Измерение сечений нейтронно–индуцированных реакций с вылетом заряженных частиц представляет интерес в нескольких областях науки и технологии. Так, данные требуются для различных конструкционных материалов, поглотителей нейтронов и других приложений ядерной технологии. Потребности в точности и диапазоне энергий варьируются в пределах 1–10 процентов и от тепловых до 8, а иногда и до 20 МэВ, соответственно.

В ЛНФ ОИЯИ в сотрудничестве с Пекинским университетом (КНР) выполняются экспериментальные и теоретические исследования нейтрон-ядерных реакций, продуктами которых являются заряженные частицы. Получаемые данные важны как для фундаментальной ядерной физики, так и для ядерной астрофизики. На основе результатов измерений сечений и угловых распределений испущенных заряженных частиц выполняется уточнение параметров оптического α–частичного потенциала и определение их зависимостей от зарядовых и массовых чисел мишеней, а также от энергии налетающих частиц.  Полученные наборы параметров необходимы для расчета сечений и угловых распределений продуктов реакций, в том числе, и на ядрах, на которых эксперимент не проводился.             В астрофизике сечения реакции (n, α) очень важны для отбора сценариев нуклеосинтеза элементов. Полагают, что большинство элементов тяжелее железа производятся при захвате нейтронов и бета–распадах (s– и r– процессы), тогда как редкие протон–избыточные изотопы – в основном в реакциях фотодиссоциации (p–процесс). Измерения характеристик реакции (n, α) необходимы для лучшего понимания s–процесса в случае легких ядер, а для тяжелых – для конструирования α–частичного потенциала, используемого для расчетов реакций, происходящих в p–процессе на нестабильных ядрах. Постановка экспериментов возможна на ИРЕН (E_n=th–100 кэВ); электростатических ускорителях ЭГ–5 ЛНФ, ЭГ–4.5 ПКУ, Пекин (E_n=3–6 МэВ); тандем ускоритель HI–13 CIAE, Пекин (E_n=8–11 МэВ) и CSNS в Китае.           

В экспериментах, проходящих в ЛНФ ОИЯИ, в качестве детектора протонов и α-частиц, рождающихся в реакциях (n, p) и (n, α), применяются ионизационные камеры различной конструкции, так как, обладая довольно хорошим энергетическим разрешением, они позволяют регистрировать заряженные частицы практически в 4π – геометрии, что весьма существенно при работе с малыми количествами исследуемого вещества (например, с радиоактивными мишенями, разделенными изотопами) и относительно малыми сечениями реакций. Схема эксперимента представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

Применяемая ионизационная камера с сеткой имеет симметричную структуру общего катода, а также оснащена специальным устройством смены образцов. Схематический вид показан на рисунке 2.

Рис. 2. Схематический вид устройства ИК и катода 1 – катод; 2 – сетки Фриша; 3 – анод; 4 – катод камеры деления; 5 – корпус из нержавеющей стали; 6 – поворотное устройство для смены образцов; 7 – вентиль; 8 – манометр

На ускорителе ЭГ–5 Лаборатории нейтронной физики им. И.М. Франка ОИЯИ проведены измерения сечения реакции ⁹¹Zr(n, α)⁸⁸Sr в диапазоне энергии нейтронов от 3,9 до 5,3 МэВ. В качестве детектора использовалась ионизационная камера с двойной сеткой. Полученные данные для реакции ⁹¹Zr(n, α)⁸⁸Sr могут быть использованы для верификации оцененных данных, применяемых при моделировании различных процессов, а также для оптимизации параметров теоретических моделей. На рисунке 3 показан двумерный спектр α–частиц из реакции ⁹¹Zr(n, α)⁸⁸Sr при E_n=5.3 МэВ, в направлениях «вперед» и «назад» без вычитания фоновых событий. Измеренные сечения реакции ⁹¹Zr(n, α)⁸⁸Sr и результаты расчетов в TALYS–1.9 представлены в таблице 1. Полученная нами энергетическая зависимость сечения этой  реакции показана на рисунке 4 в сравнении с оцененными данными и расчетами в  TALYS–1.9 с оптимизированными параметрами.

Рис. 3. Двумерный спектр α–частиц из реакции 91Zr(n, α)88Sr при En=5.3 МэВ, направление «вперед» (а), «назад» (b) без вычитания вклада фоновых реакций

Таблица 1. Измеренные (n, α) сечения реакции 91Zr(n, α)88Sr и результаты TALYS–1.9.

Энергия, МэВ	Сечение, мб
	Вперед	Назад		Сумма (впред+назад)	Сумма (вперёд–назад) + TALYS–1.9	TALYS–1.9
3.9	0.17±0.02	0.15±0.01	0.32±0.02		0.34±0.02	0.39
4.3	0.25±0.03	0.24±0.03	0.49±0.04		0.53±0.04	0.47
5.0	0.31±0.04	0.28±0.03	0.59±0.05		0.64±0.05	0.56
5.3	0.34±0.04	0.31±0.04	0.65±0.06		0.76±0.06	0.57

Рис. 4. Приведите экспериментальные сечения реакции 91Zr(n,α)88Sr в сравнении с результатами расчетов и с использованием TALYS–1.9.

Важной задачей является исследование резонансных реакций с вылетом α–частиц, и , в частности, измерение и объяснение α–ширин. В качестве первоочередной представляется задача по выяснению природы аномалии нейтронных резонансов в реакции ¹⁴⁷Sm(n, α)¹⁴⁴Nd.  Исследование этой реакции началось в ЛНФ им. И.М. Франка ОИЯИ в 70–х годах прошлого века, когда было обращено внимание на аномально большое значение α–ширины резонанса с Е₀ = 184 эВ, которое существенно искажало статистическое распределение полных α–ширин. Дальнейшие эксперименты показали, что в этой реакции и α–ширины, усредненные по интервалам 200 – 500 эВ, не являются константой, а указывают на заметный их рост с ростом энергии нейтронов, что явно противоречит статистической теории компаунд–состояний атомного ядра.

Измерения в Ок–Ридже подтвердили аномальную природу резонанса с Е₀ = 184 эВ в реакции ¹⁴⁷Sm(n, α)¹⁴⁴Nd, а также выявили еще несколько новых аномальных резонансов при более высоких энергиях. Кроме того, было обнаружено, что для резонансов со спинами 4^– и Е_n> 300 эВ средние значения α–ширин втрое больше, чем для резонансов со спинами 3^–, хотя по теории должно быть наоборот, поскольку для резонансов со спинами 4^– наиболее интенсивный α–распад в основное состояние конечного ядра ¹⁴⁴Nd со спином 0⁺ запрещен законом сохранения момента и четности.

Для выяснения природы этих аномалий важно проанализировать энергетический спектр α–частиц в этих резонансах или измерить усредненные парциальные сечения этой реакции в амплитудных окнах, соответствующих α–переходам в основное и возбужденные состояния конечного ядра. Это может стать одной из приоритетных задач для светосильного нейтронного источника CSNS (China spallation neutron source).

Экспериментальное изучение угловых и поляризационных корреляций и угловых распределений продуктов ядерных реакций, получение более полной спектроскопической информации о р–резонансах, в частности, значений и знаков амплитуд ширин входного и выходного каналов реакции, необходимых как для интерпретации результатов исследований Р–нечетных эффектов, так и для проверки адекватности используемого формализма в рамках концепции составного ядра представляется важной задачей. Планируется выполнить измерения Р–четных корреляций вперед–назад и анизотропии угловых распределений в реакциях ¹⁴N(n, p)¹⁴C и ³⁵Cl(n, p)³⁵S в широкой области энергии нейтронов, включающей  низколежащие р–волновые резонансы, и анализ данных совместно с определенными ранее Р–нечетными и Р–четными лево–правыми корреляциями. Измерение всех указанных корреляций дает возможность определить амплитуды ширин для различных спинов каналов реакции и матричный элемент слабого взаимодействия.