Ядерная спектроскопия - раздел эксперим. ядерной физики, объединяющий методы
исследования ядерных излучений: a-, b-частиц, g-квантов, электронов внутр. конверсии
(см. Конверсия внутренняя ),а также протонов, нейтронов и др. частиц,
возникающих при радиоакт. распаде и в ядерных реакциях. Определяются энергия
частиц, их поляризация, пространств. и временные распределения. Цель исследований
- определение спектра и квантовых характеристик ядерных состояний: энергии,
спина, чётности, магн. дипольных и квадрупольных моментов ядер, параметров
деформации (см. Деформированные ядра)и др., а также вероятностей переходов
между ядерными состояниями в зависимости от их квантовых характеристик. Получаемые
методами ядерной спектроскопии эксперим. данные при сравнении их с результатами теоретич. расчётов
в рамках тех или иных ядерных моделей позволяют судить об осн. чертах связи
и движений нуклонов в ядре, что может быть выражено через структуру модельной
волновой функции ядра.
В ядерной спектроскопии используются разл. спектрометры частиц и g-квантов (см. Альфа-распад, Бета-спектрометр, Гамма-спектроскопия,
Гамма-спектрометр, Нейтронная спектроскопия). Осн. доля исследований ведётся
непосредственно на пучках ускоренных заряж. частиц (протонов, a-частиц, тяжёлых
ионов и др.) или нейтронов. Исследования в области Я. с. могут быть разделены
на 2 осн. группы.
1. Исследование радиоактивного
распада короткоживу-щих нуклидов, удалённых от полосы b-стабильных ядер,-
нейтронно-избыточных ядер, образующихся при делении тяжёлых ядер под
действием нейтронов или заряж. частиц, или нейтронно-дефицитных ядер, образующихся
в ядерных реакциях глубокого расщепления ядер протонами или в реакциях с тяжёлыми
ионами. При этом облучаемая такими частицами мишень является одновременно
источником ионов для масс-сепаратора, производящего разделение образующихся
в мишени нуклидов (по массе и заряду) и транспортирующего выделенный пучок ионов
к детекторам частиц (см. Масс-спектрометр ).Такие системы получили общее
назв. ISOL (isotope separation on-line, т. е. сепарация изотопов с выходом на
ЭВМ).
На рис. 1 показана схема
установки на протонном синхроциклотроне (ОИЯИ, Дубна); выведенный пучок протонов
р с энергией 660 МэВ бомбардирует мишень из W, нагретую до 3000 °С. Образующиеся
в ней в результате реакции расщепления ядер W нуклиды, диффундируя из мишени,
ионизуются на её поверхности и вытягиваются электрич. полем в область магн.
поля масс-сепаратора М. Ионы заданной массы по ионопроводу И подаются в измерит.
камеру, где они собираются на подвижной ленте.
Рис. 1. Схема установки
ЭЛГА для изучения радиоактивного распада короткоживущих нуклидов: р- выведенный
пучок протонов синхроциклотрона; W - вольфрамовая мишень, М-камера масссепаратора;
И-ионопроводы; К-измерительная камера;
Ge(Li), Si (An) - полупроводниковые детекторы.
Цикл накопление-измерение
- удаление активности может проходить по заданному алгоритму. Установки такого
рода позволяют изучать распад нуклидов с временами жизни ~0,1 с. Для измерения
энергетич. спектров ос-частиц, электронов и g-квантов, их пространств--временных
распределений и корреляций применяются магнитные спектрометры, полупроводниковые
детекторы и сцинтил-ляционные детекторы, а также соответствующая
ядерная электроника для амплитудного и временного анализа сигналов, поступающих
с детекторов, и передачи их в ЭВМ для управления экспериментом и обработки эксперим.
данных (см. Анализ данных, Автоматизация эксперимента, Амплитудный анализатор,
Амплитудный дискриминатор).
Один из результатов исследования
схемы распада показан на рис. 2. Материнские ядра 13249In83
с периодом полураспада
T1/2 = 0,19 с образуются при делении ядер U протонами с энергией
600 МэВ. Бета-распад (b-) происходит на уровни ядра 13250Sn82.
Изучение этого ядра представляло интерес, т. к., с одной стороны, оно обладает
значит. избытком нейтронов (8) по сравнению с самым тяжёлым стабильным изотопом
олова 118Sn, с другой стороны, это ядро является "дважды магическим":
в нём замкнуты как протонная оболочка (Z=50), так и нейтронная (N=82,
см. Магические ядра ).Значит. удаление от полосы b-стабиль-ности обусловило
большую энергию b-распада (верх. граница b-спектра Qb=13,6
МэВ). Анализ bg- и gg-совпаде-ний и спектров конверсионных электронов позволил
определить квантовые характеристики уровней 132Sn и разделить системы
уровней с положит. и отрицат. чётностью уровня p, к-рые отвечают
разл. схемам связи нейтрона и дырки в нейтронных оболочках (см. Оболочечная
модель ядра).
2. Исследования схем состояний ядер, возбуждаемых непосредственно в ядерных реакциях (ведутся
в т. н. режиме in beam - в пучке). Ускорители заряженных частиц позволяют
получать пучки электронов, протонов, a-частиц, лёгких и тяжёлых ионов с варьируемой
энергией и "скважностью", с заданной поляризацией и др. параметрами.
Ядерные реакции, вызванные адронами, определяются гл. обр. сильным взаимодействием и протекают за времена ~10-22-10-18 с. Характерное
время для g-переходов ~10-15-10-9 с. Это означает, что
они происходят между связанными
состояниями ядра, сформированными после того, как все быстрые процессы, управляемые
сильным взаимодействием, закончились.
Варьируя сорт и энергию бомбардирующих частиц и ядра мишени, можно возбуждать в изучаемых ядрах разл. системы состояний. Так, в реакциях захвата нейтронов низкой энергии (< 1 кэВ) в ядро мишени вносится небольшой угл. момент I, что позволяет изучать систему низкоспиновых состояний ядер вплоть до энергии связи нейтрона. При бомбардировке тяжёлыми ионами с энергиями в десятки и сотни МэВ на нуклон ядрам мишени может передаваться очень большой угл. момент и возбуждаться состояния со значениями спина до 80 h (см. Высокоспиновые состояния ядер ).Т. о. можно исследовать ядерные свойства в широком диапазоне энергий возбуждения, спинов, изоспинов и др.
Рис. 3. Многодетекторный g-спектрометр для исследования
высокоспиновых состояний ядер, возбуждаемых
в реакциях с тяжёлыми ионами.
Рис.4. Схема уровнений
ядра 168Hf, возбуждаемых в
реакции 124Sn (48Ti, 4n)168Hf. Разделены ротационные
полосы, основанные на состояниях различной природы.
При разрядке высоколежащих
состояний ядер происходит очень большое число g-переходов. Для их анализа требуются
спектрометры, объединяющие высокую эффективность регистрации с высоким энергетич.
разрешением. Эти требования осуществляются в системах, состоящих из многих сцинтилляционных
и полупроводниковых Ge-де-текторов. На рис. 3 показана схема спектрометра, установленного
на пучке тяжёлых ионов (англ. ядерный центр Дэрсбери). В нём использованы 50
сцинтилляционных спектрометров с кристаллами германата висмута (BGO) и 6 германиевых
детекторов высокого разрешения с анти-комптоновской защитой из окружающих их
больших кристаллов NaI (Tl). BGO-детекторы определяют множественность g-переходов,
разряжающих исходное состояние ядра, и суммарную энергию каскадных переходов.
Энергия индивидуальных переходов определяется сборкой из Ge-детекторов. Кроме
энергии g-переходов такие сборки позволяют определять их угл. распределения
(см. Угловые распределения и угловые корреляции), а также времена жизни
изомерных состояний, к-рые могут возбуждаться в данной реакции (см. Изомерия
ядерная).
Управление работой комплекса
ускоритель - спектрометр и обработка получаемых массивов информации требуют
применения развитой электронной системы обработки сигналов и быстродействующих
ЭВМ с большими объёмами оперативной памяти (см. Памяти устройства ).Результат,
полученный на спектрометре, изображённом на рис. 3, показан на рис. 4; это -
схема уровней деформированных ядер 168Hf, возбуждаемых в реакции
124Sn (48Ti, 4n)l68Hf при энергии ионов титана
216 МэВ, к-рую удалось проследить до энергии возбуждения более 10 МэВ и спинов
I>30.
Измерение электромагнитных
моментов ядер в возбуждённых состояниях. Для этого развиты методы, основанные
на наблюдении прецессии ядерного спина за счёт сверхтонкого взаимодействия магн. дипольного момента ядра с внеш. магн. полем или электрич. квадрупольного
момента с градиентом электрич. поля, создаваемого внешними по отношению к ядру
полями, напр. внутрикристал-лическим полем. Для состояний с временами
жизни более 10-12с частота прецессии может быть измерена методами
возмущённых угл. распределений g-квантов и угл. корреляций. По частоте прецессии
может быть определён соответств. ядерный момент, если внеш. поле известно из
независимого эксперимента. С др. стороны, ядра с известными магн. дипольными
и электрич. квадрупольными моментами изомерных состояний интенсивно используются
как зонды в конденсир. средах для определения действующих на эти ядра электрич.
и магн. полей, создаваемых электронами атомных оболочек, и их зависимости от
внеш. параметров (температуры, давления и др.).
Изучение бета-распада
ядер (в частности, двойного бета-распада). Для этого создаются детекторы,
содержащие значит. массу нуклида, ядра к-рого могут претерпевать 2b-распад (76Ge,
100Mo, 130Те и др.). Целью таких исследований явл., в
частности, поиск безнейтринного 2b-рас-пада или определение ниж. границы его
вероятности.
Данные о свойствах возбуждённых состояний атомных ядер и методы Я. с. используются в физике твёрдого тела, химии, биологии, материаловедении и др. Активационный анализ опирается на данные о схемах распада радиоакт. ядер. В значит. степени на эти же данные опираются дозиметрия ионизирующих излучений и методы защиты от их воздействия, а также диагностич. и терапевтич. использование радионуклидов в медицине.
А. А. Сорокин