Способ выявления резонансного поглощения гамма-лучей долгоживущих ядерных изомеров

В ряде экспериментов, связанных с наблюдением резонансного поглощения гамма-лучей долгоживущих изомеров, в частности изомера ^109mAg, использовалась зависимость вероятности мессбауэровского самопоглощения гамма-лучей в веществе источника от температуры. Искомый эффект не наблюдаем при комнатной температуре и при температуре жидкого азота, но становится наблюдаемым при температуре жидкого гелия. Поскольку и в этом случае относительное снижение регистрируемой интенсивности гамма-лучей, вызываемое появлением мессбауэровского поглощения, очень мало (~10^-3), то большую опасность для правильной оценки искомого эффекта представляют собой деформации внутренних частей криостата, которые могут возникать при изменении температуры и приводить к изменениям расстояния от источника до детектора. С целью избежать этой опасности предлагается выявлять эффект резонансного поглощения гамма-квантов по влиянию на него направления внешнего магнитного поля, действующего на источник. В реальных условиях таким полем является земное магнитное поле, расщепляющее гамма-линию долгоживущего изомера на ряд компонент, разделенных промежутками, во много раз превосходящими их естественную ширину. Вследствие последнего обстоятельства резонансное поглощение каждой компоненты линии испускания может происходить только в пределах ширины той же компоненты линии поглощения. Это приводит к сильной зависимости вероятности резонансного поглощения от угла между направлением магнитного поля и направлением, в котором регистрируется гамма-квант. Предлагается, регистрируя гамма-кванты в горизонтальном направлении после установления температурного режима и завершения деформационных процессов, периодически компенсировать вертикальную составляющую магнитного поля Земли и наблюдать синхронное изменение регистрируемой интенсивности гамма-квантов. Это изменение может составлять вполне наблюдаемую величину. В частности, в случае изомера ^109mAg относительное изменение скорости счета будет соответствовать изменению на 60% максимально возможного сечения резонансного поглощения. 1 ил.

 

Существует некоторое количество нуклидов, имеющих долгоживущие изомерные состояния с достаточно низкими энергиями, чтобы можно было в определенных температурных условиях наблюдать мессбауэровское резонансное поглощение гамма-лучей, испускаемых при переходах из этих состояний в основные состояния ядер. К таким нуклидам, в частности, относятся оба изотопа серебра - ^l07Ag и ^l09Ag. Имеется некоторое количество публикаций (1-3), в которых сообщается о наблюдении резонансного самопоглощения гамма-лучей изомера ^109mAg в монокристаллических серебряных источниках, содержащих введенный термодиффузией материнский нуклид ^l09Cd. Для выявления эффекта резонансного поглощения в этих работах использовалась зависимость сечения резонансного поглощения от температуры. Резонансное поглощение гамма-лучей изомера ^109mAg практически не наблюдаемо при комнатной температуре и при температуре жидкого азота (77 К), но проявляется при температуре жидкого гелия (4,2 К). Однако и в этом случае относительная величина эффекта резонансного поглощения невелика, составляя в лучшем случае 0,1-0,2%. Это приводит к тому, что очень важную роль в подобных экспериментах играет учет возможных деформаций внутренних частей криостата, в котором охлаждается гамма-источник, связанных с температурными изменениями. Далеко не во всех случаях удается наблюдать и, тем более, измерять подобные деформации, которые могут приводить к таким изменениям регистрируемой интенсивности гамма-лучей, которые полностью искажают результат измерений эффекта резонансного поглощения. В то же время есть возможность измерять, после установления температуры жидкого гелия и завершения деформационных процессов, влияние на вероятность резонансного поглощения изменения направления земного магнитного поля, действующего на гамма-источник. Это влияние связано с тем, что картина сверхтонкого зеемановского расщепления гамма-линии зависит от угла θ между направлением магнитного поля и направлением, в котором регистрируется гамма-квант (4). Естественная ширина гамма-линии изомера ^109mAg, Г, равна ~10^-17 эВ. Магнитное поле Земли расщепляет эту линию на 14 компонент, промежутки между которыми в ~10⁶ раз больше Г. Поэтому резонансное поглощение каждой компоненты сверхтонкой структуры линии испускания может происходить только в пределах соответствующей компоненты линии поглощения (при условии, что излучающие и поглощающие гамма-кванты ядра находятся в одинаковом магнитном поле). Анализ картины зеемановского расщепления гамма-линии изомера ^l09mAg приводит к виду зависимости сечения резонансного поглощения гамма-лучей этого изомера от угла θ, представленному на прилагаемом чертеже. Аналогичные кривые могут быть рассчитаны и для других изомеров. Видно, что максимально возможное резонансное поглощение гамма-лучей ^l09mAg должно наблюдаться при угле θ, равном нулю или 180°. В Москве земное магнитное поле направлено вниз под углом ~70° к горизонту. Если гамма-лучи ^109mAg регистрируются в плоскости магнитного меридиана при естественном направлении земного магнитного поля, то сечение резонансного поглощения этих гамма-лучей составит лишь 40% максимально возможной величины. Если с помощью дополнительного устройства, например колец Гельмгольца, компенсировать вертикальную компоненту магнитного поля Земли, то, при регистрации гамма-квантов в горизонтальном направлении, сечение их резонансного самопоглощения в веществе источника возрастет в 2,5 раза по сравнению с тем, которое проявилось бы при естественном направлении земного магнитного поля. Включая и выключая периодически компенсирующее устройство, можно наблюдать синхронное изменение регистрируемой интенсивности гамма-лучей, соответствующее шестидесяти процентам максимально возможного сечения резонансного поглощения.

Литература

1. W.Wildner, U.Gonser. J.de Phys. Coll. Suppl., 40, C2-47 (1979).

2. R.D.Taylor, G.R.Hoy. SPIE, 875,126 (1988).

3. S.Rezaie-Serej, G.R.Hoy, R.D.Taylor, Laser Physics, 5, 240 (1995).

4. А.И.Левон, О.Ф.Немец. Электромагнитные моменты возбужденных и радиоактивных ядер. Изд. "Наукова думка", Киев, 1989, стр.213.

Способ выявления резонансного поглощения гамма-лучей долгоживущих изомеров, отличающийся тем, что, с целью избежать искажающего влияния на наблюдаемый эффект резонансного поглощения возможных деформаций деталей криостата, в котором находится охлаждаемый гамма-источник, осуществляется периодическая компенсация вертикальной составляющей магнитного поля Земли, приводящая к синхронному изменению интенсивности гамма-лучей, регистрируемых в горизонтальном направлении, соответствующему, например, в случае изомера ^109mAg 60% максимально возможного сечения резонансного самопоглощения гамма-лучей в веществе гамма-источника.