ЯДРА
МУЧКИ РАДИОАКТИВНЫХ ЯДЕР - НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ
© 2014 Ю. Э. Пенионжкевич*
Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия; Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Долгопрудный, Россия
Поступила в редакцию 13.01.2014 г.
Представлены некоторые результаты исследований в новой области ядерной физики, связанной с получением пучков радиоактивных ядер и физическими исследованиями с этими пучками. Дается обзор последних результатов по изучению структуры и механизмов реакций с пучками радиоактивных ядер. Представлены данные, полученные в Дубне на ускорительном комплексе DRIBs, а также результаты других научных центров. В связи с этим обсуждаются экспериментальные данные, полученные для легких слабосвязанных экзотических ядер. Представлены параметры нового ускорительного комплекса DRIBs3, а также программа физических исследований с использованием новых установок магнитного анализатора высокого разрешения (MAVR) и 4^-нейтронного детектора (TETRA). Сотрудничество в области использования пучков радиоактивных ядер на комплексе DRIBs с другими ускорительными комплексами (SPIRAL2 (Франция), RIKEN (Япония), FAIR (Германия) и RIBF (США)) с использованием новых высокоэффективных экспериментальных установок уже привело к обнаружению новых явлений в ядерной физике и в дальнейшем позволит исследовать новые области ядерной материи в экстремальном состоянии.
DOI: 10.7868/S0044002714110063
1. ВВЕДЕНИЕ
Экспериментальные исследования с использованием пучков радиоактивных ядер являются новым, интенсивно развивающимся направлением физики экзотических ядер. Исследования в этом направлении расширяются, что объясняется появлением во многих странах мира новых мощных ускорительных комплексов тяжелых ионов средних и промежуточных энергий — ускорительный комплекс UNILAC—SIS—ESR и создание нового ускорительного комплекса FAIR в Дармштадте (ФРГ), ускорительный комплекс GANIL—SPIRAL1 и создание нового комплекса для ускорения радиоактивных пучков SPIRAL2 в Кане (Франция), ускорительный комплекс тяжелых ионов RIKEN (Япония), сверхпроводящий циклотрон и создание новой фабрики пучков радиоактивных ядер FRIB в Мичигане (США), циклотронный комплекс тяжелых ионов с накопительным кольцом в Ланчжоу (Китай), сверхпроводящий циклотрон в Катанье (Италия), циклотронный комплекс тяжелых ионов DRIBs в Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флёрова ОИЯИ в Дубне (Россия) и др. Новое поколение ускорителей, дающих возможность получать высокоинтенсивные (до 1014 с-1) пучки заряженных частиц от протонов и ядер гелия до ионов урана,
E-mail: pyuer@jinr.ru
позволило реализовать новый этап исследования свойств экзотических ядер с использованием вторичных пучков радиоактивных ядер.
На рис. 1 представлена "дорожная карта" создания ускорительных комплексов пучков радиоактивных ядер, из которой видно, что к 2015— 2017 гг. все крупные центры мира будут располагать возможностью получения таких пучков. В 2020 г. планируется реализовать общеевропейский проект фабрики пучков радиоактивных ядер — EURISOL.
Это новое направление ядерной физики уже позволило обнаружить ряд интересных явлений, связанных со свойствами ядер, удаленных от долины ^-стабильности. Средняя интенсивность вторичных пучков радиоактивных ядер пока составляет 105—108 с-1. При такой интенсивности были проведены эксперименты по изучению взаимодействия радиоактивных ядер с веществом мишени, и из их анализа получена информация о нуклонных радиусах ядер. Обнаружен аномально высокий радиус распределения нейтронов ("нейтронное гало") в ядре 11 Li, ведутся поиски "нейтронных гало" в нейтронно-избыточных ядрах 14Be и
др., а также "протонных гало" (аномально высокий радиус распределения протонов) в нейтронно-дефицитных ядрах 8В, 17№ и др.
2015
2010
2005
2000
ЕШКОЬ
1 ГэВ протоны КОЬ 100 А/МэВ
Работающие
Разработка
Создаваемые
Проекты
Рис. 1. "Дорожная карта" Европейского физического общества (ЫиРБС) реализации проектов ускорительных комплексов пучков радиоактивных ядер.
2. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПУЧКОВ РАДИОАКТИВНЫХ ЯДЕР
Использование пучков радиоактивных ядер в физических исследованиях сводится к трем проблемам: получение самих пучков соответствующей интенсивности, ускорение их до необходимой энергии и регистрация продуктов ядерных реакций с радиоактивными ядрами.
Существуют два основных способа генерации радиоактивных ядер в реакциях с заряженными частицами. Первый способ заключается в использовании пучков тяжелых ионов, ускоренных до энергии более 30 МэВ/А, с последующей бомбардировкой ими мишеней. В этом случае происходит фрагментация бомбардирующих ионов с образованием ядер — продуктов реакции в широком диапазоне зарядов и масс, имеющих узкое, направленное вперед угловое распределение и скорости, сравнимые со скоростью первичного пучка. После выделения по 2 и А необходимых ядер с помощью магнитных фрагмент-сепараторов можно использовать полученные пучки радиоактивных ядер без их последующего ускорения. Второй способ предполагает ускорение протонов или тяжелых ионов с энергией от 30 МэВ/А до нескольких ГэВ/А с последующей бомбардировкой толстой мишени, поглощающей всю энергию бомбардирующей частицы. В этом случае в результате реакции фрагментации ядер под действием высокоинтенсивных пучков образуются радиоактивные ядра — продукты реакции в широком диапазоне 2 и А, которые остаются в веществе мишени. Для дальнейшего использования этих ядер их нужно извлечь из
мишени и ускорить до необходимой энергии. Это достигается путем применения специальных масс-сепараторов в комплексе с системой транспорта ионов и последующего ускорения.
Преимущества первого способа — возможность получения пучков короткоживущих ядер со временем жизни до нескольких сотен микросекунд. Однако из-за ограничения толщины мишени (^500 мгсм-2) выход радиоактивных ядер оказывается не таким высоким, как в случае полного поглощения иона в мишени. Для получения интенсивных радиоактивных пучков ядер с относительно высоким временем жизни (т!/2 > 0.5 с) используется, как правило, второй способ. Ограничение на время жизни таких ядер объясняется временем их диффузии из мишени.
Существует также проект получения пучков радиоактивных ядер, источником которых будет являться высокопоточный ядерный реактор. Облучая потоком тепловых нейтронов в активной зоне такого реактора мишень из 235и, можно получить высокий выход осколков с массой А = 80—100.
Другой метод получения интенсивных радиоактивных пучков основан на реакциях фотоделения, в которых используется поток гамма-квантов, получаемый на сильнопоточных электронных ускорителях с энергией 50 МэВ. В специальном конвертере пучок электронов преобразуется в гамма-кванты. Транспортируя затем радиоактивные пучки осколков деления до источника многозарядных ионов и ускоряя их на циклотроне при полной эффективности всей системы ~10_4, можно получить
пучки радиоактивных ядер в области масс осколков деления до 1010 с-1 [1,2].
Интенсивность вторичных пучков может быть представлена простой зависимостью:
МА
втор
^перв СС^^вых^трансп^ион^ускор )
(1)
где а — полное сечение реакции в см2; й — толщина мишени в г см-3; М — массовое число элемента мишени; N. — число Авогадро и е — эффективность соответствующих процессов от выхода ядра из мишени (евых) до вывода из постускорителя (еускор). Поэтому, рассматривая различные методы получения радиоактивных пучков, необходимо учесть все эти факторы, которые влияют на их максимальную интенсивность.
Интенсивность пучков некоторых радиоактивных ядер может достигать 109 с-1. Такие пучки начали использоваться для проведения экспериментальных исследований свойств экзотических ядер [3].
3. ИССЛЕДОВАНИЯ С ПУЧКАМИ РАДИОАКТИВНЫХ ЯДЕР
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 значительно отличаться от известных и предсказанных ранее для ядер долины стабильности. Принципиально новая информация при использовании таких пучков может быть получена о механизме ядерных реакций, который может существенно зависеть от структуры взаимодействующих ядер. Радиоактивные пучки эффективно используются для исследования в области астрофизики и прикладных исследований. Ниже будут представлены некоторые результаты исследования структуры экзотических ядер с помощью пучков радиоактивных ядер.
3.1. Массы и энергии связи
Определение энергий связи и масс ядер является одной из фундаментальных проблем ядерной физики. В ядерной физике масса — одна из основных величин, являющихся фундаментальной основой для построения и проверки различных ядерных моделей. В работе [4] дан анализ возможностей измерения атомных масс и их использования в ядерной физике.
Эта задача в последнее время успешно решается с помощью пучков радиоактивных ядер. После появления пучков радиоактивных ядер стало возможным точное измерение их массы (AM/M & & 10-6). Для этого обычно используют времяпро-летные системы с достаточно длинной пролетной базой (L & 2—3 км). В этом случае разрешение по массам определяется соотношением
AM/M = 2[AT/T + AL/L] + AE/E, (2)
где T — время пролета.
Большой цикл измерений масс легких ядер был проведен на ускорительном комплексе GANIL (Франция) с использованием специального магнитного спектрометра с пролетной базой 82 м. В этих экспериментах были изучены радиоактивные ядра от 27F до 46Cl и определены их массы [5]. Большой прогресс в прецизионном измерении масс (точность до 10-8) произошел с появлением накопительных колец для пучков экзотических ядер: эти ядра, произведенные во фрагмент-сепараторах, инжектируются в кольца. Так, в последнее время в GSI (Дармштадт) с использованием накопительного кольца с электронным охлаждением SIS— FRS—ESR были измерены массы около 300 ядер у границ нуклонной стабильности.
Зависимость энергии связи от
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.