CC BY
24
УДК 539.17 Вестник СПбГУ. Сер. 4,2007, вып. 1
В. И. Жеребчевский, В. фон Оертцен*\ К. А. Гриднев, Д. В. Каманин ТРОЙНОЙ КЛАСТЕРНЫЙ РАСПАД ЯДЕР "гп**'
Введение. В ядерных реакциях, происходящих под действием тяжелых ионов с образованием компаунд-систем с массовыми числами Ас» < 60, большую роль играют процессы распада этих систем на два возбужденных осколка, с последующей эмиссией легких заряженных частиц из них. Интерес представляет изучение различных форм деформаций (супердеформации и гипердеформации) делящейся системы. Для гипердеформированных состояний ядер средней группы масс может наблюдаться распад на два осколка и кластер, в основном содержащий а-частицы. Как показали расчеты, при больших переданных угловых моментах достигается линейная конфигурация между двумя осколками и сформировавшимся кластером [1], что и является, в действительности, коллинеарным кластерным распадом.
Применяя расчеты, основанные на модели жидкой капли [2], было установлено, что вероятность такого тройного деления из гипердеформированных состояний может увеличиваться за счет понижения соответствующего барьера деления при больших угловых моментах. Понижение барьера деления может также происходить, если учесть оболочечные поправки. Такие расчеты, основанные на методе Нильссона-Струтинского [3], показывают, что системе энергетически выгоднее испытывать квадру-польную деформацию при соотношении полуосей 3:1 для гипердеформированных конфигураций. В этих состояниях барьер деления на несколько мегаэлектронвольт ниже, чем барьер деления, рассчитанный по модели жидкой капли. В дальнейшем покажем, что тройной кластерный распад компаунд-системы будет конкурировать с чисто бинарным распадом (распад на два осколка) благодаря формированию гипердеформированных состояний в делящейся системе.
Методика эксперимента. Был изучен коллинеарный кластерный распад компаунд-ядра 60Zn, сформированного в реакции 36Ar + 24Mg, где ядра 3 Аг с энергией = 195 МэВ бомбардировали магниевую мишень толщиной 100 мкг/см". Максимальный угловой момент для 60Zn, согласно [4], составляет J = 48 и в данной реакции достигается за счет большой переданной энергии. Эксперимент проводился в Берлине, в Институте Гана и Майтнер (Hahn-Meitner Institut) с использованием спектрометра бинарных реакций (БРС) [5, 6]. В установку БРС входили два детекторных модуля (данные модули обозначены как детектор 3 и детектор 4 соответственно), расположенных по обе стороны по направлению пучка. Каждый из них включал в себя плоскопараллельные позиционно чувствительные многопроволочные счетчики низкого давления и расположенные за ними брэгговские ионизационные камеры (БИК). Многопроволочными счетчиками регистрировались координаты попадания частиц в детектор, а также с них снимался временной сигнал. Для образовавшихся в результате деления 60Zn тяжелых фрагментов определялось время пролета и угловые координаты 9 и ф. С помощью БИК измерялась энергия, потерянная частицей в объеме камеры, и высота брэгговского пика (БП). Из амплитуды сигнала можно извлекать информацию о заряде, а из его интеграла - энергию регистрируемой частицы, т. е., используя брэгговскую спектроскопию, можно уверенно разделять фрагменты ядерных реакций с зарядом Z от 6 до 18. Таким образом, при помощи БРС имелась возможность зарегистрировать 2 тяжелых фрагмента в совпадении, установив их время пролета, энергию, углы 93, 94 и фЗ, ф4, характеризующие разлет фрагментов соответственно в плоскости пучка и вне нее.
В рассматриваемом случае для реакции 36Ar + 24Mg —* (компаунд 60Zn ) —* (А/3, Z3) + (AZ) + (Л/4, Z4) оба тяжелых фрагмента с массами (Мл,, М4) и зарядами (Z3, Z4) регистрировались в кинематических совпадениях, а идентификация данных ядер производилась по их заряду. Все экспериментальные события, соответствовавшие выбранному заряду (Z), отбирались с помощью специальных «ворот», установленных на распределение БП - энергия Е (рис. 1). Используя «ворота» для различных Z, а также корреляцию между зарядами, полученными в разных детекторах, можно достаточно четко выделить выходные каналы, соответствующие как чисто бинарному распаду, так и тройному делению
Институт Гана и Майтнер. Берлин, Германия.
В. И. Жеребчевский благодарит Немецкое Общество Академических Обменов (DAAD) за предоставленный грант (фант № А/05/00021, Bonn, Germany).
© В. И. Жеребчевский, В. фон Оертцен, К. А. Гриднев, Д. В. Каманин, 2007
компаунд-системы. Эти каналы определяются как сумма зарядов регистрируемых фрагментов: 2 = + 2а, , т. е. + 2ц = ZcN - Д-^, где - заряд образовавшегося в результате реакции компаунд-ядра (602п) и дг- заряд так называемой «потерянной массы», в изучаемом случае это а-частицы, которые не регистрировались в эксперименте. Таким образом, приняв во внимание, что «потерянный» заряд есть Ь.2 = 2си - (23 + 24), можно с его помощью произвести классификацию каналов распада по количеству испускаемых а-частиц (А2 = 0 - чисто бинарный распад, А2 = 2 - распад с испусканием 1а-частиц, Дг = 4 - с испусканием 2а-частиц и т. д) и делать выводы о динамике делительных процессов в представленной реакции.
- Совпадения в детекторе 3
2= 12
; '.....#
ШШг
■■.Я?:.?."-
X •
Ж--
«Л'.''.
БП
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
300 600 900 1200 1500 1800 2100
Е, каналы
Рис. 1. Зависимость БГ1 от энергии Е.
С помощью «ворот», установленных на заряд = 18 в детекторе 4, получены все совпавшие с ним заряды в детекторе 3.
■ ЯП'- ■■• Ж
•л..".*. ...л'-,. V • . >.Л
"'
■м
.к
.^■2 = 6 «Ворота», установленные х-- 2800 на 2= 18, в детекторе 4
2= 18
Результаты эксперимента и их обсуждение. После разделения каналов с помощью (Z3-Z4) корреляций были получены интересные результаты для угловых распределений, характеризуемых углами фЗ и ф4, лежащими вне плоскости пучка (фЗ-ф4 корреляции). Как и предполагалось для чисто бинарного распада (AZ= 0), в фЗ-ф4 распределении наблюдается узкий пик относительно 180° и небольшая широкая часть в основании, связанная с испарением нейтронов из фрагментов деления (см. рис. 2, а). Для других каналов деления, характеризуемых эмиссией 1а-, 2а-, За-частиц (AZ= 2, 4, 6), мы ожидали уширения углового распределения фЗ-ф4 с ростом AZ. Это утверждение хорошо согласуется с данными эксперимента для процессов деления с испусканием la-частицы, где AZ = 2 (рис. 2, б). Но для процессов с AZ = 4, 6, 8 имеем 2 компоненты, где основная из них - узкая, как а случае чисто бинарного распада, а другая - широкая, которая находится в основании углового распределения (рис. 2, в-д), причем ее ширина растет с увеличением AZ. Возникновение всех указанных компонент можно объяснить различными механизмами распада компаунд-системы. Дело в том, что распад ядра 60Zn имеет несколько выходных каналов:
1) распад компаунд-системы только на два фрагмента (Z3 + Z4 = ZCN). Это позволяет получить узкий пик в корреляции фЗ-ф4 относительно 180°;
2) процесс деления, когда от 1 а- до 4а-частиц испускается из ускоренных фрагментов. В импульсном пространстве фрагменты после некоррелированной эмиссии а-частиц будут иметь кинематический конус рассеяния, что приведет к увеличению ширины фЗ-ф4 распределения относительно 180°. Это отчетливо проявляется для распределения при AZ= 2 (см. рис. 2, б) и для нижней части распределений с AZ = 4, 6, 8 (см. рис. 2, в-д);
3) тройное деление из гипердеформированных состояний при больших переданных угловых моментах. После образования двух осколков в области «шейки» формируется а-кластерная структура, состоящая из 2а- или За-частиц, которая испускается «назад» одним из движущихся фрагментов. В системе центра масс компаунд-ядра такая структура имеет очень незначительный импульс и можно говорить о том, что она неподвижна. Таким образом, узкая компонента в распределении фЗ-ф4 (см. рис. 2, в-д) около 180° может быть отождествлена с процессом тройного деления, так как
Счет
Z 14 + Z 12
I.
^ Ч^Ширина 15
150 160 170 180 190 200 210 Углы фЗ - ф4
150 160 170 180 190 200 210 [50 160 170 180 190 200 210 Углы фЗ - ф4 Углы фЗ - ф4
Рис. 2. фЗ - ф4 угловые корреляции для различных зарядовых комбинаций.
а - бинарный распад (Д2 = 0, 214 + 216); б - бинарный распад с испусканием 1а-частицы (Д2 = 2, 214 + 214); в - распад с испусканием 2а-частиц (Д 2= 4, 214 + 212); г - распад с испусканием За-частиц (Д2= 6, 214 + 210 ); д - распад с испусканием 4а-частиц (Д 2 = 8,214 + 28).
Счет 1500 ' 1200 900-600' 300 ■ 0
а-кластерная структура остается неподвижной в системе центра масс и сумма углов фЗ и <р4 становится равной 180°.
После рассмотрения ф-корреляций следует упомянуть вопрос о примесях в мишени. Дело в том, что выявленный эффект (узкие пики в фЗ-ф4 распределении для А2 = 4, 6, 8) мог быть объяснен не только как коллинеарный кластерный распад компаунд-ядра но и как бинарный распад компаунд-системы, сформированной в реакции 36Аг + |бО для А2 = 4 и 3бАг + ,2С для А2 = 6. В данном случае ядра 160 и 12С являются примесями, присутствующими в магниевой мишени. Оценка вероятности взаимодействия указанных ядер с частицами пучка позволит точно установить природу возникновения узких пиков в фЗ-ф4 угловом распределении и сделать правильные выводы о механизме распада компаунд-системы, образованной в реакции с 36Аг. Было найдено три доказательства того, что представленная реакция идет не на ядрах ,бО или ,2С, а в основном на ядрах 24М^.
Доказательство 1. Оценим толщину мишени, предположив, что основу ее составляют ядра кислорода. Используя отношение дифференциального сечения реакции (для узкого пика в фЗ - ф4) при А2 = 4 (т. е. считая, что данный пик возникает в результате реакции 1бО с пучком ) к дифференциальному сечению реакции при А2 = 0 (здесь принималось во внимание, что это бинарная реакция на ядрах мишени 24К^), было оценено количество кислорода, необходимое для образования узкого пика при А2 = 4 (см. рис. 2, в). Как оказалось, кислорода получилось в 2 раза больше, чем реально возможно для полностью окислившейся магниевой мишени. Это говорит о том, что реакция идет на ядрах мишени из 24М§, а не на кислороде, который мог бы содержаться в мишени.
Доказательство 2. Проведем анализ отношений дифференциальных сечений реакций для выбранных зарядовых комбинаций при различных А2. Из фЗ-ф4 угловых распределений (см. рис. 2, а, б) было посчитано отношение дифференциального сечения для бинарного процесса с последующим испусканием 1а-частицы ( Аг + " —» " + " + 1а) к дифференциальному сечению чисто бинарного процесса (36Аг + 241^ —» 2851 + ^Б). Было найдено, что сечение процесса с эмиссией 1а-частицы (см. рис.2, б) в 8 раз выше, чем для чисто бинарной реакции (см. рис. 2, а). Далее рассмотрим фЗ - ф4 распределение для А2 = 4. Если узкий пик здесь возникает благодаря бинарной реакции
36Аг + ,бО
2851 + 24Р^, то для последующего процесса с испусканием 1а-частицы: 36Аг + |60 —► 2881 + 20№ + 1а, широкая компонента (характеризует процесс статистической эмиссии 1а-частицы из ускоренных фрагментов) при А2 = 6 (см. рис. 2, г) должна быть по крайней мере в 8 раз больше (как описано выше для процесса с испусканием 1а-частицы). Экспериментальные результаты показывают обратное. Ши-• рокая компонента достаточно мала. Она в 10 раз меньше соответствующей узкой компоненты при А2 = 4. Это говорит о том, что в данном случае преобладает реакция 36Аг + 24Р^. Аналогичную аргументацию можно привести и для углерода в мишени. Здесь бинарный распад будет давать узкий пик при А2= 6 (см. рис. 2, г), а следующий за ним процесс с испусканием а-частицы - широкую часть при А2 = 8 (см. рис. 2, д). После соответствующих вычислений можно сделать вывод, что вклад от реакции 36Аг + '2С будет достаточно мал.
Доказательство 3. Определим ширину фЗ-ф4 распределений. Для бинарных распадов (реакция на мишени) с последующим испусканием а-частиц наблюдается увеличение ширины пиков в фЗ-ф4 угловом распределении с увеличением «потерянного» заряда А2. Это хорошо видно для А2 - 2 и широкой части в фЗ - ф4 распределении при А2 = 4, 6, 8. Ширина возрастает с 9 до 25°. Это фактически показывает, что широкая компонента связана с реакциями 36Аг + 24М§ —» 2851 + 24Р^ (20№) + 2а (За), где а-частицы испускаются из ускоренных возбужденных фрагментов.
Были также проведены исследования выходов продуктов реакции для бинарных и тройных кластерных распадов компаунд-системы (рис. 3, а, б). Построена систематика выходов двух образовавшихся фрагментов как функция зарядовой асимметрии при различных значениях «потерянного» заряда. Отбирались события, соответствовавшие широкой (см. рис. 3, а) и узкой частям распределения фЗ-ф4 (см. рис. 3, б). В обоих случаях наблюдается четно-нечетный эффект, где сечения образования четных фрагментов больше, чем нечетных. Объясняется это тем, что энергия реакции для нечетно-нечетных комбинаций детектируемых фрагментов на 5-10 МэВ меньше, чем для четно-четных. Таким образом, данные фрагменты будут достаточно «холодными» (по сравнению с четными осколками), что и затрудняет их последующий распад.
Z3
Рис. 3. Дифференциальное сечение выходных каналов распада ядра 60Zn как функция заряда детектируемых фрагментов для бинарного распада с эмиссией а-частиц (широкая компонента в фЗ - ф4 распределении) (а) и для тройного кластерного распада (узкая компонента в фЗ - ф4 распределении) (б).
а: /-бинарный распад (AZ = 0), 2 - бинарный распад с испусканием la-частицы (AZ = 2), 3 - бинарный распад с испусканием 2а-частиц (AZ = 4), 4 - бинарный распад с испусканием За-частиц (Д2 = 6), 5 - бинарный распад с испусканием 4а-частиц (AZ = 8); б: / - распад с испусканием 2а-частиц (AZ = 4), 2 - распад с испусканием За-частиц (AZ = 6).
Заключение. Настоящая работа показывает, что узкие и широкие корреляции в фЗ - ф4 распределении могут быть объяснены с помощью двух различных механизмов распада ядра 60Zn. Уникальные свойства описанной выше экспериментальной установки позволили всесторонне изучить процессы распада компаунд-системы, образованной в реакции 36Ar + 24Mg, и сделать вывод о том, что процессы тройного деления с образованием а-кластера реализуются благодаря формированию вытянутой ги-пердеформированной конфигурации, которая возникает в результате распада ядер 60Zn при больших переданных угловых моментах.
Авторы благодарят Б. Гебауэра (В. Gebauer), С. Тюммерера (S. Thummerer), К. Шульца (Ch. Schulz) за их огромный вклад в создание детекторной системы и помощь при анализе экспериментальных данных.
Summary
Zherebchevsky V. /., von Oertzen W., Gridnev K. A., Kamanin D. V. Ternary cluster decay of 6!lZn nuclei.
The binary and ternary cluster decay from hyper-defonned states in 60Zn compound nuclei at high angular momentum, fonned in the ,flAr + 24Mg reaction are studied. The experiment is performed with a unique charged particle detector set-up, for the registration of binary coincidences in the present reaction. The yields of the binary and non-binary channels with missing charges up to Z = 18 are determined. We observed very narrow out-of-plane angular correlations for two heavy fragments emitted in either purely binary events or in events with a missing charge consisting of 2a- and За-particles. The latter correlations are interpreted as ternary fission decay from compound nuclei at high angular momentum through an elongated (hyper-deformed) shape with very large moment of inertia, where the a-c luster in the neck region remains at rest or with very low momentum in the center of mass.
Литература
1. Wiebecke H. J., Zhukov M. II Nucl. Phys. 1981. Vol. A 351. P. 321-348. 2. Rover G. II J. Phys. 1995. Vol. G 21. P. 249-255. 3. Ragnarsson /., Nilsson S. G., Sheline R. К. // Phys. Rep. 1978. Vol.' 45. P. 1-89. 4. Beck C, Szanto de Toledo A. II Phys. Rev. 1996. Vol. С 53. P. 1989-1994. 5. Gebauer В., von Oertzen W„ Thummerer S. et al. // Proc. Intern. Conf. on the Future of Nucl. Spectroscopy. Crete, Greece, 1993. P. 168-172. 6. Gebauer В., von Oertzen W., Schulz Ch. et al. // Achievements with the Euroball spectrometer/ Eds.: W. Korten, S. Lunardi. Berlin, 2003. P. 135- 142.
Статья принята к печати 19 сентября 2006 г.
