[论文解读] Evaluation of the total photoabsorption cross sections for actinides from photofission data and model calculations

I. Pshenichnov, B. L. Berman+6 more|CERN Bulletin|Mar 27, 2003

Nuclear Materials and Properties被引用 9

一句话总结

本研究利用光致裂变数据与RELDIS蒙特卡洛模型评估锕系元素的总光吸收截面，该模型通过级联、蒸发和裂变模拟光致核反应。结果表明，在GeV能量下，裂变仅占光吸收的55–95%，由于非裂变通道（尤其是$^{232}$Th和$^{238}$U等重核）的显著贡献，这一发现对‘通用曲线’概念提出了挑战。

ABSTRACT

We have calculated the fission probabilities for 237-Np, 233,235,238-U, 232-Th, and nat-Pb following the absorption of photons with energies from 68 MeV to 3.77 GeV using the RELDIS Monte-Carlo code. This code implements the cascade-evaporation-fission model of intermediate-energy photonuclear reactions. It includes multiparticle production in photoreactions on intranuclear nucleons, pre-equilibrium emission, and the statistical decay of excited residual nuclei via competition of evaporation, fission, and multifragmentation processes. The calculations show that in the GeV energy region the fission process is not solely responsible for the entire total photoabsorption cross section, even for the actinides: ~55-70% for 232-Th, \~70-80% for 238-U, and ~80-95% for 233-U, 235-U, and 237-Np. This is because certain residual nuclei that are created by deep photospallation at GeV photon energies have relatively low fission probabilities. Using the recent experimental data on photofission cross sections for 237-Np and 233,235,238-U from the Saskatchewan and Jefferson Laboratories and our calculated fission probabilities, we infer the total photoabsorption cross sections for these four nuclei. The resulting cross sections per nucleon agree in shape and in magnitude with each other. However, disagreement in magnitude with total-photoabsorption cross-section data from previous measurements for nuclei from C to Pb calls into question the concept of a ``Universal Curve'' for the photoabsorption cross section per nucleon for all nuclei.

研究动机与目标

• 利用实验光致裂变数据与理论建模，确定锕系元素的总光吸收截面。
• 评估‘通用曲线’概念在所有核素中每核子光吸收截面的适用性。
• 研究非裂变衰变通道在高能光致核反应中的作用。
• 评估在GeV能区对重核素裂变概率计算的可靠性。
• 为未来对重锕系元素总光吸收截面的直接测量提供基准。

提出的方法

• RELDIS蒙特卡洛代码模拟中能区光致核反应，包括核内级联、非平衡发射以及通过蒸发、裂变和多重碎片化实现的统计衰变。
• 计算了$^{237}$Np、$^{233,235,238}$U、$^{232}$Th和$^{\text{nat}}$Pb在入射光子能量范围68 MeV至3.77 GeV下的裂变概率。
• 将SAL和JLab测得的光致裂变截面与计算的裂变概率相结合，推断总光吸收截面。
• 模型考虑了多粒子产生以及激发残余核中裂变与蒸发的竞争。
• 敏感性测试表明，在合理参数变化范围内，裂变概率的波动在10%以内。
• 总光吸收截面每核子通过公式$\sigma_{\gamma A}/A = \sigma_{\text{fission}}/W_f$推导得出，其中$\sigma_{\text{fission}}$为实测值，$W_f$为计算值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在GeV光子能量下，裂变在锕系元素总光吸收中占多大比例？
• RQ2 在68 MeV至3.77 GeV的能量范围内，计算的裂变概率与实验光致裂变数据相比如何？
• RQ3 对于$^{237}$Np和$^{235}$U等重锕系元素，光吸收截面每核子的‘通用曲线’是否成立？
• RQ4 非裂变衰变通道（如蒸发）在高能光致核反应中起什么作用？
• RQ5 当裂变不是主要衰变模式时，光致裂变数据能否可靠地推断总光吸收截面？

主要发现

• 在GeV能量下，$^{233}$U、$^{235}$U和$^{237}$Np的裂变概率为80–95%，$^{238}$U为70–80%，而$^{232}$Th仅为55–70%。
• 在光子能量超过1 GeV时，裂变概率并未趋近于1，反而因低裂变性残余核的形成而略有下降。
• 在GeV能量下深度光致散裂产生的残余核具有较低的$Z^2/A$值，更倾向于蒸发而非裂变，从而降低裂变概率。
• 即使在4 GeV时，裂变与蒸发之间的竞争依然显著，证明仅靠光致裂变截面无法代表总光吸收截面。
• 对于$^{237}$Np与$^{233,235,238}$U，推断的每核子光吸收截面在~10%范围内一致，但在$\Delta_{33}(1232)$共振区域比‘通用曲线’高出约20%。
• 尽管裂变概率存在约10%的不确定性，光致裂变数据存在约5%的不确定性，但与通用曲线的差异无法完全由实验误差解释，表明该概念在重核中存在根本性失效。