ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2019, том 82, № 3, с. 228-234

ЯДРА

ЭЛЕКТРОННЫЙ КАТАЛОГ МЕЗОРЕНТГЕНОВСКИХ

СПЕКТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ

Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия

Поступила в редакцию 25.12.2018 г.; после доработки 11.01.2019 г.; принята к публикации 11.01.2019 г.

С помощью HPGe-детекторов с мишенями Mo и Ru были измерены энергетические спектры μX-

излучения на мюонном пучке в Исследовательском центре ядерных проблем (RCNP, Осака, Япония).

Результаты измерений добавлены в электронный атлас мезорентгеновских спектров излучения. По-

лученная информация необходима для идентификации γ-линий, калибровки детекторов и корректного

выбора конструктивных материалов в экспериментах с отрицательными мюонами и в исследованиях

состава вещества.

DOI: 10.1134/S0044002719030164

1. ВВЕДЕНИЕ

переходов в 200 раз больше. Поэтому, в отличие от

обычного рентгеновского излучения, энергия ме-

Мюон является одним из шести известных леп-

зорентгеновского излучения составляет не десятки

тонов. По своим характеристикам [1] он аналогичен

кэВ, а единицы МэВ. Образование и термолизация

электрону, но отличается от него большей массой

мезоатома происходят за время порядка 10-13 с

(m_μ = 105.67 МэВ) и конечным временем жизни: с

и с экспериментальной точки зрения являются

τ_μd = (2197.03 ± 0.04) нс он распадается на элек-

мгновенным (Prompt). Следует отметить, что не

трон, имеющий энергию порядка 50 МэВ, мюонное

все мезоатомы термолизуются с испусканием μX;

нейтрино и электронное антинейтрино:

некоторая часть испускает Оже-электроны, но их

доля составляет менее процента и только для очень

μ^- → e^- + ν_μ + ν_e.

(1)

больших Z доходит до 1-2%.

Как и электрон, он имеет свою античастицу —

Энергии уровней мезоатомов и переходов между

μ⁺, живущую такое же время. Для исследования

ними индивидуальны для каждого химического

взаимодействия мюонов с веществом требуются

элемента. Так, например, энергия 2p-1s-перехода

мюонные пучки с достаточно большой интенсивно-

в мезоатоме углерода равна

75.3

кэВ, селе-

стью и при этом малой энергией. Наиболее извест-

на — 1950 кэВ, кадмия — 3250 кэВ, а свинца —

ной такой установкой является мезонная фабрика в

5780

кэВ. Наблюдается тонкое и сверхтонкое

Институте Пауля Шеррера (PSI, Швейцария) [2].

расщепление уровней, а также их изотопические

сдвиги.

Попав в мишень, мюон тормозится в ней до пол-

ной остановки, после чего распадается. В отличие

Такие свойства мезорентгеновского излучения,

как априори известные значение энергии и интен-

от положительного мюона, отрицательный мюон

(далее мы будем говорить только о нем) активно

сивность (один каскад приходится на один оста-

взаимодействует с окружающим веществом, обра-

новившийся мюон), а также четкая привязка к

моменту остановки мюона в мишени, позволяют

зуя так называемые мезоатомы [3, 4]. Мюон, оста-

использовать мезорентгеновские линии при ана-

новившись возле любого из ядер мишени, после-

лизе экспериментальных данных (идентификация

довательно опускается в 1s-состояние, испуская

линий, временная калибровка, нормировка интен-

при этом каскад мезорентгеновских фотонов (μX).

сивности).

Принцип Паули этому процессу не препятствует,

так как мюон — это не электрон, и для него все

С мюоном, находящимся в 1s-состоянии, может

орбиты являются свободными. Поскольку масса

произойти два альтернативных явления: либо он

мюона в 200 раз больше массы электрона, то ра-

распадается с парциальным временем жизни τ_μd =

диусы орбит мюона в мезоатоме в 200 раз меньше,

= 2197.03 нс, либо посредством слабого взаимо-

чем электрона в атоме, и, соответственно, энергия

действия захватывается ядром [5]:

(Z,A) + μ^- → (Z - 1,A) + ν_μ.

(2)

^*E-mail: d.zinatulina@gmail.com

228

ЭЛЕКТРОННЫЙ КАТАЛОГ МЕЗОРЕНТГЕНОВСКИХ СПЕКТРОВ

229

HPGe-1

В отличие от рентгеновского излучения, инфор-

мация по энергиям мезорентгеновских переходов

ФЭУ-2

достаточно скудна. Поэтому мы попытались вос-

С0

полнить этот пробел. В течение многих лет на-

ФЭУ-3

С2

шей группой проводились исследования мюонного

мюонный

световод

пучок

захвата на различных мишенях, в работах [6-10]

С1

С3

подробно описаны методика, анализ и результа-

С0

ты этих экспериментов. В подобных измерениях

ФЭУ-1

специалисты зачастую сталкиваются с проблемой

10 см

идентификации фона, который порожден не только

световод

HPGe-2

естественным фоном, а также мезорентгеновским

излучением от состава мишени и окружающих ма-

териалов. Для выяснения влияния такой составля-

Рис. 1. Схема экспериментальной установки. C0 —

ющей фона было проведено большое количество

сцинтилляционные счетчики (серые прямоугольники)

измерений энергетических спектров мезорентге-

со световодами, C1 и C2 (тонкие прямоугольныесерые

полоски на рисунке) — сцинтилляционные счетчики в

новского излучения с различными материалами и

мишени, C3 — счетчик, включенный в моду антисов-

мишенями.

падений (в случае с газовой мишенью играет также

За период с 1992 по 2006 гг. нами измерены

роль сосуда, в котором находится газ), T — исследу-

спектры мезорентгеновского излучения более 75

емая мишень, R - μX- и γ-излучение, регистрируемое

германиевыми полупроводниковыми детекторами.

химических элементов на мюонных пучках μE1 и

μE4 в институте Пауля Шеррера в Швейцарии

(PSI, Виллиген) [9]. Полученные результаты были

обработаны и собраны в виде электронного атласа,

Сигналы от совпадений счетчиков C1 и C2 задер-

который размещен на сайте ОИЯИ [11, 12]. Ин-

живались кабелем на 700 нс. После регистрации

формация, находящаяся в этом атласе, постоянно

фотона одним из германиевых детекторов ожидал-

пополняется. Последние измерения спектров ме-

ся (задержанный) импульс от совпадений C1C2

зорентгеновского излучения проводились нами на

и в память записывались: номер γ-детектора, код

мюонном пучке в Исследовательском центре ядер-

амплитуды импульса E_γ и время ожидания t_γ =

ных проблем (RCNP, Осака, Япония, 2018 г.) [13].

= t_μ + 700 нс.

Целью настоящей работы является доработка ин-

терактивного каталога мезорентгеновских спек-

Амплитудный анализ импульсов от каждого

тров излучения (детальная идентификация γ-линий

детектора выполнялся в двух режимах: с большим

элементов с Z = 76-90), а также пополнение его

коэффициентом усиления (E_γ до

2000

кэВ) и

результатами последних измерений (спектрами Ru

с меньшим коэффициентом усиления (E_γ до

и Mo).

МэВ). В результате мы получали набор

данных, которые можно отсортировать разными

способами, задавая разные значения времени и

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

энергии излучения. Такая сортировка позволяла

Идея эксперимента основана на точном изме-

построить зависимости событий от различных

рении распределения времени и энергии γ-лучей

переменных. Если отсортировать данные по фик-

после остановки мюона в веществе мишени. В

сированному интервалу времени, например, при

тонких мишенях (около 0.5 г см-2) были останов-

T_μ-γ < 20-50 нс, можно получить энергетический

лены отрицательные мюоны с малым импульсом

спектр для событий Prompt (мезорентгеновское

от мюонных пучков μE4 и μE1 в Швейцарии [9]

излучение). Сортировка для более длительных

(PSI, Виллиген), а также от мюонного пучка в

интервалов времени (T_μ-γ больше 100-700 нс)

Японии [13] (RCNP, Осака). В случае газовой

позволяет получить спектры задержанного излуче-

мишени использовалась специальная конструкция,

ния — Delayed (события, соответствующие захвату

описанная в предыдущих работах [6, 9, 10]. Схе-

мюона). Можно также построить распределение

ма экспериментальной установки изображена на

для какой-то определенной энергии и, таким

рис. 1.

образом, получить эволюцию конкретной γ-линии

Тонкие (0.5 мм) сцинтилляционные счетчики C1

во времени (метод определения полной скорости

и C2 регистрировали мюоны, которые останавли-

захвата мюона ядром), но это не являлось целью

вались в мишени, окруженной 3-4 (в зависимости

настоящей работы. Здесь же мы остановимся на

от задач измерений и мишени) HPGe-детекторами:

мезорентгеновских спектрах излучения (предше-

планарными и коаксиальными. В среднем объемы

ствующих мюонному захвату), т.е. на событиях

коаксиальных детекторов были 100 и 250 см³.

Prompt.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 82

№3

2019

230

ЗИНАТУЛИНА

S (l = 0)

P (l = 1)

D (l = 2)

F (l = 3)

G (l = 4)

N(ng - 4f)

M(nf - 3d)

L(nd - 2p)

K(np - 1s)

Рис. 2. Упрощенная схема уровней мезоатома и всех возможных переходов между ними (показаны переходы K-, L-, M-

и N-серии).

Кол-во событий

10⁵

10⁴

10³

10²

10¹

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

E, кэВ

Рис. 3. Полный мезорентгеновский спектр Mo. На спектре отмечены все наблюдаемые серии каскадных переходов: 1 —

K(np-1s), 2 — L(nd-2p), 3 — M(nf-3d), 4 — N(ng-4f), 5, 6 — пики одиночного и двойного вылета аннигиляцион-

ных фотонов соответственно.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Как уже говорилось ранее, в каталоге [11] пред-

И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

ставлено ∼75 элементов. Для измерений мы попы-

тались использовать простые химические соедине-

В результате измерений мы имеем дело с “мгно-

ния. В случае измерения химически активных эле-

венными энергетическими спектрами” — Prompt,

ментов нами были использованы пассивные соеди-

отсортированными в коротком временном интерва-

нения. Второй “компаньон” в подобных ситуациях

ле (спектры содержат в основном мезорентгенов-

был выбран так, чтобы его Z сильно отличалось

ские лучи, быструю часть задержанных γ-квантов

от основного. Это помогало избежать наложения

(сопровождающих захват мюона в мишени) и элек-

соответствующих мезорентгеновских спектров.

троны от рассеяния пучка).

Большинство мезорентгеновских уровней, осо-

На главной веб-странице интерактивного атла-

бенно для тяжелых элементов, представляют со-

са представлена Периодическая таблица, на ко-

бой сложные мультиплеты. Все мезорентгеновские

торой химические элементы обозначены разными

линии можно сгруппировать в серии: K-серия —

цветами (в зависимости от мишеней, использу-

это переходы 2p-1s, 3p-1s, 4p-1s, . . ., np-1s; L-

емых для измерений): зеленый — мишень из чи-

серия — переходы 3d-2p, 4d-2p, . . ., nd-2p; и т.д.

стого химического элемента (в виде гранул или

Эти линейчатые спектры имеют вполне определен-

фольг), красный — оксидов, оранжевый — галоге-

ную энергетическую структуру, схематично пред-

нидов, фиолетовый — нитратов; серым цветом обо-

ставленную на рис. 2. Интенсивность переходов в

значены неисследованные элементы. Также на сай-

каждой серии убывает с увеличением n и зависит

те представлено руководство пользователя, объ-

от химического окружения мезоатома (объект изу-

яснение самого процесса; на странице сайта во

чения мезохимии).

вкладках можно ознакомиться с условиями прове-

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 82

№3

2019

ЭЛЕКТРОННЫЙ КАТАЛОГ МЕЗОРЕНТГЕНОВСКИХ СПЕКТРОВ

231

Кол-во событий

10⁴

10³

10²

10¹

10⁰

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

E, кэВ

Рис. 4. Полный мезорентгеновский спектр Ru. На спектре отмечены все наблюдаемые серии каскадных переходов: 1 —

K(np-1s), 2 — L(nd-2p), 3 — M(nf-3d), 4 — N(ng-4f), 5, 6 — пики одиночного и двойного вылета аннигиляцион-

ных фотонов соответственно.

Кол-во событий

10⁴

10³

10²

2700

2800

2900

3000

3100

3200

3300

3400

3500

3600

3700

E, кэВ

Рис. 5. K-серия Mo в масштабе рис. 3. 1 — мультиплет Kα(2p-1s); 2 — переход Kβ(3p-1s), E = 3408.1 кэВ; 3 —

переход Kγ(4p-1s), E = 3647.9 кэВ.

денных измерений, использованным оборудовани-

сложная, что происходит за счет наличия компто-

ем и пр. Чтобы увидеть полный μX-спектр кон-

новского хвоста, образования пар, а также ПОВ

кретного элемента, необходимо кликнуть по нему в

(пик одиночного вылета аннигиляционного фотона)

Периодической таблице. На рис. 3 и 4 в качестве

и ПДВ (пик двойного вылета аннигиляционных

примера представлены полные μX-спектры Mo

фотонов). На рис. 5 и 6 представлен спектр K-

и Ru. На них отмечены все серии с характерно

серии в масштабе общих мезорентгеновских спек-

убывающей интенсивностью линий.

тров рис. 3 и 4 (это можно увидеть и для других

серий L-, M- и др., щелкнув их в полном спектре на

Электронный каталог [11] содержит спектры

мюонных переходов np-1s для всех элементов

веб-странице [12], для примера на рис. 7 приведен

μX-спектр L-серии Ru).

измеряемых мишеней. Для многих элементов также

представлены L-, M-серии, иногда N-, O-серии и

В связи с тем, что радиус K-оболочки срав-

др. Каждая из линий серии представляет собой, в

ним с радиусом ядра, K-оболочка становится чув-

свою очередь, сложный мультиплет (из-за тонко-

ствительной к ядерным параметрам, в результа-

го, сверхтонкого взаимодействий и изотопических

те чего μX-переход на K-оболочку зависит от

сдвигов). Структура спектров (рис. 3 и 4) довольно

свойств самого ядра. Особенно явно такая зави-

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 82

№3

2019

232

ЗИНАТУЛИНА

Кол-во событий

10³

10²

10¹

3000

3250

3500

3750

4000

4250

E, кэВ

Рис. 6. K-серия Ru в масштабе рис. 4. 1 — мультиплет Kα(2p-1s); 2 — переход Kβ(3p-1s), E = 3658.5 кэВ; 3 —

переход Kγ(4p-1s), E = 4250.0 кэВ.

Кол-во событий

10³

10²

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

1250

1300

E, кэВ

Рис. 7. L-серия Ru в масштабе рис. 4. 1 — дублет Lα1(3d3/2-2p1/2) и Lα2(3d1/2-2p1/2) с E1 = 763.3 кэВ

(E2 = 789.5 кэВ); 2 — дублет Lβ1(4d3/2-2p1/2) и Lβ2(4d1/2-2p1/2) с E1 = 1029.8 кэВ (E2 = 1058.3 кэВ); 3 —

дублет Lγ1(5d3/2-2p1/2) и Lγ2(5d1/2-2p1/2), E1 = 1153.3 кэВ (E2 = 1182.3 кэВ); 4 — дублет Lδ1(6d3/2-2p1/2) и

Lδ2(6d1/2-2p1/2), E1 = 1220.3 кэВ (E2 = 1248.7 кэВ).

Кол-во событий

10³

10²

2670

2680

2690

2700

2710

2720

2730

2740

2750

E, кэВ

Рис. 8. Фрагмент K-серии Mo — Kα(2p-1s) мультиплет с учетом сверхтонкого расщепления: 1 — Kα1(2p3/2-1s1/2) с

пиками при E = 2674.0, 2683.5, 2689.1 и 2697.8 кэВ; 2 — Kα2(2p1/2-1s1/2) с пиками при E = 2708.1, 2714.2, 2721.1 и

2732.3 кэВ. Количество пиков соответствует количеству событий при переходе мюона с оболочек 2p3/2,1/2 на 1s1/2.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 82

№3

2019

ЭЛЕКТРОННЫЙ КАТАЛОГ МЕЗОРЕНТГЕНОВСКИХ СПЕКТРОВ

233

Кол-во событий

10³

10²

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

E, кэВ

Рис. 9. M-серия Pt. 1 — γ-переход, соответствующий реакции^∗∗∗Pt (μ^-, ν Xn)¹⁹³Ir* (E = 848.9 кэВ); 2 — дуб-

лет Mα1(4f3/2-3d1/2) и Mα2(4f1/2-3d1/2) с E1 = 851.6 кэВ (E2 = 879.3 кэВ); 3 — дублет Mβ1(5f3/2-3d1/2) и

Mβ2(5f1/2-3d1/2) с E1 = 1235.6 кэВ (E2 = 1267.4 кэВ); 4 — γ-переход, соответствующий реакции^∗∗∗Pt (μ^-, ν Xn)

¹⁹²Ir*; 5 — дублет Mγ1(6f3/2-3d1/2) и Mγ2(6f1/2-3d1/2), E1 = 1445.7 кэВ (E2 = 1479.1 кэВ).

симость наблюдается для ядер с Z ≥ 21. Таким

для правильного выбора мишеней и материалов для

образом, для K-серии Mo, например, мы имеем

различных экспериментов, связанных с остановкой

сложную структуру K_α (рис. 8). В частности, пере-

мюонов в веществе (а также при изучении редких

ходы Kα1(2p3/2-1s1/2) и Kα2(2p1/2-1s1/2) соот-

материалов и антикварных изделий). Кроме того,

энергии и интенсивности мезорентгеновских линий

ветствуют тонкому расщеплению линий (их число

удобны для энергетической калибровки детектор-

соответствует количеству событий при переходе

ных систем. Полученные результаты могут быть

мюона с оболочек 2p3/2,1/2 на 1s1/2), а сложность

использованы для определения параметров заря-

мультиплета объясняется изотопическими сдвига-

дового распределения в ядрах. Суммарная интен-

ми в мишени с натуральными Mo и Ru за счет

сивность мезорентгеновской K-серии дает число

сверхтонкого расщепления.

мюонов, точно остановившихся в мишени с опре-

Корректировка результатов предыдущих изме-

деленным Z.

рений заключалась в детальной идентификации

Автор выражает благодарность группе ученых

некоторых γ-линий элементов с Z в диапазоне от

из Малайзии и Японии за совместную работу во

76 до 90. Это было связано с тем, что в первой

время последних измерений в RCNP [13], а также

версии каталога для таких Z разделение Prompt-

начальнику сектора ЛЯП В.Г. Егорову и научному

и Delayed-событий было проведено недостаточно

сотруднику ЛЯП М.В. Ширченко за поддержку и

прецизионно, что привело к наложению спектраль-

неоценимую помощь в обсуждениях результатов

ных линий мгновенных событий (P ) с задержанны-

измерений.

ми (D). Для устранения этого эффекта в настоящей

Работа поддержана Российским фондом фунда-

работе была осуществлена качественная сорти-

ментальных исследований (грант № 18-32-00823-

ровка данных с учетом присутствия задержанных

Мол_а).

γ-линий. В результате чего примесь ядерных γ-

линий в мезорентгеновских спектрах каталога была

существенно уменьшена. С помощью схем распа-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

дов, приведенных в [15], были идентифицированы

1. J. Beringer et al. (Particle Data Group), Phys. Rev. D

и отмечены остаточные Delayed γ-линии, присут-

86, 010001 (2012).

ствующие в Prompt-спектрах, а также уточнены

2. Paul Sherrer Institut, https://www.psi.ch

энергии μX-переходов (на рис. 9 в качестве при-

3. Е. Ким, Мезонные атомы и ядерная структура

(Атомиздат, Москва, 1975).

мера приведен спектр M-серии Pt).

4. В. С. Евсеев, Т. Н. Мамедов, В. С. Роганов, Отри-

цательные мюоны в веществе (Энергоатомиздат,

Москва, 1985).

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

5. В. В. Балашов, Г. Я. Коренман, Р. А. Эрамжян,

Информация из каталога спектров μX-лучей

Поглощение мезонов атомными ядрами (Атом-

важна для точной идентификации структуры фона и

издат, Москва, 1978).

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 82

№3

2019

234

ЗИНАТУЛИНА

6. Yu. Shitov, V. Egorov, Ch. Brian¸con, V. Brudanin,

10. D. Zinatulina, V. Brudanin, V. Egorov, C. Petitjean,

J. Deutsch, T. Filipova, C. Petitjean, R. Prieels,

M. Shirchenko, J. Suhonen, and I. Yutlandov, arXiv:

T. Siiskonen, J. Suhonen, Ts. Vylov, V. Wiaux,

1803.10960v2.

I. Yutlandov, and Sh. Zaparov, Nucl. Phys. A 699, 917

11. Electronic Catalogue of Mesoroentgen Spectra,

(2002).

7. Д. Р. Зинатулина, К. Я. Громов, В. Б. Бруданин,

http://muxrays.jinr.ru

Ш. Бриансон, В. Г. Егоров, К. Петитжан, В. И. Фо-

12. D. Zinatulina, Ch. Brian ¸con, V. Brudanin, V. Egorov,

миных, В. Г. Чумин, М. В. Ширченко, И. А. Ютлан-

L. Perevoshchikov, M. Shirchenko, I. Yutlandov, and

дов, Изв. РАН. Сер. физ. 72, 783 (2008) [Bull. Russ.

Acad. Sci. Phys. 72, 737 (2008)].

C. Petitjean, EPJ Web Conf. 177, 03006 (2018);

8. Д. Р. Зинатулина, Ш. Бриансон, В. Б. Бруданин,

arXiv: 1801.06969.

Р. В. Васильев, К. Я. Громов, В. Г. Егоров, К. Петит-

13. I. H. Hashim, H. Ejiri, T. Shima, A. Sato, Y. Kuno,

жан, В. И. Фоминых, В. Г. Чумин, М. В. Ширченко,

N. Kawamura, S. Miyake, and K. Ninomiya, Phys.

И. А. Ютландов, Изв. РАН. Сер. физ. 74, 868

(2010) [Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 74, 825 (2010)].

Rev. C 97, 014617 (2018); arXiv: 1707.08363 [nucl-

9. V. Egorov, V. Brudanin, K. Gromov, A. Klinskih,

ex].

M. Shirchenko, Ts. Vylov, I. Yutlandov, D. Zinatulina,

14. National

Nuclear

Data

Center,

Ch. Brian ¸con, C. Petitjean, and O. Naviliat-Cuncic,

Czech. J. Phys. 56, 453 (2006).

https://www.nndc.bnl.gov/

ELECTRONIC CATALOGUE OF MESOROENTGEN SPECTRA

D. R. Zinatulina

Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia

μX-ray spectra for Mo and Ru targets were measured with HPGe detectors and muon beam of RCNP

(Osaka, Japan). The results are included into the electronic atlas of the μXrays composed of graphic plots.

The information on the μX-ray spectra is very useful for the identification of γ lines, calibration of the

detectors and correct selection of the constructive materials in the experiments with negative muons and

investigation of materials.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 82

№3

2019