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

geo.rf.gd

   

Ускорительные комплексы для получения пучков радиоактивных ядер

    Ускорительные комплексы для получения пучков радиоактивных ядер работают в различных научных центрах (рис. 4.1).

Рис.4.1
Рис.4.1 Ускорительные комплексы для получения пучков радиоактивных ядер

Ниже даны краткие характеристики некоторых установок, использующих метод ISOL и метод фрагментации In-Flight.

Метод ISOL

    В Европе функционируют и разрабатываются проекты нескольких ускорительных комплексов для получения радиоактивных пучков по методу ISOL. Их можно сгруппировать по типам источников первичных пучков и ускорителей вторичных частиц.

Рис.4.2
Рис. 4.2. Комплекс для получения пучков радиоактивных ядер в Louvain-la-Neuve (Бельгия)

ARENAS - комплекс для получения пучков радиоактивных ядер в Louvain-la-Neuve (Бельгия).

    Схематически ускорительный комплекс, состоящий из трех циклотронов для получения и последующего ускорения частиц показан на рис. 4.2. Радиоактивные пучки получаются в результате бомбардировки специально подобранных мишеней пучком протонов с энергией 15-30 МэВ, ускоренном на циклотроне CICLONE 30. Несмотря на то, что на CICLONE 30 можно получать токи протонов до 500 мкА, для производства вторичных пучков оказывается достаточно тока ~ 200 мкА, что соответствует мощности, развиваемой на мишени ~ 6 кВт. Радиоактивные атомы или молекулы, извлеченные из мишени, затем ионизируются в ионном источнике до зарядовых состояний 1+ - 5+ и транспортируются во второй циклотрон CICLONE. Одновременно с процессом ускорения до требуемых энергий во втором ускорителе происходит сильная сепарация по массам ускоряемых частиц. На рисунке внизу показано также будущее развитие проекта. Вторичный пучок будет дополнительно ускоряться на циклотроне CICLONE 44, функционирующем с 1997 года. В результате будут получены пучки с энергией 0.2 - 0.8 МэВ/нуклон, что особенно существенно для решения астрофизических проблем. В табл. 4.1 приведены характеристики пучков, полученных в настоящее время.

 

Таблица 4.1 Характеристики пучков, получаемых Louvain-la-Neuve

Элемент

Период
полураспада

Заряд иона

Максимальный ток,
част/с

Диапазон энергий,
МэВ
6He 0.8 с 1+ 106 5.3 - 18
2+ 2*105 30 - 73
11C 20 мин 1+ 107 6.2 - 10
13N 10 мин 1+ 4*108 7.3 - 8.5
2+ 3*108 11 - 34
3+ 1*108 45 - 70
18F 110 мин 2+ 106 11 - 24
18Ne 1.7 с 2+ 6*10 6 11 - 24
3+ 4*105 24 - 55
19Ne 17 с 2+ 2*109 11 - 23
3+ 1.5*109 223 - 50
4+ 8*108 60 - 93
35Ar 1.8 с 3+ 2*106 20 - 28
5+ 105 50 - 78

    Получение каждого из пучков является сложной задачей. Так при получении ускоренного пучка 6He возникли следующие проблемы.

  1. Короткое время жизни T1/2(6He) = 0.8 с затрудняет использование традиционных твердых ловушек. Для накопления ионов использовались газовые ловушки.
  2. Выбор реакции 7Li(p,2p)6He для получения изотопа 6He создает дополнительные проблемы фона. Несмотря на относительно низкий порог реакции (12.5 МэВ), выход этой реакции оказывается существенно меньше, чем выход реакции 7Li(p,n)7Be, что создает дополнительный фон от 7Be.
  3. По условиям эксперимента необходима следующая сепарация ионов:
    6He1+ от ионов 6Li1+ (deltam/m = 6.3*10-4) и ионов 6He2+от ионов
    3He1+ (deltam/m = 2*10-3).

    Пучок 6He получается в результате бомбардировки мишени из LiF, заключенной в графитовый держатель пучком протонов с энергией 30 МэВ (ток пучка ~150 мкА). Интенсивность вторичных пучков 6He1+ и 6He2+ приведены в табл. 4.1.Здесь же приведены характеристики и других ионных пучков ускорительного комплекса ARENAS.
    Модернизация ускорителей позволит получать пучки частиц в области энергий от 0.2 до 0.8 Мэв/нуклон для исследований в области астрофизики.

SPIRAL - комплекс в Гренобле (Франция) является дальнейшим развитием ускорительного комплекса GANIL. Комплекс состоит из трех циклотронов (рис. 4.3), два из которых CSS1 и CSS2 функционируют как тандемы и ускоряют пучки тяжелых ионов до энергии 95 Мэв/нуклон.
    Пучки тяжелых ионов бомбардируют мишень, расположенную в ECR-источнике многозарядных ионов. После электромагнитного анализа вторичные частицы ускоряются на циклотроне SPIRAL. На ускорительном комплексе получаются пучки частиц от 6*109 до 2*1012 частиц/с. Ускоряются ионы от 238U до 12 С с энергией от 24A до 96 МэВ/нуклон. Характеристики планируемых радиоактивных пучков приведены в табл. 4.2.

Рис.4.3
Рис. 4.3. Схема ускорительного комплекса
SPIRAL- GANIL

EXCYT (EXotics with Cyclotron and Tandem) - комплекс в национальной лаборатории Катаньи (Италия) В него входят два ускорителя (рис. 4.4): сверхпроводящий циклотрон и тандем с энергией 15 МВ.

Рис.4.4
Рис. 4.4. Ускорительный комплекс EXCYT

Цель EXCYT - ускорение радиоактивных пучков до энергий 8 МэВ/нуклон. Пучок первичных частиц, формируемых в ионном источнике SERSE, ускоряется в сверхпроводящем циклотроне, поступает далее на мишень и после масс-сепаратора попадает в зал для экспериментов при низких энергиях. Для проведения экспериментов с высокими энергиями пучок вторичных частиц ускоряется в тандеме SMP. Характеристики вторичных пучков приведены в табл. 4.2. Предусмотрено строительство нового ускорителя - циклотрона для повышения энергии первичного пучка протонов до 200 Мэв.

ISOLDE PS Booster Facility - комплекс для получения радиоактивных пучков в CERN (Швейцария). Радиоактивные пучки методом ISOL (рис.4.5) получаются в результате облучения толстых мишеней пучком протонов, ускоренных на синхротроне до энергии 1.4 ГэВ.

Рис. 4.5
Рис. 4.5. Производство радиоактивных пучков в CERN

Радиоактивные пучки образуются в результате реакций деления, глубоко-неупругих процессов, фрагментации. Ускоренные до энергии 1.4 ГэВ протоны поступают в накопитель PSB (Proton Synchrotron Booster). Импульсный пучок, формируемый в накопителе PSB (~ 3.2·1013 протонов каждые 1.2 секунды), по ионопроводу, расположенному в подземном туннеле, транспортируется на мишени ISOL. Используются две мишени. Одна мишень расположена на прямом пучке протонов, другая - на пучке, повернутом на 400 мрад. Обе мишени обслуживаются роботом, который, находясь в зоне высокой радиации, выполняет все работы по установке и замене мишеней на входах сепараторов вторичных частиц. Радиоактивные ионы, образованные в результате реакций на мишени, ускоряются до энергии 60 кэВ и поступают в масс-сепараторы (рис.4.6).


Рис. 4.7. Масс-сепараторы комплекса ISOLDE

Используются два сепаратора. Сепаратор GPS (General Purpose Separator) позволяет одновременно выделить три пучка, различающихся по массе в пределах +15% относительно выбранной массы. Разрешение по массам этого сепаратора m/deltam = 2400. Другой сепаратор (рис.4.7) - сепаратор высокого разрешения HRS (High Resolurion Separator) оборудован двумя магнитами и позволяет получить в стандартном режиме разрешение по массам m/deltam ~ 10000. С помощью этого сепаратора можно достичь разрешения m/deltam > 30000. Используя различные комбинации мишеней, на ISOL CERN производятся радиоактивные пучки приблизительно 70 изотопов.

Характеристики пучков вторичных частиц приведены в табл. 4.2.

В 2000 году энергия вторичных пучков была повышена до энергии 2.2 Мэв/нуклон с помощью линейного ускорителя. Новый комплекс называется REX-ISOLDE.

 

 

Рис.8
Рис. 4.8. Схематическая диаграмма получения радиоактивных пучков в проекте PIAFE

PIAFE (Production, Ionization, Acceleration of Exotic Beams Facility) - комплекс для получения интенсивных пучков радиоактивных ядер в Гренобле (Франция). Источником радиоактивных ядер служит высокоинтенсивный ядерный реактор (~ 1014 нейтронов/(c*см2)) на тепловых нейтронах. Схематически ускорительный комплекс показан на рис. 4.8 и 4.9. Образующиеся в результате деления 235U радиоактивные ядра попадают в ионный источник, однократно ионизируются и затем инжектируются в циклотронный комплекс SARA, состоящий из двух циклотронов-инжекторов и постускорителя. Вторичные пучки получаются в диапазоне масс A ~ 70 - 150 с энергией 2 - 20 МэВ/нуклон. Характеристики вторичных пучков приведены в таблице 4.2.

Рис. 4.9
Рис. 4.9. Циклотронный комплекс SARA

MAFF (Munich Accelerator for Fission Fragments) - ускорительный комплекс радиоактивных пучков в Университете Людвига-Максимлиана (Мюнхен, Германия). На рис. 4.10 приведена схема создаваемого комплекса.

Рис. 4.10
Рис. 4.10. Ускорительный комплекс радиоактивных пучков в Мюнхене

Ионным источником является 25 г. 235U, расположенного на расстоянии 70 см от центра ядерного реактора. Поток нейтронов из урановой мишени составляет
1.5·1014 нейтронов·см-2·с-1, что приводит к 1.2·1014 актам деления в секунду. Для того, чтобы скомпенсировать сгорающий в делении 235U, каждые 51 сутки в источник добавляется 18 г 238U , что приводит к стабильному потоку вторичных ионов. Планируется дополнительно использовать лазерный источник для повышения выхода изотопов Ge. Радиоактивные ионы извлекаются из источника под действием электростатического потенциала ~ 30 кэВ и затем, после системы сепарации (1:103), поступают в экспериментальный зал для последующего ускорения до энергии (5.5 - 6.5) МэВ/нуклон. Энергетическое разрешение пучков deltaE/E < 0.5%. Конечные пучки поступают на несколько экспериментальных установок. Основная цель проекта - получение и детектирование сверхтяжелых элементов. Для этих целей после мишени устанавливаются IGISOL-система, газонаполненный магнитный сепаратор, фильтр Вина. В результате фактор подавления первичного пучка частиц лучше 1016. Для детектирования образующихся тяжелых нейтроноизбыточных ядер используется высокоэффективный детектор гамма-квантов MINIBALL.

SIRIUS - проект лаборатории Резерфорда Апплтона в Дидкоте (Великобритания).

    В проекте предполагается использовать пучок протонов синхротрона с энергией 800 Мэв и током 100 мА для производства радиоактивных ядер. На втором этапе радиоактивные пучки будут ускоряться с помощью линейного ускорителя до энергии 10 Мэв/нуклон.
    Возможности различных установок в получении пучков радиоактивных ядер методом ISOL сравниваются на рис. 4.11 и в табл. 4.2.

Рис. 4.11
Рис. 4.11. Сравнение возможностей получения радиоактивных пучков с массой A и различными энергиями на установках, использующих метод ISOL

Таблица 4.2 Интенсивности пучков вторичных частиц радиоактивных ядер в различных европейских проектах

Пучок

Период полураспада

ISOLDE
Интенсивность,
атом/c· мкА

GANIL SPIRAL
Интенсивность,
атом/c·мкА

CATANIA
Интенсивность,
атом/c·мкА

PIAFE
Интенсивность,
атом/c·мкА
8He 122 мс 2.6·108 2.2·106    
8Li 842 мс 1.1·109 1.6·109 1.6·109  
11Li 9 мс 1.5·104 6.1·104 6.1·104  
7Be 53 сут. 1.4·1010 1.4·108    
14Be 5 мс 2.8·102 2.2·100    
11C 20 мин. 9.3·109 1.5·109 1.5·109  
13N 10 мин 7.0·109 3.8·109 3.8·109  
14O 71 с 2.9·109 5.3·108 5.3·108  
15O 2 мин 4.3·109 2.9·109 2.9·109  
19O 27 мин 1.4·109 3.3·108 3.3·108  
22O 2.3 с 3.0·106 6.1·104 6.1·104  
17F 65 с 1.6·108 5.8·107 5.8·107  
19Ne 17 с 2.3·1010 2.1·109    
26Ne 162 мс 1.1·106 3.1·105    
20Na 446 мс 9.8·108 5.7·108 5.7·108  
30Na 53 мс 1.3·104 3.5·103 3.5·103  
26mAl 6 с 1.9·106 1.2·108    
30S 1 с 5.0·102 1.2·103 1.2·103  
34Ar 844 мс 2.3·108 4.0·108    
35Ar 1.8 с 2.4·109 2.2·109    
72Zn 46 ч 2.2·108 2.7·107    
78Zn 1.5 с 1.1·106 1.7·105   2.2·105
73Se 7 ч 8.3·109 3.2·108    
74Kr 12 мин 1.6*109 9.8·107    
91Kr 8.6 с 1.2*109 1.7·108   1.5·1012
94Kr 0.2 с 1.1*107 3.1·106   1.8·109
97Rb 170 мс 9.6*107 5.3·107   2.6·109
111I 2.8 сут. 1.8·1010 1.2·109    
105Cd 56 мин 8.0·108 2.0·107    
108Sn 10 мин 2.9·107 5.4·106    
132Sn 40 с 3.5·106 6.3·105   1.9·108
121Cs 2.3 мин 2.2·1010 6.2·108    
144Cs 1 с 8.2·109 1.5·109   2.5·109
142Xe 1.2 с 3.3·107 6.1·106   1.5·1011
144Xe 1.2 с 7.0·105 1.3·105   2.6·109

Содержание [Ускорительные комплексы (2)]

На головную страницу
Top.Mail.Ru