НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЯДЕРНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ

Кавацюк Оксана Олегівна

УДК 539.163; 539.142.2

ДОСЛІДЖЕННЯ СТРУКТУРИ ЗБУДЖЕНИХ СТАНІВ ЯДЕР В ОБЛАСТІ 100Sn МЕТОДОМ БЕТА-РОЗПАДУ

01.04.16 - фізика ядра, елементарних частинок і високих енергій

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі ядерної фізики Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Експериментальна частина роботи виконана в міжнародному науково-дослідному центрі „Товариство досліджень з важкими іонами“ (GSI), Дармштадт, Німеччина.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

Плюйко Володимир Андрійович,

фізичний факультет, Київський національний

університет імені Тараса Шевченка,

професор кафедри ядерної фізики.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Мазур Володимир Михайлович,

Інститут електронної фізики НАН України,

провідний науковий співробітник відділу

фотоядерних процесів

кандидат фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Лашко Анатолій Петрович,

Інститут ядерних досліджень НАН України,

старший науковий співробітник відділу

ядерної спектроскопії

Провідна установа: Національний науковий центр „Харківський

фізико-технічний інститут” НАН України

Захист відбудеться “ 08 грудня 2005 р. о 1415 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.167.01 при Інституті ядерних досліджень НАН України за адресою: 03680, м. Київ, проспект Науки, 47.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту ядерних досліджень НАН України, 03680, м. Київ, проспект Науки, 47.

Автореферат розіслано “ листопада 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук _________________ Томчай С.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вивчення нуклідів, що мають двічі заповнені оболонки, та сусідніх ізотопів має велике значення для перевірки ядерних моделей, оскільки модельний опис таких ядер може бути побудований на додаванні декількох частинок та/або дірок до двічі магічного остову з Iр = 0+. Основні властивості станів ядер, такі як спін та парність, відображають присутність та взаємодію лише цих декількох активних оболонок. Вимірювання гамма-переходів у "двічі-магічній області" надають змогу отримати докладну інформацію про структуру цих ядер. У ядрах з Z=N та їхніх найближчих сусідах протони та нейтрони займають однакові оболонки, тому радіальні частини хвильових функцій є однаковими, що надає можливість дослідити залежність ядерної взаємодії від ізоспіну.

Крім цього, нейтронно-дефіцитні ядра поблизу лінії протонної нестабільності (такі як 100Sn) грають важливу роль у безлічі астрофізичних процесів. Так, наприклад, у рентгенівських вибухах та рентгенівських пульсарах процес швидкого захоплення протонів (rp-процес) проходить дуже близько до лінії нестабільності. Нещодавно в роботі Х.Шатца та ін. [Schatz H. et al. Phys. Rev. Lett. 86 (2001) p.3471] було зроблено припущення, що rp-процес ймовірно закінчується у закритому циклі в області ізотопів Sn-Te (SnSbTe цикл). Реакції rp-процесу після піку викиду досягають ізотопів олова в області 99-101Sn, а далі йдуть у бік більш стабільних ядер. Бета-розпад ізотопів 101-103Sn, якому присвячена дана робота, є складовою частиною цього циклу.

Все це свідчить про актуальність даної роботи, яка присвячена вивченню властивостей бета-розпаду ядер 101-103Sn, та включає інформацію про час напіврозпаду, енергії та відносні інтенсивності бета-затриманих гамма-променів, енергії рівнів дочірніх ядер, спектр енергії протонів та переріз утворення 101Sn у реакції злиття-випаровування. Отримані експериментальні результати було порівняно з теоретичними розрахунками, які було здійснено з використанням квазічастинкової оболонкової моделі із залишковою взаємодією.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основна частина представленої роботи виконана у відповідності з тематичним планом науково-дослідних робіт Київського національного університету імені Тараса Шевченка на кафедрі ядерної фізики в рамках науково-дослідних робіт за темами: № 97023 "Дослідження взаємодії швидких нейтронів з атомними ядрами, в тому числі перерізів ядерних реакцій, методами гамма-спектроскопії" (№ ДР 0197U003077) та "Комплексні дослідження механізмів ядерних реакцій, властивостей атомних ядер та наслідків іонізуючого випромінювання" (№ 01БФ051-15). Робота була частково підтримана МАГАТЕ: контракт No.12492. Виконані експериментальні дослідження є частиною науково-дослідної програми GSI, Німеччина „Beta-decay studies in 100Sn region”.

Мета і задачі дослідження. Основна мета дисертаційної роботи полягала у дослідженні властивостей збуджених рівнів, що заселяються у b-розпаді легких ізотопів олова. Було поставлено наступні задачі:

1) підготовка детекторної установки та електроніки для проведення експериментів;

2) проведення експериментів по дослідженню властивостей збуджених рівнів, що заселяються у b-розпаді легких ізотопів олова, за допомогою методів b-g-спектроскопії, на установці GSI-ISOL (Дармштадт, Німеччина);

3) аналіз отриманих експериментальних даних (включаючи розробку програм для обробки експериментальних даних, ідентифікацію b-затриманих g-променів досліджуваних ядер та аналіз g-g-збігів);

4) побудова схеми розпаду на основі даних g-g-збігів;

5) проведення теоретичних розрахунків з використанням квазічастинкової оболонкової моделі із залишковою взаємодією;

6) порівняння результатів розрахунків з отриманими експериментальними даними;

7) проведення розрахунків радіаційних силових функцій, використовуючи сучасні аналітичні наближення.

Об'єкт дослідження. Збуджені стани атомних ядер.

Предмет дослідження. Структура збуджених станів ядер в області 100Sn.

Методи дослідження. Для того, щоб відділити g-промені після b-розпаду від кімнатного фону було використано метод b-g-збігів. Для однозначної ідентифікації b-затриманих g-променів було проведено аналіз за часом напіврозпаду. Схеми розпаду досліджуваних ядер було побудовано за використання методу g-g-збігів.

Наукова новизна одержаних результатів. В рамках даної роботи було досліджено бета-розпад 101-103Sn. Вперше було виміряно бета-затримані гамма-промені 103Sn. В експериментах, проведених в рамках дисертаційної роботи, було ідентифіковано 31 бета-затриманий гамма-промінь 103Sn (29 нових) та виміряно час життя 103Sn. На основі ---збігів було побудовано схему рівнів бета-розпаду 103Sn. Для розпаду 102Sn вперше було отримано інформацію щодо ---збігів, завдяки якій було побудовано схему рівнів 102Sn. Одна з основних відмінностей результатів даної роботи від попередніх – неспостереження переходу з енергією 53 кеВ. Це призводить до того, що дає спін та парність основного стану 102In повинні бути 6+, а не 7+, як було запропоновано раніш. Вперше було проведено виміри бета-затриманих гамма-променів 101Sn та запропоновано каскад з двох -переходів у 101In. На основі даних, отриманих у вимірах бета-затриманих протонів, було зроблено оцінку перерізу утворення 101Sn у реакції 58Ni(50Cr,3n)101Sn та виміряно час життя 101Sn.

Результати дисертаційної роботи підтверджують, що, наближаючись до двічі-магічного ядра 100Sn, структура збуджених станів ядер спрощується. Продемонстровано, що розрахунки за узагальненою оболонковою моделлю із використанням сучасних існуючих реалістичних залишкових взаємодій добре відтворюють структуру рівнів ядер з менше ніж трьома квазічастинками. В роботі було запропоновано модифікацію залишкової взаємодії, в результаті чого значно покращується відтворення моделлю рівнів з негативною парністю у легких ізотопах індію з непарним A.

Виконаний в роботі аналіз простих аналітичних моделей для розрахунку радіаційних E1 та M1 силових функцій показав, що моделі модифікованого Лоренціану (MLO) та узагальненої Фермі-рідини можна вважати достовірним методом опису таких радіаційних силових функцій в широкому інтервалі енергій. Ці моделі було рекомендовано для використання у розрахункових пакетах. Було запропоновано набір глобальних параметрів для моделі MLO.

Практичне значення одержаних результатів. Експериментальні результати дисертаційної роботи представляють собою нову спектрометричну інформацію про ізотопи олова 101-103Sn, яку може бути використано для перевірки ядерних моделей та задач астрофізики, і вже включено до міжнародної бази експериментальних даних XUNDL (http:\\www.nndc.bnl.gov).

Особистий внесок здобувача. Автор дисертації брала участь у підготовці детекторної установки, проводила налаштовування електроніки, приймала участь в експериментах по дослідженню бета-розпаду 101-103Sn, розробила обчислювальні програми аналізу експериментальних даних, обробляла експериментальні дані, отримані в експериментах із застосуванням збірок кремнієвих та германієвих детекторів. Виконала теоретичні розрахунки за оболонковою моделлю із залишковою взаємодією та розрахунки радіаційних силових функцій із застосуванням сучасних аналітичних моделей. Підготувала публікації за результатами дослідження бета-розпаду 101-103Sn. Всі отримані результати опубліковані зі співавторами. В цих роботах автору належать результати, які було отримано за допомогою детекторів з високою роздільною здатністю (Si-Ge arrays – Si-Ge збірки), та які виносяться на захист: зокрема, у роботах [1] та [2] – енергії та відносні інтенсивності -затриманих -променів 103Sn, схема розпаду 103Sn, час напіврозпаду 103Sn (виміряний за допомогою Si-Ge збірки); у роботі [3] – енергії та відносні інтенсивності -затриманих -променів 102Sn, схема розпаду 102Sn та систематика перерізів легких ізотопів олова; у роботі [4] – було протестовано детекторну установку та розроблено методику аналізу -- та ---збігів з 17 Ge- та трьома Si-детекторами, яку було використано для аналізу даних розпаду 101-103Sn.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що викладені у дисертації, доповідалися або були представлені на 8 конференціях із них: на Міжнародних конференціях з ядерної спектроскопії і структури атомного ядра у 2003 р. (Москва, Росія) та 2004 р. (Белгород, Росія); Міжнародній конференції "Eleventh International Symposium on Capture Gamma-Ray Spectroscopy and Related Topics (CGS 11)", вересень 2-6, 2002 р. (Прага, Республіка Чехія); Весняних конференціях Німецького фізичного товариства "Spring Conference of the German Physical Society, Div. for Physics of Nuclei and Hadrons (DPG-03)", березень 17-21, 2003р. (Тюбінген, Німеччина) та DPG-04, березень 8-12, 2004р. (Кельн, Німеччина); Міжнародній конференції International Workshop "Euro Summer School on Exotic Beams", вересень 4-12, 2003р. (Валенсія, Іспанія); Міжнародній конференції "Sixth International Conference on Radioactive Nuclear Beams (RNB6)", вересень 22-26, 2003р. (Аргон, Іллінойс, США); Міжнародній конференції "Fourth International Conference on Exotic Nuclei and Atomic Masses (ENAM-04)", вересень 12-16, 2004р. (Калавей Гарденс, Пайн Маунтейн, Джорджія, США).

Публікації. За результатами представленими в дисертації опубліковано 16 наукових робіт, з них 4 – статті в наукових реферованих журналах [1-4], 5 – роботи у збірниках наукових праць [5-9], і 7 є тезами у збірниках тез наукових конференцій [10-16]. Всі публікації виконано у співавторстві; внесок здобувача вказано вище.

Структура дисертації. Дисертаційна робота містить вступ, п'ять розділів, висновки та список використаних джерел, що налічує 130 найменувань. Обсяг дисертації складає 147 сторінки тексту, включаючи 49 рисунків, 9 таблиць та список використаних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі висвітлено актуальність теми, мету і задачі роботи, наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, зв'язок роботи з науковими програмами і темами та відмічено особистий внесок здобувача.

Перший та другий розділи дисертації присвячено актуальності дослідження екзотичних ядер та методам отримання пучків радіоактивних ізотопів. Розглянуто два основних методи отримання таких пучків (метод розділення в польоті та метод ISOL), а також реакції, які найчастіше використовуються. Описано переваги та недоліки обох методів, зазначено можливість створення комбінованої методики. У другому розділі висвітлено унікальність області 100Sn з точки зору досліджень структури ядра. Відмічається, що з того часу, як двічі магічне ядро 100Sn з N=Z та деякі сусідні ядра було отримано експериментально, вивчення цих протонно надлишкових ядер викликало загальний інтерес наукової спільноти. Двічі магічні ядра та сусідні ізотопи/ізотони цінні з огляду на можливість перевірки оболонкової моделі ядра. У ядрах з Z?N протони та нейтрони займають однакові оболонки, тому радіальні частини хвильових функцій є однаковими, що надає можливість дослідити залежність ядерної взаємодії від ізоспіну. Крім цього, очікується, що в цій області повинен закінчуватися астрофізичний rp-процес. Особливо цікавим у такому випадку є підсилення моди випромінювання ?-затриманих протонів для ядер поблизу 100Sn. Для деяких нейтронно-дефіцитних нуклідів в області 100Sn виміри спектрів енергії протонів дозволили ідентифікувати нові ізотопи та отримати першу інформацію про їхні властивості.

У розділі також наведено огляд сучасного стану досліджень ?-розпаду ядер в цій області. Вказано, що у попередніх експериментах розпад найближчих сусідів 100Sn (101Sn та 103Sn) було досліджено лише в експериментах, в яких реєструвалися ?-затримані протони.

У третьому розділі докладно описано експериментальну установку, детектори, які було використано для вимірів, та умови проведення експерименту. Експериментальні результати, наведені в дисертації, було отримано на установці ISOL (сепаратор ізотопів он-лайн) у науково-дослідному центрі GSI (Дармштадт, Німеччина), куратори – проф. Ернст Рьокль та докт. Магдалена Гурска (Prof. Ernst Roeckl, Dr. Magdalena Gуrska). В даній роботі ізотопи 101-103Sn було отримано за допомогою реакції злиття-випаровування 50Cr(58Ni,бxn). Пучок 58Ni спрямовувався на збагачену мішень з 50Cr (3 мг/см2, збагачення 97%). Енергія пучка підбиралася таким чином, щоб досягти максимуму перерізу у товщині мішені, і складала 4,9 МеВ/нуклон для 102,103Sn та 5,2 МеВ/нуклон для 101Sn. Інтенсивність пучка становила 32-40 частинок-нА. Було використано іонні джерела типу FEBIAD-B2C із наступними захоплювачами: для 102,103Sn – з графіту або ніобію, для 101Sn – з графіту, ніобію або ZrO2. Високу хімічну вибірковість для ізотопів олова було досягнуто шляхом додавання парів CS2 до іонного джерела. Після розділення за масами в секторному магнітному полі іони SnS+ було спрямовано до масиву кремнієвих та германієвих детекторів (далі Si-Ge масив). В табл. 1 представлено інтенсивності вторинного пучка, які було досягнуто в даній роботі.

Розділений за масами пучок іонів SnS+ з сепаратору ізотопів було імплантовано на колектор (транспортну стрічку) в центрі Si-Ge масиву. В

Таблиця 1.

Інтенсивності вторинних пучків, досягнуті в експериментах.

Ізотоп | 101Sn | 102Sn | 103Sn | 104Sn | 105Sn

Інтенсивність, атомів/с | 0,04 | 0,5 | 23 | 500 | 3300

експериментах, присвячених дослідженню 102,103Sn, автором визначено оптимальну геометрію експерименту, в якій точку імплантації було розміщено всередині вакуумної камери і оточено збіркою з трьох кремнієвих детекторів у формі трикутної призми (геометрична ефективність 65% тілесного кута 4?) для реєстрації позитронів. Збірка складалася з трьох індивідуальних детекторів товщиною 1 мм та площею 60?60 мм2. Навколо вакуумної камери було розміщено масив германієвих детекторів, що складався з 17 індивідуальних кристалів (частина з яких входили до складу композитних детекторів, таких як EuroballCluster – 7 кристалів та двох GSI VEGA-SuperClover – 4 кристали в кожному, решта – одиночні детектори).

В експериментах, метою яких було дослідження розпаду 101Sn, було використано іншу детекторну установку. Пучок іонів з масою A=101+32 було імплантовано на тонку вуглецеву фольгу, розташовану безпосередньо перед установкою для реєстрування протонів, або в центр масиву кремнієвих та германієвих детекторів. Установка для вимірів ?-затриманих протонів (?p) складалася з двох однакових кремнієвих поверхнево-бар'єрних ДE-E телескопів. Пучок з мас-сепаратору періодично переключали між ними, і таким чином було спостережено наростання та розпад накопиченої активності (12 с включений пучок/ 12 с виключений пучок). Кожен з ДE детекторів мав площу 450 мм2 та товщину 20 мкм, тоді як відповідні параметри E детектора були 2000 мм2 та 500 мкм. Визначено геометричну ефективність кожного з детекторів, яка склала 17(2)% тілесного кута 4?. У вимірах, метою яких було реєстрація в-?атриманих ?-променів (?г), було використано три кремнієвих детектори товщиною 300 мкм (два бокових детектори розміром 30 мм?30 мм та центральний детектор розміром 14 ммЧ14 ?м). Було визначено, що загальна ефективність збірки кремнієвих детекторів складала близько 40%. Навколо вакуумної камери, з точкою імплантації та кремнієвими детекторами, було розташовано три детектора типу Clover (12 незалежних Ge кристалів). У розділі показано, що в експериментах було досягнуто абсолютної ефективності піку повного поглинання для енергії ?-квантів 1,33 МеВ, що становила 3,2% (102,103Sn експеримент) та 7,5% (101Sn експеримент).

Для того, щоб збільшити кількість подій 101-103Sn та подавити довгоживучі домішки, було підібрано оптимальні часові режими для вимірів. Основні виміри розпаду 103Sn було виконано у режимі наростання: виміри проводилися на протязі часу, коли пучок A=103+32 іонів було імплантовано на нерухому транспортну стрічку. Після певного часу (спеціально підібраного для кожного ізотопу) транспортна плівка виносила накопичену активність дочірніх продуктів розпаду 103Sn за межі чутливості детекторної установки. З метою оптимізації виходу досліджуваних ізотопів було обрано наступні періоди імплантації: 48 с для 103Sn, 24 с для 102Sn та 8 с для 101Sn. Загальний час вимірів для 103Sn складав 11,6 години, для 102Sn – 76 годин, для 101Sn – 71 година (?г-?иміри) та 69 годин (?p-виміри). Додатково було проведено виміри (на протязі 2 годин), коли пучок маси A=103+32 було імплантовано на стрічку на протязі 16 с, після чого ще 16 с було проведено виміри з вимкненим пучком – так званий метод наростання/розпаду.

Всі енергетичні та часові події, які було зареєстровано в результаті ?-г- ?а ?-г-г-?бігів між окремими германієвими та кремнієвими кристалами, було оцифровано та записано в режимі "подія-за-подією" (event-by-event) на магнітну плівку. Для реєстрації збігів було використано схему швидких-повільних збігів (fast-slow coincidence circuit), створену автором на основі стандартної електроніки типу NIM.

У четвертому розділі дисертації наведено результати експериментів та їх обговорення. Отримані експериментальні дані ?-г- ?а ?-г-г-?бігів було відсортовано у спектри та двовимірні матриці за допомогою числового коду для аналізу експериментальних даних, який було створено автором в рамках даної роботи.

Перший підрозділ присвячено результатам дослідження розпаду 103Sn. На основі аналізу ?-г-?бігів (див. табл. 2) було вперше побудовано схему розпаду 103Sn?103In (рис. 1), що включає 23 з 31 ?-переходу, які було ідентифіковано в даній роботі як ?-затримані ?-промені 103Sn. З роботи на пучку [Kownacki J. et al., Nucl.Phys. A627, 1997, p.239] відомо, що ?-промені з енергією 1078 та 1273 кеВ є переходами у 103In зі станів (11/2+) та (13/2+) в основний стан, відповідно. Існування рівня з енергією 1429 кеВ випливає із збігів між переходами 1078 та 351 кеВ (двокаскадний перехід) та підтверджується спостереженням переходу 1429 кеВ, який є однокаскадним переходом. Рівень 1429 кеВ, найбільш ймовірно, має спін та парність 9/2+, оскільки перехід з основного стану 103Sn (5/2+) у (11/2+) стан в 103In заборонено, перехід (7/2+)?(11/2+) може йти головним чином за рахунок E2 г-?вантів. Аналіз виміряних інтенсивностей

виключає таку можливість. В такий самий спосіб, як і для рівня з енергією 1429 кеВ, було розміщено однокаскадні переходи 1669 кеВ, як перехід з рівня 1669?1356+314 кеВ, 2209 кеВ (2209=853+1356), 2813 кеВ (2813=1356+821+636) та 1909 кеВ (1909=1078+831).

Вісім ліній, позначені в табл. 2 зірочкою (*), збігаються тільки з ?-квантами позитрон-електронної анігіляції (511 кеВ). Через недостатню статистику не було можливості дослідити поведінку цих ліній в часі (аналіз за часом напіврозпаду). Ці лінії було попередньо віднесено до розпаду 103Sn, проте їх не було включено до схеми рівнів. Вони мають досить велику інтенсивність і не належать розпаду дочірніх ядер (такі інтенсивні лінії було б ідентифіковано

Таблиця 2.

Результати вимірів ?-затриманих г-?роменів 103Sn:

енергії ?-променів (Eг), відносні ефективності ?-променів (Iг) та ?-г-?біги.

Eг, кеВ | Iг, % а) | г-?ромені у збігах, кеВ

314,0±0,2 | 45± 2 | (295), 355, 511, 1356, 1611

351,3±0,2 | 9±1 | 511, (780), 1078

355,4±0,2 | 11±1 | 314, 511, (1212), 1356

627,4±1,4 | 1,2±0,5 | 511, 1397

635,4±0,5 | 4±1 | 511, 821, 1356

643,1±0,1* | 15±1 | 511

752,1±0,2 | 8±1 | 511, 1397

780,0±0,2 | 3,0±0,5 | 511, 351

821,0±0,1 | 12±1 | 511, (635), 1356

830,6±0,2 | 2,9±0,5 | 511, (1078)

853,0±0,5 | 3,4±0,5 | 511, 1356

964,3±0,6 | 3±1 | 511, 1356

993,7±0,3* | 7±1 | 511

1071,3±0,3* | 5±1 | 511

1077,6±0,3 | 22±1 | 351, 511, (831)

1134,5±0,2* | 5±1 | 511

1272,8±0,3 | 1,9±0,5 | 511

1355,8±0,1 | 100 | 314, 355, 511, 635, 821, (824), 853, 964, (1144), 1611, (1841), 2106

1396,8±0,1 | 43±2 | 511, 752, 627

1428,9±0,1е | 15±1 | 511

1548,8±0,3* | 4±1 | 511

1579,8±0,4* | 4±1 | 511

1610,9±0,2 | 13±1 | 314, 511, 1356

1669,3±0,3е | 5±1 | 511

1840,9±0,4 | 5±1 | 511, 1356

1908,5±0,5е | 4±1 | 511

1958,8±0,3* | 11±1 | 511

2049,7±0,3* | 7±1 | 511

2106,0±0,3 | 7±1 | 511, (1356)

2209,3±0,3е | 4±1 | 511

2813,2±0,5е | 10±2 | 511

a абсолютні інтенсивності на 100 розпадів можуть бути отримані як добуток Iг та фактору 0,40±0.05

* переходи, які можуть бути попередньо приписані розпаду ізотопу 103Sn, але не розміщені у схемі рівнів

e переходи, які включені до схеми рівнів на основі відомих енергій рівнів, а не даних про ?-г-?біги

у попередніх дослідженнях цих ядер). У підрозділі обговорюється можливе розміщення цих ліній в схемі рівнів.

Рис. 1. Запропонована схема рівнів 103In, що заселяються у розпаді 103Sn. Для переходів у 103In наведено значення енергій в одиницях кеВ та відносні інтенсивності, нормовані на інтенсивність переходу з енергією 1356 кеВ. Переходи та рівні, позначені пунктирними лініями, розміщено в схемі рівнів попередньо. Спін та парність рівня з енергією 1429 кеВ було визначено в даній роботі, а інші запозичено з роботи [Kownacki J. et al., Nucl.Phys. A627, 1997, p.239].

У роботі було визначено час напіврозпаду 103Sn, що складає 7,0±0,3 с. Отримане значення узгоджується з результатами, отриманими в попередніх роботах: 7±3 с [Tidemand-Petersson P. et al., Z.Phys. A302 (1981) p.343] та 7,5±1,5 [Rykaczewski K. GSI-95-09 (1995)], але було визначено з вищою точністю. Проте, результат, отриманий в даній роботі відрізняється від значення 8,7±0,6 с, яке наведено в роботі [Stolz A. Ph.D. Thesis, TU Munchen, 2001].

Необхідно зазначити, що ?-інтенсивності, отримані за допомогою спектроскопії з високою роздільною здатністю (Ge-детектори), часто називають уявними (apparent) ?-інтенсивностями. Такий термін було введено з огляду на те, що Ge-детектори мають малу ефективність і не здатні зареєструвати всі переходи у розпаді ядра (тільки найінтенсивніші). В таких вимірах втрачається більша частина сили ?-переходу. В експериментах з дослідженя розпаду 103Sn за допомогою германієвих

детекторів було зареєстровано тільки шосту частину повної сили ?-переходу. Тому уявні ?-інтенсивності, які було отримано з такої неповної схеми рівнів, є невірними через проблему втрати (слабких) ?-променів у дослідженнях з Ge-детекторами. Проте, тільки спектроскопія з високою роздільною здатністю дає можливість визначити енергії переходів та рівнів.

У другому підрозділі наведено результати спектроскопії з високою роздільною здатністю розпаду 102Sn. Вперше -затримані -промені 102Sn було виміряно в роботі А.Штольца та ін. [Stolz A. Ph.D. Thesis, TU Mьnchen, 2001], в якій було використано реакцію фрагментації 112Sn з енергією 1 ГеВ/нуклон. Проте детекторна установка, яку було використано у попередній роботі, не дозволила отримати інформацію про збіги між спостереженими -променями. Тому схему розпаду було побудовано на основі розрахунків за оболонковою моделлю. В даній роботі було використано установку, що складалась з 17 Ge-кристалів, що дозволило отримати дані ---збігів та розширити і виправити схему рівнів, отриману у попередній роботі.

Основні результати вимірів розпаду 102Sn наведено в табл. 3. Отримана статистика та конфігурація електроніки (відбір ---подій) дозволили визначити лише відносні значення інтенсивностей -променів, які було знайдено за умови збігів з 511 кеВ анігіляційними квантами та нормовано на інтенсивність лінії 320 кеВ. В результаті аналізу даних --збігів було побудовано схему розпаду 102Sn, представлену на рис. 2, до якої було додатково включено два рівні, виміряні у дослідженнях із застосуванням спектрометру повного поглинання [Karny M. et al., EPJ A Direct, 2005], які було проведено паралельно до вимірів, що описано в даній роботі.

Результати роботи [Karny M. et al., EPJ A Direct, 2005] показали, що шість рівнів заселяються напряму в результаті +-переходів або електронного поглинання, з часами напіврозпаду, що відповідають значенням logfti?4,6. Це вказує на те, що -переходи є дозволеними і дозволило зробити висновок, що відповідні рівні у схемі розпаду, яку було отримано в даній роботі, мають спін та парність I=1+. Збудження цих рівнів знімається шляхом переходів на 2+ та 3+ рівні. У схемі розпаду ізотопу 102Sn добре видно, що сила переходів сконцентрована на декількох 1+ рівнях.

Таблиця 3.

Результати вимірів ?-затриманих ?-променів 102Sn: енергії ?-променів (Eг),

відносні ефективності ?-променів (Iг) та інформація про г-г-?біги.

Eг, кеВ | Iг, % | г-?ромені у збігах, кеВ

69±1 | 100±20 | 94, 320, 511, 1063

94±1 | 90±20 | 69, 320, 511

238±1 | 25±10 | 120, 511, 538

320±1 | 100 | 69, 77*, 85*, 94, 511, 583*, 641*, 1063, 1425

538±1 | 30±10 | 69, 238, 511

583±1 | 40±10 | 94, 511, 844

844±1 | 30±10 | 94, 511, 583

1063±1 | 50±10 | 69, 94, 320, 511

1107±1 | 30±10 | 69, 94, 511

1425±1 | 40±10 | 94, 320, 511

В даній роботі не було спостережено -перехід з енергією 53 кеВ, якій було виявлено в роботі А.Штольца та ін. [Stolz A. Ph.D. Thesis, TU Mьnchen, 2001]. Факт неспостереження підтверджується спектром, який було виміряно за допомогою планарного Ge-детектора. На спектрі добре видно лінії характеристичного випромінювання індію та -лінії, що належать розпаду 102Sn. Проте, в області 50-60 кеВ не має значущих піків.

Неспостереження переходу з енергією 53 кеВ свідчить про те, що спін основного стану 102In повинен бути 6+, а не 7+ як було запропоновано у попередній роботі, що узгоджується із значенням, яке було використано у роботі на пучку [Sohler D. et al., Nucl. Phys. A708, 2002, p.181].

Третій підрозділ присвячено результатам дослідження розпаду 101Sn. На основі вимірів -затриманих протонів було визначено час напіврозпаду 101Sn, що складає 1,9±0,3 с, та переріз реакції 50Cr(58Ni,3n)101Sn, що становить 60±10 нбн. Значення часу напіврозпаду, яке було отримано в даній роботі, узгоджується з результатами попередніх експериментів (3±1 с [Janas Z. et al., Physica Scripta T56, 1995, p.262] та 1,5±0,6 с [Stolz A. Ph.D. Thesis, TU Munchen, 2001]), але було визначене з вищою точністю. В даній роботі вперше було проведено виміри -затриманих -променів 101Sn. На основі аналізу ---збігів було попередньо запропоновано каскад з двох -переходів (352 та 1065 кеВ) у 101In.

Рис. 2. Експериментальна схема рівнів розпаду 102Sn, яку було отримано в даній роботі на основі аналізу даних --збігів. Рівні, позначені сірим кольором, значення -інтенсивностей (I) та logft було отримано в експериментах із використанням спектрометру повного поглинання і запозичено з роботи [Karny M. et al., EPJ A Direct, 2005].

Останній підрозділ присвячено експериментальній систематиці перерізів легких ізотопів олова 101-105Sn. В результаті екстраполяції експоненційною залежністю було оцінено значення перерізу 100Sn, що повинно бути порядку 3 нбн. Ця оцінка на порядок відрізняється від результату, який було отримано в експериментах в ГАНІЛі (GANIL, Франція) [Chartier M. et al., Phys. Rev. Lett. 77, 1996, p.2400] та складає 40 нбн. Можна стверджувати, що в останньому випадку переріз було явно переоцінено. Про це також свідчить робота [Karny M. et al., EPJ A Direct, 2005], в якій наведено оцінку перерізу 100Sn <10 нбн, що базується на неспостережені -затриманих -променів 100Sn, які було б ідентифіковано, якби переріз був порядку 40 нбн.

Рис. 3. Спектр -випромінювання, який було отримано за допомогою планарного Ge-детектора. Лінії характеристичного випромінювання індію позначено відповідно як InK та InK. Для -ліній, що належать розпаду 102Sn, наведено значення енергій в одиницях кеВ. Стрілкою позначено місце, що відповідає енергії 53 кеВ (неспостереженого в даній роботі переходу).

П’ятий розділ дисертації присвячено порівнянню отриманих в роботі експериментальних даних з теоретичними розрахунками. У першому підрозділі наведено основні принципи розрахунків за узагальненою оболонковою моделлю із залишковою взаємодією.

У другому підрозділі наведено результати розрахунків для розпаду ізотопів 101-103Sn. В області 100Sn -розпад як парно-парних ядер, так і сусідніх ядер з непарним A відбувається за допомогою переходу Гамова-Теллера (ГТ) типу . Проте, у випадку ядер з непарним A, спін основного стану Ii материнського ядра відрізняється від нуля. Відповідно до правил відбору, у такому розпаді ГТ повинні заселятися стани зі спінами If=Ii, Ii+1. Спін та парність системи з парним Z та непарним N визначається непарним нейтроном, що додається до I=0+ парно-парного остову. Перетворення, що виникає в межах парно-парного остову є аналогом 0+1+ розпаду сусідніх парно-парних ядер.

Результати розрахунків із застосуванням квазічастинкової оболонкової моделі із реалістичною [Hjorth-Jensen M. et al., Physics Reports 261, 1995, p.125; Grawe H. et al., Nucl. Phys. A693, 2001, p.116] та емпіричною [Brown B.A., Rykaczewski K. et al., Phys. Rev. C50, 1994, p.R2270] залишковими взаємодіями було порівняно зі схемою розпаду 103Sn, яку було експериментально отримано в даній роботі. Представлені в даній роботі розрахунки було виконано за допомогою комп’ютерного розрахункового коду OXBASH [Brown B.A. et al., MSU-NSCL report 524, 1988].

Енергії -розпаду 103Sn та 101Sn більші, ніж у сусідніх ізотопів, а стани, які заселяються у відповідних ізотопах індію, лежать в області високої густини рівнів. Це призводить до того, що сила ГТ розподілена по багатьом рівням, процес зняття збудження яких іде через -випромінювання з дуже малою інтенсивністю. Оболонкова структура станів 103In визначається додаванням дірки до чотирьох нейтронів над повністю заповненою нейтронною оболонкою N=50: додавання діркового стану до I=2+ стану у 104Sn призводить до виникнення у 103In мультиплету I =(5/2+, 7/2+, 9/2+, 11/2+, 13/2+). Цей набір станів відокремлений у розрахунках від інших рівнів з більшою енергією інтервалом близько 300 кеВ, що підтверджується експериментальною схемою розпаду. Два найнижчі рівні цього мультиплету з енергіями 1078 та 1273 кеВ було ідентифіковано у роботі на пучку [Kownacki J. et al., Nucl. Phys. A627, 1997, p.239] як такі, що мають спіни та парність 11/2+ та 13/2+, відповідно. У даній роботі для рівня з енергією 1429 кеВ було запропоновано значення спіну та парності, що дорівнюють 9/2+. Передбачається, що рівні з енергіями 1356 та 1397 кеВ є 5/2+ та 7/2+.

Рівень 1/2- у виконаних розрахунках зі стандартним двочастинковим матричним елементом у вище зазначеній реалістичній взаємодії має енергію 1372 кеВ. Це приблизно на 700 кеВ вище, ніж експериментально визначена енергія рівня, що дорівнює 632 кеВ. В даній роботі вважається, що ця неузгодженість виникає внаслідок неоптимізованої залишкової взаємодії між нуклонними станами . Якщо ввести додатковий зсув на 250 кеВ енергії взаємодії у мультиплеті між нуклонними станами та 200 кеВ у мультиплеті , то обчислене значення енергії для 1/2- рівня зменшується 664 кеВ. Така модифікація залишкової взаємодії між квазічастинками, яку було запропоновано в даній роботі, не впливає на структуру рівнів з позитивною парністю, але значно покращує відтворення моделлю рівнів з негативною парністю. Глобальний ефект такої модифікації взаємодії на інші ядра в цій області – покращення відтворення характеристик станів, які також залежать від цієї частини взаємодії, як наприклад, відтворення магічної щілини Z=40 у 96Zr, яка у розрахунках зі стандартним двочастинковим матричним елементом мала занадто велике значення енергії.

Оболонкова модель передбачає структуру рівнів, що заселяються в результаті розпаду 101Sn, близьку до отриманої для розпаду 103Sn, проте відсутність достатньої експериментальної інформації не дозволяє оцінити успішність розрахунків для цього ізотопу. Розрахунки для розпаду 102Sn, які було виконано в рамках даної роботи, добре відтворюють експериментально отриману схему рівнів.

Третій та четвертий підрозділи присвячені розрахункам радіаційних силових функцій – інструменту для опису процесів -розпаду та фотопоглинання, обговорюються існуючи моделі та узгодження розрахунків з існуючими експериментальними даними. Аналіз моделей показав, що розрахунки за допомогою моделей модифікованого Лоренціану (MLO) та узагальненої Фермі-рідини (GFL) більш близькі до експериментальних даних при енергіях MeB, ніж використовуючи моделі підсиленого Лоренціану (EGLO) та стандартного Лоренціану (SLO). Загальне порівняння розрахунків в рамках моделей MLO, EGLO, SLO та GFL та експериментальних даних показало, що MLO та GFL наближення можна вважати достовірним методом опису радіаційних силових E1 та M1 функцій ?-розпаду в широкому інтервалі енергій, як від нульової енергії ?-квантів, так і до значень енергії поблизу піку гігантського дипольного резонансу.

Зазначено, що моделі MLO та GFL не вимагають великої кількості розрахункового часу, і вони можуть бути використані для обчислення та оцінки радіаційних силових функцій у розрахункових пакетах. Модель MLO рекомендовано використовувати з набором параметрів, який було запропоновано: F=1; ks=0,3; ns=0,5 як у випадку E1 переходів, так і у випадку суми E1+M1 переходів. Надано рекомендації щодо використання моделі GFL у модифікованому вигляді.

ВИСНОВКИ

Основні результати проведених досліджень, що представлено в дисертації, можна сформулювати наступним чином:

1. Досліджено збуджені стани, що заселяються в результаті -розпаду легких ізотопів олова 101-103Sn, за допомогою збірок германієвих та кремнієвих детекторів. Вперше було отримано експериментальні дані щодо -- та ---збігів розпаду збуджених станів таких ядер.

2. Вперше було виміряно -затримані -промені 103Sn. В експериментах, проведених в рамках дисертаційної роботи, було ідентифіковано 31 -затриманий -промінь 103Sn, з них 29 нових та дві лінії, енергії яких були відомі з експериментів на пучку, проте вперше спостережені у -розпаді. Виміряно час життя 103Sn. Завдяки даним ---збігів було вперше побудовано схему -розпаду 103Sn.

3. Проаналізовано можливість заселення ізомерного рівня 1/2- в 103In нерозміщеними переходами, на основі систематики експериментальних даних для рівнів в 105,107,109In.

4. Отримано нову інформацію про --збіги між -затриманими -промінями 102Sn, що дозволило виявити взаємозв'язки між спостереженими -квантами, та побудувати схему рівнів дочірнього ядра 102In.

5. Проведено виміри -затриманих протонів 101Sn, які дозволили з високою точністю визначити час життя 101Sn та переріз реакції 58Ni(50Cr,3n)101Sn.

6. Вперше було проведено виміри -затриманих -променів 101Sn, дослід-жено ---збіги та запропоновано каскад з двох -переходів в 101In.

7. Проведено розрахунки за квазічастинковою оболонковою моделлю із залишковими взаємодіями, розробленими для області 100Sn. Продемонстровано, що розрахунки добре відтворюють структуру рівнів ядер з менше ніж трьома квазічастинками (102In).

9. Аналіз теоретичних розрахунків свідчить про те, що стандартні взаємодії погано відтворюють стани з від'ємною парністю, проте, цей недолік може бути виправлено за рахунок додавання константи до взаємодії зовнішніх протонних та нейтронних оболонок. В роботі було запропоновано відповідну зміну взаємодії, яка не впливає на структуру рівнів з позитивною парністю, але значно покращує відтворення моделлю рівнів з негативною парністю.

10. Виконано розрахунки радіаційних E1 та M1 силових функцій із застосуванням сучасних простих аналітичних наближень. Було показано, що моделі модифікованого Лоренціану та узагальненої Фермі-Рідини можна вважати достовірним методом опису радіаційних силових E1 та M1 функцій г-розпаду в широкому інтервалі енергій. Запропоновано набір глобальних параметрів для моделі MLO, з якими вона найкраще описує більшість експериментальних даних та модифікацію моделі GFL, яка дозволяє використовувати її також і для деформованих ядер.

Результати, що було отримано в даній роботі, є новою інформацією про структуру ядер в області 100Sn, яка необхідна для подальшого розвитку ядерних моделей та розуміння основних астрофізичних процесів. Отримані перерізи та періоди напіврозпаду важливі для планування майбутніх експериментів з дослідження двічі магічного ядра 100Sn.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Kavatsyuk O., Kavatsyuk M., Batist L., Banu A., Becker F., Blazhev A., Brьchle W., Dцring J., Faestermann T., Gorska M., Grawe H., Janas Z., Jungclaus A., Karny M., Kirchner R., La Commara M., Mandal S., Mazzocchi C., Mukha I., Muralithar S., Plettner C., Plochocki A., Roeckl E., Romoli M., Schaedel M., Schwengner R., Zylicz J. Beta decay of 103Sn // European Physical Journal A. - 2005. Vol.25. - P.211-222.

2. Kavatsyuk M., Kavatsyuk O., Batist L., Banu A., Becker F., Blazhev A., Brьchle W., Burkard K., Dцring J., Faestermann T., Gorska M., Grawe H., Janas Z., Jungclaus A., Karny M., Kirchner R., La Commara M., Mandal S., Mazzocchi C., Mukha I., Muralithar S., Plettner C., Plochocki A., Roeckl E., Romoli M., Schaedel M., Schwengner R., Zylicz J. Beta decay spectroscopy of 103,105Sn // European Physical Journal A. – Vol.25s01. – P.138-141.

3. Karny M., Janas Z., Plochocki A., Zylicz J., Batist L., Banu A., Becker F., Blazhev A., Brьchle W., Dцring J., Faestermann T., Gorska M., Grawe H., Jungclaus A., Kavatsyuk O., Kavatsyuk M., Kirchner R., La Commara M., Mandal S., Mazzocchi C., Mukha I., Muralithar S., Plettner C., Roeckl E., Romoli M., Schaedel M., Schwengner R. Beta decay of 102Sn // European Physical Journal A Direct. – 2005. DOI:10.1140/epjd/i2005-07-09-5.

4. Mukha I, Batist L., Becker F., Blazhev A., Brьchle W. , Dцring J., Gorska M., Grawe H., Faestermann T., Hoffman