CC BY
11
УДК 539.17
ТРАНСМУТАЦИЯ ИЗОТОПА 16 Но В ИНТЕНСИВНОМ ПОТОКЕ
7-КВАНТОВ
Б. С. Иш анов, И. А. Лютиков, С. И. Павлов
Сниияф)
E-mail: kabin@depni.sinp.msu.ru, bsi@depni.sinp.msu.ru
В статье рассматривается трансмутация изотопа 165 Но при воздействии пучка тормозного 7-излучения с интенсивностью потока Ф = 1017 фотон • с-1. Анализируется влияние на формирование трансмутационной цепочки короткоживущего изотопа 164 Но, образующегося в результате реакции (7-п), распадающегося со сравнимой интенсивностью по /З^,/?-каналам.
Исследовалась трансмутация изотопа 165 Но в интенсивном потоке тормозного 7-излучения. Исследование было выполнено методом компьютерного моделирования. В качестве исходного был выбран изотоп 165 Но, так как он является единственным стабильным изотопом гольмия. На рис. 1 показана таблица, представляющая собой фрагмент N-Z диаграммы окружения изотопа 165 Но. В этой таблице использованы следующие сокращения и обозначения: первый столбец — порядковый номер элемента (Z), в строках указаны изотопы данного элемента, верхний индекс изотопа — массовое число (А), строка под изотопом соответствует периоду полураспада для радиоактивных изотопов (м — минуты, ч — часы, д — дни, л — годы) или процентному содержанию данного изотопа в естественной смеси — для стабильного изотопа.
Трансмутация изотопов происходит в результате фотоядерных реакций и последующих /3-распадов. Образование каждого элемента трансмутационной цепочки происходит в реакциях (7-п), (7-2п) и (7-р) или в результате -распадов. Для всех
элементов трансмутационной цепочки были выбраны следующие соотношения между сечениями фотоядерных реакций [1]:
= (МэВ • мб) — полное интегральное
сечение,
а(7,п) ~ — сечение (7-п) канала,
а(у,2п) ~ 0.25сг^ — сечение (7-2п) канала, а(7,р) ~ О-ОБо^ — сечение (7-р) канала. Расчет трансмутации изотопа 165 Но был выполнен для интенсивности потока 7-квантов ф = Ю17 фотон -с-1. Время облучения составило 30 мес, а время наблюдения — 90 мес включая время облучения; исходное количество изотопа 165 Но — 1022 ядер.
На рис. 2 и в таблице представлено распределение изотопов, образовавшихся на момент окончания облучения Т = 30 мес. Площадь круга пропорциональна количеству образовавшегося изотопа.
Число ядер исходного изотопа 165 Но на момент окончания облучения составило около 72% от начального. На рис. 2 видно, что накопилось сравнимое количество изотопов 163 Но, 164 Ег,
Щ^шВшШж 158-г 1 М 1?°Тм I ЫЦ......^ t ""•I'M '""Г« 1 (xW-, I M 1 I": 4 " В 1 м 1,,5Тм 1 hhT ' 1 М 11 Гт, 1
V».Ssi 1 3 м м 30.2 м 21."м 1..S14 2.0 м 30.6ч " "л 9.25 л
68 158 Е г 1,,nEr lf,1Er Lr ■Шжя ■щая 165 Е г
IN.iOM Зггч :s.5s4 ]iL.4>4
67 Г 1 Но " Но '"По ,5"llo ""'Ilo И>1 Ho Н о Но 1Ь4Но
1 LUii .VV05.I 2 j м 2.4.4ч 15м 2дм
66 "'lb ,5<Ч)у ,5"l)v ,5,,I)V т^з щт ш щш
'•) Чц oji6 8,14ч 0.10 ИД НИН ШВШ
65 !54ТЬ ,55Tb l5bJh 15~Tb 158Tb "ШИ1 ,60Tb ШТЪ 162ТЬ 1б3ТЬ
5.35л 5.32л 180 л 1 72.3.1 6л>8..1 \6м
64 ,54Cd ,55Gd ,5hCd Ш ЩЩЩг"' ...... j (..id 1,11С (1
24 1.(,! 2.18 14.8 20.4? И1Ж j -H.4S4 3 Лн^и :4,4 ч
Рис. 1. Фрагмент N-2 диаграммы вблизи 165 Но. Использованы следующие обозначения: м — минуты, ч — часы, д — дни, л — годы, ■ — стабильные, □ — /3+ -активные, □ — [3~ -активные, В — /3~,/3+-активные
Рис. 2. Ядра трансмутационной цепочки Но. Время облучения Trad = 30 мес. Интенсивность потока 7-квантов Ф = 1017 фотон • с-1. Площадь круга пропорциональна количеству образовавшихся ядер данного изотопа
Количество образовавшихся изотопов на момент окончания облучения 16 Но
Изотоп А Z Количество
Dy 161 66 3.75 х 1019
Dy 162 66 1.33 х Ю20
Ег 162 68 2.63 х 1019
Dy 163 66 1.46 х 1019
Но 163 67 3.75 х Ю20
Dy 164 66 1.15 х 1021
Ег 164 68 6.87 х Ю20
Но 165 67 7.17 х 1021
164 Бу. В результате реакций 165 Но (7-п)164 Но изотоп 165 Но превращается в короткоживущий изотоп 164Но (Т1/2 = 29 мин), а реакция 165Но(7-2п)163Но приводит к образованию долгоживущего изотопа 163Но (Тх/2 = 4570 лет, (3+). Дальнейшее продвижение к более легким изотопам Но (А < 163) в результате реакций (7-п), (7-2п) оказывается сильно подавленным, так как изотопы 162-160 Но являются /3+-радиоактивными с соответствующими периодами полураспада 160Но (Т^ = 25.5 мин), 161 Но (Т1/2 = 2.48 ч), 162Но (Т1/2 = 15 мин). Изотоп 164Но имеет две моды распада (40% — (3^, 60% — (3+), благодаря этому факту
возникает интересная особенность в формировании трансмутационной цепочки:
¡3+ (60%) 164Ег
165т
Но(7-п)164Но (Т1/2 = 29 мин)
/Г (40%) 164Dy
Один канал приводит к накоплению стабильного изотопа 164Ег, другой — к образованию стабильного изотопа 164Бу.
Из изотопа 164Ег в результате реакции 164Ег (7-2 п) 162Ег образуется стабильный изотоп 162Ег, а в реакции 164Ег (7-п) 163Ег
Z
67 ■
66.92
164.5 164.6 164.7 164.8 164.9 165 А
Рис. 3. Траектория трансмутации для интенсивности потока 7-квантов Ф = 1017 фотон • с-1. Время облучения = 30 мес. Полное время наблюдения 90 мес. На траектории трансмутации нанесено время от начала облучения (мес)
№/2 = 75 мин, (3+) — короткоживущий изотоп 163Ег, который распадается на долгоживущий изотоп 163Но. Накопление изотопа 163Но происходит также в результате реакции 165Но (7-2п) 163Но №/2 = 4570 лет, (3+). Таким образом, количество изотопа 163Но, образовавшегося в результате реакций 165Но (7-2п) 163Но (Т1/2 = 4570 лет, ¡3+) и 164Ег(7-п)163Ег(Т1/2 = 75 мин, /3+)163Но, сравнимо с количеством изотопа 164Ег, образовавшегося только в реакции 165Но (7-п) 164Но(Т1/»2 = = 29 мин, /З-)164Ег. Дальнейшее образование более легких изотопов Ег (А < 162) в реакциях (7-п), (7-2п) подавлено по причине их малого времени жизни. Из изотопа 164Бу в результате последовательных (7-п), (7-2п) реакций образуются стабильные изотопы 161_164Ву. Кроме того, накопление изотопов 161Оу и 162Бу также может происходить в результате /3+-распадов радиоактивных изотопов Но. На рис. 2 и 3 видно, что количество изотопов 162Бу и 163Бу практически одинаково. Такая ситуация складывается в связи с тем, что накопление изотопа 163Бу в основном происходит в результате реакции (7-п), а накопление изотопа 162Бу — в результате нескольких реакций: 164Бу (7-2п) 162Бу, 163Бу (7-п) 162Бу, 163Но (7-п) 162Но(Т1/2 = 15 мин, р+)1тВу. Образование изотопа 161 Бу также происходит в результате фотоядерных реакций (7-п), (7-2п) и в результате ¡3+ -распада 161Но (Т1/2 = 2.48 ч ¡3+).
Общие тенденции трансмутационного процесса позволяет оценить траектория трансмутации. Она представляет собой эволюцию плотностей раепре-
17 ВМУ, физика, астрономия, № 1
делений массового числа Ар и заряда ядра Zp в процессе трансмутации во времени. Ар и Zp определяются как средневзвешенные по количеству ядер значения А и Z:
= "£A-N(A,Z,t) =ZZ-N(A,Z,t)
где N(A, Z, t) — количество изотопа (А, Z) в момент времени t.
На рис. 3 показана траектория трансмутации изотопа 165Но при интенсивности потока 7-квантов Ф = 1017 фотон -с-1. Рядом с траекторией указано время от начала облучения в месяцах.
В связи с тем что основное влияние на формирование трансмутационной цепочки оказывает изотоп 164Но, распадающийся по каналам со сравнимой интенсивностью, образование изотопов с Z = 66 и Z = 68 также происходит со сравнимой интенсивностью. Поэтому в траектории трансмутации происходит слабое изменение Zp. Так, в начальный момент Zp(t = 0) = 67, а к концу облучения Zp(t = 30 мес) = 66.93. Изменение Ар происходило от Ap(t = 0) = 165 до Ap(t = 30 мес) = 164.6. Небольшое изменение А обусловлено тем, что при интенсивности потока 7-квантов Ф = 1017 фотон х х с-1 сгорает около 28% исходного изотопа 165Но и в процесс трансмутации вовлечено небольшое количество изотопов. Так как к концу облучения преимущественно образуются стабильные изотопы, изменение Zp в результате последующих (3-распадов практически не происходит, что хорошо видно на рис. 3.
В результате облучения 165Но образуются две группы атомных ядер с Z = 66 и Z = 68. Образование этих двух химических элементов обусловлено каналами распада изотопа 164Но. Образование самого легкого изотопа Ег происходит в результате реакции 164Ег (-у-2п) 162Ег, что находится в качественном согласии с ранее проведенными исследованиями [2]. Образование изотопов Но с А < 163 в результате реакций (7-п), (7-2п) оказывается сильно подавленным, так как изотопы 16°-162Но являются ß+ -радиоактивными с соответствующими периодами полураспада 160Но (TÍ/2 = 25.6 мин), 161Но (Т1/2 = 2.48 ч), 162Но (Т1/2 = 15 мин). В результате (7-2п) образуется только один радиоактивный изотоп 163Но с большим периодом полураспада Т1/2 = 4570 лет. В связи с тем что изотопы Dy являются стабильными, их образование происходит преимущественно в результате (7-п), (у-2п) реакций. Так как канал реакции (7-р) составляет 5%, он играет существенную роль только в образовании двух изотопов — 162Dy и 164Dy.
Литература
1. Varlamov А. V., Varlamov V. V., Rudenco D.S., Stepanov M.E. II Atlas of Giant Dipole Resonance. IAEA Nuclear Data Section. Austria, Vienna, 1999.
2. Ишханов B.C., Павлов С.И. // Вестн. Моск. ун-та. Физ. Астрой. 2002. № 1. С. 21 (Moscow University Phys. Bull. 2002. N 1. P. 16).
Поступила в редакцию 03.07.03
УДК 539.17
К ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ИНВЕРСИИ НАСЕЛЕННОСТЕЙ МЕЖДУ ЯДЕРНЫМИ УРОВНЯМИ
А. В. Андреев, Р. А. Чалы
(.кафедра общей физики и волновых процессов) E-mail: andreev@srl.phys.msu.su
Рассмотрена возможная схема получения инверсии населенностей между первым возбужденным и основным состояниями ядра Ge 73, основанная на селекции ядер в первом возбужденном состоянии. Проведено моделирование динамики инверсии в этой схеме и проанализировано влияние параметров системы на инверсию населенностей.
Введение
Возможность получения инверсии населенностей между ядерными уровнями вызывает большой интерес в связи с перспективой создания усилителя или генератора направленного когерентного гамма-излучения. Для достижения инверсии необходимо обеспечить либо накачку ядер в промежуточное возбужденное состояние, либо селекцию ядер,
уже образовавшихся в возбужденном состоянии в результате различных внутриядерных процессов, например, радиоактивного распада. В настоящей работе обсуждается вторая возможность.
Для селекции ядер, находящихся в изомерных возбужденных состояниях, могут быть применены методы лазерного разделения изотопов [1-4], в которых селективность достигается за счет высокой
