Пискарев И.М.

СОЗДАНИЕ КОМПЛЕКСА НАУЧНОЙ АППАРАТУРЫ И ПРОВЕДЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ФОТОЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ НА 35-МЭВ БЕТАТРОНЕ НИИЯФ МГУ

    Я начал работать с Борисом Саркисовичем Ишхановым, будучи студентом 2-го курса физического факультета МГУ. Борис Саркисович в это время был аспирантом физического факультета МГУ. После окончания аспирантуры он остался работать в секторе фотоядерных реакций на 35-МэВ бетатроне НИИЯФ МГУ. Бетатрон был смонтирован и сдан в эксплуатацию, но никаких методик, позволяющих проводить физические эксперименты, не было. Не было и никакого опыта проведения работ на бетатроне.
    В первую очередь нужно было создавать детекторы продуктов фотоядерных реакций. Сейчас все сотрудники сидят за компьютерами. А тогда все сотрудники сидели за осциллографами и искали сигнал от детектора. Аппаратура была простейшая самодельная. Основной проблемой было отделить полезный сигнал от помех, которые возникали из-за работы бетатрона. Были идентифицированы разные виды помех, которые шуточно называли "швычка", "пиндюлина" и "борода". Инициатором и лидером всех проводимых работ был Борис Саркисович. Материально-техническое снабжение группы бетатрона полностью отсутствовало, но Борису Саркисовичу удалось выпросить у богатых космиков коробку транзисторов. Это позволило начать под руководством Бориса Саркисовича разработку регистрирующей аппаратуры.
    Постановка эксперимента для исследования реакций под действием тормозного излучения заключалась в следующем. Источником тормозного излучения служил 35-МэВ бетатрон НИИЯФ МГУ. На пучке излучения устанавливалась мишень из исследуемого вещества. Продукты реакции, образующиеся в мишени, регистрировались детектором. Измерялась величина, называемая выходом реакции. Для расчета зависимости сечения реакции от энергии ускорителя необходимо иметь зависимость от этой энергии выхода реакции, называемую кривой выхода. Особенностью фотоядерных реакций является их малая вероятность и, как следствие, малый выход реакции. Для набора статистики, которая позволила бы с требуемой точностью определить сечение реакции, требуется значительное время, которое для одного значения кривой выхода реакции может доходить до десятков часов.
    При практическом осуществлении программы измерений мы столкнулись с проблемой стабильности регистрирующей аппаратуры. В результате оказалось, что нестабильность аппаратуры вносит в искомое сечение реакции ошибку большую, чем статистическая точность. Эта ошибка растет со временем измерений, в то время как статистическая ошибка уменьшается. Поэтому простое увеличение времени измерений и набираемой статистики только ухудшают точность получаемых результатов.
    Для борьбы с нестабильностью регистрирующей аппаратуры Борис Саркисович предложил использовать метод прыгающей привязки. Бетатрон является циклическим ускорителем, работающим от сети переменного тока. Ускорение электронов происходит в каждый период переменного магнитного поля. Бетатрон дает импульсы γ-излучения длительностью в десятки микросекунд с частотой 50 Гц. Верхняя граница энергии пучка тормозного излучения определяется величиной магнитного поля в момент сброса электронов на тормозную мишень. Для управления энергией ускорителя существует система сброса пучка, которая подает импульс сброса в момент времени, соответствующий заданной энергии. В системе сброса величина магнитного поля на орбите бетатрона сравнивается с величиной опорного напряжения, задающего энергию ускорителя. Такая система позволяла менять энергию бетатрона в каждом цикле ускорения.
    Метод прыгающей привязки заключался в следующем. Было предложено в каждом цикле ускорения переключать энергию бетатрона от минимального значения до максимального. После достижения максимальной энергии процесс повторялся. Было выбрано 512 значений энергии. Вся кривая выхода измерялась за ~ 10 секунд. При этом нестабильность регистрирующей аппаратуры мало влияла на результат, так как порог чувствительности аппаратуры за 10 секунд практически не менялся. Набор статистики мог продолжаться много дней. С течением времени порог чувствительности менялся, однако одинаково для всех энергий ускорителя. Это влияло на абсолютную величину выхода, но точность измерения зависимости от энергии была высокой. Применение прыгающей привязки обеспечивало получение высокой точности измерения каждой точки кривой выхода относительно соседних точек. Это позволило исследовать тонкую структуру сечения реакции, что было весьма затруднительно при независимом измерении выхода реакции в каждой точке.

Рис. Блок-схема эксперимента по измерению кривой выхода фотоядерной реакции

    Для реализации метода был необходим многоканальный накопитель информации и система переключения энергии ускорителя в каждом цикле. В качестве накопителя был использован 512 канальный анализатор фирмы Nokia. В анализаторе не было предусмотрено использование режима многоканального накопителя. Модернизация анализатора и создание многоканальной системы накопления данных было осуществлено сотрудниками ОЭПВАЯ под руководством Бориса Саркисовича. Для управления энергией электронов была создана 512-канальная система переключения и стабилизации энергии бетатрона. Она обеспечивала стабильность энергии лучше 0.01%. Для ускорения набора статистики была создана многоканальная система регистрации продуктов фотоядерных реакций. Имеющаяся в то время техника не позволяла сделать быструю регистрирующую аппаратуру, поэтому для увеличения быстродействия сигналы с детекторов поступали по разным независимым каналам. После дискриминации полезных сигналов с детекторов от фона они суммировались в канале анализатора, который соответствовал определенной энергии верхней границы пучка тормозного излучения.
    Блок-схема эксперимента по измерению кривой выхода фотоядерной реакции представлена на рисунке. Со следящей обмотки бетатрона снимался синусоидальный сигнал, пропорциональный напряженности магнитного поля на орбите бетатрона. Этот сигнал поступал на один вход схемы сравнения. На другой вход схемы сравнения подавалось опорное напряжение, пропорциональное энергии ускорителя. В момент сравнения вырабатывался импульс сброса, который запускал генератор импульсов сброса электронов с орбиты на тормозную мишень. Энергия ускорителя и номер канала анализатора, в который записывается информация о количестве импульсов, поступивших с детекторов, переключались импульсом, вырабатываемым в момент перехода магнитного поля через нуль.
    Продукты, образующиеся в мишени под действием тормозного излучения (электроны, нейтроны или протоны), регистрируются блоком детекторов. В блоках усилителей-дискриминаторов фоновые сигналы от электронов отделяются от импульсов, образующихся в детекторах под действием протонов или нейтронов. В связи с тем, что фоновая загрузка электронного тракта высока, использовались 8 независимых каналов усиления и дискриминации импульсов, а также 8-канальная система предварительной памяти. В паузе ускорителя, когда импульсы от детекторов не поступают, система предварительной памяти опрашивается. Накопленная информация записывается в канал анализатора, соответствующий определенной энергии верхней границы тормозного излучения.
    Многоканальная система стабилизации и переключения энергии создавалась в 1967–1970 годы. Уровень техники в это время не позволял использовать готовые решения, поэтому все приборы были разработаны и изготовлены сотрудниками ОЭПВАЯ. Руководил работой Борис Саркисович. Основными разработчиками и изготовителями системы были ст. инженер Баламатов Н.Н., лаборант Горбатов Ю.И., студент Пожидаев В., аспирант Пискарев И.М.
    Основной физической проблемой, которую предстояло решать на бетатроне НИИЯФ МГУ являлось исследование гигантского дипольного резонанса в сечениях фотоядерных реакций. В работах академика А.Б. Мигдала было предсказано, что при энергиях выше порогов образования протонов или нейтронов поглощение должно быть дипольным. Это означает, что при энергии выше порога фотонуклонных реакций вероятность поглощения фотона возрастает, так как вероятность дипольных переходов больше вероятности мультипольных переходов. Мощный резонанс в сечении фотоядерной реакции был назван гигантским дипольным резонансом.
    Именно для исследования гигантского дипольного резонанса в НИИЯФ МГУ был построен 35-МэВ бетатрон. В те годы высококвалифицированных специалистов в области фотоядерных реакций не было. Исследования в этой области начинали аспиранты, студенты и молодые сотрудники НИИЯФ. Борис Саркисович возглавил коллектив молодых сотрудников. Под руководством Бориса Саркисовича были созданы методики регистрации продуктов фотоядерных реакций. Большую поддержку в организации научно-исследовательской работы ему оказал профессор Валериан Григорьевич Шевченко.
Основными продуктами, образующимися в фотоядерных реакциях на легких и средних ядрах, являются вторичные фотоны, протоны, нейтроны. В реакциях на тяжелых ядрах к ним добавляются осколки деления. Акт реакции может быть идентифицирован либо путем прямой регистрации образующейся вторичной частицы, либо путем определения конечного ядра — продукта реакции. На первом этапе стояла задача исследования фотоядерных реакций методом прямой регистрации продуктов.
    Простейшим методом исследования в отсутствии какой-либо электроники является метод фотопластинок. Продукт фотоядерной реакции оставлял в фотоэмульсии след, на основании которого можно было определить вид частицы, ее энергию и направление вылета из мишени. Но таким методом трудно получать хорошую статистическую точность. Поэтому было решено разрабатывать электронные методы регистрации продуктов фотоядерных реакций.

Исследование сечений фотопротонных реакций

Энергетический спектр фотопротонов достигает энергии ~ 10 МэВ и более, однако значительная их доля может иметь энергию в несколько МэВ. Для регистрации фотопротонов решено было использовать кремниевые поверностно-барьерные детекторы с толщиной активного слоя порядка сотни микрон. Фоновыми частицами были вторичные электроны, образование которых связано с электромагнитными процессами, не затрагивающими ядро. Поэтому электроны были фоном, от которого нужно было отделить протоны. Амплитуды импульсов от фотопротонов были больше амплитуды импульсов от электронов, электронов было намного больше. Из-за недостаточного быстродействия электронной аппаратуры импульсы от электронов накладывались друг на друга, создавая импульсы такой же амплитуды, что и импульсы от протонов. Для борьбы с наложениями импульсов от электронов приходилось уменьшать загрузку электронного тракта. Уменьшение загрузки осуществлялось применением большого числа детекторов протонов с отдельными электронными трактами. Суммирование сигналов от разных детекторов осуществлялось после дискриминации протонов от электронов в каждом канале. Другим методом уменьшения загрузки электронного тракта была растяжка длительности вспышки пучка тормозного излучения во времени. Растяжка создавала дополнительную погрешность в энергии фотонов, но при измерении кривых выхода реакций эта ошибка оказывалась меньше шага изменения энергии бетатрона.

Исследование сечений фотонейтронных реакций

Нейтроны, образующиеся в фотоядерной реакции, имеют энергию такого же порядка, что и протоны, т.е. они являются быстрыми. Нейтроны — незаряженные частицы, поэтому зарегистрирован может быть не сам нейтрон, а продукт его взаимодействия с веществом. Вероятность регистрации быстрых нейтронов имевшимися детекторами была мала, с большой вероятностью регистрировались медленные нейтроны. Поэтому сначала стояла задача замедлить нейтроны. Для этого был применен парафин. Длина замедления быстрых нейтронов в парафине составляет 12–15 см. Это накладывало условие на размеры детектора. Для регистрации медленных (тепловых) нейтронов применялись пропорциональные счетчики, заполненные гелием (He3). Блок пропорциональных счетчиков заливался парафином. В ОЭПВАЯ был создан детектор нейтронов с эффективностью регистрации 40%. Для борьбы с перегрузками электронного тракта использовался многоканальный усилительный тракт.

Исследование сечений реакций фотоделения

При делении тяжелых ядер образуются средние ядра. Осколки деления, как правило, оказываются заряженными, поэтому их можно зарегистрировать пропорциональным счетчиком. Однако пробег в веществе таких ядер очень мал, и они не могут пройти через входное окно такого детектора. Для регистрации продуктов фотоделения были созданы многопроволочные искровые счетчики, работающие на воздухе. Счетчик представлял собой ровную заземленную поверхность, над которой были натянуты нити толщиной порядка 0.1 мм. На каждую нить через балластное сопротивление подавалось высокое напряжение около 10 кВ отрицательной полярности. Для формирования искрового, а не тлеющего разряда каждая нить была соединена с землей разрядным конденсатором 10-20 пФ. Напряжение на нити подбирается таким образом, чтобы при попадании в зазор «нить — плоскость» осколка деления происходил искровой разряд. В процессе искрового разряда напряжение на нити падает до нуля, поэтому разряд прекращается. Напряжение на нити восстанавливается к следующему циклу работы ускорителя. Достоинством такого счетчика является 100% эффективность и практически полное отсутствие фона, так как никакая другая заряженная частица, кроме осколка деления, не может создать искровой разряд.

Исследование упругого рассеяния фотонов

Снятие возбуждения с уровня гигантского дипольного резонанса путем испускания фотона с той же энергией, с которой этот уровень был возбужден, с учетом энергии отдачи ядра (упругое рассеяние фотонов) является одним из возможных каналов его распада. Для регистрации упруго рассеянных фотонов с энергиями в области гигантского дипольного резонанса необходимы Ge(Li) детекторы объема не менее десятков кубических сантиметров. Для уменьшения фона комптоновских фотонов детектор устанавливался под углом 135° относительно мишени. Для подавления фона рассеянных фотонов, попадающих в детектор не от мишени, применялась сплошная свинцовая защита с отверстием, нацеленным на мишень. Другим источником фона была реакция (n, γ) под действием нейтронов, образующихся в фотоядерных реакциях. Для борьбы с фоном из реакции (n, γ) Ge(Li) детектор фотонов дополнительно окружался слоем парафина толщиной не менее 15 см.

Модернизация 35-МэВ бетатрона НИИЯФ МГУ

    При измерении кривых выхода фотоядерных реакций методом прыгающей привязки требовалась высокая стабильность энергии ускорителя. Стабильность была достигнута за счет подбора условий инжекции электронов в камеру ускорителя, при которых поток электронов на орбите был ограничен. Когда был выполнен большой объем исследований сечений фотоядерных реакций, обнаружена тонкая структура сечений, встал вопрос об увеличении точности измерения энергетических спектров фотопротонов. Выход фотопротонов мал, поэтому необходимо было значительно увеличить интенсивность излучения ускорителя. Выполненные под руководством Бориса Саркисовича исследования условий инжекции в бетатроне позволили значительно увеличить ток электронов на орбите и в десятки раз повысить интенсивность пучка тормозного излучения. Стабильность энергии ускорителя при этом оказалась несколько хуже, но для исследования спектров фотопротонов высокая стабильность была не нужна.
    Исследование фотоядерных реакций потребовало большого напряжения всех участников работы. Измерения проводились круглосуточно, останавливались только на новогодние праздники. Научным руководителем и организатором всех работ был Борис Саркисович Ишханов.
    На основе выполненных исследований было сделано открытие: "Конфигурационное расщепление дипольного гигантского резонанса в атомных ядрах", зарегистрированное в СССР. Авторы: Ишханов Б.С., Капитонов И.М., Неудачин В.Г, Шевченко В.Г., Эрамжян Р.А., Юдин Н.П.

Оглавление