Фотоядерные реакции на изотопах палладия

Фотоядерные реакции на изотопах палладия

К. А. СтопаниДиссертация на соискание степени кандидата физико-

математических наук

Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д. В. Скобельцына федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова"

ВведениеПроцессы фотоядерного взаимодействия являются удобным источником информации о строении и свойствах атомных ядер и нуклонов, играют важную роль в астрофизических процессах и нуклеосинтезе, а также имеют ряд практических применений. Измерение характеристик фотоядерных реакций с вылетом нескольких нуклонов, приводящих к образованию ядер, удаленных от области стабильности, является актуальной задачей.Цель работы: создание методики экспериментального определения выходов фотоядерных реакций и исследование с ее помощью реакций на стабильных изотопах палладия.

Изотопы природного палладия

Изотоп Содержание JPИсследованные ранее фотоядерные реакции

(g,n) (g,p) (g,sn)

102Pd 1.02% 0+ Eγ < EГДР

104Pd 11.14% 0+105Pd 22.33% 5/2+ Eγ < EГДР

106Pd 27.33% 0+ Eγ < EГДР Eγ < 25 МэВ108Pd 26.46% 0+ Eγ < EГДР Eγ < 29 МэВ Eγ < 29 МэВ110Pd 11.72% 0+ Eγ < 55 МэВ

Экспериментальное определение выходов фотоядерных реакций с помощью методики наведенной активности

I. Облучение мишени из природного палладия тормозными γ-квантами, полученными на разрезных микротронах НИИЯФ МГУ

II. Измерение серий γ-спектров наведенной активности

III. Расшифровка полученных спектров и расчет выходов реакций

С использованием метода наведенной активности может быть достигнута высокая точность измерений, но при этом требуется непрерывный набор большого количества спектров (до нескольких тысяч) в течение длительного времени. Их измерение и анализ представляет собой основную сложность методики наведенной активности.

Достоинства методики:• измерение спектров с помощью детектора из

сверхчистого германия;• одновременное измерение большого числа

каналов реакций;• определение выходов реакций по нескольким γ-

линиям.

Облучения мишени при энергии электронов 29.1 и 55.5 МэВ

Энергия электронов 29.1 МэВ 55.5 МэВ

Тормозная мишень Pb, 4 мм + Al, 30 мм W, 2.3 мм

Средний ток пучка 10 нА 75 нА

Длительность облучения 3 ч 40 мин

Длит. набора спектров 21 + 10 д 45 д

Число спектров 1609 2062

Для облучения использовалась мишень из природного палладия толщиной 377 мкм. Облучение проводилось на разрезных микротронах НИИЯФ МГУ (максимальная энергия пучка 70 и 55 МэВ).

В процессе облучения изменение интенсивности пучка регистрировалось с помощью ионизационной камеры и цилиндра Фарадея и использовалось при обработке.

Измерение γ-спектров наведенной активностиИзмерение спектров проводилось при помощи HPGe-детектора с относительной эффективностью 30% в низкофоновой защитной камере. Длительность измерения каждого спектра составляла 60—1800 с. Начало измерений через 5—7 мин после окончания облучений.

Один из спектров, измеренных после облучения при энергии 55.5 МэВ

Система набора и анализа γ-спектров

Для работы со спектрами наведенной активности была создана система набора и анализа данных. База данных γ-спектров предназначена для автоматического набора в непрерывном режиме, хранения и обработки в WEB большого количества спектров. В настоящее время БД содержит более 30 000 спектров.

В созданную систему входит программа для авт. поиска и аппроксимации максимумов в спектрах, построения кривых распада и идентификации изотопов по энергии пика и T1/2.

Автоматический анализ спектров в БД1) Поиск максимумов в отдельных спектрах серии

2) Сводная таблица результатов анализа всех спектров серии

3) Построение кривой распада

Результаты идентификации продуктов реакций в Pd

29.1 МэВ

55.5 МэВ

Цепочки распадов• Основная сложность анализа спектров связана с обработкой

цепочек распадов, образуемых нестабильными продуктами реакций. В частности, на Pd при энергии облучения 55.5 МэВ возможно протекание нескольких десятков реакций с вылетом до 6 нуклонов.

• Создана программа для расчета порогов реакций, построения цепочек распадов и моделирования накопления и распада продуктов облучения на основе ENSDF.

Определение выходов реакций на основе анализа цепочек распадов

1) Выход реакции равен

2) Образование и распад элементов цепочки описывается системой ОДУ:

3) Путем рекурсивного решения системы можно показать, что решения образуют линейную зависимость относительно yi :

где пост. коэффициенты a и c вычисляются на основе схемы цепочки распадов. Таким образом, вектор измерений x подчиняется линейной статистической модели:

Показано, что в случае распределения Пуассона эффективная оценка вектора выходов y и его дисперсии может быть получена с помощью лин. МНК:

Поскольку ковариационная матрица площадей пиков не измеряется, можно применить один из приближенных методов:

1) где

2) МНК с итерационным перевзвешиванием (iteratively reweighted LSQ)

Пределом данной итерационной процедуры является оценка максимального правдоподобия выходов y.

Полученный метод:

• не использует нелинейный МНК;• позволяет получить асимптотически эффективную оценку выходов и ее

дисперсию;• позволяет определить выходы из кривых распада без аналитического решения

системы дифференциальных уравнений, т.е. автоматически.

Применение разработанной методики для анализа спектров

Для учета сложения каскадов γ-переходов написана программа расчета поправок на основе ENSDF и модели Монте-Карло детектора на GEANT4.

Y(101Pd) = 1.80(1) 10∙ 7

Результаты анализа

Фотопротонные реакции.Влияние изоспинового расщепления на вероятность вылета протона

Фотопротонные реакции.Сравнение с экспериментом.

29.1 МэВ 55.5 МэВ

Сравнение экспериментальных выходов фотопротонных реакций с результатами расчетов.

Изомерные отношения

Изомерные отношения в TALYS

Реакция 110Pd (γ, n) 109Pd.

Реакция 102Pd (γ, p) 101Rh.

Параметры уровней конечного ядра из RIPL.

Заключение• Создана система, позволяющая проводить эксперименты по методике наведенной

активности, с помощью которой возможно проводить одновременное измерение выходов большого числа фотоядерных реакций.

• Предложен метод получения асимптотически эффективных оценок выходов реакций и их дисперсий на основе анализа цепочек распадов.

• Созданы программы моделирования и планирования эксперимента, а также автоматическая система набора и анализа спектров и мониторинга эксперимента, которые позволяют проводить измерение выходов фотоядерных реакций с вылетом нескольких нуклонов и образованием изотопов, удаленных от полосы бета-стабильности.

• Проведены эксперименты по облучению мишени из природного палладия тормозным излучением с верхними энергиями спектра 29.1 и 55.5 МэВ и получены выходы фотоядерных реакций. Из сравнения результатов измеренний с расчетами показана существенная роль изоспинового расщепления ГДР в выходе фотопротонных реакций.

• Определены изомерные отношения выходов фотоядерных реакций на изотопах 102Pd, 104Pd и 110Pd в области энергий выше гигантского дипольного резонанса.

• Разработанная методика позволяет одновременно получать относительные выходы реакций, отличающиеся на несколько порядков, что невозможно при прямом методе измерений.

Спасибо за внимание!