Сепарация продуктов реакций полного слияния на пучке тяжелых ионов. Установка ВАСИЛИСА тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

СЕПАРАЦИЯ ПРОДУКТОВ РЕАКЦИЙ ПОЛНОГО СЛИЯНИЯ НА ПУЧКЕ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ. УСТАНОВКА ВАСИЛИСА

Специальность: 01.04.16 — физика атомного ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

р г Б ОД ? П ЯНВ 1995

7-94-457

На правах рукописи

ЕРЕМИН

Александр Владимирович

Дубна 1994

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

Научные руководители:

доктор физико-математических наук

профессор Г.М. Тер-Акопьян

кандидат физико-математических наук

старший научный сотрудник Д.Д. Богданов

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

профессор В.А. Карнаухов

кандидат физико-математических наук

старший научный сотрудник В.Д. Дмитриев

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт ядерной физики МГУ, г. Москва

Защита диссертации состоится __1995 года

в час на ¡заседании специализированного совета

Д 047.01.05 при Лаборатории нейтронной физики и Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ (г.Дубна Московской области).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИЯИ.

Автореферат разослан " _ 1995 года

Ученый секретарь специализированного совета

ТАРАН Ю.В.

Общая характеристика работы Актуальность темы

ьакшш "горячего" слияния ядер (энергия возбуждения составного ра Е*> 40 МэВ), приводящие к образованию продуктов испарения, оло двух десятилетий (примерно до середины семидесятых годов) сьма интенсивно использовались в качестве основного метода полудня и изучения свойств новых нуклидов с Ъ > 100 (см. обзоры [1,2] ссылки в них). Начиная с середины 70-х, после обоснования метода олодного" слияния (Е*и 20 МэВ) основные интересы в области по-чения и изучения процесса образования трансфермиевых нуклидов [естились к реакциям "холодного" синтеза. Как известно, использо-ние этих реакций позволило получить ряд новых трансфермиевых клидов вплоть до элемента 109 и большое количество новых ней-| оно дефицитных изотопов трансфермиевых ядер (см. обзоры [3,4] н ылкп в них).

Однако в последние годы наблюдается четко выраженное возраста-е интереса к исследованиям возможностей реакций "горячего" (Е*> МэВ) слияния для этой области ядер. Это связано, с одной стоны, с доступностью для реакций "холодного" синтеза только об-гти нейтронодефицнтных изотопов трансфермиевых элементов, а кже обнаруженными для предельно тяжелых систем взаимодейству-цих ядер существенными пороговыми ограничениями (запретами) слияние при малых энергиях возбуждения. Все это приводит к бы-рому падению сечений с ростом атомного номера Ъ компаунд ядра значений и Ю-36 см2 для Ъ и 109-110. С другой стороны, наблюдаюсь ся в эксперименте большое количество пред делительных нейтронов )еакциях "горячего" слияния в трансфермиевой области ядер дает тования для осторожного оптимизма. Кроме того, самостоятельный герес представляет исследование характеристик "горячих" ядер с 1зкой к нулю величиной жидкокапельного барьера деления. Проведение исследований в трансфермиевой области ядер сильно гожняется малой величиной сечений образования продуктов и их юсительно короткими временами жизни. Поэтому эксперименталь-е установки, предназначенные для работы в этой области ядерных 1кций, должны отвечать следующим требованиям: высокая эффек-зность транспортировки ядер отдачи ( продуктов реакций полного :яния ) от мишени к детекторам, малое время транспортировки,

высокая степень очистки ядер отдачи от фоновых продуктов ядерны реакций и от ионов пучка. Наиболее полно всем перечисленным трс бованиям отвечают кинематические сепараторы продуктов реакцш Можно сказать, что это, бурно развивающееся в последнее десяти летие методическое направление, становится основным при изучени ядерных реакций и свойств нуклидов.

Целью настоящей работы являлось разработка и создание тре> ступенчатого электростатического сепаратора ВАСИЛИСА, номер« ние и оптимизация рабочих характеристик ионно-оптической систем] и сепаратора вцелом при работе в широком диапазоне масс бомбардг: рующих ионов (16<А<40), разработка методов калибровки и контрой параметров сепаратора, обеспечивающих его работу в длительны экспериментах, изучение закономерностей образования трансфермг евых ядер в реакциях "горячего" слияния в экспериментах на пучка тяжелых ионов с А <40.

Научная новизна Создан и работает на эксперимент первый в мировой практике тре> ступенчатый электростатический сепаратор ВАСИЛИСА, по свои] параметрам не уступающий, а в ряде случаяев превосходящий кинемг тические сепараторы, пспользущиеся в других научных центрах.

Проведен полный объем исследований рабочих характеристик ионн оптической системы и сепаратора в цепом на пучках ионов от 160 д 40Са. Разработаны способы оптимизации и контроля параметров се паратора, которые позволяют проводить длительные эксперименты предельными интенсивностями пучков тяжелых ионов до 1013 част./се и чувствительностью до Ю-35 см2.

Получены новые экспериментальные данные для поперечных сеч< ний образования нейтронодефицитных изотопов 102 и 105 элемента позволяющие сделать вывод об отсутствии ограничений во входном кг нале для реакций полного слияния в асимметричных комбинаций нале тающий ион - ядро мишени в области сильноделящихся ядер с болыио энергией возбуждения (Е* > 50 МэВ), имеющих параметр делимост больше предельного.

Сделаны экспериментальные оценки вероятности выживания сильн возбужденного компаунд ядра, имеющего жидкокапельный барьер д( ления близкий к нулю, которые показывают, что на первых каскада девозбуждения делительное время примерно равно времени испарени

!Йтронов. Этот результат может рассматриваться как указание на >, что высокая энергия возбуждения компаунд ядер, образующихся в ишметрпчных реакциях полного слияния, не служит сильным огра-пением в процессе выживания тяжелых ядер - остатков испарения.

Структура диссертации

пссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем гссертации - 102 страницы машинописного текста, включая 21 ри-гнок, 14 таблиц и библиографический список из 100 наименований.

Апробация работы сновные результаты диссертации докладывались на XXXVIII Сове-ании по Ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра, Баку, !—14 апреля 1988 г.; на международной конференции "Actinides -)", Ташкент, 24-29 сентября 1989 г.; на международном симпозиуме ikko 91, "Towards a Unified Picture of Nuclear Dynamics", Japan, 6-8 me, 1991; на международной конференции "6th International Confer-ice on Nuclei far from Stability 4- 9th International Conference on Atomic "asses and Fundamental Constants", Bernkastel-Kues, Germany, July 19-t, 1992; на международной школе-семинаре по физике тяжелых ионов, убна, 10-15 Мая 1993 г.

Публикации

сновные результаты диссертации опубликованы в 12 работах.

Содержание работы

В главе 1 дан краткий обзор типов и рабочих характеристик раз-1чных кинематических сепараторов, использующихся в настоящее >емя в экспериментах по изучению продуктов реакций полного слия-1Я на пучках тяжелых ионов. Приводится описание и принципы дей-лвия четырех основных типов кинематических сепараторов. Обсу-даются преимущества и недостатки, присущие каждому типу кине-атических сепараторов.

В главе 2 приведено описание кинематического сепаратора ВАСИ-ИСА, даны его технические характеристики. Сепаратор включает себя мишенное устройство с вращающейся синхронизированной с 1СТОТОЙ импульсов пучка циклотрона мишенью, систему сепарации, »стоящую из трех электростатических конденсаторов, систему фоку-[ровки, состоящую из двух триплетов квадрупольных линз, располо-

триплет квадрупольных мшенная линз электростатические камера камера дфекгоры

поглотителя т г

детекторы резерфордовского рассеяния Г'

"ТСг

триплет квадрупольных линз

пучок

■f

сторы I-1

ДОВСКОГО I-1| Ij-1

-Й-N-

Ш

lo-o" с

детектирующая система

время-пролета

Jl_

поглотитель

1 t ?t

! пишет!

ТШО

цилиндр Фарадея

г—Т.

оои

Ли-фопьга С-фопьга Рис. 1. Схема установки.

бетонная защита 2м

Si-детекто

Энергия.

Позиция,

женных на оси пучка бомбардирующих ионов до и после системы се парации и приемное устройство, состоящее из детекторов, регпстри рующих ядра отдачи и продукты их радиоактивного распада. Схем; установки представлена на рис. 1.

При создании установки ВАСИЛИСА мы руководствовались цеяьн получить для широкого класса асимметричных реакций полного слия ния эффективность сепарации £Сеп Ю - 40 %. Угол захвата был выбра! 15 мстерад (и ±4° в вертикальном и горизонтальном направлениях) что обеспечивает попадание в апертуру установки от 30% до 809i всех ядер отдачи, вылетевших из мишени. Согласно расчетам, нонно-оптическая система установки позволяет транспортировать ядра от дачи, попавшие во входной телесный угол, с относительной дисперсией по энергии АЕ/Е ±10% и в зарядовом диапазоне Aq/q ±10%. Дл5 широкого класса асимметричных реакций с использованием тяжелы} ионов от кислорода до аргона эти параметры должны обеспечить не обходимые эффективности сепарации от 3% до 30% соответственно.

Сепарация ЯО от пучка и фоновых продуктов осуществляется системой, состоящей из трех электростатических конденсаторов. ЯО отклоняются в первом конденсаторе на угол 8° и попадают в апертур} второго конденсатора, тогда как бомбардирующие ионы проходят через первый конденсатор практически не отклонившись и тормозятся i цилиндре Фарадея. Последующая сепарация ЯО от рассеянных ионог пучка (Ер < Е/) и других фоновых продуктов происходит во втором и

третьем электростатических конденсаторах. Максимальная дисперсия по энергии достигается в центральной плоскости сепаратора, которая является плоскостью симметрии второго электростатического конденсатора. Для повышения очистки от фоновых частиц после первого п второго электростатических диполей установлены дистанционно управляемые вертикальные диафрагмы, работающие как селекторы энергии.

Фокусирующая система установки ВАСИЛИСА состоит из двух триплетов шпрокоапертурных магнитных квадрупольных линз, расположенных до п после системы электростатической сепарации. Первый триплет, расположенный после мишени перед электростатическими конденсаторами, собирает выбитые но мишени ЯО и формирует их в ква-зппараллельный пучок. Второй триплет магнитных квадруполей служит для фокусировки ЯО на детектирующее устройство, расположенное в фокальной плоскости сепаратора. Основные параметры сепаратора приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные параметры установки ВАСИЛИСА

Максимальная интенсивность пучка Размер мишени (диаметр) Толщина мишенп Угол захвата ЯО Телесный угол

Радиус апертуры магнитных линз Эффективная длина линз Максимальный градиент магнитного поля Расстояние между пластинами конденсаторов Эффективная длина I и III конденсаторов Эффективная длина II конденсатора Максимальная напряженность электрического поля Расстояние от мишени до детекторов

1 х1013сек-1 10 мм

100-500 мкг/см2 140x140 мрад2 15 мстерад 100 мм 350 мм 10 Т/м 150 мм 470 мм 940 мм 20 кВ/см 12 м

Системы управления и контроля за работой узлов сепаратора расположены в измерительной комнате. Возможно как ручное так и автоматическое управление параметрами сепаратора.

Высоковольтная система сепаратора состоит из трех па]) пластин дефлекторов, изготовленных из чистого алюминия АД0. Напряжение

на каждую пару пластин дефлекторов подается симметрично от отдельного источника высокого напряжения.

Вакуумная система сепаратора состоит по нескольких блоков, каждый из них откачивается турбомолекулярными насосами для получения безмасляного вакуума. Общий объем вакуумной системы составляет 4 м3.

Детектирующая система сепаратора состоит из двух время - пролетных детекторов и сборки кремниевых полупроводниковых детекторов и расположена за 2х метровой бетонной стеной.

В качестве время - пролетных детекторов используется система из двух широкоапертурных (80 мм в диаметре) детекторов на основе прямоугольных микроканальных пластин размером 70ммх90 мм. Для увеличения эффективности регистрации сбор электронов осуществляется с обеих сторон эмиттера. Для медленных ядер отдачи с энергиями 10-30 МэВ и массовым числом около 200 временное разрешение составляет 0.5 наносекунд. Эффективность регистрации ядер отдачи одним временным детектором составляет 99.95%.

После прохождения время - пролетных детекторов, ядра отдачи вбиваются в сборку детекторов, состоящую из восьми позиционно -чувствительных кремниевых стрипов. Энергетическое разрешение детекторов для а-частиц с энергией 5.5 МэВ составляет 45 кэВ, позиционное разрешение составляет 0.5 мм для каждого стрипа.

В третьей главе приведены результаты исследований характеристик ионно-оптической системы и сепаратора вцелом, описаны методы калибровки и контроля параметров сепаратора в процессе экспериментов. Для более полной иллюстрации возможностей сепаратора приведен краткий обзор экспериментов, выполненных до настоящего времени.

Важнейшим параметром, определяющим чувствительность экспериментальной установки и время, необходимое для проведения эксперимента, является эффективность сепарации, т.е. отношение числа ЯО, зарегистрированных детектором в фокальной плоскости сепаратора, к полному числу ЯО, образовавшихся и вылетевших из мишени.

Возможны два подхода при определении эффективности сепарации -расчетный, базирующийся на точных и подробных данных об ионно-оптических характеристиках элементов сепаратора и литературных полу эмпирических данных о зарядовых, энергетических и угловых рас-

[ределсниях ядер отдачи п эмпирический подход, основанный на боль-лом количестве тестовых экспериментов по измерению зависимости ффективностп сепарации от типа бомбардирующих ионов, толщины шшени, величины отклоняющих потенциалов на электростатических онденсаторах и режимов работы квадрупольных магнитных линз. На ервом этапе работ по введению в эксплуатацию сепаратора ВАСИ-[ИСА второй вариант представлялся нам более предпочтительным, .к. имевшиеся в литературе данные о зарядовых и угловых распре-елениях ЯО с энергиями 5-40 МэВ не обеспечивали необходимую ля эксперимента точность расчета. По мере накопления эксперимен-альных данных стало возможным использование расчетного метода ля выбора режима сепарации, т.к. было осуществлено фитирование араметров зарядовых и угловых распределений ЯО по полученным кспериментальным данным. Был создан и развит специальный ком-ьютерный код на базе метода Монте-Карло. Программа включает в ебя следующие параметры: эмнттанс пучка налетающих ионов, ки-ематику реакции, передачу импульса от испаряемых частиц - нейронов, протонов и/или а-частиц ядру отдачи, рассеяние и потери гергпи ЯО в мишени и фольгах, распределение ионного заряда ЯО, месте с расчетами ионно-оптических параметров сепаратора в пер-эм порядке приближения.

Экспериментальный поиск наилучших режимов сепарации ЯО и оп-амизация режимов работы ионно-оптических элементов сепаратора Зычно проводились в два этапа. На первом этапе настройка всех ?вяти элементов сепаратора (6 квадрупольных магнитных линз и 3 гектр о статических конденсатора) производились по максимальному гетуЯО, попадающих в фокальную плоскость. При этом большое вни-ание уделялось соотношению эффект/фон, т.е. отношению счета ЯО счету ионов, подобных пучку, за фиксированное время. Такой режим стройки сепаратора удобен тем, что позволяет проводить оптимиза-1ю без задержек во времени. На втором этапе для настройки обычно ^пользовались характерные а-линии продуктов реакций, вбитых в шупроводниковые детекторы в фокальной плоскости. В этом случае •пользовались относительно короткоживущие нуклиды (Т}/2< 10-60 к.). Такая настройка обычно применялась в том случае, когда сече-гя хп-каналов реакций были малы по сравнению с другими каналами выделение соответствующих ЯО на время-пролетном спектре было

затруднено. Также такой способ применялся при настройке режим работы сепаратора на другие типы реакций (реакции малонукпонны передач, реакции многонуклонных передач и т.д.).

После оптимизации режимов работы элементов сепаратора провс дится измерение эффективности сепарации ЯО. Для этого произв< дится два последовательных облучения тестовой мишени при неиэме! ной интенсивности пучка на мишени сепаратора и с набором одинг кового интегрального потока ионов, прошедших через мишень, с р( гистрацией ЯО в фокальной плоскости сепаратора и в мишенной кг мере. Для регистрации ЯО в мишенной камере используется фольг (алюминий, 6 микрон), установленная на дистанционно управляемо; штоке, которая после набора необходимого интегрального потока ис нов перемещается к детектору, размещенному в мишенной камере регистрирующему а-распад нуклидов, вбитых в фольгу.

Значения эффективности сепарации определяются из сравнения сч< та числа распадов для известных а - радиоактивных ядер отдачи, детекторе, расположенном в фокальной плоскости сепаратора, и в де текторе, расположенном в мишенной камере. В обоих случаях реп стрируются а-спектры и определяются периоды полураспада образе вавшихся нуклидов.

Эффективность сепарации £1П для ЯО, образованных в реакциях испарением нейтронов (реакции типа (Н1,хп)) была измерена для боль шого набора асимметричных комбинаций налетающий ион (О, N0, М[ Р, Аг) - ядро мишени (Бу, Ег, Та, УУ, Аи, РЬ), для толщин мишеней ( от 0.1 до 1 мг/см2. С увеличением толщины мишени выход ЯО возрас тает, но эффективность сепарации ядер отдачи падает, поэтому пр: увеличении гис больше некоторой предельной, число ЯО, попавших : фокальную плоскость не возрастает. Число фоновых продуктов, попа дающих в фокальную плоскость сепаратора при увеличении толщин! мишени возрастает, поэтому для каждой тестовой реакции экспери ментальным путем, по числу ЯО, попавших в фокальную плоскость ] соотношению эффект/фон подбиралась оптимальная толщина мишени

Эффективность сепарации для специально подобранных тестовы: реакций экспериментально измеряется во всех наших экспериментах перед началом облучения рабочей мишени и после завершения облу чения. В процессе длительных экспериментов (порядка одной неделз и более) тестовые мишени используются для контроля параметров се

Таблица 2. Измеренные значения эффективности сепарации sXn для _различных тестовых реакции._

Реакция ivt (мг/см2) £xn(%) Расчет (%)

197Au(ieO,4-5n)208'209Fr 0.22 3±1 3.5

182^(22^е,4-5п)199т'199я'200Ро 0.2 5±1 6

181Ta(2/1Mg,4-5n)200'201At 0.2 8±1 9

166Er(31P,4n)193Bi 0.26 U±2 15

164Dy(40Ar,4-5n)199m<199!,'200Po 0.28 25±3 28

паратора не реже одного раза в сутки. Для этого тестовая мишень устанавливается на дистанционно управляемом штоке н может быть поставлена под пучок после рабочей мншенп без прерывания работы ускорителя н нарушения вакуума. Такой метод контроля эффективности сепарации позволяет измерять абсолютные сечения образования искомых нуклидов с точностью до ± 50 %. Точность определения абсолютных сечении определяется ошибками в определении эффективности сепарации, неравномерностью в толщине мишеней и ошибками в измерении интенсивности пучков бомбардирующих ионов.

Значения эффективности сепарации для набора тестовых реакций приведены в таблице 2.

Всвязи с тем, что в процессе девозбуждення компаунд ядра доминирующими каналами, наряду с испарением нейтронов, являются каналы с испарением а-частиц, мы проводили специальные исследования эффективности сепарацпи для продуктов образующихся в (Н1,а.то) реакциях - еахп для реакции с налетающими нонами 20'22Ne и 24Mg,

Для реакций 20<22Ne + 197Au отношение £х„/гахп определялось прямо в процессе эксперимента из сравнения счетов а-распадов продуктов, образовавшихся в хп и ахп каналах реакций п вбитых в фокальный детектор и фольгу, расположенную в мишенной камере, соответственно. Нуклиды, образовавшиеся в хп и ахп каналах реакций легко различались благодаря большим различиям (порядка 1 МэВ) в энергиях а -распадов.

Для реакции 24Mg +- 197Au прямое определение ехп невозможно из- за коротких периодов полураспада образующихся нуклидов 217'218Ра. Эффективность сепарации для этих продуктов определялась путем экстраполяции данных для еХп из реакций Ne -f W, Ne + Аи и Mg +

Таблица 3. Измеренные значения отношения эффективностей _сепарации £хп/е ахп•

Реакция Юг (мг/см2) £хп/-£ахп

20Ые+197Аи 0.4 6.1±0.6

22Ме+197Аи 0.6 8.0±2.0

24М§+181Та / 197Ац 0.2 25.0±10.0

0.8 12.0±2.5

Та. Эффективность сепарации для продуктов ахп каналов реакций £с,хп определялась из сравнения счета числа распадов для известных а - радиоактивных ядер отдачи, в детекторе, расположенном в фокальной плоскости сепаратора, и в детекторе, расположенном в мишенной камере. В таблице 3 представлены результаты измерений отношения

Ехп/е ахп-

Другим важным параметром сепаратора является фактор подавления фоновых продуктов, попадающих в фокальную плоскость вместе с ЯО. В условиях реального эксперимента в пучке всегда присутствуют ионы с энергией от максимальной до практически нулевой. Это связано со взаимодействием части ионов пучка со стенками ионопровода, краями диафрагм, рамками мишеней и поглотителей. Т.к. в свою очередь средний заряд иона является функцией энергии, то в реальном пучке всегда будут присутствовать ионы с той электрической жесткостью, на которую настроен сепаратор, и реальный коэффициент очистки будет равен доле этой компоненты в полном энергетическом спектре пучка после мишени. Коэффициенты очистки от рассеянных ионов сильно зависят от качества пучка, выводимого из циклотрона и от коэффициента трассировки пучка от циклотрона до мишени сепаратора. При изменении коэффициента трассировки в 2 - 3 раза коэффициенты очистки могут измениться в 5 - 10 раз.

По сравнению с интенсивностью пучка на мишени сепаратора поток низкоэнергетпчных ионов проходящих через время - пролетные детекторы в фокальной плоскости подавлен на фактор 108-1012 в зависимости от отношения масс налетающего иона и ядра мишени и от качества пучка циклотрона У-400. Использование метода антисовпадений между сигналами с время - пролетных детекторов и энергетическими сигналами с кремниевых детекторов позволяет разделить

Таблица 4. Факторы подавления фона от рассеянных ионов пучка. Реакция ггп (мг/см2) Фактор

подавления

197Аи(16О,4-5п)208'209Гг 0.22 1013-1014

182-уу(22]\[е)4_5пу99т,199р,200ро 0.2 1012-1013

181Та(24М§,4-5п)20°.20^ 0.2 5-10п-1012

166Ег(31р54п)193В1 0.26 51010-5-10и

164оу^40АГ14_5п)199т,199з,200ро 0.28 1010-10п

мпульсы от рассеянных частиц пучка, ядер отдачи и их а-распадов и ает дополнительный фактор очистки от фоновых низкоэнергетичных онов порядка 100-1000. Полный фактор подавления рассеянных ионов учка в фокальной плоскости сепаратора составляет 1О10-1О14 и зави-1Т от отношения масс бомбардирующего иона и ядра мишени, а также г качества пучка циклотрона У-400. Величины факторов подавления она в фокальной плоскости сепаратора от рассеянных ионов пучка 1я реакций с различнох! масс - асимметрией приведены в таблице 4.

Реакции полного слияния с тяжелыми ионами сопровождаются боль-гам набором реакций многонуклонных передач, имеющих сравнимые ни даже гораздо большие сечения образования нуклидов - продуктов гих реакций, чем сечения образования ядер - испарительных проектов. При получении ядер с Ъ > 82 проблема осложняется тем, что уклиды, образовавшиеся в реакциях многонуклонных передач, очень 1С то имеют близкие к исследуемым ядрам энергии а-распада и вре-ена жизни.

Благодаря сильным различиям в кинематике этих двух типов ре-сций (угловые и энергетические распределения) существует возмож-зсть эффективного подавления фона от продуктов реакций многону-юнных передач, благодаря селективности сепаратора по угловым и гергетическим распределениям ЯО. Для определения факторов по-шдения фона от продуктов реакций многонуклонных передач были $учены реакции 40Аг+238и, 40Аг+208РЬ и 22Ке+248Ст. На основании :зультатов экспериментов были определены нижние пределы для фак-)ров подавления фона от продуктов реакций многонуклонных пере-14, сопутствующих этим реакциям (см. таблицу 5).

Сравнение величин эффективности сепарации и факторов подавле-

Таблица 5. Факторы подавления фона от реакций многонуклонных _передач._

Реакция Vüt (мг/см2) Фактор

подавления

40Ar+238U 0.5 2 х 104 (для 242 Сш)

8 х 104 (для 227Th)

40Ar+208pb 0.6 7 х 103 (для 211Bi)

22Ne+248Cm 0.33 > 4 х 103 (для 254Fm)

ния фоновых продуктов реакций (см. таблицы 2,3 п 4) для сепаратора ВАСИЛИСА с данными для других кинематических сепараторов ( см, обзорные работы [5,6]) показывает, что по этим параметрам наша установка по меньшей мере не уступает другим сепараторам и даже превосходит многие из них. Полученные факторы подавления фоновых продуктов, образующихся в различных каналах реакций многонуклонных передач, вместе с методом а-а корреляций, применяемым при идентификации исследуемых нуклидов, позволяют проводить эксперименты по синтезу и изучению свойств трансфермиевых элементов с использованием актинидных мишеней с чувствительностью не хуже 0.1 нанобарна.

В процессе экспериментов, проводившихся на сепараторе ВАСИЛИСА, регистрировались и изучались ЯО - продукты испарения компаунд ядер, образовывавшихся в широком наборе (более 20) комбинаций налетающий ион - ядро мишени. Систематически изучались закономерности поведения поперечных сечений образования, барьеры деления и вероятности выживания сильновозбужденных нейтронодефи-цитных ядер с атомными номерами 82<Z<105. Высокая чувствительность и селективность сепаратора для медленных ЯО, образующихся в асимметричных реакциях полного слияния, позволила измерять функции возбуждения для ЯО, имеющих сечения образования в пределах до семи порядков по величине, и число испарившихся легких частиц от 3 до 11. В экспериментах регистрировались ЯО - продукты хп, рхп и ахп испарительных каналов реакций слияния в диапазоне энергий бомбардирующих ионов от кудоновского барьера до значений, соответствующих энергии возбуждения компаунд ядра более чем 100 МэВ.

На рис. 2 представлены максимальные значения поперечных сече-

нин образования, измеренные в экспериментах на сепараторе ВАСИЛИСА для каналов с испарением 4 и 5 нейтронов в реакциях с бомбардирующими ионами Ие, и А1. На рисунке приведена небольшая часть экспериментальных данных, полученных на сепараторе, но тем не менее наглядно демонстрируется возможность проведения экспериментов по изучению ядер отдачи, образующихся с сечениями от десятков мпллибарн до 0.1 нанобарна. Времена жизни исследовавшихся ЯО и их дочерних продуктов находятся в диапазоне от десятков минут до 5 микросекунд.

65 90 95 100 105 110

Атомный номер

Рис. 2. Максимальные значения поперечных сечений образования, измеренные в экспериментах на сепараторе ВАСИЛИСА. 4п-канал: о - реакции с ионами Mg, А1; у - реакции с ионами N0; 5п-канал: • - реакции с ионами А1; у - реакции с ионами №.

В экспериментах на сепараторе ВАСИЛИСА было синтезировано 12 новых изотопов и, Нр п Ри, изучены характеристики их а -распада. Также для ряда известных изотопов в области Ас - Ра были уточ-

нены данные об энергиях а-распада, относительных пнтенспвностях а-переходов и периодах полураспадов.

В заключение к сказанному выше хотелось бы подчеркнуть, что методика кинематического сепаратора представляется наиболее оптимальной для измерения абсолютных значений сечений продуктов полного слияния в реакциях с тяжелыми ионами. Это связано с отсутствием зависимости эффективности сепарации от химических свойств нуклидов, периодов их полураспада и интенсивности пучка ионов, большим динамическим диапазоном измеряемых сечений и высокой предельной чувствительностью, большой надежностью работы и относительной простотой контроля параметров установки во время эксперимента.

В четвертой главе приведены результаты экспериментов по измерению поперечных сечений образования нентронодефицитных изотопов 102 и 105 элементов в реакциях с бомбардирующими ионами 22Ne, 26Mg, 27Al и 31Р и мишенями 232Th и 236.'238U. Цепью наших экспериментов было получение новых данных о сечениях образования ядер - продуктов испарения в реакциях "горячего" слияния, образующихся в процессе девозбуждения компаунд ядра с большой (Е* > 40 МэВ) энергией возбуждения; изучение ограничений во входном канале асимметричных реакций полного слияния, предсказанных в работе [6], в области сильноделящихся ядер, имеющих параметр делимости [7] больше предельного (Xar¿í/,=0.72), и изучение вероятности выживания сильно возбужденного компаунд ядра, имеющего жидкокапельный барьер деления близкий к нулю.

Выбранные нами комбинации налетающий ион - ядро мишени добавили существенную часть данных к имеющемуся набору асимметричных реакций "горячего" слияния, приводящих к компаунд ядрам 2581 02 п 2601О2. Изменение среднего арифметического параметра делимости Xarith в этих комбинациях определяется различием конфигураций во входном канале реакций. Это позволило изучить зависимость барьера слияния от асимметрии во входном канале и влияние этой зависимости на сечения образования испарительных продуктов в различных реакциях. Сравнение экспериментальных данных с расчетами, основанными на компьютерном коде ALICE [8], показало хорошее согласие для 6п канала реакций. Расчет хорошо воспроизводит наблюдаемое в эксперименте уменьшение сечений для 4п и 5п каналов реакций при

ереходе от бомбардирующих ионов 160 к 22Ne и 26Mg без увеличения грьера слияния, что не иодтверждет предположение о наличии эф-екта типа "extra-extra push" [6] для барьеров слияния исследованных еакций.

Изучение реакций, приводящих к компаунд ядру 260Ю2, с испаре-ием вплоть до 8 нейтронов, позволило получить данные о вероятности ыживания сильновозбужденного компаунд ядра и определить отноше-яя Tn/Ttot из отношения сечений &(х+2)п/ахп, полученных для реакций, риводящих к компаунд ядрам 2601О2 и 258102. Полученные эксперимен-альные данные позволяют дать оценки отношения значений Г„/Г<0( 1 начальной стадии процесса девозбуждения компаунд ядер 260 1 02. В а,боте [9] были измерены сечения образования изотопа 2521 02, получа-иегося из компаунд ядра 256102 в реакции 208РЬ(48Са,4и). Оценка для аксимума сечения образования, полученная в этих экспериментах, со-гавляет величину около 20 нбарн. Нужно отметить, что 4п-реакция этом случае не является подбарьерной. Величина сечения слияния максимуме выхода изотопа 2521 02 для реакций с бомбардирующими энами 48 Са, 22Ne и 26Mg примерно одинакова и может быть оценена iK (500-600) мбарн. В наших экспериментах по синтезу компаунд ядра 8102, максимум сечения образования для би-канала реакции, приво-[щего к изотопу 252102, составил 15 нбарн при использовании ионов Ne и 8 нбарн для 26Mg. Таким образом, усредненная по двум пер-,im каскадам девозбуждения компаунд ядра 2581 02 величина отноше-ш < Гп/Ftot > может быть оценена и составляет 0.7-0.9. Нормировка :спериментальных сечений на приведенные длины волн в зависимо-41 от налетающей частицы уменьшит величину < Г„/Г<0* > только i фактор 1.5-1.7, т.е. величина < Г„/Тш > приблизительно составит 5. Из сравнения измеренных сечений образования изотопа 252102 реакциях с испарением 8 нейтронов (мишень 238U) и 6 нейтронов сишень 236U) усредненная по двум первым каскадам девозбуждения >мпаунд ядра 260Ю2 величина отношения < Г„/Гш > составляет 0.34. На рис. 3 представлены величины < Гп/Г(0( > для компаунд ядер атомными номерами Z = 98, 100, 101 и 102, усредненные по первым ум каскадам девозбуждения (Е* и 60-75 МэВ). Оценка для величин Гп/Гtot > проводилась на основании экспериментально измеренных чений образования ядер - продуктов испарения. Полученные результаты для величин < Г„/Г(0( > могут рассматри-

1.0

со I

г—

л

2 0.5

и

с Сч

V

0.0

96 98 100 102 104

Атомный номер

Рис. 3. Усредненные по первым каскадам девозбужденпя (Е* « 60-1 МэВ) величины < Тп/Тш > для компаунд ядер с атомными номерам 98<г<102.

ваться как указание на го, что высокая энергия возбуждения компауь ядер, образующихся в асимметричных реакциях полного слияния, I приводит к очень сильным ограничениям в процессе выживания тяж лых ядер - остатков испарения.

Подобные выводы, правда на более качественном уровне, мог> быть сделаны из сравнения экспериментальных данных для реакцг 27А1+236и и 50Т1+-209В1 [10]. Ддя обеихрсакЦ1П1 измерены сечения обр; зования одних и тех же ядер - испарительных остатков, т.е. изотопе 257,258205. Хотя энергия возбуждения компаунд ядра 263 1 05 для реакцв с мишенью 236и примерно на 40 МэВ выше, чем энергия возбужд. ния компаунд ядра 253105 для реакций с мишенью 209В1, поперечнь сечения для каналов с испарением нейтронов в реакциях "горячегс слияния всего лишь на порядок величины меньше, чем для реакцн "холодного" слияния. Такой на первый взгляд неожиданный результа обусловлен влиянием двух факторов. Во-первых, большими значен: ями для вероятности испарения нейтронов < Тп/ГМ > при энергш возбуждения Е* > 20 - 40 МэВ и, во-вторых, значительным увелич нием динамических барьеров слияния для реакций "холодного" слиянг в этой области ядер. Таким образом, есть все основания полагать, чл реакции горячего слияния могут оказаться более перспективным для синтеза и исследования свойств новых нуклидов с Ъ > 106, че

реакции "холодного" слияния.

В заключении приведены основные результаты, полученные в диссертационной работе.

Основные результаты диссертации

1. Создан п работает на эксперимент на выведенных пучках циклотрона У-400 кинематический сепаратор ВАСИЛИСА, включающий в себя трехступенчатую систему электростатической сепарации продуктов реакций полного слияния от ионов пучка и других фоновых продуктов; фокусирующую систему, состоящую из двух триплетов электромагнитных квадрупольных линз; вращающуюся, синхронизированную с частотой работы ускорителя, мишень и детектирующий модуль.

2. Исследованы характеристики понно-оптпческой системы сепаратора ВАСИЛИСА. Величина эффективности сепарации ЯО, образующихся в реакциях с налетающими ионами от 160 до 40Аг, изменяется от 3 до 30% Фактор подавления пучка полной энергии составили > 1018, упруго-рассеянных ионов пучка с энергией 1-20 МэВ - от Ю10 до 1013, фоновых продуктов многонуклонных передач 4103. Полученные характеристики дают возможность проведения на сепараторе экспериментов по синтезу и изучению свойств нейтронодефнцитных изотопов трансфермиевых элементов в реакциях полного слияния для асимметричных комбинации налетающий ион - ядро мишени с чувствительностью не хуже 0.1 нанобарн.

3. Разработаны способы оптимизации и контроля параметров сепаратора при подготовке экспериментов и в процессе их проведения. Эти методы позволяют устойчиво получать высокие значения эффективности сепарации ЯО и факторов подавления пучка, контролировать параметры работы сепаратора в течение длительных (более одной недели) экспериментов.

4. В экспериментах на сепараторе ВАСИЛИСА получены данные цля поперечных сечений образования испарительных продуктов составных ядер 258102, 260Ю2 и 2631 05 в реакциях 22Ке + 'тП, 26Ме + 232ТЬ,

+ 238и,27А1 + 236и и 31Р 4- 232Т1х. Полученные данные наглядно де-чонстрируют возможности использования метода горячего слияния ];ля синтеза новых изотопов трансфермиевых элементов в реакциях с 1спарением 5-6 нейтронов.

5. Полученные оценки для ограничений во входном канале для реакций полного слияния с тяжелыми ионами в области сильноделящихся

ядер с большой энергией возбуждения (Е* > 50 МэВ), имеющих параметр делимости Xar¿ift больше предельного (ХагйЛ=0.72), показывают, что экспериментальные данные не подтверждают предположение о наличии эффекта типа "extra-extra push" для барьеров слияния реакций с использованием асимметричных комбинаций налетающий ион - ядро мишени.

6. Экспериментальные данные позволяют дать оценки отношения значений Гп/Г(о( на начальной стадии процесса девозбуждения сильно-делящихся ядер с Z = 98 - 102 с большой энергией возбуждения (Е* « 60-75 МэВ). Усредненная по двум первым каскадам девозбуждения (Е* кг 60 МэВ) компаунд ядра 258 1 02 величина отношения < ГU/T(0¡ > составляет 0.5. Усредненная по двум первым каскадам девозбуждения (Е* « 75 МэВ) компаунд ядра 260Ю2 величина отношения < Г„/Гго( > составляет 0.3. Этот результат может рассматриваться как указание на то, что высокая энергия возбуждения компаунд ядер, образующихся в асимметричных реакциях полного слияния, не служит сильным ограничением в процессе выживания тяжелых ядер - остатков испарения.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Еремин A.B., Тарабрин В.А., Степанцов C.B., Обухов Ю.Л., Тер-Акопьян Г.М., " Электростатический сепаратор продуктов реакций полного слияния на пучке тяжелых ионов установки ВАСИЛИСА."// Дубна, 1985, 7 с. /Сообщение Объед. ин-т ядерн. исслед., Р15—85—786/

2. Андреев А.Н., Богданов Д.Д., Горшков В.А., Еремин A.B., Ка-баченко А.П., Орлова O.A., Тер-Акопьян Г.М., Чепигпн В.И., "Исследование характеристик кинематического сепаратора ВАСИЛИСА."// Дубна, 1988, /Краткие сообщения ОИЯИ, N3[29]-88, с. 33-40./

3. Yeremin A.V., Andreyev A.N., Bogdanov D.D., Chepigin V.I.,Gor-shkov V.A., Ivanenko A.I., Kabachenko A.P., Rubinskaya L.A., Smirnova E.M., Stepantsov S.V., Voronkov E.N., Ter-Akopian G.M., " The VAS-SILISSA facility for electrostatic separation and study of complete fusion reaction products."// Nucl. Instr. and Meth. A., 1989, vol. 274, p. 528-532.

4. Yeremin A.V., Andreyev A.N., Bogdanov D.D., Kabachenko A.P., Malyshev O.N., Orlova O.A., Ter-Akopian G.M., Chepigin V.l., " The efficiency of the experimental setup VASSILISSA for separation of the nuclear reaction products."// Дубна, 1990, 10 с. / Препринт Объед. ин-т ядерн.

гсслед.: Е15-90-347./

5. Andreyev A.N., Bogdanov D.D., Chepigin V.I., Cherepanov Ye.A., kabachenko A.P., Malyshev O.N., Sagaidak R.N., Salamatin L.I., Ter-\kopian G.M. and Yeremin A.V., "Production of the 102 element isotopes n the 22Ne+236U and 26Mg+232Th reactions." Дубна, 1991, 24 с. /Пре-ipiiHT Объед. ин-т ядерн. исслед.: D7-91-481/.

6. Andreyev A.N., Bogdanov D.D., Chepigin V.I., Cherepanov Ye.A., vabachenko A.P., Malyshev O.N., Mikchajlov K.V., Muzychka Yu.A., эореко G.S., Pustylnik B.I., Sagaidak R.N., Ter-Akopian G.M. and Yere-nin A.V., "Studies of formation of fusion evaporation residues with Z>83 n heavy ion reactions."// Дубна, 1991, 12 с. /Препринт Объед. ин-т гдерн. нсслед.: Е 15-91-411/.

7. Andreyev A.N., Bogdanov D.D., Chepigin V.I., Kabachenko A.P., vlalyshev O.N., Oganessian Yu.Ts., Sagaidak R.N., Ter-Akopian G.M., feremin A.V., Hefiberger F.P., Hofmann S„ Ninov V., Florek M., Saro S., /eselsky M., " Investigation of the fusion reaction 27A1+236U —» 263105 at «citation energies of 57 MeV and 65 MeV."// Z. Phys. A., 1992, vol. 344,

225-226.

8. Yeremin A.V., Andreyev A.N., Bogdanov D.D., Chepigin V.I., Kabachenko A.P., Malyshev O.N., Sagaidak R.N., Ter-Akopian G.M., "The cinematic separator VASSILISSA - present status."// FLNR JINR Scien-;ific Report 1991-1992, Dubna, 1992, E7-93-57, p. 201-202.

9. Andreyev A.N., Bogdanov D.D., Chepigin V.I., Kabachenko A.P., Malyshev O.N., Sagaidak R.N., Salamatin L.I., Ter-Akopian G.M., Yeremin V.V., " Cross sections of 102 element isotopes formation in the reactions of 2Ne+236U and 26Mg+232Th."// Z. Phys. A., 1993, vol. 345, p. 389-394.

10. Sagaidak R.N., Yeremin A.V., "On ionic charge distributions of leavy evaporation residues."// FLNR JINR Scientific Report 1991-1992, Dubna, 1992, E7-93-57, p. 148-149.

11. Ter-Akopian G.M., Andreyev A.N., Bogdanov D.D.„Chepigin V.I., Cabachenko A.P., Malyshev O.N., Muzychka Yu.A., Popeko G.S., Pustyl-iik B.I.', Saro S., Sagaidak R.N., Veselsky M., Yeremin A.V., "Produc-ion of Z>82 Heavy Ion Fusion Evaporation Residues (ER) and Fissilit.y of leavy Nuclei."// Nucl. Physics A, 1993, vol. 553, p. 735c-738c.

12. Yeremin A.V., Andreyev A.N., Bogdanov D.D., Ter-Akopian G.M., Chepigin V.I., Gorshkov Y.A., Kabachenko A.P., Malyshev O.N., Popeko V.G., Sagaidak R.N., Sharo S., Voronkov E.N., Taranenko A.V., Lavrent-

jev A.Yu., "The kinematic separator VASSILISSA - performance and experimental results."// Дубна, 1994, 22 с. /Препринт Объед. нн-т ядерн. исслед., Е15-94-64/ Submitted to Nucl. Instr. and Meth. A.

Цитируемая литература

[1] Flerov G.N. and Ter-Akopian G.M., "Synthesis and study of atomic nuclei with Z > 100."// Prog. Part. Nucl. Phys., 1987, vol. 19, p. 197239.

[2] Seaborg G.T. and Loveland W.D., "Transuranium nuclei."// In: "Treatese on Heavy Ion Science", vol. 4 "Extreme nuclear states.", p. 255-330, ed. by D.A. Bromley, Plenum Press, New-York, 1985.

[3] Miinzenberg G., "Recent advances in the discovery of transuranium elements."// Rep. Prog. Phys., 1988, vol. 51, p. 57-104.

[4] Ильинов А.С., Оганесян Ю.Ц., Черепанов E.A., "Образование слабовозбужденных составных ядер и возможности синтеза тяжелых и сверхтяжелых элементов."// Ядерная физика, 1982, том 36, вып. 1, стр.118-129.

[5] Miinzenberg G., "In-flight separation of heavy ion beams."// Darmstadt, 1992, 50 p. /Preprint GSI, N 92-76./

[6] Armbruster P., "On the production of heavy elements by cold fusion: the elements 106 to 109."// Ann. Rev. Nucl. Part. Sci., 1985, vol. 35, p. 135-194.

[7] Blocki J.P., Feldmeier H., Swiatecki W.J., "Dynamical hindrance to compound-nucleus formation in heavy-ion reactions."// Nucl. Phys. A., 1986, vol. 459, p. 145-172.

[8] Muzychka Yu.A., Pustylnik B.I., "Hot fusion reaction cross-sections."// JINR Rap id Communications, 1991, N 4[61]-91, p. 54-59.

[9] Flerov G.N., Oganessian Yu.Ts., Pleve A.A., Pronin N.V., Tretyakov Yu.P,, "Acceleration of 48Ca ions and new possibilities of synthesizing syperheavy elements."// Nucl. Phys. A, 1976, vol. 267, p. 359-364.

[10] Hefiberg^r F.P., Miinzenberg G., Hofmann S., Agarwal Y.K., Poppensieker K., Reisdorf W., Schmidt K.-H., Schneider J.R.H., Schneider W.F.W., Schott H.J., Armbruster P., Thuma В., Sahm C.-C., Vermeulen D., "The new isotopes 258105, 257105, 254Lr and 253Lr."// Z. Phys. A, 1985, vol. 322, p. 557-566.

Рукопись поступила в издательский отдел 29 ноября 1994 года.