ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ім. В.Н. КАРАЗІНА

ХВАСТУНОВ ВОЛОДИМИР МИХАЙЛОВИЧ

УДК 539.17

ЗБУДЖЕННЯ ГІГАНТСЬКИХ МУЛЬТИПОЛЬНИХ РЕЗОНАНСІВ У СЕРЕДНіХ ЯДРАХ ЕЛЕКТРОНАМИ і поділ ВАЖКИХ ядер ПОЛЯРИЗОВАНИМИ ФОТОНАМИ

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

доктора фізико-математичних наук

Харків – 2007

Дисертаіею є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики високих енергій та ядерної фізики Національного наукового центру "Харківський фізико-технічний інститут" (ІФВЕЯФ ННЦ ХФТІ) Національної академії наук України.

Науковий консультант доктор фiзикo-мaтeмaтичниx наук,

професор, член-кореспондент НАН України Шульга Микола Федорович, Інститут теоретичної фізики ННЦ ХФТІ, м. Xapків, директор

Офіційні опоненти:

доктор фіз.-мат. наук, академік НАН України Сторіжко Володимир Юхимович, Інститут прикладної фізики НАН України, м. Суми, директор;

доктор фіз.-мат. наук, професор Бережной Юрій Анатолійович, Харківський національний університет iм. В.Н. Каразіна, завідуючий кафедрою;

доктор фіз.-мат. наук, професор Пугач Валерій Михайлович, Інститут ядерних досліджень НАН України, м. Київ, завідуючий відділом

Захист відбудеться " 12 " жовтня 2007 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої рада Д 64.051.12 Харківського національного університету імені В.Н.Каразіна за адресою: 61108, м. Харків, пр. Курчатова, 31,ауд. 301.

3 дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного университету імені В.Н.Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, м. Свободи, 4.

Автореферат розісланий " 7 " вересня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Письменецкий СО.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дослідження електромагнітної взаємодії в ядерній фізиці дає важливі відомості про структуру досліджуваних ядер і нуклонів. Для цього широко використовуються розсіяння електронів, фотоядерні реакції та інші методи. Цими методами можна розв’язувати багато задач фізики ядра та елементарних частинок: 1) вивчати різні механізми реакції; 2) перевіряти моделі ядер; 3) здобувати відомості про електрон - ядерну, нуклон-нуклонну та нуклон - ядерну взаємодії; 4) досліджувати структуру хвильових функцій. За допомогою непружного розсіяння електронів можна визначати мультипольності та парності переходів, а, вимірюючи перехідні густини, можна вивчати динамічні властивості ядра. З вимірів перехідних густин під різними кутами, але при постійному переданому імпульсі q, можна виділити поздовжні та поперечні переходи і, отже, визначити характер переходу (електричний або магнітний). На лінійних прискорювачах електронів можна знаходити повні ширини збуджених станів, а екстраполяція перерізів збуджених станів до значення переданого імпульсу q0 дає змогу також здобути ширину розпаду в основний стан.

Електрозбудження виявилось особливо корисним при дослідженні гігантських резонансів. Можливість при розсіюванні електронів змінювати переданий імпульс q при постійній переданій енергії збудження Ex (або ) дає змогу вивчати набагато більше особливостей, ніж при фотозбудженні. Можливе більш точне визначення мультипольності та природи цих колективних переходів, а також ступеня їхньої колективності. Із розвитком моделей гігантського резонансу виявилося, що оболонкова та колективна моделі дають приблизно аналогічні результати. Проте, з огляду на загальний результат, що формфактори, у тому числі й для непружного розсіяння, будучи майже модельно-незалежними при низьких q, виявляються досить критичними до моделей при збільшенні q. Це дає змогу сподіватися, що експерименти при великих q будуть дуже зручними для вибору певної теоретичної моделі гігантського резонансу.

Застосування поляризованих фотонів надає нову інформацію про співвідношення каналів поділу, дає змогу здобути аналізуючу здатність реакції та приписати модельно незалежним способом парність станам при фотоподілі при низьких енергіях. Ці дані більш надійно можна знайти біля порога поділу, де виявляється невелика кількість каналів із обмеженою кількістю спінових станів.

Експериментальним дослідженням збудження гігантских мультипольних резонансів і фотоподілу важких ядер поляризованими фотонами присвячена ця дисертація.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Фундаментальні дослідження електромагнітної структури ядер, які стали основою дисертаційної роботи, здобуті при виконанні планових бюджетних тем, програм і проектів Національного Наукового Центру “Харківський фізико-технічний інститут“; “Програми робіт із атомної науки і техніки ННЦ ХФТІ до 2000 року”, затвердженої постановою Кабінету Міністрів України від 20.07.93 р. № 558; “Програми проведення фундаментальних досліджень по атомній науці і техніці Національного Наукового Центру “Харківський фізико-технічний інститут” до 2005 року” затвердженої розпорядженням Кабінету Міністрів України від 13 вересня 2001 р. №421-р, Київ; Проекту № 2/102, 1992-1993 р., шифр “Поляризація”, який підтримувався Державним Комітетом з Науки і Техніки України. У цих програмах і проекті дисертант був відповідальним виконавцем.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є встановлення спектроскопічних характеристик гігантских резонансів з допомогою непружного розсіяння релятивістських електронів на атомних ядрах і дослідження взаємодії лінійно поляризованих фотонів із важкими ядрами в області збудження гігантських резонансів. С цією метою проведено пошук закономірностей поведінки перерізів, які спостерігаються в енергетичних спектрах і кутових розподілах продуктів реакції та їхньої залежністі від кінематичних умов вимірів, а також проведено всебічний аналіз диференціальних перерізів (е, е) і (, реакцій на основі низки теоретичних моделей ядра з метою знаходження фізичної інформації з різних проблем ядерної фізики.

Об'єкт дослідження – процеси взаємодії релятивістських електронів і лінійно поляризованих фотонів з атомними ядрами при енергіях 150 – 1200 МеВ.

Предмет дослідження – спектри (е, е) і виходи (, – реакцій, закономірності поведінки перерізів, які спостерігаються в енергетичних спектрах і кутових розподілах продуктів реакції, при взаємодії електронів і фотонів із ядерними мішенями.

Методи дослідження – для проведення експериментальних досліджень при виконанні робіт автором використовувалося спеціалізоване устаткування, яке було створено за участю автора в ННЦ ХФТІ для вивчення електромагнітної взаємодії ядер і нуклонів. Детектування розсіяних електронів і уламків поділу проводилося з використанням магнітного спектрометра та за допомогою ефективної реєстраційної апаратури. Інтенсивність пучка електронів вимірювалася монітором вторинної емісії на - електронах і циліндром Фарадея повного поглинання, що гарантувало високу точність вимірів потоку електронів. Потік фотонів вимірювався квантометром і тонкостінною іонізаційною камерою. У кожній серії вимірів проводилося калібрування експериментального устаткування і детекторної апаратури, здійснювалося постійне спостереження за первинною енергією електронів, тривалістю імпульсу, якістю пучка на мішені. Усе це дало змогу здобути надійні експериментальні результати. Детальний аналіз диференціальних перерізів, здобутих у широкому діапазоні кінематичних умов вимірювань, та порівняння з теоретичними розрахунками на основі різних ядерних моделей дало можливість зробити відповідні висновки про фізику явищ, які спостерігалися в експерименті.

Наукова новизна здобутих результатів. Здобуто нові систематичні дані з розсіяння релятивістських електронів в області енергій збудження гігантських резонансів (ГР) на ядрах 54,56Fe, 58,60,64Ni, 64Zn, 124Sn. Більша частина енергетичних спектрів здобута вперше, або в мало досліджених кінематичних умовах вимірювань. Здобуто основні параметри гігантських мультипольних резонансів в досліджених ядрах, такі як енергетичні положення, ширини, зведені імовірності, величини вичерпування енергетично зважених правил сум (ЕЗПС) ізоскалярних та ізовекторних резонансів. Отримано дані про взаємодію лінійно поляризованих фотонів із важкими ядрами. Для ядра 232Th експериментальні дані знайдені для більш високої енергії збудження, ніж отримано в Гессені (Німеччіна). Для ізотопів урану 233U, 235U, 236U, 238U такі дослідження проведено вперше. Результати досліджень доповнюють і розширюють знання про збудження ядер у цій області енергій.

Проведено експериментальне дослідження ізоспінового розщеплення гігантського діпольного резонансу (ГДР) за допомогою непружного розсіяння електронів. Заміряно ізоспінове розщеплення ГДР для ізотопів нікелю при переданих імпульсах далеко від фотонної точки. Уперше експериментально доведено, що відношення квадратів формфакторів різних компонентів ізоспінового розщеплення дипольного резонансу практично не змінюється при зміні переданого ядру імпульсу. У той же час відбувається значна зміна такого відношення зі зміною ізоспіну ядра. Доведено, що відношення різних компонентів ізоспінового розщеплення ГДР для ядра 60Ni у межах похибок експерименту узгоджується з даними фотоядерних реакцій. Виконано перше експериментальне спостереження ізоспінового розщеплення ГДР в ядрі 64Ni. Знайдено в явному вигляді вирази для формфакторів ГДР із різними ізоспінами, а також вираз для залежності відносного внеску цих формфакторів від переданого ядру імпульсу.

Знайдено експериментальні дані про енергетичне ізоспінове розщеплення ГДР в ядрі 64Zn. Здобуто експериментальне відношення перерізів для різних компонентів ізоспінового розщеплення ГДР. Ці дані добре узгоджуються з теоретичними розрахунками згідно оболонковій моделі та правилам сум.

Уперше здобуто розподіл заряду в ядрі з урахуванням квадрупольної деформації. Дані знайдені для ядра 64Zn зі спільного аналізу експериментальних формфакторів пружного та непружного розсіяння електронів із збудженням E2 дискретного рівня. Результати аналізу були використані при знаходженні характеристик гігантських мультипольних резонансів.

Уперше здобуто експериментальні дані про ізоспінове розщеплення ізовекторного гігантського квадрупольного резонансу в ядрах 64Zn і 124Sn. Експериментальне значення величини розщеплення становить 5,3 1,5 МеВ для 64Zn і 5,1 0,9 МеВ для 124Sn.

Уперше здобуто експериментальний доказ існування ізоскалярного монопольного (E0) резонансу в ядрі 124Sn. Резонанс був виявлений при енергії 16,40,8 МеВ. Знайдені для цього резонансу значення енергетичного положення, ширини, величини ЕЗПС добре збігаються зі систематичними даними, здобутими пізніше іншими методами.

Знайдено дані про додатковий гігантський квадрупольний резонанс при енергії (51·А-1/3) МеВ у ядрах. Резонанс виявлений експериментально при енергії близько 13 МеВ у ядрах 58Ni, 60Ni, 64Ni. До проведення наших експериментів у літературі не було теоретичних прогнозів про існування цього резонансу. Наступний аналіз даних, проведений у лабораторії Монтерей (США), свідчить, що цей квадрупольний резонанс має ізовекторний характер і сила його залежить від величини нейтронного надлишку 2T і росте пропорційно Т2.

Уперше досліджено збудження гігантських мультипольних резонансів у ізотопах заліза. Здобуто енергетичні положення, ширини, зведені імовірності, величини вичерпування енергетично зважених правил сум ізоскалярних та ізовекторних резонансів із мультипольностями L= 1 – 5 для 54Fe і 56Fe. В ядрі 56Fe уперше виявлений пік E1 резонансу при енергії 10 МеВ біля порогу вильоту нуклонів, що не може спостерігатися у фотоядерних реакціях. В обох ядрах виявлений резонанс при енергії 51·А-1/3 МеВ, який є додатковим квадрупольним резонансом. Внесок E3 переходів в обох ядрах дуже малий, а E4 переходи взагалі відсутні. Це сильно відрізняє ядра 54Fe і 56Fe від найближчих досліджених сусідів 58Ni і 65Cu . В обох ядрах виявлений невеликий внесок Е5 сили в області енергій збудження 10_15 МеВ.

Уперше пучок лінійно поляризованих фотонів, здобутих при проходженні електронів крізь кристал в умовах, близьких до каналювання в площині, застосований для дослідження поділу важких ядер в області енергій збудження гігантських резонансів. Доведено, що при зміні напрямку електричного вектора поляризації фотонів на 90 відбувається значна зміна виходу осколків поділу. Різниця у виході осколків для двох значень напрямку вектора поляризації збільшується зі зменшенням енергії фотонів при наближенні до порога поділу.

Знайдено дані про аналізуючу здатність d > рn реакції в діапазоні енергій 5-10 МеВ. Для цього були виміряні диференційні перерізи дезінтеграції дейтерію в діапазоні енергій 5-10 МеВ. Доведено, що аналізуюча здатність у цьому діапазоні енергій близька до одиниці. Здобуті дані були застосовані для дослідження ступеня поляризації пучка фотонів у цьому діапазоні енергій.

Уперше проведено дослідження поділу ізотопів урану лінійно поляризованими фотонами. З обробки даних із неполяризованим пучком фотонів здобуто залежність аналізуючої здатності фотоподілу 232Th в області енергій збудження від порогу поділу до 18,5 МеВ. Доведено, що аналізуюча здатність фотоподілу 232Th у цій області енергій змінюється від 1 до 0,1. Така поведінка аналізуючої здатності визначається співвідношенням перерізів у дипольних каналах поділу з різним значенням проекції спіну на вісь симетрії ядра. Експериментальне значення аналізуючої здатності добре узгоджується з даними, узятими з обробки експериментальних даних із неполяризованим пучком фотонів.

Виявлена масова залежність аналізуючої здатності фотоподілу парно – парних ядер при додаванні нейтронів.

Уперше проведено дослідження фотоподілу лінійно поляризованими фотонами парно-непарних ядер. Експеримент виконаний для ядер 233U і 235U. Доведено, що в цих ядрах у межах похибок експерименту аналізуюча здатність дорівнює нулю.

Практичне значення здобутих результатів Систематичні експериментальні дані з розсіяння електронів на досліджених атомних ядрах, знайдені в широкому діапазоні переданих імпульсів, є важливими для перевірки сучасних теорій. Дані можуть бути використані для подальшого аналізу низки явищ, які спостерігаються при взаємодії електронів високих енергій з атомними ядрами, виділення з цього аналізу інформації про ядерну взаємодію та структуру ядра. Взаємодія лінійно поляризованих фотонів з ядрами дає новий метод для дослідження поділу ядер та знаходження нової інформації про цей процес. Дані можуть стимулювати розвиток нових теоретичних підходів для пояснення структури ядра.

Здобуті в дисертаційній роботі результати можуть бути використані для подальшого планування досліджень різних ефектів за участю широкої низки стабільних і радіоактивних ядер в області великих енергій. Досвід успішної експлуатації експериментальних методик для вивчення взаємодії релятивістських електронів з ядерними мішенями в умовах високого радіаційного фону лінійного прискорювача може бути використаний в інших наукових центрах, як ІЯД (Москва, Росія), Інститут Фізики Лундського Університету (Лунд, Швеція), Інститут Фізики (Дармштадт, Німеччина) та інші, які розв’язують аналогічні задачі.

Методика розрахунків, застосована при створенні магнітного спектрометра і налагодженні системи паралельного переносу для транспортування пучків заряджених частинок була застосована дисертантом при створенні магніту, що аналізує, і системи транспортування протонів і альфа-частинок для матеріалознавчого комплексу “Сокіл“.

Особистий внесок здобувача. У роботі [1] дисертантом проведена обробка експериментальних даних для трьох ізотопів нікелю: 58Ni, 60Ni і 64Ni, що були виміряні при однаковому значенні переданого ядру імпульсу q = 130 МеВ/c. У цій роботі проведений розрахунок внеску двочастинкових-дводіркових конфігурацій, зв'язаних з існуванням ізобараналогових рівнів у ядрах з NZ, в ізотопічні формфактори дипольного резонансу ядра й отримані вирази для форм-факторів з ізоспіновими компонентами T0 і (T0+1) ГДР. Виконано розрахунок формфакторів з ізоспіновими компонентами T0 і (T0+1) ГДР для цих ядер. Проведено порівняння спектрів збудження ГДР реакцій (e,e), (,n) і (,ро) для 60Ni. З обробки непружного розсіяння електронів здобуто відношення формфакторів дипольного резонансу із різними ізоспінами для 58Ni, 60Ni і 64Ni у залежності від ізоспіну ядра в основному стані. Знайдено експериментальне значення величини ізоспінового розщеплення ГДР для 58Ni, 60Ni і 64Ni. Проведено порівняння відношення формфакторів дипольного резонансу із різними ізоспінами та величини ізоспінового розщеплення ГДР для ізотопів 58Ni, 60Ni і 64Ni з розрахунками з допомогою частинкого-дірковой взаимодії та на основі дипольних правил сум.

У роботі [2] здобувачем знайдено диференціальні перерізи пружного розсіяння електронів на ядрах 58,60,64Ni і 112,118Sn. В диференціальні перерізи пружного розсіяння електронів на цих ядрах внесени радиацийні поправки. Проведено нормировку перерезів методом порівняння с перерезами пружного розсіяння електронів на ядрі 12C. Здобуто розподіли густини заряду в дослідженних ядрах 58,60,64Ni і 112,118Sn і розраховані середньоквадратичні та середньочетвертичні радіуси цих розподілів. Визначено вплив додаткових нейтронів на зміну розподілу густини заряду.

У роботі [3] здобувачем знайдено експериментальні відношення формфакторів ГДР із різними ізоспінами з (,n) і (,p) реакцій для 58Ni і 60Ni. З обробки даних по розсіянню електронів отримане відношення перерізів ГДР із різними ізоспінами для 58Ni при переданому ядру імпульсі q = 0,7 фм-1 і для 60Ni в області q = 0,3 – 1,2 фм-1. Показано, що відношення перерізів >/< для станів з ізоспіном Т і Т від переданого ядру імпульсу q для 60Ni у межах похибок експерименту залишаються постійними у вимірюваному діапазоні переданих імпульсів від 0,36 до 1,2 фм1.

У роботі [4] дисертантом проведений розрахунок кінематики руху спеціального пристрою, розрахованого на одночасне розміщення 15 ядерних мішеней, який дозволяє дистанційно встановлювати кожну з них на пучок. Проведено налагодження та перевірку створеного мішенного пристрою на експериментальній установці.

У роботі [5] дисертантом проведена перевірка роботи кремнієвих напівпровідникових детекторів (н.п.д.) при розташуванні у фокальній площині магнітного спектрометра. Визначено відносну світлосилу н.п.д. по виходу протонів з товстої мішені 60Ni (48,6 мг/см2). Проведено вимірювання виходів заряджених частинок з ядра 27Al під кутами 200, 900, 1100. Здобуто диференціальні перерізи для протонів і -частинок у залежності від кінетичної енергії зареєстрованих частинок.

У роботі [6] здобувачем за допомогою поверхнево-бар'єрних кремнієвих напівпровідникових детекторів, розташованих у фокальній площині магнітного спектрометра, проведені експериментальні виміри виходів протонів, дейтронів, тритонів, частинок 3He і -частинок при електророзщепленні ядра 27Al. Знайдено диференціальні перерізи для p, d, t, 3He, 4He у залежності від кінетичної енергії зареєстрованих частинок. Визначено відношення виходів протонів і тритонів до -частинок у залежності від кута вильоту частинок.

У роботі [7] дисертантом зібрана та від’юстована система формування і моніторування фотонного пучка. Створено збірку детекторної системи з трьома кремнієвими поверхнево – бар'єрними н.п.д.: прострільним (E), повного поглинання (E) та антиспівпадань (EA). Проведено випробування збірки детекторів в умовах прямого бачення мішені на імпульсному прискорювачі з великою скважністю. Забезпечено тілесний кут реєстрації частинок 0,04 стерадіана. Виміряні енергетичні спектри виходу заряджених частинок p, d, t, 3He, 4He при фоторозщепленні ядра 9Be. Відпрацьовано методику реєстрації протонів малої енергії. Визначено відношення виходів частинок 3He до -частинок.

У роботі [8] здобувачем створена для поляриметра система регулювання тиску газоподібного дейтерію від 0 до 5 атм у залежності від вимірюваного діапазону енергії. Знайдено енергетичні спектри виходу протонів N|| і N, Np при трьох орієнтаціях кристалу кремнію. N|| і N- виходи при напрямку вектора поляризації фотонів паралельно і перпендикулярно до площини реакції, Np - виходи для розорієнтованого кристала. Визначено відношення інтенсивності випромінювання з орієнтованого кристала до інтенсивності з розорієнтованого. Здобуто ступінь поляризації пучка фотонів у когерентній частині спектра. Створено конструкцію і проведено налагодження дейтерійового поляриметра з напівпровідниковим детектором усередині газової камери. Знайдено перерізи дезінтеграції дейтерію в діапазоні енергій фотонів 5-10 МеВ. Визначена аналізуюча здатність реакції dpn у діапазоні енергій 5-10 МеВ.

У роботі [9] дисертант зробив оцінки внеску двочастинкових-дводіркових конфігурацій, пов’язаних з існуванням ізобараналогових рівнів у ядрах N Z. Виконано розрахунок формфакторів з урахуванням цих внесків для ядра 60Ni.

У роботі [10] дисертант проаналізував ізоспінову структуру гігантських мультипольних резонансів у ядрі 64Zn. Для гігантського дипольного резонансу проведено порівняння із даними з фотоядерних реакцій. Проведено порівняння експериментальних даних про енергетичне положення мультипольних резонансів із теоретичними розрахунками у наближенні випадкових фаз та з експериментальними систематиками. Для дипольного (E1), квадрупольного (E2) та октупольного (E3) резонансів одержано процент вичерпування енергетично зважених правил сум.

У роботі [11] здобувачем створені обчислювальна програма і проведена обробка експериментальних даних з пружного та непружного розсіяння електронів зі збудженням дискретних рівнів ядра 64Zn. Знайдено розподіл заряду в ядрі 64Zn з урахуванням квадрупольної деформації.

У роботах [12, 13] дисертантом знадені енергетичні спектри виходу протонів N||, N, і Np при трьох орієнтаціях кристала кремнію. Ці орієнтації кристала кремнію дают змогу зориентувати напрям єлектричного вектору поляризації фотонів в площині реакціі та перпендікулярно цій площині, а також здобуті енергетичні спектри виходу протонів для разоріентованого кристала кремнію. Здобуто відношення інтенсивності випромінювання з орієнтованого кристала до інтенсивності з розорієнтованого. Визначено ступінь поляризації пучка фотонів у когерентній частині спектра. Виготовлена мішень з торію. Проведено розрахунок згортки перерізу фотоподілу 232Th зі спектром відносної інтенсивності спектра фотонів. Оцінено енергетичний інтервал виміру фотоподілу для знайденої відносної інтенсивності спектра фотонів. Виміряно амплітудні спектри виходу осколків поділу 232Th при трьох орієнтаціях кристала кремнію. Запропоновано і здійснено методику порівняння даних, отриманих з поляризованим пучком фотонів, з даними, отриманими з неполяризованими фотонами. Проведено розрахунок асиметрії поділу для результатів виміру фотоподілу з неполяризованим пучком у дипольному наближенні. Знайдено асиметрію виходу осколків поділу під кутом = 90° для когерентної частини фотонного спектра.

У роботі [14] дисертантом здобуто експериментальне відношення інтенсивності випромінювання з орієнтованого кристала кремнію до інтенсивності з розорієнтованого. Відносний вихід фотонів суттєво збільшується із зменшенням енергії - від ~1,5 при E = 20 МеВ до 5,6 при E = 5 МеВ. Збагачення фотонного спектра з орієнтованого кристалу відбувається в області енергій до 20 МеВ, яка потрапляє на область енергій збудження гігантського резонансу. Знайдена енергетична залежність ступеня поляризації пучка фотонів при орієнтації кристала кремнію товщиною 500 мкм у площині (110). Проведено порівняння з іншими експериментальними даними та теоретичними розрахунками.

У роботі [17] здобувачем проведений розрахунок згортки перерізу фотоподілу ядер 236U і 238U в інтервалі енергій від порога поділу до 18,5 МеВ зі спектром відносної інтенсивності спектра фотонів. Оцінено енергетичний інтервал виміру фотоподілу для здобутої відносної інтенсивності спектра фотонів. Виміряно значення асиметрії поділу ядер 236U і 238U при зміні напрямку електричного вектора поляризації фотонів на 900. Виконано розрахунок асиметрії поділу ядер 236U і 238U з даних з неполяризованим пучком фотонів і проведено порівняння експериментальних і розрахункових даних. Здобуто масову залежність асиметрії для парних ядер торію та ізотопів урану.

У роботі [19] дисертантом отримані енергетичні спектри виходу протонів при фотодезінтеграції дейтрона та виміряні амплітудні спектри виходу осколків поділу ядер 232Th, 233U, 235U, 236U і 238U лінійно-поляризованими фотонами при трьох орієнтаціях кристала кремнію. Здобута асиметрія поділу цих ядер, пов'язана зі зміною напрямку електричного вектора поляризації фотонів, в області збудження гігантського дипольного резонансу. Проведено порівняння з даними, знайденими з поляризованим і неполяризованим пучком фотонів.

У роботі [21] здобувачем знайдено диференціальні перерізи для 16 спектрів непружного розсіяння електронів на ядрах 54Fe і 56Fe при початковій енергії електронів 225 МеВ під кутами розсіяння від 400 до 750 через 50. Виконано мультипольний аналіз для електричних гігантських резонансів із мультипольностями L=1-5. Здобуто залежності зведених імовірностей переходів від енергії збудження для різних мультипольностей. Визначено енергетичне положення, напівширини, зведені імовірності переходів, а також вичерпування відповідних ЕЗПС для гігантських мультипольних резонансів. Проведено аналіз впливу двох різних форм енергетичної залежності квазіпружної підкладки на положення та зведені імовірності збудження гігантських резонансів. Доведено, що резонанс при енергії ~13 МеВ (51А-1/3) є E2-переходом та існує в обох ядрах.

У роботі [22] дисертантом проведено обробку диференціальних перерізів непружного розсіяння електронів ізотопами заліза (54Fe и 56Fe). За допомогою смужкової методики проведено мультипольний аналіз отриманих перерізів у області збудження гігантських резонансів. Знайдені зведені ймовірності переходів в залежності від енергії збудження для кожної мультипольності. Проведено розрахунок величини енергетичного розщеплення гігантського дипольного резонансу по ізоспіну для обох ізотопів заліза. Проведено аналіз внеску монопольного резонансу. Аналіз довів, що такий внесок мабуть спостерігається у ядрі 54Fe. Доведено, що внесок E3- переходів дуже малий, особливо 1ћ- гілки ізовекторного резонансу, а E4-переходи взагалі відсутні. Показано, що в обох ядрах спостерігається невеликий (до 5% ЕЗПС) внесок E5- сили в області енергії збудження 10-15 МеВ. Проведено порівняння здобутих даних з існуючими експериментальними систематиками та теоретичними розрахунками.

Роботи [15, 16, 18, 20, 23] виконано здобувачем без співавторів.

У роботі [24] дисертантом зібрані експериментальні дані по збудженню гігантських мультипольних резонансів при непружному розсіянні електронів. Виконано хронологічний огляд знайдених експериментальних даних. Проведено співставлення даних щодо енергії збудження резонансів, характеру переходів, вичерпування енергетичних правил сум та інших характеристик для ядер від 12C до 238U, здобутих з експериментів по розсіянню електронів і важких заряджених частинок: протонів, частинок гелію 3, альфа-частинок. Розглянуто колективні та оболонкові моделі гігантського дипольного резонансу. Складено таблиці експериментальних характеристик гігантських мультипольних резонансів, отриманих до цього часу.

У роботі [25] дисертантом проведена обробка даних і виконано розрахунок ізоспінового розщеплення ізовекторного гігантського квадрупольного резонансу в ядрах 64Zn і 124Sn. Виявлене розщеплення ізовекторного гігантського квадрупольного резонансу в цих ядрах на два піки пояснене як ізоспінове розщеплення.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, описані в дисертаційній роботі, доповідалися на міжнародних конференціях, нарадах, семінарах: щорічні наради з ядерної спектроскопії та структури атомного ядра 24 р.), 28 р.), 29 р.), 30 р.), 32 р.), 36 р.), 40 р.), 42 р.), 43 р.), 49 р.), 51 р.), 54 р.); International Conference on Nuclear Physics with Electromagnetic Interactions (1979 р., Mainz); Gordon Research Conference on Photonuclear Reactions (1990 р., Tilton); 8th Seminar on Electromagnetic Interactions of Nuclei at Low and Medium Energies (1991 р., Москва).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 23 наукових праці, у тому числі 22 статях у фахових журналах: “Ядерная Физика”, “Nuclear Physics”, “Nuclear Instruments and Methods in Physics Research”, ”Вопросы Атомной Науки и Техники”, “Приборы и Техника Эксперимента”, “ Известия РАН. Серия физическая.”; у 1 препринті, а також у трудах та тезах міжнародних конференціях. Список наукових праць наведений наприкінці автореферату.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, 5 розділів основного тексту з 67 рисунками і 17 таблицями, висновку і списку використаних літературних джерел з 247 найменувань. Повний обсяг дисертаційної роботи складає 293 сторінок. Обсяг, що займають рисунки і таблиці, розміщені на всій площі сторінки, становить 1 сторінку. Список використаних літературних джерел розташований на 25 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладений стан наукової проблеми, яка розв’язувалася при виконанні цієї дисертаційної роботи. Обґрунтовано актуальність теми дисертації; сформульовані мета і задачі досліджень. Описано зв'язок роботи із науковими програмами і темами; розкриті наукова новизна та практичне значення отриманих результатів; відображено особистий внесок здобувача в наукові праці, опубліковані разом зі співавторами; представлена апробація результатів роботи; зазначені структура та обсяг дисертаційної роботи; сформульовані основні результати і положення, що виносяться на захист.

У розділі 1 дано обґрунтування необхідності дослідження збудження гігантських резонансів у ядрах.

У підрозділі 1.1 коротко описаний стан виконаних експериментальних і теоретичних робіт із вивчення гігантського дипольного резонансу. Відмічено особливості дослідження за допомогою поглинання фотонів з випущенням адронів і зворотних реакцій. Описано переваги дослідження гігантських резонансів шляхом розсіяння електронів у порівнянні з фотоядерними реакціями.

У підрозділі 1.2 розглянуто роботи, у яких дано теоретичне та експериментальне обґрунтування застосування поляризованих фотонів для дослідження ядер області енергій збудження гігантських резонансів.

У підрозділі 1.3 описана експериментальна установка для дослідження розсіяння електронів на ядрах на лінійному прискорювачі ЛПЕ-300 із енергією до 300 МеВ.

У пункті 1.3.1 описана методика розрахунку, модернізація і налагодження системи паралельного переносу пучка електронів. Це призвело до зменшення енергетичного розкиду пучка на мішені у два рази.

У пунктах 1.3.2 і 1.3.3 викладені методики спостереження за положенням пучка на мішені та виміри інтенсивності пучка електронів за допомогою монітора вторинної емісії, який у діапазоні від 10-11до 10-6 амперів давав точність вимірювання потоку електронів краще 1% .

У пункті 1.3.4 дані основні характеристики магнітного спектрометра з подвійним фокусуванням другого порядку.

У пункті 1.3.5 описані детектори розсіяних електронів, що використовувалися в експерименті. У підпункті 1.3.5.1 дані характеристики одноканального черенковського лічильника. У підпункті 1.3.5.2 наведені характеристики багатоканального лічильника електронів зі сцинтиляторами, що перекриваються.

У розділі 2 описані дві експериментальні установки і методики обробки експериментальних вимірювань, які використовуються у дисертації.

У підрозділі 2.1 описана конструкція камери розсіяння з мішенним пристроєм. Дано опис розробленої конструкції мішенного пристрою для одночасного розміщення 15 ядерних мішеней, який дозволяв дистанційно встановлювати кожну з них на пучок.

У підрозділі 2.2 наведені характеристики ядерних мішеней зі збагачених ізотопів. У підрозділі 2.3 описана методика виміру енергетичних спектрів розсіяних електронів.

У підрозділі 2.4 дано визначення перерізів пружного і непружного розсіяння електронів на ядрах. У пункті 2.4.1 описано одержання даних щодо пружного розсіяння електронів. У пункті 2.4.2 наведено обчислення радіаційних хвостів із використанням пружного феноменологічного формфактора

,

де , - сферична функція Бесселя, q - переданий імпульс, а A, B, R, G –параметри підгонки. У пункті 2.4.3 викладено урахування квазіпружного розсіяння.

У підрозділі 2.4.4 описана методика обробки експериментальних даних щодо розсіяння електронів. Спектри непружно розсіяних електронів поділялися на смужки шириною до 1 МеВ, і з усереднених по цьому інтервалу виміряних точок різних спектрів знаходилися формфактори кожної окремої смужки у всьому розглядуваному діапазоні переданих ядру імпульсів q. Розглянута методика здійснення мультипольного аналізу формфакторів для кожної енергетичної смужки шляхом підгонки теоретичних кривих, які представлялися у вигляді суми п’яти мультипольних формфакторів:

,

де L — підгоночні параметри. Підгонкою по методу найменших квадратів визначався внесок кожного мультиполя в експериментальний формфактор.

Для мультипольних формфакторів використовувалася феноменологічна модель Хелма у борновському наближенні та модель Фермі у високоенергетичному наближенні (ВЕН).

При підгонці по методу найменших квадратів використовувалась умова L 0, яка дозволяла автоматично вибирати кількість мультипольних формфакторів, які найкращим чином узгоджуються з експериментальними даними.

Для прикладу на рис. 1 наведені знайдені експериментально формфактори для трьох смужок, а також внесок мультипольних формфакторів, здобутих в результаті підгонки у рамках двох моделей.

З підгоняння було знайдено значення L для кожної енергетичної смужки. Це дало змогу побудувати залежність зведених імовірностей переходів B(EL) від енергії збудження Ех для різних мультипольностей L (рис. 2).

Величина зведеної ймовірності переходу визначалася для двох моделей згідно наступних співвідношень:

(у моделі Хелма),

(у моделі ВЕН),

де IL- інтеграл Ферми, а 0 та b параметри розподілу густини заряду в моделі Фермі, явний вигляд яких наведений в дисертації. |

Рис. 1. Результати підгонки F2EL в рамках моделей Хелма (а, б, в) та моделі Фермі (г, д, е) для трьох енергетичних смужок МГР у ядрі 64Zn.

Рис. 2. Залежність зведених імовірностей переходів B(EL)/MеB від енергії збудження для гігантських резонансів різних мультипольностей EL в ядрі 64Zn. Ліворуч - дані знайдені в борновському наближенні з використанням феноменологічної моделі Хелма, а праворуч - у високоенергетичному наближенні з використанням моделі Фермі.

Із здобутих зведених ймовірностей переходу для кожного мультиполя були визначені внески у модельно незалежні енергетично зважені правила сум. Ці правила сум пов’язують величину B(EL) з певною мультипольністю L, зважене по енергіям збудження, з відповідними моментами розподілу заряду в основному стані ядра.

Для Е1-збуджень ізовекторні ЕЗПС мають вигляд

е2фм2 МеВ.

Підставляючи у ліву частину рівняння експериментальні значення (Ef-Ei) та Bf(EL), можна порівняти її з правою частиною, яка теоретично враховує усі (100%) збудження даної мультипольності, тобто визначити процент вичерпування ЕЗПС.

Для збуджень з L>1 загальні (ізоскалярні та ізовекторні) ЕЗПС наступні:

e2 фм2L МеВ,

ізоскалярні ЕЗПС

e2 фм2L МеВ,

Для визначення інтегральних характеристик гігантських мультипольних резонансів область збудження подана у вигляді набора двох або трьох гауссіанів з вільними параметрами (положення, напівширина та висота), підігнаних згідно метода найменших квадратів до експериментальних точок. Така підгонка дозволила знайти енергетичні положення Ех, напівширини Гх, зведені ймовірності переходів B(EL), а також відсоток вичерпування відповідного ЕЗПС для гігантських мультипольних резонансів.

У пункті 2.4.5 проведений аналіз похибок у диференціальних перерізах розсіяння електронів.

У підрозділі 2.5 описана експериментальна установка для дослідження поділу важких ядер лінійно поляризованими фотонами в області енергій збудження гігантських резонансів.

У пункті 2.5.1 наведено обґрунтування застосування кремнієвих поверхнево-бар'єрних напівпровідникових детекторів для дослідження поділу важких ядер лінійно поляризованими фотонами.

У підпунктах 2.5.1.1, 2.5.1.2, 2.5.1.3, 2.5.1.4 описаний вибір місця розташування напівпровідникових детекторів, методика дискримінації фонових імпульсів, визначення енергетичного розділення і калібрування енергетичної шкали, швидкодія в умовах фону.

У пунктах 2.5.2 та 2.5.3 описані методика знаходження поляризованого пучка фотонів та методика виміру ступеня поляризації фотонного пучка за допомогою газового дейтерієвого поляриметра. Амплитудні спектри виходу протонів N||, N, Nр з реакції d > рn вимірювались для трьох положень кристалу кремнію.

Ступінь поляризації пучка фотонів у когерентній частині спектра була визначена наступним шляхом:

, (2)

де . Величина була знайдена з раніше виміряних даних. Ця методика дала змогу здобути високий ступінь поляризації пучка ( 0,8), який наведено на рис. 3.

Рис. 3. Ступінь поляри-зації фотонів у когерентній частині спектра в залежності від енергії фотона E.

У розділі 3 наведені результати ізоспінового розщеплення ГДР і виявлення додаткового гігантського квадрупольного резонансу в ізотопах 58Ni,60Ni і 64Ni. Обговорюється вплив ізоспіну ядра в основному стані на енергетичне положення ГДР.

У підрозділі 3.1 розглянуто дані фотоядерних експериментів по дослідженню ізоспінового розщеплення ГДР у ядрах 58Ni і 60Ni. Проведено співставлення даних фотоядерних експериментів з нашими даними по розсіюванню електронів на ядрі 60Ni (рис. 4).

Рис. 4. Переріз збудження ядра 60Ni у залежності від енергії збудження в області гігантського резонансу. Точки – диференціаль-ний переріз (e, е') розсіяння (наші дані [4]). Лінії являють собою дані фотоядерних реакцій: суцільна лінія - функція збудження для реакції 60Ni(, p0)59Co під кутом 900, штрихова лінія - дані 60Ni(,59Ni реакції.

Із рис. 4 видно збіг піків (е,е) спектра з даними фотоядерних експериментів. Доведено, що характер прояву піків ГДР у ядрі 60Ni узгоджується із теоретичним передбаченням ізоспінового розщеплення. Проведено обробку експериментальних даних по розсіюванню електронів на ядрах 58Ni, 60Ni і 64Ni з метою дослідження ізоспінового розщеплення.

Рис. 5. Переріз збудження ізотопів нікелю при непружному розсіянні електронів у залежності від енергії збудження в області гігантського резонансу при значенні переданого імпульсу q' = 0,70 фм-1 . Лінії являють собою розвинення спектрів на окремі піки та сумарна крива (жирна) підігнана згідно методу найменших квадратів до експериментальних даних (світлі кружки) |

Здобуті дані (рис. 5) демонструють наявність трьох резонансів у кожному ізотопі нікелю. Резонанс при енергії збудження близько 13 МеВ має квадрупольний характер збудження. Два інших резонанси мають дипольний характер збудження. Для цих двох піків дипольного резонансу були знайдені величини енергетичного розщеплення та відношення перерізів, пов’язаних з ізовекторним характером збудження.

Знайдено, що відношення перерізів піків ГДР із різним ізоспіном ядра 60Ni залишається постійним у межах похибок експерименту при зміні переданого імпульсу від 0,36 до 1,2 фм1. Дані для відношення формфакторів з різним ізоспіном істотно змінюються при зміні ізоспіну, тобто при переході від ізотопу до ізотопу. Здобуті значення добре узгоджуються з теоретичними розрахунками (рис. 6). |

Рис. 6. Відношення квадратів формфакторів F2T0+1/F2T0 у залежності від ізоспіну ядра в основному стані Т0.

Знайдено значення величини енергетичного розщеплення ізоспінових компонентів ГДР:

E=U (T0+1)/A, (3)

де U=60 МеВ або змінюється при переході від ядра до ядра, для трьох ізотопів нікелю (відкриті кружки), що добре узгоджується з експериментальними даними з фотоядерних реакцій (хрестики і трикутник), а також з теоретичними розрахунками (рис. 7).

Рис. 7. Ізоспінове розщеплення ГДР по енергії E для ізотопів нікелю в залежності від ізоспіну ядра в основному стані T0. Кружки - наші дані, хрестики і трикутник – дані фотоядерних експериментів. Криві – розрахунок згідно двох теоретичних підходів з постійним (штрихова лінія) або змінним значенням (суцільна лінія) U (3).

У підрозділі 3.2 проведений аналіз енергетичного положення Em ізовекторних мультипольних гігантських резонансів (МГР). Показано, що поведінка Em у залежності від ізоспіну ядра задовільно описується лінійною функцією і що узгодження з експериментальними даними цієї функції для ГДР краще, ніж узгодження з описом за допомогою гідродинамічної моделі. Отримані результати показують, що енергетичне положення ГДР у значній мірі залежить від величини ізоспіну ядра Т0 (надлишку нейтронів).

У підрозділі 3.3 здобуто експериментальні дані про додатковий гігантський квадрупольний резонанс при 13 (51 А-1/3) МеВ в ізотопах 58Ni,60Ni і 64Ni. Цей резонанс добре спостерігається в спектрах (див., наприклад, рис. ). Проведено обговорення даних по дослідженню цього резонансу в інших лабораторіях за допомогою непружного розсіяння електронів, поляризованих і неполяризованих протонів, а також при непружному розсіюванні 3He і -частинок. Ці дані в основному підтверджують квадрупольний характер збудження резонансу при 13 (51 А-1/3) МеВ. Аналіз цих даних, проведений у Монтереї (США), визначає цей резонанс як додатковий ізовекторний гігантський квадрупольний резонанс, розташований по енергії збудження нижче ізоскалярного квадрупольного резонансу при енергії (63 А-1/3) МеВ. Цей аналіз також підтверджує наш висновок про квадрупольний характер збудження резонансу при енергії 13 (51 А-1/3) МеВ в ізотопах 58Ni,60Ni і 64Ni.

У розділі 4 наведені результати збудження електронами мультипольних гігантських резонансів у ядрах 64Zn, 124Sn, 54Fe і 56Fe.

У підрозділі 4.1 розглянуті результати дослідження збудження гігантських резонансів за допомогою монохроматичних фотонів у (,n) реакціях у області ядер з масою близько A=60 та із використанням (, n) та (,p) реакцій у ізотопах олова. Ці результати свідчать, що у фотоядерних реакціях важко розділити стани ГДР з T та E2 гігантський резонанс при енергіях збудження вище гігантського дипольного резонансу. Проведений аналіз довів,