Исследование короткоживущих ядер тулия методом фотоионизационной спектроскопии в новом высокотемпературном мишенно-ионном устройстве масс-сепаратора ИРИС тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ НОВОГО ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО МИШЕННО-ИОННОГО УСТРОЙСТВА МАСС-СЕПАРАТОРА ИРИС.

1.1. Экспериментальный комплекс ИРИС.

1.2. Новое высокотемпературное тугоплавкое мишенное устройство.

1.3. Исследование температурных и прочностных характеристик нового высокотемпературного мишенного устройства. Излучательная способность вольфрамового контейнера.

1.3.1. Температурное распределение в мишенном веществе.

1.3.2. Измерение излучательной способности.

1.3.3. Время жизни мишени.

1.3.4. Выводы.:.

1.4. Времена задержки и выделение исследуемых изотопов из мишеней в виде тонких фольг тугоплавких металлов.

1.4.1. Основные факторы, определяющие время задержки исследуемых нуклидов в мишенно - ионном устройстве.

1.4.2. Оценка выходов получаемых изотопов, когда задержка в мишени определяется диффузией

1.1.3. Эффект "банчирования" и накопления ионов.

1.1.4. Возможные области применения обнаруженного эффекта банчирования ионов.

1.5. Исследование высокотемпературного мишенно-ионного устройства в режиме "on-line".

1.5.1. Методы измерения выходов и времен полувыделения изотопов щелочных элементов.

1.5.2. Теоретическое представление полученных кривых полувыделения.

1.5.3. Измерение выходов и времен полувыделения изотопов лития.

1.5.4. Обсуждение результатов экспериментов по получению изотопов лития.

1.5.5. Выводы.

1.5.6. Измерение выходов и кривых полувыделения изотопов щелочных элементов Na, К, Rb и Cs.

1.6. Исследование выходов изотопов редкоземельных элементов.

1.6.1. Метод измерения выходов исследуемых изотопов.

1.6.2. Определение величины выхода исследуемого изотопа из мишени по экспериментальным а - спектрам.

1.6.3. Определение величины ожидаемого в лазерном эксперименте выхода исследуемого изотопа.

1.6.4. Измерение а - спектров нейтронодефицитных изотопов редкоземельных элементов.

Всестороннее исследование основных состояний атомных ядер - одна из самых важных задач, стоящих перед ядерной физикой. Описание этих состояний -необходимая составляющая любой последовательной теории ядра и ядерных взаимодействий. Поэтому, очень важное значение имеют систематические экспериментальные исследования характеристик основных состояний как можно большего числа ядер. Особую ценность представляет информация для достаточно длинных цепочек изотопов. При изменении числа нейтронов в ядрах таких изотопических цепочек может происходить как плавное, так и скачкообразное изменение наблюдаемых характеристик их основных состояний. Способность отражать эти изменения, а также, делать верные предсказания относительно характера изменения свойств основных состояний еще не исследованных ядер, является критерием пригодности той или иной теоретической модели.

В настоящее время одним из самых эффективных экспериментальных методов исследования основных состояний атомных ядер стала оптическая лазерная спектроскопия атомов. Этот метод позволяет определять спины I, магнитные дипольные /л и электрические квадрупольные Q моменты ядер, а также изотопические изменения средних квадратов зарядовых радиусов г2)аа =(г2)а~(г2);1, для изотопов с массовыми числами А и А0. Эти характеристики ядер извлекаются из анализа измеренных изотопических сдвигов и сверхтонкого расщепления оптических линий.

Из значений электрических квадрупольных и магнитных дипольных моментов, спинов и зарядовых радиусов можно получить довольно обширную информацию о структуре ядра. Знание спинов и магнитных моментов позволяет изучать структуру ферми-поверхности ядер. Из величин квадрупольных моментов можно оценить статическую деформацию ядер. Изотопические изменения средних квадратов зарядовых радиусов чувствительны как к статической деформации, так и к нулевым колебаниям поверхности ядра. Таким образом, величины, определяемые с помощью оптической спектроскопии, связаны как с одночастичными, так и с коллективными свойствами ядер, обусловлены как их статическими характеристиками, так и динамическими эффектами.

Помимо оптических, существует множество других экспериментальных методов, позволяющих измерять те же величины, то есть спины, электромагнитные моменты и изотопические изменения зарядовых радиусов ядер. Информацию о зарядовых распределениях ядер можно получить из сечений рассеяния электронов [1]. Зарядовые распределения успешно исследуются также с помощью мезоатомов. В экспериментах с ц-мезоатомами получены наиболее точные данные о квадрупольных моментах ядер [2]. Изотопические сдвиги рентгеновских А'-линий непосредственно связаны с изотопическими изменениями средних квадратов зарядовых радиусов ядер [3]. Метод магнитного резонанса в атомных пучках дает информацию о спинах и электромагнитных моментах ядер. Методы ядерного магнитного резонанса, ядерного парамагнитного резонанса, ядерного квадрупольного резонанса, ориентации ядер при низких температурах и некоторые другие также используются для измерения электромагнитных моментов ядер [4]. Однако все эти методы не обладают той универсальностью и чувствительностью, которая присуща оптической лазерной спектроскопии. В большинстве случаев для реализации той или иной из упомянутых неоптических методик требуются макроколичества исследуемого элемента, то есть измерения могут быть проведены практически лишь для стабильных изотопов. Более чувствителен метод магнитного резонанса в атомных пучках, но и он на 2-3 порядка уступает в чувствительности оптическим методам. К тому же для радиоактивных ядер этим методом измерялись, главным образом, только спины, а измерения электромагнитных моментов радиоактивных ядер этим методом единичны.

Таким образом, главная отличительная особенность и преимущество оптических методов перед "неоптическими" - это их высокая чувствительность. Несмотря на то, что оптические методы исследования сверхтонкой структуры применялись уже в конце 40-х годов нашего века (например, исследование спектров Tl, La, Pb и др. группой Кроуфорда [5, 6]), только благодаря успехам в развитии техники лазеров с перестраиваемой длиной волны, разработке и применению новых методов оптической спектроскопии стало возможным проводить измерения изотопических сдвигов и сверхтонкой структуры с высокой точностью при предельно малых количествах исследуемых нуклидов, имеющих, к тому же, сравнительно малые времена жизни.

С середины 70-х годов в крупнейших лабораториях мира используется целый ряд конкурирующих и взаимодополняющих лазерных методик. Наиболее успешно применялся метод коллинеарной лазерной спектроскопии [7]. Метод оптической накачки с анализатором типа Штерна-Герлаха использовался для исследования изотопов щелочных металлов [8]. В ряде случаев эффективным оказывается флуоресцентный метод, с которого и началась история лазерной спектроскопии длинных цепочек изотопов на масс-сепараторах [9].

Эти исследования привели к обнаружению интересных эффектов и постановке ряда проблем, требующих дальнейшего изучения. В первую очередь следует упомянуть открытие необычно больших четно-нечетных колебаний в зарядовых радиусах изотопов ртути (вместо общей тенденции к росту с добавлением очередного нейтрона при движении по изотопической цепочке, наблюдалось периодическое колебание зарядового радиуса от минимальных значений у четно-нейтронных изотопов до максимальных у нечетно-нейтронных изотопов, причем размах этих колебаний был необычайно велик). Было высказано предположение, что такое поведение зарядовых радиусов объясняется сосуществованием в ядрах изотопов ртути двух состояний: близкого к сферическому и сильно деформированного [9]. Для изотопов бария, эрбия и иттербия не наблюдался скачок в зависимости средних квадратов зарядовых радиусов от числа нейтронов N при N=88-90, имеющийся для всех исследованных ранее изотопических цепочек (европий, самарий, гадолиний), для которых эта переходная область (N=88-90) оказывается в районе стабильных изотопов [7]. Плавный ход зависимости средних квадратов зарядовых радиусов от N для Ва, Ег и Yb, а также, Tb, Dy, Но, Ег и Тш [10] свидетельствует, по-видимому, о плавном изменении деформации соответствующих ядер, в отличие от скачкообразного для изотопов европия, самария, гадолиния. Характер перехода от деформированных к сферическим ядрам оказался скоррелирован с близостью заряда ядра Z соответствующей изотопической цепочки к "магическому" числу Z=64: для ядер с Z , близким к Z=64, (европий Z=63, самарий Z=62, гадолиний Z=64) этот переход имеет скачкообразный характер, для ядер с Z, достаточно удаленным от "магического", (барий Z=56, диспрозий Z=66, гольмий Z=67 эрбий Z=68, тулий Z=69 и иттербий Z=70) переход происходит относительно плавно.

Влияние магических чисел (как протонных, так и нейтронных) на ход зависимости средних квадратов зарядовых радиусов от N вообще представляет собой интересную и далеко не до конца исследованную проблему. В частности, весьма актуально дальнейшее исследование оболочечного эффекта в зарядовых радиусах, заключающегося в резком изменении изотопической зависимости средних квадратов зарядовых радиусов при переходе числа нейтронов через магическое число [8, 11, 12].

Из других важных результатов, полученных с помощью лазерных методов, можно упомянуть, что данные лазерных исследований в совокупности с данными ядерной спектроскопии, позволили более надежно обосновать предположения о неаксиальности изотопов бария (N<78) [11], об октупольной деформации изотопов франция и радия [12], о сильной деформированное™ изотопов рубидия с N=56 и скачкообразном характере перехода к сильно деформированным ядрам для этой изотопической цепочки [8].

Таким образом, можно выделить наиболее важные темы для дальнейших лазерно-оптических исследований, проводимых для других изотопических цепочек:

1. Исследование характера изменения деформации ядер на границах "классических" областей деформации (скачкообразное или плавное).

2. Поиск и исследование новых областей деформации, расположенных вдали от полосы стабильности.

3. Проблема соотношения статической и динамической деформации в ядрах, для решения которой необходима как информация, получаемая оптическими методами (спектроскопические квадрупольные моменты, характеризующие статическую деформацию и изотопические сдвиги, обусловленные и статической, и динамической деформациями), так и ядерно-спектроскопические данные.

4. Исследование оболочечного эффекта в поведении среднеквадратичных зарядовых радиусов, в частности, выяснение вопроса, сохранится ли этот эффект по мере удаления магического ядра от полосы стабильности (проблема сохранения магических чисел).

5. Изучение четно-нечетного эффекта, состоящего в том, что нечетно-нейтронные ядра имеют систематически меньшие средние значения радиусов, чем соседние четно-нейтронные ядра; его исследование может пролить свет на природу сил спаривания, которые, как считается, являются ответственными за этот эффект.

6. Большой интерес представляет получение данных об электромагнитных моментах изомерных состояний ядра и об изомерных сдвигах, позволяющих изучать изменение формы одного и того же ядра при разных возбуждениях.

7. Систематические исследования изотопических и изобарических изменений зарядовых радиусов для длинных изотопических цепочек как можно большего числа элементов. Такие исследования могут помочь глубже изучить свойства ядерных взаимодействий, поскольку теоретические описания изотопических и изобарических зависимостей зарядовых радиусов сильно зависят от выбора эффективных сил в рамках используемой теоретической модели.

Не менее интересно исследовать области, где имеет место отклонение в поведения зарядовых радиусов от общей систематики. Одна из таких областей была обнаружена у очень удаленных изотопов иттербия (Z =70) в окрестности N=82 [13]. Здесь имеет место резкий скачок зарядового радиуса при переходе от изотопа с N=82 к изотопу с N=84. Необходимы дополнительные исследования изотопической цепочки иттербия N=82-86, чтобы попытаться объяснить причину такого необычного поведения.

Особый интерес представляют измерения для изотопической цепочки тулия (Z =69) в окрестностях N=82. Эта совершенно неисследованная область ядер находится по соседству с ядрами иттербия и было бы чрезвычайно интересно установить наличие или отсутствие каких-либо особенностей в поведении характеристических ядер изотопической цепочки тулия.

Необходимо отметить, что в полной мере преимущество оптических лазерных методов исследования сверхтонкой структуры можно использовать лишь на ISOL (Isotope Separator On Line) - установках, то есть масс-сепараторах, разделяющих изотопы и работающих "в - линию" с ускорителями заряженных частиц (протонов, тяжелых и легких ионов).

Первая установка такого типа (ISOLDE) была запущена в ЦЕРНе в середине 70-х годов. С этого момента появилась реальная возможность получать широкий круг ядер, сильно удаленных от полосы р-стабильности, в количествах, вполне достаточных для исследований высокочувствительными оптическими методами.

Сопряжение масс-сепаратора ISOLDE с лазерной установкой для исследования изотопических сдвигов и сверхтонкой структуры оптических линий явилось отправной точкой последующего бурного развития этой области экспериментальной физики.

Принцип работы ISOL - установки состоит в следующем: пучок заряженных частиц, ускоренных до энергий от сотен МэВ до нескольких ГэВ, бомбардирует мишень масс-сепаратора. Образовавшиеся в результате взаимодействия высокоэнергетичных частиц с веществом мишени атомы исследуемых нуклидов ионизируются и в виде ионов поступают на вход масс-сепаратора, где происходит разделение образовавшихся нуклидов по их массовым числам. Выбранные для исследования изотопы с заданными массовыми числами по ионопроводам доставляются к коллекторам экспериментальных установок.

Мишенно-ионное устройство (мишень и соединенный с ней ионный источник) - важнейший узел ISOL - системы во многом определяющий возможности всей установки. Именно от мишенно-ионного устройства зависит эффективность получения нуклидов, представляющих интерес для дальнейшего исследования. В силу этого обстоятельства, разработке мишешю-ионных устройств на ISOL установках всегда уделяется достаточно много внимания.

Мишень должна удовлетворять следующим основным требованиям:

1. Быстродействие, то есть малое время задержки в мишени образовавшихся нуклидов, что особенно важно для получения и исследования короткоживущих изотопов.

2. Термостойкость, то есть способность мишени при высоких рабочих температурах (более 2000°С) сохранять свои свойства в течение длительного времени.

3. Химическая селективность, то есть возможность разделять изотопы разных элементов с одинаковым массовым числом (изобары), поскольку масс-сепаратор не дает возможности разделения изобар.

4. Универсальность, то есть, возможность получения широкого спектра ядер-продуктов.

5. Низкая упругость пара вещества мишени при высоких и очень высоких температурах, что существенно для эффективной работы ионного источника, где происходит ионизация выделяемых из мишенного устройства нуклидов.

Очевидно, что некоторые из этих требований взаимно исключают друг друга, в связи с чем разработка "хорошей" мишени является отдельной достаточно сложной задачей.

Одним из направлений работ, осуществляемых на ISOL-установке Петербургского института ядерной физики ИРИС {Исследование Радиоактивных Изотопов на Синхроциклотроне) стала разработка и исследование нового высокотемпературного мишенно-ионного устройства, которое бы отвечало вышеуказанным требованиям.

В последние несколько лет идет интенсивная разработка нового мишенно-ионного устройства для ISOL - систем, обусловленная следующими причинами:

1. Необходимость создания новых типов мишенных устройств для следующего поколения ISOL - установок, которые создаются на базе современных сильноточных ускорителей.

Например, установки ISIS (Великобритания) и TRIUMF (Канада), могут обеспечить протонный пучок с энергией протонов 500-1000 МэВ и с интенсивностью до 100 мкА [14]. Как показали специальные исследования [14, 15], поглощаемая мишенью часть энергии протонного пучка составляет 30 - 40%. Следовательно, мишенное устройство, установленное на пучке с такими параметрами, должно рассеивать мощность порядка 30-50 кВт, не разрушаясь при этом и сохраняя свои рабочие характеристики. Высокотемпературные мишенные устройства, полностью изготовленные из тантала, при работе в экстремальных температурных режимах, могут рассеивать лишь половину указанного значения мощности.

Стандартное мишенное устройство, используемое на ISOL - установках, предназначенное для работы при высоких температурах (более 2200°С), такое как, например, мишень установки ISOLDE, представляет собой танталовый контейнер, заполненный мишенным веществом - танталовой фольгой толщиной 10-20 мкм [16, 17]. Однако, температура такого мишенного устройства не может превышать 2400°С несмотря на то, что температура плавления тантала составляет 2996°С. Причина этого в механической нестабильности тантала при температурах выше 2400°С. Это обусловлено тем, что тантал в силу своей кристаллической структуры не очень "жесткий" материал и начинает "течь" уже при температуре около 2200 °С. Танталовый контейнер "провисает" и разрушается при более высоких температурах через несколько часов после начала эксперимента.

2. Другая причина, побуждающая вести активные исследования, направленные на создание высокотемпературных тугоплавких мишеней, вызвана необходимостью обеспечить более быстрое выделение нуклидов, образовавшихся в мишени, с целью увеличения выходов короткоживущих, удаленных от полосы бета стабильности изотопов. Это могло бы открыть новые перспективы в получении и исследовании таких изотопов как nLi, который имеет нейтронное гало [18, 19, 20], 73Rb, который лежит на пути r-процесса и информация о скорости и модах его радиоактивного распада имеет важное значение для оценки возраста Вселенной [21, 22, 23], а также многих других изотопов, представляющих большой интерес как для ядерной физики, так и для астрофизики.

Основная и непосредственная цель, которую преследовала данная работа -разрабатывая новое высокоэффективное мишенно-ионное устройство, обеспечить получение очень удаленных от полосы Р-стабильности нейтронодефицитных нуклидов редкоземельных элементов, в количествах, достаточных для проведения лазерно-спектроскопических исследований изотопических сдвигов и сверхтонкой структуры этих изотопов на лазерно-ядерном комплексе ИРИС.

В Главе 1 настоящей работы представлены результаты исследований в on-line и off-line режимах нового высокотемпературного мишенно-ионного устройства, разработанного на установке ИРИС: п.п. 1.1 - 1.2 содержат краткое описание установки ИРИС и конструктивных особенностей нового мишенно-ионного устройства в вольфрамовом контейнере; п. 1.3 представляет результаты off-line тестов нового мишенного устройства; п. 1.4 посвящен обсуждению факторов, определяющих быстродействие (или задержку исследуемых нуклидов в мишенно-ионном устройстве). Описывается эффект "банчирования", позволяющий оценить эффузионное время задержки у атомов щелочных элементов.

В п. 1.5 представлены результаты on-line исследований новой мишени. Для изотопов лития измерены времена полувыделения и выходы из этой мишени.

Анализ данных позволил лучше понять процессы, отвечающие за выделение исследуемых изотопов.

В п. 1.6 приводятся результаты on-line тестов по исследованию выходов а-активных изотопов редкоземельных элементов.

14

Глава 2 посвящена исследованиям изотопических сдвигов и сверхтонкой структуры нейтронодефицитных изотопов тулия на лазерно-ядерном комплексе ИРИС: п. 2.1 содержит краткое описание принципов используемого метода резонансной фотоионизации; в п.п. 2.2 - 2.3 описывается схема экспериментальной установки, метод измерений и основные требования к чувствительности и селективности, обеспечивающие успех проводимых исследований; в п. 2.4 содержится основная идея и описание конструкции лазерного мишенно-ионного устройства, позволяющего значительно увеличить селективность используемого метода; в п. 2.5 приводятся экспериментальные результаты измерений для изотопов

158 163Tm, 154Tm(I=9), 154Тт(Г=2) и 153Тт(1=11/2); п. п. 2.6 - 2.8 посвящены обсуждению полученых результатов.

В заключении кратко сформулированы основные результаты настоящей работы.

Основные результаты, представленные в диссертации опубликованы в следующих работах:

1. V. N. Panteleev, А. Е. Barzakh, I. Ya. Chubukov, D. V. Fedorov, F. V. Moroz, A. G. Poljakov, S. Yu. Orlov, M. D. Seliverstov, Yu. M. Volkov, Development of the laser ion source technique for unstable nuclide atomic spectroscopy. 1994-1995 PNPI research report, Gatchina, 1996, p.75-76.

2. V. N. Panteleev, A. E. Barzakh, I. Ya. Chubukov, D. V. Fedorov, F. V. Moroz, A. G. Poljakov, S. Yu. Orlov, M. D. Seliverstov, Yu. M. Volkov, On-line investigation of a high temperature refractory target. In: 5th International School-Seminar Heavy Ion Physics. Edited by Yu.Ts. Oganessian and R. Kalpakchieva. World Scientific, Singapore, 1997, p. 736-738.

3. V. N. Panteleev, A. E. Barzakh, I. Ya. Chubukov, D. V. Fedorov, F. V. Moroz, A. G. Poljakov, S. Yu. Orlov, M. D. Seliverstov, Yu. M. Volkov, High Temperature Refractory Target of IRIS Facility, In: PNPI Research Report 1996-1997, Gatchina, 1998, p. 141-144.

4. V.N. Panteleev, A.E. Barzakh, I.Ya. Chubukov, D.V. Fedorov, F.V. Moroz, A.G. Poljakov, S.Yu. Orlov, M.D. Seliverstov, Yu.M. Volkov, Development of a High Temperature Refractory Target in a Tungsten Container. Workshop on Target and Ion Source Technology, GANIL, Caen, France, 11-13 June, 1998.

5. A. E. Barzakh, I. Ya. Chubukov, D. V. Fedorov, V.N. Panteleev, M. D. Seliverstov, Yu. M. Volkov, Application of the laser ion source for isotope shift and hyperfine structure investigation. In: ENAM'98: Exotic Nuclei and Atomic Masses, edited by B.M. Sheryll, D.J. Morrissey, and C.N. Davids, 1998, AIP Woodbury, New York, p. 94-97.

6. B.H. Пантелеев, A.E. Барзах, Ю.М. Волков, Ф.В. Мороз, А.Г. Поляков, М.Д. Селиверстов, Д.В. Федоров, Измерения выходов и времен выделения нейтронодефицитных изотопов щелочных элементов из высокотемпературной мишени на установке ИРИС. Препринт ПИЯФ № 2306 NP-21-1999, 1999, Гатчина, с. 1-17.

7. А.Е. Барзах, Ю.М. Волков, В.Н. Пантелеев, М.Д. Селиверстов, Д.В. Федоров, И.Я. Чубуков, Зарядовые радиусы нейтронодефицитных изотопов тулия и иттербия вблизи оболочки N=82. Тезисы докладов конференции по ядерной физике "50 лет ядерным оболочкам" (Дубна., 21-24 апреля 1999 г), 1999, С.Петербург, с. 90.

8. В.Н. Пантелеев, А.Е. Барзах, Ю.М. Волков, Ф.В. Мороз, С.Ю. Орлов, А.Г. Поляков, М.Д. Селиверстов, Д.В. Федоров, И.Я. Чубуков, Исследование высокотемпературной мишени в вольфрамовом контейнере. Тезисы докладов конференции по ядерной физике "50 лет ядерным оболочкам" (Дубна., 21-24 апреля 1999 г), 1999, С.-Петербург, с. 153.

9. А. Е. Barzakh, I. Ya. Chubukov, D. V. Fedorov, V.N. Panteleev, M. D. Seliverstov, Yu. M. Volkov, Mean square charge radii of the neutron deficient rare-earth isotopes in the region of the nuclear shell N=82 measured by the laser ion source spectroscopy technique. 31st European Group for Atomic Spectroscopy Conference, Marseille, France, 6-9 July, 1999, P2-47.

10. V.N. Panteleev, A.E. Barzakh, D.V. Fedorov, F.V. Moroz, A.G. Poljakov, S.Yu. Orlov, M.D. Seliverstov, and Yu.M. Volkov, High-Selective High-Temperature Target - Laser Ion Source Unit for the Short-Lived Isotopes Production. In: Proc. of 4th International Workshop Laser Spectroscopy on Beams of Radioactive Nuclei (Poznan, Poland, May 24-27, 1999), 2000, JINR Dubna, p. 227-238.

11. A. E. Barzakh, I. Ya. Chubukov, D. V. Fedorov, V.N. Panteleev, M. D. Seliverstov, Yu. M. Volkov, Mean square charge radii of the neutron deficient rare-earth isotopes in the region of the nuclear shell N=82 measured by the laser ion source spectroscopy technique. Phys. Rev. C, 2000, V. 61, 034304, p. 1-4.

12. V.N. Panteleev, A.E. Barzakh, D.V. Fedorov, F.V. Moroz, A.G. Poljakov, S.Yu. Orlov, M.D. Seliverstov, and Yu.M. Volkov, Selective high temperature refractory target - laser ion source unit of IRIS facility. Hyperfine Interactions, 2000, V. 127, p. 421-424.

13.D.V. Fedorov, V.N. Panteleev, A.E. Barzakh, F.V. Moroz, A.G. Poijakov, S.Y'u. Orlov, M.D. Seliverstov, and Yu.M. Volkov, Recent Developments of a High Temperature Refractory Target Unit of the IRIS Facility. 7th Nucleus-Nucleus Collisions Conference, Strasbourg, France, July 3-7, 2000.

14. V.N. Panteleev, A.E. Barzakh, D.V. Fedorov, F.V. Moroz, A.G. Poijakov, and M.D. Seliverstov, High temperature target - laser ion source unit development for effective short lived isotope production and spectroscopic investigation. In: Abstract Book of Int. Symposium on Perspectives in Physics with Radioactive Isotope Beams, Hayama, Japan, November 13-16, 2000, p. C-42.

15. V.N. Panteleev, A.E. Barzakh, D.V. Fedorov, F.V. Moroz, A.G. Poijakov, and M.D. Seliverstov, Development of High Temperature Target at IRIS Facility. Nucl. Phys. A, in print.

1.5.5. Выводы

Полученные результаты позволяют сделать несколько важных выводов:

1. При рассмотрении процессов, влияющих на выход короткоживущих изотопов лития из мишенно-ионного устройства необходимо учитывать лишь самую "длинную" компоненту выделения. Несмотря на большое значение постоянной времени, она обеспечивает 90% выхода даже самого короткоживущего изотопа "Li.

2. Абсолютные значения эффективностей получения изотопов лития очень низки. Видимо, этим и объясняется тот факт, что выходы короткоживущих изотопов лития (особенно nLi), измеряемые на ISOLDE и ИРИСе на несколько порядков ниже ожидаемых, то есть рассчитанных из сечений образования без учета значительной задержки в мишени. На рис. 19 показаны полученные на ИРИСе выходы изотопов лития в сравнении с вычисленными по экспериментальным значениям сечений образования [37] и с вычисленными и скорректированными на задержку значениями выходов. Видно, что введение поправки £ позволяет гораздо лучше согласовать экспериментальные и рассчитанные значения. о « к н к ч ю о с о н о

Г) к d о X

PQ

1Е8 1 ~ - ~ ^ Мишень из TaW фольг

1Е7 1 " "" - - - ^ Т=2800°С

1Е6]

1Е5] ■

1Е4]

1ЕЗ] • расчет эксперимент (ИРИС)

1Е21 ■ расчет с поправкой на задержку

8 9

Массовое число

10 I

11

Рис. 19. Выходы изотопов лития.

3. Полученная информация о характере процессов задержки атомов лития в мишенном устройстве позволяет делать надежные расчеты величин выходов изотопов лития. На рисунке 20 приведен расчет выходов 8Li и 9Li с учетом задержки в широком диапазоне температур. При этом учитывалась только самая длинная компонента полувыделения (Da = 1.08x10"7 м2/с), поскольку именно она определяет время выделения, а следовательно, и выходы из мишенно-ионного устройства.

4,0x106 3,5х106 3,0x106 •С* 2,5x106 § 2,0x106 д 1,5x106 1,0x106 5,0x105

0,01800 2000 2200 2400 2600 2800 3000

Температура (°С)

8 9

Рис. 20. Экспериментальные и расчетные выходы изотопов Li и Li из тантал-вольфрамового мишенного устройства.

Как видно из рис. 20, имеет место довольно точное описание температурной зависимости выходов изотопов лития из данного мишенного устройства.

Это дает возможность рассчитывать ожидаемые выходы в широком диапазоне температур, что имеет большое значение при подготовке on-line эксперимента.

1. 5. 6. Измерение выходов и кривых полувыделения изотопов щелочных элементов Na, К, Rb и Cs

Так как времена полувыделения для изотопов остальных щелочных элементов оказались значительно большими, чем для Li, метод использования отдельных протонных банчей для их измерения оказался малоэффективным. Поэтому для измеренный выход 8Li 9 • измененный выход Li -- /

8, • ;чет выхода Li 9, .

---расчет выхода ы ■ ш

1 * оценки времен полувыделения радиоактивных изотопов Na, К, Rb и Cs использовался метод измерения времени задержки после выключения протонного пучка, облучающего мишень длительное (десятки секунд) время. На рис. 21 показана кривая полувыделения изотопа I22Cs, измеренная при температуре 2300 °С [44]. время, мс

1 99

Рис. 21. Кривая полувыделения изотопа Cs.

Кривые задержки Na, К и Rb дают еще большие (более 10 с) времена полувыделения. В качестве примера на рис. 22 приведена кривая задержки изотопа

25

Na, измеренная при той же температуре [44].

Полученный результат говорит о достаточно медленном выделении изотопов данных элементов из исследуемой мишени.

7000 6000 5000 4000 н 3000 о

2000 1000 0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 время, с

Рис. 22. Кривая полувыделения изотопа 25Na.

В таблице 5 приведены выходы изотопов 25Na, 45К, 81Rb и mCs, измеренные при 2 интенсивности протонного пучка 0.2 мкА/см :

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении приведем основные результаты настоящей работы:

1. Создано новое мишенно-ионное устройство на основе вольфрамового мишенного контейнера [67], которое продемонстрировало высокую надежность, позволяя проводить продолжительные on-line эксперименты при рабочей температуре до 2900 °С без заметного ухудшения основных характеристик мишени (выходов и времен полувыделения)[68]. благодаря высокой термостойкости контейнера, изготовленного из вольфрамовой фольги. При достижении рабочей температуры около 2800 °С используемое мишенное устройство способно рассеивать мощность порядка 3 кВт. Следовательно, полномасштабная, "массивная" мишень (120 - 150 г мишенного вещества, контейнер длиной 20 см и диаметром 2 см), позволит рассеивать около 30 кВт мощности, вносимой в мишенное устройство пучком бомбардирующих частиц высокой интенсивности. Таким образом, на ИРИСе может быть создано мишенное устройство для работы на таких сильноточных установках, как ISAC, Ванкувер (Канада) и GANIL, Каен (Франция)[24, 67, 68].

2. On-line исследования времен задержки и выходов изотопов лития впервые дали возможность утверждать, что основным процессом, определяющим время задержки атомов щелочных металлов в мишени, является диффузия [26, 69]. Проведенный детальный анализ кривых полувыделения позволил дать хорошо согласующиеся с экспериментом теоретические оценки выходов изотопов лития и объяснить значительные расхождения между ожидаемыми значениями выходов короткоживущих изотопов лития (особенно 11 Li) и измеряемыми в экспериментах на ИРИСе и ISOLDE [69, 70]. Получены высокие величины выходов короткоживущих изотопов лития из высокотемпературного мишенно-ионного устройства (Таблица 8) [44, 69, 70].

3. Впервые при использовании высокотемпературного мишенного устройства установлен эффект "банчирования" ионов [69, 71, 72]. Ионы могут быть заперты в объеме мишенного устройства или вытолкнуты из него потенциалом, появляющимся на мишенном контейнере при протекании через него нагревающего тока. С использованием этого эффекта были измерены времена задержки в мишени, обусловленные временем эффузии и временем пролета для атомов щелочных элементов. Непосредственным следствием обнаруженного эффекта стал новый метод запирания термоионов в мишенном устройстве потенциалом постоянного и переменного тока, нагревающего мишень [72, 73].

4. Применение метода запирания в on-line экспериментах позволило выделять исследуемые изотопы из смеси изобар с более низкими потенциалами ионизации и увеличить селективность метода резонансной фотоионизации в лазерном мишенно-ионном устройстве [73, 74]. Дальнейшее применение данного метода подавления фона позволит значительно расширить круг исследуемых нуклидов. Измерения изотопической цепочки тулия с помощью ВЭУ в качестве детектора показали возможность успешного применения метода даже при наличии ионного тока изобар (в данном случае иттербия) на 12 порядка превышающего фотоионный ток исследуемого изотопа [74].

5. Впервые измерены изотопические сдвиги и сверхтонкое расщепление для нейтронодефицитных изотопов 154Тш, 154тТш и 153Тт [74, 75].

6. Оптические спектры 154Тш (рис. 43) демонстрируют возможность разделения изомеров в лазерном мишенно-ионном устройстве, то есть получать чистые ионные пучки изомерного состояния исследуемого изотопа.

7. Полученные характеристики основных состояний удаленных от полосы Р-стабильности изотопов тулия укладываются в известную систематику и не указывают на какие-либо аномалии структуры этих ядер в отличие от соседних изотопов иттербия с тем же числом нейтронов [74, 75].

107

Автор выражает огромную благодарность всем сотрудникам лаборатории короткоживущих ядер, принимавшим активное участие в подготовке и проведении экспериментов на лазерно-ядерном комплексе ИРИС, заинтересованно обсуждавшим полученные результаты.

В первую очередь хочу поблагодарить тех, кто принимал непосредственное участие в работе, составившей содержание данной диссертации: группу масс-сепаратора, участников лазерной группы Ю. М. Волкова, М. Д. Селиверстова и Т.Т. Федорова, руководителей этих групп В. Н. Пантелеева и А. Е. Барзаха, чьи высочайшая квалификация, богатый опыт, энергия и личные качества в значительной степени способствовали успеху нашей работы и не только позволили достичь в трудный период значительного прогресса в области лазерно-спеюроскопических исследований и мишенно-ионных технологий на ИРИСе, но и сделали работу лаборатории интересной и приятной.

Кроме этого, я хотел бы выразить признательность сотруднику Института спектроскопии РАН и лаборатории ISOLDE (ЦЕРН) В. Н. Федосееву за помощь и полезные обсуждения на этапе модернизации и пуска лазерного спектрометра, за постоянный интерес к нашей работе.

Хочу, также, выразить благодарность заведующему Лабораторией короткоживущих ядер Д. М. Селиверстову за постоянное внимание к нашим исследованиям.

1. Н. De Vries, C.W. De Jager, and C. De Vries, Nuclear Charge - Density -Distribution Parameters from Elastic Electron Scattering. Atomic Data and Nuclear Data Tables, 1987, V. 36, p. 495-536.

2. R. Engfer, H. Schneuwly, J.L. Vuillemier, H.K. Walter and A. Zehnder, Charge-Distribution Parameters, Isotope Shifts, Isomer Shifts, and Magnetic Hyperfme Constants from Muonic Atoms, Atomic Data and Nuclear Data Tables, 1974, V.14, p. 509-597.

3. F. Boehm and P.L. Lee, Change of Mean-Square Nuclear Charge Radii from Isotope Shifts of Electronic Ka X-Rays, Atomic Data and Nuclear Data Tables, 1974, V.14, p. 605-611.

4. Г. Копферман, Ядерные моменты, Москва, Иностранная литература, 1960, с. 1485.

5. M.F. Crawford, A.L. Shawlow, Electron-Nuclear Potential Fields from Hyperfine Structure, Phys.Rev., 1949, V. 76, p. 1310-1317.

6. M.F. Crawford, A.L. Shawlow , W.M. Gray, and F.M. Kelly, Nuclear Moments of Silver, Phys.Rev., 1949, V. 75, p. 1112.

7. Neugart R. Collinear fast-beam laser spectroscopy on radioactive isotopes in the rare-earth region. In: Lasers in Nuclear Physics. Edited by C.E. Bemis Jr. And H.K. Carter. Harwood Academic Publishers, Chur, London, New York, 1982. p. 231-256.

8. Thibault C., Touchard F., High resolution laser spectroscopy of radioactive alkali isotopes. In: Lasers in Nuclear Physics. Edited by C.E. Bemis Jr. And H.K. Carter. Harwood Academic Publishers, Chur, London, New York, 1982. p. 113-135.

9. Kluge H.-J., Laser spectroscopy of radioactive isotopes in resonance cells. In: Lasers in Nuclear Physics. Edited by C.E. Bemis Jr. And H.K. Carter. Harwood Academic Publishers, Chur, London, New York, 1982. p. 137-162.

10. Ahmad S.A., Klempt W., Neugart R., Otten E.W., Wendt K., Ekstrom C., Determination of nuclear spins and moments in a series of radium isotopes. Phys. Lett., 1983, V. 133B, p. 47-52.

11. G.D. Sprouse, J. Das, T. Lauritsen, J. Schecker, A. Berger, J. Billowes, C.H. Holbrow, H.-E. Mahnke, and S.L. Rolston, Laser Spectroscopy of Light Yb Isotopes On-Line in a Cooled Gas Cell. Phys.Rev. Lett. 1989, V. 63, p. 1463-1466.

12. J. R. J. Bennett, Targets for the production of high intensity radioactive ion beams. Nucl. Instr. and Meth., 1997, V. В126, p. 105-112.

13. J. R. J. Bennett, C. J. Densham, P. V. Drumm, W.R. Evans, M. Holding, G.R. Murdoch, V. Panteleev. The design and development of the RIST target. Nucl. Instr. and Meth., 1997, V. В126, p. 117-120.

14. Europhys. Lett., 1987, V. 4, p.409-414. 20.1. Tanihata, Neutron Halos and Exotic Modes. Nucl. Phys., 1990, V. A520, p. 411c-425c.

15. A.B. Попов, Изучение распада ядер, удаленных от полосы Р-устойчивости, представляющих интерес для описания астрофизических R- и RP-процессов. Диссертационная работа, 1999, С.-Петербург, с. 1-80.

16. A.A. Ахмонен, B.H. Пантелеев, А.Г. Поляков, Получение нейтронодефицитных изотопов редкоземельных элементов в режиме «on-line» на установке ИРИС. 1984, Препринт ЛИЯФ № 935, с. 1-47.

17. H.L. Ravn, Experiments with Intense Secondary Beams of Radioactive Ions. 1979, Phys.Rep., V.54, p. 201-259.

18. Rudstam G. Project for an isotope separator on-line with the CERN synchrocyclotron. Nucl. Instr. Meth., 1965, V.38, p. 282-290.

19. B.H. Пантелеев, Разработка и исследование мишенно-ионных устройств масс-сепаратора ИРИС и измерение электромагнитных моментов ядер изотопов самария и европия. Диссертационная работа, 1985, Ленинград, с. 1-188.

20. Г. Д. Алхазов, В. Н. Пантелеев, В. И. Романов, Эффект накопления ионов в горячей металлической полости, 1990, Письма в ЖТФ, т. 16, вып. 12, с. 73-76.

21. Т. Nomura, Y. Shirakabe, N. Ikeda, Т. Shinozuka, Simple on-line method of measuring the absolute ionization efficiency of an ion source. Nucl. Instr. Meth., 1994, V. B93, p. 492-498.

22. K. Burkard, R. Collatz, M. Hellstroem, Z. Hu, W. Hueller, O. Klepper, R. Kirchner, E. Roeckl, K. Schmidt, M. Shibata, A. Weber, Recent developments at the GSI online mass-separator. Nucl. Instr. Meth., 1997, V. В126, p. 12-16.

23. A.E. Barzakh, V.P. Denisov, Problem of Nuclear Charge Radius Determination foruLi bv Laser SoectroscoDV. 1994. Preorint PNPI № 1985. 12 p.1. W i Ж V ' A J к

24. A. M. Poskanzer, G. W. Butler and E. K. Hyde, Fragment Production in the Interaction of 5.5 GeV Protons with Uranium. Phys. Rev. C, 1971, V. 3, p. 882-904.

25. J.R.J. Bennett, P.V. Drumm, R. Catherall, O.C. Jonsson, J. Lettry, T. Nilsson, H. Ravn, H. Simon, Members of the ISOLDE Collaboration, Measurements of intense beams of uLi from a tantalum foil target. Nucl. Instr. and Meth., 1999, V. В 155, p. 515-517.

26. CERN Annual Report 1998. Report of Activities in the Divisions. Volume II, 1999, Exp. IS343, p. 60-61.

27. C.J. Densham, C. Thwaits, J.R.J. Bennett, Critical parameters for the delay time of a RIB target. Nucl. Instr. and Meth., 1997, V. B126, p. 154-159.

28. J.R.J. Bennett, Effusion in RNB targets a simple conductance approach. Nucl. Instr. and Meth., 1997, V. В126, p. 146-149.

29. M. Fujiuoka and Y. Arai, Diffusion of Radioisotopes from Solids in the Form of Foils, Fibers and Particles. Nucl. Inst, and Meth., 1981, V. 186, p. 409-412.

30. G.D. Alkhazov, Е. Ye. Berlovich and V.N. Panteleev, A New Highly Efficient Selective Laser Ion Source. Nucl. Inst, and Meth., 1989, V. A280, p. 141-143.

31. P.G. Bricault, M. Dombsky, P.W. Schmor, G. Stanford, Radioactive ion beams facility at TRIUMF. Nucl. Inst, and Meth., 1997, V. В126, p. 231-235.

32. A.E. Barzakh, V.P. Denisov, Isotonic and isobaric dependencies of nuclear charge radii for rare-earth nuclei. Z.Phys. A, 1993, V. 346, p. 265-268.

33. E.W. Otten, Nuclear Radii and Moments of Unstable Isotopes. In: Treatise on heavy-ion science, editor D.A. Bromley, Plenum Publishing Corp., 1989, V.8., p.517-638.

34. Балыкин В.И., Беков Г.И., Летохов B.C., Мишин В.И. Лазерное детектирование единичных атомов. УФН, 1980, т. 132, с. 293-344.

35. Летохов B.C., Чеботаев В.П., Нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения, Москва, Наука, 1990, с. 1-512

36. Беков Г.И., Летохов B.C., Матвеев О.И., Мишин В.И., Обнаружение долгоживущего автоионизационного состояния в спектре атома гадолиния. Письма в ЖЭТФ, 1978, т. 28, с. 308-311.

37. G.D. Alkhazov, A.E. Barzakh, V.P. Denisov, I.Ya. Chubukov, Investigation of spins, electromagnetic moments and charge radii of radioactive nuclei by laser spectroscopy. In: HEPD-Main scientific activities 1971-1996, Gatchina, 1998, p. 202-210.

38. A.E. Barzakh, I.Ya. Chubukov, D.V. Fedorov, F.V. Moroz, V.N. Panteleev, M.D. Seliverstov, Yu. M. Volkov, Isotope shift and hyperfine structure measurements for 155Yb by laser ion source technique. Eur. Phys. J. A., 1998, V.l, p. 3-5.

39. Мишин В.И., Мнускин B.E., Никифоров В.Г., Тринчук Б.Ф., Федоров В.А., Перестраиваимый лазер ЛЖИ-504 на растворах органических соединений. ПТЭ, 1983, т. 2, с. 246-247.

40. V.N. Panteleyev, Efficient electron beam ionization of atoms in hot metal cavity. Preprint PNPI № 1790, 1992, p. 1-9.

41. K. Heilig and A. Steudel, Change in Mean-Square Charge Radii from Optical Isotope Shifts. At. Data and Nucl. Data Tables, 1974, V.14, p. 613-638.

42. C.Ekstroem, I.-L. Lamm, Ground State Properties of Deformed Rare-earth Nuclei. Physica Scripta, 1973, V. 7, p. 31-48.

43. A.E. Барзах, Исследование изотопических изменений зарядовых радиусов и электромагнитных моментов ядер изотопов тулия. Диссертационная работа, 1987, Ленинград, с. 1-124.170

44. P. Dyer and J.A. Bounds, Laser spectroscopy of Tm. Phys. Rev. C, 1988, V. 38, p. 2813-2817.

45. D.V. Fedorov, V.N. Panteleev, А.Е. Barzakh, F.V. Moroz, A.G. Poljakov, S.Yu. Orlov, M.D. Seliverstov, and Yu.M. Volkov, Recent Developments of a High

46. Temperature Refractory Target Unit of the IRIS Facility. 7th Nucleus-Nucleus Collisions Conference, Strasbourg, France, July 3-7, 2000.

47. V.N. Panteleev, A.E. Barzakh, D.V. Fedorov, F.V. Moroz, A.G. Poljakov, S.Yu.

48. Orlov, M.D. Seliverstov, and Yu.M. Volkov, High-Selective High-Temperature

49. Target Laser Ion Source Unit for the Short-Lived Isotopes Production. In: Proc. of th

50. International Workshop Laser Spectroscopy on Beams of Radioactive Nuclei (Poznan, Poland, May 24-27, 1999), 2000, JINR Dubna, p. 227-238.

51. A. E. Barzakh, I. Ya. Chubukov, D. V. Fedorov, V.N. Panteleev, M. D. Seliverstov, Yu. M. Volkov, Application of the laser ion source for isotope shift and hyperfine structure investigation. In: ENAM'98: Exotic Nuclei and Atomic Masses, edited by119

52. B.M. Sheryil, D.J. Morrissey, and C.N. Davids, 1998, AiP Woodbury, New York, p 94-97.