Ионно-оптические системы для экспериментов с тяжелыми ионами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

РГ8 ОД

> и рпц г-'"»4

I- У I-.!! и»«''»

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

7-93-99

УДК 593.1.074 На правах рукописи

СТЕПАНЦОВ Сергей Викторович

ИОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ С ТЯЖЕЛЫМИ ИОНАМИ

Специальность: 01.04.16 — физика ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Дубна 1993

Работа выполнена в Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н.Флерова Объединенного института ядерных исследований-

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Тер-Акопьян Г.М.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник Новиков Ю.Н.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Иванов И.Н.

Ведущее предприятие: НИИЯФ МГУ, г.Москва

Защита диссертации состоится "_"__1993 г.

в п__" часов на заседании специализированного совета

Л 047.01.05 при Лаборатории нейтронной физики им.и.М.Франка и Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н.Флерова Объединенного института ядерных исследований (г.Дубна, Московской области).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИЯИ. Автореферат разослан 1993 года.

Ученый секретарь

специализированного совета Таран Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Данная работа проводилась в замках деятельности по развитию новой экспериментальной базы 1аборатории ядерных реакции им. Г.Н. Флерова ОИЯИ, применяемой 1ля решения задач, возникающих в традиционных и новых направлениях, а именно:

- поиск в природе гипотетических сверхтяжелых элементов, масса 1дер которых превышает массу ядер всех известных элементов 1ериодической системы Менделеева;

- изучение физических и химических свойств трансурановых и грансфермиевых элементов и механизма ядерных реакций с гяхелыми ионами;

- исследования на пучках экзотических ядер.

Целью_Еабот, составивших диссертацию, было: проектирование и создание ультрачувствительного масс-спектрометра ЛИДИА для поиска сверхтяжелых элементов в природе л проведения локального структурного анализа следовых количеств тяжелых элементов в геологических пробах и образцах;

- техническое предложение схемы и магнитной структуры ускорительно- накопительного комплекса тяжелых ионов К4-К10 цля получения интенсивных пучков радиоактивных ядер и изучения *х физических свойств.

В соответствии с указанной целью в диссертационной работе ;тавятся_и_£ешаются_след^ющие_задачи:

- проектирование магнитной системы трехкаскадного ультрачувствительного масс-спектрометра ЛИДИА, отвечающей требованиям устранения фона рассеянных ионов основы образца 1ри элементном анализе на уровне относительной 1увствительности лучше 10~'°ат./ат. и абсолютной

о

*увствительности лучше 10 атомов.

- разработка и реализация новой конструкции токовых катущек а-\ £-типов для активной коррекции магнитного поля дипольных «агнитов, позволяющая достигать в рабочей области магнитной юрожки шириной 120 мм, при плотности тока -}*25 А/мм2 и уровне зозбуждения основого поля в =(1.0-1.3) тл, при естественном охлаждении и без существенного разогрева изоляционного (атериала:

а) в случае а-катушек: распределенного градиента магнитного поля эв/эг^о.2 Тл/м;

б) в случае /3-катушек: распределенной секступольной составляющей поля Э2в/Эг2й3.6 Тл/м2.

предложение и расчет усовершенствованной схемы масс-спектрометра ЛИДИА с разрешением по массе л г=4000 (10%-ный уровень) при телесном угле захвата 0=0.3-10~3 ср и ширине щели источника о.з мм.

- предложение и расчет ионно- оптической схемы накопительного кольца К4 с системой инжекции, реализующей новый метод инжекции охлаждением пучка для ионов с Аг20 и позволяющей достигнуть времени накопления и охлаждения пучков не более 250 мс.

- предложение и расчет ионно-оптической схемы канала сепарации пучков радиоактивных ядер, образующихся в реакции фрагментации на производящей мишени первичных ионов, отличающейся тем, что для достижения углов захвата |е | = |в 1*50 мрад

1 гор. 1 * верт.

вылетающих из мишени вторичных ионов с импульсным разбросом Др/р=±0.5% применен триплет широкоапертурных квадрупольных линз, преобразующий реальный источник ионов сепарационного канала в мнимый с уменьшенным разбросом ионов по углам выхода 1®гор I310 мРаД и 10Верт1~25 мРаД и соответствующим уменьшением размеров используемых дипольных магнитов. Наличие в системе данного канала мнимого источника позволяет дополнительно понизить, как минимум на порядок величины, фон от первичного прямого пучка.

- предложение и расчет ионно- оптической схемы инжекции и электронного охлаждения на орбите кольца К10 пучков короткоживущих (т^^ьО.ОЗ.с) радиоактивных ядер за счет последовательных этапов:

а) охлаждения первичного пучка на инжекционной орбите кольца К4 для уменьшения его продольного и поперечного эмиттансов ;

б) ускорения этого пучка до максимально возможной для данного кольца энергии, соответствующей магнитной жесткости 4 Тл -м;

в) 1/4-периодного синхротронного вращения в ВЧ-поле продольного эллипса небанчированного первичного пучка;

г) быстрого вывода и фокусировки короткого (=20нс) импульса

первичного пучка на производящую мишень малого размера (из1мм) и образования вторичных радиоактивных пучков той же временной длительности и с поперечным эмиттансом до 25л мм мрад;

д) получения сепарированного пучка радиоактивных ядер;

е) 1/4-периодного синхротронного вращения в ВЧ-поле на инжекционной орбите кольца К10 продольного фазового эллипса полученного . радиоактивного пучка для уменьшения его импульсного разброса и соответствующего сокращения времени охлаждения: 0.01с на орбите инжекции и 1.0с на орбите накопления (стэка) .

Эти задачи решались в работах /1-8/.

__цабот, составивших диссертацию,

заключается в следующем:

1. Впервые реализована на практике трехкаскадная схема масс-спектрометра с большой светосилой, удовлетворяющая требованиям, необходимым для поиска сверхтяжелых элементов в природе на уровне относительной чувствительности лучше ю~!0 ат./ат. примеси тяжелого элемента в образце с абсолютной чувствительностью порядка 108 атомов определяемого элемента (вес пробы около 10 мг).

2. Разработана магнитная структура ускорительно-накопительного комплекса тяжелых ионов К4-К10 для реализации новой схемы получения прецизионных пучков короткоживущих радиоактивных ядер.

П£актическая_ценность. Масс-спектрометр ЛИДИА может быть применен для чувствительного локального анализа элементного состава пород, минералов и синтетических веществ. После предлагаемой его модернизации в прибор с двойной фокусировкой и достижения массового разрешения R £1000, он может иметь

m

практическое применение в производстве сверхчистых полупроводниковых материалов с контролируемым содержанием примесных элементов. Созданные корректирующие токовые катушки, которые позволяют достигать плотности тока в витках обмотки до 25 А/мм2 без существенного разогрева (ts40°C) изоляционного материала, могут найти применение при разработке различных ионно-оптичесхих систем.

Разработанные и рассчитанные схемы кольца К4, канала сепарации, инжекции и охлаждения пучка на орбите кольца К10 в данное время применяются при разработке технического проекта накопительного комплекса К4-К10.

АПЕ2§ация_1)аботы• Результаты диссертационной работы

представлялись на: 9-ой Международной конференции по масс-спектрометрии (Вена, Австрия 1982), 3-й и 5-ой Всесоюзных конференциях по масс-спектрометрии (Ленинград, 1981,1985), 8-й Всесоюзной конференции по методам получения и анализа высокочистых веществ (Горький, 1988), на Международной конференции по ускорителям частиц IEEE (Сан-Франциско, США 1991).

• По результатам исследований, составивших основу диссертации, опубликовано 8 работ. Эти результаты полученц автором в период 1982-1992 г.г.

£1Е££1ХЕ®_2_25ъем_£иссе£тации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и изложена на 121 страницах машинописного текста, включая 37 рисунков, 20 таблиц и список литературы из 93 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

§Е_5£§3§ЦЙЙ обоснована актуальность поставленной задачи, сформулирована цель работы, изложены основные положения, которые выносятся на защиту, и приводится краткое содержание диссертации по главам.

§_П£П£25_Е£5£ё кратко рассмотрены методы и программные средства для расчета движения заряжённых частиц в электромагнитных полях ионно-оптических систем: введены основные математические понятия и соотношения между используемыми величинами, проведен сравнительный анализ особенностей расчета масс-спектрометрических установок и циклических машин синхротронного типа, дается краткая характеристика компьютерных программ, наиболее часто используемых при проектировании ионно-оптических систем.

Вто£ая_глава посвящена ультрачувствительному масс-спектрометру ЛИДИА. Отмечается, что одним из традиционных направлений исследований в области ядерной физики низких энергий уже на протяжении многих десятков лет является

получение и исследование ядерно-физических свойств новых неизвестных на данный момент химических элементов.

Специфическим свойством этих элементов является тот факт, что из-за радиоактивного распада, их обнаружение в природных материалах практически невозможно. Тем не менее они могут быть синтезированы в реакциях нейтронного захвата или в ядерных реакциях с тяжелыми ионами.

Начиная с тория-урана времена жизни ядер известных элементов уменьшаются с ростом атомного номера. Наиболее тяжелые из них, недавно открытые изотопы элементов 106 и 107, имеют времена жизни в диапазоне от одной секунды до одной миллисекунды. Можно было бы предположить, что такая тенденция уменьшения времен жизни сохранится и в области все более тяжелых нуклидов, тем самым налагая естественный предел на возможность получения новых элементов. Однако данные по ядерной стабильности показывают, что оболочечные эффекты, хорошо известные, например, в области свинца, определенно должны приводить к повышению устойчивости еше более тяжелых ядер - так называемых сверхтяжелых элементов (СТЭ).

Первые количественные оценки свойств СТЭ, сделанные в конце 60-х годов, позволили предсказать существование достаточно большого острова стабильности в области нуклидов с атомными номерами вокруг 114. Для некоторых изотопов были получены даже значения времен жизни сравнимые с возрастом Солнечной системы (4.7-109 лет). С тех пор усилия большого числа исследовательских групп было сконцентрировано на проблеме СТЭ и на изучении ядер вблизи границы Периодической системы Менделеева.

Несмотря- на все предпринятые попытки своего решения, гипотеза существования сверхтяжелых элементов в природе продолжает оставаться всего лишь гипотезой. Ядра этих элементов не синтезированы также в реакциях с тяжелыми ионами на ускорителях. Тем не менее интерес к данной проблеме не исчезает в виду ее важности для ядерной физики и различных применений в химии, астрофизике, космологии, атомной физике, квантовой электродинамике. Существенным шагом вперед при этом может быть создание более высокочувствительной эксперимен-

тальной аппаратуры, адекватной сложности решаемой проблемы. Более того, некоторые результаты, полученные при поиске СТЭ в природе, а также при попытках их синтеза на ускорителях вселяют некоторую надежду и стимулируют интерес к проведению дополнительных экспериментов на более совершенной аппаратуре.

Проект ультрачувствительного масс-спектрометра ЛИДИА был предложен в 1982 году для осуществления нового инструментального подхода в экспериментах по поиску сверхтяжелых элементов в природе. Целью проекта ЛИДИА является достижение чувствительности определения по концентрации 10~14ат./ат. для примеси тяжелого элемента в образце, основу которого составляют легкие элементы. При абсолютной чувствительности Ю6 атомов определяемого элемента минимальный вес пробы составит около 10 мг. Поэтому при выборе схемы работы масс-спектрометра ставилась задача достижения сравнительно высокой эффективности использования вещества пробы (регистрация в фокальной плоскости ю~6-ю~3 доли числа атомов пробы). Для получения высокой эффективности преставлялось допустимым снижение уровня разрешения прибора по массе до величины I? зЗОО.

ш

Невысокое разрешение и низкий концентрационный предел обнаружения влекут за собой необходимость применения специальных мер для подавления фона молекулярных иойов и фона рассеянных на элементах вакуумной камеры установки ионов основных массовых линий образца. Эти два источника фона обычно ограничивают предел чувствительности масс-спектрометрического анализа. В нашем случае ситуация несколько облегчается тем, что используемый в данном масс-спектрометре лазерный плазменный источник, как наиболее адекватный задаче поиска сверхтяжелых элементов, отличается возможностью значительного подавления фона молекулярных ионов, дополнительного уменьшения этого фона удается достичь за счет отбора двух- или трехзарядных ионов из лазерной плазмы, их перезарядки на

мишени и масс-спектрометрического анализа ионов, испытавших „ * + ♦ +

перезарядку 2 1 или 3 ■> 1 .

Для подавления фона рассеянных и перезаряженных ионов основы образца масс-спектрометр должен обеспечить двух- или

трехступенчатое выделение массовых линий искомых тяжелых элементов. Это требование существенно влияет на выбор ионно-оптической системы масс-спектрометра. Необходимость получения нужной величины эффективности использования пробы наряду со специфическими особенностями лазерного источника (высокой плотностью и температурой плазмы, большим пространственным зарядом пучка) определяет выбор системы со сравнительно большими размерами и накладывает ограничение на минимальную величину ее аксептанса. Можно показать, что для достижения коэффициента использования вещества 10~3-10~4 необходимо обеспечить возможность транспортировки ионов в телесном угле Пз1мср. При этом главная диафрагма источника должна иметь диаметр и^2мм. Достижение приемлемого времени анализа • требует одновременного пропускания через масс-спектрометр ионов в диапазоне порядка 10 массовых единиц.

Схематически масс-спектрометр показан на рис 1. Два дипольных магнита М1 и М2 и четыре магнитных квадрупольных линзы 01-04 образуют ахроматическую зеркально-симметричную систему с промежуточным изображением о. Основное назначение этой системы состоит в преобразовании источника масс-спектрометра из положения 01 в положение Оз с выделением из всего массового спектра ионного пучка ограниченного диапазона масс, определяемого импульсным аксептансом

установки. Дипольный магнит МЗ и квадрупольная линза Q5 создают в фокальной плоскости Од изображение массовых линий, прошедших через ахроматическую систему.

Стигматическая фокусировка 1-го порядка в плоскостях изображения 02»°3 и °4 достигается соответствующим возбуждением квадрупольных линз Q1-Q5. Более тонкая настройка системы осуществляется с помощью трех а-катушек, создающих области магнитного поля с распределенным градиентом в радиальном направлении (-х) .

Наиболее существенной аберрацией в горизонтальной плоскости в фокусе ахроматической системы О является хроматическая (х/х'6) (в обозначениях программы TRANSPORT), которая устраняется введением в дипольные магниты Ml и М2 секступольной компоненты поля с помощью двух ^-катушек. Форма массовой линии в фокальной плоскости С>4 определяется, главным образом, геометрической (х/х'2) и хроматической (х/х'6) аберрациями. Для их компенсации границы дипольных магнитов МЗ выполнены в форме дуг окружностей: входная граница - выпуклая, выходная граница - вогнутая. Возможные отклонения расчетных радиусов кривизны торцевых поверхностей от реальных значений, полученных после проведения магнитных измерений, устраняются введением еще одной секступольной компоненты магнитного поля (третья |3-катушка) .

Элементы тонкой настройки и коррекции формы магнитного поля масс-спектрометра (а- и /3-катушки) представляют собой системы концентрических медных проводников, выполненных на единой изоляционной основе и расположенных на полюсах дипольных магнитов. Для а-катушки ширина всех проводящих полос одинакова, тогда как для /З-катушки ширина каждой последующей полосы линейно уменьшается в обе стороны от осевой линии. Тем самым в этих элементах создается радиальное распределение плотности тока j(r)=const и j(r)=*|R-r|, соответственно, где R - радиус осевой линии. Их конструкция позволяет работать в диапазоне токов I^I^sioOA без заметного нагрева изоляционного материала. Тем самым для а-катушек возможно достижение градиента поля ЭВ/агз0.2 Тл/м в рабочей области магнитной дорожки 120 мм. Максимально допустимое значение величины

секступольной составляющей для /3-катушки равно э2в/эг2=з.б Тл/м2.

Для измерения основных ионно-оптических характеристик

249

установки были использованы два а-источника: а) С^ спектр а-частиц которого имел максимум при энергии 3.95 МэВ с шириной на половине высоты ±5%, что соответствовало по магнитной жесткости однозарядным ионам с энергией 50 кэВ, массой 78 а.е.м. и импульсным разбросом ±2.5%; б) спектрометрический а-источник 2261*а.

Результаты измерений профиля пучка в двух поперечных направлениях (х) и (у) в плоскости ахроматического изображения О^ приведены на рис.2. Три гистограммы (1,2,3) соответствуют

Рис.2. Профили пучка а-частиц в пл-ти ахроматического изображения Оз в гор.(х) и верт.(у) направлениях: 1- оптимальная настройка только квадрупольных линз <21~04 и диполь-ных магнитов М1,М2; 2- дополнительное возбуждение а-катушек; 3- одновременное возбуждение а- и /3- катушек .

ТАБЛИЦА 1. Некоторые экспериментальные ионно-оптические характеристики масс-спектрометра.

о ф

V 2.,

1)

л 2) УЧ

А 3) .1.

-5 0 5

У,тш

-10 0 10 Х,тт

Расчет Эксперимент

Массовое разрешение (ГУШМ) 480° 2672)

Телесный угол захвата

(100%-ная трансмиссия),ср 2.5 -10"3 2.3 -10"3

Импульсный аксептанс,% ±2.5 ±1.6

Дисперсия, см/%(Вр):

-плоскость о 2 2.5 (2.49±0.Об)

-плоскость о 4 4.0 (4 . 0±0.1)

"Расчетное разрешение по массе получено для а-источника в пл-ти О диаметром 2 мм. Разброс по энергии а-источника О.IX.

г)Измеренное разрешение получено для а-источника в плоскости О размером 6x8 мм2 при ширине шели в плоскости О 4мм. Разброс а-частиц по энергии составлял О.3%.

последовательному улучшению фокусировки пучка, достигаемому настройкой квадрупольных линз 01-04 и дипольных магнитов М1 и М2 (1) и дополнительным возбуждением корректирующих а-катушёк (2) и Э-катушек (3) . Сплошными линиями на рисунке изображены расчетные профили, полученные при тех же условиях.

В таблице 1 даются экспериментально полученные основные ионно-оптические характеристики масс-спектрометра и проведено их сравнение с расчетными параметрами. 100%-ной трансмиссии пучка а-частиц из плоскости 01 в плоскость С>4 в импульсном интервале ±1.6% соответствует аксептанс установки сх=1.5х15п мм-мрад и еу=1,5х35л мм-мрад.

Для более корректного определения разрешения масс-спектрометра в фокальной плоскости необходим источник ионов с большей интенсивностью, каковым является, например, лазерный источник ионов.

ё_1ЕЁ1Ьё2_С£§&§ предлагается одна из возможных модификаций существующего масс-спектрометра ЛИДИА (рис.3) с выполнением условий одновременной фокусировки по углу и энергии ионов, позволяющей по крайней мере на порядок повысить массовое разрешенние прибора. таким свойством обладает часть ионно-оптической системы спектрометра от щели О до новой фокальной плоскости с>5, а ахромат от выходной щели ионного источника 0( до плоскости ахроматического изображения Оз можно рассматривать в качестве системы подавления фона установки.

Высокоразрешающая часть предлагаемого модифицированного

\

>

Рис.3. Проектируемая ионно-оптическая схема масс-спектрометра ЛИДИА с двой'ной фокусировкой.

варианта масс-спектрометра со структурой типа ОООЕ (0-магнитная квадрупольная линза <25, О- дипольный секторккй магнит ' МЗ, о- магнитная квадрупольная линза <26, Е-цилиндрическое электростатическое поле Е) обладает тройным фокусирующим эффектом первого порядка: двойной

пространственной фокусировкой в двух поперечных направлениях (х,у) и фокусировкой по энергии в плоскости дисперсии.

Расчеты формы массовых линий, проведенные для трех значений масс ионов у=ДМ/М=0,±0.01, при углах выхода ионов из источника в горизонтальной |а|£0.01 и вертикальной |/3|з0.01 плоскостях и энергетическом разбросе ионов 6*о.01 показали, что разрешающая сила прибора (на 10%-ном уровне) повышается от Л =8000 до

ГП

1*^17000 для центральной массы г=0 и практически остается неизменной для двух крайних массовых линий г=±о. 01 (1*^4000 и 5000 соответственно) при уменьшении ширины выходной щели источника в плоскости о от 2х =0.3 мм до 2х =о. 1 мм.

3 0 о

Основной вклад в уширение массовых линий могут вносить возможные несовершенства юстировки магнитных и электрических полей и их нестабильности. Согласно расчетам для данной системы наиболее жесткие требования должны быть наложены на уровень стабильности магнитного поля в диполе МЗ и электрического поля в конденсаторе Е. Для достижения, например, указанного выше массового разрешения уровень

—5 —5

стабильности полей должен быть не хуже 1 -10 и 5-10 соответственно.

описывается ускорительно-накопительный комплекс тяжелых ионов К4-К10, показанный, вместе со схемой циклотронного комплекса ЛЯР ОИЯИ (Дубна), на рис. б. проект включает в себя два кольца К4 и КЮ с соответствующими системами электронного охлаждения пучков, канал инжекции, предназначенный для транспортировки пучка от циклотрона У400М к кольцу К4, а также соединяющий кольца К4 и КЮ сепарирующий канал для быстрого вывода из кольца К4. В сепарирующем канале, представляющим собой ахроматическую систему с поглотителем энергии ионов в плоскости промежуточного изображения, происходит образование и последующая сепарация продуктов ядерных реакций.

Для инжекции на орбиту кольца К4 относительно легких ионов будет использоваться циклотрон У400М, работающий как самостоятельный ускоритель с ионным источником типа PIG и ECR. Для увеличения интенсивности пучков с массой А>50 в качестве инжектора будет работать тандем двух циклотронов У400 и У400М (табл. 2).

Проектирование К4-К10 велось с учетом того обстоятельства, что основной режим работы этого комплекса предусматривает эксперименты с охлажденными пучками радиоактивных ионов. Предполагается, что основной диапазон радиоактивных ионов

комплексом тяжелых ионов К4-К10. Показаны два циклотрона, У400 и У400М, объединенные в тандем, и циклотрон У200. Направление к экспериментальным установкам циклотрона У400М показано искривленной стрелочкой. Непосредственно справа от этой стрелки располагается система расщепления пучка и начинается транспортный канал к накопительному кольцу К4: 1-периметр здания, проектируемого для комплекса К4-К10; 2-бетонная защита накопительных колец и каналов пучков; 3-канал инжекции пучка; 4-система быстрого вывода пучка; 5-производящая мишень; б-канал сепарации RIB.

будет ограничен ионами с массой А<юо. Для получения пучков радиоактивных ионов будут использоваться реакции фрагментации первичных ионов промежуточной энергии. Такие ионы сначала будут ускоряться на циклотроне У400М, затем пучок этих ионов

будет инжектироваться в кольцо К4, на орбите которого пучок будет охлаждаться и дополнительно ускоряться до максимально достижимой на орбите этого кольца энергии, охлажденный пучок тяжелых ионов, ускоренных до максимальной энергии, после быстрого вывода с орбиты кольца К4 в виде коротких сгустков длительностью около 20 не, будет фокусироваться на производящую мишень с пятном фокусировки диаметром не более 1 мм. Малый размер производящей мишени облегчает задачу получения вторичных пучков радиоактивных ионов с небольшим поперечным эмиттансом, а короткая длительность сгустков первичного пучка ионов существенно уменьшает продольный

ТАБЛИЦА 2. Значения энергий тяжелых ионов и расчетные

значения тока пучков в циклотроне У400М.

Ионы Е/А Средний ток Кол-во ионов в

пучка пучке за временной

Мэв/нуклон с 1 интервал 1 мке

"Г 120 4 -ю13 2 -ю8

4Не1 + 30 6 -1013 з -ю8

45 4 -ю13 2 ю8

'V* 40 2 -ю13 1 ю8

2 0. т 5 + Ые 30 3 -ю13 1.5 -108

4 8 10* Са 25 3 -ю12 3 ю7

8 4,, 2 1 + Кг 30 3 -10" з -ю6

1 3 6„ 3 3* Хе 35 2 -10й 1-Ю6

208РЬ44* 24 1 -ю" 5 -ю5

2 3 8 у4 8 + 20 1 -ю11 5-Ю6

эмиттанс вторичных радиоактивных пучков. Небольшие величины продольного и поперечного эмиттансов радиоктивных пучков облегчают условия инжекции на орбиту кольца К10, а также позволяют, в конечном счете, значительно уменьшить время охлаждения радиоактивных пучков в этом накопительном кольце.

В таблице 3 представлены максимальные энергии, которые могут быть достигнуты на орбитах колец К4 и К10 для ионов от водорода до .урана.

С целью уменьшения времени охлаждения пучков на орбитах колец необходимо стремиться к достижению максимально возможной

ТАБЛИЦА 3. Максимальные энергии (МэВ/нуклон) тяжелых ионов с различными зарядовыми состояниями (д).

Циклотрон У400М Кольцо К4 КОЛЬЦО К10

Ион Ионный источник или Инжектор- Инжектор- -кольцо К4

инжектор- циклотрон циклотроя

У400 У400М

Я Е/А ч Е/А Ч Е/А

'н 1 120 1 580 1 2200

4Не 1 30 2 170 2 830

7Ы 2 45 3 135 3 650

1Во 5 40 8 140 8 690

5 30 10 170 10 830

4вСа 10 25 20 125 20 625

136Хе 33 35 52 100 54 580

208РЬ 44 24 72 90 80 550

238и 48 20 82 87 90 535

плотности электронного пучка в охлаждающих секциях обоих колец. По этой же причине была проведена оптимизация магнитной структуры колец таким образом, чтобы получить относительно большие значения амплитудных функций на тех участках колец, где расположены системы электронного охлаждения. Уменьшение времени охлаждения пучка в обоих кольцах существенно для повышения интенсивности пучков короткоживущих экзотических ядер.

Некоторые результаты расчетов величин светимостей радиоактивных пучков ионов, которые могут быть достигнуты на данном комплексе, представлены в таблице 4. В колонках 1-3 этой таблицы указаны первичные пучки, пучки радиоактивных ядер и их периоды полураспада, средние числа накопленных и охлажденных ионов в случае их использования на энергии инжекции в экспериментах с применением внутренней мишени приведены в колонке 4. следующая колонка содержит данные о величинах светимости на энергии инжекции с применением внутренней мишени толщиной ю14атомов/см2. в последних двух колонках таблицы 4 даны максимальные энергии пучков радиоактивных ядер, достижимые на орбите кольца К10, и

ТАБЛИЦА 4. Оценки числа ионов, которые могут быть получены для некоторых радиоактивных ядер, и светимости, достижимые на орбите кольца кю.

Первичный И1В Т ,с 1/2 . N —2 —i Ь, см с Е шах Ь,см~2с_1

пучок (энергия инжекции) (МэВ/ /нукл. (макс. ) энергия)

7Ы 6Не 0.8 3 -ю7 2 -1027 430 1 -ю27

,8о "Не 0.122 20 2 -1021 260 1 -ю20

"ве 13.8 4 -107 4 -1027 500 2 -1027

15С 2 .45 3 -ю7 2 -1027 580 1 -ю27

16С 0.747 2 -106 2 -1026 520 1 -ю26

48Са 44АГ 720 3 -ю7 2 -1027 600 1 -ю27

46Аг 7.8 4 -104 з -ю24 560 2 -Ю24

47к 17.5 5 -107 6 -ю27 590 з -ю27

38Б 1 -ю4 2 -108 2 -1028 630 1 -ю28

180» а Не 0 . 122 1-Ю4 1 -ю24

"Ы 0.009 1.2 -103 1.2 -1023

"Приведены оценочные значения интенсивностей пучков короткохивущих ионов аНе и 11Ы при их выводе из кольца. К10 после монохроматизации в результате синхротронного движения ионного сгустка в стационарной ВЧ-сепаратрисе. Достижимый импульсный разброс пучка составляет при этом О.04%. Величины светимостей таких пучков даны при толщине мишени 10го атомов / смг.

величины светимости, которые могут быть получены в экспериментах на внутренней мишени толщиной Ю14 атомов/см2 при максимальной энергии пучков радиоактивных ядер. Для долгоживущих нуклидов (44Аг, З83) данные, приведенные в колонках 4, 5 и 7, даны в предположении, что время жизни ядер на орбите составляет 100 с и ограничено процессом электронного подхвата в электронном охладителе.

в_заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1. Спроектирована и построена магнитная система трехкаскадного масс-спектрометра ЛИДИА, расчетные параметры которого находятся в согласии с результатами измерений, выполненных на

а-частицах источников 249Cf и 226Ка. Экспериментально определены:

- массовое разрешение 11^8270 (ШМ) при размерах выходной щели источника О^ 6x8 мм2, ширине входной щели детектора, размещенной в фокальной плоскости прибора - 4 мм, и энергетическом разбросе ионов АЕ/Е=0.3%;

- телесный угол захвата при 100%-ной трансмиссии Пз2.3-10 ср;

- диапазон анализируемых одновременно масс АМ/М=±5%;

- дисперся в промежуточной фокальной плоскости Ог: о=(5.о±о.1)см/%(ДМ/М);

- дисперсия в основной фокальной плоскости О^: 0=(8.0+0.2)см/%(ДМ/М).

Расчетная форма массовой линии на 10%-ном уровне от высоты пика (разрешение 1^170) подтверждена измерениями с модельным вариантом лазерного ионного источника. При вакууме в приборе Р=10~6Па получена чувствительность определения атомов А^150 на уровне 2-ю"10ат./ат. в образцах простых неорганических соединений (окислы, карбиды).

2. Разработана и реализована новая конструкция токовых катушек а- и /3-типов для активной коррекции магнитного поля дипольных магнитов, позволяющих достигать в рабочей области магнитной дорожки шириной 120 мм, при плотности тока в катушках ^25 А/мм2 и уровне возбуждения основного поля в=(1.0-1.3) Тл, при естественном охлаждении и без существенного разогрева изоляционного материала:

а) в случае а-катушек: распределенного градиента магнитного поля ав/аг^о.2 тл/м;

б) в случае /3-катушек: распределенной секступольной составляющей поля Э2в/3г2з3.б Тл/м2.

3. Предложена и рассчитана усовершенствованная схема масс-спектрометра ЛИДИА, удовлетворяющая условиям двойной фокусировкой - по углу и энергии. В этом случае расчетная разрешающая сила прибора (10%-ный уровень) в фокальной плоскости Оз при ширине выходной щели ахроматического

_з

источника Оз 0.3 мм и телесном угле захвата П=0.94 -10 составляет И ^8000 для центральной массовой линии (ДМ/М=0) и

R =4000 для двух крайних линий (ДМ/М=±0.01). При уменьшении

ш

размера входной щели до 0.1 мм разрешение центральной массовой линии увеличивается до R =17000.

' ш

4. Предложена и рассчитана ионно-оптическая схема накопительного кольца К4 с системой инжекции, одновременно реализующая новый метод инжекции охлаждением и метод инжекции обдиркой, позволяющая достигнуть времени накопления и охлаждения пучков не более 250 мс. Даны системы быстрого вывода и коррекции хроматизма и замкнутой орбиты.

5. Предложена и рассчитана ионно-оптическая схема ахроматического. (с профилированным поглотителем) канала сепарации пучков радиоактивных ядер, образующихся в реакции фрагментации на производящей мишени первичных ионов, отличающаяся тем, что для достижения углов захвата le 1 = 1 в I з50 мрад вылетающих с мишени вторичных ионов с

1 гор. 1 1 верт. 1

импульсным разбросом Др/р=±0.5% применен триплет широкоапертурных квадрупольных линз, преобразующий реальный источник ионов сепарационного канала в мнимый с уменьшенным разбросом ионов по углам выхода 10гор 1^10 мрад и 19верт|- 25 мрад и соответствующим уменьшением размеров используемых дипольных магнитов. Наличие в системе данного канала мнимого источника позволяет дополнительно понизить, как минимум на порядок, фон от первичного прямого пучка.

6. Предложена и рассчитана ионно- оптическая схема инжекции и электронного охлаждения на орбите кольца К10 короткоживущих (х 20.01с) радиоактивных пучков ядер, таких как, например,

6„ 8„ 11. . 11_ 15_ 16_ 44, 46 47,, 38- _

Не, Не, Li, Ве, С, С, Аг, Аг, К, S. Схема включает следующие последовательные этапы:

а) накопление и охлаждение первичного пучка на инжекционной орбите кольца К4 за время г +т = о.05с при инжекции

нак. охл.

обдиркой и тнак+гохл = 0.2с при многократной однооборотной инжекции и соответствующего уменьшения продольного и поперечного эмиттансов пучка до значений е з(1-4)7г мм мрад и Др/рг±1 -10"4;

б) ускорение охлажденного первичного пучка (г зО.Зс) до максимально возможной для кольца К4 энергии, соответствующей магнитной жесткости Вр=4 Тл м;

в) 1/4-периодное синхротронное вращение небанчированного охлажденного первичного пучка до возникновения короткого импульса тока (т6анчай2° нс) »*

г) быстрый вывод и фокусировку первичного пучка на производящую мишень малого размера (021мм) и образование короткого (е20нс) сгустка вторичного радиоактивного пучка с поперечным и продольным эмиттансами, соответственно равными с±е25л -мм -мрад и Др/ра+0.5%;

д) сепарацию пучка радиоактивных ядер с данной массой А и зарядом г;

е) 1/4-периодное синхротронное вращение вторичного пучка на инжекционной орбите кольца К10 с уменьшением его импульсного разброса до Ар/ра0.04% и соответствующим укорочением времени охлаждения (г а0.01с).

охл.

ЕёЗ£льтаты_диссе£тации_оп^

1. Тер-Акопьян Г.М., Арзуманян Г.М., Богданов Д.Д.,Быковский Ю.А., Козловски 3., Орлова О.А., Родин A.M.,Сильнов С.М., Степанцов С.В., Тимаков В.А., Флеров Г.Н.Высокочувствительный масс-спектрометр "ЛИДИА":Препринт ОИЯИ Р13-84-294. Дубна, 1984.

2. Степанцов с.В., Родин A.M., Тер-Акопьян г.м. Ионная оптика масс-спектрометра ЛИДИА: Сообщение ОИЯИ Р13-88-153. Дубна,

1988.

3. Богданов Д.Д., Бондаренко П.Г., Гусев В.П., Петров Д.В., Родин A.M., Сидорчук С.И., Степанцов С.В., Тер-Акопьян Г.М., В.А.Тимаков. Изучение ионно-оптических характеристик масс-спектрометра ЛИДИА: Препринт ОИЯИ Р7-88-596. Дубна, 1988.

4. Bogdanov D.D., Rodin A.M., Sidorchuk S.X., Stepantsov S.V., Ter-Akopian G.M., Timakov V.A. Study of the Ion-Optical Properties of the Mass Spectrometepr LIDIA// Nucl.Instr.and Meth.-1990.-WA289.-P.205-212.

5. Stepantsov S.V. High-Resolution Operational Mode of the Mass Spectrometer LIDIA: Preprint JINR E7-90-357. Dubna,1990.

6. Тер-Акопьян Г.M. (ред.) Накопительный комплекс

тяжелых ионов К4-К10. Техническое предложение: Сообщение ОИЯИ Р9-92-15. Дубна, 1992. С.18-64.

7. Oganessian Yu.Ts., Malyshev O.N., Meshkov X.N., Parkhomchuk V.V., Pokorny P., Sery A.A., Stepantsov S.V., Syresin Ye.A., Ter-Akopian G.M., Timakov V.A. The Project of the Heavy Ion Storage Ring Complex K4-K10 and Possibilities of Producing, Storing and Cooling Radioactive Ion Beams// Z.Phys.A. Hadrons and Nuclei.—1992.—№341.—P.217—222.

8. Malyshev O.N., Meshkov I.N., Oganessian R.Ts., Oganessian Yu.Ts., Parkhomchuk V.V., Pokorny P., Sery A.A., Stepantsov S.V., Syresin Ye.A., Ter-Akopian G.M., Timakov V.A. The Project of the Heavy Ion Storage Rings Complex of the JINR at Dubna// Conference Record of the 1991 IEEE Particle Accelerator Conference-San Francisco, California, May 6-9, 1991.-Vol.5.-P.2888-2890.

Рукопись поступила в издательский отдел 30марта 1993 года.