Download - 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!