ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 4, с. 23-38
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 621.384.8(04)
СЕПАРАТОР ВТОРИЧНЫХ ПУЧКОВ (КОМБИНАЦИЯ ФРАГМЕНТ-СЕПАРАТОРА КОМБАС С ИОННЫМ КЕТЧЕРОМ)
© 2014 г. А. Г. Артюх*, А. Н. Воронцов*, **, Д. А. Кислуха*, ***, С. А. Клыгин*, В. Е. Ковтун***, Г. А. Кононенко*, С. М. Лукьянов*, Ю. Ц. Оганесян*, В. В. Осташко**, Ю. Н. Павленко**, Ю. Э. Пенионжкевич*, Ю. М. Середа*, **, Г. Г. Чубарян*, ****, Б. Эрдэмчимэг*, *****
*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 ***Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, Украина ****Ереванский физический институт, Ереван, Армения *****Монгольский государственный университет, Центр ядерных исследований, Улан-Батор, Монголия E-mail: artukh@jinr.ru Поступила в редакцию 03.10.2013 г.
Обсуждается создание экспериментального комплекса на базе светосильного фрагмент-сепаратора КОМБАС и быстродействующего ионного кетчера. Представлены основные характеристики фрагмент-сепаратора КОМБАС и ионного кетчера, определяющие перспективность предлагаемой комбинации. Ожидается, что реализуемый комплекс позволит получать вторичные пучки радиоактивных ядер более высокого качества по сравнению с пучками, получаемыми методом "in-flight" сепарации. Планируется использование комплекса в тандеме с пост-ускорителем для получения моноизотопных и монохроматических интенсивных вторичных пучков радиоактивных ядер в широком диапазоне массовых чисел А и атомных номеров Z. Предлагается перечень перспективных научных задач, для реализации которых требуются высокие интенсивности и качество получаемых вторичных пучков экзотических ядер.
DOI: 10.7868/S0032816214030148
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что вторичные пучки радиоактивных ядер, получаемые в реакциях передачи и фрагментации с широкими импульсными и угловыми распределениями, обладают рядом недостатков при сепарации и формировании их методом "in-flight" сепарации [1, 2]. Основными из них являются:
1) трудность получения моноизотопных пучков, поскольку канал фрагмент-сепаратора транспортирует в фокальную плоскость широкий изотопный состав с разными атомными номерами Z и массовыми числами A, а также их ионы в различных зарядовых состояниях;
2) сложность получения монохроматических изотопных пучков без существенных потерь их интенсивности;
3) отсутствие возможности регулировки энергии получаемых вторичных пучков.
В настоящее время первые две проблемы пытаются разрешить строительством каскада из нескольких фрагмент-сепараторов [3, 4]. Этот весь-
ма дорогостоящий метод получения моноизотопных и монохроматических вторичных пучков приводит к существенным потерям их интенсивности. С учетом значительных потерь данный метод неприемлем для получения вторичных пучков наиболее перспективных экзотических ядер вблизи границ ядерной стабильности в силу их образования с относительно низкими поперечными сечениями.
Более перспективным методом, решающим оптимальным образом все три указанные проблемы, является объединение "in-flight" сепарации с техникой ионного кетчера с последующим постускорением до нужных энергий [5, 6]. В последние годы в разработках ионного кетчера достигнуты чрезвычайно высокие результаты как по эффективности получения однозарядных ионных пучков (порядка 40—50%), так и по быстродействию их извлечения (порядка десятков миллисекунд).
Целью данной работы является создание экспериментального комплекса на базе светосильного фрагмент-сепаратора КОМБАС [7, 8], функ-
M1—M4 M5—M8
первичный отбор вторичный отбор
по Bp по Bp
Рис. 1. Схема экспериментальной установки на базе фрагмент-сепаратора КОМБАС и газ-кетчера: от /0 до /а1 — магнитооптическая схема фрагмент-сепаратора КОМБАС; от до /а2 — секция ионно-оптического согласования выходного эмиттанса фрагмент-сепаратора КОМБАС с входным эмиттансом газ-кетчера, оборудованная квадруполь-ным триплетом 3Q с диагностическими детекторами на входе и выходе; М^—М^ — мультипольные магниты; ТО/з — времяпролетные счетчики; D — деградер; — ахроматический фокус. На вставке — газ-кетчер для получения низкоэнергетических пучков ионов методом термализации высокоэнергетических продуктов ядерных реакций и выделения однозарядных ионов для пост-ускорения.
ционирующего в режиме "in-flight" сепарации, и быстродействующего высокоэффективного ионного кетчера. Комплекс предназначен для решения следующих задач:
1) изучение механизмов ядерных реакций с тяжелыми ионами в диапазоне энергий 20 < E < < 100 МэВ/нуклон, результаты исследования которых могут быть использованы для получения вторичных пучков радиоактивных ядер;
2) получение атомных пучков радиоактивных ядер максимальной интенсивности для последующего ускорения;
3) получение моноизотопных и монохроматических пучков радиоактивных ядер в широком диапазоне атомных номеров Zи массовых чисел А с использованием пост-ускорителей;
4) изучение механизмов ядерных реакций с моноизотопными и монохроматическими вторичными пучками радиоактивных ядер, включая реакции синтеза нейтронно-избыточных изотопов тяжелых и сверхтяжелых элементов;
5) изучение структуры нейтронно-избыточных и протонно-избыточных ядер легких и средних элементов.
СТРУКТУРА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО
КОМПЛЕКСА КОМБАС + ГАЗ-КЕТЧЕР
Предлагаемый комплекс состоит из трех функциональных частей (рис. 1):
1) светосильного фрагмент-сепаратора КОМБАС (/0—/а1) для получения и формирования вторичных пучков радиоактивных ядер, а также транспортировки их в выходной ахроматический фокус /а1;
2) секции (/а1—/а2) ионно-оптического согласования выходного эмиттанса фрагмент-сепаратора КОМБАС с входным эмиттансом газ-кетчера, оборудованной квадрупольным триплетом с диагностическими детекторами на входе и выходе;
3) газ-кетчера для получения низкоэнергетических пучков однозарядных ионов методом термализации в среде Не высокоэнергетических продуктов ядерных реакций и выделения однозарядных ионов для пост-ускорения.
Фрагмент-сепаратор КОМБАС
Для максимального сбора короткоживущих ядер, получаемых в реакциях передачи и фрагментации при энергиях 20—100 АМэВ (где А — массовое число частицы) с широкими импульсными и угловыми распределениями, ионно-оп-
(а)
(б)
40 -
2 30
О
О
^ 6
? 20 -
10 |-
2 4
Рис. 2. Магнитооптическая схема сепарирующего канала КОМБАС. а — схема магнитной структуры фрагмент-сепаратора; б — ионно-оптическая схема (координатная сетка) с огибающими пучка частиц в медианной плоскости Хм для трех вариантов импульсного захвата: Хм(Л) — огибающая пучка частиц с нулевым разбросом по импульсу (т.е. для монохроматических частиц); Хм(5) +0.1Б(5) — огибающая при ±10%-ном импульсном захвате частиц; Хм(Л) + 0.06Б(£) — огибающая при ±6%-ном импульсном захвате частиц. В(й!) — дисперсионная функция. Нулевая производная дисперсионной функции в средней части сепаратора (в позиции фокуса является необходимым условием для реализации зеркальной симметрии второй секции сепаратора относительно первой дисперсионной секции с сохранением ахро-матичности в выходном фокусе. У($) — огибающая пучка частиц в вертикальной плоскости движения.
тическая схема фрагмент-сепаратора КОМБАС была впервые реализована на принципах жесткой фокусировки [7, 8].
Магнитная структура фрагмент-сепаратора КОМБАС (В0—Ва1 на рис. 1) формируется каскадом широкоапертурных мультипольных магнитов М, в которых методом профилирования полюсных наконечников генерируются квадруполь-ные, секступольные и октупольные компоненты, необходимые для минимизации аберраций 1-го, 2-го и 3-го порядков. Использование широкоапертурных мультипольных магнитов позволило полностью исключить применение отдельных квадру-польных, секступольных и октупольных линз, апертуры которых в основном и ограничивают апертуру сепарирующего канала. Сепарирующий канал КОМБАС построен из восьми мультипольных магнитов М1—М8, формирующих широкоапер-турный сепаратор с тройной фокусировкой частиц в выходном фокусе ¥аХ (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 высокоэнергетических частиц по импульсу с режек-цией первичного пучка, а вторая секция М5—М8 компенсирует дисперсию первой секции и минимизирует эффекты аберраций в выходном ахроматическом фокусе ¥аХ,
На рис. 2б сплошной линией показана дисперсионная функция Б(£). Согласно рисунку, в средней части сепаратора в позиции промежуточного фокуса ¥л она имеет нулевую производную. Такое поведение дисперсионной функции Б(£) обеспечивает зеркальную симметрию обеих частей сепаратора, что необходимо для реализации ахроматизма транспортируемых частиц в выходном фокусе ¥а. Кроме того, такой вид дисперсионной функции позволяет использовать в промежуточном фокусе ¥а деградер Б, не нарушая ахроматизма фокусировки частиц в выходном фокусе ¥а. В координатной части рис. 2 показано поведение функции огибающей пучка частиц в медианной
Рис. 3. Вид дисперсионной плоскости фрагмент-сепаратора КОМБАС, снятый видеокамерой во время эксперимента на пучках 11В с энергией 33 АМэВ. Серия светлых вертикальных полос № 1—№ 15 на координатной сетке люминофорной платформы получена ионизацией люминофора первичным пучком монохроматических частиц В путем изменения магнитной жесткости первой секцией М1— М4 с шагом ДВр/Вр = 1% (или по импульсу Ар/р = 1%). Число вертикальных полос 15 определяет максимальный импульсный аксептанс фрагмент-сепаратора КОМБАС (Ар/р)тах = 15%, что эквивалентно захвату частиц по энергии АЕ/Е = 30%. Расстояние АХ между соседними вертикальными полосами люминофор-ной координатной сетки демонстрирует дисперсию фрагмент-сепаратора КОМБАС, а именно АХ = 15 мм на 1% Ар/р.
плоскости Хм при трех вариантах импульсного захвата частиц: Др/р = 0% (Хм(Б)), 6% (Хм(Б) + + 0.06D(S)) и 10% (Хм(Б) + 0.ЩБ)), а также в вертикальной плоскости У вдоль трассы сепаратора Б- У(Б).
Возм
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.