Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 9, стр. 1328-1331

ВВЕДЕНИЕ

Изучение характеристик каналов кластерного распада возбужденных состояний легких ядер чрезвычайно важно для исследования механизма ядерных реакций и структуры ядер. Развиты теоретические схемы и компьютерные коды расчетов для определения кластерной структуры и характеристик каналов кластерного распада высоковозбужденных состояний легких ядер [1]. Расчеты с использованием антисимметричной модели молекулярной динамики выявили кластерную структуру ядер с A = 12 (¹²Be, ¹²B, ¹²С) [2]. В возбужденных состояниях ¹²Be обнаружены аналоговые состояния с изоспином T = 2 и квазимолекулярной структурой α-4n-α и ⁸Be-4n [3]. На рис. 1 показана схема возбужденных состояния ¹²Be вплоть до энергии 25 МэВ с данными о спине и четности состояний. Параметры высоковозбужденных состояний ¹²Be указывают на их кластерную структуру. Расчеты с учетом трехнуклонного ядерного взаимодействия предсказывает существование 4n-коррелированного кластера во внешнем ядерном поле свыше 3 МэВ и радиусом ~3 Фм или в виде резонанса в континууме с энергией около 2 МэВ [4]. Моделирование в феноменологическом подходе пяти тел прямого одновременного излучения четырех коррелированных нейтронов при распаде возбужденного состояния показывает, что удельная энергия и угловые корреляции фрагментов 4n-распада зависят от пространственных корреляций “валентных” нуклонов в кластерной ядерной структуре [5].

Рис. 1.

Схема возбужденных состояний ¹²Be, представленных в работе [3].

Целью работы является моделирование кинематики ¹³C(n, 2p)¹²Be* с образованием кластерных высоковозбужденных состояний ¹²Be с 4n-корреляцией и разработка методов измерения их характеристик на каскадных нейтронах импульсного источника РАДЭКС ИЯИ РАН.

КИНЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Чтобы определить необходимые условия эксперимента и параметры экспериментальной установки, было проведено моделирование реакции квазиупругого выбивания нейтроном пары протонов в реакции ¹³C(n, 2p)¹²Be*. Для этого были использованы программы кинематического моделирования реакций с тремя частицами в конечном состоянии [6]. Принцип работы программ заключается в следующем: из множества событий с произвольными или частично-заданными параметрами (энергия пучка, углы вылета и энергии вторичных частиц), отбираются только те события, которые удовлетворяют законам сохранения энергии и импульса с заданной заранее точностью.

Кинематическое моделирование проведено в два этапа при энергии первичных нейтронов E_n = = 60 ± 1 МэВ и E_n = 80 ± 1 МэВ. На первом этапе рассматривалась квазибинарная реакция n + ¹³C → → ²p + ¹²Be^* с вылетом системы двух протонов и ядра ¹²Be в основном или возбужденном состоянии. Рассчитывались углы вылета и кинетические энергии ядра ¹²Be и центра масс протонной пары в лабораторной системе координат. Учитывая экспериментальные условия, угол вылета центра масс двух протонов был выбран Θ_2p ~ 75^○.

На втором этапе рассматривался развал ²p → → p + p и рассчитывались углы вылета и кинетические энергии двух протонов в лабораторной системе координат. Кинематическое моделирование показало, что протоны от развала 2p-пары вылетают в узком конусе углов ~10^○. На рис. 2 показана двумерная диаграмма “угол вылета – энергия” одного из протонов при энергии первичных нейтронов E_n = 60 ± 1 (рис. 1а) и 80 ± 1 МэВ (рис. 1б). На диаграмме показаны кинематические области, соответствующие образованию ядра ¹²Be в основном состоянии (область 1) и возбужденным состояниям с энергиями ~12 (область 2) и ~24 МэВ (область 3), соответственно.

Рис. 2.

Двумерная диаграмма E_p–Θ_p одного из протонов в реакции n + ¹³C → ²p + ¹²Be* → p + p + ¹²Be*: а – при энергии первичных нейтронов E_n = 60 ± 1 МэВ; б – при E_n = 80 ± 1 МэВ. Области: 1 – соответствует образованию ядра ¹²Be в основном состоянии; 2 – возбужденному состоянию ядра ¹²Be с энергий ~12 МэВ; 3 – возбужденному состоянию ядра ¹²Be с энергий ~24 МэВ.

Кинематическое моделирование позволило определить диапазон энергий и углов вылета протонов, необходимых для исследования альфа-кластерного распада высоковозбужденных состояний ядра ¹²Be в реакции ¹³C(n, 2p)¹²Be*.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА

На импульсном пучке нейтронов установки РАДЭКС ИЯИ РАН проводятся исследования ядерных реакций взаимодействия каскадных и испарительных нейтронов с энергией 1–300 МэВ. Установка РАДЭКС размещена на ловушке импульсного пучка протонов линейного ускорителя ионов водорода (длительность 1–200 мкс, частота 1–100 Гц, средний ток 1–100 мкА). Установка имеет вакуумный протонный канал (∅20 см), вольфрамовую мишень для генерации каскадных и испарительных нейтронов и горизонтальные каналы (∅20 см) для облучения экспериментальных мишеней на расстоянии 10–50 м от ловушки пучка протонов [7].

На рис. 3 показан спектр каскадных нейтронов на экспериментальной мишени (10 м) при среднем токе пучка протонов линейного ускорителя 50 мкА и различной энергии протонов: 45 (кривая 1), 160 (кривая 2) и 300 МэВ (кривая 3). Выбирая первоначальную энергию пучка протонов можно определить оптимальные экспериментальные условия для исследования реакции ¹³C(n, 2p)¹²Be* при различной энергии каскадных нейтронов.

Рис. 3.

Плотность потока каскадных нейтронов на расстоянии 10 м от W мишени РАДЭКС при среднем токе пучка протонов линейного ускорителя 50 мкА для различной энергии протонов. 1 – поток нейтронов при энергии протонов 45 МэВ; 2 – поток нейтронов при энергии протонов 160 МэВ; 3 – поток нейтронов при энергии протонов 300 МэВ.

На рис. 4 показаны зависимости поперечных сечений образования ¹²Be в основном состоянии в реакции ¹³C(n, 2p)¹²Be (рис. 4а) и фоновой реакции ¹³C(n, p)X (рис. 4б). Энергия каскадных нейтронов выше порога реакции (около 30 МэВ) определяет вероятность образования ¹²Be в различных состояниях. При энергии нейтронов 40–50 МэВ возможны оптимальные условия для исследования основного состояния ¹²Be, при энергии 60 МэВ – для возбужденного состояния ¹²Be с энергией ≈12 МэВ, при энергии ≥80 МэВ – для энергии состояния ≈24 МэВ. Регистрация протонной пары с отбором по энергии и углу поможет подавить фон при регистрации высоковозбужденного кластерного состояния ¹²Be.

Рис. 4.

Поперечное сечение реакции ¹³C(n, 2p)¹²Be с образованием ¹²Be в основном состоянии (а) и фоновой реакции ¹³C(n, p)X (б).

Регистрация частиц распада возбужденного состояния следует вести в промежутках между импульсами нейтронного пучка при частоте 1–50 Гц, чтобы исключить мгновенный фон от каскадных нейтронов. Дополнительная режекция фона осуществима при совпадении выбитой мгновенно каскадным нейтроном протонной пары и заряженных частиц от распада ¹²Be* в интервале между импульсами.

Образование ¹²Be в основном состоянии приводит к его β⁻-распаду с периодом T_1/2 = 21.5 мс и образованием ¹²B, который также испытывает β⁻-распад с T_1/2 = 20.2 мс. Низколежащее возбужденное состояние ¹²Be (≈4 МэВ) распадается с вылетом нейтрона и образованием ¹¹Be, который также подвергается β⁻-распаду.

Регистрация вблизи порога реакции ¹³C(n, 2p)¹²Be совпадения квазиупруго выбитой 2p-пары и β⁻‑частиц (и возможно n) распада основного и низколежащего возбужденного состояний ¹²Be позволит провести калибровки системы детектирования и тестовые измерения для проверки возможности измерения параметров низколежащих возбужденных состояний.

Измерение характеристик высоковозбужденных кластерных состояний ¹²Be необходимо вести по регистрации альфа-частиц и нейтронов от кластерного распада этих состояний со структурой α-4n-α и ⁸Be-4n при энергии возбуждения в области 12 и 24 МэВ. Возможно восстановление энергетического спектра каскадных нейтронов, падающих на мишень ¹³С по измерению параметров p и α-частиц.

По результатам моделирования предполагается разработать методику эксперимента и провести тестовые измерения с использованием вакуумной камеры с мишенью ¹³C, телескопа ΔE–E кремниевых детекторов для регистрации заряженных частиц и детектора нейтронов с жидким сцинтиллятором EJ-301 [8]. Для получения временных и амплитудных характеристик сигналов может быть использованы цифровые сигнальные процессоры DT5742 и DT5720 фирмы CAEN.

Оценки показывают, что при потоке каскадных нейтронов около 5 · 10⁷ см^–2 · с^–1 на экспериментальной мишени скорость счета событий образования и распада возбужденных состояний ¹²Be составит ~10^–2 с^–1, что позволяет надеяться на измерении характеристик α-кластерной структуры возбужденных состояний ¹²Be с 4n-корреляцией.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Моделирование кинематики ядерной реакции ¹³C(n, 2p)¹²Be* при энергии 30–150 МэВ показало возможность регистрации событий образования и распада высоковозбужденных кластерных состояний ¹²Be на каскадных нейтронах РАДЭКС. Экспериментальные измерения с регистрацией в совпадении протонов, α-частиц и нейтронов позволят существенно подавить фон и исследовать квазимолекулярную структуру состояний ¹²Be*, а также корреляционные характеристики кластерных каналов распада.