Мультинейтронные фотоядерные реакции на изотопе 197Au Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА УДК 539.17

МУЛЬТИНЕЙТРОННЫЕ ФОТОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ НА ИЗОТОПЕ 197 Аи

А. Н. Ермаков, Б. С. Ишханов, И. М. Капитонов, Чжо Чжо Тун, И. В. Макаренко

(.НИИЯФ)

Проведен эксперимент по облучению изотопа золота 197 Аи пучком тормозных 7-квантов с максимальной энергией Е™ = 70 МэВ разрезного микротрона ИТМ-70 НИИЯФ МГУ. Измерены спектры остаточной активности облученного образна. В эксперименте наблюдаются многочастичные фотоядерные реакции на ядре 197 Аи. Впервые наблюдаются фотоядерные реакции на ядре 197 Аи с вылетом до 6 нейтронов.

Универсальной особенностью атомных ядер является интенсивный максимум в сечениях поглощения фотонов — гигантский дипольный резонанс.

В области максимума гигантский дипольный резонанс распадается с испусканием, как правило, одного нейтрона. Эта область сечений фотопоглощения достаточно хорошо изучена, имеется систематика обширных экспериментальных данных. При более высоких энергиях 7-квантов (выше 20-30 МэВ) с максимальной вероятностью идут фотоядерные реакции с испусканием нескольких нуклонов. Ожидается, что в области энергий 7-квантов 30-70 МэВ распад возбужденных состояний будет происходить преимущественно с вылетом нейтронов. Образующиеся при этом конечные ядра должны быть /?+-радиоактивны. Такие реакции гораздо менее изучены, в частности, неизвестен механизм этих реакций. Задачей настоящих исследований является

получение экспериментальных данных о реакциях с испусканием нескольких нейтронов.

Эксперимент выполнен на пучке тормозных 7-квантов разрезного микротрона ЯТМ-70 НИИЯФ МГУ [1]. Микротрон ЯТМ-70 является уникальным компактным ускорителем электронов, созданным с использованием постоянных магнитов на основе редкоземельного магнитного материала. Ускоритель позволяет ускорять электроны до максимальной энергии 70 МэВ и может быть использован в качестве эффективного источника тормозного излучения с максимальной энергией 7-квантов 70 МэВ. Указанный диапазон энергий позволяет получить наибольшие выходы фотоядерных реакций, что открывает возможности исследования многочастичных фотоядерных реакций с вылетом до 7-8 нуклонов.

Для анализа различных каналов распада воз-

Рис. 1. Схема эксперимента (масштаб не соблюден): 1 — ускоритель, 2 — выходной канал ускорителя, 3 — пучок электронов, 4 — тормозная мишень, 5 — исследуемый образец ,9/ Аи, 6 — НРйе детектор

бужденных состояний была использована методика регистрации распадов образующихся /^-радиоактивных изотопов.

Схема эксперимента приведена на рис. 1.

В качестве исследуемого образца был выбран изотоп золота 197 Аи. Из-за большого атомного номера Z и массового числа А этот изотоп имеет большие выходы и низкие пороги фотонейтронных реакций.

Исследуемый образец был изготовлен из металлического золота. Содержание изотопа 197 Аи в естественной смеси изотопов золота составляет 100%. Образец облучался тормозными 7-квантами с максимальной энергией Е™ = 70 МэВ. Облучение длилось 5 ч. Ток электронного пучка микротрона составлял 3-4 мА. Диаметр пучка электро-

нов ¿41 = 10 мм, толщина тормозной вольфрамовой мишени йу? = 2.5 мм. 7-Спектры остаточной активности облученного образца измерены с помощью НРСе-детектора, изготовленного из сверхчистого германия. Эффективность детектора составляла 30%. Разрешение детектора составляло 1.1 кэВ (для Е1 = 122 кэВ) и 2.0 кэВ (для Е1 = 1332 кэВ).

Для определения периодов полураспада Т\/2 и идентификации образующихся радиоактивных изотопов было проведено 208 серий измерений 7-спектров остаточной активности облученного образца. Измерены периоды полураспада Т\/2 образующихся изотопов в интервале от часов до десятков дней. Общее время измерений составило 8 дней.

Была создана методика проведения экспериментов в непрерывном режиме. Результаты измерений

500

1000

1500

2000

2500 3000

Е, кэВ

Рис. 2. 7-Спектр остаточной активности облученного образца 197 Аи. Подписями показаны 7-линии,

соответствующие реакции 197 Аи (7,6я)191 Аи

7-спектров в автоматическом режиме записывались в память компьютера. При этом в оперативном режиме анализировался текущий 7-спектр. Создан и поддерживается банк данных экспериментальных 7-спектров.

На рис. 2 приведен 7-спектр остаточной активности облученного образца ^Аи, измеренный в течение 6 ч сразу после окончания облучения.

В выполненном эксперименте максимальная энергия тормозных 7-квантов от ускорителя {Е™ = 70 МэВ) позволяет наблюдать фотоядерные реакции с испусканием до 8 нейтронов на иссле-

дуемом ядре ,97Аи (табл. 1). В измеренном спектре наблюдаются 7-пики, соответствующие реакциям с вылетом до 6 нейтронов (указанные 7-пики показаны подписями на врезке к рис. 2). Фотонейтронные реакции такой множественности наблюдаются впервые [2]. Детектирование вылета 7 и 8 нейтронов в данном эксперименте не предполагалось, так как образующиеся изотопы 189Кит^3 и 188Аи имеют минутные периоды полураспада (табл. 1). Для наблюдения таких реакций необходимо проводить более короткое по времени облучение.

В табл. 2 приведены 7-пики, соответствующие

Пороги фотонейтронных реакций на ядре 19 Аи

Таблица 1

Реакция (7-") (7,2 л) (7- 3«) (7,4 л) (7, 5л) (7,6 л) (7,7«) (7.8л) (7.9л)

Порог, МэВ 8.07 14.71 23.09 30.03 38.72 45.76 54.77 62.14 71.50

Конечное ядро 196 Аип 19бдиг* 195 Аи 191 Аи 193 Аи 192 Аи 191 Аи 190 Аи 189 Аи™ 189 Аи«* 188 Аи

7]/2 конечного ядра 9.6 ч 6.18 дн. 186.09 дн. 38.02 ч 17.65 ч 4.94 ч 3.18 ч 42.8 мин 4.59 мин 28.7 мин 8.84 мин

3.1811

5/2+

(3/2,5/2)

7/2:

(5/2,7/2):

5/2: (3/2,5/2):

9/2:

(1/2,3/2): (5/2,7/2): Ъ/1.

1.0740

0.6602

А?

0.4875

й- ^ 0.3998 —-

0.2934

г\ л

0.2778

0.1006

0.0304

0.0095

0

78

14

191

78 Аи

191

3/2+ 3/2+

Ъ- 0.5389

77

1Г 191

Рис. 3. Схема распадов ядра К1 Аи

Таблица 2

7-Линии экспериментального спектра остаточной активности исследуемого образца 197Аи, соответствующие реакции 197Аи(7, б«)191 Аи

Реакция Порог реакции, МэВ Конечное ядро реакции, продукт и период /3-распада Е~, кэВ Природа перехода

(7-6") 45.765 7gAu191 -Ь 7gPt191 7\/2 = 3.18 ч 586.45 1074.03 (5/2+) 487.59 (7/2")

277.88 277.88 (3/2~, 5/2") 0.0 (3/2")

674.19 1074.03 (5/2+) 399.84 (5/2-,7/2")

283.91 293.47 (5/2") 9.56 (5/2", 7/2")

399.84 399.84 (5/2", 7/2") 0.0 (3/2")

478.03 487.59 (7/2") 9.56 (5/2",7/2")

386.91 487.59 (7/2") 100.678 (9/2")

78Pt191 77Ir191 Тх/2 = 2.802 дн. 538.87 538.87 (3/2+) 0.0 (3/2+)

реакции 197 Аи(7,6га)191 Аи. Указаны периоды полураспада конечных /3-активных ядер, природа соответствующих 7-переходов в ядрах 191и 1911г (энергии (в кэВ), спин-четность начальных и конечных состояний изотопов платины 191и иридия 1911г). Приведенные в таблице 7-переходы указаны на схеме распадов изотопа 191 Аи (рис. 3). Отметим, что экспериментальные данные позволяют надежно идентифицировать распады ядер, образующихся в многочастичных фотоядерных реакциях: для реакции 197 Аи(7,6га)191 Аи в спектре (рис. 2) наблюдается 8 пиков, соответствующих распадам ядра 191 Аи.

Как показывает наблюдение фотонейтронной реакции 197 Аи(7,6га)191 Аи, фотоядерные реакции с испусканием большого числа нейтронов (N^4) в области энергий фотонов 30-70 МэВ происходят преимущественно в результате статистических распадов возбужденных состояний атомных ядер.

Результаты настоящей работы представляют интерес для дальнейших исследований механизма

многочастичных фотоядерных реакций, изучения ядер, удаленных от полосы ^-стабильности. Полученные результаты также могут быть использованы для решения прикладных задач, таких, как 7-активационный анализ, определение изотопного состава веществ, создание препаратов радиотерапии в медицине и др.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента РФ НШ-5365.2006.2.

Литература

1. Гришин В.К., Ермаков А.Н., Ишханов Б.С. и др. // Вести. Моск. ун-та. Физ. Астрон. 2002. № 5. С. 74 (Moscow University Phys. Bull. 2002. N 5. P. 90).

2. Бобошин И.Н., Варламов В.В., Иванов Е.М. и др. // Тр. Всерос. научн. конф. «Научный сервис в сети Интернет». Новороссийск, 24-29 сент. 2001 г. М., 2001. С. 19; (http://cdfe.sinp.msu.ru/services/ensdfr.html).

Поступила в редакцию 01.11.06