Ускорительные комплексы для получения пучков радиоактивных ядер

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

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

    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. 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+	2105	30 - 73
11C	20 мин	1+	107	6.2 - 10
13N	10 мин	1+	4108	7.3 - 8.5
		2+	3108	11 - 34
		3+	1108	45 - 70
18F	110 мин	2+	106	11 - 24
18Ne	1.7 с	2+	610 6	11 - 24
		3+	4105	24 - 55
19Ne	17 с	2+	2109	11 - 23
		3+	1.5109	223 - 50
		4+	8108	60 - 93
35Ar	1.8 с	3+	2106	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 T_1/2(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⁺ (m/m = 6.310^-4) и ионов ⁶He²⁺от ионов
   ³He¹⁺ (m/m = 210^-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 610⁹ до 210¹² 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.

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.

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. 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/m = 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/m ~ 10000. С помощью этого сепаратора можно достичь разрешения m/m > 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. 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/(cсм²)) 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. 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. 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 E/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 -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. 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	1.6109	9.8·107
91Kr	8.6 с	1.2109	1.7·108		1.5·1012
94Kr	0.2 с	1.1107	3.1·106		1.8·109
97Rb	170 мс	9.6107	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