Winkelanisotropie in der ternären Kernspaltung : Untersuchung der Winkelverteilung der Spaltfragmente in der Reaktion 238U(n,f)

Abstract

Gängige Theorien der ternären Spaltung gehen davon aus, dass das namensgebende dritte Teilchen erst im letzten Stadium der Spaltung, der eigentlichen Szission, gebildet wird. Eine Möglichkeit, die Richtigkeit dieser Annahme zu prüfen, besteht darin, die Winkelverteilung der Spaltfragmente zu untersuchen. Da diese nach Bohr bereits am Sattelpunkt der Spaltbarriere festgelegt wird, sollten sich die Winkelverteilungen der Fragmente bei binärer und ternärer Spaltung nicht voneinander unterscheiden. In den letzten Jahren wurden entsprechende ternär - binär Vergleiche bei verschiedenen durch kalte polarisierte Neutronen ausgelösten Spaltreaktionen durchgeführt, die paritätsverletzende Asymmetrien in der Winkelverteilung der Spaltfragmente zeigen. Im Rahmen der statistischen Fehler konnten hierbei keine Abweichungen zwischen den Asymmetrien im ternären und binären Fall gefunden werden. Untersuchungen zu paritätserhaltenden Anisotropien in den Winkelverteilungen der Fragmente bei Spaltung mit schnellen MeV-Neutronen wurden hingegen bereits in den frühen Siebzigerjahren durchgeführt. Jedoch sind die seither erhaltenen Ergebnisse in sich widersprüchlich. Eines dieser Experimente fand am 3.5 MeV Van-de-Graaff-Beschleuniger des Physikalischen Instituts der Universität auf der Rosenau, Tübingen statt. Ausgehend von der Reaktion 238U(n,f) wurde die Winkelanisotropie der Spaltfragmente relativ zum Neutronenstrahl bei einer Neutronenenergie von 1.6 MeV gemessen. L. Bondarenko et al. fanden hierbei ein überraschend stark abweichendes Verhältnis zwischen den Anisotropien der ternären und binären Spaltung (A3 bzw. A2) von A3/A2 = 1.18 ± 0.08.

Zur Klärung dieses unerwarteten Befundes wurde beschlossen, das Experiment nochmals mit einem komplett neuen und verbesserten Messaufbau zu wiederholen. Zur Detektion der Spaltfragmente kam in dieser Arbeit eine Doppelionisationskammer zum Einsatz. Die ternären Teilchen wurden mittels Sperrschichtoberflächenzählern erfasst. Die Messungen selbst fanden bei zwei Neutronenenergien, 1.6 und 1.8 MeV, statt. Hierbei konnten die aus der Literatur bekannten binären Anisotropiewerte (A2 = 0.58 bei 1.6 MeV und A2 = 0.32 bei 1.8 MeV) im Experiment sehr gut wiedergegeben werden: A2 = 0.58 ± 0.03 (1.6 MeV) bzw. A2 = 0.35 ± 0.03 (1.8 MeV). Da sich für beide Energien die Anisotropiewerte deutlich voneinander unterscheiden, müssen in den Spaltprozess jeweils unterschiedliche Übergangszustände am Sattelpunkt involviert sein. Die hier vorgestellten ternär - binär Vergleichsmessungen über den Entstehungszeitpunkt des ternären Teilchens wurden somit an zwei verschiedenartigen Spaltsystemen durchgeführt. Als Verhältnis zwischen ternärer und binärer Winkelanisotropie konnte bei Neutronenenergie 1.6 MeV A3/A2 = 1.04 ± 0.09 gefunden werden. Bei E_n = 1.8 MeV ergab sich A3/A2 = 0.97 ± 0.11. Beide Ergebnisse sind mit der Annahme einer identischen Winkelanisotropie in ternärer und binärer Spaltung verträglich. Es kann somit der Schluss gezogen werden, dass die ternären Teilchen am Sattelpunkt der Spaltung noch nicht im Kern sichtbar sind. Sie müssen folglich erst in der allerletzten Phase der Spaltung, der Szission, gebildet werden.

Most theories of ternary fission predict ternary particles to be formed in the final stage of the fission process, i.e. at scission. A way to confirm this assumption is to analyse the angular distribution of fission fragments. Since it is well established that this distribution is determined near the saddle point of fission, the angular distributions of ternary and binary fission should not differ. Parity violating angular asymmetries of fragments from fission reactions induced by cold polarised neutrons have been compared in recent years for binary and ternary fission. Within experimental errors no difference in the asymmetries could be detected. On the other hand, parity conserving angular anisotropies of fragments from several fission reactions induced by MeV neutrons have been under study starting even in the early seventies. Results, however, were conflicting. One of these experiments was performed at the 3.5 MeV van de Graaff accelerator at the University of Tübingen. Measuring fragment anisotropies relative to the neutron beam for the reaction 238U(n,f) with neutrons of 1.6 MeV, L. Bondarenko et al. obtained surprisingly a ratio of A3/A2 = 1.18 ± 0.08 for the anisotropies for ternary and binary fission, A3 and A2, respectively.

To clarify the situation, a reinvestigation of the reaction with a completely new and improved experimental approach was carried out. Fission fragments were measured by means of an ionisation chamber, while ternary particles were detected by surface barrier semiconductor diodes. Measurements were performed at two different neutron energies at 1.6 and 1.8 MeV. For binary fission the anisotropies are reported in the literature to be 0.58 and 0.32, respectively. Therefore, different saddle point configurations are involved. In the present experiment the anisotropies (A2) for binary fission are measured to be 0.58 ± 0.03 and 0.35 ± 0.03, respectively. The ratios of the angular anisotropy for ternary and binary fission are found in the present study to be A3/A2 = 1.04 ± 0.09 and 0.97 ± 0.11 for E_n = 1.6 and 1.8 MeV, respectively. Both results are compatible with A3/A2 = 1. Hence, the conclusion is drawn that ternary particles are not yet detectable at the saddle point. They are formed in the very last stage at scission.