Устройство для измерения формы гамма-резонанса долгоживущих ядерных изомеров

Устройство для измерения формы гамма-резонанса долгоживущих ядерных изомеров

Реферат

Изобретение относится к области ядерной техники, более конкретно к устройствам для измерения формы микроспектра гамма-излучения, испускаемого при распаде долгоживущих изомерных состояний ядер, таких как изомерное состояние ядра, ¹⁰⁹Ag с энергией 88,03 кэВ и средним временем жизни 57 с.

Известны устройства, основанные на применении эффекта Мессбауэра, с помощью которых исследуется форма микроспектра излучаемой (и поглощаемой) без потери энергии на отдачу ядер компоненты гамма-линии (Г.Вертхейм. Эффект Мессбауэра. Изд. «Мир», Москва, 1966). В этих устройствах данная задача решается путем сдвига энергии гамма-лучей источника относительно положения линии поглощения резонансного поглотителя. В подавляющем большинстве случаев этот сдвиг осуществляется с помощью эффекта Допплера, проявляющегося при движении источника относительно поглотителя со скоростью ν; при этом сдвиг равен ΔE_γ=E_γν/c, где Е_γ - энергия гамма-квантов, с - скорость света.

Наиболее близким к заявляемому устройству является техническое решение, осуществленное в опытах с гамма-лучами ⁶⁷Zn (W.Potzel, C.Schäfer, M.Steiner et al., Hyperfine Interactions, v.72, p.197 (1992)). Естественная ширина гамма-линии этого нуклида равна 4,76×10^-11 эВ, а энергия гамма-квантов равна 93,31 кэВ. Недостатком этого устройства является ограничение его разрешающей способности величиной 0,96×10^-10 эВ.

Целью предлагаемого технического решения является создание гамма-спектрометрического устройства с использованием в качестве гамма-источников долгоживущих ядерных изомеров со средними временами жизни в возбужденном состоянии порядка минуты и более, что дает принципиальную возможность повысить на 7-8 порядков величины разрешающую способность существующих мессбауэровских спектрометров, работающих с нуклидом ⁵⁷Fe.

Изомерное состояние ядра ¹⁰⁹Ag имеет естественную ширину, равную ~10^-17 эВ. Гравитационное поле вблизи поверхности Земли смещает положение гамма-резонанса изомера ¹⁰⁹Ag на его естественную ширину при разнице вертикальных положении излучающего и поглощающего ядер в ~10^-4 см. Магнитное поле Земли расщепляет гамма-линию ^109mAg на 14 компонент, промежутки между которыми превосходят естественную ширину гамма-линии в ~10⁶ раз. В металлическом серебре при температуре жидкого гелия (4,2 К) вероятность излучения (поглощения) гамма-кванта с энергией 88,03 кэВ без потери энергии на отдачу ядра составляет 0,0535, что позволяет вести с этими гамма-лучами мессбауэровские опыты, но не по стандартной методике создания допплеровского сдвига энергии линии испускания относительно положения линии поглощения, т.к. в этом случае потребовалась бы технически недоступная скорость источника относительно поглотителя, равная ~10^-12 см/сек.

Многочисленные опыты последних лет, в том числе и выполненные нашей группой, показывают, что мессбауэровская гамма-линия изомера ^109mAg если и уширена, то весьма незначительно - не более нескольких десятков раз. Это позволяет использовать гравитацию для измерения формы гамма-резонанса этого изомера.

Поставленная цель достигается тем, что в заявляемом устройстве гамма-источник, представляющий собой пластинку высокочистого серебра с внедренными в нее термодиффузией атомами материнского нуклида ^l09Cd, помещен в криостат и охлажден до температуры жидкого гелия (4,2 К). Криостат находится на платформе, которая может поворачиваться вокруг горизонтальной оси в обе стороны на угол до 30 градусов относительно горизонтальной плоскости. Пучки гамма-квантов, испускаемых источником в противоположных направлениях параллельно плоскости платформы, регистрируются находящимися на платформе двумя германиевыми детекторами. Резонансное поглощение гамма-квантов происходит непосредственно в веществе источника, толщина которого составляет 0,5-1,0 мм. Оно максимально, когда регистрируемые пучки гамма-квантов горизонтальны. При наклоне платформы пучки отклоняются от горизонтали и это приводит к уменьшению вероятности резонансного поглощения гамма-квантов вследствие гравитационного сдвига гамма-резонанса, т.к. точки испускания и возможного поглощения гамма-квантов оказываются на разной высоте. С увеличением угла наклона растет ослабление резонансного поглощения гамма-квантов. Расчеты, проделанные для гамма-источника толщиной 1 мм, в который введен ¹⁰⁹Cd с обеих сторон, причем средняя глубина внедрения кадмия равна 0,15 мм с каждой стороны, показывают, что угол отклонения гамма-пучка от горизонтали, соответствующий уменьшению резонансного поглощения вдвое, α_1/2, определяется простой формулой:

α_1/2=0,197k,

где k - фактор уширения мессбауэровской гамма-линии, а угол выражен в градусах.

Измерения зависимостей чисел отсчетов детекторов от угла наклона платформы позволяет получить данные о профиле гамма-резонанса, чем и достигается поставленная цель. Для повышения уровня достоверности полученных данных устройство снабжается следующими дополнительными деталями.

1. С обеих сторон серебряной пластинки устанавливаются вплотную к ней тонкие контрольные гамма-источники из ²⁴¹Аm, излучающие гамма-лучи с энергией 59,54 кэВ. Поворот платформы не должен сказываться на регистрируемой интенсивности этих гамма-лучей.

2. Коаксиально криостату устанавливается пара колец Гельмгольца, включение тока через которые позволяет скомпенсировать в области расположения гамма-источников компоненту магнитного поля Земли, перпендикулярную регистрируемым гамма-пучкам. Это приводит к увеличению вероятности резонансного поглощения гамма-лучей в 2,5 раза. Периодическое включение и выключение колец Гельмгольца вызовет синхронное изменение регистрируемой интенсивности гамма-лучей серебра (но не америция), соответствующее изменению на 60% сечения резонансного поглощения.

Схема устройства показана на прилагаемом чертеже, где 1 - криостат, 2 - германиевые γ - детекторы, 3 - поворачивающаяся платформа, 4 - ось вращения платформы, 5 - кольца Гельмгольца, 6 - гамма-источники, 7 - опора криостата и колец Гельмгольца.

Устройство для измерения формы гамма-резонанса долгоживущих ядерных изомеров, отличающееся тем, что, с целью повышения разрешающей способности гамма-спектрометрии, пучки гамма-квантов от помещенного в криостат и выдерживаемого при обеспечивающей мессбауэровские условия температуре источника в виде металлической пластинки из атомов, ядра которых имеют исследуемое изомерное состояние, с введенными в него атомами материнского нуклида, направлены в детекторы параллельно плоскости платформы, на которой установлены криостат и детектора, и в зависимости от угла наклона пучков относительно горизонтальной плоскости, осуществляемого путем поворота платформы, измеряются интенсивности гамма-линий основного и вспомогательного нерезонансного гамма-источников, причем в каждой угловой позиции измерения могут быть проведены при естественном направлении магнитного поля Земли и при скомпенсированной дополнительным магнитным полем составляющей земного магнитного поля перпендикулярной направлению регистрируемых гамма-пучков, для чего служит пара колец Гельмгольца, расположенная коаксиально криостату.