CC BY
11
АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
УДК 539.17
ТРАЕКТОРИИ ТРАНСМУТАЦИИИ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ИЗОТОПОВ 120,122,124Sn ИНТЕНСИВНЫМИ ПУЧКАМИ 7-КВАНТОВ
Б. С. Ишханов, С. И. Павлов
Сниияф)
E-mail: pavlov@depni.npi.msu.su
Трансмутация атомных ядер под действием интенсивных потоков 7-квантов приводит к образованию химических элементов с зарядом Z и массовым числом А, отличными от заряда и массового числа исходного облучаемого изотопа. Введено понятие траектории трансмутации как эволюции плотности распределения по А и Z количества ядер, образующихся в процессе трансмутации во времени. Траектория трансмутации позволяет наглядно представить трансмутационный процесс в динамике и выявить общие тенденции и глобальное поведение трансмутационной цепочки.
Введение
Для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач представляет интерес исследование трансмутации атомных ядер под действием интенсивных потоков 7-излучения с энергией до 30 МэВ. В этой области энергий реакция идет через образование и последующий распад диполь-ного гигантского резонанса, при этом полное сечение £7(7, tot) взаимодействия фотонов с атомными ядрами определяется суммой сечений следующих основных каналов реакций
cr(y, tot) = сг(у,р) + сг(у, п) + сг(у, 2п) + + сг(у, 3п) + сг(у,рп).
Для тяжелых ядер (А > 60) основными каналами являются каналы реакции (7, п) и (7,2п), суммарный вклад всех остальных каналов реакции в случае тяжелых ядер, как правило, не превышает нескольких процентов. При этом каналы реакции (7, п) и (7,2п) составляют соответственно 70-80% и 20-25% от полного сечения поглощения 7-квантов
[1-4].
В результате облучения исходного изотопа (А, Z), имеющего заряд Z и массовое число А, образуется большое число изотопов в широком диапазоне А и Z. Введем понятие траектории трансмутации. Траекторией трансмутации мы называем эволюцию плотности распределения по А и Z количества ядер, образующихся в процессе трансмутации во времени. Плотности распределения Ар и Zp в момент времени t определяются как средневзвешенное по количеству ядер значение А и Z:
= Y,N(A,Z;t)A =Y,N(A,Z;t)Z Р Y,N(A,Z;t) ' р Y,N(A,Z;t) '
где N(A, Z; t) — временная эволюция количества изотопа (A,Z).
Целью настоящей работы являлось исследование формирования траектории трансмутации при облучении исходных изотопов 12°Д22Д245п интенсивным потоком 7-квантов с верхней границей 30 МэВ. Исходные ядра 12°Д22Д24 ¿п были выбраны из следующих соображений. Элемент Эп имеет магическое число протонов (Z = 50), поэтому у него максимальное число стабильных изотопов — 10. При этом между стабильными изотопами 124 Эп и 122 Эп находится относительно долгоживущий изотоп 123 Эп №/2 = 129.2 д, (3^), между стабильными изотопами 122 Эп и 120 Эп находится короткоживущий изотоп 121 Эп (Т1/2 = 20.06 ч, ¡3-). Изотопы 110-1145п являются стабильными изотопами. Самым легким стабильным изотопом является 112 Эп. Изотоп 113 Эп является /3+-радиоактивным (Т^/2 = 115.09 д, /3+). Такая конфигурация ядер позволяет выделить интересные особенности образования трансмутационной цепочки и траектории трансмутации. Исследование выполнено методом численного моделирования. Был создан комплекс программ, выполняющий в автоматизированном режиме построение трансмутационных цепочек и расчет временной эволюции количества ядер, образующихся при облучении произвольно выбранного исходного ядра интенсивным пучком 7-излучения [3].
Метод расчета
Временная эволюция количества каждого элемента трансмутационной цепочки (А, Z) определяется процессами его накопления и распада. Уменьшение содержания изотопа (А, Z) происходит в процессах а- и /3-распада и в результате реакций (7, п), (7,2п) и (7,р). Накопление происходит за счет фотоядерных реакций на соседних ядрах, а также а- и /3-раепадов соседних ядер, в результате которых может образоваться рассматриваемый изотоп (А, Z) (рис. 1).
Рис. 1
С подробным описанием метода расчета можно ознакомиться в работе [1].
Результаты расчетов
В качестве исходных выбирались изотопы 120,122,124 Эп. Моделировалось облучение каждого из изотопов в течение 30 месяцев потоком 7-квантов интенсивностью Ф = 1018 фотон/(е-ем2). Исходное число ядер каждого изотопа 12°А22А24 5п было
2
124
Рис. 2. Траектория трансмутации изотопов 120>122>124 при облучении в течение 30 месяцев потоком тормозных фотонов с плотностью потока 1018 фотон/(с-см2). Рядом с точками показано соответствующее им время облучения (месяцы)
выбрано 1022. Траектория трансмутации изотопов 120,122,124 дп показана на рис. 2.
Конечное распределение количества изотопов после 30 месяцев облучения для начального изотопа 122 Эп показано на рис. 3.
Исследование траектории трансмутации позволяет выявить общие тенденции, свойственные трансмутации на данном изотопе, преобладающие типы /3-активноети, влияние свойств соседних ядер на процесс трансмутации.
Можно отметить, что Ар траектории трансмутации за время трансмутации сместилась практически на одинаковую величину А А и 2.5 по оси А для всех трех изотопов. Это связано с тем, что изменение массового числа А в основном определяется каналами реакций (7,п) и (7,2п), причем сечения этих реакций мало меняются при одном и том же А и мало изменяющихся И. Образующиеся /3-актив-
2
47- — 113
•••
Ч I 1У МО II/ ПО I I» ¡¿О ¡¿I ¡¿^ ,
/г
Рис. 3. Ядра трансмутационной цепочки 122 Эп после 30 месяцев облучения потоком тормозных фотонов с плотностью потока 1018 фотон/(с-см2). Радиус окружностей пропорционален количеству образовавшихся ядер
ные изотопы приводят к изменению заряда ядер транемутационной цепочки, что отражается соответствующим образом на эволюции трансмутационной кривой. (3^ -активность увеличивает заряд, а /^-активность уменьшает заряд. Поэтому по временной эволюции кривой трансмутации можно определить преобладающий тип активности образующихся изотопов. Канал реакции (7,р) также меняет и заряд, и массу образующегося изотопа, но вклад этого канала мал 5%) и практически не влияет на траекторию трансмутации.
Траектория трансмутации 120 Бп
Плотность распределения количества образовавшихся ядер Zp практически не изменяется со временем. Это объясняется тем, что при трансмутации в основном образуются стабильные изотопы 119-И4дп_ Небольшое уменьшение Zp, которое наблюдается после 20 месяца облучения, говорит о том, что в этот период начинают образовываться значительные количества радиоактивных изотопов Эп с массовым числом меньше 114, а также накапливается достаточное количество изотопов 1п {Z = 49), образующихся по каналу (7Временной ход траектории трансмутации указывает на преобладающий тип /3-активноети — /3+.
Траектория трансмутации 122 Бп
В отличие от предыдущего изотопа для траектории трансмутации 122 Эп до 14 месяцев наблюдается рост плотности распределения по Zp при облучении, что указывает на преобладающий тип -активности. Основная реакция в этом временном интревале
1225п(7,п)1215п(/Г, Т1/2 = 27.06 ч)121ЗЬ.
Дальнейший спад Zp определяется, как и в случае 120Эп, накоплением значительных количеств стабильных изотопов 119-114Эп (см. рис. 3), так и реакцией
121ЭЬ(7, п)1205Ь(/3+, Т1/2 = 15.89 мин)1203п,
в которой образуются /3+-радиоактивный изотоп 120 ЭЬ.
Траектория трансмутации 124 Sn
Для траектории трансмутации наиболее тяжелого стабильного изотопа 124 Sn наблюдается картина еще более ярко выраженной ß^ -активности. К окончанию облучения изотопов с Z > 50 образуется больше, чем изотопов с Z = 50. Основной канал образования ß-радиоактивных изотопов описывается цепочкой последовательных реакций
124Sn(7,n)123Sn(/r, Т1/2 = 129.2 д)123ЭЬ,
123Sb(7,n)122Sb(/r, Т1/2 = 2.72 д; 97.6%)122Sn,
122Sn(7,n)121Sn(/r, Т1/2 = 27.06 4)121Sb.
Заключение
Трансмутация атомных ядер под действием интенсивных потоков 7-квантов приводит к образованию химических элементов с зарядом Z и массовым числом А, отличными от заряда и массового числа исходного облучаемого изотопа. Появление в смеси изотопов таких ядер обусловлено тем, что образующиеся в фотоядерных реакциях атомные ядра /3-радиоактивны.
Траектория трансмутации позволяет наглядно представить трансмутационный процесс в динамике и выявить общие тенденции и глобальное поведение трансмутационной цепочки.
Литература
1. Бородина С.С., Ишханов B.C., Мокеев В.И., Павлов С.И. // Вестн. Моск. ун-та. Физ. Астрон. 2000. №6. С. 30.
2. Бородина С.С., Ишханов B.C., Мокеев В.И. // Вестн. Моск. ун-та. Физ. Астрон. 1998. № 1. С. 22.
3. Бородина С.С., Ишханов B.C., Мокеев В.И., Павлов С.И. // Препринт НИИЯФ МГУ № 1999-32/950.
4. Borodina S.S., Ishkhanov В.S., Mokeeis V.l. // Intern. Nucí. Phys. Conf. (INPC/98), August 24^28. 1998. Paris. P. 794.
5. Brun R., Bruyant F., Maire M. et al. GEANT 3.21 (User's Guide). CERN, Geneva, Switzerland, 1987.
6. Nuclear Wallet Cards N.Y., 2000 (http://www.nndc.bnl.gov).
7. Varlamov A.V., Varlamov V.V., Rudenko D.S., Stepanov M.E. Atlas of Giant Dipole Resonanse, IAEA, Nuclear Data Section. Austria, Vienna, 1999.
8. Dietrich S., Berman B.L. // Atomic Data And Nuclear Data Tables. 1998. N 38. P. 199.
Поступила в редакцию 05.08.03
