Фотоядерные реакции

При столкновении налетающей частицы с атомным ядром между ними происходит обмен энергией и импульсом, в результате чего могут образовываться несколько частиц, вылетающих в различных направлениях из области взаимодействия. Подобные процессы называют ядерными реакциями.

Рис. 5.5. Зависимость энергии аннигиляционных фотонов от угла вылета при различных энергиях позитронов

Параметры установок

    Основные параметры имеющихся в мире установок с пучками комптоновских фотонов средних энергий приведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1. Параметры установок с пучками обратных комптоновских фотонов

Название установки и накопителя Ladon Taladon РОКК LEGS GRAAL LEPS
1 2
Фраскати
Adone
Новосибирск
ВЭПП 4, 3, 4М
Брукхэвен
NSLS
Гренобль
ESRF
Осака
SP- ring 8
Энергия электронов
Ее, ГэВ
1.5 1.5 1.8-5.5 .35 - 2.0 1.4-5.3 2.5 6.04 8.0
Ток электронов
Ie, A
0.1 0.1 0.2 0.1 0.2 0.2 0.1 0.2
Энергия лазерных фотонов
W, эВ
2.45 2.45 2.34 -2.41 2.41 – 2.53 1.17 – 3.51 3.53 3.53 3.5
Энергия комптоновских квантов
egamma, МэВ
5-80 35-80 100-960 140 – 220 100 –1200 180 -320 550 –1470 150-2400
Разрешение по энергии
(FWHM), MэВ
0.07- 8 4 –2 1.5 – 2 4   6 16 30
Интенсивность
,сек
105 5.105 2.105 2.106 2.106 4.105 2.106 107

    Видно, что имеющиеся установки перекрывают широкий диапазон энергий вплоть до 3.5 ГэВ. Интенсивность пучка не превышает 107 фотонов/сек, что определяется временем жизни пучка в накопителе. Для получения высокой степени монохроматичности комптоновского пучка по энергии дополнительно используется метод мечения, то есть регистрация на совпадение рассеянных электронов с продуктами ядерной реакции. Для этого предпочтителен непрерывный во времени пучок, или пучок с большим коэффициентом заполнения.
    На современных накопителях, используемых как специализированные источники синхротронного излучения, расстояние между банчами (электронными сгустками) может составлять величину порядка одной наносекунды при длительности сгустка несколько десятков пикосекунд, а длина орбиты достигает километра и более. Поэтому такой пучок с точки зрения регистрирующей системы (с учетом разрешающей временной способности при регистрации на совпадение электронов с продуктами ядерной реакции) можно считать непрерывным. Однако, даже в односгустковом режиме, используемом для работы на встречных пучках, частота повторения достаточна для работы системы мечения при ограниченной интенсивности.


Рис. 6.2. Схема установки РОКК-2 на накопителе электронов ВЭПП-3. TS - система мечения фотонов по энергии,М1 – M2 - магниты, L1 - L4 - квадрупольные линзы, w - кварцевое окно), L – лазер, АОМ - акусто-оптический модулятор, РС - ячейка Поккельса, FD - детектор ядерных фрагментов, CМ – очищающий магнит, SC, Х, Y, PC – мониторы пучка, TD – детектор полного поглощения фотонов.

    Варианты систем мечения различны на разных установках и отличаются как типом детекторов для регистрации рассеянных электронов, так и элементами накопителя, которые требуют специальной доработки. В Брукхэвене на установке LEGS используется длинный канал для проводки рассеянных электронов к пластиковым сцинтилляторам через специально сконструированную линзу.
    На всех остальных установках, отмеченных выше в табл. 1, детектор рассеянных электронов устанавливается за магнитом накопителя в непосредственной близости от оси пучка электронов. При этом, чтобы иметь максимальный диапазон системы мечения, на время инжекции, когда колебания орбиты велики, детектор на несколько сантиметров отодвигается от пучка, в рабочем режиме приближается к нему. В качестве примера на рис. 2 показана схема, используемая в Новосибирске на установке РОКК-2.
    Следует отметить, что гамма – установки, приведенные в таблице 1, имеются на всех центрах синхротронного излучения, на которых работает одновременно большое число пользователей пучков СИ. Это обусловлено не только интересом к изучению взаимодействия гамма квантов с ядрами, но и тем, что создание комптоновских установок на накопителях полезно для диагностики работы самого накопителя, что включает в себя прецизионный контроль вакуума, диагностику накопления ионов в накопителе, измерение положения и стабильности орбиты электронов, измерение динамической поляризации пучка электронов в накопителе.
    Установлено, что вакуум в накопителе неоднороден; вблизи орбиты за счет накопления ионов он значительно отличается от среднего. Обычными методами изучать такие параметры, которые очень важны для оптимальной настройки пучка, практически невозможно. В этой связи большой интерес представляет проект создания комптоновского пучка на накопителе электронов “Сибирь-2” в Курчатовском центре синхротронного излучения КЦСИ, который является первым специализированным источником СИ в России.

Если в качестве налетающих частиц используются заряженные частицы, они должны иметь достаточную кинетическую энергию, для того чтобы преодолеть кулоновское отталкивание ядра и попасть в область действия ядерных сил. (Если энергия заряженной частицы меньше высоты кулоновского барьера, вероятность ядерной реакции будет сильно подавлена.)

Решение прикладных задач с использованием электромагнитных излучений