ВОЗМОЖНОСТЬ РАЗДЕЛЯТЬ ИЗОВЕКТОРНЫЕ E 1 и E 2

ВОЗМОЖНОСТЬ РАЗДЕЛЯТЬ ИЗОВЕКТОРНЫЕ E 1 и E 2 ГИГАНТСКИЕ РЕЗОНАНСЫ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ АСИММЕТРИИ ВЫЛЕТА НЕЙТРОНОВ С ПОМОЩЬЮ ПОРОГОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ Л. З. Джилавян Институт ядерных исследований РАН, Москва 117312

• Путь выделения IVE 2 ГР на фоне превалирующего IVE 1 ГР, основанный на измерениях асимметрии испускания частиц-продуктов ядерных реакций, был осуществлен в Иллинойсе для реакций nat Pb( , n) при использовании уникального оборудования: сверхпроводящий ускоритель электронов непрерывного действия; система получения меченых -квантов; времяпролетные спектрометры быстрых n с En до ~25 Мэ. В; большие детекторы n в этих спектрометрах на основе жидкого сцинтиллятора с использованием дискриминации по форме импульса. В настоящей работе рассматривается возможность видоизменения этого пути для реакций ( , n) на Pb, основанного на использовании пригодной и для импульсных ускорителей электронов регистрации образуемых в реакциях n пороговыми активационными детекторами.

Асимметрия сечений • где (d /d )55 и (d /d )125 – дифференциальные сечения выбранной реакции, продукты которой вылетают под углами 55 и ( ) 125 к направлению движения падающей частицы. Энергии этих продуктов выбираются такими, что остаточное ядро оказывается сразу либо в основном состоянии, либо в состояниях с энергиями возбуждения Ex. •

• В упомянутой работе были предприняты измерения в реакциях nat. Pb( , n) при E (20 30) Мэ. В. При этом регистрировались образуемые в реакциях быстрые n, такие, что у остаточных ядер Ex 4 Мэ. В. • Измеренные при указанных условиях усредненные по изотопному составу дифференциальные сечения ( , n)-реакций (d /d )55 (а) и (d /d )125 (б) в зависимости от E см. на рис.

• На рис. приведены полученные из данных предыдущего рисунка значения в зависимости от E. Из модельных расчетов следует, что полученные значения согласуются с наличием у IVE 2 ГР силовой функции с положением центроида при (23. 5 1. 5) Мэ. В с шириной ~6 Мэ. В, однако при этом исчерпывается только 40% соответствующего правила сумм. Последнее заставляет предполагать более широкое распределение силовой функции и требует дальнейшего увеличения точности при получении экспериментальных результатов для , а также при их анализе и обработке. Желательны также модификации методики, позволяющие работать при более доступном оборудовании.

• Ранее нами были предприняты попытки измерения в ( , n)-реакциях и выделению вклада IVE 2 ГР на фоне превалирующего IVE 1 ГР на импульсном ускорителе ЛУЭ-25 Института биофизики МЗ РФ. При этом было предложено отказаться от времяпролётной методики для спектрометрии n, неприемлемой, как правило, на таких ускорителях изза относительно большой длительности их импульсов и из-за низкого рабочего фактора, делающего неэффективной методику мечения. • Взамен предложено использовать спектрометры n на базе органических сцинтилляторов с дискриминацией фона -квантов по форме импульса. В условиях необходимости работать на немеченом пучке тормозных фотонов можно использовать то, что в эксперименте выбор максимальных энергий испускаемых n фиксирует энергии вызвавших реакции фотонов. Достижимые уровни энергетического разрешения таких спектрометров в принципе могли бы позволить отделять n 0 от n 1, например, в реакции 208 Pb( , n) ). • При этом вызывающие беспокойство трудности получения спектрометрической информации при высоких уровнях электромагнитных наводок, как показала практика, оказываются преодолимыми. Конечно, в предложенных экспериментах нужна стабильная работа импульсного ускорителя при сравнительно низких уровнях токов ускоряемых в них электронов, при которых ещё можно пренебречь наложениями в используемых сцинтилляционных спектрометрах быстрых n.

Рассмотрим теперь вместо зависимостей дифференциальных сечений (d /d )55 и (d /d )125 от E для реакций nat. Pb( , n) в диапазоне E (20 30) Мэ. В зависимости соответствующих этим сечениям выходов Y 55 и Y 125 , дифференциальных по углам испускания n. Обычно под выходом Y(Ee) для некой фотоядерной реакции под действием тормозного излучения, образуемого электронами с кинетической энергией Ee, понимают приведенную к одному падающему электрону свертку сечения (E ) этой реакции со спектром тормозного излучения (E , Ee), (обозначая при этом элементы толщины мишени и радиатора как dxм и dxр и начальную энергию (E )нач 20 Мэ. В), а именно:

Введем приближенное выражение для спектра тормозного излучения, обозначая при этом радиационную длину материала радиатора X 0.

• В рамках этого приближения, исходя из (d /d )55 и (d /d )125 , рассчитаны в зависимости от Ee выходы Y 55 и Y 125 и асимметрии выходов Y = (Y 55 - Y 125 ) / (Y 55 +Y 125 ), см. рис. • Как и ожидалось, при E Ee 20 Мэ. В минимальные значения Y практически совпадают со значениями , тогда как при Ee E 30 Мэ. В Y 0. 44, а 0. 9. Т. е. при Ee E 30 Мэ. В Y в 2 раза меньше, чем , но еще сохраняет существенный уровень значений. •

• В данной работе для выделения IVE 2 ГР на фоне IVE 1 ГР предлагается использовать для регистрации быстрых n при измерениях Y в реакциях ( , n) на свинце при энергиях падающих электронов Ee (20 30) Мэ. В активационные пороговые детекторы быстрых n, использующие реакцию 16 O(n, p)16 N (см. сечение этой реакции на рис. ).

• • С учетом (E )порог (6. 7 8. 1) Мэ. В для реакций ( , n) на 206– 208 Pb, эффективной пороговой энергии n ( 10. 2 Мэ. В) для реакции 16 O(n, p)16 N, а также формы сечения этой реакции в зависимости от En при использовании порогового детектора быстрых n и при Ee (20 24) Мэ. В энергии возбуждения остаточных ядер Ex близки к имевшимся в Иллинойсе. Выделение IVE 2 ГР на фоне IVE 1 ГР из данных измерений асимметрии испускания быстрых n предполагает модельные расчеты. Аналогичные модельные расчеты можно проводить с более аккуратным учетом заселения состояний с различными значениями Ex в предлагаемых экспериментах. Представляется также, что такие модельные расчеты могут обеспечить учет изменений диапазона достигаемых значений Ex и при распространении предлагаемых экспериментов на энергии Ee до 30 Мэ. В, при которых следует ожидать наиболее существенные уровни измеряемой таким путем Y.

• Таким образом, существенные преимущества предлагаемого способа измерений асимметрии выходов испускания быстрых n в реакциях ( , n) на свинце: • 1) не обязательны ускорители электронов только непрерывного действия; • 2) можно использовать полную интенсивность пучка, не опасаясь наложений; • 3) достижима высокая эффективность регистрации быстрых n (прежде всего, геометрическая); • 4) в итоге достижима высокая «статистика» и ожидаемая точность измерений; • 5) при этом активационная методика позволяет в значительной степени «обойти» проблемы из-за влияния радиационных фонов и электромагнитных наводок на импульсных ускорителях электронов.

СЕЧЕНИЯ РЕАКЦИЙ 14 12 13 12 N( , 2 n) N, N( , 2 p) B и C( , p) B О. И. Ачаковский Физико-энергетический институт им. А. И. Лейпунского, Обнинск; С. С. Белышев МГУ им. М. В. Ломоносова, физический факультет, Москва; Л. З. Джилавян Институт ядерных исследований РАН, Москва; Ю. Н. Покотиловский Лаборатория нейтронной физики им. И. М. Франка ОИЯИ, Дубна

• Для контроля объектов для обнаружения скрытых взрывчатых веществ был предложен метод, основанный на генерации радиоизотопов 12 N ( -распад, период полураспада T 11. 0 мс, макс. кинетическая 1/2 энергия испускаемых в распаде -частиц E макс 16. 316 Мэ. В) и 12 B ( ‑распад, T 20. 2 мс, E 1/2 макс 13. 368 Мэ. В) в реакциях: • n (порог реакции Eпорог 30. 6 Мэ. В); (I) • B p (Eпорог 25. 1 Мэ. В); (II) • 3 C B p (Eпорог 17. 5 Мэ. В). (III) • Для выяснения реалистичности и чувствительности этого метода в разных его модификациях, а также проведения оптимизации различных условий работы фотоядерного детектора взрывчатых веществ нужна информация о сечениях реакций (I), (II) и (III) в зависимости от энергии падающих фотонов E. • Компиляция имеющихся экспериментальных и модельнорасчетных данных о сечениях указанных реакций и самостоятельные модельные расчеты этих сечений вместе с сопоставлением и анализом сведений об этих сечениях из так образуемой их совокупности – задача данной работы. • Ограниченность экспериментальной информации для обсуждаемых фотоядерных реакций, с одной стороны, делает актуальным критическое рассмотрение методических аспектов уже проведенных экспериментов, а с другой стороны, вынуждает обращаться к модельным расчетам сечений этих реакций.

Ниже в столбцах таблицы последовательно даны: рассматриваемая реакция; источник сведений; максимум сечения рассматриваемой реакции макс; энергия падающих фотонов Eмакс, соответствующая максимуму сечения реакции; значения E 1 и E 2 (где E 1 E 2), такие, что (E E 1) (E E 2) 0. 5 макс; полная ширина распределения сечения реакции FWHM (E 2 E 1); а также величины макс FWHM ( макс FWHM) × [0. 5(E 1 E 2)] 1 ~

Таблица. Экспериментальные и модельно-расчетные параметры сечений реакций 14 N( , n)12 N, 14 N( , p)12 B и 13 C( , p)12 B реакция источник данных макс, мкб Eмакс, Мэ. В E 1, Мэ. В E 2, Мэ. В FWHM (E 2 E 1), Мэ. В макс FWHM, Мэ. В мкб ( макс FWHM)/ 0. 5(E 1 E 2), мкб 1 14 N( , 2 n)12 N эксперимент [10] (5. 5 2) 102 2 14 N( , 2 n)12 N расчет [4] 500 33 31. 5 40 8. 5 4250 118. 9 3 14 N( , 2 n)12 N расчет [11] 20 48 36 69 33 660 12. 6 4 14 N( , 2 n)12 N расчет [12] 2. 6 45 36. 8 64. 6 27. 8 72. 3 1. 4 5 14 N( , 2 n)12 N наш расчет по [13] 2. 6 45. 5 36. 6 64. 4 27. 8 72. 3 1. 4 6 14 N( , 2 n)12 N наш расчет по [14] 4. 9 41. 8 35. 2 53. 2 18 88. 2 2. 0 7 14 N( , 2 p)12 B эксперимент [15] 8 14 N( , 2 p)12 B расчет [4] 0. 5 45 32 58 26 13 0. 3 9 14 N( , 2 p)12 B расчет [11] 40 39 32 51 19 760 18. 3 10 14 N( , 2 p)12 B расчет [12] 2. 6 35 30 48 18 46. 8 1. 2 11 14 N( , 2 p)12 B наш расчет по [13] 2. 7 37 30. 2 47. 7 17. 5 47. 3 1. 2 12 13 C( , p)12 B эксперимент [16] 8 103 23 21 27 6 48 103 2 103 13 13 C( , p)12 B расчет [4] 2 103 22 20. 5 25. 5 5 10 103 435 14 13 C( , p)12 B расчет [11] 1 103 24. 5 23 30 7 7 103 264 15 13 C( , p)12 B расчет [12] 538 20 18. 8 26. 8 8 4. 30 103 189 16 13 C( , p)12 B наш расчет по [13] 538 20 18. 6 26. 1 7. 5 4. 04 103 181 17 13 C( , p)12 B наш расчет по [14] 1075 25. 6 21. 3 28. 7 7. 4 7. 96 103 318 9. 4 103 0. 02 Yполн

• Сечение реакции 14 N( , 2 n)12 N • Ограниченная экспериментальная информация о сечении реакции 14 N( , 2 n)12 N нам известна только из [10] (США, Панофский), где для энергий падающих фотонов E от порога реакции до ~120 Мэ. В дана инт (5. 5 2) 102 Мэ. В мкб. Измерения в [10] проводились на импульсном ЛУЭ, в • прямом пучке электронов которого размещался «сэндвич» из W радиатора и следующего за ним N 6 C 3 H 6 образца. При этом: частота повторений импульсов пучка 10 Гц; измерения осуществлялись между импульсами пучка с помощью магнитного спектрометра, в фокальной плоскости которого использовались на совпадения 2 счетчика Гейгера, отсчеты которых регистрировались 5 -канальным временным анализатором. Первые ворота временного анализатора открывались через 15 мс после импульса пучка, чтобы отойти от фона, связанного с медленными n. В [10] указывалось, что малый выход реакции 14 N( , 2 n)12 N не позволил получить более детальные сведения о сечениях. В лит-ре малость сечения реакции объяснялась конкуренцией с реакцией 14 N( , pn), у которой, в частности, низкая Eпорог 12. 5 Мэ. В. В работе [4] группы Трауэра представлены сведения о сечениях реакций (I) (III), которые, видимо, являются модельно-расчетными, но не указаны ни их источник, ни использованная модель, однако, т. к. они приведены в опубликованной работе группы, активно разрабатывавшей одну из модификаций рассматриваемой методики, мы посчитали нужным продемонстрировать их и сопоставить с другими экспериментальными и расчетными сведениями.

Сейчас для модельных расчетов фотоядерных реакций на легких ядрах с вылетом одного-двух нуклонов (в частности, реакций ( , p), ( , 2 n) и ( , 2 p)) наиболее «признанными» , видимо, можно считать две группы моделей (с учетом их развития): EMPIRE и TALYS. Модельно-расчетные сечения реакции 14 N( , 2 n)12 N в зависимости от E : 1 – из [11] (EMPIRE); 2 – из [12] (TALYS); 3 – из наших расчетов по TALIS [13]; 4 – из наших расчетов по EMPIRE [14]; 5 – из [4].

• Сечение реакции 14 N( , 2 p)12 N • Ограниченную экспериментальную информацию о сечении реакции 14 N( , 2 p)12 N удалось обнаружить только в [15] (СССР, Комар и Явор), где сообщаются результаты измерений для 14 N выходов парциальных фотоядерных реакций при Ee 90 Мэ. В – • кинетической энергии электронов, падающих на внутренний радиатор синхротрона. Измерения проводились с камерой Вильсона, помещенной в магнитное поле и заполненной газовой смесью с основными по массе компонентами из азота и гелия. Подробно исследованная ранее реакция 4 He( , p) использовалась для контроля мониторирования -пучка. Треки частиц в камере Вильсона стереоскопически фоторегистрировались и обрабатывались с учетом измеряемых для треков плотности ионизации, длины пробега, кривизны, углов разлета частиц, образуемых при фотодезинтеграции облучаемых ядер. В [15] даны выходы парциальных фотоядерных реакций на 14 N в долях от полного выхода Yполн(Ee 90 Мэ. В) реакций фотодезинтеграции ядер 14 N и, в частности, для реакций 14 N( , p), 14 N( , n), 14 N( , pn), 14 N( , 2 p) имеем по отношению к Y полн парциальные выходы 28%, 16%, 35%, 2% соответственно. В измерениях [15] с камерой Вильсона мишень и «рабочее тело детектора» совпадают, что обеспечивает высокую эффективность регистрации событий фотодезинтеграции ядер. Но, несмотря на значительные достоинства камер Вильсона для измерений выходов и сечений фотоядерных реакций на легких элементах, к настоящему времени из-за их сравнительной сложности и громоздкости и трудоемкости обработки получаемой на них трековой информации их использование повсеместно прекратилось, а необходимая при этом «сумма технологий» в значительной степени утеряна.

Модельнорасчетные сечения Реакции 14 N( , 2 p)12 N в зависимости от E : 1 - из [11] (EMPIRE); 2 -из [12] (TALYS); 3 -из наших расчетов по TALYS; 5 – из [4].

• Сечение реакции 13 C( , p)12 B • Измерения сечения реакции 13 C( , p)12 B были выполнены на циклических ускорителях электронов с внутренними радиаторами тормозных -квантов (на бетатронах в [16] (Австралия, Зубанов и Томпсон) и [24] (США, Кук) и на синхротроне в [25] (СССР, Кульчитский и Денисов)). • • В [16, 24] использовались мишени с обогащением по 13 C (до ~65% в [24] и ~85% в [16]), и внешние по отношению к этим мишеням детекторы частиц, сопровождающих распады образуемых в мишенях радиоизотопов (6 счетчиков Гейгера, симметрично расположенных вокруг облучаемой мишени в Pb-защите, в [24], а в [16] два Na. Iдетектора. В [16, 24] применялись меры против повышенной фоновой загрузки детекторов на время импульса пучка и первое время после него, в частности, в [16] использовалось «запирание» ФЭУ в Na. I-детекторах, кроме того, устанавливался довольно высокий порог регистрации в Na. I-детекторах (~2. 6 Мэ. В). В работе [25] подробности эксперимента изложены скупо. Но подчеркнем, что в [25] кристалл стильбена использовался и как мишень, и как детектор, регистрирующий распады образуемых радиоизотопов, что обеспечило высокую эффективность регистрации и позволило работать с необогащенной по 13 C мишенью. Кроме того, в [25] вводился порог так, что распады образуемых 10 C и 11 C не регистрировались.

Результаты измерений сечений реакции 13 C( , p)12 B в зависимости от E : сплошная линия из [24]; кружки с «усами» ошибок -из [25]; вертикальные штрихи -из [16].

Сечения реакции 13 C( , p)12 B в зависимости от E. Эксперимент. 6 - из [16]. Расчеты: 1 - из [11] (EMPIRE); 2 - из [12] (TALYS); 3 - наш расчет по [13] (TALYS); 4 - наш расчет по [14] (EMPIRE); 5 - из [4].

• Как следует из вышеизложенного достаточно полные (для рассматриваемой в настоящей работе фотоядерной методики обнаружения скрытых взрывчатых веществ) согласующиеся между собой экспериментальные сечения есть только для реакции 13 C( , p)12 B. • Для каждой из реакций 14 N( , 2 n)12 N и 14 N( , 2 p)12 B есть только по одной экспериментальной работе и только с интегральными характеристиками сечений, но с учетом того, что заявленные точности при этом невысоки, а также принимая во внимание сложности методик, использованных в [10, 15], нужны независимые измерения (даже интегральные!). • Используемые для модельных расчетов сечений реакций программы EMPIRE и TALYS претерпевали со временем развитие и взаимное влияние, в результате которых, в частности, удалось добиться существенного сближения их предсказаний для сечений реакции 14 N( , 2 n)12 N. К сожалению, при этом обнаруживаются большие различия между такими сближенными друг с другом предсказаниями расчетов и имеющимися экспериментальными сведениями. Если с «натяжками» и можно считать, что расчеты примерно правильно передают гросс-структуру сечений фотоядерных реакций с испусканием одного-двух нуклонов из легких ядер, то уровни абсолютных модельных обсуждаемых сечений (и соответствующих им интегральных величин) могут примерно на порядок (и даже более!) уступать уровням соответствующих экспериментальных сечений.

• Так, инт экспериментальные примерно превышают модельные, полученные: для реакции 13 С( , p)12 B по EMPIRE в 6. 0 раз и по TALYS в 11. 9 раз; для реакции 14 N( , 2 n)12 N по EMPIRE в 6. 2 раз и по TALYS в 7. 6 раз; для реакции 14 N( , 2 p)12 B по TALYS даже в 200(!) раз. Таким образом, наблюдается занижение интегральных характеристик этих сечений по сравнению с экспериментальными данными. В этом смысле несомненный интерес представляет то, что в недавней работе из CERN также говорится для реакции 12 С(n, p)12 B в широком диапазоне энергий возбуждения ядра о большом занижении расчетных сечений, полученных, в частности, по EMPIRE и TALYS, по сравнению с измеренными. • Особняком стоят сведения о сечениях рассматриваемых реакций из работы [4] (Трауэр). Если для инт экспериментальное превышает для реакции 13 С( , p)12 B величину из [4] в 4. 8 раз, то для реакции 14 N( , 2 p)12 B экспериментальное инт превышает величину из [4] в ~ 720(!) раз, а для реакции 14 N( , 2 n)12 N экспериментальное инт наоборот уступает(!) величине из [4] в ~ 7. 7(!) раз.

Заключение Результаты настоящей работы выявили значительное занижение рассчитанных по TALYS и EMPIRE сечений на легких ядрах для фотоядерных реакций с испусканием одного-двух нуклонов по сравнению с экспериментальными, что указывает на необходимость существенного развития этих претендующих на универсальность и широко используемых моделей описания ядерных реакций. С другой стороны, из этого следует, что для разработки фотоядерного способа обнаружения скрытых взрывчатых веществ остро нужна именно экспериментальная информация о сечениях и выходах реакций 14 N( , 2 n)12 N и 14 N( , 2 p)12 B. По этой причине в настоящей работе уделено значительное внимание деталям методик, использованных в предыдущих измерениях сечений и выходов этих реакций. Анализ имеющихся данных показывает, что нужны измерения указанных сечений и выходов при энергиях от порогов реакций и до, по крайней мере, ~ 60 Мэ. В.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ