CC BY
0
= ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ =
Тестовый эксперимент по определению временного распределения фона между импульсами ускорителя ММФ на канале РАДЭКС
М.В. Мордовской,1, * А.А. Каспаров,1 В.М. Скоркин,1 И.В. Суркова1
1 Институт ядерных исследований Российской академии наук Россия 117312, Москва, В-312, проспект 60-летия Октября, 7а (Поступила в редакцию 08.06.2023; после доработки 09.06.2023; принята к публикации 15.06.2023)
На нейтронном канале ММФ ИЯИ РАН предлагается проведение экспериментов по изучению кластерных структур в легких ядрах, в частности а — 4п — а и 8Ве — 4п в высоковозбужденном состоянии 12Ве*. Это предполагает регистрацию заряженных частиц от в-распада 12Ве* при его образовании в реакции п+13С в промежутках между импульсами каскадных нейтронов. В работе приводятся первые результаты эксперимента по изучению спектров и временных распределений фоновых 7-квантов и нейтронов между импульсами ускорителя при использовании пучка протонов частотой 50 Гц и длительностью 0.3 мкс.
РЛСЯ: 29.90.+Г, УДК: 539.1
Ключевые слова: кластерная структура, легкие ядра, линейный ускоритель, нейтронный источник, вольфрамовая мишень, гамма-квант, нейтрон, каскадные нейтроны, быстрые нейтроны, медленные нейтроны, временные спектры, сцинтилляционный детектор, фоновая активность. [5р^ БОТ: 10.55959/М8Ш579-9392.78.2340203
ВВЕДЕНИЕ
Изучение характеристик кластерного распада возбуждённых состояний легких ядер чрезвычайно важно для исследования механизма ядерных реакций и структуры ядер [1]. Имеются указания на существование квазимолекулярной кластерной структуры типа а — п — а и а — 4п — а в возбужденных состояниях изотопов бериллия [2]. Предложено проведение исследования процессов образования и распада таких кластерных структур ядер 9Ве и 12Ве на каскадных нейтронах импульсного источника РАДЭКС ИЯИ РАН [3]. С этой целью было проведено кинематическое моделирование реакции 13С(п, 2р)12Ве с возбуждением кластерных состояний при энергии 40-150 МэВ и предложены методы измерения их характеристик на импульсном источнике нейтронов [4]. Необходимо проведение тестовых измерений уровня фона, его состава и распределения во времени в интервалах между нейтронными импульсами. Образование и распад кластерных состояний в реакции 13С(п, 2р)12Ве сопровождается вылетом протонов, нейтронов, 7-квантов, в- и а-частиц. Вблизи порога реакции («40 МэВ) образуются основное или низколежащее возбужденное (3-4 МэВ) состояния 12Ве с последующим в-распадом («20 мс) на ядра 10Ве, 11В и нейтроны. При энергии 60-100 МэВ возбуждаются состояния типа 6Н-6Не и а-8Не, которые испытывают а-кластерный распад. Для тестовых измерений на каскадных и испарительных нейтронах импульсного источника РАДЭКС предлагаются реакции с образованием короткожи-
* Е-таП: mvmordovsk@mail.ru
вущих (<20 мс) изотопов бериллия, бора и 24тМа с регистрацией р, п, 7-квантов, а- и в-частиц: 9Ве(п, 2п )8Ве, 12С(п, р)12 В, 12С(п, п а)8Ве, 13С(п, р)13В, 15М(п, а)12В, 27А1(п, а)24тМа. Сечения этих реакций при энергии нейтронов «14 МэВ составляют 0.1-0.2 бн. Регистрация в совпадении протонов, а-частиц, нейтронов и продуктов распада возбужденных состояний ядер позволят существенно подавить фон и исследовать предлагаемые реакции. Для определения возможности таких измерений необходимо знание уровней, источников и распределений фонов на предполагаемой экспериментальной установке. В частности, для регистрации распадов долгоживущих состояний необходимо знание о временных распределениях фонов в промежутках между импульсами нейтронного источника.
1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ
Измерения проводились на импульсном пучке нейтронов установки РАДЭКС ИЯИ РАН. Нейтроны генерируются в враПаНоп-процессе на вольфрамовой мишени с водяным охлаждением протонным пучком (возможные параметры пучка: длительность 0.3-200 мкс, частота 1-100 Гц, средний ток 1-100 мкА). После водяного замедлителя (3 см) нейтроны направляются в три горизонтальных и один вертикальный выводные каналы. Центральный горизонтальный канал, на котором проводились измерения, позволяет получать каскадные и испарительные нейтроны с энергиями 1-300 МэВ.
На рис. 1, а показан расчетный спектр каскадных нейтронов на экспериментальной мишени (10 м от источника — '-мишени) при среднем токе пучка
Рис. 1. а — Плотность потока каскадных нейтронов на расстоянии 10 м от "-мишени установки 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; б — интенсивность рассеянных 1 м трубы нейтроновода для нейтронов с энергией > 10 МэВ в зависимости от расстояния до "-мишени
протонов линейного ускорителя 50 мкА и различной энергии протонов [5]. Выбирая первоначальную энергию пучка протонов, можно определить оптимальные экспериментальные условия для исследования реакции 13С(п, 2р)12Бе* при различной энергии каскадных нейтронов. По мере прохождения пучка по каналу нейтроновода происходит рассеяние и поглощение нейтронов в материалах канала (в основном в стальных трубах, уложенных в бетонных блоках). Максимальный фон рассеянных нейтронов по расчетам проявляется на расстоянии от 10 до 15 м от нейтронного источника (рис. 1, б). Поэтому детектирующую систему для регистрации частиц от исследуемой реакции 13С(п, 2р)12Бе* желательно устанавливать на расстоянии либо меньше 10 м, либо больше 20 м от источника.
Расчетный нейтронный поток из '-мишени (7 см) в выбранный экспериментальный канал импульсного источника для пучка протонов с энергией 300 МэВ и интенсивностью 100 мкА составляет для каскадных нейтронов в направлении вперед — 5.3х1013 с-1-стер-1, который распределяется следующим образом: (10-100) МэВ = 3.1 х1013; (100-200) МэВ = 1013; (0.2-10) МэВ = 3х1013; (1-200) кэВ = 1013; Еп < 1 кэВ = 1010. Эти потоки являются основными источниками импульсного фона в экспериментальной зоне [5]. Кроме того, дополнительными источниками фона служат гамма-кванты от процессов захвата и рассеяния нейтронов на оборудовании соседних пролетных каналов и экспериментальных установок.
Одна из возможных экспериментальных зон установки детекторов располагается на участке 10-12 м от источника нейтронов. Временные распределения для нейтронов импульсного источника с учетом времени пролета в этой зоне следующие: каскадные (> 15 МэВ)<0.2 мкс; время пролёта максимума интенсивности («500 кэВ) испарительных нейтронов (промежуточных, быстрых с энергией от 1 кэВ до
14.5 МэВ) < 2 мкс. То есть эти распределения в основном меньше длительности пучка, что исключает прямой фоновый вклад от этих процессов в интересующий временной интервал от нескольких микросекунд до десятков миллисекунд от начала нейтронного импульса.
Медленные нейтроны активируют экспериментальное оборудование за счёт фотозахватной реакции и дают основные вклады в фон в районе 1 мс от начала импульса для резонансных нейтронов и до ^5 мс для тепловых.
При облучении алюминийсодержащего оборудования возможно образование активационного фона в реакциях 27А1(п, р)27Mg (период полураспада 9.5 мин) с порогом 1.8 МэВ и сечением 4-74 мб и 27А1(п, 2п)26тА1 (6.4 с) с порогом 13 МэВ и сечением 7 мб. Кроме того, возможно образование короткоживущих изотопов, которые могут давать фоновый вклад в промежутке между импульсами пучка (от 20 мс при частоте пучка 50 Гц до 1 с при 1 Гц): 27А1(п, а)24тМа (20 мс) и 27А1(п, 5п)23А1 (0.47 с). При облучении стальных стенок нейтроно-вода каскадные нейтроны активируют ядра железа (54Ре) и могут создавать короткоживущий фоновый радионуклид 51Ре (0.25 с).
Каскадные и быстрые нейтроны могут вызывать активацию воздуха вокруг детекторов. Активация изотопов азота 14 N (99.6%), 15М (0.4%) в реакциях 14М(п, 2р)13В (19 мс), 15М(п, а)12В (20 мс) с порогом 7 МэВ (18 мб) создаёт короткоживущие в-распадные радионуклиды. В результате реакций на углероде 12С(п, р)12В (20 мс) с порогом 14 МэВ (0.2 мб) и 13С(п, р)13В (19 мс) с порогом 13 МэВ образуются короткоживущие радионуклиды. В реакции на изотопах кислорода 160(п, р)16М (7.1 с) с порогом 3 МэВ (41 мб) и 180(п, р)18М (0.6 с) образуются быстро распадающиеся радионуклиды.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Параметры пучка ускорителя в этом сеансе составляли: длительность «0.3 мкс, частота следования 50 Гц при импульсном токе ускорителя 8 мА и энергии протонов 267 МэВ. Время работы ускорителя с другими параметрами пучка (1 Гц, 25 Гц и большей длительности пучка) было незначительным, поэтому приводятся только данные для временного интервала между импульсами ускорителя 20 мс.
В эксперименте использовались три детектора на сцинтилляционных кристаллах (рис. 2), установленные на расстоянии 12 м от нейтронного источника (W-мишени). Детекторы Дх и Д2 установлены в пределах размера пучка на расстоянии 5 см от оси, Дз — вне пучка, на расстоянии 25 см от оси пучка. Детекторы Д2 и Дз изготовлены на основе кристаллов BGO размерами 05, высотой 5 см, Дх — на жидком сцинтилляторе EJ301 05 и высотой 5 см. Д2 и Д3 эффективно регистрировали гамма-кванты. Для выделения нейтронных событий сигналы детектора Дх обрабатывались по методу PSD — разделения по форме импульса. Калибровка детекторов и оценка эффективности регистрации проводилась по образцовым гамма-источникам.
Рис. 2. Экспериментальная установка: 1 — вольфрамовая мишень-поглотитель протонного пучка, 2 — вакуумный канал, 3 и 5 — сцинтилляционные детекторы Дг,з на основе сцинтиллятора BGO, 4 — детектор Дх на основе EJ301
Амплитуды и времена прихода сигналов синхроимпульса ускорителя и детекторов оцифровывались сигнальными процессорами CAEN DT5720 (шаг оцифровки 4 нс) в режиме реального времени, циклы записи по «30 минут. Для оценки вкладов нейтронов и гамма-квантов во временные спектры в отдельных выделенных интервалах производилась запись форм сигналов детектора Дх на процессоре CAEN DT5742 (шаг 0.2 нс).
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
На рис. 3, а приводится измеренное временное распределение сигналов для центрального детектора Д2 (BGO). Отметке времени «0» соответствует положение синхроимпульса ускорителя протонов. Через 200 мкс регистрируются сигналы, сопровождающие облучение W-мишени пучком протонов
длительностью 0.3 мкс (вызванные как гамма-квантами, так и быстрыми нейтронами). Провал в счет-ности после импульсного пучка обусловлен значительной перегрузкой сцинтилляционного детектора. На результаты исследования это не влияет, т.к. интересующая нас область в спектре лежит значительно дальше по времени, а для сравнения показаний детекторов в различных временных интервалах при различных настройках пучка использовались значения измеряемого тока протонов. Полное восстановление работы детектора происходит примерно через 100 мкс.
Условно можно выделить в спектре следующие области: 1 — непосредственно импульсный пучок «0.3 мкс. На 2-м участке (область до 4 мс) временной спектр обусловлен вкладом нейтронов и гамма-квантов от рассеяния каскадных и испарительных нейтронов на всем нейтроноводе (10 м участок от источника нейтронов), соотношение счета нейтронов и гамма-квантов (для детектора Д1) примерно 1 к 30. Счет детекторов Д2 и Дз соотносится как 12/1. Видимый набор резонансных пиков на этом участке сохраняется при любых параметрах пучка; 3-й участок — широкий пик 100-5 мэВ с максимумом при 25 мэВ.
Для участков 3 и 4 выделять вклад нейтронов по форме импульса в детекторе Д1 не удается. Регистрация нейтронов таких энергий требует детектора уже другого типа.
На рис. 3, б показана зависимость амплитуд регистрируемых сигналов для центрального детектора Д2 (ВСО) от времени, прошедшего после синхроимпульса. Кроме двух участков, основная часть сигналов не превышает величины, соответствующей энергии 0.5 МэВ по гамма-квантам. Количество событий с большими амплитудами значительно при нейтронном импульсе, и затем следующая область увеличения количества событий с повышенными амплитудами соответствует области захвата медленных нейтронов («5 мс), который может сопровождаться генерацией гамма-квантов больших энергий.
Таким образом, значительный вклад в важный для измерений периодов распада участок времени 0.4-20 мс (см. рис. 3, а) вносят тепловые нейтроны. Вклад в спектры таких участков для детекторов Д2 и Д3 примерно одинаков, поэтому предположительно это результат захвата нейтронов на стенках ближней части нейтроновода.
На 4-м участке видны слабые пики при 10 мс и 17 мс, которые могут быть обусловлены обратным рассеянием быстрых и медленных нейтронов конструкцией нейтроновода, стенками защиты на 10 и 20 м от источника, а также потоками из ловушки пучка нейтронов, установленной на 50 м в конце экспериментального зала.
Можно считать, что подавляющий вклад в интересующую нас временную область дает захват тепловых нейтронов на железе нейтроновода на выводном участке канала. Предполагается снижение этого вклада установкой графитовых коллиматоров.
Рис. 3. а — Временное распределение регистрируемых сигналов для детектора Д2 при частоте пучка 50 Гц; по оси х — время, отсчитываемое от синхроимпульса ускорителя, по оси у — количество зарегистрированных событий; время набора 60 мин.; пояснение выделения интервалов 1-4 в тексте; б — временное распределение амплитуд регистрируемых сигналов детектором Д2; пучок 50 Гц; по оси х — время, отсчитываемое от синхроимпульса ускорителя, по оси у — номер канала амплитудного анализатора; 1000 канал соответствует примерно 3 МэВ по энергии гамма-кванта
По 4-му участку можно оценить величину фонового счета для планирования экспериментов с регистрацией частиц от распадов с временами порядка миллисекунд. Например, на участке в 100 мкс перед новым синхроимпульсом при среднем импульсном токе фон в пересчете на среднее время составляет 100 имп.-с-1 для детектора Д2. Измерения для короткого цикла работы ускорителя на частоте 25 Гц (с теми же примерно током и длительностью) показывают, что такой же пересчет для цикла в 40 мс дает величину около 70 имп.-с-1. Измерений при частоте 1 Гц не производилось.
Оцененный уровень фона порядка 50-100 имп.-с-1 относится к событиям, вызванным гамма-квантами и нейтронами. Использование детектора заряженных частиц должно позволить регистрировать в-частицы от предлагаемых распадов на таком фоне даже при невысоких выходах этих частиц.
Предлагается следующая схема предварительных экспериментов: для исследования процесса образования 12 Ве в основном или низковозбужденном состояниях в 13С(п, 2р)12Ве как тестовую можно использовать близкую по кинематике реакцию на воздухе 14М(п, 2р)13В. В обеих реакциях образуются в-нестабильные изотопы бериллия и бора с близкими периодами полураспада около 20 мс. При импульсном потоке каскадных нейтронов в 300 нейтронов •см-2 за 1 импульс длительностью 0.3 мкс с сечением 1 мб на пороге реакций (^40 МэВ) в воздушной камере емкостью 1 л может образоваться 0.01 атомов 13В и затем могут образоваться и быть зарегистрированными в интервале времени 5-20 мс 0.005 в-частиц. Скорость счета при этом может быть до 0.25 с-1 или 15 имп.-мин-1. Предполагается регистрация с помощью радиометра МКС 01Р при введении управления путем блокировки времени измерения в интервале 0-5 мс через антисовпадение с синхроимпульсом ускорителя и с регистрацией двух протонов. Аналогично при
использовании 1-литровой камеры с СО2 в реакции перезарядки 12С(п, р)12В с сечением 0.2 бн (14.5 МэВ) за 1 импульс может образоваться один атом 13В с периодом полураспада Т1/2 = 20 мс. При регистрации в-частиц можно получить скорость счета до 25 с-1. Предполагается, что условие регистрации совпадения протона и в-частицы в определенном интервале времени должно значительно выделить исследуемую реакцию над фонами. Возможно проведение измерений по определению временного распределения только фоновых в-частиц. Такие измерения потребуют значительно меньше затрат и при положительном результате дадут основание для создания полнофункциональной установки для изучения предложенной реакции. Из-за достаточно больших периодов полураспада ядер в предлагаемых реакциях в любом варианте дальнейших экспериментов желателен переход на режим работы ускорителя с частотой пучка 1 Гц.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В районе предполагаемой установки мишени для исследования реакции 13С(п, 2р)12Ве с помощью сцинтилляционных детекторов были измерены гамма- и нейтронный фон. Определены основные источники фона, влияющие на измерения как при регистрации заряженных частиц от захвата нейтронов, так и при последующей регистрации частиц от распада конечных продуктов реакции. Определены зависимости уровня фона в определенных временных интервалах циклов ускорителя от параметров пучка. Измеренный уровень фона и анализ возможных тестовых реакций позволяют считать целесообразным продолжение экспериментов для отработки методики по изучению образования и распада кластерных состояний в предложенной реакции на нейтронном канале ММФ ИЯИ РАН.
[1] Kanada-En'yoY., OgataK. // Phys. Rev. C. 100. 064616. (2019).
[2] Kelley J.H., Purcell .I.E., Sheu C.G. // Nucl. Phys. A. 968. 71. (2017).
[3] Kasparov A.A., Mordovskoy M.V., Skorkin V.M. LXXI Int. conference «NUCLEUS-2021». Book of Abstracts. St. Petersburg: VVM, 2021. P. 317. https: //indico.cern.ch/event/1012633/attachments/
2234537/3934788/book_of_abstracts_Nu.
[4] Каспаров А.А., Мордовской М.В., Скоркин В.М. // Изв. РАН. Сер. физ. 86, № 9. 1328. (2022). Kasparov A.A., Mordovskoy M.V., Skorkin V.M. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 86, N 9. 1099. (2022).
[5] Бенецкий Б.А., Вахетов Ф.З., Грачёв М.И. и др. Программа экспериментальных исследований на установке РАДЭКС. Препринт ИЯИ 1058/2001. М.: ИЯИ РАН, 2001.
Test experiment to determine the time distribution of the background between MMF accelerator pulses on the RADEX channel
M.V. Mordovskoy0, A.A. Kasparov, V.V. Skorkin, I.V. Surkova
Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences. Moscow, 117312 Russia
E-mail: a mvmordovsk@mail.ru
The authors offer works using the MMF INR RAS neutron channel to study the cluster structures in light nuclei, in particular, a-4n-a and 8Be-4n in the highly excited state 12Be*. This needs the registration of charged particles from the 12Be* в-decay during its formation in the n + 13C reaction in the intervals between cascade neutron pulses. The paper presents the first results of an experiment on measuring the spectra and time distributions of gamma-quanta and neutrons using a proton beam of 50 Hz and a duration of 0.3 ^s.
PACS: 29.90.+r.
Keywords: cluster structure, light nuclei, linear accelerator, neutron source, tungsten target, gamma-quantum, neutron, cascade neutrons, fast neutrons, slow neutrons, time spectra, scintillation detector, background activity.
Received 18 June 2023.
English version: Moscow University Physics Bulletin. 2023. 78, No. 4. Pp. 465-469. Сведения об авторах
1. Мордовской Михаил Вадимович — канд. физ.-мат. наук, вед. научн. сотр.; тел.: (499) 135-40-28; e-mail: mvmordovsk@mail.ru.
2. Каспаров Александр Александрович — канд. физ.-мат. наук, научн. сотр., зав. Лабораторией атомного ядра; e-mail: kasparov200191@gmail.com.
3. Скоркин Владимир Михайлович — канд. физ.-мат. наук, ст. научн. сотр.; e-mail: skorkin@inr.ru.
4. Суркова Инна Владимировна — канд. физ.-мат. наук, ст. научн. сотр.; e-mail: ivsurkova@list.ru.
