Исследование свойств нуклидов в диапазоне массовых чисел А=80-86, представляющих астрофизический интерес тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Воробьев, Глеб Константинович

• Воробьев, Глеб Константинович
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Воробьев, Глеб Константинович

Введение.

Глава 1. Некоторые аспекты астрофизики:

1. Нуклеосинтез во вселенной: s - процесс. г - процесс. гр - процесс.

2. Проблема солнечных нейтрино:

Хлорный детектор.

Галлиевый детектор.

Детектор KAMIOKANDE.

Бромовый детектор.

Глава 2. Методы получения экзотических ядер.

Глава 3. Методы получения вторичных радиоактивных пучков.

Глава 4. Описание установки IGISOL:

Схема установки.

Остановка ионов в газе.;

Некоторые аспекты газодинамики

Сохранение ионов в газе..;

Off-line тестирование газовой ячейки.

Глава 5. On-line эксперименты:

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование свойств нуклидов в диапазоне массовых чисел А=80-86, представляющих астрофизический интерес»

Экспериментальные методы. 53

Результаты экспериментов:60

А = 80. 61

А = 81. 67

А = 84. 72

А = 85. 74

А = 86. 80

Заключение.82

Литература88

Введение

Одним из основных мотивов развития физики ядра становится задача осознания богатства всей таблицы нуклидов как ступенек в творении окружающего мира. В настоящее время мы можем судить о том, как устроена Вселенная вплоть до масштабов расстояний порядка 15 млрд световых лет. То, что мы видим - это области очень компактной концентрации материи (горящие и угасшие звезды вместе с планетными системами, объединенными в галактики) и огромные пространства "пустоты" между ними, заполненнные излучением и нейтрино. Вещество концентрируется в звездах и планетах, главным образом, в виде атомных ядер химических элементов с различным числом Ъ протонов и N нейтронов от водорода до урана. Все разнообразие ядерного состава Вселенной сводится примерно к 300 нуклидам, и современный уровень науки позволяет описать историю появления этих нуклидов и их распространенность. Радиоактивные ядра, резонансные состояния ядер - не просто шлейф отходов при работе звездных реакторов, взрывов звезд, а необходимые "станции ожидания" для генерации стабильных ядер [1].

Ядерная астрофизика и ядерная физика развиваются рука об руку. Первая формулирует проблемы и находит ответы во второй в экспериментах, проводимых в лабораторных условиях. В то же время, исследования ядер, лежащих в области границы нуклонной стабильности, сформировали в последние годы актуальное направление исследований - физику ядер с экзотической структурой. Современная ядерная физика движется в сторону исследования свойств ядерной материи во все более экстремальных условиях: очень малого времени жизни, высокой плотности, высокой температуры, высокой степени ионизации, состояниям с большими угловыми моментами, то есть условиях, возникающих в астрофизической среде.

Возможности для таких экспериментов значительно расширились с использованием пучков радиоактивных ядер. Это направление исследований стимулировало в свою очередь строительство новых уникальных ускорителей, создание новых экспериментальных методов детектирования продуктов реакций и развитие прецизионной техники детектирования отдельных атомов, измерение масс ядер с точностью Am/m ~ 10'7. Эксперименты с пучками ядер, ускоренных до энергии порядка нескольких ГэВ, признаются одним из наиболее перспективных путей исследования основных свойств экзотических радиоактивных ядер.

Развитие техники эксперимента привело ко многим открытиям в областях, близких к границам нуклонной устойчивости, представляющих интерес, как для ядерной физики, так и для астрофизики.

• Обнаружены новые типы радиоактивного распада - протонная, двупротоннная и кластерная радиоактивности.

• Открыты ядерные состояния за границами нуклонной стабильности, проявляющиеся в виде резонансных состояний.

• Обнаружены гало-ядра - состояния ядерной материи, при которых нейтронное облако простирается на расстояния большие, чем радиус ядра, определяемый формулой R=1.3A1/3.

• Открыты новые сверхтяжелые ядра, существенно расширившие границы известных химических элементов.

• Получили подтверждение магические числа долины стабильности, в то же время были обнаружены случаи, когда эти магические числа «размываются» за пределами этой долины.

• Обнаружены новые области деформированных ядер.

В то же время, многие проблемы ждут своего решения.

• Остается открытым вопрос о том, как меняется нуклон-нуклонное взаимодействие в ядерной среде с необычным нуклонным составом.

• Новые экспериментальные результаты поставили перед теорией проблему - насколько надежно можно экстраполировать параметры моделей, полученные для ядер долины стабильности, в область ядер, сильно перегруженных протонами или нейтронами. Известны случаи, когда такая экстраполяция оказывается несостоятельной.

• Исследование свойств полностью ионизованных атомов выявило ряд новых проблем в астрофизических исследованиях.

Как видно, изучение структуры ядер вызывает несомненный и глубокий интерес у ядерной астрофизики. Для описания особенностей протекания процессов нуклеосинтеза необходима информация о временах жизни, массах ядер, знание схем распада, сечений захвата нуклонов, вероятности испускания запаздывающих частиц для нуклидов, занимающих весьма обширные области на нуклидной карте. В то же время, имеются области нуклидов и отдельные ядра, которые играют ключевую роль в описании тех или иных астрофизических процессов. К ним относятся нуклиды, располагающиеся непосредственно на пути этих процессов. Расчет пути процессов основывается на использовании "сетки" данных [2], полученных из анализа свойств нуклидов и сечений реакций захвата, ответственных за протекание процессов. В случае взрывных процессов (г и гр) в расчет вовлечены основные состояния ядер, которые частично известны, или неизвестные нуклиды, свойства основных состояний которых могут быть предсказаны. Однако на пути процессов могут быть изомерные состояния, экспериментально еще не обнаруженные, которые трудно предсказать, но которые могут существенно изменить характер процесса. Поэтому, поиск изомерных состояний нуклидов, лежащих на пути г и гр - процессов, представляется весьма важным.

Настоящая работа посвящена ядерной спектроскопии нуклидов, расположенных на пути астрофизического гр-процесса. Получение и выделение этих ядер в лабораторных условиях является непростой научно-технической задачей, включающей необходимость исследования возможностей установки, на которой ставятся эксперименты, с целью создания оптимальных условий для синтеза этих экзотических объектов.

Информация об экзотических ядрах, охваченных гр - процессом в области массовых чисел А > 80, весьма скудная, и там, где она имеется, получена, как правило, одной экспериментальной группой и требует подтверждения. Так возникает насущная необходимость ревизии основных свойств ядер - таких, как период полураспада, основные моды распада, особенно связанные с разрядкой по каналу испускания электронов, запрещенному в звездных условиях. Поиск долгоживущих изомерных состояний, как уже отмечалось выше, и исследование их свойств является ключевым и весьма актуальным в настоящее время.

В первой главе диссертации представлено краткое изложение современных взглядов и сведений о синтезе ядер (нуклеосинтезе) в процессе рождения и эволюции звезд. Прогресс в этой области науки связан с достижениями физики ядра и элементарных частиц. Наиболее интересным для нас являются различные аспекты протекания гр-процесса в области элементов за железным пиком, а также вопросы, связанные с регистрацией солнечных нейтрино.

Во второй главе диссертации приведен обзор различных реакций, используемых для получения экзотических ядер. Наибольший интерес для нас представляет реакция слияния средних ядер с последующим охлаждением составного ядра, как основной механизм получения исследуемых нуклидов.

В третьей главе приведено краткое сравнение методов синтеза радиоактивных ядер и описывается установка IGISOL (Ion Guide Isotope Separator On-line) как промежуточный вариант ISOL - системы и метода сепарации на лету.

Четвертая глава посвящена подробному описанию установки IGISOL, дается описание основных процессов, происходящих с ионами в газе. Приводятся результаты тестовых экспериментов, выполненных диссертантом на установке, делаются выводы о применимости и способах улучшения эффективности работы газовой ячейки, используемой для термализации продуктов реакции и "выравнивания" их ионизации.

В пятой главе приведены результаты экспериментов по изучению схем распада нейтронодефицитных ядер в области массового числа А ~ 80. Все эксперименты проводились на установке IGISOL в Финляндии. Набранный материал упорядочен по возрастанию массовых чисел изучаемых нуклидов.

В заключении приводятся основные результаты исследований, выставляемых на защиту.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Воробьев, Глеб Константинович

Основные результаты, представленные в диссертации опубликованы в следующих работах:

1. J. Huikari, P. Dendooven, R. Béraud, Yu. N. Novikov, Ch. Miehe, M. Oinonen, A. V. Popov, J. Âystô, P. Baumann, G. Canchel, Ph. Dessagne, A. Emsallem, W. X. Huang, A. Jokinen, A. Knipper, V. Kolhinen, A. Nieminen, H. Penttila, K. Perâjârvi, I. Piqueras, S. Rinta—Antila, D. M. Seliverstov, J. Szerypo, G. K. Vorobiev. Y. Wang. "Studying exotic nuclides close to the N=Z line at the HIGISOL facility" //Proceedings of the Third International Conference Exotic on Nuclei and Atomic Masses (ENAM), p. 481, Springier, 2001.

2. Yu. N. Novikov, H. Schatz, P. Dendooven, R. Beraud, Ch. Miehe, A. V. Popov, D. M. Seliverstov, G. K. Vorobiev. P. Baumann, M. J. G. Borge, G. Canchel, Ph. Dessagne, A. Emsallem, W. X. Huang, J. Huikari, A. Jokinen, A. Knipper, V. Kolhinen, A. Nieminen, M. Oinonen, H. Penttila, K. Perajarvi, I. Piqueras, S. Rinta—Antila, J. Szerypo, Y. Wang, J. Aysto. "Isomeric state of 80Y and it's role in the astrophysical rp-process." //Eur.Phys.J. All, 257-261 (2001).

3. В. И. Безносюк, Г. К. Воробьев. С. А. Елисеев, К. А. Мезилев, Ю. Н. Новиков, А. Г. Поляков, А. В. Попов, Ю. Я. Сергеев, В. А. Сергиенко, В. И. Тихонов. "Исследование высокотемпературной мишени для получения короткоживущих нуклидов", //Np-66 2280, ПИЯФ, Гатчина, 1998.

4. Yu. N. Novikov, Н. Schatz, P. Dendooven, R. Beraud, Ch. Miehe, A. V. Popov, D. M. Seliverstov, G. K. Vorobiev. P. Baumann, M. J. G. Borge, G. Canchel, Ph. Dessagne, A. Emsallem, W. X. Huang, J. Huikari, A. Jokinen, A. Knipper, V. Kolhinen, A. Nieminen, M. Oinonen, H. Penttilla, K. Perajarvi, I. Piqueras, S. Rinta—Antila, J. Szerypo, Y. Wang, J. Aysto. "Isomeric state of 80Y and it's role in the astrophysical rp-process." //Proceedings of the Third International Conference on Exotic Nuclei and Atomic Masses (ENAM), p. 115, 2001, Springer, 2001.

5. Г. К. Воробьев. А. Канкаинен, Ю. Аисто, С. А. Елисеев, В. Хуанг, Ю. Хуикари, А. Ёкинен, А. Ниеминен, Ю. Н. Новиков, X. Пенттиля, А. В. Попов, С. Ринта-Антила, X. Шатц, Д. М. Селиверстов. "Исследование нуклидов с массовыми числами А = 81, 85 и 86, представляющих астрофизический интерес." //Препринт 2533, ПИЯФ, Гатчина, 2003.

В заключение хочу выразить благодарность Ю. Н. Новикову за плодотворное руководство и предоставленную возможность заниматься интересной темой. Хочу поблагодарить Селиверстова Д. М. за поддержку работы и Попова А. В. за неоценимую помощь и обучение при постановке и обработке экспериментов. Выражаю признательность Е. П. Григорьеву и Ю. П. Суслову за полезные обсуждения и замечания. Благодарю I. АуБ1б и финских коллег за предоставленную возможность работы на ускорителе.

Заключение.

В работе представлены результаты спектроскопических экспериментов по изучению ядер, удаленных от полосы ^-стабильности и представляющих астрофизический интерес. Особое внимание уделено двум аспектам этой проблемы — процессу быстрого захвата протонов, приводящему к цепочке гр

О |

- процесса, и проблеме нейтринного детектора Вг.

Астрофизический гр - процесс ответственен за производство энергии в звездах и за галактический синтез легких изотопов элементов до значений массовых чисел < 100. Однако он может прерваться раньше, в районе массового числа А « 80, и для выяснения такой возможности требовалось знание свойств ряда нуклидов, вовлеченных в этот процесс. Исследованию этих свойств: периодов полураспада, каналов электронной разрядки, схем распада, поиску новых изомеров и посвящена, в основном, настоящая работа.

Для выяснения другого вопроса - о возможности использования нуклида

81 8 7

Вг для детектирования солнечных нейтрино (преимущественно от В и Be), требовалось достоверное знание величины вероятности внутренней разрядки изомерного состояния 81mKr (13 с), являющегося дочерним при захвате нейтрино ядром Вг. Эта вероятность перехода была определена из измерений спектров короткоживущих нуклидов, предназначенных для целей гр - процесса.

Измерения проводились в режиме "on-line" на системе HIGISOL -электромагнитном масс — сепараторе, базирующем на изохронном циклотроне К-130 Университета города Ювясюоля (Финляндия). Эта система была настроена диссертантом для реакции синтеза тугоплавких элементов от Zr до Мо, получаемых в результате слияния ионов 28Si и 32S с атомами Fe и Ni -мишени. Для термализации продуктов реакции и «выравнивания» их ионных зарядов использовалась газовая ячейка с гелиевым наполнением и поглотителем первичного пучка, расположенным вне камеры, существенно уменьшавшего нейтрализацию продуктов. Оптимизация параметров этой камеры проводилась автором настоящей работы в режиме "off-line".

Детектирование спектров X, у и е" -излучений проводилось комбинированным методом на двух детекторных станциях с использованием полупроводниковых детекторов и электронного магнитного транспортера Е1Н для измерения спектра в малофоновых условиях. Для обработки информации, полученной в эксперименте, автором был создан набор программ, осуществляющих перекодировку данных из стандарта Eurogam, необходимых для анализа полученных данных в режиме off-line.

В диссертации исследованы свойства короткоживущих нейтронодефицитных нуклидов с массовыми числами А = 80, 81, 84, 85 и 86, лежащих на пути гр - процесса вблизи линии Z = N. Основные результаты работы сводятся к следующему:

• Сохраняется актуальность проблемы опрделения сечений различных реакций с точки зрения уточнения их механизма. В оптимимизированном on-line режиме работы системы HIGISOL определены выходы нуклидов из области А = 80 - 86, разделенные по массовым числам.

• Исследован распад изомерного состояния 80mY. Переход с энергией 228.5 кэВ и периодом полураспада 5.0 ± 0.5 секунд был однозначно идентифицирован как происходящий из распада изомерного состояния в 80Y. Отсутствие других электронов конверсии в спектре позволяет считать изомерное состояние 228.5 кэВ первым возбужденным уровнем. Измеренный коэффициент конверсии подтверждает МЗ - характер перехода. Полученные данные позволили определить период полураспада этого изомерного состояния в условиях звездной среды, когда нуклиды лишены электронной оболочки и поэтому, в силу отсутствия электронного канала разрядки, имеют большие периоды полураспада. Полученное значение периода «голого» состояния составляет 6.8 ± 0.5 секунд, что качественно не меняет принятой картины расчета пути гр - процесса.

• Исследован распад изомерного состояния 81mKr с периодом полураспада 13.1 ± 0.1 секунды. Измерен коэффициент К - конверсии и отношение K/(L+M+N) для изомерного ЕЗ перехода с этого состояния. По полученным данным о конверсии и периоде полураспада рассчитана парциальная вероятность электронного захвата с заселением основного о 1 состояния Вг и соответственно вероятность обратного процесса, т.е.

О 1 захвата нейтрино нуклидом Вг. Полученное значение lg ft (v —> е") ~ 5.1 усиливает существовавшее до настоящего времени утверждение о возможности использования этого нуклида в качестве детектора солнечных нейтрино.

• Изучен распад основного состояния 84Nb. Сделан вывод, что его квантовые характеристики Jn равны 1+ или 2+. Это противоречит предложенному ранее значению 3+.

• Обнаружен новый изомер с периодом полураспада 3.3 ± 0.7 секунды в о?

Nb, обсуждаются его возможные спин и четность. Наличие сильно конвертированного перехода (atot > 3) делает это состояние потенциально важным при рассмотрении гр - процесса.

• Не подтверждается наличие изомера с периодом полураспада 56 секунд в о котором сообщалось ранее в литературе. Исследование как у-квантов, так и конверсионных электронов, показало, что четность изомера, заселяемого при распаде 8бМо, отрицательна, а не положительна,

Q/ как было принято. Уточнен период полураспада ядра Mo.

Данные, полученные в работе, представляют новую информацию по основным свойствам Р-распада нейтронодефицитных ядер в области массового числа А ~ 80, которую необходимо принимать во внимание при дальнейших расчетах астрофизического гр-процесса и при исследовании схем возбуждения уровней ядер.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Воробьев, Глеб Константинович, 2004 год

1. Б.С.Ишханов, И.М.Капитонов. И.А. Тутынь "Нуклеосинтез во вселенной" М., Изд-во Московского университета. 1998

2. H.Shatz et al, Phys.Rev.Lett., 86, 3471 (2001).

3. E.M.Birbidge, G.R.Birbidge, W.A.Fowler, F.Hayle., Rev.Mod.Phys., 1957, v.29, p. 547-650.

4. Ядерная астрофизика. Под редакцией Ч.Барнса, Д.Клейтона, Д.Шрамма. -М.: Мир, 1986.

5. Я.М. Крамаровский, В.П. Чечев. Синтез элементов во вселенной., М.: Наука. 1987.

6. K.Takahashi, M.Yamada, Prog.Theor.Phys. 47, 1972, р.1500-1518

7. P.Moller, J.Rundrup Nucl.Phys. A514,1990, p.1-26

8. R.K.Wallace, S.E.Woosley, Astrophys. J. 45,1981, p.3899. www.nscl.msu.edu/~schatz/PHY983/Notes/rp process.ppt 10.S.K. Chakrabarti, Phys.Rep. 266, 1996, p.2291 l.R.E.Taam, B.A.Fryxell, Astrophys. J. 294 (1985), p.303

9. A.Shankar, W.D.Arnett, B.A.Fryxell, Astrophys. J. 227, 1993, p.223

10. H.Shatz et al. Physics Reports 294 (1998), p. 167-263 и ссылки внутри H.P.E.Haustein, D.S.Brenner, R.F.Casten, Phys.Rev. C38, 1988, p.467

11. H.von Groote, E.R.Hilf, K.Takahashi At.DataNucl. DataTabl., 17,1976, p. 418

12. P.Moller, J.R.Nix, At. Data Nucl. Data Tabl., 39, 1988, p.213-224

13. J.Janecke, P.Masson, At. Data Nucl. Data Tabl. 39, 1988, p.265-272

14. J.N.Bahcall and R.Davis, Science 191, 264 267 (1976).

15. Г.Е. Кочаров Термоядерный котел в недрах солнца http://phys.web.ru

16. Y.Fukuda et al, Phys.Rev.Lett. 77, 1683 (1996)

17. Дж.Бокал Нейтринная астрофизика M., Мир, 1993.

18. R.D.Scott, Nature 264, 729 (1976)

19. D.Krofcheck et al., Phys.Lett., 189B, 299 (1987)

20. M.M.Lowry et al., Phys.Rev. C35,1950 (1987)

21. C.N.Davids et al., Phys.Rev. C35,1114 (1987)

22. J. Bjomholm. W.J. Swiatecki, Nucl.Phys A.391,471(1982)

23. N.V. Antonenko et al., Phys Lett В 319,425 (1993)

24. Artukh.A.G. et al., Nucl.Phys., 1971,v.l60, p.551

25. Nuclear Physics A 701 (2002) 265 The fifth international conference on radioactive nuclear beams RNB 2000

26. В.И.Безносюк и др. Исследование высокотемпературной мишени ZrCx для получения короткоживущих нуклидов, Препринт ПИЯФ NP-66-1998 2280.

27. K.Morita et al NIM B70 (1992), p. 220

28. P.Van den Bergh et al NIM В126 (1997)33J.Aije, PhD Thesis, Department of Physics, University of Jyvaskyla.

29. P.Dendooven, NIM B126 (1997)

30. A.Nieminen et al., NIM A469 (2001), p. 244-253

31. J. F. Ziegler, J. P. Biersack and U. Littmark, "The Stopping and Range of Ions in Solids", Pergamon Press, New York, 1985

32. Л.Г.Лойцянский «Механика жидкости и газа», «Наука», Москва, 1978

33. H.Geissel, G.Munzenberg, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 45,1995, c.163

34. J.Aije, K.Valli, NIM 179 (1981), 533

35. M.R. Flannery, Ionic recombination in atomic processes and applications, edited P.G.Burke and B.L.Moiseiwitsch, North-Holland Publishing Co., 1976

36. W.Lindinger, T.D.Mark, F.Howorska, Swarm of ions and electrons in gases, Springer-Verlag Wien-New York, 1984, ISBN 3-211-81823-5

37. W.Lindinger, A.L.Schmeltekopf, F.C.Fehsenfeld, J.Chem.Phys., 61, 1974,2890

38. Л.Н.Розанов, Вакуумная техника M., Высшая школа, 1990.

39. David A. Dahl, Idaho National Engineering Laboratory at www.srv.net

40. M.Huyse et al., "Intensity limitations of gas cell for stopping, storing and guiding of radioactive ions" NIM В187,4 (2002), p.535-547.

41. А.Попов Отчет по проекту "Ion-catcher", private comunications.

42. H.Schatz et al., Nucl. Phys. A688,150c (2001)

43. J.I.Ressler et al, Phys.Rev.Let., 84, 10,2104 (2000)

44. J.D6ring et al, Phys.Rev. C59, 59 (1999)

45. W.X.Huang et al, Phys.Rev. 59,2402 (1999).

46. C.Longour et al, Phys.Rev.Let., 81,16, 3337 (1998) 52.S.Della Negra et al, Z.Phys A307, 305 (1982)

47. Nucl.Data Sheets 92, 893 (2001)

48. G.Koschinek et al., Z.Phys A281,409 (1977)

49. P.Kienle et al., Prog.Part.Nucl.Phys. 46, 73 (2001)

50. K.Jonsson et al., Nucl.Phys. A645,47 (1999)

51. J. Huikari et al., "Studying exotic nuclides close to the N=Z line at the HIGISOL facility" //Proceedings of the Third International Conference Exotic on Nuclei and Atomic Masses (ENAM), p. 481, Springier, 2001.

52. P.Dendooven et al., NIM A408, 530 (1998)

53. М. Blann and H.K. Vonach, Global Test of Modified Precompound Decay Models, PhysRev C28 1475-1492 (1983).

54. J.M.Parmonen et al., NIM A306,504-511 (1991)

55. Http://ns.ph.liv.ac.uk/software.html

56. P.H.Regan et al., Acta Phys. Polonica B28, 431, (1997).

57. Yu. N. Novikov et al., "Isomeric state of 80Y and its role in the astrophysical rp-process." //Eur.Phys.J. Al 1,257-261 (2001).

58. A.Piechaczek et al., Phys.Rev., C61, 047306 (2000)

59. R.S.Hager, E.C.Seltzer, Internal conversion table, http:// www.nndc.bnl. go v/nndc.

60. C.Chandler et al, Phys.Rev. C61,044309

61. C.Baglin, Nucl.Data Sheets, 79,447 (1996)

62. W.O.Doggett et al., UCRL-3438 (1956)

63. P.G.Hansen et al., Phys.Lett., 28B, 415 (1969) 70.S.Vaisala et al., Phys.Fenn., 10,133 (1975)

64. J.Liptak et al., Nucl.Phys., A286,263 (1977)

65. K.Toyoshima et al., Nucl.Phys., A323, 61 (1979)

66. Б.С.Джелепов, Л.Н.Зырянова, Ю.П.Суслов «Бета-процессы», Наука, 1972

67. Г. К. Воробьев и др. "Исследование нуклидов с массовыми числами А = 81, 85 и 86, представляющих астрофизический интерес." //Препринт 2533, ПИЯФ, Гатчина, 2003.75.http://www.nndc.bnl.gov.

68. T.Shizuma et al, Z.Phys. A348,25 (1994)

69. M.Wiedekig et al, Phys.Rev. C62,024316