MASHA: синтез и свойства ядер

Опубликовано в еженедельнике ОИЯИ "Дубна"  № 9 (2010)

На январской сессии программно-консультативного комитета по ядерной физике начальник сектора Лаборатории ядерных реакций имени Г.Н.Флерова А.М.Родин представил программу экспериментов на установке MASHA. Редакция обратилась к нему с просьбой рассказать об этом проекте.

В экспериментах по синтезу и исследованию свойств трансурановых и сверхтяжелых элементов традиционно используется радиохимическая идентификация или метод, основанный на известных свойствах распадов синтезированных ядер, оканчивающихся уже изученными ядрами. На сегодняшний день установки, на которых проводятся эксперименты по изучению свойств сверхтяжелых элементов, существуют в GSI (Дармштадт, Германия), RIKEN (Вако-Ши, Япония), GANIL (Кан, Франция), LBL (Беркли, США) и ОИЯИ. Ввиду того, что время жизни большинства сверхтяжелых ядер невелико (от 100 мкс до 10 мс), для их синтеза применяются кинематические сепараторы, способные надежно отделять продукты реакций слияния от фона, обладающие высокой эффективностью и быстродействием. Но ни один из этих сепараторов не способен производить идентификацию продуктов по массе.

Цель проекта: идентифицировать по массе сверхтяжелые ядра с помощью масс-спектрометрической техники, - впервые была сформулирована в Лаборатории ядерных реакций, для чего был спроектирован и изготовлен масс-спектрометр MASHA - Mass Analyzer of Super Heavy Atoms. Уникальные возможности масс-спектрометра связаны с его способностью измерять массы синтезируемых изотопов сверхтяжелых элементов и одновременно регистрировать их альфа-распады и (или) спонтанное деление.

Исследования, проведенные в Лаборатории ядерных реакций, позволили установить, что время жизни 112 и 114-го элементов превышает полсекунды, а их химические свойства близки к свойствам инертных газов. Это создало хорошие предпосылки для проведения экспериментов по измерению масс изотопов названных элементов с использованием масс-спектрометрической техники в комбинации с классической, так называемой ISOL методикой. В первых экспериментах по измерению масс изотопов элементов 112 и 114 для подачи атомов продуктов реакций слияния в ЭЦР источник ионов будет использоваться горячая ловушка, аналогичная той, которая применена в проекте DRIBs для получения низкоэнергичного пучка ионов 6He. В такой схеме продукты реакций слияния, включая ядра сверхтяжелых элементов, вылетают из мишени и тормозятся в графитовом поглотителе, нагретом танталовой лентой до температуры 1500-2000 К. Далее атомы СТЭ диффундируют в вакуумный объем и по трубопроводу доставляются в ЭЦР источник, где ионизуются до заряда +1. Затем ионы СТЭ ускоряются до энергии 40 кэВ и анализируются по массе, проходя через специально сформированное магнитное поле. Масса иона определяется по величине постоянного магнитного поля, соответствующего определенной координате в фокальной плоскости. Оценки показывают, что полное время диффузии из поглотителя и доставка атомов в объем источника не будет превышать 0,3 секунды. Для легколетучих элементов успешно используется ЭЦР источник 2,45 ГГц. Эффективность при получении пучка однозарядных ионов инертных газов для такого источника достигает 90 процентов.

Масс-спектрометр установлен на специально созданном канале выведенных пучков циклотрона У-400М. Первые тесты установки проведены в автономном режиме, когда поток продуктов реакций имитировался калиброванным потоком атомов криптона. Целью этих тестов было определение основных параметров спектрометра. В результате установлено, что полная эффективность составляет 47 процентов, а разрешение по массе - 1400. Такая эффективность означает, что почти половина ядер, полученных в эксперименте, в виде однозарядных ионов может быть доставлена до фокальной плоскости, а следовательно, измерена их масса и определены характеристики распада. Разрешение 1400 означает, что даже для десяти атомов СТЭ его масса может быть измерена с точностью 1/4400 атомной единицы массы, или 3,75х10^-31 кг. (Под этим углом зрения наша установка есть не что иное, как сверхточные весы.) В настоящее время идет непосредственная подготовка установки для экспериментов на пучке циклотрона У-400М. Начало экспериментов по измерению массы 112 и 114-го элементов запланировано на апрель - май 2010 года.

Создание и применение такой установки, как масс-спектрометр MASHA, - дело не простое и не дешевое. Поэтому не стоит замыкаться только на одном направлении исследований, пусть даже таком амбициозном, как массовая идентификация сверхтяжелых элементов. Рассматриваются и другие возможности применения установки для исследований, а также направления развития представленной экспериментальной методики.

При масс-спектрометрическом исследовании изотопов, удаленных от линии стабильности, ключевыми являются два параметра - суммарная эффективность, а также время доставки продуктов реакции слияния в источник и их ионизации. Однако применение комбинации горячая ловушка плюс ЭЦР источник позволяет ионизовать только легколетучие элементы, что сильно ограничивает экспериментальные возможности.

Наиболее перспективным направлением развития установки представляется использование техники газовой ловушки, где твердотельный поглотитель заменен на инертный газ (гелий), и дальнейшее преобразование потока ядер продуктов реакций с тяжелыми ионами в монохроматический пучок ионов с энергией 40 кэВ происходит вне зависимости от химических и физических свойств полученного элемента.

Преимущества газовой ловушки заключаются в следующем. Отсутствует зависимость от химических и физических свойств нуклидов, пучки которых формируются в ловушке. Она имеет существенно большее быстродействие (порядка 10 мс) по сравнению с горячим поглотителем (около 0,3 с). Отпадает необходимость в ионизаторе. Потенциально велика эффективность преобразования потока продуктов реакций с тяжелыми ионами при энергиях 5-10 МэВ/нуклон в пучок низкой энергии (до 40 процентов).

Кроме изучения свойств ядер, образующихся в реакциях слияния с тяжелыми ионами (нейтроннодефицитная область карты изотопов), представляется перспективным исследовать и ядра, получающиеся в реакциях многонуклонных передач, в которых можно эффективно синтезировать ядра с большим избытком нейтронов.

Еще одним перспективным направлением исследований с использованием комбинации газовая ловушка - масс-спектрометр MASHA является лазерная спектроскопия. При замене ЭЦР источника ионов с горячей ловушкой на газовую ловушку увеличится и разрешение масс-спектрометра по массе примерно в четыре раза. При этом размер пучка ионов в фокальной плоскости не будет превышать 1 мм при минимальном угловом разбросе, что создает идеальные условия для коллинеарной лазерной спектроскопии. Требуемая интенсивность пучка ионов при этом составляет не менее 10² с^-1. Оценки показывают, что светимость установки в целом может достигать 3х10³³ см^-2 с^-1, что при полном сечении реакции 10^-28 см² обеспечивает требуемую интенсивность пучка ионов в фокальной плоскости. В этот диапазон сечений попадают реакции передач вплоть до шести нуклонов, а также многие реакции слияния с тяжелыми ионами.

Эксперименты с использованием метода коллинеарной лазерной спектроскопии можно проводить и используя источник спонтанного деления 252Cf, подобно тому, как это планируется в Аргоннской национальной лаборатории (США). Если взять источник с общей активностью 10 мКюри (2-й класс радиационной опасности), то становятся доступными для исследований примерно 300 изотопов в области от As до Tb и 29 изомеров.

Модернизация установки с применением газовой ловушки может быть реализована в рамках семилетнего плана развития ЛЯР.