ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 7, с. 963-966
УДК 539.173.12
ИЗМЕРЕНИЕ НЕЗАВИСИМЫХ ВЫХОДОВ ПРОДУКТОВ ДЕЛЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ЛОВУШКИ ПЕННИНГА
© 2015 г. Д. Горелов1, Ю. Аюсто2, А. Йокинен1, А. Канкайнен3, В. Колхинен1, М. Ланц4, А. Маттера4, А. Мур1, Х. Пенттиля1, С. Помп4, И. Похьялайнен1, М. Репонен5, С. Ринта-Антила1, В. А. Рубченя1, 6, А. Саастамойнен7, В. Симуткин1, А. Солдерс4, Я. Хакала1, Ф. Шонненшайн1, Т. Эронен1
E-mail: dmitry.a.gorelov@jyu.fi
Новый метод определения независимых выходов продуктов деления был применен в эксперименте, поставленном в ускорительной лаборатории университета г. Ювяскюля. Данный метод сочетает в себе химическую универсальность метода направленных ионов (ion guide method) и уникальные свойства ловушки Пеннинга. Пучок заряженных частиц формировался посредством торможения продуктов деления в газе гелия. Ловушка Пеннинга использовалась как высокоточный фильтр для идентификации частиц по их массе. Выходы продуктов деления определялись по количеству ионов, зарегистрированных после ловушки. Массовое разрешение установки в данном эксперименте составило порядка 105 при времени радиочастотного возбуждения 400 мс. Столь высокое массовое разрешение иногда позволяет не только выделять отдельные нуклиды, но и разделять изомерное и основное состояния ядер. Независимые выходы продуктов деления были измерены в реакции деления 232Th протонами с энергией 25 МэВ. Краткое описание метода и экспериментальные данные дополнены результатами теоретических расчетов.
DOI: 10.7868/S036767651507011X
ВВЕДЕНИЕ
Деление атомного ядра представляет собой эффективный способ получения нейтронно-из-быточных нуклидов, тем самым открывает широкие возможности по исследованию свойств ядерной материи вблизи границ нейтронной стабильности. Точное измерение зарядового и массового распределений продуктов деления предоставляет важную информацию о динамике процесса деления. Данная информация необходима для дальнейшего развития и совершенствования установок по получению пучков радиоактивных ядер, например, таких как БиШ80Ь [1]. Также знание выходов продуктов деления требуется для создания ядерных реакторов нового поколения, для разработки систем и технологических процессов по утилизации ядерных отходов.
В ускорительной лаборатории университета города Ювяскюля был предложен новый метод измерения независимых выходов продуктов деления [2, 3]. Указанный метод сочетает в себе свой-
1 Университет г. Ювяскюля, Финландия.
2 Физический институт г. Хельсинки, Финляндия.
3 Университет г. Эдинбург, Великобритания.
4 Университет г. Уппсала, Швеция.
5 РИКЕН, Япония.
6 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет".
7 Университет штата Техас, США.
ства метода направленных ионов и уникальные возможности ловушки Пеннинга. Такая комбинация позволяет одинаково применять метод ко всем химическим элементам, образующимся в процессе деления.
Таким образом, независимые выходы продуктов деления ядер 232Th пучком протонов с энергией 25 МэВ были измерены в диапазоне массовых чисел A = 76—146 и в интервале зарядов ядра Z = = 32—56. Анализ полученных данных проводился в сравнении с теоретическими расчетами, выполненными по модели, описанной в работах [4, 5].
1. ОПИСАНИЕ МЕТОДА
Основная особенность предложенного метода состоит в том, что ловушка Пеннинга, а именно JYFLTRAP [6], играет роль высокоточного сепаратора, разделяющего ионы по их массе. Чтобы разделить по массе химические элементы изобарной цепочки или изотопы отдельно взятого элемента, необходима установка с массовым разрешением m/Am > 5000. Такое массовое разрешение практически не достижимо для любых магнитных сепараторов, поэтому нуклиды с одинаковым значением А обычно идентифицируются по радиоактивному распаду, что ведет к снижению чувствительности, длительным измерениям и увеличению погрешности, связанной с неполнотой и неточностью схем распада.
временно накладывается периодическое диполь-ное поле, благодаря чему все частицы независимо от их массы занимают положение на некотором расстоянии от центра ловушки. Затем в течение определенного времени накладывается квадру-польное переменное поле с заданной частотой. Только ионы, собственная циклотронная частота которых совпадает с частотой внешнего квадру-польного поля, снова смещаются к центру ловушки. Соотношение между циклотронной частотой и массой иона дается выражение
Рис. 1. Схематический вид установки. 1 — поток газа гелия; 2 — направление пучка протонов; 3 — газовый объем, в котором тормозятся продукты деления; 4 — мишень; 5 — система радиочастотных и электростатических электродов; 6 — отклоняющая система; 7 — магнитный сепаратор; 8 — распределительный узел; 9— спектроскопическая установка; 10 — ионный охладитель и формирователь импульсов пучка ионов; 11 — сверхпроводящий магнит; 12, 13 — ловушки Пен-нинга; 14 — детектор на микроканальных пластинах.
Схематический вид установки приведен на рис. 1. Она состоит из двух основных частей: массового сепаратора IGISOL и сдвоенной ловушки Пеннинга JYFLTRAP. С помощью сепаратора IGISOL выделяются ионы с заданным массовым числом А, тогда как ловушка Пеннинга отвечает за идентификацию нуклидов.
Заряженные частицы, полученные в результате ядерных реакций, останавливаются газом гелия, заполняющего объем 3. Благодаря высокому потенциалу ионизации газа большинство ионов приобретает зарядовое состояние +1. Из газового объема ионы извлекаются струей газа и системой электродов 5. Далее заряженные частицы ускоряются разностью потенциалов 30 кВ и направляются в дипольный магнит 7. Массовое разрешение магнитного сепаратора составляет порядка m/ Am ~ 300. Магнитным полем из непрерывного пучка ионов выделяется изобарная цепочка с массовым числом А и зарядовым состоянием q = +1. После сепарации заряженные частицы направляются в радиочастотный охладитель 10, который полностью останавливает и накапливает ионы, а затем формирует из них короткий импульс. Далее специально подготовленный импульс пучка ионов перемещается в ловушку Пеннинга.
JYFLTRAP состоит из двух одинаковых ловушек Пеннинга 12и 13, помещенных в однородное магнитное поле. Однако в данном методе используется только первая ловушка, которая заполнена буферным газом. Подробно метод охлаждения ионов в ловушке Пеннинга буферным газом описан в работах [7, 8]. Согласно данному методу, к ионам в ловушке применяется следующая последовательность действий. Сначала на ионы кратко-
rc = -q в,
2п m
(1)
где В — индукция магнитного поля, q — заряд иона, т — масса иона, /с — циклотронная частота.
Далее ионы извлекаются из ловушки через диафрагму 1.5 мм и регистрируются детектором на базе микроканальных пластин (МКП). Лишь ионы, находящиеся в центре ловушки, проходят через диафрагму, тогда как остальные нейтрализуются при взаимодействии с электродами ловушки. Чтобы исключить случайные события, дополнительно измеряется время пролета каждого иона от ловушки до детектора. Таким образом, инжектируя новые импульсы пучка ионов и меняя частоту квадрупольного поля, регистрируется количество ионов прошедших через диафрагму.
Один цикл измерения при заданной частоте квадрупольного поля занимает несколько сотен миллисекунд. Это накладывает ограничение на времена жизни ядер, которые могут быть зарегистрированы данным методом.
Типичный частотный спектр, полученный для изобарной цепочки с массовым числом А = 95, представлен на рис. 2. Все элементы спектра отчетливо разделяются. Так как циклотронная частота напрямую зависит от массы иона, выполнив калибровку, можно однозначно установить соответствие между позицией пика и нуклидом. Ширина на полувысоте составила 12 Гц, что соответствует массовому разрешению т/Дт ~ 105.
Количество отсчетов в пике напрямую связано с выходом продуктов деления соответствующего нуклида. Однако получение абсолютного значения выходов связано со значительными трудностями. Основная причина состоит в том, что абсолютная эффективность установки не известна. Хотя метод направленных ионов практически лишен химической избирательности, но это вовсе не означает, что его эффективность одинакова для всех элементов. Тем не менее в рамках описанного метода возможно получение относительного выхода изотопов одного и того же элемента, поэтому независимый выход изотопов интересующего нас элемента измеряется относительно не-
ИЗМЕРЕНИЕ НЕЗАВИСИМЫХ ВЫХОДОВ ПРОДУКТОВ ДЕЛЕНИЯ
965
События
1600 г
1400 -
1200 -
1000 -
800 -
600 -
400 _
. 95
200
0
95
Яг
5ЯЬ
1 132160 1 132210 1 132260 1 132310 1 132 360 1 132410
Частота, Гц
с, мб 100
10
1 0.1
0.01
100
10
1 0.1 0.01
32
33
с, мб 100
10
1 0.1
0.01 100
10
1 0.1
72 76 80 84 88 92 А
0.01
Z = 55
/ \
г ° ................ ■ |
56
130 134 138 142 146
А
Рис. 2. Массовое распределение химических элементов в изобарной цепочке А = 95, полученное при регистрации ионов после ловушки Пеннинга. По оси абсцисс отложено значение частоты внешнего квад-рупольного поля, а по оси ординат — количество отсчетов, зарегистрированных детектором после прохождения ловушки.
Рис. 3. Экспериментальные (темные круги) данные 232
получены при делении Тп протонами с энергией 25 МэВ. Теоретические расчеты (светлые круги, соединенные сплошной линией) выполнены по модели FIPR0DY [5]. По оси абсцисс отложены массовые числа, а по оси ординат — сечения выхода изотопа. Экспериментальные изотопические распределения нормированы на полный выход химического элемента.
которого выбранного, реперного, изотопа. В результате становится известна форма распределения независимых выходов продуктов деления для заданного числа Z, тогда как абсолютная величина остается неопределенной. Чтобы получить абсолютное значение выходов, изотопное распределение можно нормировать на известное сечение, полученное иными методами.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЯ
Описанный выше метод был применен к измерению независимых выходов продуктов деления. В эксперименте мишень 232ТЬ толщиной 14 мг • см-2 облучалась протонами с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.