ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2014, том 77, № 7, с. 864-870
= ЯДРА
ИССЛЕДОВАНИЕ ФРАГМЕНТАЦИИ ИОНОВ 20№ И 40Ar НА УСТАНОВКЕ КОМБАС
© 2014 г. Ю. М. Середа1),2), С. М. Лукьянов^, А. Г. Артюх1)*, А. Н. Воронцов1),2), Е. И. Воскобойник1), М. П. Иванов1^ Д. А. Кислуха1),3), С. А. Клыгин1), Г. А. Кононенко1), В. А. Маслов1), Т. И. Михайлова1^ Ю. Э. Пенионжкевич1), Б. Эрдэмчимэг1),4)
Поступила в редакцию 12.10.2013 г.
Приводятся характеристики фрагмент-сепаратора КОМБАС в сравнении с подобными установками. Описываются результаты экспериментов по получению продуктов в реакциях срыва одного протона с пучка ионов 40Ar (35 МэВ/А) и срыва двух нейтронов с пучка ионов 20№ (52 МэВ/А). Демонстрируется высокая разрешающая способность фрагмент-сепаратора для получения вторичных нейтронно-избыточных и нейтронно-дефицитных пучков ионов 39 О и 18N соответственно.
DOI: 10.7868/80044002714060142
1. ВВЕДЕНИЕ
Пучки ускоренных радиоактивных ядер дают возможность получать и изучать ядра с максимально возможным числом нейтронов (нейтронно-избыточные) или протонов (протонно-избыточные). Это позволяет существенно продвинуться в традиционных направлениях ядерной физики: синтезе новых ядер и изучении их свойств, которые, как показали уже первые эксперименты с радиоактивными пучками, могут существенно отличаться от известных и предсказанных ранее. Принципиально новая информация может быть получена о механизме ядерных реакций при использовании ядер-снарядов с аномальным отношением N/Z.
Реакции передачи и фрагментации, как наиболее распространенные типы реакций для получения экзотических ядер, уже в течение многих лет эффективно используются в таких крупных научных центрах, как GANIL (Франция), GSI (Германия), MSU NSCL (США) и RIKEN (Япония).
Целью настоящей работы было изучение выходов и сепарации в переднеугловых измерениях на фрагмент-сепараторе КОМБАС изотопов 39Cl и 18 Ne, полученных в реакциях срыва одного протона
1)Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия.
2)Институт ядерных исследований НАН Украины, Киев.
3)Харьковский национальный университет им. В. Н. Кара-зина, Украина.
4)Монгольский государственный университет, Центр ядерных исследований, Улан-Батор.
E-mail: artukh@jinr.ru
из ядра-снаряда 40Аг и срыва двух нейтронов из соответствующего ядра-снаряда 20Ые. Известно, что импульсные распределения продуктов, получаемых в малонуклонных передачах, незначительно отличаются от импульса бомбардирующей частицы, а при использовании толстых мишеней импульсные распределения таких продуктов ядерных реакций могут значительно перекрываться с импульсом налетающей частицы. Продукты ядерных реакций малонуклонных передач представляют наибольший интерес с точки зрения получения вторичных пучков радиоактивных ядер высокой интенсивности, поскольку они образуются с максимальными поперечными сечениями.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ
В эксперименте использовался светосильный высокоразрешающий фрагмент-сепаратор КОМБАС [1], который обеспечивает эффективный сбор и транспортировку высокоэнергичных (вплоть до 150 МэВ/нуклон) ядер-продуктов в широком диапазоне элементов 2 ^ 2 < 30. При создании этого сепаратора впервые в мире был использован принцип жесткой фокусировки, который позволил реализовать рекордные параметры при полной минимизации аберраций высоких порядков.
Магнитная структура фрагмент-сепаратора КОМБАС (рис. 1а) основана на использовании широкоапертурных мультипольных магнитов, в которых генерируются квадрупольные, сексту-польные и октупольные компоненты, необходимые для минимизации аберраций высоких порядков. Использование таких мультипольных магнитов
ых- м4
первичный отбор по вр
м5- м8 первичный отбор по вр
М2
мг
М7
Первичный пучок
Рис. 1. Схематический вид экспериментальной установки фрагмент-сепаратора КОМБАС: а — магнитооптическая система Е0М\-М8Ра фрагмент-сепаратора, б — реакционная камера с телескопом из ДЕ1, ДЕ2, Е-детекторов (см. текст).
а
позволило полностью исключить применение отдельных квадрупольных, секступольных и окту-польных линз, апертуры которых, в основном, и ограничивают апертуру сепарирующего канала.
Фрагмент-сепаратор КОМБАС (рис. 1а) построен из восьми М1—М8 мультипольных магнитов, формирующих широкоапертурный сепаратор с тройной фокусировкой частиц в выходном фокусе Га (по энергии, горизонтали и вертикали). Конфигурация сепаратора компонуется в виде двух идентичных секций М1—М4 и М5—М8 с плоскостью симметрии в средней части (дисперсионный фокус Первая анализирующая секция М1—М4 выполняет функции фильтра высокоэнергетичных частиц по импульсу с режекцией первичного пучка, а вторая секция М5—М8 компенсирует дисперсию первой и минимизирует эффекты аберраций в выходном ахроматическом фокусе Га. Наличие симметрии между обеими секциями сепаратора позволяет без нарушения оптики использовать про-стрельную фольгу (деградер) в позиции Де-градер дает дополнительную изотопную сепарацию второй секцией вследствие различных ионизаци-
онных потерь энергии частицами в фольге для сепарируемых и саттелитных продуктов ядерных реакций. Кроме того, база пролета второй секции, в которой отсутствует интенсивный пучок первичных частиц, может быть эффективно использована для времяпролетных измерений (TOF). Измерения TOF крайне необходимы для дополнительной сепарации изотопов по А и 2 в тех случаях, когда импульсные распределения их перекрываются или существенный вклад дают зарядовые состояния транспортируемых ионов.
В таблице приведено сравнение основных характеристик аналогичных фрагмент-сепараторов, функционирующих в исследовательских лабораториях Франции, США, Японии и Германии. Из таблицы видны преимущества широкоапертурного фрагмент-сепаратора КОМБАС по импульсному (в 4—10 раз) и угловому (в 1.5—6.4 раза) аксеп-тансам, величины которых являются важными для увеличения сбора вторичных пучков радиоактивных ядер.
Для эффективной регистрации всего многообразия продуктов ядерных реакций, транспортируе-
Сравнение параметров существующих фрагмент-сепараторов
Сепаратор Q, мер Ар/р, % Вр, Тл м Разрешение
LISE (Франция) [2] 1.0 5.0 3.2 800
А1200 (США) [3] 0.8-4.3 3.0 5.4 700-1500
RIPS (Япония) [4] 5.0 6.0 5.76 1500
FRS (Германия) [5] 0.7-2.5 2.0 9-18 240-1500
КОМБАС (Россия) [1] 6.4 20 4.5 4300
мых в выходной фокус Еа, детектирующая система (рис. 16) сформирована в виде телескопа из трех детекторов. Это необходимо для одновременной регистрации всего спектра частиц как длиннопро-бежных легких продуктов ядерных реакций (заняты все три детектора в регистрации), так и коротко-пробежных сильноионизирующих частиц с большими атомными номерами, когда используются в основном два первых по пучку детектора.
Структура телескопа состоит из детекторов (ДЕ1, ДЕ2, Е). Детектор ДЕ1 — 81-32-стриповый с толщиной 380 мкм площадью 64 х 64 мм X-детектор для измерения координаты частицы по горизонтали. Детектор ДЕ2 — 81-32-стриповый с толщиной 1000 мкм площадью 64 х 64 мм У -детектор для измерения координаты частицы по вертикали. Детектор Е — гранулированная сборка из девяти сцинтилляционных детекторов полного поглощения толщиной 20 мм каждый с общей площадью сборки 64 х 64 мм. Стриповая структура прострельных ДЕ1- и ДЕ2-детекторов выполняла также важную роль при настройке продуктов пучка в выходной фокус Еа с минимальными потерями в апертуре телескопа. В ходе экспозиции мони-торные функции стриповых детекторов позволяли корректировать пучок фрагментов по X и У в Еа-фокус.
9Ве-мишень толщиной 15 мг/см2 облучалась первичным пучком ядер 40Аг с энергией 35 МэВ/нуклон (или 20 Ые с энергией 52 МэВ/нуклон). Размер первичного пучка на мишени коллимировался диафрагмой диаметром 6 мм. Интенсивность первичного пучка, облучающего мишень, измерялась токовым прибором в мкА. Измерения тока на мишени затем использовались для нормировки выходов продуктов ядерных реакций на число частиц пучка для определения поперечных сечений их образования.
Импульсные распределения продуктов ядерных реакций определялись сканированием магнитной жесткостью Вр выходов измеряемых продуктов в выходном фокусе Еа, отсчеты которых нормировались на величину первичного пучка, измеряемого в каждой экспозиции токовым прибором в единицах
мкА. Для увеличения скорости счета импульсные спектры продуктов ядерных реакций измерялись 2%-ным окном по импульсу, ширина которого задавалась щелью коллиматора в дисперсионной плоскости Еа. Для изучения сепарирующей способности изотопов, например, 39С1 (или 18Ые) с помощью деградера магнитная жесткость Вр устанавливалась в максимумы импульсных распределений измеряемых изотопов. Степень очистки изотопа 39С1 (в реакции 40Аг(35 МэВ/нуклон) + 9Ве) и изотопа 18Ые(в реакции 20Ые(52 МэВ/нуклон) + + 9Ве) от сателлитных продуктов реакции определялась сравнением долевого вклада отсчетов изотопа 39С1 (или 18Ые) в общей сумме изотопов, зарегистрированных сначала в экспозиции без деградера в дисперсионной плоскости Е^. После установки деградера в Еа повторялась экспозиция для определения долевого вклада отсчетов 39С1 (или 18 Ые) в новой общей сумме зарегистрированных продуктов. При этом магнитную жесткость Вр второй секции сепаратора М5—М8 необходимо было уменьшить на величину потерь энергии изотопом 39С1 (или 18Ые) в толщине А1-фольги деградера.
3. СЕПАРАЦИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ ФРАГМЕНТОВ
Значение величины ионного заряда д, массового числа т и атомного номера 2 определялось из формул:
mv
• qBR, dE
-У
v
mv
= dE + Er
где dE — потери энергии частицы в тонком ДЕ-детекторе; Ег — потери энергии частицы в Е-детек-торе полного поглощения.
Были проведены эксперименты по проверке возможности получения вторичных радиоактивных пучков, образующихся в реакциях фрагментации ионов 20Ые (52 МэВ/нуклон) и 40Аг (35 МэВ/нуклон).
dE 80 60 40 20
о
O
О 10B
'Be
20
40
60
dE
80 60 40 20
Г.
80 0 Er
20
40
5O
4N
60
80
TOF
Рис. 2. Идентификационные матрицы зарегистрированных фрагментов в Еа в зависимости от измеряемых величин: йЕ и Ег (а) и йЕ и ТОР (б). Настоящие диаграммы получены в реакции 20№ (52 МэВ/нуклон) + 9Be. Все значения указаны в каналах.
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.