ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2020, том 83, № 4, с. 278-287

ЯДРА

СПЕКТРОСКОПИЯ ИЗОТОПОВ ТРАНСФЕРМИЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

В ДУБНЕ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

А. В. Исаев¹⁾, А. А. Кузнецова¹⁾, Ю. А. Попов^1),2), А. И. Свирихин^1),2),

Е. А. Сокол¹⁾, М. С. Тезекбаева^1),3), М. Л. Челноков¹⁾, В. И. Чепигин¹⁾,

А. Лопез-Мартенс⁴⁾, К. Хошильд⁴⁾, О. Дорво⁵⁾, Б. Галл⁵⁾,

Ж. Пио⁶⁾, С. Анталиц⁷⁾, П. Мошат⁷⁾, Д. Тонев⁸⁾, Е. Стефанова⁸⁾

Поступила в редакцию 25.12.2019 г.; после доработки 25.12.2019 г.; принята к публикации 25.12.2019 г.

В течение последних 15 лет в ЛЯР ОИЯИ был проведен большой цикл работ по детальному

исследованию свойств радиоактивного распада изотопов трансфермиевых элементов методами α-, β-,

γ-спектроскопии. В экспериментах использовались высокоинтенсивные ускоренные пучки тяжелых

ионов²²Ne,⁴⁸Ca,⁵⁰Ti и⁵⁴Cr циклотрона У-400 и кинематический сепаратор SHELS. В будущем

планируется модернизация сепаратора и детектирующей системы для повышения коэффициента

трансмиссии исследуемых ядер к детекторам и эффективности регистрации гамма-квантов.

DOI: 10.31857/S0044002720040108

1. ВВЕДЕНИЕ

на много порядков меньше, чем в экспериментах

без использования сепараторов. Поэтому одним из

В последние годы рентгеновская и γ-спектро-

основных направлений является совершенствова-

метрия все более широко применяются в экс-

ние экспериментальных методик и проведение экс-

периментах по изучению свойств радиоактивного

периментальных исследований с использованием

распада трансфермиевых элементов. Вследствие

самых последних разработок в области детектиру-

невысокой эффективности регистрации (несколько

ющих систем.

процентов), большого набора возможных энергий

рентгеновских и γ-квантов, частично перекрываю-

Для детального исследования свойств радио-

щихся для различных химических элементов, рент-

активного распада изотопов трансфермиевых эле-

геновские и γ-детекторы могут использоваться

ментов и поперечных сечений образования этих

только как дополнительные методы идентифика-

изотопов использовались различные типы реак-

ции. Гамма-детектирующие системы оказываются

ций и методы идентификации. В наиболее удачных

чрезвычайно продуктивными в экспериментах по

методиках при синтезе сверхтяжелых элементов

синтезу и изучению свойств радиоактивного рас-

использовались экспериментальные установки с

пада тяжелых ядер в комбинации с детекторами,

кинематическим отделением ядер отдачи от фоно-

регистрирующими α- и β-распады тяжелых ядер,

вых продуктов, а также корреляционная обработка

и, будучи расположены в фокальной плоскости

экспериментальных данных для генетически свя-

сепаратора ядер отдачи, имеют фоновые загрузки

занных распадов материнское ядро-дочернее яд-

ро. Корреляционные цепочки имплантированных в

¹⁾Объединенный институт ядерных исследований, Дубна,

детектор ядер отдачи приводят в область известных

Россия.

изотопов, что необходимо для достоверной иденти-

²⁾Государственный университет “Дубна”, Дубна, Россия.

фикации материнского ядра. В будущем экспери-

³⁾Институт ядерной физики, Алматы, Казахстан.

ментальная техника как для сепарации ядер отдачи,

⁴⁾Центр ядерной спектроскопии и материаловедения,

так и для регистрации различных видов излучений,

ИН2П3-Национальный центр научных исследований,

Орсэ, Франция.

испускаемых исследуемыми ядрами, может быть

⁵⁾Междисциплинарный институт Губерта Курьена,

улучшена, что даст новые возможности для изуче-

ИН2П3-Национальный центр научных исследований,

ния и поиска новых изотопов и получения новых

Страсбург, Франция.

данных о распадах известных ядер.

⁶⁾ГАНИЛ, Кан, Франция.

⁷⁾Университет Коменского, Братислава, Словакия.

В Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Фле-

⁸⁾ИЯИЯЭ, София, Болгария.

рова (ОИЯИ, Дубна) кинематический сепаратор

^*E-mail: eremin@jinr.ru

ядер отдачи ВАСИЛИСА (VASSILISSA) [1-3]

278

СПЕКТРОСКОПИЯ ИЗОТОПОВ ТРАНСФЕРМИЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

279

использовался для исследования поперечных сече-

ВАСИЛИСА, выполнить ионно-оптические рас-

ний образования и свойств радиоактивного распа-

четы и спроектировать необходимое оборудова-

да ядер — остатков испарения (ЯО), синтезируе-

ние [10-12]. В

2013

г. новый кинематический

мых в реакциях полного слияния с тяжелыми иона-

сепаратор SHELS (Separator for Heavy ELement

ми, ускоренными на циклотроне У-400. В резуль-

Spectroscopy) прошел вакуумные и высоковольт-

тате экспериментов, проведенных с использова-

ные тесты, в 2014 г. были проведены тестовые экс-

нием сепаратора ВАСИЛИСА, был синтезирован

перименты. К настоящему времени на сепараторе

ряд новых изотопов трансактинидных элементов

SHELS проведены эксперименты по изучению

и измерены поперечные сечения их образования.

структуры ядер

249-251Fm,

²⁵¹Md,

250-255No,

В ходе экспериментальной работы был набран

253,255Lr,

254-257Rf и

²⁵⁷Db, что позволило по-

большой объем данных относительно поперечных

лучить новые данные для конфигурации уровней

сечений формирования ЯО, синтезируемых в асим-

ротационных полос ядер с числом нейтронов

метричных реакциях [4].

от 149 до 155, т.е. получить данные о влиянии

В 2004 г. на сепараторе ВАСИЛИСА были

деформированной нейтронной подоболочки N =

начаты эксперименты по детальному исследова-

= 152 на ядерную структуру.

нию свойств радиоактивного распада и изучению

структуры ядерных уровней изотопов трансфер-

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА

миевых элементов. В сотрудничестве с группой

физиков из институтов Франции (ЦЯНМН, Орсэ

Модернизированный сепаратор ВАСИЛИСА-

и МИУК, Страсбург) на сепараторе ВАСИЛИСА

SHELS выполнен по схеме QQQ-E-D-D-E-

была создана комбинированная детектирующая

QQQ-D (Q — квадрупольная линза, E — элек-

установка GABRIELA (Gamma Alpha Beta Recoil

тростатический дефлектор, D — дипольный маг-

Investigations with the ELectromagnetic Analyzer),

нит). Схема сепаратора представлена на рис. 1.

состоящая из семи Ge детекторов для регистрации

Вращающаяся мишень облучается ускоренным

рентгеновских и γ-квантов, испускаемых иссле-

пучком тяжелых ионов. Триплеты квадрупольных

дуемыми ядрами, а также сборки из мультистри-

линз предназначены для фокусировки ядер отдачи,

повых кремниевых детекторов, обеспечивающих

пролетающих через сепаратор. Сепарирующая

регистрацию осколков спонтанного деления, α- и

часть состоит из комбинации электростатических

β-излучений в геометрии, близкой к 4π [5].

и магнитных полей, так называемый фильтр скоро-

В этих экспериментах исследовались свойства

стей. Детектирующая система сепаратора отделена

распада и структура изотопов No и Lr, синтези-

от экспериментального зала, в котором находится

руемых в реакциях⁴⁸Ca +207,208Pb →255,256No^∗,

ускоренный пучок, двухметровой бетонной стеной.

Перед детекторами располагается

8-градусный

⁴⁸Ca +²⁰⁹Bi →²⁵⁷Lr^∗, а также их дочерних ядер

[6-9]. Особый интерес для спектроскопических

дипольный магнит, служащий для дополнительной

очистки от ионов рассеянного пучка.

исследований представляют нейтроноизбыточные

изотопы элементов в области, где существует пе-

Детальное описание модернизированного се-

реход от нейтронной подоболочки N = 152 к под-

паратора тестовых экспериментов и полученных

оболочке с N = 162, поскольку сечения образо-

результатов для эффективности транспортировки

вания этих изотопов достаточно высоки. Попытка

ядер отдачи приведены в [13, 14].

использовать асимметричную комбинацию²²Ne +

Важным моментом является совершенствова-

+²³⁸U →²⁶⁰No^∗ для исследования свойств ней-

ние детектирующей системы GABRIELA (Gamma

троноизбыточных изотопов No-Fm показала, что,

Alpha Beta Recoil Investigations with ELectro-

несмотря на высокую интенсивность пучков уско-

magnetic Analyzer) с целью увеличения эффектив-

ренных ионов²²Ne (до 10¹³ част./с) и достаточно

ности детектирования γ-квантов и конверсионных

электронов, испускаемых исследуемыми ядрами

большое сечение образования (порядка 100 нбн),

для получения приемлемой статистики необходимо

[5]. Повышение эффективности детектирования γ-

существенное (примерно в 3 раза, т.е. до величины

квантов в три раза (от 10 до 30% в энергетическом

10-15%) повышение эффективности транспорти-

диапазоне 100-200 кэВ) позволяет повысить ве-

ровки медленных ЯО от мишени кинематического

роятность определения α-γ-корреляций и, соот-

ветственно, изучать структуру уровней и наличие

сепаратора до фокальных детекторов. В этом слу-

изомерных состояний для изотопов более тяжелых

чае для исследования нейтроноизбыточных изото-

элементов, имеющих сечения образования в реак-

пов 104 и 105 элементов с использованием ЯО-α-

циях полного слияния с тяжелыми ионами вплоть

γ- и ЯО-α-β-совпадений, достаточная статисти-

до нескольких пикобарн.

ка может быть получена в эксперименте продолжи-

тельностью около месяца.

В 2015 г. детектирующая система GABRIELA

Накопленный опыт позволил сформулиро-

была модернизирована (новая детектирующая ка-

вать требования для модернизации сепаратора

мера, фокальный детектор размером 100 × 100 мм²,

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№4

2020

280

ЕРЕМИН и др.

Рис. 1. Схема сепаратора SHELS: 1 — пучок ускоренных ионов, 2 — вращающаяся мишень, 3 — триплеты квадру-

польных линз, 4 — электростатические дефлекторы, 5 — дипольные магниты, 6 — бетонная стена толщиной 2 м, 7 —

дополнительный 8-градусный дипольный магнит, 8 — детектирующая система.

Рис. 2. a — Держатель с новыми фокальным и боковыми детекторами, расположенный на заднем фланце новой

детекторной камеры; б — вид новой детекторной камеры, германиевые γ-детекторы окружают DSSD (10 × 10 cм²), с

обратной стороны камеры располагается Клеверный германиевый детектор.

один германиевый детектор Клеверного типа

пользовании метода α-γ-корреляций) планирует-

(Clover), который размещен максимально близко

ся совершенствование и использование модерни-

к фокальному детектору и четыре германиевых

зированной детектирующей системы GABRIELA

однокристальных детектора по бокам детекторной

в фокальной плоскости экспериментальной уста-

камеры (рис. 2). В результате получены рекорд-

новки SHELS и проведение экспериментов по

ные значения эффективности детектирования γ-

спектроскопии экзотических высоковозбужденных

квантов (от 12 до 34%) в энергетическом диапазоне

ядер нейтроноизбыточных изотопов трансферми-

100-300 кэВ. С использованием пучков тяжелых

евых элементов. Для повышения эффективности

ионов²²Ne,⁴⁰Ar,⁴⁸Ca и⁵⁰Ti проводились тестовые

регистрации ядер отдачи — остатков испарения,

испытания нового фокального кремниевого детек-

транспортируемых установкой от мишени в фо-

тора и электронной спектрометрической аппара-

кальную плоскость, увеличения эффективности

туры. С обратной стороны детектора с каждого

детектирования и энергетического разрешения

стрипа сигналы снимались с использованием трех

при регистрации последовательных α-распадов и

разных предусилителей, что позволило с хорошей

спонтанного деления, а также γ-квантов и конвер-

чувствительностью регистрировать сигналы от

сионных электронов, испускаемых этими ядрами,

низкоэнергетичных конверсионных электронов

планируется использовать принципиально новую

(0-2 МэВ), α-частиц (0-20 МэВ) и осколков

детектирующую систему. В ее состав будет входить

спонтанного деления (0-200 МэВ).

пять детекторов Клеверного типа (см. рис.

3).

С целью повышения эффективности регистра-

Расчеты показывают, что в такой конфигурации

ции γ-квантов (определяющая величина при ис- в зависимости от энергии эффективность реги-

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№4

2020

СПЕКТРОСКОПИЯ ИЗОТОПОВ ТРАНСФЕРМИЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

281

Абсолютная эффективность, %

реакциях с тяжелыми ионами и процесса девоз-

буждения компаунд-ядер актинидных и трансак-

тинидных элементов позволяет подготовить и про-

вести эксперименты по синтезу химических эле-

ментов с атомными номерами 113 ≤ Z ≤ 118 и по-

лучить информацию о свойствах новых актинид-

ных и трансактинидных нуклидов. Актуальность

этих экспериментов для решения задачи синтеза

элементов с атомными номерами 110 ≤ Z ≤ 118,

изучения свойств нуклидов в области Z ≥ 100 и

новых ядер, удаленных от линии β-стабильности

в области Z ≥ 82, обусловлена тем, что кинема-

тический сепаратор SHELS совместно с детекти-

рующей системой GABRIELA обеспечивает иден-

тификацию вновь синтезируемых ядер и наиболее

10²

10³

полное изучение характеристик их радиоактивного

E, кэВ

распада. Полученная в предыдущих экспериментах

Рис. 3. Эффективность регистрации одиночных γ-

на детектирующих системах “нейтронный детек-

квантов в зависимости от энергии для различных

тор” и GABRIELA высокая эффективность де-

конфигураций γ-детекторов, рассчитанная по про-

тектирования как нейтронов спонтанного деления,

грамме GEANT4: 1 — первоначальная конфигурация с

так и γ- и электронных распадов исследуемых

семью германиевыми однокристальными детекторами

(2004 г.); 2 — конфигурация с одним детектором Кле-

ядер в фокальной плоскости позволяет набирать

верного типа вблизи фокального детектора и четырь-

достаточную статистику за более короткое время. В

мя германиевыми однокристальными детекторами по

табл. 1 приведены данные некоторых эксперимен-

бокам (используемая после 2015 г.); 3 — планируемая

тов, выполненных на сепараторе SHELS.

модернизация детектирующей системы с пятью детек-

торами Клеверного типа.

В экспериментах на сепараторе SHELS при

исследовании реакции полного слияния

⁵⁰Ti +

+²⁰⁸Pb →²⁵⁸Rf^∗ были уточнены свойства распада

страции γ-квантов модернизированной системой

изотопа²⁵⁶Rf [15]. Было зарегистрировано девять

GABRIELA будет составлять от 40% (100 кэВ)

событий типа ЯО-α-α-корреляций и определен

до 15-20% (более 500 кэВ). В этом случае при

период полураспада полученных коррелированных

наборе в течение эксперимента статистики порядка

событий T1/2 = 5.7 ± 1.2 мс. Также был проведен

300 событий распадов изотопов СТЭ (СверхТя-

корреляционный анализ ЯО-осколок спонтанного

желых Элементов) имеется реальная возможность

деления. Всего было найдено 6270 таких событий

измерения энергий γ-переходов из возбужденных

в совпадении с γ-квантами. Период полураспада

уровней и определения положения уровней.

для спонтанного деления 256Rf составил 6.9 ±

Планы использовать асимметричные комбина-

± 0.23 мс. Вероятность α-распада b_α для изотопа

ции типа²²Ne +²³⁸U →²⁶⁰No^∗,²²Ne +²⁴²Pu →

²⁵⁶Rf составляет 0.29%, а вероятность спонтанного

→²⁶⁴Rf^∗,²²Ne +²⁴⁸Cm →²⁷⁰Sg^∗ для исследова-

деления — 99.71%.

ния свойств нейтроноизбыточных изотопов No-

Предварительный анализ данных, полученных

Sg требуют продолжения работ по повышению

в наших экспериментах, подтверждает существо-

эффективности транспортировки медленных ЯО от

вание трех короткоживущих изомерных состояний

мишени кинематического сепаратора до фокаль-

изотопа²⁵⁶Rf [16]. Также зарегистрированы γ-

ных детекторов. Ионно-оптические расчеты по-

линии с энергией 104 и 900 кэВ, соответствующие

казывают, что для увеличения захвата медленных

переходам с последнего возбужденного уровня.

ЯО необходимо увеличение апертуры линз первого

На рис. 5 представлены спектры, полученные

триплета с существующих 200 до 300 мм. Линзы

в экспериментах с детектирующей установкой

с необходимой апертурой изготовлены (компания

GABRIELA с использованием метода α-α-γ-

СигмаФи, Франция, см. рис. 4), в 2020 г. планиру-

корреляций по изучению свойств распада изотопа

ется их монтаж на установке SHELS.

²⁵⁷Rf и его дочерних продуктов, образующих-

ся в реакции полного слияния 50Ti +208Pb →

→²⁵⁷Rf + 1n. В качестве фокального детектора

3. РЕЗУЛЬТАТЫ

модернизированного сепаратора использовался

Выполнение цикла экспериментов по исследо-

двусторонний многостриповый детектор

(128 ×

ванию ограничений на слияние сложных ядер в

× 128 стрипов, размер 100 × 100 мм²). Фокальный

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№4

2020

282

ЕРЕМИН и др.

243

Рис. 4. Триплет квадрупольных линз с апертурой 300 мм: а — общий вид, б — вид спереди. Цифрами показано

расстояние между линзами в мм.

Число отсчетов

450

400

350

300

250

200

150

100

8000

8200 8400 8600 8800 9000 9200 9400 9600

E, кэВ

Рис. 5. α-спектр с максимумами: 1 — 8700 кэВ, 2 — 8780 кэВ, 3 — 8970 кэВ, зарегистрированный в фокальной

плоскости сепаратора для реакции полного слияния⁵⁰Ti +²⁰⁸Pb →²⁵⁷Rf + 1n. Использовано условие корреляции

α-распад (материнское ядро²⁵⁷Rf)-α-распад (дочернее ядро²⁵³No).

детектор сепаратора имел разрешение

кэВ

вень

²⁵³No

5/2⁺ имеет энергию

кэВ, т.е.

(ПШПВ, для α-частиц с энергией 5.5 МэВ). В

метод α-спектрометрии с высоким разрешени-

общей сложности было зарегистрировано порядка

ем совместно с регистрацией γ-квантов может

2700 событий распада изотопа²⁵⁷Rf.

быть успешно применен для измерения энергии

низколежащих уровней сверхтяжелых ядер при

Установлено, что первый возбужденный уро-

достаточно небольшой статистике. Это особенно

актуально для четно-четных изотопов трансфер-

3/2⁺[622] 85 кэВ (расч.)

миевых элементов. Так, например, для изотопа

1/2⁺[620] 0 кэВ

²⁵⁴No, имеющего достаточно сильную деформацию

(параметр деформации β₂ = 0.252), первый воз-

бужденный уровень 2⁺ имеет энергию 44 кэВ, для

8700

изотопа²⁵²No (β₂ = 0.249), E(2⁺) имеет энергию

46 кэВ, для изотопа²⁵⁶Rf (β₂ = 0.249), E(2⁺) имеет

энергию 45 кэВ. На рис. 6 представлены схемы

8780

уровней материнского ядра

²⁵⁷Rf и дочернего

8970

ядра²⁵³No, синтезированных в реакциях полного

слияния

⁵⁰Ti +²⁰⁸Pb →²⁵⁷Rf + 1n, где изотоп

²⁵³No образуется в результате α-распада²⁵⁷Rf.

9/2^-[724] 0 кэВ

²⁵³No

Ряд экспериментов с использованием детек-

Рис. 6. Восстановленная из анализа α-спектров с

тирующей установки GABRIELA был посвящен

использованием α-γ-совпадений схема уровней мате-

изучению свойств распада изотопов256-258Db и

ринского²⁵⁷Rf и дочернего ядра²⁵³No.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№4

2020

СПЕКТРОСКОПИЯ ИЗОТОПОВ ТРАНСФЕРМИЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

283

Таблица 1. Данные экспериментов по спектроскопии

исследований структуры изотопов Mc, в особен-

изотопов No-Rf, выполненные на сепараторе SHELS

ности для анализа α-спектров с использованием

α-γ-совпадений и восстановления схем уровней

материнских ядер Mc и дочерних ядер Nh → Rg →

Суммарный

Количество

→ Mt → Bh → Db.

Ускоряе- Исследу- интегральный

зарегистриро-

мый ион емые ядра поток ионов

ванных

В реакциях ⁴⁸Ca + 204,206,208Pb → 252,254,256No^∗

(×10¹⁸)

распадов ядер

после испарения составным ядром двух нейтро-

нов образуются изотопы250,252,254No, в основном

⁴⁸Ca

253,254No

1.28

10400

испытывающие α-распад и спонтанное деление

⁴⁸Ca

254,255No

1.46

15920

(СД). В экспериментах с использованием реак-

ции полного слияния⁴⁸Ca +²⁰⁸Pb →²⁵⁴No + 2n в

⁴⁸Ca

²⁵⁵Lr,

3.54

8270

фокальной плоскости было зарегистрировано по-

²⁵⁵No

2900

рядка 600 корреляционных событий ЯО-осколок

СД. Наблюдались две активности, которые можно

⁴⁸Ca

²⁵⁵Lr,

1.84

32000

отнести к СД изотопов²⁵⁴No и²⁵²No (образующе-

²⁵⁵No

7300

гося на примеси изотопа²⁰⁶Pb в основной мишени).

⁴⁸Ca

²⁵⁴No

0.5

7000

Следует учитывать, что вероятность спонтанного

⁴⁸Ca

253,254No

3.85

90000

деления²⁵⁴No составляет величину 0.17%, тогда

как для²⁵²No — 29.3%. Имея большую разницу

⁴⁸Ca

²⁵²No

0.4

22000

между временами жизни, эти два изотопа хорошо

⁴⁸Ca

²⁵⁴No

0.3

15000

разделяются по периодам полураспада. В резуль-

тате к распаду²⁵⁴No было отнесено 310 событий

⁴⁸Ca

²⁵⁰No

2.6

30000

СД. В ходе эксперимента была набрана статисти-

⁵⁰Ti

²⁵⁷Db

8.45

1580

ка, сравнимая с предыдущим экспериментом, про-

⁵⁰Ti

²⁵⁵Rf

9.08

4100

веденным в GSI Darmstadt [17]. Наблюдалось два

события СД с малыми временами жизни, которые

⁵⁰Ti

²⁵⁷Rf

4.62

2700

могут быть предварительно отнесены к распаду

²⁵⁶Rf

6270

изомерного состояния изотопа²⁵⁴No. Были заре-

гистрированы γ-кванты (E_γ = 159 кэВ), испускае-

²²Ne

²⁵⁶No

9.7

5200

мые ядром²⁵⁴No при переходе от уровня 6⁺ к 4⁺.

В экспериментах по реакции полного слияния

дочерних продуктов, образующихся в реакции пол-

⁴⁸Ca +²⁰⁶Pb →²⁵⁴No + 2n было зарегистрирова-

ного слияния⁵⁰Ti +²⁰⁸Pb →²⁵⁹Db + xn. На рис. 7

но 22000 событий СД, отнесенных к распаду изо-

представлены спектры, полученные в эксперимен-

топа²⁵²No. Данной статистики было достаточно

тах с детектирующей установкой GABRIELA с

для проведения калибровки детекторов по пол-

использованием метода α-α-корреляций, по изу-

ной кинетической энергии (TKE). Наблюдались γ-

чению свойств распада изотопов256,258Db, об-

кванты (E_γ = 167 кэВ), испускаемые ядром²⁵²No

разующихся в реакции полного слияния⁵⁰Ti +

при переходе от уровня 6⁺ к 4⁺.

+²⁰⁹Bi →256,258Db + 1n,3n. Хорошо видно, что

α-спектры имеют достаточно сложную структуру,

Ключевым этапом экспериментов с пучком⁴⁸Ca

что указывает на наличие большого числа заселя-

являлось изучение свойств распада изотопа²⁵⁰No,

емых при α-распаде уровней. Для построения схем

синтезируемого в реакции полного слияния⁴⁸Ca +

уровней материнского ядра256,258Db, полученных

+²⁰⁴Pb →²⁵⁰No + 2n. Всего в фокальном детек-

с использованием метода α-γ-совпадений, не хва-

торе за 13 дней облучения было зарегистрировано

тает статистики по сравнению с экспериментами по

19000 корреляционных событий ЯО-осколок СД.

исследованию структуры ядра²⁵⁷Db.

На рис. 9 приведен спектр γ-квантов, видны ли-

На рис. 8 представлены α-спектр, полученный с

нии в 914 и 1090 кэВ, разница между которыми

использованием метода α-α-корреляций для изо-

составляет 176 кэВ. Пик с такой энергией также

топа²⁵⁷Db и схема уровней материнского ядра

наблюдается в спектре. Линии 115 и 176 кэВ

²⁵⁷Db и дочернего ядра²⁵³Lr, полученная с исполь-

хорошо согласуются с тем, что ожидалось увидеть

зованием метода α-γ-совпадений.

в ротационном спектре основного состояния на

Следует отметить, что эксперименты по изуче-

основе известных данных по спектрам основных

нию структуры уровней изотопов Db предостав-

состояний изотопов²⁵⁴No и²⁵²No (рис. 10a и 10б

ляют существенную информацию для подготовки

соответственно).

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№4

2020

284

ЕРЕМИН и др.

Число отсчетов

8000 8200 8400 8600 8800 9000 9200 9400 9600

E, кэВ

Рис. 7. То же, что и на рис. 5, для реакции полного слияния⁵⁰Ti +²⁰⁹Bi →256,258Db + 1n (a) с максимумом α-спектра

9015 кэВ и 3n (б) с максимумом α-спектра 9179 кэВ. Использовано условие корреляции α-распад (материнское ядро

256,258 Db)-α-распад (дочернее ядро²⁵³No,²⁵²Lr,²⁵⁴Lr ).

Число отсчетов

0.65 c

1/2^-

1.8 c

²⁵⁷Db

9/2⁺

9150

2.0 c

8856

1/2^-

8961

α α

279

9065

8713

3/2⁺

5/2^-

γ γ

112

146

0.52

²⁵³Lr

8000

8400

8800

9200

9600

E, кэВ

8788

Рис. 8. a — То же, что и на рис. 5, для реакции полного слияния⁵⁰Ti +²⁹⁸Bi →²⁵⁷Db + 2n с максимумами α-спектра:

1 — 8961 кэВ, 2 — 8856 кэВ, 3 —9065 кэВ, 4 —9150 кэВ. Использовано условие корреляции α-распад (материнское

ядро²⁵⁷Db)- α-распад (дочернее ядро²⁵³Lr). б — То же, что и на рис. 6, для материнского ядра²⁵⁷Db и дочернего ядра

²⁵³Lr.

Для данных изотопов переход от уровня 6⁺ к

схему распада²⁵⁰No, показанную на рис. 10в. Рас-

4⁺ происходит от 159 кэВ в²⁵⁴No к 167 кэВ в

пад из изомерного состояния 6⁺ сопровождается

²⁵²No, переход 4⁺ → 2⁺ происходит с испусканием

переходами 914 кэВ с мультипольностью M1 и

фотонов с энергией 44 и 46 кэВ соответственно

1090 кэВ с мультипольностью E2 в состояние 4⁺,

[18]. Исходя из этих данных, можно представить

затем в 2⁺ и в основное состояние 0⁺. Энергия

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№4

2020

СПЕКТРОСКОПИЯ ИЗОТОПОВ ТРАНСФЕРМИЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

285

Число отсчетов

300 событий распадов изотопов СТЭ имеется ре-

альная возможность измерения энергии перехода

из первого возбужденного уровня и определения

положения уровня. Эти данные позволят сделать

вывод о степени деформации исследуемых ядер.

Весной 2019 г. на новом ускорителе DC-280

(фабрика СТЭ ЛЯР ОИЯИ) начались первые те-

стовые эксперименты. В планах до 2023 г. со-

здать на ускорителе DC-280 новую эксперимен-

тальную установку (ГНС3), которая будет исполь-

зовать модернизированную детектирующую систе-

му GABRIELA для изучения структуры изотопов

200

400

600

800

1000

тяжелых и сверхтяжелых элементов. На фабрике

E, кэВ

СТЭ ЛЯР ОИЯИ планируется получение пучков

тяжелых ионов⁴⁸Ca,⁵⁰Ti,⁵⁴Cr с интенсивностью

Рис. 9. Спектр γ-квантов, регистрируемых при рас-

до 10 мкА част. [21]. Использование таких вы-

паде изотопа²⁵⁰No с максимумами: 1 — 115 кэВ, 2 —

сокоинтенсивных пучков в сочетании с эффектив-

176 кэВ, 3 — 914 кэВ, 4 — 1090 кэВ.

ными экспериментальными установками должно

открыть доступ к изучению ядер, более близких к

перехода 6⁺ → 4⁺ составляет 176 кэВ, 4⁺ → 2⁺ —

центру “острова стабильности”.

115 кэВ и 2⁺ → 0⁺ ∼ 49 кэВ.

В настоящее время циклотрон У-400 обеспе-

чивает интенсивность ускоренного пучка ионов

⁴⁸Ca на уровне 1.0-1.5 мкА част. После запуска

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

экспериментальной установки ГНС3 и модерни-

Данные экспериментов по синтезу изотопов

зированной детектирующей системы GABRIELA

элементов с Z от 110 до 118 [19, 20] показы-

в экспериментальном зале циклотрона DC280,

вают, что периоды полураспада этих изотопов

появится возможность проведения поисковых экс-

увеличиваются с ростом числа нейтронов в ядре,

периментов по изучению структуры изотопов СТЭ,

что может служить косвенным подтверждением

синтезируемых в реакциях полного слияния⁴⁸Ca +

существования области относительно долгожи-

+²⁴³Am →²⁸⁸Mc + 3n,

⁴⁸Ca +²⁴²Pu →²⁸⁷Fl +

вущих сверхтяжелых ядер вблизи сферических

+ 3n, ⁴⁸Ca + ²⁴²Pu → ²⁸⁶Fl + 4n, ⁴⁸Сa + ²⁴⁸Cm →

оболочек нейтронов и протонов. Продвижение к

→²⁹²Lv + 4n.

“острову стабильности” (предположительно N =

= 184) сверхтяжелых элементов требует развития

Если величина сечения образования изотопов

экспериментальных методов, в том числе со-

СТЭ находится на уровне нескольких (2-8) пбарн,

вершенствования ускорителей, сепараторов ядер

то при длительности эксперимента порядка 100

отдачи, создания высокоинтенсивных пучков ионов

дней возможно набрать интегральный поток ионов

нейтроноизбыточных изотопов (например,

⁵⁰Ti,

10²⁰, что позволит зарегистрировать около 300

⁵⁴Cr,

⁵⁸Fe, 64Ni), нейтроноизбыточных мишеней

событий распадов изотопов СТЭ. В этом случае

из изотопов трансактинидных элементов, сложных

имеется реальная возможность измерения энергий

детектирующих систем.

γ-переходов из возбужденных уровней и точного

определения положения низколежащих уровней.

Эксперименты по изучению структуры уровней

изотопов Rf и Db являются хорошей методиче-

Помимо спектроскопической информации о

ской базой при подготовке исследований струк-

структуре ядер в области СТЭ, при наборе до-

туры изотопов Fl, Lv и Mc. Расчеты показыва-

статочной статистики (несколько сотен событий)

ют, что для четно-четного изотопа 286Fl (β2 =

появляется возможность детального изучения

свойств радиоактивного распада изотопов, находя-

= 0.15-0.16) уровень E(2⁺) может иметь энергию

щихся в цепочках распада материнских ядер СТЭ.

порядка 112 кэВ. Если эффективность регистра-

К примеру, до сих пор остается открытым вопрос о

ции α-частиц составляет величину порядка 70%,

свойствах распада изотопа²⁶⁸Db, конечного ядра в

эффективность регистрации γ-квантов с энергией

от 100 до 500 кэВ — 34-14%, вероятность α-

цепочке распада изотопа²⁸⁸Mc. В настоящее вре-

γ-корреляций составит величину 10-20%. Если

мя предполагается, что изотоп²⁶⁸Db испытывает

вероятность заселения низколежащего уровня 2⁺

спонтанное деление с периодом полураспада 27 ч.

может составить величину порядка 5% в зависи-

Но теоретические расчеты показывают, что²⁶⁸Db с

мости от предполагаемой энергии уровня, то при

высокой степенью вероятности может испытывать

наборе в течение эксперимента статистики порядка

β-распад (электронный захват), а спонтанное

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№4

2020

286

ЕРЕМИН и др.

6⁺

914 (M1)

1090 (E2)

6⁺

340

6⁺

320.7

176

6⁺

304.6

167

164

4⁺

159

4⁺

153.8

115

4⁺

145.2

107

101

2⁺

46.4

2⁺

44.2

0⁺

²⁵⁴No

²⁵²No

²⁵⁰No

Рис. 10. a — Ротационный спектр основного состояния²⁵⁴No; б — ротационный спектр основного состояния²⁵²No; в —

предполагаемая схема распада²⁵⁰No, основанная на полученных данных из эксперимента и существующих данных по

²⁵⁴No и²⁵²No.

деление испытывает изотоп

²⁶⁸Rf с периодом

and A. Yu. Lavrentjev, Nucl. Instrum. Methods B 126,

полураспада несколько секунд. В этом случае

329 (1997).

необходима регистрация рентгеновского кванта

A. V. Yeremin, A. V. Belozerov, M. L. Chelnokov,

с энергией 120-140 кэВ в корреляции со спон-

V. I. Chepigin, V. A. Gorshkov, A. P. Kabachenko,

танным делением. Основываясь на результатах

O. N. Malyshev, Yu. Ts. Oganessian, A. G. Popeko,

экспериментов, выполненных в ГСИ (Дармштадт,

R. N. Sagaidak, A. I. Svirikhin, S. Hofmann,

Германия) на сепараторе TASCA

[22], можно

G. Berek, I. Brida, and S. Saro, Yad. Fiz. 66, 1078

(2003) [Phys. At. Nucl. 66, 1042 (2003)].

предположить, что при регистрации 300 цепочек

K. Hauschild, A. V. Yeremin, O. Dorvaux,

распада изотопов СТЭ возможна регистрация

A. Lopez-Martens, A. V. Belozerov, Ch. Brian-

более 200 коррелированных γ-квантов. В этом

con, M. L. Chelnokov, V. I. Chepigin, S. A. Gar-

случае при β-распаде изотопа²⁶⁸Db будет заре-

cia-Santamaria, V. A. Gorshkov, F. Hanappe,

гистрировано несколько десятков рентгеновских

A. P. Kabachenko, A. Korichi, O. N. Malyshev,

квантов в корреляции со спонтанным делением

Yu. Ts. Oganessian, A. G. Popeko, N. Rowley, et al.,

изотопа²⁶⁸Rf.

Nucl. Instrum. Methods A 560, 388 (2006).

Работа выполнена при финансовой поддержке

A. Lopez-Martens, K. Hauschild, A. V. Yeremin,

РФФИ, гранты: № 17-02-00867 и № 18-52-15004;

A. V. Belozerov, Ch. Briancon, M. L. Chelnokov,

Французского национального агентства исследо-

V. I. Chepigin, D. Curien, O. Dorvaux, B. Gall,

ваний, гранты ANR-06-BLAN-0034-01 и ANR-

V. A. Gorshkov, M. Guttormsen, F. Hanappe,

12-BS05-0013; ОМУС ОИЯИ (грант для моло-

A. P. Kabachenko, F. Khalfallah, A. Korichi,

O. N. Malyshev, et al., Phys. Rev. C 74, 044303

дых научных сотрудников ОИЯИ, № 19-502-06,

(2006).

А. А. Кузнецова; № 19-502-10, М. С. Тезекбаева).

A. Lopez-Martens, K. Hauschild, A. V. Yeremin,

O. Dorvaux, A. V. Belozerov, Ch. Briancon,

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

M. L. Chelnokov, V. I. Chepigin, D. Curien,

P. Desesquelles, B. Gall, V. A. Gorshkov,

1. A. V. Yeremin, A. N. Andreyev, D. D. Bogdanov,

M. Guttormsen, F. Hanappe, A. P. Kabachenko,

V. I. Chepigin, V. A. Gorshkov, A. I. Ivanenko,

F. Khalfallah, A. Korichi, et al., Eur. Phys. J. A 32,

A. P. Kabachenko, L. A. Rubinskaya, E. M. Smirnova,

245 (2007).

S. V. Stepantsov, E. V. Voronkov, and G. M. Ter-

K. Hauschild, A. Lopez-Martens, A. V. Yeremin,

Akopian, Nucl. Instrum. Methods A 274, 528 (1989).

O. Dorvaux, S. Antalic, A. V. Belozerov,

2. A. V. Yeremin, A. N. Andreyev, D. D. Bogdanov,

Ch. Briancсon, M. L. Chelnokov, V. I. Chepigin,

G. M. Ter-Akopian, V. I. Сhepigin, V. A. Gorshkov,

D. Curien, B. Gall, A. Goergen, V. A. Gorshkov,

A. P. Kabachenko, O. N. Malyshev, A. G. Popeko,

M. Guttormsen, F. Hanappe, A. P. Kabachenko,

R. N. Sagaidak, S. Sharo, E. N. Voronkov,

A. V. Taranenko, and A. Yu. Lavrentjev, Nucl.

F. Khalfallah, et al., Phys. Rev. C 78, 021302 (2008).

Instrum. Methods A 350, 608 (1994).

A. Lopez-Martens, T. Wiborg-Hagen, K. Hauschild,

3. A. V. Yeremin, D. D. Bogdanov, V. I. Chepigin,

M. L. Chelnokov, V. I. Chepigin, D. Curien, O. Dor-

V. A. Gorshkov, A. P. Kabachenko, O. N. Malyshev,

vaux, G. Drafta, B. Gall, A. Gorgen, M. Guttormsen,

A. G. Popeko, R. N. Sagaidak, G. M. Ter-Akopian,

A. V. Isaev, I. N. Izosimov, A. P. Kabachenko,

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№4

2020

СПЕКТРОСКОПИЯ ИЗОТОПОВ ТРАНСФЕРМИЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

287

D. E. Katrasev, T. Kutsarova, A. N. Kuznetsov, et al.,

A. I. Svirikhin, E. A. Sokol, M. L. Chelnokov,

Nucl. Phys. A 852, 15 (2011).

V. I. Chepigin, et al., Письма в ЭЧАЯ 16, 207 (2019)

10. A. Yeremin, O. Malyshev, A. Popeko, A. Lopez-

[Phys. Part. Nucl. Lett. 16, 224 (2019)].

Martens, K. Hauschild, and O. Dorvaux, Nucl.

16. H. B. Jeppesen, I. Dragojevic, R. M. Clark,

Instrum. Methods B 266, 4137 (2008).

K. E. Gregorich, M. N. Ali, J. M. Allmond,

11. A. Yeremin et al., in Proceedings of the

C. W. Beausang, D. L. Bleuel, M. Cromaz,

International Symposium on Exotic Nuclei

M. A. Deleplanque, P. A. Ellison, P. Fallon,

“EXON-2009”, Sochi, Russia,

2009, Ed. by

M. A. Garcia, J. M. Gates, J. P. Greene, S. Gros,

Yu. E. Penionzhkevich (AIP, Melville, New York,

I. Y. Lee, et al., Phys. Rev. C 79, 031303(R) (2009).

2010), p. 525.

17. F. P. Heßberger, S. Antalic, B. Sulignano,

12. A. Yeremin, O. Malyshev, A. Popeko, A. Lopez-

D. Ackermann, S. Heinz, S. Hofmann, B. Kindler,

Martens, K. Hauschild, O. Dorvaux, S. Saro,

J. Khuyagbaatar, I. Kojouharov, P. Kuusiniemi,

D. Pantelica, and S. Mullins, Pramana J. Phys. 75,

M. Leino, B. Lommel, R. Mann, K. Nishio,

3 (2010).

A. G. Popeko, S. Saro, B. Streicher, et al., Eur.

13. A. V. Yeremin, A. G. Popeko, O. N. Malyshev,

Phys. J. A 43, 55 (2010).

A. Lopez-Martens, K. Hauschild, O. Dorvaux,

18. National Nuclear Data Center of Brookhaven

B. Gall, V. I. Chepigin, A. I. Svirikhin, A. V. Isaev,

National Laboratory.

E. A. Sokol, M. L. Chelnokov, A. N. Kuznetsov,

A. A. Kuznetsova, A. V. Belozerov, K. Rezynkina,

https://www.nndc.bnl.gov/nudat2/

F. Dechery, et al., Письма в ЭЧАЯ 12, 63 (2015)

19. S. Hofmann, EPJ Web Conf. 131, 06001 (2016).

[Phys. Part. Nucl. Lett. 12, 35 (2015)].

20. Yu. Ts. Oganessian and V. K. Utyonkov, Nucl. Phys.

14. A. V. Yeremin, A. G. Popeko, O. N. Malyshev,

A 944, 62 (2015).

B. Gall, Z. Asfari, A. Lopez-Martens, K. Hauschild,

21. S. Dmitriev, M. Itkis, and Y. Oganessian, EPJ Web

O. Dorvaux, B. N. Gikal, S. L. Bogomolov,

Conf. 131, 08001 (2016).

V. N. Loginov, V. I. Chepigin, A. I. Svirikhin,

22. D. Rudolph, U. Forsberg, P. Golubev, L. G. Sar-

A. V. Isaev, E. A. Sokol, M. L. Chelnokov,

miento, A. Yakushev, L.-L. Andersson, A. Di Nitto,

A. N. Kuznetsov, et al., Письма в ЭЧАЯ 12,

Ch. E. D ¨ullmann, J. M. Gates, K. E. Gregorich,

74 (2015) [Phys. Part. Nucl. Lett. 12, 43 (2015)].

C. J. Gross, F. P. Heßberger, R.-D. Herzberg,

15. A. Yeremin, M. S. Tezekbayeva, A. G. Popeko,

J. Khuyagbaatar, J. V. Kratz, K. Rykaczewski,

O. N. Malyshev, A. Lopez-Martens, K. Hauschild,

M. Sch ¨adel, et al., Phys. Rev. Lett. 111, 112502

O. Dorvaux, B. Gall, A. V. Isaev, A. V. Karpov,

A. N. Kuznetsov, A. A. Kuznetsova, Yu. A. Popov,

(2013).

SPECTROSCOPY OF THE ISOTOPES OF TRANSFERMIUM ELEMENTS

IN DUBNA: PRESENT STATUS AND PERSPECTIVES

A. V. Yeremin^1),2), A. G. Popeko^1),2), O. N. Malyshev^1),2), A. V. Isaev¹⁾, A. A. Kuznetsova¹⁾,

Yu. A. Popov^1),2), A. I. Svirikhin^1),2), E. A. Sokol¹⁾, M. S. Tezekbayeva^1),3), M. L. Chelnokov¹⁾,

V. I. Chepigin¹⁾, A. Lopez-Martens⁴⁾, K. Hauschild⁴⁾, O. Dorvaux⁵⁾, B. Gall⁵⁾, J. Piot⁶⁾,

S. Antalic⁷⁾, P. Mosat⁷⁾, D. Tonev⁸⁾, E. Stefanova⁸⁾

¹⁾Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia

²⁾State University “Dubna”, Dubna, Russia

³⁾Institute of Nuclear Physics, Almaty, Kazakhstan

⁴⁾Center for Nuclear and Materials Science, IN2P3-CNRS, Orse, France

⁵⁾Hubert Curien Multi-Disciplinary Institute, IN2P3-CNRS, Strasbourg, France

⁶⁾ GANIL, Caen, France

⁷⁾Comenius University, Bratislava, Slovakia

⁸⁾INSNE, Sofia, Bulgaria

Big number of experimental works aimed to the detailed study of radioactive decay properties of the isotopes

of transfermium elements using α, β, γ spectroscopy were performed at the FLNR JINR during last 15

years. High intensity accelerated heavy ion beams of²²Ne,⁴⁸Ca,⁵⁰Ti, and⁵⁴Cr from the cyclotron U-400

were used in the experiments with SHELS kinematic separator. For increase of transmission efficiency of

the investigated nuclei and registration efficiency for gamma quanta in the future the modernization of the

separator and detector system is planned.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№4

2020