Проект "Деление ядер"

Деление ядер протонами
промежуточных энергий
В. Г. Вовченко
Отчет о ходе выполнения Проекта
Декабрь 2006г.
Мотивация
 Прикладные задачи: создание управляемых
ускорителями реакторов (ADS),
трансмутация ядерных отходов.
 Информация о свойствах
высоковозбуждённых ядер.
 Имеющиеся данные по сечениям деления ядер
протонами с энергией выше 200 МэВ имеют
значительный разброс ( 238U ) или отсутствуют
(233U, 239Pu ).
Основные задачи
 Разработка методики выделения событий
деления ядер
 Создание пучков протонов переменной
энергии
 Мониторирование пучков протонов в
широком диапазоне интенсивности пучка
 Точное измерение толщины мишеней
Метод
Регистрация двух массивных осколков деления
в совпадении.
Максимально точное определение потока
протонов
Критерии отбора: 1) порог регистрации,
2) амплитудный анализ,
3) совпадения.
Схема регистрации делительных событий.
4
4
2
1
proton
beam
3
HV
HV
FA






FA

D
CDC
Amplitude 1
D
CU
Scaler
CDC
Amplitude 2
1. мишень;
2. подложка;
3. крепление
мишени;
4. ППЛС;
HV- источник
высокого
напряжения;
FA- предусилитель;
D- формирователь;
CDC преобразователь
заряд-код;
CU - схема
совпадений.
Схема эксперимента
Синхроциклотрон
Экспериментальная
установка
Бетонная защита
p

D - медный поглотитель, BM - отклоняющий магнит, C1, C2 и С3 –
коллиматоры, ML1, ML2 – дублеты квадрупольных линз
18
Характеристики протонного пучка
Интенсивность протонного пучка переменной энергии
(интенсивность пучка с Ер=1000 МэВ равна 3х1012 с-1
Е
Р
МэВ/c
1 дублет
2 дублета - А
2 дублета - Б
657
810
960
1097
1234
1345
1466
1580
1.84 E7
4.62 E7
9.69 E7
2.07 E8
2.58 E8
6.72 E8
1.00 E9
2.13 E9
4.02 E7
2.07 E8
2.37 E9
9.03 E9
3.09 E10
6.36 E7
2.49 E8
7.50 E8
2.11 E9
5.46 E9
1.41 E10
4.26 E10
1.77 E11
МэВ
207
301
404
505
612
702
802
899
Интенсивность пучка протонов, с-1
Протонная терапия
Цель:
расширение спектра
болезней, которые лечат с
помощью протонной
терапии
Требования к пучку:
Энергия Е=200 МэВ, I= 3·108 s-1,
D= 4 Гр/мин
Транспортировка пучка в зал
облучения
Параметры пучка 200 МэВ в
зале облучения ( Монте-Карло
моделирование)
Z – распределение
X-распределение
70
N
N
60
X0=-0.09
X0=-0.09
50
σx=2.1
140
120
sx=2.1
100
40
z0=0.023
Z =0.023
0
σz=1.1
s =1.1
80
z
30
60
20
40
10
20
0
0
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
-10
-8
-6
X
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Z
140
N
120
Pраспределение
100
p0=0.642
80
0
σp=0.021
sP=0.021
P =0.642
DP/P=7.7%
ΔP/P = 7.7%
60
40
20
0
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
0.65
P, GeV/c
0.7
0.75
0.8
0.85
I=8·108 р/сек
р0=643 Mev/c
σ/р0=3.5 %
Поглощенная доза
D= 12.6 Гр/мин
Схема экспериментальной установки
p
S1
S2
S3
2
4
3
1
C3
( C H 2) n
2
C1
p2
C2
p1
 1 – камера,
наполненная гептаном;
 2 – входное окно;
 3 – ППЛС;
 4 – мишень;
 S1-S3, C1-C3 –
сцинтилляционные
счетчики
Сечения деления ядер (мб)
Энергия
МэВ
239Pu
237Np
238U
235U
207
1260±126
1187± 81
1352± 68
1464±83
302
1339±134
1438± 98
1470± 68
1562±94
404
1585±158
1624± 88
1527±104
1626±138
505
1613±161
1607± 98
1491± 78
1592±102
612
1628±163
1647±100
1499± 72
1610±124
702
1700±170
1674±102
1518± 76
1620±131
802
1672±167
1629± 88
1503± 63
1571±90
899
1688±168
1673±114
1490± 63
1592±96
1000
1592±159
1568± 96
1489± 64
1591±113
Энергия
МэВ
233U
232Th
209Bi
естPb
207
1625±162
1144±90
136±13
60,5±3,5
302
1651±115
1200±91
178±17
84±4,5
404
1767±124
1236±91
207±21
110±6
505
1818±123
1239±61
227±23
118,5±6
612
1763±123
1268±80
233±23
127±6,5
702
1798±126
1285±81
235±23
132,5±9,5
802
1778±124
1247±54
229±23
131±8,5
899
1779±122
1252±58
239±24
133,5±7,5
1000
1745±122
1245±85
235±23
129±8,5
Сечение деления, мбарн
Энергетическая зависимость сечений деления
2500
2500
2000
2000
1500
1500
1000
1000
500
500
239
237
Pu (p,f)
Np (p, f)
Сечение деления, мбарн
0
0
2000
2000
1500
1500
1000
1000
500
500
238
235
U (p, f)
U (p, f)
Сечение деления, мбарн
0
0
2000
2000
1500
1500
1000
1000
500
500
233
232
U (p, f)
Th (p, f)
0
0
150
Сечение деления, мбарн
300
200
100
100
50
209
Bi (p, f)
nat
Pb (p, f)
800
1000
0
0
0
200
400
600
Энергия протонов, МэВ
800
1000
0
200
400
600
Энергия протонов, МэВ
Энергетическая зависимость сечений деления 238U
Fission cross section, mbarn
2000
1500
1000
500
238
U (p, f)
0
0
200
400
600
800
1000
Proton energy, MeV
 Черные кружки - наши данные, белые кружки - данные других работ,
пунктирная кривая - параметризация работы [2], сплошная кривая- результат
расчета в рамках каскадно-испарительной модели
Энергетическая зависимость сечений деления 232Th
Fission cross section, mbarn
2000
1600
1200
800
400
232
Th (p, f)
0
0
200
400
600
Proton energy, MeV
800
1000
Энергетическая зависимость сечений деления 233U
Энергетическая зависимость сечений деления 239Pu
Энергетическая зависимость сечений деления 209Bi
Энергетическая зависимость сечений
деления изотопов урана
Сечения деления, мб
2000
1800
1600
1400
1200
1000
200
238
400
U
235
600
U
233
U
800
Энергия протонов, МэВ
1000
Энергетическая зависимость сечений деления изотопов
свинца
Сечения деления, мб
20
18
16
14
12
10
8
6
4
208
2
Pb
207
206
Pb
Pb
0
200
400
600
800
Энергия протонов, МэВ
1000
Зависимость сечений от параметра
делимости
РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЕКТА





Впервые единой методикой измерены энеретические зависимости полных
сечений деления ядер:239Pu, 237Np, 238,235,233U, 232Th, 209Bi и Cвинца
протонами в диапазоне энергий 200–1000 МэВ с шагом 100 МэВ.
Расчеты, выполненные в рамках каскадно-испарительной модели с
использованием единого для всех ядер набора параметров, позволяют
удовлетворительно воспроизвести энергетические зависимости полных
сечений деления ядер-актинидов в измеренном диапазоне энергий.
Сечения деления для изотопов урана во всем диапазоне энергий
демонстрируют рост сечений при переходе от ядра 238U к более легким
изотопам. Подобная зависимость характерна и для изотопов свинца.
Полные сечения деления ядер в области насыщения (400–1000 МэВ)
являются растущей функцией параметра Z2/A мишени только до ядра 233U, в
то время как сечения деления ядер 237Np и 239Pu примерно равны сечению
деления ядра 235U.
На синхроциклотроне ПИЯФ создан пучок протонов переменной энергии от
200 до 1000 МэВ, который может использоваться в целях:

1) прецизионные измерения ядерных констант;

2) изучение зависимости от энергии радиационных дефектов в
полупроводниковых приборах и других материалах, применяемых в
аэрокосмических аппаратах и ядерных технологиях;

3) лечение больных методикой протонной терапии.
Участники Проекта
 ПИЯФ РАН
 Группа нуклон – ядерных взаимодействий: В.Г.
Вовченко, В.В.Поляков, Г.Е.Солякин, О.Я.Федоров,
Ю.А.Честнов, А.В.Шведчиков
 Лаборатория мезоатомов: А.А.Котов, Л.А.Вайшнене,
Ю.А.Гавриков, А.И.Щетковский
 Ускорительный отдел: Г.А.Рябов, Н.К.Абросимов,
Е.М.Иванов
 Лаборатория радиационной физики: М.Г.Тверской
Счет
Зависимость эффективности регистрации ППЛС
осколков деления и альфа-частиц от приложенного
напряжения
Напряжение, В
Кластерное деление
238
232
Число осколков
U
400
350
300
250
2
R = 0,99
200
150
Th
100
80
60
40
2
R = 0,98
Число осколков
100
20
50
0
80
100
120
140
160
200
80
100
120
140
250
200
150
150
100
100
2
R = 0,99
50
0
0
80
100
120
Масса осколка, а.е.м.
2
R = 0,99
50
140
0
60
80
100
120
Масса осколка, а.е.м.
140