7. Эксперимент по самопоглощению

    Обратимся к основной формуле эксперимента по рассеянию (5.4). Для того,   чтобы ей воспользоваться, необходимо знать: N₀( E_r) – число фотонов в падающем пучке, ε(E`) – эффективность регистрации рассеянных фотонов, W(θ) – угловое распределение рассеянных квантов (зависящее от мультипольности), Ω – телесный угол регистрации квантов.
    Значения всех этих величин заранее не известны с необходимой степенью точности. Особенно это относится к абсолютному числу фотонов N₀(E_r) в падающем пучке. Для того, чтобы получить произведение

S( E) = N₀( E_r)ε(E`)ΔΩ

как функцию энергии (величину W(θ) считаем известной), используют трудоемкую процедуру калибровки установки по известным опорным уровням. При этом проблема достижения высокой  точности часто остается трудно разрешимой.
    В то же время существует "абсолютный" метод определения ширины Г (или времени жизни) ядерного уровня, для которого не требуется знания указанных выше величин или использования иных громоздких процедур. Этот метод основан на эффекте уменьшения числа резонансно - рассеянных фотонов за счет предварительного прохождения тормозного излучения через поглотитель, изготовленный из того же материала, что и рассеиватель (такой поглотитель назван "резонансным"). Действие резонансного рассеяния в этом поглотителе приводит к снижению числа фотонов в тормозном пучке с энергией резонанса. Поэтому после попадания такого пучка на рассеиватель  число  рассеянных им в детектор резонансных фотонов также уменьшится. Величина уменьшения однозначно определяется характеристиками резонанса и, в частности, его шириной, которая и может быть найдена в описываемом эксперименте. Такой эксперимент называется экспериментом по самопоглощению.
    Поясним  идею и реализацию этого эксперимента применительно к задаче исследования этим методом уровня 3.449 МэВ ядра ⁵⁶ Fe.

Перекрывая поглотителем из железа тормозной пучок и помещая за ним сразу в прямом пучке (в точке 1) γ-спектрометр, получим энергетический "провал" в спектре при энергии 3.449 МэВ, соответствующий рассеянию первичных γ-квантов на сильном уровне с данной энергией.

    Качественная картина спектра в точке 1 показана на рис. 7.3а.
   Если вместо резонансного поглотителя из железа тормозной спектр перекрыть нерезонансным (например, никелем), т.е. у которого в исследуемой области энергий нет резонанса, то с помощью того же γ-спектрометра в точке 1 получим плавно спадающий тормозной спектр, показанный на рис. (б). Имея спектр 1 (а) легко получить ширину Г исследуемого уровня 3.449 МэВ. Однако, из-за сильного фона нельзя поместить γ-спектрометр непосредственно в тормозной пучок в точке 1. Прошедшее через поглотитель тормозное излучение предварительно рассеивают на мишени из материала резонансного поглотителя (Fe), а γ-спектрометр располагают как в обычном эксперименте по рассеянию, т.е. в стороне от прямого пучка в точке 2. То, что при этом покажет спектрометр в точке 2 в эксперименте с резонансным и нерезонансным поглотителем показано соответственно на рис.(а) и (б) кривыми 2. Эти кривые отличаются только величиной резонансного пика 3.449 МэВ. В случае (б), с нерезонансным поглотителем, пик больше, т.е. мишень рассеяла больше фотонов с энергией 3.449 МэВ. Это и понятно, т.к. на мишень упало больше фотонов с данной энергией. Уменьшение пика 3.449 МэВ в спектре 2(а) обусловлено "провалом" в спектре 1(а). Этот "провал", как уже отмечалось ранее, вызван резонансным поглощением фотонов с энергией 3.449 МэВ в резонансном поглотителе. Последний эффект отсутствует в случае нерезонансного поглотителя.
    Основной величиной, измеряемой в эксперименте по самопоглощению, я вляется "коэффициент самопоглощения" R:

где N_r и N_n - числа рассеянных мишенью фотонов соответственно в экспериментах с резонансным и нерезонансным поглотителем. С учетом дополнительного ослабления потока фотонов в веществе поглотителя, для N_n и N_r имеем (см. (5.4)):

где v, v_r, v_n - количество ядер на единицу облучаемой площади соответственно мишени, резонансного и нерезонансного поглотителя. σⁿ_at и σ^r_at - атомные сечения нерезонансного и резонансного поглотителя. Эти сечения практически не меняются в узкой области резонанса и множители и  в приведенных выше выражениях можно вынести за знак интеграла. Тогда, проведя очевидные сокращения, получим

Подбирая толщины поглотителей, можно сравнять эффекты атомного поглощения для резонансного и нерезонансного поглотителей.

v_nσⁿ_at(E_r) = v_rσ^r_at(E_r)

и компенсировать эти эффекты в формуле (7.3). Тогда:

Для тонкой мишени и тонкого поглотителя ( << 1 и v_r^D_nucl << 1) имеем:

Для легких и средних ядер (А < 100) соотношение между шириной Г ядерного резонанса и доплеровской ширинойΔ, как правило таково, что Δ >> Г. В этом случае более детальное рассмотрение (7.5) приводит к следующему выражению (без доказательства):

    Выражение (7.6) применимо к чистой ЯРФ. Таким образом, измеряя R, легко получить Г₀, поскольку v_r задана толщиной резонансного поглотителя,  - энергией резонансного уровня Е _r, а спины I₀ и I_r (как правило) известны. Величина Δ легко рассчитывается.
    Метод самопоглощения был использован для определения ширины (времени жизни) уровня 3,449 МэВ ядра ⁵⁶Fe. Были получены следующие результаты :