Simulation of cluster decay of light nuclei by the interaction of ⁹Be nucleus with fast neutrons in ionization chamber

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Изучение характеристик каналов распада возбужденных состояний ядер важно для исследования механизма ядерных реакций и их кластерной структуры. Теоретические расчеты с использованием антисимметричной модели молекулярной динамики позволяют выявить кластерную структуру ядер [1]. Особенности кластерной структуры ядер проявляются в реакциях взаимодействии быстрых нейтронов с так называемыми бороминовскими ядрами (⁹Be, ¹²Be, ¹²С). При расчетах в рамках aan модели выявлена локализация валентного нейтрона в низколежащих возбуждённых состояниях 1/2⁺ (1.68 МэВ) и 3/2⁺ (2.43 МэВ) ядра ⁹Be на расстоянии около 11 фм от центра масс a-частиц, что в несколько раз больше, чем в основном 3/2^– состоянии [2]. Такие возбужденные состояния можно исследовать в неупругом рассеянии быстрых нейтронов на бериллии n + ⁹Be → n′ + ⁹Be^* при энергии выше порога реакции 1.85 МэВ с помощью регистрации фрагментов распада возбужденных состояний на нейтроны и a-частицы. При энергии быстрых нейтронов ниже 5 МэВ возможны также низкоэнергетические ядерные реакции n + ⁹Be → a + ⁵He + n → a + a + n + n и n + ⁹Be → ⁸Be + 2n → 2a + 2n через образование промежуточных короткоживущих ядер ⁵He и ⁸Be, а также реакция n + ⁹Be → a + ⁶He с образованием нестабильного изотопа ⁶He с периодом полураспада T_1/2 = 807 мс. Определение характеристик каналов указанных реакций возможно при измерении кинематических параметров и ионизационных потерь заряженных фрагментов реакций в последовательных газонаполненных промежутках детектора на основе конвертера из бериллиевого слоя-мишени и позиционно-чувствительной газовой камеры [3]. Ранее для регистрации тепловых и быстрых нейтронов был создан и испытан позиционно-чувствительный детектор нейтронов на основе мишени-конвертера из твердого слоя ¹⁰B или B₄C и многосекционной ионизационной камеры [4, 5]. Такой детектор нейтронов работает благодаря ядерной реакции n + ¹⁰B → ⁴He + ⁷Li. [6] Энергия и ионизационные потери вторичных заряженных фрагментов реакции определяются энергией нейтрона и углами вылета заряженных фрагментов ⁴He и ⁷Li [7]. Модельные расчеты показали, что распределение ионизационных потерь в газовых промежутках детектора существенно зависят от вида заряженного фрагмента и расположения газового промежутка [8]. С помощью детектора с борным конвертором проведено исследование соотношение выходов распада основного и возбужденного состояний ядра ⁷Li, вылетающего при взаимодействии нейтронов с ядром ¹⁰B при энергии более 1 МэВ [9]. В настоящее время изготавливается бериллиевая мишень для многослойного позиционно-чувствительного детектора для реакций взаимодействия быстрых нейтронов с ⁹Be. Ионизационные потери a-частиц и ядер ⁶He (T_1/2 = 0.8 с) могут измеряться в газовых промежутках за бериллиевым слоем-мишенью. Реакции с образованием короткоживущих ядер ⁵He и ⁸Be, создающие a-частицы в конечном состоянии, могут быть зарегистрированы в детекторе как двойной сигнал от двух одновременно зарегистрированных a-частиц. Для определения экспериментальных условий, параметров детектора и характеристик реакций необходимо выполнить моделирование кинематики и ионизационных потерь кластерных фрагментов реакций в заданном интервале энергий быстрых нейтронов.

КИНЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Для определения необходимых экспериментальных условий было проведено моделирование реакций n + ⁹Be → a + ⁶He и n + ⁹Be → ⁸Be + 2n → 2a + 2n для энергии нейтронов 1—3 МэВ. Были использованы программы кинематического моделирования реакций с тремя частицами в конечном состоянии [10]. При расчетах отбирались события с определенными значениями энергий и углов вылета частиц, которые удовлетворяют законам сохранения энергии и импульса с заданной точностью. Рассчитывались углы вылета и кинетические энергии ядер ⁴Не и ⁶Не в лабораторной системе координат. При энергии быстрых нейтронов 1 МэВ возможна только реакция n + ⁹Be → a + ⁶He с порогом 0.67 МэВ. Максимальные энергии вылета a-частицы и ⁶He были 0.39 и 0.11 МэВ, соответственно, при сечении реакции 0.7 мб [11]. Для энергии нейтронов 2 МэВ максимальные энергии вылета a-частицы и ⁶He составили 1.28 и 0.35 МэВ при сечении реакции 45 мб. При этом фоновые реакции неупругого рассеяния n + ⁹Be → n′ + ⁹Be^*(1.68 МэВ) и n + ⁹Be → a + a + n + n (с сечением около 50 мб над порогом 1.85 МэВ) создавали a-частицы с максимальной энергией 0.37 МэВ. При E_n = 3 МэВ энергии a-частиц и ⁶He из реакции n + ⁹Be → a + ⁶He изменялись в интервалах (1.80—2.16) МэВ и (0.24—0.60) МэВ, соответственно, при сечении реакции 105 мб (рис. 1а, б). Фоновые реакции n + ⁹Be → n′ + ⁹Be^*(1.68 МэВ), n + ⁹Be → n′ + ⁹Be^*(2.43 МэВ) и n + ⁹Be → a + a + n + n создавали две a-частицы с максимальной энергией 0.74—0.78 МэВ (рис. 2).

 

Рис. 1. Энергетическое и угловое распределения a-частиц (а) и ⁶He (б) из реакции n + ⁹Be → a + ⁶He при энергии нейтронов 3 Мэ В.

 

Рис. 2. Энергетическое и угловое распределения a-частиц из фоновой реакции n + ⁹Be → a + a + n + n при энергии нейтронов 3 МэВ.

 

МОДЕЛИРОВАНИЕ ИОИЗАЦИОННЫХ ПОТЕРЬ

Модельные расчеты ионизационных потерь заряженных фрагментов реакций были выполнены для многосекционного газонаполненного детектора заряженных частиц с бериллиевым конвертером. Параметры газонаполненного детектора на основе ионизационной камеры и 3 мкм слоя-конвертора ⁹Be были: 20 мкм анод; катоды из 50 мкм вольфрам-рениевой проволоки; 2.5 мм газовые промежутки, заполненные газовой смесью Ar + 25 % CO₂ при давлении 1 бар. Ранее аналогичные расчеты ионизационных потерь были проведены для заряженных фрагментов реакций n + ¹⁰B → ⁴He + ⁷Li и n + ¹⁰B → ⁴He + ⁷Li + γ при взаимодействии нейтронов с борной мишенью-конвертером в 4-х секционном позиционно-чувствительном детекторе нейтронов с энергией 1.8, 2.5, 3 и 4 МэВ [12]. В них были рассчитаны энергетические потери и их спектры для ядер ⁴He и ⁷Li в газонаполненных промежутках детектора. Было установлено, что с увеличением номера газового промежутка ионизационные потери заряженных фрагментов возрастают, их энергетические спектры расширяются и сдвигаются в сторону больших энергий [13]. События регистрации ⁴He, относящиеся к ядерной реакции без γ-кванта, можно отобрать, применяя верхний порог для сигналов от потерь в четвертом газовом промежутке детектора. Аналогичные результаты были получены в наших модельных расчетах для реакций n + ⁹Be → a + ⁶He и n + ⁹Be → 2a + 2n. Моделирование показало, что возможно регистрировать и выделять над фоном заряженные кластеры вблизи порога реакции n + ⁹Be → a + ⁶He при облучении быстрыми нейтронами бериллиевой мишени. При этом эффективность регистрации растет с увеличением энергии нейтронов. При низких энергиях ядра ⁶He за счет ионизации быстро теряют свою энергию и поэтому их регистрация эффективна в первом газовом промежутке ионизационной камеры (рис. 3). Отбор полезных событий возможен по углам вылета и ионизационным потерям ⁶He. При возрастании энергии нейтронов возрастает энергия фрагментов реакции, что позволяет зарегистрировать их ионизационные потери в нескольких газовых промежутках позиционно-чувствительного детектора. При этом увеличивается эффективность отбора событий за счет корреляции ионизационных потерь в различных газовых промежутках. Ионизационные потери ядер ⁴He распределяются между несколькими газовыми промежутками, что позволяет провести отбор полезных событий из реакции n + ⁹Be → a + ⁶He по их ионизационным и корреляционным особенностям на фоне регистрации ⁴He из реакции n + ⁹Be → 2a + 2n (рис. 4). С помощью позиционно-чувствительного детектора заряженных частиц с бериллиевым конвертером можно исследовать кластерную структуру низколежащих возбуждённых состояний 1/2⁺ и 3/2⁺ ядра ⁹Be в реакции неупругого рассеяния быстрых нейтронов n + ⁹Be → n′ + ⁹Be^*. При энергии быстрых нейтронов от порога возбуждения 1/2⁺ состояния (1.85 МэВ) и до порога возбуждения 3/2⁺ состояния (2.74 МэВ) может быть измерена реакция n + ⁹Be → ⁸Be + 2n → 2a + 2n с регистрацией двух a-частиц.

 

Рис. 3. Спектр ионизационных потерь ⁶He в реакции n + ⁹Be → a + ⁶He при энергии нейтронов 3 МэВ.

 

Рис. 4. Корреляция ионизационных потерь ⁴He при энергии нейтронов 2.5 МэВ (а) и при энергии нейтронов 3 МэВ (б).

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При облучении быстрыми нейтронами с энергией 1—3 МэВ газонаполненного позиционно-чувствительного детектора заряженных частиц с бериллиевым конвертером можно исследовать различные каналы реакций, например n + ⁹Be → a + ⁶He и n + ⁹Be → 2a + 2n. В измерениях при низких энергиях регистрация тяжелых заряженных фрагментов ⁶He эффективна в первом газовом промежутке ионизационной камеры и отбор событий можно проводить по углам вылета и ионизационным потерям. При большей энергии нейтронов пробеги заряженных фрагментов увеличиваются и их ионизационные потери распределяются между несколькими газовыми промежутками позиционно-чувствительного детектора. При этом с увеличением номера газового промежутка энергетические спектры ионизационных потерь расширяются и сдвигаются в сторону больших энергий. С увеличением энергии нейтронов увеличивается сечение и эффективность отбора событий из реакции n + ⁹Be → a + ⁶He за счет корреляции ионизационных потерь в различных газовых промежутках позиционно-чувствительного детектора.

About the authors

V. M. Skorkin

Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: skorkin@inr.ru
Russian Federation, Moscow

S. I. Potashev

Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences

Email: skorkin@inr.ru
Russian Federation, Moscow

A. A. Kasparov

Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences

Email: skorkin@inr.ru
Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files