энергиями 0.6. 1.0, 3.65, 8.1 ГэВ и дейтроного пучка с энергий 3,65ГэВ/нуклон. Из исследований следует, что легкие продукты образуются в процессе мультифрагментации, которая предполагает фазовый переход «жидкость-туман» происходящий в горячем ядре при бомбардировке его высокоэнергетическими частицами. Сделана оценка вклада механизма мультифрагментации в образовании продуктов в средней массовой области.
Получены новые результаты кинематических характеристик ядер-отдачи в реакциях на 118Sn под действием протонов и дейтронов с энергиями 3.65 ГэВ/нуклон. Сравнение передаваемых продольных импульсов на нуклоне указывает на более эффективную передачу импульсов протонами, чем дейтронами. Анализ этих экспериментальных результатов также указывает на вклад механизма мультифрагментации в образование лёгких и среднетяжелых продуктов.
Получены новые данные о процессах (p,xn), (p,pxn), (d,xn) и (d,pxn) при 1 x 14 на обогащенных изотопах олова 112, 118, 120, 124Sn при энергиях 0.6. 1.0, 3.65, 8.1 ГэВ/нуклон. Исследован характер изменений сечений реакций (p,xn), (p,pxn) в области энергий 1-8.1 ГэВ.
Исследованы изомерные отношения 20 ядер-остатков из разделенных изотопов 112, 118, 120, 124Sn. Из полученных результатов следует, что характер изменений изомерных отношений сечений в зависимости от числа испущенных мишенью нейтронов обусловлен присутствием нейтронного гало в тяжелых изотопах олова (испарение нейтронов с поверхности ядра), а также тем, что наряду с каскадно-испарительным процессом существует процесс поглощения отрицательных вторичных пионов поверхностными квазидейтронами - +d n+n.
Впервые найдены сечения образования 70 остаточных ядер из каждой радиоактивной мишени 237Np, 241Am и 129I, соответственно, при облучении протонами с энергией 660 МэВ. Сделана оценка эффективности трансмутации на прямом пучке протонов.
Научная и практическая ценность:
Исследование явления ядерной мультифрагментации не ограничивается сугубо областью ядерной физики, а находит свое применение в астрофизике и космологии. Привлекает особое внимание существенное подобие термодинамических характеристик (температура, плотность, изоспиновая асимметрия) наблюдаемых при ядерной мультифрагментации и при сжатии/вспышке массивных звезд. Данный факт, в свою очередь, открывает широкую возможность для использования хорошо известных моделей ядерных реакций при описании распределения и эволюции материи во время взрыва суперновой.
Полученные в этой работе экспериментальные данные могут быть использованы для формирования библиотек ядерных данных (EXFOR, NSR).
На защиту выдвигаются следующие результаты:
1. Усовершенствована и автоматизирована методика идентификации и определения сечений образования короткоживущих -нестабильных продуктов ядерных реакций методом наведенной активности.
2. Разработана методика для расчета оптимальных параметров эксперимента по изучению ядер-продуктов находящихся в сложных цепочках распада.
3. Получены новые экспериментальные данные о процессах (p,xn), (p,pxn), (d,xn) и (d,pxn) при 1 x 14 на обогащенных изотопах олова 112, 118, 120, 124Sn при энергиях 0.6. 1.0, 3.65, 8.1 ГэВ/нуклон. Анализ энергетических зависимостей этих выходов указывает на наличие вкладов в выходы измеряемых остаточных продуктов канала с образованием пионов.
4. Исследованы изомерные отношения 20 ядер-остатков из разделенных изотопов 112, 118, 120, 124Sn, из которых для 10 пар продуктов(95Nb, 95Tc) – новые данные. Из полученных результатов следует, что характер изменения изомерных отношений сечений, в зависимости от числа испущенных мишенью нейтронов, обусловлен присутствием нейтронного гало в тяжелых изотопах олова (испарение нейтронов с поверхности ядра), а также тем, что наряду с каскадно-испарительным процессом существует процесс поглощения отрицательных вторичных пионов поверхностными квазидейтронами (- +d n+n).
5. Получены сечения образования ядер продуктов в широкой массовой области из обогащенных изотопов олова (112Sn, 118Sn, 120Sn, 124Sn) под действием протонов и дейтронов. Из исследований следует, что легкие продукты реакции образуются в процессе мультифрагментации, которая предполагает фазовый переход жидкость-газ происходящий в горячем ядре при бомбардировки его высокоэнергетическими частицами. Впервые оценен вклад механизма мультифрагментации в образовании продуктов реакции в массовой области 40<A<80.
6. Получены новые результаты кинематических характеристик ядер-отдачи в реакциях на 118Sn под действием протонов и дейтронов с энергиями 3.65 ГэВ/нуклон. Сравнение передаваемых продольных импульсов на нуклоне указывает на более эффективную передачу импульсов протонами, чем дейтронами. Анализ этих экспериментальных результатов также указывает на вклад механизма мультифрагментации в образование лёгких и среднетяжелых продуктов.
7. В диссертации впервые получены сечения образования 70 остаточных ядер из каждой радиоактивной мишени 129I, 237Np и 241Am, соответственно, при облучении протонов с энергией 660 МэВ. Сделана оценка эффективности трансмутации на прямом пучке протонов.
Апробация работы:
Результаты представленные в диссертации, многократно докладывались на семинарах в отделе НЭОЯС и РХ Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований (г.Дубна), в Ереванском государственном университете, Ереванском институте физики, на международных конференциях по структуре атомного ядра (1997—2007гг), на XXV международном коллоквиуме «Теоретика групповые методы в физике» (Мексика 2004г.)
Публикации:
Основные результаты исследований представлены в 15 работах, опубликованных в реферируемых журналах. В целом, по материалам исследований представленных в диссертации, опубликовано 20 работ.
Структура и объем диссертации:
Диссертация написана на основе двадцати работ, состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Она содержит 206 страниц, включая 57 рисунков, 34 таблицы и список литературы из 193 наименований.
Содержание диссертации
Во введении обосновывана актуальность выполненной работы. Кратко изложено состояние теоретических и экспериментальных исследований механизма мультифрагментации. Сформулирована цель диссертации и приведено ее краткое содержание.
Первая глава посвящена методике эксперимента. Исследование продуктов реакций расщепления, деления или фрагментации активационным методом как правило связано с трудностями обработки большого массива спектрометрического материала. На основе накопленного опыта по исследованию сечений ядеpных реакций глубокого расщепления и фрагментации была усовершенствована методика обработки экспериментальных данных и создана автоматизированная система программ, позволяющая существенно повысить точность и эффективность обработки, что в свою очередь способствует решению поставленной задачи.
В таблице 1 приведен выход пакета программ, определяющей сечения образования ядер остатков из мишени олова (118Sn) в эксперименте проведенном в рамках данной работы. В таблице приведены средневзвешенные значения сечений некоторых ядер остатков и их погрешности – статистические (internal) и из разброса (external).
При расчете сечений образования остаточных ядер учитывалось, что спектрометрический тракт, как правило, имеет определенное «мертвое» время, в течение которого излучение не регистрируется, площадь пика полного поглощения -квантов оказывается заниженной по сравнению с действительной. Особенно заметным это становится при больших загрузках, в частности, при
измерении «горячих» радиоактивных мишеней. Поэтому в формуле сечения образования остаточных ядер этот эффект был учтен умножением площади пика полного поглощения на множитель 
, где 
- реальное время измерения, а 
- живое время измерения.
В данной работе был рассмотрен распад генетически связанных ядер и определены независимые сечения образования этих ядер. Определен параметр оптимизации эксперимента, в котором методом наведенной активности исследуются спектры остаточных ядер.
Вторая глава диссертации посвящена исследованию ядерных реакций под действием протонов с энергиями 0,66, 1, 3,65 и 8,1ГэВ и дейтронов с энергией 3,65ГэВ/нуклон на разделенных изотопах олова (112,118,120,124Sn).
Получены новые экспериментальные данные о процессах (p,xn), (p,pxn) при 1 x 14 на обогащенных изотопах олова 112, 118, 120, 124Sn при энергиях 0.66, 1.0, 3.65 и 8.1 ГэВ и (d,xn), (d,pxn) при 3.65 ГэВ/нуклон. По теоретическим предсказаниям сечения исследуемых реакций практически остаются постоянными, что наблюдается для экспериментальных сечений реакций с вылетом более четырех нейтронов (Рис.1). Для реакций (p,2n) (Рис.1а) и (p,p2n) (Рис.1б) сечения сначала уменьшаются, а потом растут, с ростом энергии, в области выше 1 ГэВ. Указанный рост сечений объясняется наличием вкладов в выходы измеряемых остаточных продуктов канала с образованием пионов. Отношения сечений реакций (d,xn)/(p,(x-1)n) и (d,pxn)/(p,p(x-1)n) не согласуются с предсказаниями каскадно-испарительной модели. Экспериментальные значения превышают расчетные в среднем в 1.5-2 раза (Рис.2). Это объясняется тем, что экспериментальные сечения чувствительны к двухнуклонной структуре дейтрона, в то время как теоретические расчеты не полностью учитывают эту структуру.
В работе получены изомерные отношения (отношение сечения образования высокоспиновых состояний ядер к низкоспиновым) 20 остаточных ядер (Таблица 2). Исследование показали, что изомерные отношения сначала растут, а потом остаются постоянными с ростом числа испущенных мишенями нейтронов. На основе полученных данных утверждается, что такое поведение изомерных
отношений сечений обусловлен присутствием нейтронного гало в тяжелых изотопах олова (испарение нейтронов из поверхности ядра), а также тем, что наряду c каскадно-испарительным процессом существует процесс поглощения отрицательных вторичных пионов поверхностными квазидейтронами (- +d n+n).
Рис. 1 Зависимость сечения образования ядер остатков от энергии налетающего протона. а) 116mSb - из мишени 118Sn; - из мишени 120Sn; -из мишени 124Sn. b) 110Sn -из мишени 112Sn; -из мишени 118Sn; - из мишени 120Sn; - из мишени 124Sn.
В данной работе исследованы также выходы образования остаточных ядер в широкой массовой области продуктов. Наблюдается зависимость этих выходов от третьей проекции изоспинов как остаточных ядер, так и ядер-мишеней. Изоспиновая зависимость имеющихся экспериментальных данных указывает на скейлинговый характер. В случае мультифрагментации отношение выходов фрагментов образованных из разных мишеней экспоненциально зависит от изотопического спина ядер-продуктов:
где Y(N,Z) сечение образования фрагмента с Z протонами и N нейтронами. Индексы 1 и 2 относятся к двум мишеням с разными изоспиновыми составами, 2 относится к более нейтроноизбыточному источнику. С и В подгоночные параметры, 
=(N-Z)/2 третья проекция изотопического спина образованного фрагмента.
Рис. 2 Зависимость отношения сечений образования остаточных ядер а) дейтрон-ядерных б) протон-ядерных реакций от числа вылетевших нейтронов. -Экспериментальные результаты для всех мишеней, -теоретические расчеты по каскадно-испарительной модели. Сплошная кривая усреднение по расчетным данным.
Систематизация экспериментальных данных в виде вышеуказанного уравнения соответствует многообразию реакций в широком энергетическом интервале и этот феномен называется изоскейлингом (рис.3). Параметр наклона (B) в этой зависимости выражается через различие химических потенциалов двух начальных систем и через температуру возбужденного ядра одного и того же элемента. На рисунке 4 приведена зависимость параметра В от разности нейтронного избытка мишени для легких и среднетяжелых остаточных ядер. В таблице 3 приведены значения параметров В для разных массовых областях фрагментов и для разных пар мишеней. Из таблицы видно, что параметр В чувствителен к механизму образования продуктов в разных массовых областях. Анализ полученных результатов указывает на то, что легкие продукты образуются в процессе мультифрагментации, которая предполагает фазовый переход жидкость-газ, происходящий в горячем ядре при взаимодействии ядра-мишени с высокоэнергетическими частицами. В массовой области продуктов 40 A 80 впервые отмечен вклад механизма мультифрагментации, в то время как ядра продукты, близкие по массам к мишени, образуются в процессе расщепления.
Рис.3 Изоскейлинговая зависимость выходов остаточных ядер.
В работе методом улавливающих фольг в рамках формализма двухступенчатой векторной модели исследованы кинематические характеристики остаточных ядер образованных при взаимодействии протонов и дейтронов с обогащенным изотопом 118Sn при энергии 3.65 ГэВ/нуклон. Получены кинетические энергии образованных ядер остатков, а также скорости и энергии возбуждения послекаскадного ядра, что дает возможность уточнить механизм образования продуктов реакций. Сделаны сравнение между результатами протон-ядерных и дейтрон-ядерных реакций. Продольный импульс передаваемый мишени во время взаимодействия протонов и дейтронов указывает на то, что протон является более эффективным агентом передачи импульса, чем дейтрон. Три разные версии Лос-Аламосовской кварк-глюонной струнной модели (LAQGSM03) использованы при обсуждении экспериментальных результатов.
Рис. 4 Зависимость параметра В от разности нейтронного избытка мишени для разных массовых областях фрагментов. -для области фрагментов 7A40: -для области продуктов 40A80.
На рисунке 5 приведены зависимости продольных передаваемых импульсов от числа вылетевших нуклонов. Изменение наклона в этой зависимости в области А~50 указывает на изменение механизма образования остаточных ядер. Ядра-остатки в массовой области А50 образуются в процессе расщепления, в то время как остаточные ядра в массовой области А>50 образуются не только в процессе расщепления, но и по механизму мультифрагментации.
На рисунке 6 приведена зависимость кинетической энергии ядер продуктов от части потерянной массы мишени для протон- и дейтрон-ядерных реакций.
Наблюдается изменение наклона линейной зависимости (А~50) для разных массовых областей продуктов. Это также свидетельствует об изменение механизма образования ядер продуктов в разных массовых областях.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------
N E dE sig dsig sig2 dsig2 id
------------------------------------------------------------------------------------------------------------
1 539.509 0.089 8.347E-0027 1.129E-0027 8.348E-0027 1.129E-0027 100Pd(G)
2 539.296 0.153 4.185E-0027 7.297E-0028 4.187E-0027 7.300E-0028 100Pd(G)
3 538.966 0.286 8.014E-0027 2.061E-0027 8.014E-0027 2.061E-0027 100Pd(G)
SS weighted avg= 5.62276E-0027 5.62509E-0027
SS sigma int = 5.87420E-0028 5.87577E-0028
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
1 539.509 0.089 5.724E-0026 7.738E-0027 5.727E-0026 7.742E-0027 100Rh(G)
2 539.296 0.153 6.139E-0024 6.334E-0027 6.141E-0026 6.338E-0027 100Rh(G)
SS weighted avg= 5.86473E-0026 5.86761E-0026
SS sigma int = 7.73375E-0027 7.73776E-0027
------------------------------------------------------------------------------------------------------------
3 474.410 0.241 1.186E-0026 2.308E-0027 1.186E-0026 2.308E-0027 102Rh(G)
4 475.340 0.232 1.943E-0026 3.059E-0027 1.943E-0026 3.059E-0027 102Rh(G)
5 474.628 0.234 1.200E-0026 1.891E-0027 1.200E-0026 1.891E-0027 102Rh(G)
SS weighted avg= 1.33369E-0026 1.33369E-0026
SS sigma int = 1.31963E-0027 1.31963E-0027
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Таблица 1 Сечения образования некоторых ядер остатков, полученные пакетом программ.
| Остаточное ядро | R=H/L | ||||||
| 112Sn | 118Sn | 120Sn | 124Sn | ||||
| 8. 1 ГэВ | 8.1ГэВ | 1 ГэВ | 8.1ГэВ | 1 ГэВ | 8.1ГэВ | 1 ГэВ | |
| 117Cd(11/2-,1/2+) | - | - | - | 1.46±0.41 | 2.04±0.20 | 3.15±0.5 | 3.0±0.45 |
| 117In(9/2+,1/2-) | - | 2.34±0.5 | 2.3±0.3 | 6.00±0.46 | 2.60±0.47 | 8.67±2.10 | 4.05±0.90 |
| 116Sb(8-,3+) | - | 0.52±0.08 | 0.56±0.10 | 1.07±0.19 | 1.15±0.21 | 2.17 | - |
| 110In(7+,2+) | 0.8±0.1 | 2.30±0.22 | 3.9±0.4 | 2.40±0.23 | 3.1±0.5 | 2.36±0.25 | 4.05±0.91 |
| 108In(6+,1-) | 0.22±0.13 | 3.1±0.64 | 2.4±0.35 | 3.3±0.93 | 3.7±0.4 | 2.6±1.39 | 3.65±0.88 |
| 104Ag(5+,2+) | 1.26±0.15 | 2.35±0.35 | 3.27±0.62 | 2.75±0.25 | 2.45±0.32 | 2.80±0.39 | 3.66±0.86 |
| 102Rh(6+,2-) | 2.61±0.3 | 2.30±0.75 | 3.00±1.06 | 2.47±0.33 | - | 2.72±0.60 | - |
| 101Rh(9/2+,1/2-) | 2.98±0.44a | 1.22±0.24 | 1.20±0.23 | 1.93±0.29 | 1.8±0.3 | 1.38±0.23 | 1.38±0.25 |
| 99Rh(9/2+,1/2-) | 4.97±0.80 | 4.8±1.1 | 6.15±1.10 | 4.23±0.64 | 3.5±0.5 | 6.6±0.9 | 5.44±1.25 |
| 95Tc(9/2+,1/2-) | 8.34±1.49 | 8.40±0.96 | 7.90±0.63 | 11.19±0.9 | 8.6±0.9 | 12.50±1.87 | 11.37±1.30 |
| 95Nb(9/2+,1/2-) | 0.65±0.12 | 1.20±0.25 | 0.82±0.16 | - | - | - | 0.96±0.17a |
Таблица 2. Изомерные отношения ядер-остатков.
| Остаточное ядро | R=H/L | ||||||
| 112Sn | 118Sn | 120Sn | 124Sn | ||||
| 8.1 ГэВ | 8.1ГэВ | 1 ГэВ | 8.1ГэВ | 1 ГэВ | 8.1ГэВ | 1 ГэВ | |
| 94Tc(7+,2+) | 4.70±0.73 | 6.55±0.80 | 5.1±1.1 | 7.5±1.3 | 8.4±1.8 | 11.4±1.6 | 12.0±3.4 |
| 93Tc(9/2+,1/2-) | - | 4.30±1.46 | - | - | 7.67±1.53 | - | - |
| 87Y(9/2+,1/2-) | - | 1.7±0.3 | 1.80±0.27 | 3.55±0.53 | 3.40±0.76 | 2.87±0.52 | - |
| 86Y(8+,4-) | 3.00±0.43 | 2.1±0.3 | 3.1±0.5 | 2.59±0.30 | 2.95±0.40 | 2.7±0.4 | 2.70±0.82 |
| 84Rb(6-,2-) | - | 0.83±0.35 | - | 0.96±0.14 | - | 1.28±0.13 | - |
| 52Mn(6+,2+) | - | 4.24±0.71 | - | - | - | - | - |
| 44Sc(6+,2+) | 1.77±0.45 | 2.1±0.5 | - | 2.10±0.41 | - | 2.0±0.6 | - |
Продолжение Таблицы 2.
Рис. 5 Зависимость продольного передаваемого импульса от числа вылетевших нуклонов At: a) для дейтрон-ядерных реакций b) для протон-ядерных реакций(•).Сплошная линия есть расчеты по модели LAQGSM03.01, пунктирная линия - расчеты по модели LAQGSM03.S1, и точечная линия - расчеты по модели LAQGSM03.G1.
Параметр B (Ep=3.65 ГэВ)
| Ядра-продукты | N=2 | N=4 | N=6 | N=8 | N=12 |
| 7A30 | 0.19±0.03 | 0.27±0.06 | 0.23±0.03 | 0.44±0.10 | 0.51±0.04 |
| 40A60 | 0.11±0.03 | 0.34±0.05 | 0.41±0.04 | 0.56±0.04 | 0.85±0.04 |
| 60A80 | 0.18±0.05 | 0.25±0.13 | 0.36±0.09 | 0.51±0.10 | 0.78±0.21 |
| 81-86Rb | 0.25±0.02 | 0.32±0.04 | 0.66±0.02 | 0.62±0.15 | 0.94±0.20 |
| 93-96Tc | 0.24±0.07 | 0.22±0.08 | 0.46±0.15 | 0.85±0.25 | 1.07±0.32 |
Параметр B (Ed=3.65 ГэВ/нуклон)
| Ядра-продукты | N=4 | N=6 | N=8 | N=12 |
| 7A30 | 0.27±0.05 | 0.26±0.05 | 0.28±0.12 | 0.55±0.07 |
| 40A60 | 0.38±0.10 | 0.41±0.09 | 0.41±0.10 | 0.78±0.14 |
| 60A80 | 0.19±0.07 | 0.50±0.10 | 0.57±0.14 | 0.77±0.19 |
| 81-86Rb | 0.30±0.08 | - | 0.87±0.22 | 1.17±0.29 |
Таблица 3. Значения параметров В для разных массовых областей продуктов.
Рис. 6 Зависимость кинетической энергии ядер продуктов от части потери масс A/At: a) для дейтрон-ядерных реакций b) для протон-ядерных реакций(•). Для сравнения, ! указывают экспериментальные результаты для мишени Ag, а, 7 указывают экспериментальные результаты для мишени Pb приведенных в литературе. Сплошная линия (1) есть расчеты по модели LAQGSM03.01, пунктирная линия (2)- расчеты по модели LAQGSM03.S1, и точечная линия (3) - расчеты по модели LAQGSM03.G1. Толстая сплошная линия есть линейная подгонка экспериментальных данных для ядер остатков в массовой области A>80.
Рис.7 Зависимость сечений образования остаточных ядер от массового числа для мишеней 237 Np и 241Am.
В основу третьей главы легли работы посвященные исследованию ядерных реакций под действием протонов с энергией 660 МэВ на радиоактивных ядрах 129I, 237Np, 241Am. Важность этих исследований заключается в том, что для моделирования процесса трансмутации радиоактивных отходов образованных вследствие работы атомных реакторов, необходимо увеличить имеющуюся базу экспериментальных данных взаимодействий частиц как с трансурановыми элементами, так и с продуктами деления. С другой стороны стоит важный вопрос оценки эффективности сжигания радиоактивных отходов на разных пучках частиц при разных энергиях.
Впервые получены 74, 80 и 53 сечения образования остаточных ядер из 129I, 241Am и 237Np, соответственно. На Рис.7 приведены сечения образования остаточных ядер из мишеней 241Am и 237Np в зависимости от массового числа продуктов, и их сравнение с теоретическими расчетами, сделанными по каскадно-испарительной модели. Используя полученные сечения можно оценить эффективность трансмутации 129I в прямом пучке протонов. Поскольку суммарное сечение всех измеренных в работе ядер-продуктов составляет 470 мб, то учитывая стабильные продукты, также как и продукты, которые по энергиям -линий или периодам полураспада находятся вне рабочего диапазона спектрометра, можно предположить, что полное сечение реакции 129I(p,xpyn) составляет величину 1 барн. Тогда, при облучении в мишени ускорительно-бланкетной системы в течение месяца при токе протонов 10 мА, что вполне достижимо, произойдет <<выжигание>> 5% (20 мг) этого изотопа. Полученные экспериментальные результаты дают возможность оценить время, после которого трансмутация становится эффективной. Понятно, что образование короткоживущих изотопов приводит к увеличению активности мишени 129I. Если пересчитать полученные данные на ток протонов 10 мА и длительность облучения один месяц, то активность мишени увеличится от 0.293 107 распад/с до 9.81012 распад/с. Однако, через 10 лет активность мишени уменьшится и составит 0.466107, а через 20 лет уменьшится на порядок. Через 50 лет активность мишени составит 2.5102 распад/с. Таким образом, использование 129I в качестве компонента мишени подкритической системы может способствовать решению проблемы утилизации этого долгоживущего радиотоксичного осколка деления, образующегося в больших количествах при работе атомных электростанций.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
- Развита методика идентификации и определения сечений образования короткоживущих -нестабильных продуктов ядерных реакций методом наведенной активности. Автоматизирован процесс обработки экспериментальных данных.
- Разработана методика определения оптимальных параметров эксперимента по изучению ядер-продуктов находящихся в сложных цепочках распада.
- Впервые экспериментально исследованы процессы (p,xn), (p,pxn), (d,xn) и (d,pxn) на обогащенных изотопах олова 112, 118, 120, 124Sn при энергиях начального пучка 0.6. 1.0, 3.65, 8.1 ГэВ/нуклон. Изучены механизмы этих реакций.
- Впервые исследованы изомерные отношения ~10 ядер-остатков (95Nb, 93,94,95Tc) из разделенных изотопов 112,118,120,124Sn и получена зависимость этих отношений от структуры ядер остатков.
- Исследован характер изменения изомерных отношений сечений от числа испущенных мишенями нейтронов и показано, что результат (выход на плато) обусловлен присутствием нейтронного гало в тяжелых изотопах олова и процессом поглощения отрицательных вторичных пионов поверхностными квазидейтронами (- +d n+n).
- Получены новые экспериментальные данные по сечениям образования ядер продуктов в массовой области 7 A At из обогащенных изотопов олова (112Sn, 118Sn, 120Sn, 124Sn) под действием протонов с энергиями 0.6. 1.0, 3.65, 8.1 ГэВ и дейтронов с энергией 3,65ГэВ/нуклон.
- Впервые экспериментально исследованы кинематические характеристики ядер-отдачи в реакциях на 118Sn под действием протонов и дейтронов с энергиями 3.65 ГэВ/нуклон
- Впервые был оценен вклад механизма мультифрагментации в образование продуктов в массовой области 40A80.
- Впервые исследовано явление изоскейлинга для разных массовых областях фрагментов (7 A 40, 40 A 80, 81 A 100) и для разных пар мишеней. Показано, что параметр изоскейлинга (В) чувствителен к механизму образования фрагментов.
- Bпервые получены сечения образования 70 остаточных ядер из каждой радиоактивной мишени 129I, 237Np и 241Am, соответственно, при облучении протонов с энергией 660 МэВ. Сделана оценка эффективности трансмутации на прямом пучке протонов.
Результаты, включенные в диссертацию,
опубликованы в следующих работах:
1. В.Э.Александрян, Г.С.Айвазян, А.Р.Балабекян, А.С.Данагулян, В.Г.Калинников, В.И.Стегайлов, Я.Франа Исследование изомерных отношений сечений протон-ядерных реакций на изотопах олова. Ядерная Физика 59 21-25 (1996).
2. А.С.Данагулян, Л.Г.Мартиросян, Н.С.Амелин, А.Р.Балабекян, В.Г.Калинников, В.И.Стегайлов, Яр.Франа Исследование реакций (p,xn); (p,pxn) и (p,2p) на изотопах олова. Ядерная Физика 60, 965-969, (1997).
3. А.С.Данагулян, И.Адам, А.Р.Балабекян, В.Г.Калинников, В.К.Родионов, В.И.Стегайлов, В.И.Фоминых, Яр.Франа Образование легких ядер в реакциях протонов с разделенными изотопами олова. Ядерная Физика 63, p. 204-208 (2000).
4. V.Aleksandryan, J.Adam, A.Balabekyan, A.S.Danagulyan, V.G.Kalinnikov, G.Musulmanbekov, V.K.Rodionov, V.I.Stegailov, J.Frana Formation of residual nuclei with medium mass number in the reaction of protons with separated tin isotopes Nuclear Physics V.A674/3-4, P.539-549, 2000.
5. И.Адам, Я.Мразек, Я.Франа, А.Р.Балабекян, В.С.Пронских, В.Г.Калинников, А.Н.Приемышев Комплекс программ для автоматизированного расчета сечений ядерных реакций. Измерительная Техника 1, 57-61 (2001).
6. J.Adam, J.Mrazek, J. Frana, V.S.Pronskikh, A.Balabekyan, V.G.Kalinnikov, A.N.Priemishev, Software for calculating nuclear reaction cross sections Measurement Technique 44(1); 93-100 Jan-Feb 2001.
7. J.Adam, A.Balabekyan R.Brandt, V.P.Dzhelepov, S.A.Gustov, V.G.Kalinnikov, M.I.Krivopustov, I.V.Mirokhin, J.Mrazek, R.Odoj, V.S.Pronskikh, O.V.Savchenko, A.N.Sosnin, A.A.Solnishkin, V.I.Stegailov, V.M.Tsoupko-Sitnikov, Investigation of the formation of residual nuclei induced by 660 MeV protons interacting with the radioactive 237Np, 241Am and 129I targets. Journal of nuclear science and technology V.1 p.272 (2001) (Proceedings of the international conference on nuclear data for science and technology, October 7-12, 2001,Japan). (Abstr PAP AM ChEM S 221; 126-NUCL Part 2 APR 1 2001).
8. J.Adam, A.Balabekyan, V.S.Pronskikh, V.G.Kalinnikov and J.Mrazek Determination of the cross section for nuclear reactions in complex nuclear decay chains. Applied Radiation and Isotopes 56/4, 607-613 (2002).
9. В.Э.Александрян, И.Адам, А.Р.Балабекян, А.С.Данагулян, В.Г.Калинников, М.И.Кривопустов Ж.Мусульманбеков Изомерные отношения сечений реакции Sn(p,xpyn)X Ядерная Физика 65 N5 p.776-784 (2002).
10. J.Adam, A.Balabekyan R.Brandt V.P.Dzhelepov, S.A.Gustov, V.G.Kalinnikov, M.I.Krivopustov, I.V.Mirokhin, J.Mrazek, R.Odoj, V.S.Pronskikh, O.V.Savchenko, A.N.Sosnin, A.A.Solnishkin, V.I.Stegailov, V.M.Tsoupko-Sitnikov, Investigation of the formation of residual nuclei from the radioactive 237Np and 241Am targets in the reaction with 660 MeV protons Ядерная Физика 65 N5 p.797-809 (2002).
11. V.S.Pronskikh, J.Adam, A.Balabekyan, R.Brandt V.P.Dzhelepov, S.A.Gustov, V.G.Kalinnikov, M.I.Krivopustov, I.V.Mirokhin, J.Mrazek, R.Odoj, O.V.Savchenko, A.N.Sosnin, A.A.Solnishkin, V.I.Stegailov, V.M.Tsoupko-Sitnikov, Study of proton-induced reactions in a radioactive 129I target at Ep=660 MeV. Workshop on Nuclear Data for the Transmutation of Nuclear Waste. GSI-Darmstadt, September 1-5, 2003, ISBN 3-00-012276-1, P001.
12. И.Адам, А.Балабекян, В.С.Барашенков, В.П.Джелепов, С.А.Густов, В.П.Филинова, В.Г.Калинников, М.И.Кривопустов, И.В.Мирохин, В.С.Пронских, А.А.Солнышкин, В.И.Стегайлов, В.М.Цупко-Ситников, Я.Мразек, Р.Брандт, В.Вестмайер, Р.Одой, С.Г.Машник, Р.И.Праел, К.К.Гудима, М.И.Базнат Исследование образования продуктов протон-ядерных реакций в мишени 129I при энергии протонов 660 МэВ Письма в ЭЧАЯ V.1, 4(121) p. 53-64 (2004).
13. A.R.Balabekyan A.S.Danagulyan, J.Drnoyan N.A.Demekhina, J.Adam, V.G.Kalinnikov, G.Musulmanbekov. Isotope effect in fragment-yields observed in p+isotopes Sn inclusive reactions. Nuclear Physics A 735/1-2 p.267-276 (2004).
14. А.Р.Балабекян, А.С.Данагулян, Д.Р.Дрноян, Н.А.Демехина, И.Адам, В.Г.Калинников, М.И.Кривопустов, В.С.Пронских, В.И.Стегайлов, А.А.Солнышкин, П.Чалоун, В.М.Цупко-Ситников, Ж.Мусульманбеков Исследование реакций расщепления на 120Sn и реакций (d,xn), (d,pxn), (p,xn), и (p,pxn) на обогащенных изотопах олова. Ядерная Физика 68, 195-200 (2005).
15. И.Адам, А.Балабекян, В.С.Барашенков, В.П.Филинова, В.Г.Калинников, М.И.Кривопустов, В.С.Пронских, А.А.Солнышкин, В.И.Стегайлов, В.М.Цупко-Ситников, Р.Брандт, В.Вестмайер, Р.Одой, С.Г.Машник, Р.И.Праел, К.К.Гудима, М.И.БазнатJ.Adam, Сравнение сечений образования остаточных ядер в мишенях 237Np и 241Am при энергии протонов 660 МэВ с модельными расчетами. Письма в ЭЧАЯ V.2, 6(129) p.25-39 (2005).
16. A.R.Balabekyan, A.S.Danagulyan, J.R.Drnoyan, G.N.Hovhannisyan, J.Adam, V.G.Kalinnikov, M.I.Krivopustov, V.S.Pronskikh, V.I.Stegailov, A.A.Solnishkin, P.Chaloun, V.M.Tsoupko-Sitnikov, S.G.Mashnik, K.K.Gudima. Formation of Light Isotopes by Protons and Deuterons of 3.65 GeV/nucleon on Separated Tin Isotopes. Ядерная Физика 69 N9 p.1-11 (2006).
17. А.Р.Балабекян Систематизация выходов продуктов фотоядерных реакций из разделенных мишеней Ni и Cu Известия АН РА серия Физика 41 N6, 445-449 (2006).
18. А.Р.Балабекян Сравнение кинематических характеристик ядер-отдачи образованных из мишени 65Cu с теоретическими расчетами.
Ученые Записки ЕГУ 3, 36-39 (2006).
19. А.Р.Балабекян Некоторые поправки на сечения остаточных ядер, образовавшихся при облучении обогащенных мишеней олова пучком ионов 12C с энергией 2.2 ГэВ/нуклон. Ученые Записки ЕГУ 2, 70-73 (2006).
20. A.R.Balabekyan, A.S.Danagulyan, J.R.Drnoyan, G. Hovhannisyan, N.A.Demekhina, J.Adam, V.G.Kalinnikov, M.I.Krivopustov, V.S.Pronskikh, V.I.Stegailov, A.A.Solnishkin, P.Chaloun, V.M.Tsoupko-Sitnikov, S.G.Mashnik, K.K.Gudima. Recoil Products from p+118 Sn and d+118Sn at 3.65 GeV/A. Ядерная Физика 70 N11 1-9 (2007).
Цитированная литература:
- В.С.Барашенков, В.Д.Тонеев Взаимодействие высокоэнергичных частиц и атомных ядер с ядрами. Атомиздат, Москва, 1972г.
- Ю.П.Яковлев Фрагментация ядер под действием частиц и ядер промежуточных и высоких энергий. ЭЧАЯ, 14(6), 1285 (1983)
- B.Jacobsson, G.Jnsson, B.Lindkvist and A.Oskarsson The disintegration of nuclei in violent heavy ion interactions at 55A MeV-110A MeV. Z.Phys. A (Physics and Astronomy) 307, 293 (1982).
- J.P. Bondorf, A.S. Botvina, A.S. Iljinov, I.N. Mishustin, K.Sneppen, Statistical Multifragmentation of Nuclei Phys. Rep. 257, 133 (1995). A.S.Botvina et.al., Multifragmentation of spectators in relativistic heavy ion reactions Nucl.Phys. A584, 737 (1995).
- V.A.Karnaukhov Nuclear multifragmentation and phase transitions in hot nuclei ЭЧАЯ 37, вып.2, 312-363 (2006)
- Ю.П.Сивинцев Атомная техника за рубежом 2,1,11,3 (1992); А.С.Никифоров и др. Атомная Энергия 70, 188 (1991).
