Спросить
Войти
УДК 539.17
Вестник СПбГУ. Сер. 4. 2013. Вып. 1
В. И. Жеребчевский, С. Ю. Торилов, А. Н. Андроненков, К. А. Гриднев, Н. А. Мальцев
УПРУГОЕ РАССЕЯНИЕ АЛЬФА-ЧАСТИЦ НА НЕЙТРОНОИЗБЫТОЧНОМ ЯДРЕ 14C*
Введение. Изучение упругого рассеяния в ядерных реакциях является одним из наиболее эффективных методов исследования ядер во всём диапазоне масс. На сегодняшний день мы имеем достаточно полную картину по упругому рассеянию для изотопов на полосе стабильности, в то время как нестабильные ядра остаются слабо исследованными. Вместе с тем, именно такие ядра представляют значительный интерес с точки зрения астрофизики и позволяют наблюдать свойства ядерной материи в экстремальных состояниях [1]. Сложность изучения ядер, расположенных вне линии стабильности, обусловлена необходимостью использовать радиоактивные пучки или мишени. Причём в первом случае, помимо чисто технических проблем, связанных с ускорением нестабильных ядер (тщательная очистка ионопровода и проблема эффективных источников), возникает необходимость применения газовых мишеней в случае, если нас интересует взаимодействие ускоренного ядра с a-частицей. Второй случай, лишённый указанных недостатков, требует создания изотопически чистой радиоактивной мишени.
Эксперимент. В представленной работе мы использовали экзотическую мишень 14 C, бомбардируемую альфа-частицами с энергией 27 МэВ. Мишень была выполнена в виде самоподдерживающейся плёнки 14 C толщиной 280 мкг/см2 с обогащением 80 % и с незначительными загрязнениями водородом и танталом. Пучок альфа-частиц ускорялся циклотроном и выводился на мишень, расположенную в вакуумной камере. Вся система сбора и обработки информации показана на рис. 1. Продукты реакции регистрировались четырьмя кремниевыми поверхностно-барьерными детекторами (D1-D4) толщиной 380 мкм. Сигналы с детекторов поступали на соответствующие предусилители (P), расположенные на крышке камеры рассеяния. Конструкционно-предварительный усилитель выполнялся в виде небольшой микросхемы, вмонтированной в специальный корпус, имеющий один вход для сигналов с детекторов, вход для подачи напряжения смещения на детекторы (входы DD1-DD4 с блока HV) и вход для подачи тестового сигнала с генератора импульсов (Pul). Существует также выход (Е) для усиленных предусилителем сигналов (выходы Е1-Е4).
Усиленные предусилителем сигналы подавались на спектрометрический усилитель (А). Далее, сигналы поступали на аналоговый мультиплексор (АМР), который
Владимир Иосифович Жеребчевский — кандидат физико-математических наук, старший преподаватель, заведующий лабораторией ядерных реакций, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: vozhereb@mail.ru
Сергей Юрьевич Торилов — кандидат физико-математических наук, доцент, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: torilov@hotmail.com
Алексей Николаевич Андроненков — кандидат физико-математических наук, ассистент, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: andr_alexey@mail.ru
Константин Александрович Гриднев — доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой ядерной физики, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: kgridnev@yahoo.com
Николай Александрович Мальцев — научный сотрудник, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: namaltsev@gmail.com
* Работа поддержана РФФИ, грант № 12-02-01121-a, и Комитетом по науке и высшей школе правительства Санкт-Петербурга (В. И. Жеребчевский), грант № 192.
© В. И. Жеребчевский, С. Ю. Торилов, А. Н. Андроненков, К. А. Гриднев, Н.А.Мальцев, 2013
Рис. 1. Схема системы сбора и обработки информации с детекторов
позволял поочерёдно считывать информацию с каждого канала детектирования. Скорость переключения АМР между каналами составляла 50 нс. Таким образом, АМР выдавал непосредственно сигнал с детектора, номер детектора, которому принадлежит этот сигнал, а также сигнал с интегратора импульсов (I). Затем данные сигналы поступали на амплитудно-цифровой преобразователь (ADC), где кодировались и передавались на персональный компьютер (PC). В нашем случае ADC является программируемым устройством, выполненным по технологии FPGA (field-programmable gate array), на базе программируемой логической интегральной схемы ALTERA. Особенностью данного устройства является то, что его можно запрограммировать под конкретную экспериментальную задачу. В итоге была получена полная информация со всех четырёх детекторов для последующей «off-line» обработки. Преимущество такой схемы состоит в использовании минимального количества электронного оборудования (к одному мультиплексору подключается сразу четыре детектора).
Использование экзотической радиоактивной мишени малой площади требует особого внимания при проводке и фокусировке пучка. Для постановки эксперимента была разработана система, позволяющая в процессе работы ускорителя контролировать профиль пучка с целью более точного выведения его на мишень. Основными элементами разработанной системы являлись:
Принцип действия многопроволочного датчика профиля пучка основан на явлении вторичной электронной эмиссии, возникающей при прохождении заряженных частиц через сетку тонких сканирующих проволочек [2, 3]. Разработанный нами датчик содержал восемь вертикальных и восемь горизонтальных изолированных вольфрамовых (вольфрам с золотым напылением) проволочек толщиной 25 мкм каждая. Расстояние между проволочками составляло 2,5 мм, и вся сетка была закреплена на поддерживающей раме, которая монтировалась на вакуумном фланце, вставляемом непосредственно в ионопровод. Таким образом, многопроволочный датчик профиля пучка работал как позиционно-чувствительный детектор вторичных электронов с разрешением 2,5 мм. Как уже отмечалось, ускоряемые частицы, выведенные из циклотрона, попадая на проволочки, выбивают с поверхности вторичные электроны. В результате каждая проволочка является генератором тока, пропорционального числу попавших частиц в единицу времени.
При токе пучка (ускоряемые ионы 4He, 27 МэВ) 400 нА ток вторичных электронов на проволочках составляет 800 пА. В каждом из 16 каналов, соответствующих одной проволочке, сигнал усиливается малошумящими усилителями тока, которые собраны
в единый электронный блок. Этот блок управляется триггерным сигналом, идущим с высокочастотной генераторной системы циклотрона. Триггерный сигнал имеет периодическую структуру: 1 мс — длительность импульса задающего генератора с соответствующими скважностями Q = 1, 2, 3 и с периодом заполнения 100 нс (микроструктура пучка). Этот триггерный сигнал идёт на бинарный счётчик, а затем на аналоговый мультиплексор, управление которым осуществляется посредством бинарного счётчика.
Усиленный и проинтегрированный сигнал с каждой Х- и Y-проволочек поступает на аналоговый мультиплексор (для дальнейшей обработки), на который, в то же самое время, приходит сигнал с двоичного счётчика. Таким образом, реализуется последовательный опрос всех проволочек в соответствии с триггерным сигналом. После идентификации номера проволочки триггерный сигнал создаёт синхроимпульс, который соответствует определённой Х- и Y-координате. Далее, выходной сигнал с аналогового мультиплексора и синхроимпульс подаются на аналогово-цифровой преобразователь для дальнейшей обработки, значения параметров считываются системой обработки аналогово-цифровой информации и, таким образом, положение пучка (в течение времени срабатывания триггера) может быть идентифицировано в режиме реального времени.
Для системы «датчик профиля пучка» проведено исследование процессов распределения токов, вызванных объёмными зарядами вторичных электронов, образованных при прохождении пучков заряженных частиц через сетку тонких сканирующих вольфрамовых проволочек, создана математическая модель визуализации профиля пучка. Был изготовлен рабочий образец всей системы «датчик профиля пучка», создана система визуализации, а также программное обеспечение.
Визуализация профиля пучка в режиме реального времени позволила значительно улучшить вывод пучка циклотрона, увеличить интенсивность пучка на мишени (была обеспечена наилучшая фокусировка пучка на мишени), сократить время на проводку пучка. Визуализация пучка ускоренных альфа-частиц совместно с использованием квадрупольных линз, корректирующих магнитов, поворотного магнита и системы подвижных коллиматоров также позволила улучшить монохроматизацию данных альфа-частиц и уменьшить энергетический разброс частиц в пучке до 0,5 %, что, в свою очередь, дало возможность разрешать группы возбуждённых состояний углерода вплоть до энергий 7 МэВ.
Теория. Основная сложность при выборе оптического потенциала для описания упругого рассеяния заключается в необходимости учитывать возможность различных упругих реакций (передача, обмен) под большими углами. Очевидно, последние связаны со структурой конкретных рассматриваемых ядер и, следовательно, плохо описываются унифицированными потенциалами в рамках оптической модели. Таким образом, при анализе чисто оптических процессов в рамках унифицированных потенциалов мы должны ограничиваться только областью малых углов. В последние годы было сделано несколько попыток унификации потенциалов [4, 5], и, на наш взгляд, лучшие результаты были получены на основе потенциала свёртки [6]. Однако они до сих пор относительно слабо проверены в случае лёгких нейтроноизбыточных ядер. В нашей работе был выбран потенциал вида SPP (Sa o Paulo Potential) [7], хорошо зарекомендовавший себя при описании процессов рассеяния и слияния для реакций с тяжёлыми ионами. Действительная часть модельного потенциала связана с потенциалом свёртки выражением
VN(R, E) = VF(R) exp(-4v2/c2), (*)
где с — скорость света, а V — скорость относительного движения ядер, определяемая как
г>2(Д, Е) = - [Е — УС(Н) - Я)] ; Ус и ^ соответственно кулоновский потенциал и глубина потенциала свёртки
УР(Е) = ! р!(г!)р2(г2)УоЬ(Я - Г1 + Г2)^Г1^Г2,
где параметр У0 = -456 МэВ-фм3. Для распределений плотности в работе использовались параметризации [6] для тяжёлых ионов и [8] для альфа-частиц.
Анализ экспериментальных данных по рассеянию тяжёлых ионов с энергиями до 200 МэВ на нуклон показал [9], что мнимую часть потенциала можно учесть в виде N1 х УN (Е,Е), где параметр N1 определяется из подгонки по экспериментальным значениям.
Угол рассеяния
Рис. 2. Угловое распределение альфа-частиц:
экспериментальные данные (точки) и теоретическое описание (сплошная линия) в рамках потенциала SPP
На рис. 2 показано угловое распределение упруго рассеянных альфа-частиц, полученное в эксперименте. Теоретическая кривая соответствует потенциалу (*) с параметром мнимой части Ni = 0,85. Как видно, наблюдается хорошее согласие для рассмотренного диапазона углов, что указывает на применимость потенциала SPP к ядрам, находящимся вне полосы стабильности. Однако можно ожидать значительных отклонений при описании сечения для случая больших углов из-за наличия широкого резонанса с угловым моментом L = 8 в районе 28 МэВ. Расмотренный выше потенциал также указывает на наличие такого резонанса, что приведёт к необходимости учёта реакции упругого обмена.
Заключение. При использовании современных средств фокусировки пучка можно эффективно изучать реакции взаимодействия лёгких ионов с экзотическими нестабильными мишенями. Разработанный нами метод универсален, что позволяет использовать его в системах проводки пучка независимо от конструкции ускорителя. Кроме того,
в работе были получены результаты, указывающие на применимость потенциала SPP даже для нестабильных нейтроноизбыточных ядер, что позволяет сузить область оптических потенциалов при более детальном анализе реакций рассеяния, включающих случай обмена и упругой передачи.
Статья поступила в редакцию 26 сентября 2012 г.
