Дипломная (вкр): Гамма-активация ядерных изомерных состояний синхротронным излучением

Гамма-активация ядерных изомерных состояний синхротронным излучением

Минобрнауки России

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Воронежский государственный университет

Физический факультет

Кафедра ядерной физики

Направление 011200 Физика

Магистерская программа «Физика ядра и элементарных частиц»

Магистерская диссертация

На тему:

Гамма-активация ядерных изомерных состояний синхротронным излучением

Магистрант М.А.М. Аль-Омари

Руководитель диссертации:

А.С. Корнев, д.ф.-м.н., доцент

Воронеж 2016

СОДЕРЖАНИЕ

Реферат

Введение

. Ядерные изомерные состояния и их свойства

1.1 Изомерный переход

.2 Гамма-излучение возбужденных ядер и его характеристики

.3 Законы сохранения при гамма-излучении ядер

.4 Факторы, влияющие на активационные уровни

. Спектр синхротронного излучения и его моделирование

. Механизм обходных переходов

.1 Кинетика обходных переходов

.2 Сечение обходного перехода

.3 Результаты расчёта ширин переходов

. Расчёт выходов ядер в метастабильном состоянии

Заключение

Приложение

Список литературы

РЕФЕРАТ

УДК 539.144.7, 537.531 Аль-Омари М.АМ

Гамма-активация ядерных изомерных состояний синхротронным излучением

Магистерская диссертация по направлению 011200 «Физика», Воронеж, Воронежский государственный университет, 2016. - 45 с., 10 рис., 6 табл., 20 источников, 1 прил.

Ключевые слова: ядро, изомер, гамма-активация, синхротрон, вигглер, «обходной» переход.

Объектом исследования является процесс «обходной» возбуждения ядра в изомерное состояние с помощью синхротронного излучения.

Цель работы― оценка итоговых выходов ядер в метастабильном состоянии, образующихся в процессе «обходного» возбуждения ядра в метастабильное состояние, с помощью синхротронного излучения.

В результате работ было показано, что в рассматриваемом процессе возбуждения ядер в метастабильное состояние итоговые выходы ядер в изомерное состояние могут достигать значительных количеств.

ВВЕДЕНИЕ

С каждым днём продолжают развиваться наука и техника, электромагнитные волны стали еще более широко использоваться как в научных и прикладных исследованиях, так и в различных технологиях. Для генерации электромагнитных волн, длиной менее 1 мм, создано множество разнообразных приборов, начиная от обычных ламп и заканчивая самыми мощными лазерами, циклотронами и синхротронами.

Принцип генерации излучения циклотронами и синхротронами состоит в том, что ускоренно движущиеся заряженные частицы начинают испускать электромагнитные волны. Ускорение создается магнитным полем, которое искривляет траектории частиц, поэтому такое излучение иногда называется магнитно-тормозным. В отличие от циклотронов, в синхротронах заряженные частицы движутся со скоростями, близкими к скорости света. В природе синхротронное излучение наблюдается в некоторых астрофизических объектах.

В дальнейшем нас будет интересовать, в основном, синхротронное излучение (СИ). Оно было обнаружено почти в то же время, когда появились первые лазерные установки, т.е. около 50-ти лет назад. И лазерные лучи, и синхротронное излучение - искусственные источники света. Каждый из этих типов излучения имеет свои достоинства и недостатки.

Длины волн лазерного излучения сосредоточены в диапазоне от инфракрасного до мягкого рентгеновского. Его спецификой является высокая монохроматичность. При этом интенсивность лазерного излучения может достигать сверхатомных значений ~ 10²⁰ Вт/см² в режиме коротких импульсов с длительностью ~ 10…100 фс. Напомним, что в атоме водорода напряженность электрического поля протона на первой боровской орбите равна 5.142∙10⁹ В/см. Такую амплитуду имеет электрическое поле в линейно поляризованной электромагнитной волне с интенсивностью 3.51∙10¹⁶ Вт/см².

Синхротронное излучение содержит лишь ультрафиолетовую и рентгеновские компоненты, но, в отличие от лазерного, оказывается существенно более жёстким, захватывая ядерные диапазоны энергий γ-квантов до нескольких сотен кэВ с перспективой получения энергий до ~ 1 МэВ. В отличие от лазерного излучения спектр синхротронного значительно более широкий, и это даже в сравнении с излучением рентгеновских трубок. Однако интенсивность СИ существенно ниже, чем у лазера, и не превышает нескольких Вт/см². Тем не менее, это намного больше, чем у рентгеновских трубок. Длительность работы синхротрона составляет ~ 100 ч. СИ используется для проведения различных экспериментальных исследований и при изучении наноструктур и структуры твердых тел. В данной работе будет теоретически исследована возможность использования СИ для возбуждения изомерных состояний ядер.

Понятие изомерии атомных ядер возникло в 1921 году, когда немецкий физик О. Ган открыл новое радиоактивное вещество уран-Z, которое ни по химическим свойствам, ни по массовому числу не отличалось от известного уже урана―X, однако имело другой период полураспада. В современных обозначениях уран―Z и уран―X соответствуют основному и изомерному состояниям изотопа ²³⁴Th . У искусственно полученных радиоактивных ядер изомерию впервые открыли в 1935 г. советские физики И.В. Курчатов, Б.В. Курчатов, Л.В. Мысовский и Л.И. Русинов [1]. Таким образом, существуют ядра, которые имеют и одинаковое число протонов, и одинаковое число нейтронов, но, тем не менее, различаются своими радиоактивными свойствами (прежде всего периодом полураспада). Такие ядра называются изомерными. Изомерные ядра находятся на различных энергетических уровнях. Ядро-изомер, которое находится на более высоком энергетическом уровне, принято называть возбужденным, или метастабильным, и обозначать звездочкой или индексом m возле массового числа, например: ⁸⁰Вr^* или ^80mВr. Можно сформулировать простое определение ядерной изомерии: ядерные изомеры - это возбуждённые метастабильные состояния ядер с относительно большим временем жизни и, следовательно, с малыми вероятностями возбуждения и электромагнитной разрядки.

Как оказалось в дальнейшем, явление ядерной изомерии является достаточно распространённым. На данный момент уже известно свыше сотни изомеров с периодом полураспада больше 1 сек. Вообще же периоды полураспада изомерных состояний могут быть от тысяч лет до 10^-7 с, что много больше характерных ядерных времён. Встречаются также ядра, у которых изомерное состояние практически стабильно, например, ^180mТа с периодом полураспада Т_1/2 > 10¹⁵ лет или ^186mRe с Т_1/2 = 2 ∙ 10⁵ лет. При этом для указанных изотопов периоды полураспада основных состояний, которые α- или β-активны, много меньше, чем для изомерных, т.е. в природе такие изотопы могут встречаться только в изомерном состоянии.

Существенный прогресс в понимании явления ядерной изомерии был достигнут благодаря развитию оболочечной, а затем и обобщённой, моделей ядра. Согласно оболочечной модели ядра (с учётом спин-орбитального взаимодействия, которое является достаточно сильным в ядрах и расщепляет одночастичные уровни с полным спином j = l±1/2) в пределах одной оболочки имеются уровни с сильно различающимися величинами полного момента. Как известно, вероятность γ-перехода между уровнями сильно зависит от величины , где J_i , J_f - полные спины начального и конечного состояний, между которыми осуществляется γ-переход (соответствующие формулы расчета ширин таких переходов в оболочечной (одночастичной) модели будут приведены далее в работе). При большой величине  γ-переход может быть сильно подавлен, и возникает изомерное состояние. Из этой же модели ядра следует, что изомерные состояния чаще всего наблюдаются у ядер, зарядовые числа Z и числа нейтронов N которых предшествуют магическим числам Z и N, равным 50, 82, и 126 (это так называемые «острова изомерии» с Z или N от 39 до 49, от 63 до 81 и от 101 до 125).

Значительное замедление скорости γ-переходов может быть связано также и с сильным различием формы ядра в разных энергетических состояниях. Например, в деформированных ядрах изменение ориентации вектора углового момента ядра приводит к специфическому K-запрету (K - проекция вектора углового момента на ось симметрии ядра в предположении аксиальной симметрии деформированного ядра). Как следствие, опять будет происходить заметное подавление γ-перехода. Существует достаточно много К-запрещённых изомеров такого рода.

Создание образцов из изомерных ядер открывает путь к компактным и очень энергоёмким источникам энергии, выделяемой в виде β^--или γ-излучения. Плотность энергии в таких источниках может составлять десятки мегаджоулей на грамм. Хотя это и на два порядка меньше энергии, выделяющейся при делении ядер, но всё же в тысячи раз больше, чем для углеводородного топлива. Приведём примеры.

Для ядра ^178m2Hf (Т_1/2 = 31 г) плотность энерговыделения составляет 2.5 МэВ на одно ядро, или 1.3 ГДж/г. Такая большая плотность энергии дала толчок к планированию нового вида ядерного оружия - так называемой «изомерной» бомбы, способной давать вспышку жёсткого γ-излучения. Вопрос в этом случае лишь в том, как обеспечить управление распадом ^178m2Hf. Работы в этом направлении проводились группой исследователей под руководством Карла Коллинза (Саrl В. Collins), директора Центра квантовой электроники при Техасском университете в Далласе [2].

Другой способ накопления энергии можно продемонстрировать на примере изомера ^242mAm. Разрядка этого изомера ведёт к заселению ²⁴²Am в основном состоянии, которое распадается с коротким периодом Т_1/2 = 16 ч и выделяет среднюю энергию на распад около 0.7 МэВ. Таким образом, можно хранить энергию в форме долгоживущего (Т_1/2 = 141 г) изомера, а затем использовать его в качестве аккумулятора, высвобождающего энергию радиоактивного распада дочернего короткоживущего ядра. Другие примеры таких изомерных состояний будут приведены в следующих разделах при более подробном изучении.

Использование «изомерных батареек» такого рода в повседневной жизни, вероятно, будет довольно дорогостоящим, однако в некоторых случаях их применение может оказаться очень удобным. Высокая плотность запасаемой энергии отвечает потребностям современных аэрокосмических технологий, в которых масса играет далеко не последнюю роль. Кроме того, ещё одно немаловажное свойство состоит в том, что энерговыделение при стимуляции многих изомеров не сопровождается образованием долгоживущих радиоактивных продуктов. Таким образом, это экологически чистая энергия, несмотря на её ядерное происхождение. Например, при девозбуждении изомера ^178m2Hf не образуются дочерние продукты, более долгоживущие, чем изомер m₁, обладающий периодом полураспада 4 с. Такой нуклид мог бы быть источником относительно «чистой» ядерной энергии, не опасный для жизни даже в случае его разрушения при аварии.

Изомеры могут применяться и применяются во многих областях науки и техники. Некоторые из них широко используют в физических экспериментах (например, ¹³⁷Cs с Е_γ = 0.662 МэВ или ⁶⁰Со с Е_γ = 1.117 МэВ и 1.331 МэВ и интенсивностью излучения до 10¹⁵ Бк), медицине, биологии, химии и т. п.

Изомеры гафния <#"903382.files/image003.gif">. Испускание γ-квантов на схемах распада изображается стрелкой. Пример символического γ-перехода приведен на рис. 1, а реального - на рис. 2.

Гамма-излучение является особым типом распада лишь при изомерном переходе. Очень часто другие типы распада также сопровождаются γ-излучением. В результате любого радиоактивного процесса дочернее ядро может оказаться в возбужденном состоянии. Однако, если энергия возбуждения излучается путем испускания γ-квантов практически одновременно с актом распада, который привел к возбужденному состоянию ядра, то не имеет смысла говорить о самостоятельном типе распада [3].

γ-переходы в ядрах, как правило, конкурируют с так называемой внутренней электронная конверсией: возбуждённое ядро, не излучая γ-квантов, передаёт свою избыточную энергию электронным оболочкам, вследствие чего один из электронов вылетает из атома.

_______  ____________________

_________ ___________________

Рис. 1. Схематическое изображение изомерного перехода

Рис. 2. Схема распада ⁶⁰ Co

После внутренней конверсии возникает вторичное излучение в рентгеновской и оптической областях вследствие переходов оболочечных электронов на освободившиеся места с излучением фотонов. Участие электронных оболочек в конверсионных переходах приводит к тому, что время жизни соответствующих изомеров зависит (хотя и очень слабо) от химического состояния атомов.

Внутренняя конверсия может быть легко обнаружена, так как конверсионным электронам соответствует линейчатый спектр в отличие, например, от непрерывного спектра ядерных β^--частиц. Внутренняя конверсия всегда сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

В качестве примеров изомерных ядер в таблице 1 приведено несколько нуклидов с известными характеристиками.

Таблица 1

Характеристики некоторых изомерных ядер с большим временем жизни изомерного состояния (Qβ - энергия, выделяемая при β-распаде материнского ядра)

Из таблицы 1 видно, что энерговыделение более 0.5 МэВ является типичным. Исходя из этого, стало интересно изучать явления ядерных изомеров [4].

1.2 Гамма-излучение возбужденных ядер и его характеристики

Гамма-излучение ядер - это самопроизвольное и вынужденное испускание возбужденным ядром γ-квантов. Оно обусловлено взаимодействием отдельных нуклонов ядра с электромагнитным полем. При этом ядро переходит с возбужденного энергетического уровня на нижележащий уровень (как правило, это одноквантовый переход). Радиационный переход может быть каскадным, когда снятие возбуждения происходит путем последовательного испускания γ-квантов при переходах ядра с промежуточных уровней энергии. Спектр γ-излучения представляют в виде распределения γ-квантов по энергиям. Энергетический спектр ядра содержит дискретную и непрерывную компоненты. Дискретная компонента включает основной уровень и ряд уровней возбужденного состояния ядра. Выше начинается область непрерывных энергетических состояний, когда энергии возбужденного ядра достаточно для испускания ядром нуклона.

В дискретной области спектра расстояние между уровнями ядра много больше энергетической ширины уровня Г. Ширина уровня энергии определяется средним временем жизни τ ядра в этом состоянии: Г = ћ/τ, где ћ - постоянная Планка. Время τ определяет зависимость количества возбужденных ядер от времени вследствие γ-распада: