©hoo$e ЛAнg?Age©///?Ang?Age® Ekohomei©A TALKiNg ?.?.м.?.

geo.rf.gd

   

Методы получения радиоактивных пучков

    Получение радиоактивных пучков нужной чистоты и интенсивности является сложной задачей. В первую очередь это связано с тем, что при взаимодействии первичного пучка с мишенью образуется широкий спектр вторичных частиц. Поэтому требуется разработка специальных методов по выделению требуемого изотопа путем создания высокоэффективных методов "очистки" пучка и получения требуемого энергетического разрешения.
    Интенсивность пучка вторичных частиц N определяется следующими величинами: интенсивностью пучка первичных частиц I, выбором ядерной реакции (сечением sigma), толщиной мишени d, эффективностью метода сепарации sigma:

N = Idsigmaepsilon = Lsigmaepsilon,

(3.1)

где через L обозначена светимость установки, L = Id.
   В последние годы достигнуты заметные успехи в генерации пучков первичных частиц. Так в реакторах возможно получение потоков нейтронов ~1014 нейтронов·см-2 ·с-1. На протонных ускорителях (Ep > 100 МэВ) пучки достигают ~1015 c-1. Ускорители тяжелых ионов дают пучки ~ 1013 c-1 в области энергии (102 - 103) МэВ/нуклон. Использование накопителей позволяет существенно повысить выход реакции за счет многократного прохождения ускоренного пучка через мишень. В современных установках светимость L составляет 1013, 1010 и 1010 барн-1·с-1 соответственно для релятивистских протонных пучков, пучков тяжелых ионов промежуточных энергий и реакторов на тепловых нейтронах.
    Вторым важным фактором является эффективность метода сепарации epsilon. Она может меняться от 1 до 10-6 для различных установок.
    Несмотря на то, что интенсивность пучка вторичных частиц несомненно является очень важной характеристикой, селективность в сочетании с высокой эффективностью сепарации часто определяет успех экспериментов с радиоактивными ядрами.

Рис. 3.1
Рис. 3.1. Сравнение методов ISOL и IN-FLIGHT получения и сепарации вторичных пучков

    Используется два основных метода получения пучков радиоактивных ядер.

  • Метод ISOL (Isotop Separation On Line). Этот метод основан на образовании ионов тепловых скоростей в твердой, жидкой или газовой среде; извлечении, разделении, ионизации и последующем ускорении их до энергий требуемых для эксперимента.
  • Метод In-Flight (метод фрагментации ускоренных ионов на мишени). В этом методе для выделения представляющего интерес изотопа из большого числа изотопов, образующихся в результате реакций фрагментации, глубоконеупругих процессов или деления на лету в кулоновском поле используются различные комбинации электрического и магнитного полей и некоторые особенности взаимодействия быстрых частиц с веществом

    Эти два метода взаимно дополняют друг друга и могут быть использованы в зависимости от конкретной физической задачи.
    Сравнение методов ISOL и IN-FLIGHT показано на рис. 3.1. Пучки радиоактивных нейтроноизбыточных ядер, образующихся в реакции деления, могут быть получены также с помощью интенсивных источников нейтронов - ядерных реакторов или ускоренных дейтронов.

Метод ISOL

    В результате бомбардировки ускоренным пучком толстой мишени в ней образуются радиоактивные ядра в широком диапазоне Z и A, которые остаются в веществе мишени. Образовавшиеся ядра затем извлекают из мишени. После извлечения из мишени ионы разделяются с помощью масс-сепаратора и могут быть использованы в прецизионных экспериментах с низкими энергиями (10 - 500 кэВ) или ускорены во втором ускорителе. Таким образом в методе ISOL используются две ускорительные системы. Одна для получения первичного пучка (Projectile Source) и создания вторичных частиц в толстой мишени, вторая (Post Accelerator) - для ускорения вторичных частиц. Второй ускоритель обеспечивает необходимую для физических исследований энергию пучка радиоактивных ядер.
    В методе ISOL генерируются пучки вторичных частиц высокой интенсивности с энергией до 25 Мэв/нуклон. Время извлечения радиоактивных ядер из мишени, в которой они образуются, и время их транспортировки к ускорителю вторичных пучков, определяет диапазон времен жизни экзотических ядер, которые могут быть исследованы этим методом.

Метод In-Flight

    Метод In-Flight оптимален для получения вторичных пучков короткоживущих изотопов со временем жизни от 100нс.
    В этом методе пучки радиоактивных ядер получаются в периферических столкновениях тяжелой заряженной частицы с легким ядром мишени и последующей сепарацией выделенных по Z и A продуктов фрагментации. Первичный пучок имеет энергию от 50 МэВ/нуклон до 1 Гэв/нуклон. Радиоактивные осколки-фрагменты, образующиеся в результате столкновений, летят преимущественно вперед по направлению падающей частицы со скоростями ~0.9 - 1.0 от скорости падающей частицы. Несмотря на то, что для получения радиоактивных пучков в этом методе используются тонкие мишени, их интенсивность для короткоживущих изотопов может превосходить интенсивность пучков, полученных методом ISOL.
    Использование накопительного кольца с электронным охлаждением (Storage-Cooler Ring) позволяет существенно повысить точность экспериментов.

Рис.3.1
Рис. 3.2. Основные ступени, необходимые для сепарации продуктов ядерных реакций методом ISOL

    Ниже мы рассмотрим отдельные элементы приведенной на рис. 3.1 схемы.

Мишени в методе ISOL. Термин ISOL относится к большой группе установок, на которых радиоактивные ядра получаются в результате ядерных реакций, останавливаются в мишени и затем вторично ускоряются (рис. 3.2). Мишень является одним из основных элементов этого метода (рис. 3.3). Чаще всего это не традиционная пассивная мишень, облучаемая пучком ускоренных частиц, а целая химическаая лаборатория по производству требуемого изотопа, которая часто сочетается с ионным источником. Путем подбора химического состава материала мишени и метода извлечения образующегося изотопа уже на начальном этапе достигается хорошая сепарация изотопов. Основные преимущества метода ISOL - возможность получения больших интенсивностей экзотических пучков - достигается использованием максимально возможных толщин мишеней. Ограничения на толщину мишеней накладываются длиной пробега первичных частиц в мишени и необходимостью обеспечить быструю диффузию из нее химических элементов, которые предназначены для последующего исследования. Мишени должны выдерживать большие тепловые нагрузки. Так например, пучок протонов с энергией 30 МэВ и средней интенсивностью ~ 500 мкА выделяет в мишени ~ 10 кВт. Поэтому в качестве мишеней используются специальные многослойные материалы, обеспечивающие необходимые параметры для диффузии и десорбции из мишени образующихся атомов экзотических ядер. Подбором соответствующего материала и конструкции мишени обеспечивают величину коэффициента выхода из мишени epsilonвых ~ 70 - 100%.

Рис.3.3
Рис.3.3. Получение радиоактивных пучков в методе ISOL

   Мишень, используемая в методе ISOL, может быть толстой, так что первичный пучок в ней полностью останавливается, либо относительно тонкой, при этом вторичные частицы вылетают из мишени и затем захватываются либо в газовой среде, либо в твердом поглотителе. Таким образом на первом этапе происходит накопление вторичных частиц в самой мишени или в каком-либо носителе. На втором этапе происходит извлечение ядер для их дальнейшего использования. Если в качестве носителя используется газовая среда, образующиеся ядра могут быть извлечены практически сразу. Так в случае, когда в качестве носителя используется гелий, образующиеся в мишени ионы остаются ионизированными в течение нескольких миллисекунд и извлечение их из газовой среды не представляет особых проблем. Для этого можно использовать постоянное электрическое поле. В случае остановки ядер в толстой мишени или твердом поглотителе время их извлечения будет зависеть от химических свойств извлекаемых ионов мишени (твердого улавливателя). Решающими являются десорбционные свойства мишени и поглотителя и их способность выдерживать высокие температуры. Наиболее трудно извлекать из мишени атомы благородных газов. За последние годы развиты новые методы извлечения атомов. В IGISOL (Ion-Guide Separation On-Line) используют свойства газовых поглотителей для быстрого извлечения радиоактивных ионов. Например, используются различные реактивные газы, в частности CF4. Трудности извлечения отдельных элементов в методе ISOL являются в то же время и преимуществом этого метода, так как позволяют уже на этом этапе селектировать различные химические элементы. Твердая мишень в большинстве ISOL-установок одновременно является ионным источником. Ионы могут извлекаться как обычным нагревом, так и нагревом с помощью электронного или лазерного пучка. Использование лазеров позволяет дополнительно селектировать ядра, накопленные в мишени или поглотителе. Особые сложности возникают при экстракции изотопов с коротким периодом полураспада. Поэтому скорость извлечения радиоактивных ядер является решающим фактором в повышении интенсивности пучков радиоактивных ядер. После того как ядра извлечены из мишени, начинается следующий этап - дополнительная очистка от примесей ненужных изотопов с помощью масс-сепараторов. Для этого ионы ускоряются до нескольких десятков - сотен кэВ. На современных ISOL-установках разрешение по массам в электромагнитных сепараторах - deltaM/M ~ 10-4. В отдельных случаях эта величина может быть на порядок лучше. Путем комбинации типа первичных частиц, выбора ядерной реакции, мишени, ионного источника вторичных частиц в методе ISOL можно подобрать подходящие условия для получения вторичных пучков в широком диапазоне A и Z. Одна из причин широкого использования метода ISOL – возможность последующего ускорения сепарированного пучка экзотических частиц и изучения ядерных реакций на таких пучках. Малоэнергетичные пучки частиц на выходе электромагнитного сепаратора используются для прецизионного измерения масс атомных ядер.Для этого применяются различные ионные ловушки. В частности ловушка Пеннинга (Penning Trap) позволяет определять массы атомных ядер с точностью ~ 10-7.

Электромагнитная сепарация продуктов фрагментации в методе In-Flight.

    Образующиеся в результате фрагментации высокоэнергетичного первичного пучка продукты реакций летят преимущественно по направлению этого пучка. Телесный угол, в котором можно собрать основную часть фрагментов, составляет несколько миллистерадиан. Относительный разброс по импульсу ~ 1%. В случае реакций глубоконеупругих передач продукты реакций почти всю кинетическую энергию получают за счет кулоновского отталкивания между конечными ядрами (Eкин осколков ~ 200 МэВ). В этом случае релятивистские фрагменты разлетаются внутри телесного угла ~ 40 мстрад и имеют разброс импульсов deltap/p ~ 10%. Разделение продуктов реакций основано на их геометрии движения в электрическом и магнитном полях. С помощью соотношения

(3.2)

где - сила, действующая на ион, ,, q - импульс, скорость и заряд иона, vecbe.gif (72 bytes),- напряженности электрического и магнитного полей, можно вычислить траекторию иона при движении в электрическом и магнитном полях.
    Если электрическое и магнитное поля однородны, то электрическая Ero и магнитная Bro жесткости определяются соотношениями

(3.3)

Т.е. электрические и магнитные поля порознь позволяют разделить частицы в соответствии с их магнитной жесткостью

(3.4)

Из соотношения (3.4) следует, что в магнитном поле фрагменты, имеющие одну и ту же скорость, разделяются в соответствии с их значениями A/q. Для высокоэнергетичных полностью ионизированных фрагментов, образующих вторичный пучок, разделение происходит пропорционально A/Z.

Рис. 3.4
Рис. 3.4. Схематическое изображение фрагмент-сепаратора с тремя методами разделения (магнитным, методом потерь энергии и электростатическим)

    Принципиальная схема электромагнитного фрагмент-сепаратора (FRS) показана на рис. 3.4 [Пенионжкевич Ю.Э. Физика элементарных частиц и атомного ядра т.25. вып.4, 1994, с.930]. Продукты, вылетающие из мишени, расположенной в фокусе первого дипольного магнита, с помощью щели F1, которая находится в фокальной плоскости этого магнита, разделяются в соответствии с их магнитной жесткостью Bro. Вторая часть спектрометра компенсирует дисперсию в первой части и фокусирует ахроматический пучок в фокальной плоскости спектрометра. Реальные схемы построения фрагмент-сепараторов гораздо сложнее и включают дополнительно системы квадруполей и секступолей.
    Динамика частиц в одной из таких систем, состоящей из диполей и квадруполей, показана на рис. 3.5.

Рис. 3.5
Рис. 3.5. Ахроматическая ионно-оптическая система, состоящая из двух дипольных магнитов и квадрупольных триплетов

Для дополнительного анализа и разделения фрагментов используется электростатический фильтр Вина, представляющий собой комбинацию электрического E и магнитного B полей. В случае равенства сил FE = qE и FB = qvB частицы, движущиеся со скоростью v = E/B, в фильтре Вина не отклоняются.
    В фрагмент-сепараторе FRS может быть проведена дополнительная селекция фрагментов, если в пространство между двумя диполями ввести специальный поглотитель или заполнить пространство между двумя диполями газом. При движении иона в поглотителе происходит его перезарядка. В результате образуется зарядовое распределение ионов со средним зарядом <q>, которое зависит от заряда иона Z и его скорости v [H.Geissel, G.Munzenberg Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 45, 1995, с.163]

<q> = Z1/3(v/v0),

(3.5)

где v0 =2.18·106 м/с - скорость Бора. Подставляя (3.5) в соотношение (3.4) для магнитной жесткости Bro получаем, что отклонение в магнитном поле будет зависеть только от заряда иона Z и не будет зависеть от скорости частицы. Для частиц, прошедших поглотитель, условие прохождения через второй диполь изменится, т.к. частица, прошедшая через поглотитель, потеряет часть энергии dE:

dE/dx ~ AZ2/E или dE/dx ~ AZ2dпогл/E2,

(3.6)

где dпогл - длина поглотителя. На выходе первого диполя будем иметь энергию, определяемую соотношением

E ~ Z2/A.

(3.7)

Поэтому относительные потери энергии фрагментами определяются соотношением

dE/E ~ A3dпогл/Z2.

(3.8)

То есть такая система позволяет отбирать ядра с одинаковыми значениями A3/Z2. Комбинируя различные формы поглотителя между диполями можно получить различные пространственные и энергетические распределения вторичных частиц в фокусе второго диполя.

Рис.3.6
Рис. 3.6. Пространственное разделение фрагментов, полученное методом
Bro-deltaE-Bro

    На рис. 3.6 показаны возможности комбинированного
Bro-deltaE-Bro метода (метода поглотителя) для разделения изотопов, образующихся в реакциях фрагментации ядер 197Au, ускоренных до энергии 1000 МэВ/нуклон. Показаны распределения фрагментов в центральной части (верхняя часть рисунка) и в фокальной плоскости второго диполя (нижняя часть рисунка). Комбинируя размеры и положение щелей перед поглотителем и на выходе фрагмент-сепаратора, можно получить необходимое разделение фрагментов. Дополнительные возможности для разделения фрагментов можно получить, если после фрагмент-сепараторов использовать метод времени пролета или накапливать частицы в накопительном кольце. Накопительные кольца широко используются для протонных, антипротонных, электронных и позитронных пучков. Фактически накопительное кольцо является ловушкой высокоэнергетичных частиц. Электронное охлаждение позволяет формировать в накопителях тяжелых заряженных частиц интенсивные плотные пучки с малым эмиттансом и малым разбросом частиц по импульсу. Накопители, использующие метод электронного охлаждения, кулеры, существенно расширили возможности исследований с пучками радиоактивных ядер. Стала возможной постановка прецизионных экспериментов с малым разбросом частиц по энергии (~10-6), разделение и накопление долгоживущих изотопов и изомеров.
    Электронное охлаждение происходит в результате кулоновского взаимодействия ионного пучка с "холодным" электронным пучком. Для этого в один из прямолинейных участков накопителя ионов пропускается электронный пучок с той же скоростью электронов как и у ионов. Скорость охлаждения ионного пучка определяется декрементом lambda, характеризующим скорость уменьшения элемента deltaГ шестимерного фазового объема

(3.9)

Для электронного охлаждения ионного пучка

(3.10)

где ne - средняя плотность электронного пучка, M, m - массы иона и электрона, thetae, thetai- угловые разбросы электронов и ионов, romax, romin - максимальный и минимальный прицельные параметры столкновения, v - скорость электронов (ионов).

Установившееся значение углового разброса в ионном пучке определяется соотношением

thetai = thetae(m/M)1/2.

(3.11)

Впервые электронное охлаждение было реализовано в 1974 году в экспериментах по охлаждению пучка протонов с энергией 68 МэВ на накопителе НАП-М в Новосибирске. Схема накопителя НАП-М приведена на рис.3.7.

Рис.3.7
Рис. 3.7. Схема накопителя НАП-М: 1 - инжектор, 2 - канал инжекции, 3 - инфлектор, 4 - пикап-станция, 5 - квадрупольная линза, 6 - поворотный магнит, 7 - ускоряющий резонатор, 8 - дефлектор возбуждения бетатронных колебаний, 9 - кварцевая нить, пересекающая пучок, 10 - парамагнитная струя, 11 - сцинтилляционный счетчик регистрации рассеянных нитью протонов, 12 - установка электронного охлаждения, 13 - детектор нейтральных атомов водорода (двухкоординатная пропорциональная камера), 14 - геодезический знак

Накопитель имеет 4 прямолинейных промежутка, один из которых используется для сведения электронного пучка с пучком охлаждаемых протонов (рис. 3.8). Протоны, циркулирующие в накопителе, многократно проходят участок охлаждения, взаимодействуя каждый раз с новой порцией электронов. Часто используется рециркуляция электронного пучка. Охлаждение самого электронного пучка происходит в результате радиационного излучения. Для охлаждения ионного пучка с энергией 100 - 400 МэВ/нуклон необходим пучок электронов с энергией 50 - 200 кэВ и током ~ 1A. Характерное время охлаждения ионных пучков обычно составляет от нескольких секунд до минуты и позволяет существенно повысить импульсное разрешение ионов в накопителе. Так например, электронное охлаждение улучшает импульсное разрешение deltap/p в накопителе ESR (Дармштадт, Германия) с 3·10-3 до 5·10-7.

Рис.3.8
Рис. 3.8. Схема установки ЭПОХА: 1 - электронная пушка, 2 - прямолинейные соленоиды, 3 - аноды электронной пушки, 4 - тороидальные соленойды, 5 - участок охлаждения, 6 - вакуумная камера, 7 - коллектор электронного пучка, 8 - вакуумные насосы, 9 - диполи коррекции траектории протонов, H0 - выход атомов водорода

    Много интересных деталей, связанных с работой электромагнитных сепараторов, можно найти в материалах конференции [Proc. 11th Int. Conf. on Electromagnetic Isotope Separatprs and Techniques Related to their Applications. Los Alamos. 1986. Nicl. Instr. Meth. B26, 1987, p.1-500].
    В табл. 3.1 приведены сравнительные характеристики фрагмент-сепараторов, работающих в различных исследовательских центрах - LISE (GANIL, Франция), FRS (GSI, ФРГ), A1200 (MSU, США), RIPS (RIKEN, Япония), COMBAS (ОИЯИ, Дубна, Россия) [Yu. E. Penionzhkevich. Nucl. Phys A616, 1997, p.247].

Таблица 3.1 Сравнительные характеристики некоторых фрагмент-сепараторов

Фрагмент-сепаратор Телесный угол, мср Разрешение по импульсу deltap/p, % Магнитная жесткость
Bro, T·м		 Разрешение по массам m/deltam
LISE

1.0

5.0

3.2

800
FRS

0.7 - 2.5

2.0

9 - 18

240 - 1500
A1200

0.8 - 4.3

3.0

5.4

700 - 1500
RIPS

5.0

6.0

5.76

1500
COMBAS

6.4

20

4.5

4360

Перспективы дальнейшего развития метода In-Flight можно найти в материалах

  1. Acceleratory and storage rings for Next Generation fragmentation Facilities. NUPECC Working Group Nov 30-Dec 1998. G-1 I. Darmstadt.
  2. Targets and Fragment Separators for next Generation Fragmentation Facilities NUPECC Working Group Dec2-3 1998 G1 I Darmstadt.

Смотрите также

Nuclear Physics European Collaboration Committee (NUPECC)

European Isotope Separation On-Line Radioactive Nuclear Beam Facility (EUROISOL)

Содержание [Ускорительные комплексы]

На головную страницу
Top.Mail.Ru