Эффект столпотворения

Эффект столпотворения — это проблема, которая может возникнуть, когда детекторы высокого разрешения (обычно германиевые полупроводниковые детекторы ) используются в бета-распада исследованиях . Это может повлиять на правильность определения питания различных уровней дочернего ядра . Впервые он был представлен в 1977 году. ^[1]

Контекст

Обычно, когда родительское ядро бета-распадается на дочернее, остается некоторая конечная энергия, которая делится между конечными продуктами распада. Это называется Q значением бета-распада ( Q _β ). Дочернее ядро не обязательно оказывается в основном состоянии после распада, это происходит только тогда, когда другие продукты забирают с собой всю доступную энергию (обычно в виде кинетической энергии). Итак, в целом дочернее ядро сохраняет часть доступной энергии в качестве энергии возбуждения и оказывается в возбужденном состоянии, связанном с некоторым энергетическим уровнем, как видно на рисунке. Дочернее ядро может оставаться в этом возбужденном состоянии лишь небольшое количество времени. ^[2] (период полураспада уровня), после чего он претерпевает серию гамма-переходов на более низкие энергетические уровни. Эти переходы позволяют дочернему ядру излучать энергию возбуждения в виде одного или нескольких гамма-лучей , пока оно не достигнет своего основного состояния, избавляясь таким образом от всей энергии возбуждения, которую оно сохранило от распада.

Согласно этому, энергетические уровни дочернего ядра могут быть заселены двумя способами:

путем прямого бета-питания в результате бета-распада родителя в дочь (I _β ),
за счет гамма-переходов более высоких энергетических уровней (ранее бета-заселенных в результате прямого бета-распада родительского элемента) на более низкие энергетические уровни (ΣI _i ).

Общее количество гамма-лучей , испускаемых энергетическим уровнем (I _T ), должно быть равно сумме этих двух вкладов, то есть прямого бета-питания (I _β ) плюс гамма-девозбуждения верхнего уровня (ΣI _i ).

I _T = I _β + ΣI _i (без учета внутреннего преобразования )

Бета-питание I _β (то есть, сколько раз уровень заселяется путем прямого питания от родителя) не может быть измерено напрямую. Поскольку единственной величиной, которую можно измерить, являются интенсивности гамма-излучения ΣI _i и I _T (то есть количество гамма-излучения, излучаемого дочерью с определенной энергией), бета-питание приходится извлекать косвенно, вычитая вклад от гамма-де -возбуждения высших энергетических уровней (ΣI _i ) до суммарной интенсивности гамма-излучения, покидающего уровень (IT ₎ , то есть:

I _β = I _T − ΣI _i (I _T и ΣI _i можно измерить)

Описание

Эффект столпотворения появляется, когда дочернее ядро имеет большое Q значение , что обеспечивает доступ ко многим ядерным конфигурациям , что приводит к появлению многих доступных уровней энергии возбуждения. Это означает, что общее бета-питание будет фрагментировано, поскольку оно будет распространяться на все доступные уровни (с определенным распределением, задаваемым силой, плотностью уровней, правилами отбора и т. д.). Тогда интенсивность гамма-излучения, излучаемого менее населенными уровнями, будет слабой, и она будет слабее по мере того, как мы переходим к более высоким энергиям, где плотность уровней может быть огромной. Кроме того, энергия гамма-излучения, девозбуждающего эту область с высокой плотностью, может быть высокой.

Измерение этих гамма-лучей детекторами высокого разрешения может вызвать две проблемы:

Во-первых, эти детекторы имеют очень низкую эффективность порядка 1–5% и в большинстве случаев будут слепы к слабому гамма-излучению.
Во-вторых, их кривая эффективности падает до очень низких значений при переходе к более высоким энергиям, начиная с энергий порядка 1–2 МэВ . Это означает, что большая часть информации, поступающей от гамма-лучей огромных энергий, будет потеряна.

Эти два эффекта уменьшают количество обнаруженной бета-подачи на более высокие энергетические уровни дочернего ядра, поэтому _{меньше ΣI i} вычитается _{из I T} , а энергетическим уровням ошибочно присваивается больше I _β, чем присутствует:

ΣI _i ~ 0, → I _T ≈ I _β

Когда это происходит, в большей степени поражаются низколежащие энергетические уровни. Некоторые схемы уровней ядер, фигурирующие в ядерных базах данных. ^[3] страдают от этого эффекта столпотворения и не являются надежными, пока в будущем не будут проведены более точные измерения.

Возможные решения озона

Чтобы избежать эффекта столпотворения, следует использовать детектор, который решает проблемы, возникающие у детекторов высокого разрешения. Он должен иметь эффективность, близкую к 100%, и хорошую эффективность для гамма-лучей огромных энергий. Одним из возможных решений является использование калориметра, такого как спектрометр полного поглощения (TAS), который изготовлен из сцинтилляционного материала . Было показано ^[4] что даже при использовании высокоэффективной матрицы германиевых детекторов с близкой геометрией (например, матрицы кластерного куба) теряется около 57% общего количества B(GT), наблюдаемого методом ТАС.

Актуальность

Расчет бета-подачи (I _β ) важен для различных приложений, таких как расчет остаточного тепла в ядерных реакторах или исследования ядерной структуры .

См. также

Ссылки

^ Харди, Джей Си; Каррас, LC; Джонсон, Б.; Хансен, П.Г. (ноябрь 1977 г.). «Существенный распад столпотворения: демонстрация ошибок в сложных схемах бета-распада» . Буквы по физике Б. 71 (2): 307–310. Бибкод : 1977PhLB...71..307H . дои : 10.1016/0370-2693(77)90223-4 . ISSN 0370-2693 .
^ Баэз, Джон. «Соотношение неопределенности времени и энергии» . Проверено 10 апреля 2010 г.
^ Файл оцененных данных о ядерной структуре (ENSDF) https://www.nndc.bnl.gov/ensdf/
^ Грабер, Дж.Л.; Розенстил, Г. (2003). «Теория среднего поля Sp (3, R) для тяжелых деформированных ядер». Физический обзор C . 68 (1): 014301. Бибкод : 2003PhRvC..68a4301G . дои : 10.1103/PhysRevC.68.014301 . ISSN 0556-2813 .

Внешние ссылки

« Покорение ядерного столпотворения » , Кшиштоф П. Рыкачевский.

[HardyCarraz1977-1] Харди, Джей Си; Каррас, LC; Джонсон, Б.; Хансен, П.Г. (ноябрь 1977 г.). «Существенный распад столпотворения: демонстрация ошибок в сложных схемах бета-распада» . Буквы по физике Б. 71 (2): 307–310. Бибкод : 1977PhLB...71..307H . дои : 10.1016/0370-2693(77)90223-4 . ISSN 0370-2693 .

[2] Баэз, Джон. «Соотношение неопределенности времени и энергии» . Проверено 10 апреля 2010 г.

[3] Файл оцененных данных о ядерной структуре (ENSDF) https://www.nndc.bnl.gov/ensdf/

[GraberRosensteel2003-4] Грабер, Дж.Л.; Розенстил, Г. (2003). «Теория среднего поля Sp (3, R) для тяжелых деформированных ядер». Физический обзор C . 68 (1): 014301. Бибкод : 2003PhRvC..68a4301G . дои : 10.1103/PhysRevC.68.014301 . ISSN 0556-2813 .

[1]

[2]

[3]

[4]