Wiązki Radioaktywne. wytwarzanie nuklidów dalekich od stabilności. Jan Kurcewicz CERN, PH-SME. 5 września 2013 transparencje: Marek Pfützner

Transkrypt

1 Wiązki Radioaktywne wytwarzanie nuklidów dalekich od stabilności Jan Kurcewicz CERN, PH-SME 5 września 2013 transparencje: Marek Pfützner

2 Wstęp

3 Nuklidy nietrwałe

4 Przykład: reakcja fuzji Fuzja (synteza, złączenie) dwóch jąder trwałych prowadzi do powstania jądra neutrono-deficytowego

5 Pierwiastki superciężkie

6 Schemat eksperymentu Produkcja (reakcja jądrowa) Selekcja Akcelerator pocisków tarcza magnetyczny separator produktów Obserwacja układ detektorów elektronika pomiarowa komputery

7 Schemat eksperymentu Produkcja (reakcja jądrowa) Selekcja Akcelerator pocisków tarcza magnetyczny separator produktów Obserwacja układ detektorów elektronika pomiarowa komputery

8 Mechanizmy produkcji: a) fuzja Reakcja fuzji-wyparowania wyparowane nukleony u 0 u m m M u 0 pocisk tarcza jądro złożone Energia pocisku musi być starannie dobrana: jeśli będzie za mała, pocisk nie zetknie się z tarczą, jeśli będzie za duża, jądro złożone od razu się rozleci. Typowa wartość energii, to ok. 8 MeV/nukleon (bariera Coulombowska). Kombinację pocisk-tarcza dobiera się tak, aby otrzymać żądany produkt. Ogranicza to liczbę możliwości. Reakcja użyteczna to badania nuklidów neutrono-deficytowych (promieniotwórczość protonowa). Jedyna reakcja, która prowadzi do syntezy pierwiastków superciężkich!

9 b) fragmentacja Reakcja fragmentacji (pocisku) wzbudzony prefragment u u0 0 fragment pocisku pocisk tarcza obserwator lub fragmenty rozszczepienia Przy dużej energii (> 100 Mev/nukleon) i przy zderzeniu peryferyjnym, część pocisku (fragment) porusza się dalej z tą samą prędkością. Reakcja jest uniwersalna, można wytworzyć dowolne jądro, które ma mniej nukleonów niż pocisk. Fragmenty tworzą już wiązkę, którą można kierować do eksperymentów. Reakcja bardzo użyteczna to badania nuklidów bardzo dalekich od trwałości. Wykorzystano ją w badaniach promieniotwórczości dwuprotonowej.

10 c) kruszenie Reakcja kruszenia (spallation) kaskada wielonukleonowa fragment końcowy pocisk u 0 tarcza lub fragmenty rozszczepienia Lekki pocisk (p, d) o dużej energii (> 100 Mev/nukleon) inicjuje kaskadę zderzeń między nukleonami, w wyniku której część z nich ucieka (paruje) i powstaje fragment tarczy lub dochodzi do rozszczepienia. Reakcja jest uniwersalna, można wytworzyć dowolne jądro, które ma mniej nukleonów niż tarcza. Fragmenty nie tworzą jednak wiązki, trzeba ją formować. Główna zaleta: łatwo uzyskać wiązki protonów o dużej energii i b. dużej intensywności.

11 Odwrotna kinematyka Reakcja kruszenia w odwrotnej kinematyce kaskada wielonukleonowa fragment końcowy pocisk u 0 tarcza u 0 lub fragmenty rozszczepienia Gdy masywny pocisk o dużej energii pada na lekką tarczę (p, d) też dochodzi do reakcji kruszenia. Odwrócone kruszenie jest bardzo podobne do fragmentacji. Różni się od niej tylko mechanizmem wzbudzania układu przejściowego.

12 Przykłady fragmentacji i kruszenia 208 Pb + x 238 U + x

13 Schemat eksperymentu Produkcja (reakcja jądrowa) Selekcja Akcelerator pocisków tarcza magnetyczny separator produktów Obserwacja układ detektorów elektronika pomiarowa komputery

14 Elementy optyki jonowej: a) dipol Ważny związek: A B [Tm] Q

15 GSI Darmstadt (Niemcy) Magnes dipolowy

16 b) kwadrupol

17 Soczewka kwadrupolowa

18 Schemat produkcji in flight Metoda in-flight driver accelerator thin target fragment separator storage ring detectors In-flight Tarcza ma dużo mniejszą grubość niż zasięg pocisków w tarczy. Produkty reakcji wylatują z tarczy i wpadają do separatora magnetycznego. Główne zalety: szybkość, niezależność od własności chemicznych; Dwa warianty: a) mała energia pocisków (10 MeV/u) reakcja fuzji b) duża energia pocisków (>100 MeV/u) reakcja fragmentacji i kruszenia Przy dużej energii (fragmentacja) możliwość identyfikacji pojedynczych atomów w locie. Dzięki temu osiąga się bardzo wysoką czułość!

19 Przykład 1: GSI Darmstadt

20 FRS : separator fragmentów w GSI wiązka jonów pomiar czasu przelotu (s = 36 m) tarcza magnes dipolowy magnes kwadrupolowy detektory detektory Czas przelotu jonu v Tor lotu + pole B B } A/q A/Z Strata energii DE w komorze jonizacyjnej Z

21 FRS optyka jonowa

22 Ładunek Z Przykład identyfikacji jonów Pierwsza obserwacja trzech nowych nuklidów : 42 Cr, 45 Fe i 49 Ni przy użyciu separatora FRS, GSI, Stosunek masy do ładunku, A/Z

23 Przykład 2: GANIL

24 LISE: separator fragmentów w GANIL

25 Przykład 3: A1900 w NSCL/MSU National Superconducting Cyclotron Laboratory at Michigan State University, East Lansing, USA

26 Identyfikacja 48 N Experiment in March 2011, A1900 fragment separator at NSCL/MSU A MeV + nat Ni 48 Ni 10 events of 48 Ni in 10 days M. Pomorski et al., PRC 83 (11) (R)

27 Schemat produkcji ISOL Metoda ISOL (Separator Izotopów On-Line) postaccelerator ISOL driver accelerator thick target ion source isotope separator detectors Tarcza ma więszą grubość niż zasięg pocisków w tarczy. Produkty reakcji grzęzną w tarczy i nastepnie są z niej ekstrahowane, jonizowane i przyspieszane. Główne zalety: duże intensywności produktów, łatwość postakceleracji; wady: powolność, zależność od własności chemicznych.

28 Przykład 1: GANIL

29 Układ SPIRAL w GANIL

30 Przykład 2: CERN

31 ISOLDE w CERN Wiązka protonów o energii ok. 1 GeV wywołuje reakcję kruszenia tarczy Wkrótce rozbudowa: HIE-Isolde

32 Przyszłość w GSI i GANIL SPIRAL 2@GANIL - A world leading ISOL Facility GANIL facility LIRAT 1+ Production building C converter + UCx target fissions/s RFQ Heavy-Ion ECR source (A/q=3), 1mA Stable Heavy-Ion Exp. Hall Super conducting LINAC 40MeV d, 5 ma, 14 MeV/A HI

33 Metody łączone W przyszłych laboratoriach planuje się lączenie dwóch schematów driver accelerator thin target fragment separator storage ring detectors In-flight gas cell postaccelerator ISOL driver accelerator thick target ion source isotope separator detectors

34 Przyszłośc w MSU

35 EURISOL

36 Wiązki radioaktywne na świecie