ПОИСК КОРОТКОЖИВУЩИХ ИЗОМЕРОВ НА ПУЧКЕ КАСКАДНЫХ НЕЙТРОНОВРАДЭКС ИЯИ РАН[Проект]

Поиск изомерных состояний радионуклидов с T1/2 ≈ 0.2 мкс – 1с
Предлагается провести поиск возбуждения и распада изомеров в реакции перезарядки по регистрации заряженных частиц и γ -квантов на пучке нейтронов с Tn >10 МэВ.
Измерение предполагается провести во 2-ой экспериментальной зоне на 22 м пролётной базе горизонтального канала нейтронного время-пролётного спектрометра.

Возможное значение исследования
Изомерные состояния важны для исследования эффектов нарушения P- инвариантности в ядерных переходах [1], происхождение элементов [2], для исследования кооперативного гамма-излучения [3], трансмутации ядер [4] и управления ядерным распадом [5].
В реакции с возбуждением изомеров может быть исследованы механизмы ядерных реакций и поверхностная кластеризация деформированных нестабильных ядер.

Каскадные нейтроны (Tn >10 МэВ) из вольфрамовой мишени сквозной ловушки установки РАДЭКС E,MeV F,n/sec
15 2.83E+12
30 2.85E+12
50 1.71E+12
70 1.29E+12
90 1.06E+12
110 9.31E+11
130 8.57E+11
150 8.28E+11
170 7.84E+11
190 8.09E+11
210 7.15E+11
230 6.97E+11
250 6.11E+11
270 4.29E+11
290 1.15E+11
sum 1.65E+13
Рис. 1. Спектр нейтронов из вольфрамовой мишени толщиной 7 см в направлении вперед , в телесный угол 0.314 стерадиан. шаг по энергии – 20 МэВ

В макс. энергетического спектра при Tn ~10-50 МэВ вылетают вперёд 45% всех каскадных нейтронов.
cos(tet) n/sec/ster
1 5.26E+13
0.95 4.36E+13
0.9 3.84E+13
0.85 3.44E+13
0.8 3.04E+13
0.75 2.68E+13
0.7 2.40E+13
0.65 2.05E+13
0.6 1.79E+13
0.55 1.50E+13
0.5 1.26E+13
0.45 1.02E+13
0.4 8.43E+12
0.35 6.55E+12
0.3 4.39E+12
0.25 2.97E+12
0.2 2.13E+12
0.15 1.10E+12
0.1 5.75E+11 Рис. 2. Угловое распределение нейтронов при 0.05 1.59E+11 параметрах пучка протонов с Tp =300 МэВ и Iср=100 мкА. шаг по косинусу угла – 0.05.

Экспериментальные условия
Плотность потока каскадных нейтронов на образец
можно оценить из углового распределения:
Фбн ≈ 0.45 ⋅ 5.26E+13 ⋅ (1/2200)2 ≈ 5⋅106 н/c/см2
В качестве детекторов предлагается использовать пластмассовые сцинтилляторы или кремниевые – ΔЕ- детекторы (толщиной < 0.1мм) для выработки временного сигнала) и Е- детекторы для измерения энергии заряженных частиц. Гамма-кванты могут быть зарегистрированы NaI-детектором.
Синхроимпульс с ускорителя запускает электронику для регистрации заряженной частицы (p, t, α ) из реакции перезарядки ( и предполагаемое образование изомера) и с задержкой, равной длительности импульса протонов запускает электронику для регистрации заряженной частицы (β - , β + ) или γ -кванта (от распада изомера)
По спектру с ВЦП можно определить период полураспада изомера

Макет экспериментальной установки
n
Камера
β – детекторы p – детекторы
Образец
Если регистрировать электроны с энергией около 1 МэВ и протоны с Тp ≥ 5 МэВ, то толщина образца должна быть ≤ 0.1 мм (Энергия разрешённых β - переходов с T1/2 ≤ 10 с в средних ядрах Еβ ≥ 2-3 МэВ )
Соответственно масса образца в виде пластины 5×10×0.01 см3 на канале ∅5 см составит mSn ≈3 г. (для олова)

Схема образования из нуклида (A, Z) β - активного изомера радионуклида (A, Z-1)m в реакции перезарядки
(A, Z) + n → (A, Z-1)m + p
↑ ↓ ↓
↑←-----β - ---↓ ↓----→γ ↑ ↓
↑←-----β - ---- (A, Z-1)
Изомер (A, Z-1)m может, испустив γ- квант перейти в основное состояние радионуклида (A, Z-1), а может, испытав β - - распад превратиться в нуклид (A, Z)
Сечение реакции перезарядки σ(n,p) при Тn ≥10 МэВ может быть 10 –100 мбн

Пример образования изомеров
в реакция 122Sn (n,p) 122mIn
10.8 c 122m1In------------→
β - ↓
10.3 c 122m2In---------→ ↓ ↓ ↓
↓ ↓
1.5 c 122In ----→ 122Sn
T1/2 β -

Оценка скорости счёта β - распада изомера
Число ядер 122Sn в образце mSn ≈3 г. равно
N122Sn = 3.5 ⋅1/122 ⋅ 0.63⋅1024 ≈ 2 ⋅ 1022
Скорость образования 122mIn при σ(n,p)=10 мбн может составить
NIn = N122Sn ⋅ σ(n,p) ⋅ Фбн = 2 ⋅1022 ⋅ 10-26 ⋅ 5⋅106 ≈1000 c-1
При эффект. β - детект. 5% между импульсами протонного пучка с f=1 Гц , Iср= 100мкА, τ=1 мкс, можно регистрировать 50 им. с-1 от β – - распада изомера
При токе Iср= 10мкА соответственно 5 с-1
Фон будет определяться случайными совпадениями от регистрации медленных нейтронов и составит 10-2c-1

Оценка скорости счёта (pβ –)- событий при Iср= 10мкА
При эффект. p- детект. 5% параметрах протонного пучка f=1 Гц , Iср= 10мкА, τ=0.2 мкс, можно регистрировать ≈ 0.3 им. с-1 от β – - распада изомера в совпадении с регистрацией протона
Фон при этом будет определяться случайными совпадениями от регистрации медленных нейтронов при четырёхкратном отборе событий с временным разрешением несколько нсек и составит ≈ 10-4c-1
При регистрации γ- квантов можно определить вероятность перехода изомера в основное состояние радионуклида