НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЯДЕРНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ

Хоменков Володимир Петрович

УДК 539.163

ДОСЛІДЖЕННЯ АТОМНО-ЯДЕРНИХ ЕФЕКТІВ

У ПРОЦЕСІ ВНУТРІШНЬОЇ КОНВЕРСІЇ ГАММА-ПРОМЕНІВ

01.04.16 – Фізика ядра, елементарних частинок і високих енергій

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті ядерних досліджень НАН України, м. Київ

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

Желтоножський Віктор Олександрович,

Інститут ядерних досліджень НАН України, провідний

науковий співробітник відділу структури ядра

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук

Купряшкін Володимир Тихонович,

Інститут ядерних досліджень НАН України,

завідувач відділу ядерної спектроскопії

доктор фізико-математичних наук

Мазур Володимир Михайлович,

Інститут електронної фізики НАН України, м. Ужгород,

провідний науковий співробітник

Провідна установа: Київський національний університет iмені Тараса Шевченка, м.Київ

Захист відбудеться 24.04.2003 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.167.01 при Інституті ядерних досліджень НАН України за адресою: 03680, м.Київ, пр. Науки 47.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту ядерних досліджень НАН України за адресою: 03680, м.Київ, пр. Науки 47.

Автореферат розісланий 21.03.2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Осташко В.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Атомно-ядерні ефекти, які обумовлені взаємодією ядра з електронами атомної оболонки, відкривають нові канали розпаду збуджених станів ядер та впливають на його імовірність.

Вивчення атомно-ядерних процесів дозволяє одержати багато нової, а в окремих випадках і унікальної інформації про властивості ядер. Наприклад, дослідження ефектів проникнення, тобто впливу проникнення хвильових функцій атомних електронів усередину ядра на імовірність процесу внутрішньої конверсії -променів, дозволяє одержати таку унікальну інформацію як знак і величину константи спін-мультипольних сил, величини тороїдних перехідних моментів. При вивченні ефектів проникнення може проявитися і таке фундаментальне явище як незбереження парності в електромагнітних моментах. Відзначимо, що, наприклад, дані про спін-мультипольні сили, починаючи з переходів з l , можна одержати тільки при вивченні ефектів проникнення.

Експериментальні дані про атомно-ядерні процеси мають велике значення і для створення завершених теорій у квантовій електродинаміці. Так, наприклад, дотепер існує проблема перенормувань у квантовій електродинаміці. Найбільш повно ці питання можуть бути вивчені при дослідженні радіаційних поправок. А саме в атомно-ядерних процесах вивчаються радіаційні поправки, що описуються Фейнманівськими діаграмами 3-го і навіть 5-го порядків. Крім того, незважаючи на малість цих величин при розпаді атомного ядра в порівнянні з імовірностями цих процесів на мезоядрах, вимірювання радіаційних поправок у радіоактивному розпаді в багатьох випадках простіше і доступніше, ніж з елементарними частками.

Вивчення атомно-ядерних процесів є актуальним напрямком і при розробці нових методів для створення гамма-лазерів. Саме взаємодія атомних станів з ядерними, у принципі, забезпечує умови для появи індукованого випромінювання, тому що час життя атомних рівнів 10–15–10–18 с, а ядерних, як правило, на 5-10 порядків більше.

Усе вищевикладене говорить про те, що вивчення процесів взаємодії атомних електронів з ядром є однією з актуальних проблем сучасної ядерної фізики.

Необхідно також відзначити, що експериментальна інформація про такі процеси, як утворення "електронних" гамма-переходів у процесі внутрішньої конверсії (електронні містки), отримана практично в одиничних роботах. У той же час результати теоретичних розрахунків для цих процесів у різних підходах відрізняються на 5-6 порядків. Це вказує на актуальність проведення саме експериментального вивчення атомно-ядерних процесів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота виконана у відділі структури ядра Інституту ядерних досліджень НАН України як складова частина наукових тем "Ядра в екстремальних умовах. Рідкісні ядерні процеси" та "Дослідження структури збуджених станів ядер та ефектів їх розпаду", виконаних в 1993-1997 рр. і 1998-2001 рр., відповідно.

Мета і задачі дослідження. Метою даних досліджень було одержання нових даних про структуру ядер шляхом вивчення атомно-ядерних ефектів, що супроводжують внутрішню конверсію гамма-променів, та ймовірностей атомно-ядерних процесів у різних ядрах.

Для досягнення поставленої мети було необхідно вирішити наступні задачі:

-

-

-

Об'єкт дослідження – атомні ядра у збуджених станах.

Предмет дослідження – ефекти проникнення, резонансні і нерезонансні процеси вищих порядків у процесі внутрішньої конверсії гамма-променів.

Методи дослідження – напівпровідникова рентгенівська і -спектроскопія, математична обробка спектрів.

Оскільки імовірність досліджуваних явищ, як правило, на кілька порядків менше загальної імовірності ядерного переходу, для вирішення поставлених задач необхідно було також розробити методики і програмне забезпечення, що дозволяють визначати інтенсивність рентгенівських і гамма-ліній у складних спектрах з точністю порядку 1%.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше проведено дослідження електронних містків (ЕМ) на ядрах 93Nb і 121Sn. Показано, що пружний ЕМ є квазіпружним процесом, що описується Фейнманівською діаграмою 5-го порядку. При цьому одержано, що значне прискорення квазіпружних процесів у порівнянні з класичним пружним процесом обумовлено зміною M4-мультипольності ядерного переходу на E1-мультипольність квазірезонансного -переходу.

Вперше виявлено ефекти проникнення в E2-переході 120Sn і в K-заборонених переходах 169Tm і 237Np.

Вперше виявлено існування нерезонансного "ядерного" K-процесу в ядрі 137mBa.

Отримано нові дані про одночасне випромінювання двох K-електронів у процесі внутрішньої конверсії -променів на ядрах 119mSn і 137mBa. Показано, що домінуючим процесом при цьому є пряма взаємодія K-електронів між собою.

Практичне значення отриманих результатів. В ході виконання роботи були розроблені нові методики і створені установки для вимірювання багатомірних -збігів, вимірювання збігів методом піків підсумовування.

Був створений ряд програм, що дозволяють керувати вимірами, записувати як одиночні спектри, так і спектри багатомірних подій з наступним їхнім сортуванням по виділених енергетичних вікнах, з високою точністю обробляти ділянки складних спектрів з рентгенівськими і -лініями, проводити калібрування спектрометра по енергії й ефективності, визначати ізотопний склад спектра.

Одержані нові ядерно-фізичні дані, які дозволяють продовжити роботи по створенню всебічної теорії ядра.

Особистий внесок здобувача. Автор брав участь в одержанні всіх результатів, що складають зміст дисертації.

Зокрема, автор особисто розробив методики і програми для пошуку й обробки рентгенівських і гамма-ліній у складних спектрах, калібрування спектрометрів по ефективності реєстрації, врахування природної ширини ліній і піків підсумовування при обробці спектрів і калібруванні спектрометрів. Усе це дозволило досягти необхідної точності обробки експериментальних даних, що було ключовим чинником при вивченні тонких атомно-ядерних ефектів.

Всі експерименти, на основі яких були отримані результати дисертації, проводилися автором безпосередньо. Публікації в співавторстві написані при особистій участі дисертанта.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися й обговорювалися на Міжнародних нарадах з ядерної спектроскопії та структури атомного ядра в Харкові (1994), Санкт-Петербурзі (1995), Обнінську (1997), Москві (1998), Дубні (1999); Наукових конференціях ІЯД (1998, 1999); наукових семінарах ІЯД.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 11 робіт, у тому числі 6 публікацій – у реферованих журналах. Перелік публікацій наведений в кінці автореферату.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, трьох розділів, висновків, переліку використаних джерел з 108 найменувань та додатку. Дисертація викладена на 112 сторінках друкованого тексту, включаючи 33 малюнки і 9 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтована актуальність теми досліджень, сформульована мета досліджень, відображена наукова новизна та практична цінність результатів дисертації, наведена інформація про особистий внесок здобувача та апробацію результатів роботи.

У першому розділі описується методика, яка використовувалась для досягнення мети досліджень. Оскільки всі досліджувані ефекти супроводжуються електромагнітним випромінюванням, експериментальні результати роботи були одержані засобами рентгенівської та гамма-спектроскопії з використанням напівпровідникових спектрометрів.

В першому підрозділі описані методи вимірювання коефіцієнта внутрішньої конверсії (КВК). Як відомо, КВК -переходу дорівнює відношенню ймовірностей внутрішньої конверсії та -випромінювання. В результаті конверсії на i-й оболонці атома в ній утворюється вакансія, заповнення якої супроводжується характеристичним рентгенівським випромінюванням. Визначивши з спектру інтенсивність рентгенівського та гамма-випромінювання, можна одержати КВК -переходу. Наприклад, для КВК на K-оболонці (K):

, (1)

де I, N– відповідно істинна та виміряна інтенсивність ліній,  – ефективність реєстрації (індекси KX та відповідають рентгенівському та гамма-випромінюванню), K– вихід флуоресценції з K-оболонки (табульований, як правило, з точністю близько 1%).

Звідси видно, що, вимірюючи інтенсивність відповідних ліній та ефективність реєстрації з належною точністю, можна одержати значення КВК з відносною похибкою (1-2)%. Основною проблемою при цьому є виділення саме тої частини рентгенівського випромінювання, яка пов’язана з конверсією досліджуваного -переходу. Для її вирішення розглядалися конкретні схеми розпаду ядер, застосовувалась методика -збігів для зменшення внеску стороннього випромінювання. У випадку простих схем розпаду доцільно було використовувати метод сумарних піків, що дозволяє одержати максимальну ефективність реєстрації та потребує одного детектора.

В другому підрозділі описані спектрометри, що використовувались в експериментах, наведені їх основні характеристики. Це детектори з надчистого германію та кремнію, а також антикомптонівський спектрометр з германієвим детектором, активним захистом на основі сцинтиляційних детекторів та пасивним багатошаровим захистом.

В ході виконання роботи були створені установки для вимірювання спектрів -збігів. Для управління експериментом була розроблена програма NetSpectrum. Особливість цієї програми в тому, що, окрім загальних функцій, притаманних програмному забезпеченню такого типу, вона може одночасно управляти кількома віддаленими установками через комп’ютерну мережу EtherNet, а також накопичувати на диску дані про всі події збігів, тобто вести "протокол" експерименту. Ці дані потім можна сортувати, виділяючи довільні енергетичні та часові "вікна", виділяючи таким чином ті події, що нас цікавлять. Це дуже важливо при проведенні довгострокових експериментів, в яких досліджуються ефекти з малою імовірністю.

В третьому підрозділі описується методика аналізу рентгенівських та гамма-спектрів.

Як відомо, форма лінії в спектрі визначається згорткою власної форми лінії, яка описується функцією Лоренца, та функції відгуку спектрометра. В ідеальному випадку остання описується розподілом Гаусса, проте реально вона відрізняється від гауссіану. Ця відмінність особливо чітко проявляється при великій статистиці, коли відносна статистична похибка стає малою і на перший план виступає похибка, пов’язана з неточним описанням форми спектру. Тому для досягнення максимально можливої точності обробки спектрів була розроблена програма WinSpectrum.

Ця програма дозволяє:

-

-

-

-

-

-

Для автоматичного пошуку ліній використовується згортка експериментального спектра з гауссіаном змінної ширини, що дозволяє позбавитись впливу лінійного фону, добре розрізняти мультиплетні рентгенівські лінії та надійно ідентифікувати слабкі -лінії в високоенергетичній області спектру.

Після процедури автоматичного пошуку спектр розбивається на окремі області, що містять лінії, які підлягають точній підгонці методом найменших квадратів. Фон описується параболою зі "сходинкою", що дозволяє адекватно враховувати комптон-ефект та неповний збір заряду в об’ємі детектора. Форма -ліній описується в програмі гауссіаном з низько- та високоенергетичними "хвостами", які можуть з’являтися в спектрі внаслідок великих завантажень абощо. Якщо цього недостатньо, в якості еталонної форми лінії можна використовувати зручну експериментальну лінію спектру, основні параметри якої нормуються для підгонки. Для обробки рентгенівських піків реалізований алгоритм згортки функції відгуку спектрометра з власною формою лінії. Результатом підгонки є положення, інтенсивності та напівширини ліній, а також середньоквадратичні похибки цих величин.

В базі даних програми міститься інформація про енергію та інтенсивність основних рентгенівських та -ліній, що випромінюються внаслідок радіоактивного розпаду ядер. Це дозволяє проводити автоматичний ізотопний аналіз спектру.

Програма WinSpectrum відзначається високою точністю обробки спектрів, гнучкістю у виборі параметрів для аналізу, зручним інтерфейсом. Вона працює під управлінням ОС Windows та вище.

В четвертому підрозділі описане калібрування напівпровідникових спектрометрів по ефективності реєстрації -випромінювання.

Для калібрування використовувались джерела 241Am, 182Ta і 152,154,155Eu. Це дозволило одержати коефіцієнти ефективності реєстрації в діапазоні енергій від 10 до 1600 кеВ. Особлива увага приділялась області (10-100) кеВ, оскільки вона належить KX-випромінюванню і саме в цій області криві ефективності мають складний характер поведінки.

Важливим джерелом калібрування в області енергій (10-60) кеВ є 241Am. Однак в останні роки з’явились нові дані про інтенсивність LX-випромінювання, що супроводжує розпад 241Am, які суттєво відрізнялись від наведених у довідниках. Тому нами був ретельно досліджений спектр розпаду 241Am та одержані інтенсивності більш як 30 LX-ліній, деякі з них – вперше.

Оскільки частина вимірів проводилась методом сумарних піків, була також розроблена процедура і створена програма для калібрування спектрометрів по ефективності реєстрації з урахуванням сумарних піків.

Другий розділ дисертації присвячений дослідженню ефектів проникнення в процесі внутрішньої конверсії гамма-променів.

В першому підрозділі наводиться огляд літератури, в якому розглянуті теоретичні основи явища внутрішньої конверсії, формулюється поняття ефектів проникнення, ядерних матричних елементів проникнення.

Показано, що КВК складається з основної частини, яка не залежить від внутрішньої структури ядра та поправок, на величину яких впливає взаємодія електронних хвильових функцій, що проникають всередину ядра, з ядерними електромагнітними потенціалами -переходу. Вплив цієї взаємодії на ймовірність внутрішньої конверсії і називають ефектами проникнення.

Виходячи з фізичного змісту ефектів проникнення, вказуються умови, при яких слід чекати їх значного внеску в КВК. Зокрема, основною з них є загальмованість гамма-випромінювання. Наводяться формули для розрахунку параметрів проникнення за експериментальними величинами КВК.

В другому підрозділі описано експериментальне дослідження ефектів проникнення у K-заборонених переходах. Такі переходи цікаві тим, що в них, згідно з теорією внутрішньої конверсії, ефекти проникнення не повинні спостерігатися. В той же час існує кілька ядер, в K-заборонених переходах яких спостерігалися аномальні КВК. Тому було вирішено дослідити ядра 169Tm та 237Np, в яких існують K-заборонені переходи.

В ядрі 169Tm вивчалася внутрішня конверсія на K-оболонці M1-переходів з енергією 177 та 198 кеВ та K , які розряджають стан з енергією 316 кеВ, а також переходів з енергією 110 та 130 кеВ (Рис.1а).

а) |

б)

Рис.1. Фрагменти схем розпаду 169Yb та 237Np.

Вимірювання спектру 169Tm проводилося на Ge-Ge-спектрометрі -збігів з часовою роздільною здатністю 30 нс. Оскільки стан 316 кеВ має час життя 660 нс, за допомогою швидко-повільних збігів вдалося у 20 раз зменшити KX-випромінювання 169Tm, пов’язане з розпадом 169Yb K-захватом та внутрішньою конверсією з станів, що лежать вище 316 кеВ. В спектрах збігів з -лініями 110, 130, 177 та 198 кеВ, було виділено KX-випромінювання, пов’язане з конверсією переходів 198, 177, 130 та 110 кеВ, відповідно, та за формулою (1) визначені КВК на K-оболонці цих переходів. В дисертації на прикладі визначення КВК -переходу 110 кеВ детально описаний процес врахування стороннього KX-випромінювання, ослабленого за рахунок збігів. Результати вимірювань та теоретичні величини КВК за таблицями Хагера-Зельцера наведені у таблиці 1.

Таблиця 1. КВК на K-оболонці -переходів 169Tm.

E, кеВ | мультипольність | Kексп. | Kтабл.

110 | М1+2,3%Е2 | 2.04(3) | 2.01

130 | Е2 | 0.545(5) | 0.547

177 | М1+15%Е2 | 0.515(5) | 0.481

198 | М1+9,3%Е2 | 0.388(4) | 0.365

В ядрі 237Np досліджувався M1-перехід з енергією 208 кеВ та K  (Рис.1б). Джерелом був 237U, що напрацьовувався в (,n)-реакції та у вигляді ядер віддачі накопичувався на підкладинці. Вимірювання проводились на антикомптонівському спектрометрі в режимах одиночного спектру та спектру збігів. Аналіз схеми розпаду 237U показує, що переважна частина KX-випромінювання Np у спектрі збігів пов’язана з внутрішньою конверсією переходу 208 кеВ, близько 0.6% – з конверсією переходу 164 кеВ, та менше 0.1% від інших переходів, для яких можливий процес конверсії на K-оболонці. Деяка частка KX-випромінювання може з’явитися в спектрі в результаті випадкових збігів. Цей внесок враховувався з порівняння інтенсивності лінії 145 кеВ з розпаду 141Ce, який є продуктом фотоподілу урану, в спектрі збігів та одиночному спектрі. При обробці KX-ліній враховувалась їх власна ширина. В результаті вимірювань було одержане значення КВК на K-оболонці переходу 237Np з енергією 208 кеВ K .530.03. Таблична величина 2.50. Відоме раніше експериментальне значення складає 2.300.12.

В третьому підрозділі описано дослідження аномалій в КВК E2-переходу 120Sn з енергією 197 кеВ. Як правило, E2-переходи прискорені, тому в них важко спостерігати ефекти проникнення. В той же час це чи не єдина можливість оцінки спін-квадрупольних сил в ядрах. Перехід 197 кеВ в 120Sn загальмований по Вайскопфу в 260 раз. Тому можна очікувати в ньому прояви ефектів проникнення.

Експерименти проводились на антикомптонівському спектрометрі. Враховуючи, що час життя рівня, який розряджається переходом 197 кеВ, становить 11.8 мкс, за допомогою швидко-повільних збігів був виключений внесок KX-випромінювання, пов’язаного з K-захватом. На детекторах активного захисту виділялись енергетичні вікна для вимірювання збігів з -лініями , 197 та (1023+1171) кеВ. В результаті експериментів були визначені величини КВК на K-оболонці E2-переходу з енергією 197 кеВ Kе(197) .1900.016 та E1-переходу з енергією 89 кеВ Kе(89) .2200.015. Табличні значення відповідно Kт(197) .120 та Kт(89) .218.

В четвертому підрозділі проводиться обговорення одержаних результатів.

Як і очікувалось, одержані значення КВК для переходів 110, 130 кеВ в 169Tm та 89 кеВ в 120Sn добре узгоджуються з табличними величинами. Це свідчить про адекватність експериментальної методики.

Для K-заборонених переходів 177 та 198 кеВ в 169Tm очевидне суттєве розходження з теоретичними величинами. Розрахунки показують, що в цих переходах спостерігаються ефекти проникнення з ядерними параметрами проникнення  –2.10.3 та  –2.00.3, відповідно. Наявність таких значних аномалій КВК можна пояснити змішуванням ротаційних смуг через коріолісове спарювання. Домішка смуги 5/2+5/2[402] на рівні 0.04% до смуги основного стану 1/2+1/2[411] дозволяє пояснити ефекти проникнення, що спостерігаються. В переході 208 кеВ в 237Np ядерний параметр проникнення дорівнює  .30.1. Такі ефекти проникнення можна пояснити домішкою 0.05% смуги 3/2–3/2[521] до смуги 5/2–5/2[523], в якій знаходиться перехід 208 кеВ.

Була помічена кореляція між параметрами проникнення та фактором заборони по Вайскопфу. Для шести K-заборонених переходів, в яких раніше спостерігались ефекти проникнення, ця залежність описується виразом ||  FW– . Одержані нами нові дані підтверджують наявність такої кореляції. З їх урахуванням була отримана залежність || 30 lg FW– 90.

В E2-переході 120Sn з енергією 197 кеВ також спостерігається значна аномалія КВК, якій відповідає ядерний параметр проникнення 1 1. Таку аномалію можна пояснити наявністю в ядрі квадрупольного тороїдного перехідного моменту. Існування тороїдних моментів було давно передбачено теоретично, проте точності наявних експериментальних даних було недостатньо для їх впевненого спостереження. Нами вперше одержана оцінка величини матричного елементу перехідного тороїдного квадрупольного моменту в 120Sn <f||t2||i> –200) яд.м.фм2.

Третій розділ присвячений дослідженню атомно-ядерних ефектів вищих порядків при радіоактивному розпаді.

В першому підрозділі описуються резонансні та нерезонансні процеси вищих порядків за константою тонкої структури, обумовлені змішуванням електронних та ядерних хвильових функцій.

Серед резонансних процесів можна виділити пружний та непружний електронні містки (ЕМ). При пружному ЕМ конверсійний електрон після розсіяння в атомній оболонці повертається на своє місце, при цьому випромінюється -квант з енергією, рівною енергії ядерного переходу. При непружному ЕМ електрон заповнює інший дискретний стан, при цьому енергія випромінюваного -кванту зменшується на різницю енергій початкового та кінцевого електронних станів. Теоретичні оцінки цих процесів відрізняються між собою на кілька порядків, а експериментальні дані дуже обмежені і мають низьку точність.

Нерезонансні процеси протікають з випромінюванням двох та більше -квантів або електронів і можуть йти через віртуальні ядерні або електронні стани. Їх теоретичне обгрунтування також базується на різних механізмах, а експериментальні дані нечисленні.

В другому підрозділі досліджуються електронні містки при розпаді 121mSn та 93mNb.

Ізомер 121Sn з періодом напіврозпаду T1/2 55 років (Рис.2а) розпадається M4-переходом з енергією 6.3 кеВ та КВК ~ 10. Це означає, що ймовірність прямого -переходу 10–8% і його неможливо спостерігати експериментально. Вимірювання проводилось на Si(Li)-спектрометрі (Рис.2б). В спектрі спостерігалося характеристичне випромінювання конструкційних матеріалів, обумовлене фотозбудженням. Для його виділення проводилось контрольне вимірювання джерела через тонку алюмінієву фольгу. Вперше були одержані ймовірності пружного ЕМ Pпруж..50.5)10–5 та непружного ЕМ на M4,5-підоболонках (E .84 кеВ) Pнепруж..10.3)10–5. Спостерігався також непружний ЕМ на M3-підоболонці.

а) |

б)

Рис.2. а) схема розпаду 121mSn; б) гамма-спектри: 1 – прямий, 2 – крізь алюмінієвий поглинач, 3 – різницевий.

Ізомер 93Nb з T1/2 13.6 років розпадається M4-переходом з енергією 30.8 кеВ (Рис.3а) та КВК  105. Вимірювання проводились на Si(Li)- та Ge-детекторах. З порівняння інтенсивності KX- та -випромінювання вперше була одержана величина КВК на K-оболонці K.420.09)104. В області енергії 28.4 кеВ вперше спостерігалась сателітна -лінія (Рис.3б), яка відповідає непружному ЕМ на L3-підоболонці. Ймовірність цього процесу становила PНЕМ/P.11.4)10–2.

а) |

б)

Рис.3. а) схема розпаду 93mNb; б) гамма-спектр, виміряний на Ge-спектрометрі.

В третьому підрозділі вивчається ймовірність розпаду ізомерного стану 137Ba з енергією 662 кеВ (Рис.4а) одночасним випромінюванням -кванту та конверсійного електрону. На антикомптонівському спектрометрі вимірювались спектри збігів (Рис.4б) та одиночні спектри. При цьому на детекторах активного захисту виділялись енергетичні вікна шириною 100 кеВ, а на Ge-детекторі вимірювалась інтенсивність KX-випромінювання, яке супроводжує процес конверсії. Схема розпаду 137mBa така, що KX-кванти можуть з’явитися в спектрі збігів тільки за рахунок K-процесу, а також збігів з гальмівним випромінюванням конверсійних електронів та випадкових збігів, внесок яких враховувався. В результаті вимірів відношення інтенсивностей KX-випромінювання в спектрі збігів та одиночному спектрі були одержані відношення ймовірностей K-процесу та звичайної конверсії: PK/PK.20.9)10–5 при E500) кеВ і PK/PK.30.9)10–5 при E600) кеВ. Теоретичні оцінки показують, що даний процес йде через віртуальний ядерний стан, з комбінацією мультиполей E3 та M1. При вимірюванні збігів з -квантами в області (50150) кеВ була також одержана відносна ймовірність внутрішнього комптон-ефекту: PK/PK.30.3)10–3.

а) |

б)

Рис.4. а) схема заселення та розпаду 137mBa; б) спектри збігів.

В четвертому підрозділі досліджується процес одночасного випромінювання двох K-електронів при розпаді ізомерних станів 137Ba та 119Sn.

Вимірювання спектру 137mBa проводилося на антикомптонівському спектрометрі в режимі антизбігів. Виліт K-електрону супроводжується випромінюванням KX-кванту. Зі схеми розпаду 137mBa видно, що пік подвійної енергії KX-випромінювання може з’явитися в спектрі лише внаслідок одночасного вильоту двох K-електронів або випадкових збігів, які враховувались по лінії сумарної енергії 662 та KX. В результаті вимірів була одержана відносна величина ймовірності KK-процесу PKK/PK.74.0)10–5.

В 119mSn умови для вивчення KK-процесу значно сприятливіші. Перехід 65.7 кеВ, що досліджувався, знаходиться в каскаді з переходом 23.9 кеВ (Рис.5а). Енергія зв’язку K-електронів олова 29.2 кеВ, тому KX-випромінювання може з’явитися в спектрі лише за рахунок конверсії переходу 65.7 кеВ, а лінія подвійної енергії KX лише за рахунок подвійної конверсії в цьому переході. Виміри проводилися на Ge-спектрометрі методом сумарних піків. В спектрі (Рис.5б) присутні лінії розпаду 121mSn (Рис.2а), який був присутній у джерелі. За цими лініями враховувався внесок випадкових збігів. З порівняння інтенсивностей піків сумарної енергії (K+K) та (23.9+K) була одержана величина відносної ймовірності KK-процесу PKK/PK.93.1)10–4.

а) |

б)

Рис.5. а) схема розпаду 119mSn; б) гамма-спектр розпаду 119mSn та 121mSn.

В п’ятому підрозділі проводиться обговорення одержаних результатів.

Експериментальні ймовірності непружного ЕМ в 93mNb та 121mSn добре узгоджуються з теоретичними оцінками. Слід зазначити, що непружний ЕМ в 93mNb вже спостерігався раніше. Але при цьому ефект оцінювався після теоретичного віднімання комптонівського фону, розрахованого для переходу з енергією 30.4 кеВ, тоді як насправді його енергія 30.8 кеВ. При коректному відніманні фону складно взагалі говорити про наявність в спектрі ЕМ.

Складніша ситуація з пружним ЕМ в 121mSn. Теоретичні оцінки пружного ЕМ дають величину ймовірності ~10–10. При пружному ЕМ повинна зберігатись мультипольність -переходу, тому "електронний" -квант має в даному випадку мультипольність M4 і ймовірність його випромінювання мала. Було зроблено припущення, що нами спостерігається процес, при якому одночасно йде струс електронів верхніх оболонок і випромінювання -квантів (Рис.6). В такому випадку "електронний" гамма-перехід буде зміщений по енергії від ядерного на кілька електронвольт. Такий процес можна назвати квазіпружним ЕМ. При цьому знімається заборона на збереження кутового моменту та парності і стає можливим "електронний" -перехід з мультипольністю E1. Теоретичні оцінки якісно підтвердили одержаний в експерименті результат.

Рис.6. Діаграма, що описує квазіпружний електронний місток.

При аналізі KK-процесу розглядаються його можливі механізми. Один з них, "ядерний", обумовлений тим, що в результаті зміни кулонівського поля в процесі внутрішньої конверсії в ядрі відбувається двохквантовий перехід. Однак теоретичні оцінки такого процесу дають величину ймовірності, на кілька порядків нижчу від експериментальної. Для 137mBa також була зроблена оцінка "ядерного" KK-процесу, використовуючи одержані дані по "ядерному" K-процесу, яка дала величину PKK/PK  –6. В другому механізмі, "електронному", вся енергія переходу поглинається електронною оболонкою атома, розподіляючись між K-електронами внаслідок їх взаємодії. Такий процес можна розглядати як внутрішню конверсію внутрішнього комптон-ефекту. Оцінка його ймовірності для 137mBa з урахуванням одержаної ймовірності внутрішнього комптон-ефекту, дає задовільне узгодження з експериментальними результатами.

Для 119mSn дані по K-процесу відсутні, проте з теорії "електронного" KK-процесу випливає, що його ймовірність повинна зменшуватись із зменшенням енергії -переходу. Наявні експериментальні дані цю тенденцію підтверджують. В той же час результати для 119mSn на порядок вище очікуваних. Одним з пояснень може бути врахування "прямої" взаємодії між K-електронами, яка особливо суттєва при невисокій кінетичній енергії вилітаючих електронів. Оцінки показують, що врахування такого механізму дозволяє пояснити одержану експериментально ймовірність KK-процесу в 119mSn.

У висновках сформульовані основні результати дисертації.

В додаток винесені деякі неосновні формули, які корисні для розуміння досліджуваних ефектів.

Висновки

1.

2.

3.

4.

5.

Список публікацій за темою дисертації

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

Хоменков В.П. Дослідження атомно-ядерних ефектів у процесі внутрішньої конверсії гамма-променів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.16 – фізика ядра, елементарних частинок і високих енергій. – Інститут ядерних досліджень НАН України, Київ, 2003.

Дисертація присвячена експериментальному дослідженню атомно-ядерних процесів, що супроводжують розпад збуджених ядерних станів, методами напівпровідникової -спектроскопії. Створені сучасні методики та програми, які забезпечують високу точність результатів спектрометричних вимірювань. Одержані нові дані про ефекти проникнення при внутрішній конверсії, розпад ядерних станів через електронну оболонку атома та двохквантовими переходами. Вперше спостерігались та виміряні квадрупольний тороїдний момент ядерного переходу, квазіпружний "електронний" -перехід, розпад через віртуальний ядерний стан з одночасним випромінюванням -кванту та K-електрону.

Ключові слова: напівпровідникова -спектроскопія, коефіцієнт внутрішньої конверсії, ефекти проникнення, електронний місток, K-процес, KK-процес.

Khomenkov V.P. Investigation of atomic-nuclear effects in the process of -ray internal conversion. Manuscript.

Thesis for Ph.D. degree in physics and mathematics by speciality 01.04.16 – physics of nucleus, elementary particles and high energies. – Institute for Nuclear research, NAS of Ukraine, Kyiv, 2003.

Thesis is devoted to experimental study of atomic-nuclear processes accompanying excited nuclear states decay, using semiconductor -spectroscopy. Modern techniques and software have been elaborated which provide high accuracy of spectrometric measurements. New data about penetration effects at internal conversion, nuclear states decay via atomic electron shell and double-quanta transitions have been obtained. For the first time quadruple thoroid momentum of nuclear transition, quasi-elastic "electron" -transition, decay via virtual nuclear state with simultaneous -quantum and K-electron emission.

Keywords: semiconductor -spectroscopy, internal conversion coefficient, penetration effects, electron bridge, K-process, KK-process.

Хоменков В.П. Исследование атомно-ядерных эффектов в процессе внутренней конверсии -лучей. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.16 – физика ядра, элементарных частиц и высоких энергий. – Институт ядерных исследований НАН Украины, Киев, 2003.

Диссертация посвящена исследованию атомно-ядерных эффектов, сопровождающих распад возбужденных состояний ядер, методами полупроводниковой спектроскопии. Такие эффекты обусловлены взаимным перекрытием ядерных и электронных волновых функций атома и их изучение позволяет получать новую, а подчас и уникальную, информацию о внутренней структуре ядра, что в конечном итоге способствует созданию единой теории ядра.

Однако влияние изучаемых эффектов на вероятность -излучения и внутренней конверсии, как правило, мало, вследствие малой вероятности проникновения электронных волновых функций внутрь ядра. Поэтому для достижения поставленных в диссертации задач были разработаны экспериментальные методики и созданы программы, позволяющие с высокой точностью определять вероятность не только -излучения, но и внутренней конверсии – через исследование характеристического рентгеновского излучения, сопровождающего процесс конверсии. При этом экспериментально измеряются относительные величины, что значительно снижает влияние систематической погрешности на точность полученных результатов.

В ходе исследований были получены новые данные об эффектах проникновения, вызывающих аномалии в коэффициентах внутренней конверсии (КВК) -лучей. Эти эффекты обусловлены взаимодействием электронных волновых функций атома, проникающих внутрь ядра, с потенциалами ядерных переходов и оказывают значительное влияние на величину КВК в случаях, когда -излучение ядерного перехода заторможено модельными правилами сильнее, чем внутренняя конверсия. Однако особый интерес представляет обнаружение эффектов проникновения в переходах, для которых согласно теории не должно быть аномалий КВК. В частности, нами впервые наблюдались эффекты проникновения в K-запрещенных переходах 169Tm и 237Np, которые объясняются смешиванием состояний различных ротационных полос. Подтверждено наличие корреляции между величинами ядерных параметров проникновения и фактора запрета по Вайскопфу. Значительные аномалии КВК были также обнаружены в E2-переходе 120Sn и впервые оценена величина переходного квадрупольного тороидного момента, который может обуславливать такие аномалии.

В работе также изучались эффекты высших порядков малости по постоянной тонкой структуры при распаде изомерных состояний ядер. В частности, исследовался распад 93mNb и 121mSn через электронный мостик (ЭМ). В этих ядрах -излучение мультипольности M4 сильно заторможено, однако вероятность внутренней конверсии высока и возможен процесс, при котором конверсионный электрон возвращается в исходное или возбужденное состояние атомной оболочки. При этом соответственно излучается "электронный" -квант с энергией, равной энергии ядерного перехода (упругий ЭМ) или уменьшенной на разность энергии связи электрона в начальном и конечном состояниях (неупругий ЭМ). В результате измерений впервые получены вероятности неупругого ЭМ в исследуемых ядрах. Впервые наблюдался квазиупругий ЭМ в 121mSn, при котором -излучение сопровождается стряхиванием электронов с верхних атомных оболочек, в результате чего снижается мультипольность и существенно повышается вероятность "электронного" -излучения, смещенного по энергии на несколько электронвольт.

К эффектам высших порядков относится также двухквантовый распад возбужденных ядерных состояний. В работе впервые была измерена вероятность одновременного испускания -кванта и конверсионного электрона при распаде 137mBa через виртуальное ядерное состояние (K-процесс). Получены новые данные об одновременном испускании двух K-электронов (KK-процесс) в ядрах 137Ba и 119Sn. Показана существенная роль механизма прямого взаимодействия электронов при их малой кинетической энергии.

Ключевые слова: полупроводниковая -спектроскопия, коэффициент внутренней конверсии, эффекты проникновения, электронный мостик, K-процесс, KK-процесс.