ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 4, с. 14-22
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.17 + 621.384.8
СЕПАРАТОР MASHA НА ПУЧКЕ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАСС И ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИЗОТОПОВ ТЯЖЕЛЫХ И СВЕРХТЯЖЕЛЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
© 2014 г. А. М. Родин*, А. В. Белозеров*, Д. В. Ванин*, В. Ю. Веденеев*, А. В. Гуляев*, А. В. Гуляева*, С. Н. Дмитриев*, М. Г. Иткис*, J. Kliman**, Н. А. Кондратьев*, L. Krupa*, ***, Ю. Ц. Оганесян*, В. С. Саламатин*, I. Sivácek*, **, С. В. Степанцов*, Е. В. Чернышева*, С. А. Юхимчук*
* Объединенный институт ядерных исследований, Лаборатория ядерных реакций им. Т.Н. Флерова Россия, 141980, Дубна Московской обл., ул. Жолио-Кюри, 6 E-mail: Rodin@nrmail.jinr.ru **Institute of Physics SASc Dubravska cesta 9, 84228Bratislava, Slovakia ***Institute of Experimental and Applied Physics, Czech Technical University in Prague Czech Republic, Horská 3a/22, 128 00 Praha 2 Поступила в редакцию 16.09.2013 г.
Описан масс-сепаратор MASHA, созданный для идентификации сверхтяжелых элементов по массе. Представлены результаты измерения эффективности сепарации в автономном режиме с использованием четырех калиброванных течей инертных газов. На пучке 40Ar измерена полная эффективность сепарации установки с горячей ловушкой и источником на основе электронного циклотронного резонанса (э.ц.р.). Проведены тестовые эксперименты с регистрацией в фокальной плоскости спектрометра a-радиоактивных изотопов ртути, синтезированных в реакции полного слияния 40Ar+ 144Sm —► l84- xnHg + xn. Определены время и эффективность сепарации для короткоживу-щих изотопов ртути.
DOI: 10.7868/S0032816214030203
ВВЕДЕНИЕ
Открытие новых сверхтяжелых элементов с Z = 113—118, а также новых нейтронно-избыточ-ных изотопов элементов 104—112 явилось одним из наиболее ярких научных результатов последнего десятилетия. Приоритетные эксперименты были выполнены в Дубне (Россия) на ускорительном комплексе У-400 Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований (ЛЯР ОИЯИ) [1]. Синтез осуществлен в реакциях полного слияния дважды магического ядра 48Са с нейтронно-избыточными ядрами актиноидов (238и, 237Мр, 242,244Ри, 243Ат, 249Ст,249С£ 249Вк).
Относительно продолжительные времена жизни ряда новых нуклидов (>1 с) позволили провести независимую химическую идентификацию элементов 112—115 и выполнить пионерские эксперименты по изучению химических свойств элементов 112 и 114 [2]. Позднее полученные в Дубне результаты синтеза элементов 112, 114 и 116 были подтверждены в 081 (Дармштадт, Германия) [3, 4] и ЬВМЬ (Беркли, США) [5].
Синтез новых нуклидов стимулировал работы по развитию методов их идентификации с использованием классической масс-спектрометри-ческой техники. Однако, в отличие от классической масс-спектрометрии, измерение масс новых нуклидов должно проводится on-line, т.е. непосредственно в ходе их синтеза на пучках ускоренных тяжелых ионов подобно хорошо известному ISOL-методу [6]. Для этой цели в ЛЯР ОИЯИ был спроектирован и изготовлен масс-сепаратор MASHA — Mass Analyzer of Super Heavy Atoms [7]. Уникальные возможности сепаратора связаны с его способностью измерять массы синтезируемых изотопов сверхтяжелых элементов и одновременно регистрировать их а-распады и (или) спонтанное деление.
Основной целью данной работы была разработка методики измерения масс изотопов 112-го и 114-го элементов, синтезируемых в реакциях 48Са + 238U, 48Са + 242,244Pu. При этом ключевыми вопросами являлись быстродействие (время жизни нуклидов от 0.6 до 30 с) и эффективность сепарации (сечение указанных реакций составляет около 5 пбарн).
D
зь
D
'За
5 Qз
Ш
. Фокальная плоскость Ж
D2 а 01
D
Горячая ловушка
Пучок ионов
Э.ц.р.-источник
Детектор
Рис. 1. Схема масс-сепаратора МАЗИА. Dl, D2, Dзa, Dзь — дипольные магниты; Ql, Q2, йз — квадрупольные линзы; 51, — секступольные линзы. Детектирующая система находится в фокальной плоскости сепаратора Ж.
СХЕМА УСТАНОВКИ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
Установка, схема которой изображена на рис. 1, состоит из мишенного узла с горячей ловушкой, э.ц.р.-источника ионов, магнитооптической анализирующей части масс-спектрометра на основе четырех дипольных магнитов (D1, D2, D3a, Dзь), трех квадрупольных линз (й1—йз), двух секступольных линз (51, 52) и системы регистрации, расположенной в фокальной плоскости спектрометра. Детально ионно-оптическая схема масс-спектрометра рассмотрена в работе [7]. В данном разделе описаны отдельные узлы установки и приведены результаты измерений основных характеристик сепаратора.
Источник ионов
Для ионизации атомов продуктов ядерных реакций был выбран источник ионов на основе электронного циклотронного резонанса (э.ц.р.-источник) с рабочей частотой с.в.ч.-генератора 2.45 ГГц. Описание такого источника и его характеристики приведены в работе [8]. В э.ц.р-источ-нике атомы ионизируются до зарядности й = +1, ускоряются с помощью трехэлектродной системы и формируются в пучок, который затем сепарируется магнитооптической системой масс-спектрометра. Источник позволяет получать токи ионов, состоящие почти на 100% из однократно ионизованных атомов, а эффективность ионизации инертных газов достигает 90%.
Оптимизация режимов э.ц.р.-источника осуществлялась путем подбора мощности и частоты с.в.ч.-излучения, а также давления буферного газа в камере ионизатора. В качестве буферного газа использовался гелий, давление которого регулировалось с помощью управляемого пьезоэлектрического вентиля. Оптимальные параметры источ-
ника получались при давлении гелия в диапазоне (1—2) • 10-5 мбар и мощности с.в.ч.-генератора ~з0 Вт.
Мишенное устройство и горячая ловушка
В первых экспериментах по измерению масс изотопов 112-го и 114-го элементов для инжек-ции продуктов реакций полного слияния в э.ц.р.-источник решено использовать горячую ловушку. Конструктивно горячая ловушка является частью мишенного узла, который показан на рис. 2. До попадания на мишень первичный пучок тяжелых ионов проходит через систему диагностики, состоящую из разрезной диафрагмы электростатического индукционного датчика и цилиндра Фарадея. Разрезная диафрагма разделена на четыре сектора, каждый из которых измеряет часть тока пучка, не попавшего в отверстие диафрагмы. Эта система позволяет контролировать положе-
6 5
112,114
Рис. 2. Мишенный узел с горячей ловушкой. 1 — разрезная диафрагма; 2 — измерительная фольга; 3 — мишень; 4 — разделительная фольга; 5 — графитовый поглотитель; 6 — нагреватель.
4 2 3 1 4
Рис. 3. Кремниевый детектор фокальной плоскости.
1 — фронтальная часть (192 стрипа); 2 — верхняя часть
(64 стрипа); 3 — нижняя часть (64 стрипа); 4 — боковые части (по 16 стрипов каждый).
ние пучка относительно оси ионопровода. Индукционный датчик конструктивно представляет собой трубку из нержавеющей стали, укрепленную на электрически изолированной рамке, расположенной после разрезной диафрагмы по ходу пучка, и служит для мониторирования тока в процессе эксперимента. Цилиндр Фарадея установлен на поворотном вакуумном вводе на расстоянии 70 мм перед мишенью. За системой диагностики расположена неподвижная мишень, которая крепится между двумя решетками, охлаждаемыми водой и имеющими сотовую структуру с прозрачностью 85%. Диаметр активной части мишени — 15 мм. Продукты ядерных реакций вылетают из мишени, проходят разделительную фольгу и останавливаются в графитовом поглотителе, который нагревается до температуры 1500—2000 К. В виде атомов продукты диффундируют из графитового поглотителя в вакуумный объем горячей ловушки и, двигаясь по трубопроводу, попадают в э.ц.р.-источник.
В качестве материала поглотителя в горячей ловушке используется фольга из терморасширенного графита плотностью 1 г/см3 и толщиной 0.6 мм. Графитовый поглотитель имеет форму диска 030 мм, который установлен на расстоянии 30 мм за мишенью. Поглотитель нагревается тепловым излучением танталовой ленты, через которую пропускается постоянный ток. Тантало-вая лента имеет ширину 15 мм, толщину 50 мкм и длину 50 мм между электрическими зажимами. Расстояние между нагревателем и графитовым поглотителем равно 2 мм.
Калибровка по температуре графитового поглотителя была сделана инфракрасным пирометром, установленным снаружи вакуумной камеры мишенного узла до экспериментов на пучке. Пирометром регистрировалось излучение от нагретого графита, которое выходило наружу через сапфировое окно. Так как геометрия мишенного узла не позволяла контролировать температуру в процессе экспериментов, то во время измерений
температура графитового поглотителя устанавливалась по току нагревателя.
Система регистрации и управления
Для настройки режимов э.ц.р.-источника, а также калибровки спектрометра был изготовлен специальный стриповый детектор, предназначенный для регистрации малых постоянных токов. Он представляет собой точную копию фронтальной части кремниевого детектора и выглядит как медная многостриповая структура на стеклотекстолите. Шаг структуры составляет 1.25 мм, общее число стрипов — 192. Во время настройки и калибровки масс-спектрометра этот детектор устанавливается перед кремниевым детектором с помощью вакуумного ввода. Для измерения малых токов для этого детектора был разработан специальный многоканальный электронный модуль [9]. Один модуль обслуживает 64 канала. Нижний порог измеряемого тока для отдельного тракта составляет 60 пА, а верхний предел — 5 мкА. Электронные модули монтируются снаружи вакуумной камеры с детекторами. Данные с модулей передаются непосредственно в персональный компьютер через специальную интерфейсную плату.
Для регистрации распадов продуктов ядерных реакций в фокальной плоскости масс-спектрометра установлен кремниевый детектор типа "колодец". Плоскость фронтальной части детектора расположена по нормали к направлению пучка. Схема детектора с указанием основных размеров показана на рис. 3. Фронтальная часть детектора перекрывает 240 х 35 мм фокальной плоскости и состоит из 192 стрипов с шагом структуры 1.25 мм. Для увеличения геометрической эффективности регистрации распадов продуктов реакций вокруг фронталь
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.