ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 621.384.8(04)
ФРАГМЕНТ-СЕПАРАТОР КОМБАС
© 2011 г. А. Г. Артюх*, Ю. М. Середа***, С. А. Клыгин*, Г. А. Кононенко*, Ю. Г. Тетерев*, А. Н. Воронцов***, Г. Камински****, Б. Эрдемчимег*****, В. В. Осташко**, Ю. Н. Павленко**, П. Г. Литовченко**, В. Е. Ковтун*****, Е. И. Кощий*****, А. Г. Фощан*****, Д. А. Кислуха*****
*Объединенный институт ядерных исследований, Лаборатория ядерных реакций им. Т.Н. Флерова Россия, 141980, Дубна Московской обл., ул. Жолио-Кюри, 6 **Институт ядерных исследований НАНУкраины, Киев, Украина ***Институт ядерной физики им. Х. Неводничанского ПАН, Краков, Польша ****Монгольский государственный университет, Центр ядерных исследований, Улан-Батор, Монголия *****Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, Украина
E-mail: artukh@jinr.ru Поступила в редакцию 08.02.2011 г.
Приведены результаты анализа основных ионно-оптических характеристик фрагмент-сепаратора КОМБАС. В переднеугловых измерениях на фрагмент-сепараторе КОМБАС изучены импульсные распределения радиоактивных ядер 6Не, 8Не и 9Li, полученных в реакции 11В (33 АМэВ, где А — массовое число частицы)) + 9Ве (332.6 мг/см2). С использованием пучков ядер 6Не, 8Не и 9Li были измерены импульсный и угловой (по горизонтали) захваты сепаратора КОМБАС. Установлено, что размер изображения пучков ядер 6Не, 8Не и 9Li в выходном ахроматическом фокусе сепаратора Fa приблизительно в два раза превышает размер пучка на производящей мишени (входной фокус F0), на которую первичный пучок диафрагмировался диаметром 6 мм. При интенсивности первичного пучка 11В 5 мкА получены следующие интенсивности пучков: 6.9 • 105 частиц/с для 6Не, 2 • 104 частиц/с для 8Не и 4.7 • 105 частиц/с для 9Li. Полученные значения достаточны для использования их в спектроскопических исследованиях. Предлагается использовать времяпролетный анализ продуктов ядерных реакций на выходе сепаратора КОМБАС не только для измерения энергии транспортируемых частиц во всем рабочем диапазоне импульсного захвата, но и для их идентификации по массе A и заряду Z без потери этих частиц. Проблему снижения загрузок детекторов и дальнейшего улучшения энергетического разрешения регистрируемых частиц предлагается решить установкой высокоразрешающего магнитного спектрометра после второй мишени, принимающей вторичные пучки радиоактивных ядер.
ВВЕДЕНИЕ
Широкоапертурный фрагмент-сепаратор КОМБАС (комплекс быстродействующего анализатора-спектрометра) проектировался и был создан [1—5] для сепарации и формирования пучков нестабильных (нейтроно- и протоноизбыточных) ядер, получаемых в реакциях с тяжелыми ионами низких и средних энергий (порядка 100 МэВ/нук-лон). Для обеспечения максимального сбора корот-коживущих ядер (с временем жизни миллисекунды: и выше), получаемых в реакциях фрагментации с малыми сечениями, основными требованиями, предъявляемыми к "in-flight" сепараторам, работающим "в пучке" тяжелых ионов, являются достижение максимально возможных импульсного и углового захватов с реализацией максимально возможной разрешающей способности по энергии. Столь противоречивые требования в сепараторе КОМБАС были разрешены с помощью магнитов с неоднородными полями. Для компенсации аберра-
ций высоких порядков непосредственно в поворотные магниты методом профилирования их полюсных наконечников были введены нужной величины мультипольные гармоники. Это позволило создать компактный сепаратор с параметрами по импульсному и угловому захватам, а также разрешающей способности, в три—пять раз превосходящими параметры аналогичных сепараторов других научных центров [6—9] (табл. 1).
Для того чтобы обеспечить высокую эффективность сбора экзотических ядер, получаемых в реакциях с тяжелыми ионами низких и средних энергий, предельная магнитная жесткость сепаратора КОМБАС выполнена равной 4.5 Тл • м. Это в 1.5 раза превосходит предельную жесткость наиболее высокоэнергетических пучков циклотрона У-400М. Избыточная жесткость сепаратора крайне необходима для того, чтобы без потерь сепарировать ядра вблизи границы ядерной стабильности, жесткость которых может превосхо-
Таблица 1. Сравнение параметров существующих фрагмент-сепараторов
Фрагмент-сепараторы Телесный угол захвата AQ, мср Захват по импульсу Ap/p, % Магнитная жесткость Bp, Тл ■ м Разрешающая способность Rp/Ap
LISE [6] 1.0 5.0 3.2 800
A1200 [7] 0.8-4.3 3.0 5.4 700-1500
RIPS [8] 5.0 6.0 5.76 1500
FRS [9] 0.7-2.5 2.0 9-18 240-1500
КОМБАС [1] 6.4 20 4.5 4300
дить жесткость первичного пучка в ~1.5 раза. Этот физический факт накладывает ограничение на применение стандартных магнитов транспортировки первичного пучка в качестве анализирующих магнитов для строительства фрагмент-сепараторов. В настоящее время по своим параметрам фрагмент-сепаратор КОМБАС является единственным сепарирующим каналом в ЛЯР, который в состоянии работать во всем диапазоне ускоряемых частиц на циклотроне У-400М.
Целью данной работы является изучение рабочих диапазонов основных ионно-оптических характеристик сепаратора КОМБАС на радиоактивных пучках ядер 6Не, 8Не и 9Ы, получаемых в реакции 11В (33 АМэВ, где А — массовое число частицы) + 9Ве, и измерение выходов изотопов 6Не, 8Не и 9Ы с перспективой формирования из них пучков радиоактивных ядер для спектроскопических исследований.
ВЫБОР И ОПТИМИЗАЦИЯ ИОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ СЕПАРАТОРА КОМБАС
Наиболее важными характеристиками фрагмент-сепараторов являются:
— разрешающая способность Rp/&p;
— предельная магнитная жесткость Bp (В — индукция магнитного поля, p — радиус поворота магнита или радиус траектории частицы, движущейся в магнитном поле) сепарируемых частиц;
— предельный импульсный разброс Apm/p частиц (импульсный захват), пропускаемых магнитным каналом;
— угловой захват частиц в радиальной плоскости ф;
— угловой захват частиц в вертикальной плоскости 9.
Используя матричный анализ, коэффициенты матрицы (Т) преобразования координат (x, x', y, у', А/, Ap/p) можно записать в виде соответствующего обозначения в вычислительной программе "TRANSPORT":
T =
' Ru R12 0 0 0 R16
R21 R22 0 0 0 R26
0 0 R33 R34 0 0
0 0 R43 R44 0 0
R51 R52 0 0 1 R56
10 0 0 0 0 1
(1)
Разрешающая сила
Согласно определению, разрешающая сила анализирующего прибора вычисляется по формуле
R =
D
D
(2)
АХВ Rn ■АХ1 Rn ■ АХ1
где D — дисперсия (коэффициент ^16), характеризующая пространственный разброс (в сантиметрах) пучка частиц в плоскости сепарации частиц на 1% импульсного разброса; ДХ1) — ширина распределения пучка в плоскости сепарации (фокальной плоскости ¥{); ДХ1 — размер источника на входе (обычно принято делать нормировку размера на величину ДХ1 = 0.1 см, что позволяет сравнивать различные устройства); — коэффициент линейного увеличения источника в фокальной плоскости по координате X.
Положение фокальной плоскости определяется из условия R12 = 0, т.е. размер пучка в фокальной плоскости не зависит от угловой расходимости пучка. Принято говорить о фокусировке из точки в точку.
Воспользуемся инвариантными соотношениями, связывающими продольное движение с поперечным:
-26 = -21 • -52 - -22 • —51-
При выполнении условия R12 = 0 величина дисперсии будет равна R26 = R11 • R52. Подставляя это значение в (2), получим:
-11 ' -52 _ -52
(3)
R =
Ru • AX1 AX1
С другой стороны,
Я52 -
- [Я^ *. * р
(5)
Интеграл (5) имеет смысл только для поворотных магнитов (р — радиус поворота осевой траектории) и представляет собой площадь, описываемую синусоидальной траекторией Я12(,у).
Магнитная жесткость сепарируемых частиц
Предельные величины полей, обычно используемых на полюсных наконечниках магнитов, составляют 1.7—1.9 Тл (имеются в виду поля, формируемые в несверхпроводящих конструкциях). С увеличением магнитной жесткости частиц (из-за ограничения на величину поля) фокусирующие свойства элементов уменьшаются. Это приводит, во-первых, к увеличению геометрической протяженности канала, а во-вторых, к увеличе-
нию как весовых характеристик в
потребляемой мощности в |
чМ
ВР2 ВР1
2-2.5
раз, так и
раз.
Предельный импульсный разброс частиц
Частицы с разными импульсами движутся по своим траекториям, положение которых относительно осевой траектории определяется величиной дисперсии:
АХ = ■
АРт Ро
Чем больше величина Лрт/р, тем больше мы должны предусмотреть рабочую радиальную дорожку канала. Кроме того, согласно выражению (2) для разрешающей силы устройства, значение коэффициента Я16 должно быть тем больше, чем больше разрешающая сила Я. Таким образом, стремление пропустить через канал одновременно частицы с большим импульсным разбросом при высоком разрешении также приводит к необходимости увеличения радиальной дорожки и, следовательно, к возрастанию массогабаритных
параметров. Кроме того, резко, как I —— I Я3, воз-
^ Р )
растают хроматические аберрации. Следовательно, необходимо предусмотреть выбор такой магнитной структуры, которая бы допускала возможность компенсации хроматических аберраций.
Один из приемов, который позволяет увеличить пропускаемый импульсный спектр без значительного увеличения радиальной дорожки, состоит в формировании низкодисперсионных оптических схем. Высокая разрешающая сила прибора может быть достигнута при низком значении дис-
персии за счет малой величины коэффициента линейного увеличения |ЯП| < 1 (2).
Угловой захват частиц в радиальной плоскости ф
Величина углового захвата ограничивает светосилу канала и определяется в основном предельными апертурами электромагнитного оборудования и номинальной величиной поля на полюсных наконечниках.
Размер моноэнергетического пучка в спектрометрах выражается через синусоидальную траекторию:
Х(?) = Яи(') -Ф. (6)
С другой стороны, (см. выражение (5)) разрешающая сила также определяется через Я12(«). Для получения хорошего разрешения необходимо иметь большую величину Я12(«), что приводит, согласно (6), к увеличению радиальной дорожки в поворотных магнитах. Масса магнита растет как квадрат ширины рабочей дорожки.
Необходимо также отметить влияние сферических аберраций. При углах захвата ф > 20 мрад становится обязательным учет и ком
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.