Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 4, стр. 482-486

ВВЕДЕНИЕ

Одной из фундаментальных проблем ядерной физики является исследование структуры легких ядер. Среди других легких ядер ядра бериллия привлекают внимание экспериментаторов и теоретиков из за своей ярко выраженной кластерной структуры [1]. Известно, что ⁹Be представляет собой так называемое бороминское (Borromean) ядро, состоящее из трех кластеров (α + α + n), при этом выбивание одного кластера приводит к полному развалу ядра. Кроме конфигурации α + α + n в ⁹Be могут существовать также двухкластерные конфигурации ⁸Be + n и α + ⁵He, состоящие из стабильной частицы (n, α) и нестабильного ядра (⁸Be, ⁵He). Выбивание одного из элементов такой двухкластерной конфигурации приводит к развалу нестабильного ядра ⁸Be → → α + α и ⁵He → α + n. Для определения вклада различных конфигураций в структуру ⁹Be (⁸Be + n, α + α + n, α + ⁵He) в работе предлагается исследование реакции квазисвободного рассеяния (КСР) дейтрона на кластерах ядра ⁹Be.

МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕАКЦИИ КВАЗИСВОБОДНОГО РАССЕЯНИЯ ДЕЙТРОНОВ НА КЛАСТЕРАХ ЯДРА ⁹Be

В предлагаемом эксперименте предполагается регистрировать как один рассеянный дейтрон (инклюзивная геометрия), так и в эксклюзивной геометрии дейтрон и вторую частицу (рассеянный кластер или частицу от развала этого кластера). При этом оставшиеся кластеры будут рассматриваться как спектаторы, имеющие в выходном канале практически нулевое распределение по импульсу. В таблице представлены варианты кластерной структуры ядра ⁹Be, для которых проводилось моделирование реакций КСР. Кинематическое моделирование указанных в таблице реакций проводилось с помощью программ [2, 3], где для заданных параметров эксперимента отбирались те события, для которых выполнялись уравнения сохранения энергии и импульса.

На рис. 1 представлена рассчитанная для реакций 1–6 из таблицы двумерная диаграмма зависимости энергии рассеянного дейтрона от угла его вылета E_d–Θ_d. Моделирование проведено при энергии пучка налетающих дейтронов 15 МэВ. На диаграмме показаны кинематические области, разрешенные для различных вариантов КСР (области 1–6). Из рис. 1 видно, что области диаграммы 1 и 6, соответствующие рассеянию дейтрона на нейтроне, из конфигураций ⁸Be + n и α + α + n практически неотделимы. Аналогично, области 3 и 4, соответствующие рассеянию дейтрона на α‑кластере и ⁵He-кластере для конфигурации α + ⁵He, и рассеяние на α-кластере для конфигурации α + α + n (область 5) почти совпадают. Для того чтобы различить события, принадлежащие рассеянию дейтрона на различных кластерах, предлагается эксклюзивный эксперимент с регистрацией дейтрона и второй частицы (нейтрона или α-частицы).

Рис. 1.

Моделированная двумерная диаграмма E_d–Θ_d событий КСР дейтронов с энергией 15 МэВ на кластерах ⁹Be. 1–6 – события, соответствующие, реакциям 1–6 из таблицы.

Рассмотрим эксперимент с регистрацией в совпадении дейтрона и нейтрона. Возможные варианты – рассеяние дейтрона на нейтроне из конфигураций ⁸Be + n и α + α + n и рассеяние дейтрона на кластере ⁵He с дальнейшим развалом ⁵He → α + n. На рис. 2 представлены двумерная диаграмма E_d–E_n (а) и энергетический спектр нейтронов (б) при энергии первичных дейтронов 15 МэВ и угле регистрации рассеянного дейтрона 25°. Из рисунка (а) видно, что области двумерной диаграммы 4 и 6, соответствующие конфигурациям α + ⁵He и α + α + n, разделяются, в то же время области 6 и 1, соответствующие конфигурациям α + α + n и ⁸Be+n, в значительной степени перекрываются. Такая же картина наблюдается и для энергетических спектров нейтронов (рис. 2б).

Рис. 2.

Моделированная двумерная диаграмма E_d‒E_n (а) и энергетический спектр нейтронов (б) при энергии первичных дейтронов 15 МэВ и угле регистрации рассеянного дейтрона 25°. События соответствующие конфигурациям: 1 – ⁸Be + n, 6 – α + α + n и 4 – α + ⁵He.

Было проведено также моделирование реакции КСР с регистрацией в совпадении дейтрона и альфа-частицы. Рассматривалась регистрация дейтрона под углом 25° с регистрацией альфа-частицы в интервале углов 30°–80°. Варианты расчета включали рассеяние дейтрона на альфа-кластере конфигураций α + ⁵He и α + α + n, рассеяние на кластере ⁸Be с дальнейшим развалом его на две альфа-частицы и рассеяние на ⁵He-кластере с развалом ⁵He → α + n.

На рис. 3 представлена двумерная диаграмма E_d – E_α (рис. 3а) и энергетический спектр альфа-частиц (рис. 3б). Видно, что области двумерной диаграммы, соответствующие конфигурациям α + α + n и α + ⁵He, не сильно разделены, в то же время область, соответствующая конфигурации ⁸Be + n, заметно отличается по энергии альфа-частиц. Эта же картина отражается и в энергетическом спектре альфа-частиц (рис. 3б).

Рис. 3.

Моделированная двумерная диаграмма E_d‒E_α (а) и энергетический спектр альфа-частиц (б) при энергии первичных дейтронов 15 МэВ и угле регистрации рассеянного дейтрона под углом 25° с регистрацией альфа-частицы в интервале углов 30°–80°. События соответствующие конфигурациям: 3 – α + ⁵He, 5 – α + α + n и 2 – ⁸Be + n.

Таким образом, результаты моделирования реакции КСР дейтронов показали, что регистрация в совпадении дейтрона и нейтрона (альфа-частицы) позволит более однозначно различить вклады от рассеяния на различных кластерах ⁹Be.

УСТАНОВКА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ И НЕЙТРОНОВ

Исходя из результатов моделирования была определена схема экспериментальной установки для исследования реакций, идущих на ядрах⁹Be под действием дейтронов. На рис. 4 показан вариант установки для регистрации рассеянного дейтрона и вторичного нейтрона. В случае регистрации заряженной частицы в совпадении с дейтроном нейтронный детектор заменяется на кремниевый детектор, установленный в камере рассеяния под соответствующим углом.

Рис. 4.

Схема экспериментальной установки для регистрации заряженных частиц и нейтронов: 1 – камера рассеяния, 2 – мишень, 3 – нейтронный детектор, 4 – кремниевый ΔE-детектор, 5 – кремниевые E-детекторы, 6 – предусилители кремниевых детекторов с амплитудными (А) и временными (T) выходами, 7 – цифровые сигнальные процессоры ЦСП, 8 – компьютер.

В эксперименте использован пучок дейтронов циклотрона У-120 НИИЯФ МГУ, падающий на мишень ⁹Be. Мишень устанавливается в камере рассеяния с выходным окном из лавсана толщиной ~20 мкм.

Установка содержит два плеча регистрации частиц. Для измерения энергии и определения типа заряженной частицы используется телескоп ΔE–E₁–Е₂ кремниевых детекторов. Телескоп, находящийся вне камеры, может перемещаться по углу от 20° до 160°. Сигналы с детекторов подаются через соответствующие тракты усиления на цифровые сигнальные процессоры (ЦСП) CAEN DT5720 и DT5742.

В эксперименте с регистрацией двух частиц в совпадении используется второе плечо с детекторами нейтронов или заряженных частиц. Нейтроны детектируются жидким водородсодержащим сцинтилляционным детектором EJ-301. Энергия нейтронов определяется по времени пролета до детектора. В качестве стартового сигнала времяпролетной системы используется быстрый сигнал предусилителя ΔE детектора заряженных частиц телескопа. ЦСП DT5720 используется для оцифровки медленных (амплитудных), а ЦСП DT5742, имеющий шаг оцифровки 0.2 нс, для оцифровки быстрых сигналов. Через буферную память ЦСП оцифрованные сигналы передаются в основной компьютер. Обработка информации ведется в режиме off-line. Она заключается в определении амплитуд и площадей импульсов, определении времен возникновения сигналов в детекторах, цифровом анализе формы импульсов для разделения событий от различных типов частиц, отборе совпадающих событий и получении энергетических и временных спектров.

РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕСТОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Для проверки работоспособности установки и системы сбора данных собрана установка (рис. 4) в инклюзивном варианте с одним плечом регистрации. Пучок дейтронов с энергией 15 МэВ и током 10–20 нА циклотрона У-120 НИИЯФ МГУ падал на самоподдерживающую мишень из бериллия толщиной 0.9 мг ∙ см^–2. В качестве ΔE-детектора использовался полностью обедненный поверхностно-барьерный кремниевый детектор фирмы ORTEC толщиной ~24 мкм, а в качестве E-детекторов – кремниевые детекторы ORTEC толщиной 415 и 316 мкм. Сигналы с кремниевых детекторов подавались на предусилители Canberra 2003BT, а затем на ЦСП CAEN DT5720. Оцифрованные сигналы из буферной памяти ЦСП передавались в основной компьютер в бинарном виде. При обработке данных в режиме off-line определялись амплитуды импульсов, времена возникновения сигналов в детекторах, отбирались совпадающие события и получали энергетические спектры регистрируемых частиц.

Для измерения энергии и определения типа заряженной частицы использовался телескоп ΔE–E₁–Е₂ кремниевых детекторов. На рис. 5 показан двумерный амплитудный ΔE–E₁-спектр однозарядных частиц, зарегистрированных ΔE- и E₁-детекторами (угол установки телескопа – 110°). Локусы соответствуют протонам, дейтронам и тритонам, зарегистрированным телескопом заряженных частиц в ΔE- и E₁-детекторах и не зарегистрированные в Е₂-детекторе. Поэтому для протонного локуса не наблюдается обратный ход, соответствующий прострелу в Е₁-детекторе.

Рис. 5.

Двумерный ΔE–E₁-спектр однозарядных частиц. Локусы на диаграмме соответствуют протонам, дейтронам, тритонам. По осям – номера каналов амплитудно-цифровых преобразователей.

На рис. 6 приведен двумерный амплитудный E₂–E₁-спектр однозарядных частиц, зарегистрированных ΔE-, E₁- и E₂-детекторами, т.е. частиц прошедших в Е₂-детектор. Локусы соответствуют протонам и дейтронам зарегистрированным в Е₁- и Е₂-детекторе.

Рис. 6.

Двумерный амплитудный E₂–E₁-спектр однозарядных частиц. Обозначения как на рис. 5. Левая ветвь локуса протонов связана с неполным поглощением протонов в E₂-детекторе.

В процессе обработки спектров, показанных на рис. 5 и 6, выделялись локусы, соответствующие одному сорту частиц, например, дейтронам. Используя проекции выделенных локусов на оси ΔE, Е₁ и E₂, строился спектр по полной энергии дейтронов в детекторах в ΔE + E₁ + E₂ с учетом калибровки по энергии. В предварительных измерениях использовалась достаточно старая бериллиевая мишень с некоторым количеством углерода (нагар), поэтому для сравнении спектров и отделения фоновых линий использовалась мишень из лавсана. На рис. 7 показаны спектры дейтронов из бериллиевой мишени (рис. 7а) и лавсана (рис. 7б) при угле регистрации 60°.

Рис. 7.

Энергетический спектр дейтронов: (а) из бериллиевой мишени, (б) из лавсана при угле регистрации 60°.

На рис. 8 показан спектр дейтронов рис. 7а с вычтенным вкладом от углерода согласно спектру рис. 7б. Видны пики от рассеяния дейтронов на ⁹Be. Стрелками показаны участки спектров, в которых в инклюзивном эксперименте могут быть видны вклады от КСР дейтронов на кластерах ⁹Be. Можно сделать вывод о необходимости большей статистики и проведения совпадательного эксперимента. Следует отметить, что реакция КСР является квазибинарной, поэтому регистрация второй частицы при соответствующих углах рассеяния может не приводить к значительному уменьшению счетности по сравнению с инклюзивным экспериментом.

Рис. 8.

Энергетический спектр дейтронов рис. 7а после вычитания спектра рис. 7б.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе рассмотрена возможность использования реакции квазисвободного рассеяния дейтронов для изучения кластерных структур ядра ⁹Be. Для разделения вкладов отдельных структур, области событий которых перекрываются на диаграммах угол–энергия рассеянной частицы, предложен эксклюзивный эксперимент с регистрацией двух рассеянных частиц. Результаты моделирования реакций КСР показали, что регистрация второй частицы позволит различить вклады реакций на разных кластерах ⁹Be.

Исходя из результатов моделирования, была определена схема экспериментальной установки для исследования реакции d + ⁹Be в инклюзивном и эксклюзивном экспериментах. Для проверки работоспособности установки и отработки системы сбора данных собрана установка на пучке дейтронов циклотрона У-120 НИИЯФ МГУ в эксклюзивном варианте с одним плечом регистрации и проведены тестовые измерения.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-32-00944.