сечения деления 233 u протонами и нейтронами

Исследование процесса деления ядер
протонами и нейтронами промежуточных
энергий
Л.А.Вайшнене, В.Г.Вовченко
План
1.Основные результаты, полученные на протонах с Еp 200-1000 МэВ
2. Оценка сечений деления ядер-актинидов нейтронами с Еn> 200 МэВ
3. Возможности создания нейтронных пучков с энергией от 200 до
1000 МэВ
4. Измерение характеристик деления ядер-актинидов:
а/ Измерение полных сечений деления нейтронами с Еп> 200 МэВ
б/ Измерение массовых распределений осколков деления протонами с
энергией в интервале 200-1000 МэВ
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
3
Импульсный спектр протонов pC, 12, 1 GeV
d/(d dP), отн. ед.
В качестве примера спектра вторичных протонов приведен
спектр протонов, полученный при создании пучка
поляризованных протонов.
18
16
p<p,n>
14
12
10
8
pC
6
p<p,n>
4
2
0
0.8
P, GeV/c
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
Р-импульс в лаб. с.
1.6
1.7
Спектры протонов, рассеянных на ядрах
под углом 12град. Ер=660 МэВ
ПОЛНЫЕ СЕЧЕНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НУКЛОНОВ
.
Ф.А. Arndt et al.
Полные сечения, мб.
140
120
100
80
pp
60
np
40
20
0
500
1000
1500
2000
Ek, МэВ
Неупругое взаимодействие протонов с ядрами
350
500
Полные сечения неупругого взаимодействия, мб
300
250
400
200
300
150
27Al
200
100
100
50
0
0
0
500
1000
1500
2000
0
1200
1600
1000
1400
500
1000
1500
2000
1000
1500
2000
1000
1500
2000
1200
800
1000
600
800
64Cu
119Sn
600
400
400
200
200
0
0
0
500
1000
1500
2000
0
500
2500
2000
2000
1500
1500
207Pb
1000
238U
1000
500
500
0
0
0
500
1000
1500
2000
0
500
Энергия нуклонов, МэВ
Сечения деления ядер. Используя модель описания сечений
неупругого взаимодействия нуклонов с ядрами, грубо деление ядер
можно свести к двум последовательным процессам – возбуждения
ядра и его деления:
f (E,A,Z)=in(E,A,Z) f(E,x),
где функция f(E,x) -делимость ядра с параметром делимости x=
Z2/A.
На следующем слдйде представлена оценка делимости для 8
ядер, измеренных в ПИЯФ, когда полные сечения измерялись с
одновременной регистрацией двух массивных осколков на
совпадения.
. Энергетическая зависимость делимости ядер
Pu.239
Np.237
U.238
U.235
U.233
Th.232
Bi.209
Pb
1.0
Делимость ядер
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
200
400
600
800
1000
E , МэВ
СЕЧЕНИЯ ДЕЛЕНИЯ ЯДЕР АКТИНИДОВ
ПРОТОНАМИ И НЕЙТРОНАМИ
1400
1800
1200
1600
1400
1000
1200
800
1000
600
800
400
400
200
200
0
0
0
200
400
600
800
1000
1800
Сечения деления, мб
233U(2)
600
232Th(2)
0
200
400
600
800
1000
600
800
1000
600
800
1000
1800
1600
1600
1400
1400
1200
1200
1000
1000
800
800
235U(1,2)
600
238U(1,2)
600
400
400
200
200
0
0
0
200
400
600
800
1000
1200
0
1800
1800
1600
1600
1400
1400
1200
1200
1000
1000
800
200
400
800
237Np(1)
600
400
600
239Pu(1)
400
200
200
0
0
0
200
400
600
800
1000
0
200
400
Сечения деления, мб
СЕЧЕНИЯ ДЕЛЕНИЯ 238U
ПРОТОНАМИ И НЕЙТРОНАМИ
238U(1,2)
Полные сечения деления ядра 238U протонами (сплошная
линия с коридором ошибок) и нейтронами (точечная линия).
Экспериментальные данные, соответственно, черные точки
и светлые квадраты.
МэВ
Сечения деления, мб
СЕЧЕНИЯ ДЕЛЕНИЯ 233U
ПРОТОНАМИ И НЕЙТРОНАМИ
233U(2)
Полные сечения деления ядра 233U протонами
(сплошная линия с коридором ошибок) и нейтронами
(точечная линия).
Экспериментальные данные, соответственно, черные
точки и светлые квадраты.
МэВ
Сечения деления, мб
СЕЧЕНИЯ ДЕЛЕНИЯ 239Pu
ПРОТОНАМИ И НЕЙТРОНАМИ
239Pu(1)
Полные сечения деления ядра 239Pu протонами
(сплошная линия с коридором ошибок) и
нейтронами (точечная линия).
Экспериментальные данные, соответственно,
черные точки и светлые квадраты.
МэВ
СХЕМА ВЫВОДА НЕЙТРОННОГО ПУЧКА ИЗ СП-40

Cu (Be)
950
1350
Спектры нейтронов под углом Lab=7.5
Eр=1000 МэВ
900
d2/d/dT, мб/стр/МэВ
800
64Cu
700
600
500
9Be
400
300
200
100
0
300
400
500
600
700
800
900
1000
Энергия нейтронов, МэВ
1100
1200
Спектры нейтронов под углом Lab=11.3
Eр=1000 МэВ
600
64Cu
d2/d/dT, мб/стр/МэВ
500
400
300
9Be
200
100
0
300
400
500
600
700
800
900
1000
Энергия нейтронов, МэВ
1100
1200
Параметры нейтронного пучка
•
•
•
•
•
•
•
1. Возможный поток нейтронов на мишени регистрирующей аппаратуры в
ΔEn≈ 100 МэВ:
НО-М
En=450 МэВ
En=900 МэВ
Y1
Y2
Be σpBe
19∙10-27
20∙10-27
~5∙105
~2,5∙105
Cu σpCu
47∙10-27
38∙10-27
~10.5∙105
~5∙105
2. Вредный фон: γ- фон, фон медленных нейтронов (сечение деления велико).
Методы борьбы: а) конвертор (Pb) и очищающий магнит, б) тщательный
отбор по времени пролета.
Л.Вайшнене
Преимущества ППЛС:
1. Высокая эффективность регистрации осколков;
2. Хорошие временные характеристики
3. Нечувствительность к легким частицам и в связи с этим
возможность использования их в прямом пучке.
Схема регистрации делительных событий.
4
4
2
1
proton
beam
3
•
•
•
•
•
HV
HV
FA
FA
D
D
•
•
CDC
Amplitude 1
CU
Scaler
CDC
Amplitude 2
1. мишень;
2. подложка;
3. крепление
мишени;
4. ППЛС;
HV- источник
высокого
напряжения;
FP- предусилитель;
D- формирователь;
CDC преобразователь
заряд-код;
CU - схема
совпадений.
Счет
Зависимость эффективности регистрации ППЛС осколков деления и
альфа-частиц от приложенного напряжения
Напряжение, В
Амплитудные спектры деления
238U
1000
Amplitude 2
800
600
400
200
0
0
200
400
600
800
1000
1500
1750
a)
Amplitude 1
600
Count of events
500
400
300
200
100
0
0
250
500
750
1000
1250
Sum of amplitudes
2000
b)
3 критерия отбора:
1. Пороговый критерий;
2. Критерий совпадений;
3. Критерий полной кинетической энергии
Схема установки для измерения деления ядер
протонами и нейтронами
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 –
сцинтилляционне
счетчики
Ne
b e utr
a m on
Двухплечевой времяпролетный
спектрометр
Vacuum
chamber
Thin entrance
window
PPAC
(”start”)
U-target
Th-target
Thin entrance
window
PPAC
(”stop”)
Bragg-PPAC
chamber
• Предназначен для
измерения энергии и
массы осколков
деления.
Стартовый детектор
Камера Брэгга
Общий вид двухплечевого пролётного
спектрометра
Схема эксперимента
и
Блок-схема электроники
Схема эксперимента
стоп ППЛС1
старт ППЛС
стоп ППЛС2
Брэгговская
камера 2
Брэгговская
камера 2
Дискриминатор
ны
Усилитель
БУ
он
БУ
БУ
БУ
Дискриминатор
Усилитель
ей
тр
БУ
й
пу
чо
к
Мишени
Н
Зал эксперимента
Дискриминатор
стоп 1
стоп 2
старт
Задержка
Модуль
совпадения
Разветвитель
NIM или
КАМАК
CAMAC
контроллер
Flash
ADC
------
-----стоп
вход
USB
ПК
крейт КАМАК
Сбор данных
Триггер
Задержка
TDC
-----старт
TDC
-----старт
Задержка
стоп
стоп
Задержка
Зедаржка
Flash
ADC
-----старт
стоп
Форма импульсов с камер Брэгга
время
Двухмерное распределение событий,
зарегистрированных камерами Брэгга
Двухмерное распределение событий, зарегистрированных
камерами Бэгга
• X- масса осколков (а.е.м.)
• Y- параметр формы кривой Брэгга
Массовое распределение осколков
деления
•
Преимущества данной установки
1. Совмещение стартового детектора и мишени позволяет отказаться от
использования отдельного "старт"-детектора, что дает возможность существенно
уменьшить расстояние до конечного Брэгг-ППЛС детектора, не уменьшая
времяпролетной базы, а также максимально минимизировать энергетические
потери осколков на пути их регистрации.
2. Применение Брэгг-ППЛС детектора, принцип действия которого (в отличие от
традиционных кремниевых детекторов) позволяет создать детектор большой
площади, что обеспечит большой телесный угол регистрации осколков и
приемлемую скорость набора событий.
3. Одновременное использование двух мишеней делящихся веществ позволяет
существенно снизить время набора необходимой статистики при тех же затратах
ускорительного времени.
Схема эксперимента
Синхроциклотрон
Экспериментальная
установка
Бетонная защита
18
p
•
D - медный поглотитель, BM - отклоняющий магнит, C1, C2 и С3 –
коллиматоры, ML1, ML2 – дублеты квадрупольных линз
Характеристики протонного пучка
Е
МэВ
207
301
404
505
612
702
802
899
Интенсивность протонного пучка переменной энергии
(интенсивность пучка с Ер=1000 МэВ равна 3х1012 с-1)
Р
Интенсивность пучка протонов, с-1
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
Параметры нейтронного пучка
НОМ
Be
Cu
En=450 МэВ (Δ En≈100 МэВ)
σpBe
σpCu
19∙10-27
47∙10-27
20∙10-27
38∙10-27
En=900 МэВ (Δ En≈100 МэВ)
I2
3 ÷2∙105
7 ÷5∙105