Лаборатория
Нейтронной Физики
им. И.М. Франка

Мобильное меню

Исследование редких мод деления ядер

Обычно деление представляет собой бинарный процесс, при котором делящееся ядро делится на два осколка. В целом это справедливо как для спонтанного, так и для вынужденного деления ядер. Однако иногда вместо стандартного «двойного деления» наблюдается процесс более высокой множественности с вылетом трех и более заряженных частиц в исходящих каналах. Сопутствующие частицы легче основных осколков деления.  Еще более редкой модой деления, сопровождаемой испусканием легких фрагментов, с вероятностями в диапазоне от 10–7 до 10–6, является четверное деление (QF), при котором в одном акте деления одновременно испускается пара легких заряженных частиц (LCP). Режим QF может возникать либо в результате распада нестабильных частиц среди LCP, например 7Li*, 8Be, 9Be* («псевдочетверное» деление) или от независимого испускания двух LCP («истинное» четверное деление.  Схематическая картина этих типов процессов деления представлена на рис. 1.

Рис 1. Схематическое изображение разных типов процессов деления:  бинарное (a), тройное (b) и «псевдо» четверное (с) и «истинное» четверное (d).

Данные о тройном и четверном делении представляют интерес для ядерной физики, поскольку LCP частицы испускаются в пространстве и времени очень близко к точке разрыва. Следовательно, ожидается, что они предоставят информацию о конфигурации точки разрыва. Хорошее знание их характеристик также будет способствовать лучшему пониманию механизма эмиссии этих частиц. Вторая причина заключается в том, что атомной промышленности требуются точные данные о выходах тройного деления, точнее, частиц 3H  и 4He, поскольку они лежат в основе производства газообразного гелия и особенно радиоактивного газообразного трития в реакторах.

Основная цель данного эксперимента — исследование вероятностей эмиссии и особенностей энергетических распределений тройных и четверных частиц. Проведение экспериментов и обработка экспериментальных данных по массово-энергетическим и угловым корреляциям в делении, сопровождаемом, помимо образования двух осколков, испусканием легкого фрагмента (тройное деление) или двух таких фрагментов (четверное деление). Поиск гипотетических мод деления (пятерное деление, кластерный коллинеарный тройной распад).

Совместно с Пражским техническим университетом была создана экспериментальная установка, состоящая из пиксельных детекторов типа Timepix с модернизированными электронными платами. Ее схема и принцип работы показаны на рис. 2. Пиксельный детектор Timepix – перспективная разработка, нашедшая широкую область применений в различных областях. Детекторы такого типа могут предоставлять многопараметрическую пособытийную спектроскопическую информацию (положение, энергия и время, тип) для практически любых заряженных частиц. Кроме того, сочетание с анализом отслеживания событий обеспечивает улучшенное соотношение сигнал/шум с высоким подавлением фоновых и нежелательных событий. Детекторы такого типа дают возможность создавать телескопы частиц, которые особенно интересны для исследований редких мод деления и прямого наблюдения распада 8Be и 7Li, испускаемых как тройные частицы в основном и возбужденном состоянии.

Рис 2. Схема экспериментальной установки и принцип эксперимента

В 2021 году были проведены измерения редких мод деления с высокоактивным (400 кБк) источником спонтанного деления 252Cf при использованием детекторов Timepix с модернизированными электронными платами. Эксперимент проводился в течение 7 месяцев, было накоплено большое число событий регистрации тройных частиц с разными энергиями отсечки. Тройные частицы от 1H до C были зарегистрированы и успешно разделены. На рис. 3 показано ΔE-E двуxмерный спектр легких заряженных частиц для один из телескопов.

Рис 3. ΔE-E двумерный спектр легких заряженных частиц для одного из телескопов

Для каждого типа частиц построены энергетические спектры.  Результаты, полученные для 1H, 2H и 3H представляют особый интерес, поскольку они получены впервые. На рис. 4 представлен энергетический спектр для 1H. Этот пик распределения простирается до 15.8 МэВ, что соответствует энергии 9.21±0.15 МэВ с σ≈3.3 МэВ, и очень похож на энергетические спектры дейтронов и тритонов. Протоны, образующиеся из фоновых (n,p) и (α,p) реакций, вызванных нейтронами деления, могут вносить значительный вклад в выход протонов тройного деления. Для анализа вкладов от различных возможных источников был рассчитан энергетический спектр протонов с использованием программы Talys-1.9. Было установлено, что протоны, образующиеся в результате реакции (α,p), могут вносить вклад в энергетический спектр протонов, образующихся при тройном делений. На рис. 4 показано сравнение расчетных результатов для (α,p) с экспериментальными результатами. Ожидаемый энергетический спектр протонов реакций (α,p) показан прямой линией.  В таблице 1 представлены результаты, полученные в эксперименте.

Рис 4. Энергетический спектр протонов, образующихся в результате реакций Al(α,p) (сплошная линия) и тройного деления (пунктирная линия)

Таблица 1. Результаты получены для всех частиц тройного деления

Тройные частицы

Число событий

энергия отсечки (МэВ)

Энергия

(МэВ)

Сигма (МэВ)

Выход

(104 α)

H1

33434

5.5

9.21(0.15)

3.23(0.01)

0.0181

H2

12320

6.0

9.13(0.01)

3.59(0.01)

0.0067

H3

85498

6.5

8.96(0.01)

2.97(0.01

0.0463

4He

4.5206·106

9.5

15.99(0.01)

4.33(0.01)

1

6He

123186

10.5

12.44(0.01)

3.42(0.01)

0.02629

8He

7147

11.0

11.23(0.04)

3.21(0.04)

0.00152

Li

21844

20

15.66(0.04)

5.38(0.02)

0.00466

Be

47503

28

21.92(0.12)

5.95(0.04)

0.01013

B

4360

39

26.67(3.14)

7.50(0.79)

0.00093

C

12887

49

31.74(4.60)

8.09(0.97)

0.00275