Fragmentacja pocisków

(1)

„Wybrane zagadnienia spektroskopii jądrowej”

2004

Fragmentacja pocisków

Marek Pfützner

823 18 96

pfutzner@mimuw.edu.pl

http://zsj.fuw.edu.pl/pfutzner

(2)

2

1. Wiązki radioaktywne i główne metody ich wytwarzania;

podstawy metody fragmentacji.

2. Reakcja fragmentacji pocisków i jej modele.

3. Wiązka wtórna i jej własności.

4. Optyka jonowa; układy dyspersyjne i achromatyczne.

Separator fragmentów; degrader jako element optyczny.

5. Detekcja i identyfikacja jonów.

6. Programy symulacyjne LISE i MOCADI.

7. Separatory fragmentów na świecie.

8. Przykłady eksperymentów.

9. Układy drugiej generacji.

Plan wykładu

Rozdział 1

Wiązki radioaktywne

i główne metody ich wytwarzania

(3)

4

Wstęp

•Wiedzę o jądrach atomowych zdobywamy badając :

− naturalną promieniotwórczość,

− reakcje jądrowe (z udziałem jąder i/lub cząstek elementarnych),

− sztuczną promieniotwórczość,

(powstałą w wyniku reakcji jądrowych).

Nuklidy trwałe : ok. 280 izotopów

•Źródłem ogromnej większości danych są reakcje, w których role pocisku i/lub tarczy odgrywają jądra nuklidów trwałych.

Z = 2 Z = 8

Z = 20 Z = 28

Z = 50

Z = 82

N = 2 N = 8 N = 20

N = 28

N = 50

N = 82

N = 126

liczba neutronów N

liczba protonów Z

-stabilne -β⁺/ EC -β^- -α

-rozszczepienie -p

Mapa nuklidów

• Znamy ok. 3000 nuklidów nietrwałych (wytworzonych sztucznie), a szacujemy, że liczba wszystkich

układów związanych siłami jądrowymi może osiągnąć 8000.

• Program wiązek radioaktywnych :

¼rozszerzyć badania jąder atomowych przez użycie wiązek jonów nietrwałych.

¼ „zdobyć” nowe terytoria na mapie nuklidów

(4)

6

Końcowe produkty reakcji

yp xn JK

CN

^*

→ + +

Reakcja fuzji

liczba neutronów N

liczba protonów Z

Pocisk

Tarcza

Wzbudzone jądro złożone

*

t p t

p t p t t t p p

p N N

A A

Z Z N A Z N A

Z

P + T →

₊⁺

CN

₊

Wytwarzanie pierwiastków superciężkich

W okolicy liczb Z=114 i N=184 spodziewana jest wyspa względnie długożyciowych nuklidów

Aby trafić w środek tej wyspy trzeba użyć bardziej n-nadmiarowych pocisków ! :

57Ca₃₇+ ²⁴⁴Pu₁₅₀¼³⁰¹114*₁₈₇¼²⁹⁸114₁₈₄+ 3n Z Dubnej doniesiono o syntezie pierwiastka 114 :

48Ca₂₈+ ²⁴⁴Pu₁₅₀¼²⁹²114^*₁₇₈¼²⁸⁹114₁₇₅+ 3n

(5)

8

Procesy nukleosyntezy

proces s

proces r proces rp

fuzja termojądrowa w gwiazdach Liczba neutronów

Liczba protonów

Przykład : cykl CNO

Cykle CNO – ważne dla zrozumienia nukleosyntezy. Przejście ze zwykłego cyklu CNO do cyklu gorącego (hot CNO) wymaga zbadania reakcji ¹³N(p,γ)¹⁴O

13N: T_1/2= 10 min

14O: T_1/2= 71 s

¼Pomiary z wiązkami radioaktywnymi w odwrotnej kinematyce : a) ¹³N + p ´¹⁴O + γ –Louvain-la-Neuve, PRL67(1991) 808 b) ¹⁴O + wirt. γ ´¹³N + p –RIKEN, PLB 264(1991)259

(6)

10

Struktura jednocząstkowa

Oscylator harmoniczny

N=4 N=5

g_9/2 g_7/2

d_5/2 d_3/2 s_1/2 h_11/2 h_9/2 f_5/2 f_7/2 p_3/2 p_1/2

g_9/2 g_7/2 d_5/2 d_3/2 s_1/2 h_11/2 p_3/2 h_9/2 p_1/2 i_13/2 f_5/2

f_7/2

82 82

50 50 126 126

70 70

40 40 112 112

W pobliżu ścieżki stabilności

Rozmyta powierzchnia na linii oderwania

neutronu

Przewidywania teoretyczne : Dobaczewski i in., 1996

N = 20 Z = 20

Ca Ar S Si Mg

14 16 18 20 22 24

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

Energia pierwszego stanu 2⁺

E [MeV]

Liczba neutronów, N

siarka siarka krzem siarka krzem magnez

Liczby magiczne

(7)

12

Liczby magiczne (2)

A. Ozawa et al., PRL 84 (2000) 5493

N = 8

16

20

12 Z = 8

20

12

16

Energia separacji neutronu S_nskokowo zmniejsza się, gdy liczba neutronów N przekracza liczbę magiczną

?

¼Potrzebne : pomiary mas i innych własności nuklidów na skraju mapy

Wiązki radioaktywne: dwie metody

ISOL

Separator Izotopów On-Line

gruba tarcza

źródło jonów

separator masowy

akcelerator (driver) lekkie jony, neutrony

eksperymenty pułapka

źródło post- akcelerator

1 – 10 AMeV

+ identyfikacja jonów –

selektywność chemiczna + –

+ szybkość

–

– parametry wiązki

+

– intensywność

+

~ ms – s 1 – 100 keV

„In-Flight”

Metoda fragmentacji

separator fragmentów

cienka tarcza

~µs 0.1 – 1 AGeV ciężkie jony

pierścień kumulujący

(8)

14

Układy typu ISOL na świecie

Przykład 1 : ISOLDE w CERN

Układ akceleratorów w CERN pod Genewą na granicy FR-CH

Do produkcji nuklidów w układzie ISOLDE wykorzystuje się wiązkę protonów o energii do 1.4 GeV i intensywności do 2 µA z synchro- tronu PSB

(9)

16

Plan ogólny

Tarcza, źródło jonów i separator

Przykładowe źródło jonów, tzw.

powierzchniowe. Jonizacja produktów zachodzi w przewodzie („LINE”) pod wpływem wysokiej temperatury (do 2400 ºC)

Separator masowy Energia końcowa : 60 keV Uzyskuje się wiązki ponad 600 izotopów

68 pierwiastków o czasach życia > 1ms

selektywność chemiczna !

(10)

18

REX-ISOLDE

~ ms – s 1 – 100 keV

1 – 10 AMeV

Przykład 2 : SPIRAL w GANIL

Układ cyklotronów przyspiesza wiązki ciężkich jonów :

– C do 95 A MeV – U do 25 A MeV

¼http://www.ganil.fr Grand Accelerateur

National d’Ions Lourds Caen, Francja

(11)

20

SPIRAL

Układy „In-Flight” na świecie

Przykład 1: MSU

(12)

22

Przykład 2 : LISE w GANIL

Układ cyklotronów przyspiesza wiązki ciężkich jonów :

– C do 95 A MeV – U do 25 A MeV

Przykład 3 : GSI Darmstadt

¼http://www.gsi.de/

(13)

24

FRagment Separator w GSI

Injekcja jonów z akceleratora UNILAC

3 – 20 A MeV Tarcza

Separator fragmentów Synchrotron

E ≈ 1 A GeV

~µs 0.1 – 1 AGeV

Schemat układu fragmentacyjnego

Akcelerator ciężkich jonów

E > 50 MeV/u

• Synchrotron (GSI) : – wiązka paczkowana

(ale możliwość powolnej ekstrakcji) – mniejsza intensywność

– łatwo o większą energię

– możliwość iniekcji do pierścienia

• Cyklotron (GANIL, MSU, RIKEN) : – wiązka DC

– duża intensywność – ograniczona energia

Magnetyczny separator produktów

Selekcja

tarcza

Produkcja

Układ pomiarowy