Гравитационный гамма-спектрометр

Изобретение относится к ядерной физике, а более конкретно - к гамма-резонансной спектрометрии с предельно высокой разрешающей способностью. Технический результат - создание компактного гамма-спектрометра с наивысшей достигаемой разрешающей способностью, работающего при комнатной температуре. Гравитационный гамма-спектрометр для экспериментов, требующих высочайшей разрешающей способности, в котором используется пропускаемое через многощелевой коллиматор гамма-излучение изомера ^109mRh от источника из металлического родия, содержащего атомы материнского нуклида ¹⁰³Pd, либо облученного тормозным излучением электронов, причем положение и ширина гамма-резонанса определяются по зависимости регистрируемой интенсивности прошедшего через коллиматор гамма-излучения от угла наклона щелей коллиматора по отношению к горизонтальной плоскости. 1 ил.

 

Изобретение относится к ядерной физике, а более конкретно - к гамма-спектрометрии высокой разрешающей способности.

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 v; при этом сдвиг равен ΔЕ_γ=E_γv/c, где E_γ - энергия гамма-квантов, с - скорость света.

Известны эксперименты с гамма-лучами долгоживущего изомера ^109mAg, в которых наблюдалось резонансное поглощение гамма-квантов в серебре, выявляемое по влиянию на регистрируемую интенсивность гамма-квантов гравитации и направления земного магнитного поля (В.Г.Алпатов и др. Laser Physics, 10, 955 (2000); В.Г.Алпатов и др. Laser Physics, 15, 1680 (2005)). Эти опыты, наряду с опытами других авторов, показали, в частности, что мессбауэровская гамма-линия ^109mAg с энергией 88,03 кэВ если и уширена, то весьма незначительно - не более нескольких десятков раз по сравнению с естественной шириной. Следует полагать, что такая же ситуация существует и с гамма-лучами изомера ^103mRh, имеющими энергию 39,75 кэВ. Среднее время жизни ядра ¹⁰³Rh в изомерном состоянии равно 80,964 мин, что соответствует естественной ширине этого состояния (и излучаемой гамма-линии), равной 2,169×10^-31 эрг или 1,356×10^-19 эВ, что в - 85 раз меньше естественной ширины гамма-линии изомера ^109mAg. Дебаевская температура металлического родия равна 480 К (P.Boolchand. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 40, 777 (1988)), что соответствует вероятности излучения (поглощения) гамма-квантов с энергией 39,75 кэВ без отдачи при комнатной температуре, равной 0,465. Сечение резонансного поглощения гамма-квантов в образце, находящемся в магнитном поле, зависит от угла между вектором напряженности магнитного поля и направлением, в котором регистрируются гамма-кванты. Для гамма-лучей ^103mRh эта зависимость такова же, как и для гамма-лучей ^109mAg (см. А.В.Давыдов и др. Изв. РАН, сер. физ., 61, 2221 (1997). Максимальная вероятность резонансного поглощения соответствует случаю, когда этот угол равен нулю или 180°, причем соответствующее сечение резонансного поглощения оказывается в этом случае в 3,765 раз меньше, чем при полном отсутствии магнитного поля, когда это сечение для гамма-лучей ^103mRh составляло бы 1086 барн.

Наиболее близким к данному изобретению является мессбауэровский гравитационный спектрометр, описанный в статье В.Г.Алпатова и др. Измерительная техника, 2005, №2, стр.61. В этом спектрометре используются гамма-лучи изомера ^109mAg с энергией 88,03 кэВ. Недостатком этого устройства является необходимость использования жидкого гелия для охлаждения серебряного гамма-источника, в котором происходит резонансное самопоглощение гамма-квантов.

Целью предлагаемого технического решения является создание работающего при комнатной температуре компактного гамма-спектрометра с наивысшей достижимой в настоящее время разрешающей способностью. Принцип работы предлагаемого устройства состоит в измерении интенсивности гамма-лучей, испускаемых в узком пучке возбужденными ядрами родия, в зависимости от угла наклона этого пучка по отношению к горизонтальной плоскости. Эксперименты с изомером ^109mAg (В.Г.Алпатов и др., Ядерная Физика, 71, 1184 (2008)) показали, что гамма-резонанс этого изомера проявляется в интервале углов наклона гамма-пучка, не превышающего ±1 градус. Поскольку естественная ширина гамма-линии ^103mRh в 85 раз меньше аналогичной ширины гамма-линии изомера ^109mAg, то следует ожидать проявления гамма-резонанса ^103mRh в диапазоне углов наклона гамма-пучка ±0,012 градуса. Поэтому для формирования достаточно узких в вертикальном направлении гамма-пучков потребуется в данном случае применить многощелевой коллиматор с отношением длины к ширине щели ~10000-15000.

Поскольку коэффициент обычного (нерезонансного) поглощения гамма-лучей ^103mRh составляет для металлического родия ~190 см^-1, то нет смысла делать гамма-источник толщиной более 0,1 мм. Источник может быть изготовлен либо облучением родия тормозным излучением (В.Г.Алпатов и др. Изв. РАН, сер. физ., 57, 89 (1993); Yao Cheng et al. Hyperfine Interactions, 167, 833 (2006)), либо с помощью реакции ¹⁰³Rh(p, n)¹⁰³Pd путем облучения мишени из родиевой фольги протонами на ускорителе. Максимальное значение сечения указанной реакции составляет ~ 1 барн при энергии протонов 12 МэВ. Период полураспада нуклида 1⁰³Pd равен ~ 17 дней, что позволяет работать с изготовленным гамма-источником примерно месяц. Если же источник готовится путем возбуждения изомерного состояния облучением родиевой мишени тормозным излучением электронов, то работа с таким источником будет состоять в чередовании периодов облучения мишени и периодов регистрации наведенной гамма-активности. Линейный ускоритель протонов, имеющийся в ИТЭФ, обеспечивает средний ток протонов в 1-2 мкА при энергии 25 МэВ. Расчеты показывают, что при облучении протонами с энергией 13-14 МэВ и токе в 1 мкА родиевой мишени толщиной 0,1 мм в течение трех периодов полураспада материнского нуклида ¹⁰³Pd можно получить источник гамма-квантов с интенсивностью ~ 5×10⁶ в сек. При более реалистичной продолжительности облучения, равной 5 суток, гамма-активность источника составит ~ 10⁶ фотонов/сек. Если коллиматор длиной 30 см имеет 20 щелей с площадью просвета каждой из них, равной 30×0,02 мм², то на выходе коллиматора интенсивность гамма-квантов составит с учетом нерезонансного поглощения в веществе источника ~ 4,5 квантов в сек. Сечение резонансного поглощения гамма-лучей ^103mRh в металлическом родии при комнатной температуре и при естественном направлении магнитного поля Земли (в Москве - вниз под углом ~ 70 градусов относительно горизонтального направления) составляет ~ 51 барн. Считая, что в среднем гамма-лучи проходят половину толщины источника, равную 0,05 мм, получим, что ослабление потока гамма-квантов на этом пути вследствие резонансного поглощения составит для горизонтального гамма-пучка ~ 1,8%. Чтобы получить число отсчетов со статистической погрешностью ±0,3%, потребуется, при указанной выше пропускной способности коллиматора, время измерения, равное ~ 25000 сек или ~ 6,85 часа. Это время можно уменьшить в 8 раз, если ускоритель будет работать при токе 2 мкА, число щелей коллиматора сделать равным 40 и продолжительность облучения родия протонами увеличить до 10 суток. Если же оснастить предлагаемое устройство магнитными катушками для компенсации вертикальной составляющей магнитного поля Земли, то эффект резонансного поглощения увеличится в 2,5 раза и составит 4,5%, а время измерения одной угловой позиции во столько же раз уменьшится и составит при всех принятых мерах ~ 20 мин. Для измерения формы гамма-резонанса придется проходить диапазон углов наклона коллиматора, равный ±0,12 градуса шагами по ~ 0,03 градуса. Для этого потребуется соответственно проградуированный микрометрический винт.

Принципиальная схема предлагаемого устройства показана (без второстепенных деталей и без соблюдения масштаба) на чертеже, где 1 - горизонтальная опора, 2 - многощелевая сборка, 3 - гамма-источник, 4 - защита от гамма-излучения источника, 5 - детектор гамма-квантов (условно), 6 - микрометрический винт, 7 - указатель отсчета по шкале микрометрического винта, 8 - ось, вокруг которой поворачивается многощелевая сборка для изменения угла наклона гамма-пучков.

Некоторую проблему составит загрузка детектора интенсивным потоком рентгеновых лучей К-серии родия, выход которых при коэффициенте внутренней конверсии, равном 1400, составляет 1120 на один гамма-квант. Разница коэффициентов нерезонансного поглощения рентгеновых и гамма-лучей в родии снижает эту величину до 1100. Чтобы еще уменьшить это число, не слишком ослабляя выход гамма-квантов, можно воспользоваться медным фильтром толщиной 0,1 мм. При этом выход гамма-квантов уменьшится на 35%, а выход рентгеновых лучей снизится в 19 раз и соотношение интенсивностей двух видов излучений понизится с 1100 до ~ 90, что уже можно считать приемлемой величиной.

В качестве детектора лучше всего применить планарный детектор большой площади из сверхчистого германия, который позволит хорошо выделить в регистрируемом спектре гамма-линию родия с энергией 39,75 кэВ. В тех случаях, когда компактность прибора будет играть важную роль, вероятно будет можно применить и другие полупроводниковые детекторы, не требующие охлаждения жидким азотом например кремниево-литиевые, правда не без некоторых качественных потерь. Заметим, что сейчас появились (за рубежом) германиевые детекторы, охлаждаемые без жидкого азота. В принципе возможно применение и сцинтилляционного детектора, позволяющего удовлетворительным образом отделить рентгеновские линии от гамма-линии.

При реализации предлагаемого устройства, ожидаемая разрешающая способность которого в ~ 10¹⁰ превосходит величину, достижимую в опытах с мессбауэровскими спектрометрами, работающими с гамма-лучами нуклида ⁵⁷Fe, станут возможными исследования весьма тонких и до сих пор недоступных эффектов. Можно указать, в частности, на предложение опытов по регистрации гравитационных волн (W.Kaufmann. Nature, 227, 157 (1970)) и на попытку обнаружить анизотропию инерции (C.W.Sherwin, H.Frauenfelder, E.L.Garwin et al. Phys. Rev. Lett., 4, 399 (1960)).

Гравитационный гамма-спектрометр для экспериментов, требующих высочайшей разрешающей способности, отличающийся тем, что, с целью получения наивысшей разрешающей способности и возможности работы при комнатной температуре гамма-источника, в нем используется пропускаемое через многощелевой коллиматор гамма-излучение изомера ^109mRh от источника из металлического родия, содержащего атомы материнского нуклида ¹⁰³Pd, либо облученного тормозным излучением электронов, причем положение и ширина гамма-резонанса определяются по зависимости регистрируемой интенсивности прошедшего через коллиматор гамма-излучения от угла наклона щелей коллиматора по отношению к горизонтальной плоскости.