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 ), толщиной мишени d, эффективностью метода сепарации :

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 (E_p > 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 . 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. 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. 3.2. 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 _вых ~ 70 - 100%.

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 - M/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 (E_кин осколков ~ 200 МэВ). В этом случае релятивистские фрагменты разлетаются внутри телесного угла ~ 40 мстрад и имеют разброс импульсов p/p ~ 10%. Разделение продуктов реакций основано на их геометрии движения в электрическом и магнитном полях. С помощью соотношения

где - сила, действующая на ион, ,, q - импульс, скорость и заряд иона, ,- напряженности электрического и магнитного полей, можно вычислить траекторию иона при движении в электрическом и магнитном полях.
    Если электрическое и магнитное поля однородны, то электрическая E и магнитная B жесткости определяются соотношениями

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

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. 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 B. 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. 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 F_E = qE и F_B = 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]

где v₀ =2.18·10⁶ м/с - скорость Бора. Подставляя (3.5) в соотношение (3.4) для магнитной жесткости B 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:

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

Поэтому относительные потери энергии фрагментами определяются соотношением

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. Пространственное разделение фрагментов, полученное методом B-E-B

    На рис. 3.6 показаны возможности комбинированного
B-E-B 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 , характеризующим скорость уменьшения элемента Г шестимерного фазового объема

Для электронного охлаждения ионного пучка

где n_e - средняя плотность электронного пучка, M, m - массы иона и электрона, _e, _i- угловые разбросы электронов и ионов, _max, _min - максимальный и минимальный прицельные параметры столкновения, v - скорость электронов (ионов).

Установившееся значение углового разброса в ионном пучке определяется соотношением

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. 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 p/p в накопителе ESR (Дармштадт, Германия) с 3·10^-3 до 5·10^-7.

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. 11^th 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 p/p, %	Магнитная жесткость B, T·м	Разрешение по массам m/m
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)