uzluga.ru
добавить свой файл
1


Электромагнитное излучение за время порядка 10−21 с до развала ядра на два осколка

  • Г. В. Данилян, В. А. Крахотин, В. В. Новицкий,

  • В. С. Павлов, П. Б. Шаталов

  • Институт Теоретической и Экспериментальной Физики

  • Moscow, Russia

  • P.Granz, F.Mezei, M.Russina, T.Wilpert

  • Hahn-Meitner Institut, Berlin, Germany


Введение

  • В ИЛЛ группой ПИЯФ был открыт новый эффект [1]. При исследовании лево-правой асимметрии (LRA) испускания ЛЗЧ в тройном делении ядер холодными поляризованными нейтронами было обнаружено, что угловая зависимость LRA для 235U не может быть описана тройной корреляцией

  • B=σ∙[pLF×pTP],

  • где pLF и pTP – единичные векторы соответственно импульсов лёгкого осколка и тройной частицы, а σ=2∙s, где s – спин нейтрона.

  • Угловая зависимость LRA соответствует повороту углового распределения ЛЗЧ относительно импульса лёгкого осколка на небольшой угол δθ в том случае, когда пучок падающих нейтронов поляризован.



Введение

  • Авторы объяснили этот эффект вращением делящегося ядра вокруг оси, совпадающей с направлением поляризации ядра.

  • ROT-эффект

  • В соответствии с этой моделью осколки деления после разрыва обладают орбитальным моментом, из-за чего направление импульса осколка pLF не совпадает с направлением оси деления.

  • Тройные альфа-частицы также немного поворачиваются за счёт электромагнитного взаимодействия с осколками, но этот поворот не компенсирует полностью изменение направления движения осколков.



Введение

  • Общее выражение для обсуждаемой асимметрии:

  • R(θ) = {N1(θ) − N2(θ)}/{N1(θ) + N2(θ)}

  • Здесь R – измеренная асимметрия,

  • θ – угол между импульсом (лёгкого) осколка деления и тройной частицей (или γ-квантом),

  • индексы 1 и 2 соответствуют противоположным направлениям спина падающего нейтрона,

  • N – количество событий для конкретного угла θ и определённой поляризации нейтронного пучка.

  • Предположение ROT-эффекта соответствует повороту углового распределения N(θ) в случае поляризованного нейтрона, т.е.

  • N1(θ) = N(θ+δθ),

  • N2(θ) = N(θ−δθ).

  • Если угол поворота δθ достаточно мал, первый член разложения даёт

  • N1,2(θ) = N(θ) ± N'(θ)∙δθ,

  • и R(θ) = δθ ∙ N'(θ) / N(θ) = δθ ∙ (ln N(θ))'.



Введение

  • Эти формулы относятся к случаю тройных альфа-частиц, так как подавляющая их часть испускается одинаково. Иначе обстоит дело в случае γ-квантов, так как за ROT-effect может отвечать только их часть, в то время как остальные являются фоном. Общее распределение γ-квантов Ntot(θ) можно представить как сумму фона Nbg(θ) и вращающейся части Nrot(θ).

  • Итак, N1,2(θ) = Nbg(θ) + Nrot(θ±δθ) = Ntot(θ) ± Nrot'(θ)∙δθ,

  • и R(θ) = δθ ∙ Nrot'(θ) / Ntot(θ))



Введение



Введение

  • Угол  – мера поворота углового распределения.

  • Авторы работы [1] обнаружили, что для ЛЗЧ в тройном делении 235U угол  = 0.1.

  • Если это так, то в случае обнаружения ROT-эффекта при испускании других частиц в делении 235U путём сравнения соответствующей асимметрии с асимметрией ЛЗЧ можно определить, когда испускаются эти частицы. Это первый пример использования ROT-эффекта для исследования механизма испускания частиц.



Эксперимент

  • В связи с этим мы поставили эксперимент по поиску ROT-эффекта в реакции 235U(n,f). Мы предположили, что часть гамма-квантов может быть испущена в момент времени около разрыва. Эта часть гамма-квантов будет обозначаться как разрывные гамма-кванты (ScG). Тогда в угловом распределении этих гамма-квантов может проявляться такой же ROT-эффект, как и в случае распределения ЛЗЧ. Эксперимент был поставлен аналогично эксперименту [1]. Разница между ними состояла в частицах, которые детектировались в совпадении с осколками деления.



Эксперимент

  • Угловое распределение ScG можно описать формулой:

  • W1() = C1(1 + acos2),

  • где  – угол между импульсом гамма-кванта и осью деформации.

  • Известно, что гамма-излучение возбуждённых осколков также коррелирует с направлением оси деления. Поэтому его угловое распределение может быть описано аналогичным выражением:

  • W2() = C2(1 + bcos2).

  • Величина  = C1/(C1+C2) характеризует долю ScG в общем числе гамма-квантов деления. Фон будет подавлять измеряемую ROT-асимметрию в (1/) раз, т.е.,

  • Rexp =   R.



Эксперимент



Эксперимент

  • 1 – fission chamber; 2 – gamma-neutron detectors;

  • 3 – polarizer; 4 – spin-flipper; 5 – analyzer; 6 – neutron counter;

  • 7 – neutron beam V-13; 8 – polarized neutron beam;

  • 9, 10 – neutrons with opposite polarizations after spin-flipper;

  • 11 – beam stop



Эксперимент

  • Пучок холодных поляризованных нейтронов, пройдя через тонкое алюминиевое окно, попадает в цилиндрическую камеру деления, заполненную изобутаном при давлении 8 мБар.

  • На оси камеры находится двухсторонняя мишень 235U, нанесённого на тостую титановую подложку. Размеры мишени 4x10 см.

  • По обеим сторонам мишени на расстоянии 7,5 см от неё расположены многопроволочные пропорциональные детекторы низкого давления (MWPC). Они регистрируют осколки деления. Два MWPC связаны параллелльно и не различают лёгкие и тяжёлые осколки.

  • Детекторы гамма-излучения находятся вне камеры деления на расстоянии 25 см от её центра. Они состоят из сцинциллятора (пластик) и ФЭУ.

  • Этими детекторами регистрируются также нейтроны. Таким образом, мы искали ROT-эффект не только в ScG, но и в так называемых "scission neutrons" (ScN). В этом случае эффект свидетельствовал бы об анизотропии распределения ScN.



Эксперимент

  • Для отделения гамма-квантов от мгновенных нетронов деления (PFN) использовалась времяпролётная методика. Старт – сигнал с MWPC, стоп  сигнал с детектора гамма-квантов и нейтронов (GND).

  • GND были расположены под углами 35°, 55°, 90°, 125°, 155°, 215°, 235°, 270°, 305° и 325° относительно плоскости, определяемой осью пучка нейтронов и средним направлением импульса осколков.

  • Нейтроны поляризованы продольно, направление поляризации изменялось с частотой 1 Гц.

  • Измерялась асимметрия числа событий под гаама-пиком и под пиком PFN в зависимости от направления поляризации. Если число событий не зависит от поляризации, асимметрия R должна равняться нулю. Если же распределение гамма-квантов или PFN при этом сдвигается, то │R│ > 0.



Эксперимент

  • Time-of-flight spectrum

  • 1 — γ-peak

  • 2 — neutron peak



Результаты

  • Первые результаты были получены в упрощённой геометрии эксперимента, направленной на то, чтобы выявить существование того или иного эффекта.

  • Осколочные детекторы покрывали увеличенный телесный угол.

  • 4 GND располагались под углами (90±18)° и (270±18)°.

  • Геометрия эксперимента была симметрична относительно оси деления, что позволяло комбинировать данные различных детекторов (с соответствующими знаками).



Результаты



Результаты

  • Во втором ране использовалась «улучшенная» геометрия.

  • Телесный угол осколочных детекторов был уменьшен в 9 раз.

  • Использовалось 10 GND.



Результаты



Результаты

  • Результаты усреднения данных для симметрично расположенных детекторов для рана 2:

  • Rγ(35°) = (+ 1.5 ± 0.4) · 10−4

  • Rγ(55°) = (+ 2.3 ± 0.4) · 10−4

  • Rγ(90°) = (− 0.2 ± 0.6) · 10−4

  • Для ScN не обнаружено существенной асимметрии, хотя статистическая ошибка больше, чем в случае ScG.



Результаты

  • В третьем ране была использована система крепления гамма-детекторов, позволявшая вращать их с углом поворота π/8.

  • Получены данные для всех углов πk/8.

  • Устранён один из возможных источников систематической погрешности.

  • Для проверки ещё одного возможного источника систематической погрешности было проведено месячное измерение на деполяризованном пучке.



Результаты



Результаты



Обсуждение

  • Как показано в [2], время выхода осколков на асимптоту составляет величину порядка

  • 10−21 – 10−20 с.

  • Если обнаруженный эффект объясняется аналогичным механизмом, то с учётом этого «времени формирования ROT-эффекта» соответствующие гамма-кванты должны испускаться за времена порядка 10−21 с.



Обсуждение

  • Наиболее вероятным объяснением в данный момент выглядит механизм испускания гамма-квантов в процессе снятия сильной деформации образовавшихся осколков.

  • В работе [3] показано, что этот процесс может приводить к измеряемой асимметрии испускания гамма-квантов │R│ ≈ 1,0 × 10−4.

  • Есть несколько других возможных механизмов формирования аналогичной асимметрии, но они гораздо хуже согласуются с экспериментальными данными.



Обсуждение

  • Поворот эллипсоида распределения гамма-квантов приводит к появлению пятивекторного корреляционного члена

  • r(k, p, s)(k, p).

  • Здесь k и p – единичные вектора в направлении импульсов соответственно гамма-кванта и осколка деления, s – спин делящегося ядра.

  • Предположим, что распределение гамма-квантов описывается формулой

  • Nk(θ) = 1 + a cos2θ

  • Предположим также, что r << a.

  • В этих предположениях получаем, что в первом приближении пятивекторная корреляция аналогична повороту углового распределения на угол δθ = r / 2a.

  • Пятивекторная корреляция может приводить к асимметрии даже в случае изотропного распределения гамма-излучения!



Заключение

  • Обнаружение ROT-эффекта в реакции 235U(n,f) может свидетельствовать об обнаружении испускания гамма-квантов делящейся системой за времена порядка 10−21 – 10−20 с.

  • Дальнейшие эксперименты направлены на определение энергетического и углового распределения таких гамма-квантов.



Заключение

  • Величина ROT-эффекта зависит от проекции спина на ось деления, т.е. от величины K. ROT-эффект максимален для K = 0 и зануляется для K = I.

  • Зависимость ROT-эффекта от энергии падающих нейтронов может дать информацию о величине K для различных резонансов.



Заключение

  • Благодаря ROT-эффекту, впервые обнаруженному в работе А.Гагарского и др.[1] стало понятно, что угловые распределения для ядер со спином I≥1 должны корректироваться с учётом эффекта вращения. Это необходимо учитывать при теоретическом анализе экспериментальных результатов и при MC-моделировании.



Библиография

  • A.Gagarski, I.Guseva, F.Gönnenwein, et al., XIV International Seminar on Interaction of Neutrons with Nuclei (Dubna, 2006), proceedings, p. 93.

  • I.Guseva, Yu.Gusev, XIV International Seminar on Interaction of Neutrons with Nuclei (Dubna, 2006), proceedings, p. 101.

  • F.F.Karpeshin. Left-right asymmetry of radiation from fission.



Обсуждение

  • In the reaction 235U(n, γf) the soft gamma-rays can be emitted by the transitions between excited states in first wall of the compound nucleus. The life time of the compound nucleus relative to the gamma-quanta transition is an order of 10−14 s. In this case the time interval between gamma-quantum irradiation and scission is much larger then the characteristic rotational time of the nucleus, so fissile nucleus can made about 106 – 107 turns before scission. Therefore the average ROT-effect in this process will be washed out.

  • The time interval of the descent from saddle point to scission is an order of 10−19 – 10−20 s. It means that the radiation width of the “rotating” gamma-transition must be: Γγ > 10 keV. This large width could be ascribed to the quasi-stationary states at the top of the second fission barrier. In this case the energy of the gamma-quanta should be less then 0.5 MeV. This soft energy region of the fission gamma-quanta spectra is enriched by gamma-rays emitted by excited fragment. It means that the background in coincidence counts rate should be very large. Therefore, the rotational angle δθ in 235U(n, γf) process can be an order of the magnitude larger than that in ternary fission.



Обсуждение

  • There is another possibility to interpret the asymmetry.

  • The turn of ellipsoid of gamma-ray distribution is equivalent to appearance of five-vector correlation term

  • r(k, p, s)(k, p).

  • This term is analogous to mixing term of tensor of inertia. Here k and p are unit vectors in the directions of gamma-quantum and fission fragment momenta, s is the spin of fissile nucleus.

  • Let us approximate the gamma-ray distribution by the expression

  • Nk(θ) = 1 + a cos2θ

  • Let us suppose also that r << a.

  • In this case the five-vector correlation is equivalent to the shift of angular distribution by δθ = r / 2a in first approximation.

  • It must be pointed out that this correlation in general survives even for the isotropic distibution of k with respect to p, while pure rotational model does not permit any asymmetry in that case.



Обсуждение

  • There are other possibilities to generate the “rotating” gamma-rays.

  • First one is dipole radiation due to fragments acceleration after the neck rupture.

  • Another possibility is the emission of gamma-rays by fragments when cold highly deformed fragments become highly excited nuclei with normal deformation. This can take place during the acceleration time, which is very short.

  • Finally the “rotating” gamma-quanta can be emitted by excited ternary particles. In this case the ROT-asymmetry R* in 235U(n, γf) reaction should by the same as for ternary fission, because detecting the gamma-quantum emitted by LCP implies detecting LCP.



Introduction



Experiment





Introduction

  • Recently [1] the new interesting effect has been accidentally discovered at the ILL HFR by the group of PNPI. The small shifting of LCP angular distribution relative to the fission axis in ternary fission of 235U induced by cold polarized neutrons has been observed. The sign of the shifting depends on the neutron beam polarization direction with respect to the plane in which the LCP and fission fragments detectors are mounted.

  • Due to this shifting, the coincidence counts rate of the pulses from both detectors also depends on fissile nuclei polarization direction. The asymmetry of the counts rate on spin reversing

  • R = (N+  N)/(N+ + N)

  • is an order of 103. The authors explained this effect by the rotation of the fissile nucleus and call it ROT-effect. As it will be shown bellow, the effect found in [1] is a particular case of the ROT-effect.



Introduction

  • Let me consider the general case of the particle emission by fissile nuclei. We'll assume that in general case there is a correlation of the particle emission with the deformation axis of the nucleus, i.e. emitted particles angular distribution is non-isotropic. In the case when the spin of the fissile nuclei I > 1/2, the nucleus must rotate around the spin direction and, therefore, the deformation axis also rotates, if the projection of the spin on the deformation axis K < I. Thus, during the time interval between the particle emission and the neck rupture, the deformation axis will turn at the angle * in the direction of the nucleus rotation.

  • In the laboratory co-ordinate system (LCS) there are two detectors to detect LCP and fission fragment. Their positions in the plane orthogonal to the fissile nuclei spin orientation direction are separated by some angle.



Introduction

  • If the angle between particle momentum and deformation axis in co-ordinate system connected with the rotating nucleus was  = , then in the laboratory co-ordinate system it should be  = (*). The sign depends on the rotation direction. It means that the particle angular distribution is shifted due to the rotation of the nuclei.

  • For this reason the coincidence counts rates of the pulses from particles and fragments detectors for two opposite directions of the neutron beam polarization are different, if the derivative of the angular distribution function N'()  0 at the angle  =  and the particle angular distribution is non-symmetric relative to the angle =.

  • It is easy to show that the asymmetry of the counts rate at opposite directions of the neutron beam polarization

  • R = [N(+*)  N(*)]/[N(+*) + N(*)]

  • is proportional to *. Just * is the measure of the time interval in between the particle emission and the rupture of the neck moments. But in experiment we measure another quantity.



Introduction

  • Let me assume that mentioned time interval is equal to zero, i.e. the particle is emitted at the scission moment like LCP, as it is usually assumed. It's obvious that in this case the deformation of the angular distribution also exists.

  • Due to the rotation of the fissile nucleus, the fragment velocity has two components, the radial and the tangential velocities.

  • The module of the first one at the scission moment is small, but due to the Coulomb acceleration it rises.

  • The second one depends on the nucleus rotation frequency and the inertial momentum of the fragment at the scission point.

  • Thus the trajectory of the fragment becomes the hyperbola instead of the straight line, and therefore, the fragment deviates from the initial direction of the deformation axis at the angle **. This component of the angular distribution deformation is the permanent feature of the rotate nucleus fission.