Исследование процесса деления ядер протонами и нейтронами промежуточных энергий Л.А.Вайшнене, В.Г.Вовченко План 1.Основные результаты, полученные на протонах с Еp 200-1000 МэВ 2. Оценка сечений деления ядер-актинидов нейтронами с Еn> 200 МэВ 3. Возможности создания нейтронных пучков с энергией от 200 до 1000 МэВ 4. Измерение характеристик деления ядер-актинидов: а/ Измерение полных сечений деления нейтронами с Еп> 200 МэВ б/ Измерение массовых распределений осколков деления протонами с энергией в интервале 200-1000 МэВ Сечение деления, мбарн Энергетическая зависимость сечений деления 2500 2500 2000 2000 1500 1500 1000 1000 500 500 239 237 Pu (p,f) Np (p, f) Сечение деления, мбарн 0 0 2000 2000 1500 1500 1000 1000 500 500 238 235 U (p, f) U (p, f) Сечение деления, мбарн 0 0 2000 2000 1500 1500 1000 1000 500 500 233 232 U (p, f) Th (p, f) 0 0 150 Сечение деления, мбарн 300 200 100 100 50 209 Bi (p, f) nat Pb (p, f) 800 1000 0 0 0 200 400 600 Энергия протонов, МэВ 800 1000 0 200 400 600 Энергия протонов, МэВ 3 Импульсный спектр протонов pC, 12, 1 GeV d/(d dP), отн. ед. В качестве примера спектра вторичных протонов приведен спектр протонов, полученный при создании пучка поляризованных протонов. 18 16 p<p,n> 14 12 10 8 pC 6 p<p,n> 4 2 0 0.8 P, GeV/c 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Р-импульс в лаб. с. 1.6 1.7 Спектры протонов, рассеянных на ядрах под углом 12град. Ер=660 МэВ ПОЛНЫЕ СЕЧЕНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НУКЛОНОВ . Ф.А. Arndt et al. Полные сечения, мб. 140 120 100 80 pp 60 np 40 20 0 500 1000 1500 2000 Ek, МэВ Неупругое взаимодействие протонов с ядрами 350 500 Полные сечения неупругого взаимодействия, мб 300 250 400 200 300 150 27Al 200 100 100 50 0 0 0 500 1000 1500 2000 0 1200 1600 1000 1400 500 1000 1500 2000 1000 1500 2000 1000 1500 2000 1200 800 1000 600 800 64Cu 119Sn 600 400 400 200 200 0 0 0 500 1000 1500 2000 0 500 2500 2000 2000 1500 1500 207Pb 1000 238U 1000 500 500 0 0 0 500 1000 1500 2000 0 500 Энергия нуклонов, МэВ Сечения деления ядер. Используя модель описания сечений неупругого взаимодействия нуклонов с ядрами, грубо деление ядер можно свести к двум последовательным процессам – возбуждения ядра и его деления: f (E,A,Z)=in(E,A,Z) f(E,x), где функция f(E,x) -делимость ядра с параметром делимости x= Z2/A. На следующем слдйде представлена оценка делимости для 8 ядер, измеренных в ПИЯФ, когда полные сечения измерялись с одновременной регистрацией двух массивных осколков на совпадения. . Энергетическая зависимость делимости ядер Pu.239 Np.237 U.238 U.235 U.233 Th.232 Bi.209 Pb 1.0 Делимость ядер 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 200 400 600 800 1000 E , МэВ СЕЧЕНИЯ ДЕЛЕНИЯ ЯДЕР АКТИНИДОВ ПРОТОНАМИ И НЕЙТРОНАМИ 1400 1800 1200 1600 1400 1000 1200 800 1000 600 800 400 400 200 200 0 0 0 200 400 600 800 1000 1800 Сечения деления, мб 233U(2) 600 232Th(2) 0 200 400 600 800 1000 600 800 1000 600 800 1000 1800 1600 1600 1400 1400 1200 1200 1000 1000 800 800 235U(1,2) 600 238U(1,2) 600 400 400 200 200 0 0 0 200 400 600 800 1000 1200 0 1800 1800 1600 1600 1400 1400 1200 1200 1000 1000 800 200 400 800 237Np(1) 600 400 600 239Pu(1) 400 200 200 0 0 0 200 400 600 800 1000 0 200 400 Сечения деления, мб СЕЧЕНИЯ ДЕЛЕНИЯ 238U ПРОТОНАМИ И НЕЙТРОНАМИ 238U(1,2) Полные сечения деления ядра 238U протонами (сплошная линия с коридором ошибок) и нейтронами (точечная линия). Экспериментальные данные, соответственно, черные точки и светлые квадраты. МэВ Сечения деления, мб СЕЧЕНИЯ ДЕЛЕНИЯ 233U ПРОТОНАМИ И НЕЙТРОНАМИ 233U(2) Полные сечения деления ядра 233U протонами (сплошная линия с коридором ошибок) и нейтронами (точечная линия). Экспериментальные данные, соответственно, черные точки и светлые квадраты. МэВ Сечения деления, мб СЕЧЕНИЯ ДЕЛЕНИЯ 239Pu ПРОТОНАМИ И НЕЙТРОНАМИ 239Pu(1) Полные сечения деления ядра 239Pu протонами (сплошная линия с коридором ошибок) и нейтронами (точечная линия). Экспериментальные данные, соответственно, черные точки и светлые квадраты. МэВ СХЕМА ВЫВОДА НЕЙТРОННОГО ПУЧКА ИЗ СП-40 Cu (Be) 950 1350 Спектры нейтронов под углом Lab=7.5 Eр=1000 МэВ 900 d2/d/dT, мб/стр/МэВ 800 64Cu 700 600 500 9Be 400 300 200 100 0 300 400 500 600 700 800 900 1000 Энергия нейтронов, МэВ 1100 1200 Спектры нейтронов под углом Lab=11.3 Eр=1000 МэВ 600 64Cu d2/d/dT, мб/стр/МэВ 500 400 300 9Be 200 100 0 300 400 500 600 700 800 900 1000 Энергия нейтронов, МэВ 1100 1200 Параметры нейтронного пучка • • • • • • • 1. Возможный поток нейтронов на мишени регистрирующей аппаратуры в ΔEn≈ 100 МэВ: НО-М En=450 МэВ En=900 МэВ Y1 Y2 Be σpBe 19∙10-27 20∙10-27 ~5∙105 ~2,5∙105 Cu σpCu 47∙10-27 38∙10-27 ~10.5∙105 ~5∙105 2. Вредный фон: γ- фон, фон медленных нейтронов (сечение деления велико). Методы борьбы: а) конвертор (Pb) и очищающий магнит, б) тщательный отбор по времени пролета. Л.Вайшнене Преимущества ППЛС: 1. Высокая эффективность регистрации осколков; 2. Хорошие временные характеристики 3. Нечувствительность к легким частицам и в связи с этим возможность использования их в прямом пучке. Схема регистрации делительных событий. 4 4 2 1 proton beam 3 • • • • • HV HV FA FA D D • • CDC Amplitude 1 CU Scaler CDC Amplitude 2 1. мишень; 2. подложка; 3. крепление мишени; 4. ППЛС; HV- источник высокого напряжения; FP- предусилитель; D- формирователь; CDC преобразователь заряд-код; CU - схема совпадений. Счет Зависимость эффективности регистрации ППЛС осколков деления и альфа-частиц от приложенного напряжения Напряжение, В Амплитудные спектры деления 238U 1000 Amplitude 2 800 600 400 200 0 0 200 400 600 800 1000 1500 1750 a) Amplitude 1 600 Count of events 500 400 300 200 100 0 0 250 500 750 1000 1250 Sum of amplitudes 2000 b) 3 критерия отбора: 1. Пороговый критерий; 2. Критерий совпадений; 3. Критерий полной кинетической энергии Схема установки для измерения деления ядер протонами и нейтронами p S1 S2 S3 2 4 3 1 C3 ( C H 2) n 2 C1 p2 C2 p1 • 1 – камера, наполненная гептаном; • 2 – входное окно; • 3 – ППЛС; • 4 – мишень; • S1-S3, C1-C3 – сцинтилляционне счетчики Ne b e utr a m on Двухплечевой времяпролетный спектрометр Vacuum chamber Thin entrance window PPAC (”start”) U-target Th-target Thin entrance window PPAC (”stop”) Bragg-PPAC chamber • Предназначен для измерения энергии и массы осколков деления. Стартовый детектор Камера Брэгга Общий вид двухплечевого пролётного спектрометра Схема эксперимента и Блок-схема электроники Схема эксперимента стоп ППЛС1 старт ППЛС стоп ППЛС2 Брэгговская камера 2 Брэгговская камера 2 Дискриминатор ны Усилитель БУ он БУ БУ БУ Дискриминатор Усилитель ей тр БУ й пу чо к Мишени Н Зал эксперимента Дискриминатор стоп 1 стоп 2 старт Задержка Модуль совпадения Разветвитель NIM или КАМАК CAMAC контроллер Flash ADC ------ -----стоп вход USB ПК крейт КАМАК Сбор данных Триггер Задержка TDC -----старт TDC -----старт Задержка стоп стоп Задержка Зедаржка Flash ADC -----старт стоп Форма импульсов с камер Брэгга время Двухмерное распределение событий, зарегистрированных камерами Брэгга Двухмерное распределение событий, зарегистрированных камерами Бэгга • X- масса осколков (а.е.м.) • Y- параметр формы кривой Брэгга Массовое распределение осколков деления • Преимущества данной установки 1. Совмещение стартового детектора и мишени позволяет отказаться от использования отдельного "старт"-детектора, что дает возможность существенно уменьшить расстояние до конечного Брэгг-ППЛС детектора, не уменьшая времяпролетной базы, а также максимально минимизировать энергетические потери осколков на пути их регистрации. 2. Применение Брэгг-ППЛС детектора, принцип действия которого (в отличие от традиционных кремниевых детекторов) позволяет создать детектор большой площади, что обеспечит большой телесный угол регистрации осколков и приемлемую скорость набора событий. 3. Одновременное использование двух мишеней делящихся веществ позволяет существенно снизить время набора необходимой статистики при тех же затратах ускорительного времени. Схема эксперимента Синхроциклотрон Экспериментальная установка Бетонная защита 18 p • D - медный поглотитель, BM - отклоняющий магнит, C1, C2 и С3 – коллиматоры, ML1, ML2 – дублеты квадрупольных линз Характеристики протонного пучка Е МэВ 207 301 404 505 612 702 802 899 Интенсивность протонного пучка переменной энергии (интенсивность пучка с Ер=1000 МэВ равна 3х1012 с-1) Р Интенсивность пучка протонов, с-1 МэВ/c 1 дублет 2 дублета - А 2 дублета - Б 657 810 960 1097 1234 1345 1466 1580 1.84 E7 4.62 E7 9.69 E7 2.07 E8 2.58 E8 6.72 E8 1.00 E9 2.13 E9 4.02 E7 2.07 E8 2.37 E9 9.03 E9 3.09 E10 6.36 E7 2.49 E8 7.50 E8 2.11 E9 5.46 E9 1.41 E10 4.26 E10 1.77 E11 Параметры нейтронного пучка НОМ Be Cu En=450 МэВ (Δ En≈100 МэВ) σpBe σpCu 19∙10-27 47∙10-27 20∙10-27 38∙10-27 En=900 МэВ (Δ En≈100 МэВ) I2 3 ÷2∙105 7 ÷5∙105