Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 4, стр. 436-442

ВВЕДЕНИЕ

Исследования с пучками радиоактивных изотопов (РИ) при энергиях от нескольких А · МэВ вплоть до ~1 А · ГэВ составляют наиболее интенсивно развивающуюся область современной ядерной физики. Лишь для самых легких нуклидов границы ядерной стабильности достигнуты и в некоторой степени изучены [1, 2]. Уже для изотопов с Z > 5 экспериментальная информация о структуре ядер, находящихся вблизи и за границами протонной/нейтронной стабильности, оказывается весьма скудной и противоречивой [3]. Следовательно, области как теоретических, так и экспериментальных исследований в этом направлении далеко не исчерпаны [4–6]. Для этих целей в крупных мировых центрах (FAIR – Германия, FRIB – США, RIBF – Япония, SPIRAL2 – Франция, ISOLDE – Швейцария, HIAF – Китай, и др.) создаются или уже функционируют фабрики по производству интенсивных пучков РИ, оборудованные мощной детектирующей аппаратурой [7‒12]. Единственным научным центром на постсоветском пространстве, где ведутся подобные исследования, является Лаборатория ядерных реакций им. Г.Н. Флёрова ОИЯИ, где на первичных пучках тяжелых ионов циклотрона У-400М работает комплекс установок АКУЛИНА и АКУЛИНА-2 [5, 6]. В данной работе описаны основные характеристики пучков РИ нового фрагмент-сепаратора АКУЛИНА-2, недавно проверенные экспериментально, приводятся предварительные результаты первых экспериментов на этой установке, а также сообщается о программе исследований на ближайшие несколько лет.

ФРАГМЕНТ-СЕПАРАТОР АКУЛИНА-2

Фрагмент-сепаратор АКУЛИНА-2, действующий на базе циклотрона У-400М, детально описан в обзоре [6] в сравнении с другими установками, представляющими источники пучков РИ, действующими и сооружаемыми в ряде лабораторий мира. В обзоре приведены базовые характеристики сепаратора АКУЛИНА-2 и дополнительного оборудования, необходимого для проведения экспериментов на качественно новом уровне (дипольный магнит для отклонения заряженных частиц под передними углами и радиочастотный фильтр для очистки требуемого пучка РИ). В период до 2023 г. в ЛЯР ОИЯИ будет проведена модернизация комплекса РИ, включающая повышение энергии и интенсивности первичных пучков на ускорителе У-400М, формирование ISOL-метода получения пучков РИ высокого качества, газо-вакуумную систему для работы с криогенными мишенями изотопов гелия и водорода, включая тритий. Авторами [6] также представлена мотивация нескольких первоочередных экспериментов на установке АКУЛИНА-2, а именно, изучение таких изотопов как ⁷H, ¹⁷Ne, ²⁶O, ²⁶S.

В период 2015–2016 гг. фрагмент-сепаратор работал в тестовом режиме. Проводилась отладка систем управления и контроля вакуума, питания магнитов, мониторирования первичного и вторичного пучков, узла производящей мишени, системы подвижных щелей и некоторых других устройств. Результатом этой работы явилось получение первых пучков РИ и измерение их основных характеристик: интенсивности, поперечных размеров в фокальных плоскостях, очистки от примесей, импульсного захвата, разброса по энергии и углу траекторий радиоактивных ядер. Так, в реакции фрагментации первичного пучка ¹⁵N (49.7 МэВ/нуклон) на бериллиевой мишени толщиной 2 мм были измерены указанные параметры для целого ряда радиоактивных пучков: ^6,8He, ^9,11Li, ^11,12Be, ^14,15В и др. Полученные интенсивности радиоактивных пучков в среднем в 15 раз превышают значения, получаемые на сепараторе АКУЛИНА, что хорошо согласуется с расчетами. Другие характеристики также хорошо согласуются с ожидаемыми значениями, полученными с использованием кодов TRANSPORT, INTENSITY и LISE++ (см. детали в работе [6]).

ПЕРВЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ: ⁵Н И ⁷Н

В 2017 году стало возможным проведение первых экспериментов на комплексе У-400М + + АКУЛИНА-2, что позволило получить реалистичные оценки условий реализации амбициозной научной программы, предложенной авторами [6]. Специальный интерес представляет оптимизация постановки экспериментов, направленных на определение энергии и ширины основного состояния ядерной системы ⁷Н. Специфический интерес к проблеме ⁷Н обусловлен предсказанием ⁷Н в качестве истинного 4n излучателя [13], т.е. ядра, испытывающего радиоактивный 4n-распад. Попытки получения данных о свойствах основного состояния ядра ⁷Н предпринимались ранее неоднократно, см. [5, 14, 15] и ссылки внутри. Так, авторы работы [15] для пучка ⁸Не с энергией 42 МэВ/нуклон, бомбардирующего газовую мишень дейтерия, получили верхний предел 30 мкб ⋅ ср^–1 для сечения реакции ²Н(⁸Не,³Не)⁷Н, приводящей к заселению основного состояния ⁷Н. Энергия распада этого состояния, распадающегося с испусканием пяти тел, ⁷Н → t + 4n, грубо оценена в этой работе значением ~2 МэВ.

Более точное определение энергии основного состояния может быть достигнуто при условии одновременного измерения импульсов ядер отдачи ³Не и продуктов распада ядра ⁷Н. Для подготовки методической базы такого эксперимента нами исследовалась реакция передачи одного протона от снаряда ⁶Не (Е ~ 25 МэВ/нуклон) на ядро дейтерия (мишень из дейтерированного полиэтилена CD₂, 20 мкм). Целью эксперимента было определение сечений заселения основного и возбужденных состояний тяжелого изотопа водорода ⁵Н в реакции ²Н(⁶Не,³He)⁵Н. Ранее такая реакция была изучена нами на установке АКУЛИНА [16] при энергии пучка ⁶Не 22 МэВ/нуклон. Недавно эту реакцию исследовали в MSU на сепараторе А1900 при энергии ⁶Не 55 МэВ/нуклон [17]. Основное методическое отличие работы, проведенной на сепараторе АКУЛИНА-2, заключалось в использовании в ΔE–E-телескопе более тонкого кремниевого ΔЕ-детектора толщиной 22 мкм. Это позволило идентифицировать короткопробежные ядра отдачи ³Не в диапазоне углов θ_лаб ~ ~ 4°–20° (см. рис. 1), что соответствовало полной энергии ядер ³Не, испущенных из мишени в реакции ²Н(⁶Не,³He)⁵Н_g.s., от 8.5 до 11 МэВ (для передних углов в системе центра масс).

Рис. 1.

Результаты моделирования методом Монте-Карло событий для реакции ⁶He(d,³He)⁵H при энергии ⁶He 25 МэВ/нуклон в представлении ${{\theta }_{{^{3}{\text{He}}}}}{\text{--}}{{\theta }_{{^{3}{\text{H}}}}}$ (а) и ${{E}_{{^{3}{\text{He}}}}}{\text{--}}{{E}_{{^{3}{\text{H}}}}}$ в лабораторной системе (б). Пунктиром обозначены зоны, которые обусловливались двухплечевой геометрией эксперимента; эффективность регистрации ³He–t-совпадений составляла порядка 60%.

Детектирующая система эксперимента данной работы включала два ΔE–E-телескопа, предназначенных для регистрации двух продуктов реакции – ³Не и тритонов, летящих под передними углами в лабораторной системе координат. Телескоп для регистрации ³Не состоял из двух кремниевых детекторов, ΔЕ-детектора толщиной 22 мкм (площадь 50 × 50 мм², сегментация на 16 стрипов) и Е-детектора толщиной 1000 мкм (площадь 60 × × 60 мм², сегментация 32 стрипа по горизонтали и 16 стрипов по вертикали). За вторым слоем находился массив из 16 сцинтилляционных детекторов для регистрации длиннопробежных заряженных частиц, который также использовался как вето-детектор для очистки ΔE–E-спектра от фоновых событий, образующихся в результате прострела первых двух слоев кремния. Сцинтилляционные детекторы представляли собой идентичные кристаллы CsI(Tl) размерами 16.5 × 16.5 × × 50 мм, оптически соединенные с фотоумножителями R9880U-20 Hamamatsu. Этот телескоп, установленный на расстоянии 230 мм от мишени (расстояние до второго 1000 мкм кремниевого детектора), обеспечивал регистрацию ³Не в угловом диапазоне от 4.6° до 19.4°. Второй телескоп, состоящий из аналогичных элементов (1000 мкм кремниевый детектор площадью 60 × 60 мм², сегментацией на 32 стрипа по горизонтали и 16 стрипов по вертикали, и массив CsI(Tl)/ФЭУ), был установлен на противоположной стороне в плоскости реакции на расстоянии 290 мм от мишени и обеспечивал регистрацию высокоэнергичных тритонов, испущенных в угловом диапазоне θ_лаб = 1.0°–12.8°. На рис. 1 представлены результаты моделирования методом Монте-Карлo ожидаемых событий эксперимента, выполненные с учетом основных определяющих факторов: кинематика реакции, толщина мишени, энергия пучка и его профиль на мишени, угловое и энергетическое разрешение телескопов. Пунктирной линией выделены зоны, в пределах которых около 60% от полного числа событий исследуемой реакции были доступны для регистрации двумя телескопами в режиме совпадений.

В этом эксперименте были решены несколько принципиальных методических вопросов. Во-первых, на фрагмент-сепараторе АКУЛИНА-2 удалось получить интенсивный пучок ⁶Не (I ~ 10⁵ с^–1) с энергией 25 МэВ/нуклон высокого качества: доля ядер ⁶Не в пучке составляла более 90%, поперечный размер пучка на мишени не превышал 17 мм (полная ширина на половине высоты (ПШПВ)), см. рис. 2. Во-вторых, для такого пучка была отлажена работа телескопов, регистрировавших в течение недели продукты реакций, испущенные под передними углами в условиях предельной загрузки (до 8 ⋅ 10⁴ с^–1). В-третьих, был отработан механизм учета неоднородности толщины 22 мкм кремниевого детектора, карта толщины которого была измерена отдельно с помощью альфа-частиц от источника ²²⁶Ra (измеренная толщина детектора в зависимости от позиции варьировалась от 19 до 26 мкм). Коррекция толщины тонкого кремниевого детектора в зависимости от места попадания частиц позволила провести идентификацию ядер отдачи ³Не низкой энергии в спектре ΔE–E. Энергетическое разрешение кремниевых ΔЕ, Е-детекторов телескопа составляло 250 и 50 кэВ (ПШПВ), соответственно. В результате, после завершения обработки данных, будет определено количество совпадений ³He–t, отвечающих кинематике реакции ²Н(⁶Не,³He)⁵Н, и сделано сравнение с оценками моделирования методом Монте-Карлo.

Рис. 2.

Качество радиоактивного пучка ⁶Не (25 МэВ/нуклон) в финальной фокальной плоскости сепаратора АКУЛИНА-2. Поперечный размер, измеренный с помощью многопроволочной пропорциональной камеры (а), и состав пучка РИ, определенный по потерям в пластике толщиной 200 мкм и времени пролета частиц на базе 12.35 м (б). Количество примесей ³H, ⁸Li и ⁹Be не превышало 10% при работе с бериллиевым клином 3 мм и импульсным захватом ±3% в дисперсионной фокальной плоскости сепаратора.

Отлаженная методика регистрации ³He–t-совпадений позволяет планировать эксперимент по изучению сверхтяжелого изотопа водорода ⁷Н при его получении в реакции передачи протона из ядра-снаряда ⁸Не. Постановка такого эксперимента запланирована на период 2018–19 гг. В этом эксперименте будет применена газовая криогенная дейтериевая мишень толщиной 3 · 10²⁰ ат. ⋅ см^–2 вместо CD₂, что существенно улучшает энергетическое разрешение в методе недостающей массы при том же количестве ядер дейтерия. Второе отличие будет заключаться в детектирующей системе: планируется установить два идентичных телескопа для регистрации ядер ³Не, испущенных из мишени в угловых диапазонах θ_лаб = ±(5°–20°) по отношению к оси пучка, и один телескоп на оси пучка для регистрации тритонов, вылетевших в переднем направлении в угловом диапазоне ≤6°. В такой постановке эксперимента эффективность регистрации ³He–t-совпадений для ${{E}_{{^{7}{\text{H}}}}} \leqslant 2$ МэВ составит более 95%.

На рис. 3 приведены оценки скорости счета событий ⁷Н двумя телескопами за один день экспозиции, получаемой при изучении реакции ²Н(⁸He,³He)⁷H_g.s.(E* = 0.5 МэВ). Расчеты сечения реакции сделаны при помощи кода DWBA с нормировкой на значение dσ/dΏ = 30 мкб ⋅ ср^–1 для θ_ц.м. = 10°, согласно экспериментальным данным работы [15]. Так, принимая во внимание реальные условия эксперимента для установленных углов вылета ядер ³Не ± (5°–20°) и расстояния 20 см от мишени до ³He-телескопов, ожидается регистрация порядка пяти событий ⁷Н в день в спектре недостающей массы, который будет измерен с энергетическим разрешением около 1.2 МэВ. Расчеты сделаны для интенсивности пучка ⁸Не 5 ⋅ 10⁴ с^–1 и для толщины мишени 3 ⋅ 10²⁰ ат. ⋅ см^–2, что соответствует толщине газовой ячейки 6 мм, наполненной дейтерием при давлении 1 атм и охлажденной до температуры 30 К. Основной вклад в энергетическое разрешение эксперимента вносит толщина газовой мишени и процессы многократного рассеяния для низкоэнергетических частиц, что приводит к значительному искажению их траекторий и тем самым к потере углового разрешения для ³Не. Зависимость разрешения от давления газа почти линейная, и при уменьшении давления дейтерия в газовой ячейке в 2 раза итоговое разрешение эксперимента будет составлять 0.8 МэВ. Следует заметить, что в работе [15] разрешение было на уровне 2 МэВ, следовательно, можно рассчитывать на заметное улучшение качества данных в планируемом эксперименте на установке АКУЛИНА-2.

Рис. 3.

Оценка скорости набора событий регистрации ядер ⁷Н (Е* = 0.5 МэВ), полученных в реакции ²H(⁸Не,³He)⁷H. Предполагается, что регистрация ядер ³Не и ³Н проводится двумя телескопами, отстоящими от мишени на расстоянии 20 (1) и 30 см (2). Скорость счета искомых событий показана в зависимости от установленного угла ³Не-телескопа (с учетом телесного угла) при интенсивности пучка ⁸Не 5 · 10⁴ с^–1 и толщине D₂-мишени 3 · 10²⁰ ат. ⋅ см^–2. Расчеты по коду DWBA нормализованы на экспериментально измеренное значение dσ/d'Ω = 30 мкб ⋅ ср^–1 для угла 10° в системе центра масс [15]. Ожидаемое энергетическое разрешение ΔE при установке ³Не-телескопа под углом θ_лаб = 20° на расстоянии 20/30 см от мишени составит 1.19/1.15 МэВ соответственно.

РЕАКЦИИ РАССЕЯНИЯ ⁶Не НА ДЕЙТЕРИИ

Упругое рассеяние является неотъемлемым атрибутом всех процессов, происходящих при взаимодействии атомных ядер. Помимо информации о свойствах ядер и ядерном взаимодействии оптические потенциалы, непосредственно извлекаемые из данных по упругому рассеянию, находят широкое применение практически во всех моделях, связанных с описанием динамики ядерного взаимодействия (метод искаженных волн, метод связанных каналов и т.п.). Знание оптических потенциалов значительно повышает надежность получения информации о структуре ядра из экспериментов по изучению ядерных реакций. Хорошо известно, что глобальная параметризация оптических потенциалов, успешно применяемая в области тяжелых и средних ядер, сталкивается с серьезными проблемами при рассмотрении ядер легких. Очевидно это связано со сравнительно небольшим числом нуклонов и проявлением кластерной структуры легких ядер, что приводит к проявлениям специфических особенностей ядерного взаимодействия при переходе от одного ядра к другому, соседнему с ним. К настоящему времени экспериментальные данные по упругому рассеянию дейтронов на ядре ⁶Не в литературе отсутствуют. В то же время изучение взаимодействия этой пары представляет несомненный интерес, поскольку оба ядра слабо связаны и характеризуются протяженной пространственной структурой, что может проявиться в специфике угловых распределений упругого рассеяния, например, в сравнении с упругим рассеянием ⁶Не на протонах [18].

Ядро ⁶Не является слабосвязанным (пороги одно- и двухнейтронного распада 1.87 и 0.97 МэВ соответственно) и не имеет нуклонно-стабильных возбужденных состояний. Хорошо известно первое возбужденное состояние (2⁺, 1.8 МэВ). Однако вопрос о существовании низколежащих (<10 МэВ) возбужденных состояний не является закрытым. Есть теоретические предсказания о проявлении мягкой дипольной моды возбуждения при энергии 4–6 МэВ, которые пока не нашли убедительного экспериментального подтверждения. В ряде экспериментальных работ докладывалось о наблюдении резонансов в различных реакциях (передачи, зарядово-обменных, поглощения медленных пионов), но, как правило, консенсус отсутствует как в экспериментальных данных, так и в теоретических расчетах [19].

На установке АКУЛИНА-2 были проведены измерения упругого и неупругого рассеяния на дейтериевой мишени пучка ядер ⁶Не с энергией 25 МэВ/нуклон. Дейтериевая мишень и телескопы детекторов, использованные в этих экспериментах, были описаны в разделе 2. Отличие заключалось лишь в отсутствии тонкого (22 мкм) кремниевого детектора, т.е. оба телескопа были идентичными. Было четыре серии измерений, различающихся выбором углов установки телескопов, регистрировавших в совпадении дейтроны отдачи и ядра ⁶Не и ⁴Не, отвечающие событиям упругого и неупругого рассеяния. Диапазоны измеряемых углов рассеяния в каждой последующей экспозиции перекрывались с предыдущей с целью надежной нормировки. На рис. 4 показаны наблюдаемые спектры в одной из экспозиций. В результате двухнедельного эксперимента была измерена зависимость сечения упругого и неупругого рассеяния для системы ⁶He–d в широком диапазоне углов θ_ц.м. = 20°–140° с достаточно высокой статистикой, данные находятся в завершающей стадии обработки.

Рис. 4.

Идентификация событий упругого и неупругого взаимодействия для системы ⁶Не + d при помощи двух идентичных телескопов, состоящих из кремниевого детектора толщиной 1 мм и массива сцинтилляционных детекторов. События, представленные на панели (б) для ведомого телескопа, отвечают совпадениям с дейтронами, отобранными в мастер-телескопе (а). Данные по упругому рассеянию соответствуют угловому диапазону θ_ц.м. = 40°–105°.

ПОСТАНОВКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

В рамках подготовки к экспериментам “второго дня” на фрагмент-сепараторе АКУЛИНА-2 состоялся двухдневный эксперимент с пучком ⁹Li (E = 25 МэВ/нуклон, I ~ 8 ⋅ 10⁴ с^–1). Цель опыта заключалась в отладке методики регистрации совпадений нейтронов, летящих вперед, с протонами, летящими под задними углами, в реакции d(⁹Li,p)¹⁰Li → n + ⁹Li. Для регистрации протонов использовался кольцевой кремниевый детектор толщиной 1000 мкм (с внешним и внутренним диаметрами 82 и 32 мм соответственно, сегментация 16 секторов и 16 колец), установленный до мишени CD₂ по ходу пучка на расстоянии 100 мм. Нейтроны в переднем конусе регистрировались массивом из 32-х детекторов на основе сцинтилляторов стильбена (толщиной 50 мм и диаметром 80 мм) [20], установленным на расстоянии 3.2 м за мишенью. Было зарегистрировано порядка 10 событий p–n-совпадений, которые можно отнести к наблюдению распада низколежащего состояния ¹⁰Li, находящегося при энергии Е < 500 кэВ над порогом. Полученная информация необходима для подготовки и проведения экспериментов подобного класса [21].

Постановка экспериментов в среднесрочной перспективе планируется с подключением дополнительного оборудования, такого как спектрометр заряженных частиц, вылетающих под передними углами, на базе дипольного магнита с годоскопом заряженных частиц и радиочастотный фильтр, очищающий требуемый пучок РИ от нежелательных фрагментов. Назначение и принцип работы этих устройств описаны в обзоре [6]. Это оборудование позволит на качественно новом уровне проводить опыты для дальнейшего изучения изотопов ¹⁷Ne и ²⁶S, получаемых в реакциях ¹H(¹⁸Ne,d)¹⁷Ne и ¹H(²⁸S,t)²⁶S соответственно. Еще одним устройством, делающим установку АКУЛИНА-2 уникальной в плане выбора физической мишени, является комплекс криогенных мишеней изотопов гелия и водорода, включая тритий, создание которого запланировано в 2019 г. Среди изучаемых ядер интерес представляет ²⁶О. Авторы работы [22] сообщили, что ими был получен верхний предел энергии 2n-распада E_g.s. < 53 кэВ для основного состояния ²⁶О (указанное значение верхнего предела соответствует среднеквадратичной ошибке). Авторы работы [23] оценили энергию резонанса основного состояния ²⁶О E_g.s. = 18 кэВ. Приведенные в статье уровни ошибок, статистической и систематической, составляют ±3 и ±4 кэВ соответственно.

Типичная схема рассматриваемых нами экспериментов приведена на рис. 5. В отличие от работ [22, 23], в которых ²⁶О получался в реакции фрагментации ядер ²⁷F высокой энергии, нами предложена реакция ³Н(²⁴O,p)²⁶O [6]. В эксперименте может быть достигнута светимость на уровне 2 · 10²³ см^–1 ⋅ с^–1 и разрешение σ ~ 7 кэВ в определении энергии в измеряемом спектре состояний ядра ²⁶О.

Рис. 5.

Схема экспериментов по изучению ядер ¹⁷Ne, ²⁶S и ²⁶O с использованием криогенных мишеней изотопов водорода (H₂ или T₂) и дополнительного оборудования (ВЧ-фильтра и магнитного спектрометра). Показаны пучок РИ (1), мишень (2), дипольный магнит (3), телескопы (4) для регистрации d и t в реакциях p(¹⁸Ne,d) и p(²⁸S,t), в случае t(²⁴O,p) телескопы для регистрации протонов в задней полусфере перемещаются в положение до мишени, массив нейтронных детекторов (5) на базе кристаллов стильбена, массив координатных детекторов (6) для регистрации ядер-остатков и легких фрагментов, образующихся при распаде изучаемых систем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведение экспериментов с радиоактивными пучками на качественно новом уровне стало возможным на комплексе У-400М + АКУЛИНА-2, недавно введенном в эксплуатацию. Характеристики пучков РИ, проверенные экспериментально для реакции фрагментации ¹⁵N (49.7 МэВ/нуклон) + ⁹Be (2 мм), соответствуют проектным значениям установки. Проведены первые эксперименты с пучком ⁶Не (25 МэВ/нуклон) на дейтериевой мишени. Были получены новые результаты по заселению резонанса ⁵Н в реакции ²H(⁶He,³He)⁵Н и по рассеянию ядра ⁶Не на дейтерии в широком угловом диапазоне. С пучком ⁹Li (25 МэВ/нуклон) проведена отладка методики регистрации совпадений нейтронов, летящих вперед, с протонами, летящими под задними углами, в реакции d(⁹Li,p)¹⁰Li → n + ⁹Li. В работе также описаны планируемые эксперименты на установке АКУЛИНА-2 в ближайшей и среднесрочной перспективе.

Новый фрагмент-сепаратор был создан в коллаборации ОИЯИ с французской фирмой SIGMAPHI. Часть работ была выполнена при поддержке гранта РНФ № 17-12-01367. Авторы благодарны проф. Ю.Ц. Оганесяну, С.Н. Дмитриеву и М.В. Жукову за постановку задачи и постоянный интерес к проекту.