ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2021, том 84, № 3, с. 194-199
ЯДРА
ИССЛЕДОВАНИЕ СРЕДНЕВЗВЕШЕННЫХ СЕЧЕНИЙ
ДЛЯ РЕАКЦИЙ НА93Nb НА ТОРМОЗНОМ ПУЧКЕ ЛУЭ-75
©2021 г. А. Э. Аветисян1), Р. В. Аветисян1)*, А. Г. Барсегян1), Ю. А. Гарибян1),
А. В. Гюрджинян1), Р. К. Даллакян1), И. А. Керобян1), А. А. Мкртчян1)
Поступила в редакцию 14.07.2020 г.; после доработки 30.07.2020 г.; принята к публикации 30.07.2020 г.
Исследования сечения гамма-нейтронных реакций на ядре Nb выполнены на тормозном пучке
линейного ускорителя электронов ЛУЭ-75 Научной национальной лаборатории им. А. Алиханяна
(Ереванский физический институт) при энергии электронов 30 и 40 МэВ. Измерения сечений реакций
natNb(γ, xn)90g,91m,92mNb проводились активационным методом с последующим спектрометрическим
анализом с использованием сверхчистого германиевого детектора (HPGe). Значения сечений для
различных энергий фотонного пучка определялись посредством ядерных кодов TALYS 1.95 и EMPIRE
3.2. Энергетическое распределение фотонных спектров было получено при помощи пакета GEANT4.
Полученные экспериментальные и теоретические результаты сравнены с имеющимися данными других
авторов. Хорошее согласие наблюдается как между теоретическими и экспериментальными резуль-
татами, так и с данными других авторов. Данные относительно сечения реакцииnatNb(γ, 2n)91mNb
получены впервые.
DOI: 10.31857/S0044002721020033
1. ВВЕДЕНИЕ
двух значениях энергий пучка электронов — 30 и
40 МэВ. Длительность импульса составляет 0.7 μс.
Реакции, вызванные фотонами, являются одним
Подробное описание и технические характеристи-
из источников информации относительно структу-
ки ЛУЭ-75 и пучка электронов опубликованы
ры ядра и механизма протекания реакции. Интерес
ранее [1]. В качестве конвертора для получения
к ниобию обусловлен тем, что этот элемент находит
тормозного фотонного пучка был использован тан-
широкое применение в различных отраслях про-
тал. Оптимальная толщина танталового конвер-
мышленности, а именно в машиностроении, при-
тора была вычислена при помощи программного
боростроении, в атомной энергетике и т.д. Такое
пакета GEANT4 [2], исходя из требования мак-
свойство ниобия, как малое сечение радиационного
симальности выхода числа фотонов, и составляла
захвата тепловых нейтронов (1.5 × 10-24 см2), объ-
2 мм [3]. За танталовым конвертором было уста-
ясняет его применение в конструкционных элемен-
новлено мишенное устройство, в котором после-
тах атомных реакторов.
довательно были расположены пластины из нату-
Имеющиеся в литературе данные относительно
ральной меди (65Cu — 30.83%,63Cu — 69.17%) в
взаимодействия ниобия с фотонным пучком отно-
качестве монитора фотонного пучка и самой ми-
сятся в основном к моноэнергетическим фотонам.
шени из натурального ниобия (93Nb — 100%). Фи-
С этой точки зрения представляют интерес как
зические параметры мишеней из меди и ниобия, а
экспериментальные, так и теоретические данные
также энергия, ток пучка и длительности облучения
по взаимодействию тормозных фотонов с ядрами
приведены в табл. 1.
ниобия.
В табл. 2 приведены пороги реакций, периоды
полураспадов радиоактивных изотопов, типы рас-
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОЦЕДУРА
падов, энергии γ-линий и их интенсивности для
ядер-продуктов реакции, а также ядра-монитора.
Эксперимент был выполнен на тормозном пучке
Характеристические данные относительно распа-
линейного ускорителя электронов ЛУЭ-75 На-
дов для ядер-продуктов реакции взяты из таблицы
циональной научной лаборатории им. А. Алиха-
NuDat 2.8 [4].
няна (Ереванского физического института) при
Были исследованы все конечные продукты
1)Национальная научная лаборатория им. А. Алиханяна
реакцийnatNb(γ, xn), у которых пороги ниже
(Ереванский физический институт), Армения.
максимальной энергии тормозного пучка. В ка-
*E-mail: rave@mail.yerphi.am
честве монитора рассматривается канал реакции
194
ИССЛЕДОВАНИЕ СРЕДНЕВЗВЕШЕННЫХ СЕЧЕНИЙ
195
Таблица 1. Параметры мишенейnatNb иnatCu
Энергия
Ток пучка,
Длительность
Размер
Толщина
Масса
Нуклид
пучка, МэВ
мкА
облучения, ч
мишени, см
мишени, мкм
мишени, г
natNb
30
0.3
2
2.5 × 2.3
150
0.65
40
1.1
1
2.5 × 2.5
150
0.72
natCu
30
0.3
2
2.5 × 2.5
40
0.23
40
1.1
1
2.5 × 2.5
40
0.23
Таблица 2. Характеристики нуклидов — продуктов реакции
Порог
Ядро-
Период полу-
Тип
Реакция
Eγ, кэВ
Iγ , %
реакции, МэВ
продукт
распада (T1/2)
распада
65Cu(γ, n)
10
64Cu
12.7 ч
β+ (61%)
511
35.2
β- (39%)
93Nb(γ, 3n)
28.76
90gNb
14.6 ч
β+ (100%)
1129.22
92.7
2318.96
82
93Nb(γ, 3n)
28.89
90mNb
18.8 с
IT (100%)
124.67
100
93Nb(γ, 2n)
16.71
91gNb
680 лет
EC (100%)
511
0.34
93Nb(γ, 2n)
16.82
91mNb
60.86 сут
IT (96.6%)
1204.67
2
EC (3.4%)
93Nb(γ, n)
8.83
92gNb
3.47 × 107 лет
β+ (99.95%)
561.1
100
β- (0.05%)
934.5
74
93Nb(γ, n)
8.96
92mNb
10.15 сут
β+(100%)
912.6
1.78
934.44
99.15
65Cu(γ, n)64Cu, так как выбранный для монито-
3. АНАЛИЗ ДАННЫХ
рирования пучка фотонов изотоп64Cu образуется
Наведенная активность ΔN для каждой из рас-
только на65Cu.
сматриваемых реакций измерялась как площадь
Были проведены два сеанса облучения при
под фотопиком с вычетом комптоновского фона.
На рис. 1 представлен спектр гамма-квантов для
энергиях 30 и 40 МэВ длительностями соответ-
ственно 2 и 1 ч. После облучения мишени на 1 ч
изотопов92Nb и90Nb при тормозном спектре от
оставались в экспериментальном зале, после чего
энергии электронов 40 МэВ, полученный после
были перенесены в помещение для проведения
обработки программой MAESTRO.
измерений. Спектрометрические измерения про-
Средневзвешенное поперечное 〈σ〉 сечение свя-
водились на сверхчистом германиевом детекторе
зано с измеренной наведенной активностью соот-
HPGe фирмы ORTEC. Для калибровки детек-
ношением
тора в качестве источников были использованы
155Eu,57Co и22Na, которые давали следующие
ΔNλ
гамма-линии: 86.5 (155Eu), 105.3 (155Eu), 122.06
σ=
,
(1)
εηkNΥNядер(1 - e-λt1 )e-λt2 (1 - e-λt3 )
(57Co), 136.47 (57Co), 511 (22Na) и 1274.6 кэВ
(22Na). Эффективность детектора была определена
где λ — постоянная распада, ε — эффективность
при различных расстояниях между детектором и
детектора, η — интенсивность гамма-линии, κ —
источниками в интервале 0-50 см. Обработка
коэффициент поглощения, Nγ — поток гамма-
измеренных спектров производилась программой
квантов, Nядер — число ядер мишени, t1, t2, t3 —
MAESTRO [5].
длительность облучения, время от конца облучения
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84
№3
2021
196
АВЕТИСЯН и др.
Количество
105
104
103
102
101
0
729
1458
2187
2916
Энергия, кэВ
Рис. 1. Характеристичный спектр гамма-квантов от92Nb и90Nb после облучения93Nb тормозными фотонами с
максимальной энергией 40 МэВ.
Поток фотонов
1.00E+07
1.00E+06
1.00E+05
1.00E+04
1.00E+03
1.00E+02
1.00E+01
0
10
20
30
40
50
Энергия фотонов, МэВ
Рис. 2. Энергетические спектры тормозных фотонов, вычисленные кодом GEANT4, для конечных энергий пучка 30 МэВ
(штриховая кривая) и 40 МэВ (сплошная).
до начала измерения и длительность измерения
отношения
соответственно
[3]. Экспериментальный поток
∑σϕ
гамма-квантов определялся из следующего соот-
〈σ〉 =
(3)
∑ϕ,
ношения:
где σ — сечение реакции, а ϕ — поток фотонов [6].
NΥ =
(2)
Величины ϕ для каждой энергии Eγ определя-
ΔNλ
ются из энергетического распределения тормоз-
=
,
〈σ〉εηkNядер (1 - e-λt1 )e-λt2 (1 - e-λt3 )
ных фотонов, смоделированного посредством кода
GEANT4 [2] с учетом размеров и формы колли-
где обозначения те же, что и в формуле (1). В этом
матора пучка, а также конвертора. Для сравнения
случае величины относятся к мониторной реакции
степени достоверности описания процессов реак-
65Cu(γ, n)64Cu.
ции различными теоретическими моделями величи-
Средневзвешенное сечение определяется из со- ны σ для тех же значений энергий Eγ вычислялись
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84
№3
2021
ИССЛЕДОВАНИЕ СРЕДНЕВЗВЕШЕННЫХ СЕЧЕНИЙ
197
Таблица 3. Значения средневзвешенных сечений, вычисленные по кодам TALYS 1.95 и EMPIRE 3.2, и соответству-
ющие им числа фотонов при конечных энергиях 30 и 40 МэВ
Сечение 〈σ〉, мбн
Число фотонов, фотон/ч
Изотоп
Энергия, МэВ
TALYS 1.95
EMPIRE 3.2
TALYS 1.95
EMPIRE 3.2
64Cu
30
33.77
31.38
6.04 × 1015
6.5 × 1015
40
28.67
26.8
3.61 × 1016
3.86 × 1016
дважды с использованием кодов TALYS 1.95 [7] и
реакции и числа фотонов, вычисленных по формуле
EMPIRE 3.2 [8].
(2), основанной на сечениях по кодам TALYS 1.95 и
Значения средневзвешенных сечений 〈σ〉, вы-
EMPIRE 3.2, с учетом коэффициентов коррекции
численных по формуле (2) для мониторной реакции
числа фотонов, приведенных в табл. 4. Таким об-
65Cu(γ, n)64Cu при использовании кодов TALYS
разом, для каждой из конечных энергий фотонного
1.95 и EMPIRE 3.2 и полученные на их основе по
пучка 30 и 40 МэВ были получены два значе-
ния экспериментальных средневзвешенных сече-
формуле (2) числа фотонов приведены в табл. 3.
ний для реакций93Nb(γ, xn), основанных на вы-
Ввиду того, что пороги исследуемых реак-
ций отличаются от порога мониторной реакции
числениях по кодам TALYS 1.95 и EMPIRE 3.2.
65Cu(γ, n)64Cu (см. табл. 2), были введены ко-
Для сравнения результатов по формуле (3) от-
эффициенты коррекции величин потоков фотонов.
дельно вычислены теоретические средневзвешен-
Коэффициенты коррекции фотонов определялись
ные сечения для ядер-продуктов по кодам TALYS
соотношением (4):
1.95 и EMPIRE 3.2. При этих вычислениях числа
∫Ee
∫
фотонов определялись на основе вычислений по
коду GEANT4. Полученные экспериментальные и
Cx =
Φ (E) dE
Φ (E) dE,
(4)
теоретические сечения совместно с данными других
E
орог
E
орог
авторов [6, 10] обобщены в табл. 5. Из табл. 5 вид-
но, что для реакции93Nb(γ, n)92mNb, когда име-
где числитель — интеграл фотонов от порога об-
ет место эмиссия одного нейтрона, наблюдается
разования исследуемой реакции до конечной энер-
хорошее согласие как между экспериментальными
гии электронного пучка, знаменатель — то же са-
данными на основе расчета числа фотонов, вы-
мое для мониторной реакции [9]. Использованные
полненных посредством теоретических вычислений
спектры фотонов, являющиеся результатом вычис-
кодами TALYS 1.95 и EMPIRE 3.2, так и с чисто
лений посредством кода GEANT4, приведены на
теоретическими расчетами посредством тех же ко-
рис. 2.
дов. Следует отметить также, что для всех реакций
В табл. 4 для всех исследуемых реакций приве-
значения средневзвешенных сечений, вычисленных
дены значения коэффициентов коррекции гамма-
по коду EMPIRE 3.2, ниже, чем результаты по коду
квантов для энергий электронного пучка
30
и
TALYS 1.95.
40 МэВ.
Экспериментальные средневзвешенные сечения
Для реакций с большим количеством вылетев-
для реакций93Nb(γ, xn) определялись по формуле
ших нейтронов93Nb(γ, 3n)90Nb,93Nb(γ, 2n)91mNb
(1) с использованием параметров ядер-продуктов
экспериментальные данные на базе кодов TALYS
1.95
и EMPIRE 3.2 согласуются между собой,
однако они сильно расходятся с теоретическими
Таблица 4. Коэффициенты коррекции гамма-квантов
вычислениями на базе тех же кодов. В случае
изотопа90mNb ввиду малого времени жизни (см.
Энергия,
Пороговая
Коэффициент
Изотоп
табл. 2) измеряется полное сечение90Nb, так как
МэВ
энергия, МэВ гамма-квантов, Cx
Nb.
90mNb посредством IT переходит в90g
40
90gNb
28.7
0.08
Из табл. 5 видно, что наши результаты для
40
91mNb
16.8
0.46
изотопа90Nb хорошо согласуются с данными ра-
30
91mNb
16.8
0.31
боты [6]. Для92mNb данные работ [6, 10] и наши
40
92mNb
8.9
1.12
результаты выявляют тенденцию роста сечения с
увеличением конечной энергии тормозного спектра
30
92mNb
8.9
1.16
до энергии 30 МэВ. С дальнейшим увеличением
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84
№3
2021
198
АВЕТИСЯН и др.
Таблица 5. Сравнение экспериментальных и теоретических значений средневзвешенных сечений с данными работ
[6, 10]
Средневзвешенные сечения, мбн
Энергия,
Изотоп
Литература
Экспериментальные результаты
Теоретические вычисления
МэВ
TALYS 1.95 EMPIRE 3.2 TALYS 1.95 EMPIRE 3.2
90Nb
40
Настоящая работа
2.88 ± 0.033
2.62 ± 0.031
2.25
1.56
45
[6]
3.011 ± 0.35
91mNb
30
Настоящая работа
8.34 ± 0.61
7.75 ± 0.56
6.45
5.54
40
Настоящая работа
6.33 ± 0.69
5.91 ± 0.68
5.16
4.57
92mNb
12
[6]
8.73 ± 0.196
14
[6]
14.61 ± 1.31
16
[6]
20.371 ± 1.65
30
Настоящая работа
36.79 ± 0.38
34.19 ± 0.35
31.06
26.2
32
[10]
29.9 ± 1.9
40
Настоящая работа
26.81 ± 0.14
25.06 ± 0.14
27.1
22.8
45
[6]
23.939 ± 1.89
энергии фотонов открываются новые каналы ре-
Исследование выполнено при финансовой под-
акции, что приводит к уменьшению средневзве-
держке Комитета по науке МОНКС РА в рамках
шенных сечений. Для изотопа91mNb сравнения с
научного проекта № SCS 18T-1C297.
другими работами не проведены, так как экспери-
Авторы выражают благодарность руководству
ментальные данные получены впервые.
и всему коллективу ускорительного отдела Нацио-
нальной научной лаборатории им. А.Алиханяна за
обеспечение стабильным пучком в течение всего
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
эксперимента.
Проведено измерение средневзвешенных се-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
чений реакций
93Nb(γ, xn) (x = 1-3) на тор-
1. A. Sirunyan, A. Hakobyan, G. Ayvazyan, A. Babayan,
мозном пучке линейного ускорителя электронов
H. Vardanyan, G. Zohrabyan, K. Davtyan, H. Toro-
ЛУЭ-75 Национальной научной лаборатории им.
syan, and A. Papyan, J. Contemp. Phys. 53, 271
А.Алиханяна (Ереванский физический институт) с
(2018).
использованием активационного метода. Измере-
2. GEANT4: A Simulation Toolkit, March 5th, 2019;
ния были выполнены при двух значениях конечных
энергий электронов 30 и 40 МэВ. Спектрометри-
3. А. С. Данагулян, Г. О. Оганесян, Т. М. Бахшиян,
ческий анализ облученных мишеней проводился
Р. О. Авакян, А. Э. Аветисян, И. А. Керобян,
на сверхчистом германиевом детекторе HPGe с
Р. К. Даллакян, ЯФ 78, 483 (2015) [Phys. At. Nucl.
последующей обработкой с помощью программы
78, 447 (2015)].
4. National
Nuclear Data Center (NNDC);
MAESTRO. Для всех исследуемых реакций прове-
дены также сравнения с теоретическими вычисле-
ниями, выполненными посредством кодов TALYS
5. MAESTRO -32 MCA Emulator for Microsoft
Windows
2000 Professional and XP Professional,
1.95
и EMPIRE 3.2. Результаты, полученные
Software User’s Manual, ORTEC Part No. 777800.
для реакций93Nb(γ, n)92mNb и93Nb(γ, 3n)90Nb,
6. H. Naik, G. N. Kim, R. Schwengner, K. Kim,
сравнены с имеющимися экспериментальными
M. Zaman, M. Tatari, M. Sahid, S. C. Yang, R. John,
данными. Наблюдается хорошее согласие с дан-
R. Massarczyk, A. Junghans, S. G. Shin, Y. Key,
ными других авторов. Экспериментальные данные
A. Wagner, M. W. Lee, A. Goswami, and M.-H. Cho,
для реакции93Nb(γ, 2n)91Nb получены впервые.
Nucl. Phys A 916, 168 (2013).
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84
№3
2021
ИССЛЕДОВАНИЕ СРЕДНЕВЗВЕШЕННЫХ СЕЧЕНИЙ
199
7. A. Koning, S. Hilaire, and S. Goriely, TALYS 1.9
M. Woo Lee, S.-C. Yang, Y.-O. Lee, S.-G. Shin, and
Nuclear Reaction Program (2017).
M.-H. Cho, Nucl. Phys. A 948, 28 (2016).
8. M. Herman, R. Capote, M. Sin, A. Trkov, et al.,
EMPIRE-3.2 Rivoli Modular System for Nuclear
10. A. K. Md. L. Rahman, K. Kato, H. Arima, N. Shigyo,
Reaction Calculations and Nuclear Data Evaluation
K. Ishibashi, S. Hori, and K. Nakajima, J. Nucl. Sci.
(2013).
9. H. Naik, G. Kim, K. Kim, M. Zaman, A. Goswami,
Technol. 47, 618 (2010).
INVESTIGATION OF FLUX-WEIGHTED AVERAGE CROSS SECTIONS
FOR REACTIONS ON93Nb WITH BREMSSTRAHLUNG OF LUE-75
A. E. Avetisyan, R. V. Avetisyan, A. G. Barseghyan, R. K. Dallakyan, Yu. A. Gharibyan,
A. V. Gyurjinyan, I. A. Kerobyan, H. A. Mkrtchyan
A. Alikhanyan National Science Laboratory, Yerevan, Republic of Armenia
Studies of the cross section of gamma-neutron reactions on thenatNb nucleus were carried out on the
bremsstrahlung of the linear electron accelerator LUE-75 which is located at the A. Alikhanyan National
Science Laboratory (Yerevan Physics Institute). The experiment was done at 30 MeV and 40 MeV
bremsstrahlung end-point energies. The cross sections fornatNb(γ, xn)90g,91m,92mNb reactions were
measured by the activation method with the spectrometric analysis using the High Purity Germanium
detector (HPGe). The values of cross sections for different energies of photon beam were determined using
the TALYS 1.95 and EMPIRE 3.2 nuclear codes. The energy distribution of photon spectra was performed
using the GEANT4 package. The obtained experimental and theoretical results are compared with the
available experimental data of other authors. Good agreement between theoretical and experimental data
was observed. The data on the reaction cross section fornatNb(γ, 2n)91mNb were obtained for the first time.
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84
№3
2021
