26 января 2022

В Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ разработаны новые методики для сепаратора АКУЛИНА-2

Ученые Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ разработали новые экспериментальные методики и подходы для изучения свойств экзотических ядер на комплексе «фрагмент-сепаратор АКУЛИНА-2 – ускоритель тяжелых ионов У-400М», обладающем высоким потенциалом научных открытий. Первые эксперименты с радиоактивными пучками 6Не, 8Не, 9Li, 10Ве, 26P и 27S позволяют говорить о возможности решения широкого круга задач ядерной физики: получение и исследование спектров легких ядер (Z = 1÷16), находящихся за пределами границ нуклонной стабильности, изучение редких мод распада этих ядер, получение ранее не известных тяжелых изотопов ряда элементов с атомными номерами Z = 94÷107 и измерение барьеров деления этих ядер. Разработанные методики также применимы для изучения ряда вопросов астрофизики, например, о происхождении некоторых элементов во Вселенной.

Циклу работ «Создание и применение новых экспериментальных методик на фрагмент-сепараторе АКУЛИНА-2» была присвоена вторая премия на конкурсe научно-методических и научно-технических работ ОИЯИ за 2020 год. В коллектив соавторов вошли: Безбах А. А., Головков М. С., Горшков А. В., Крупко С. А., Музалевский И. А., Тер-Акопьян Г. М., Фомичев А. С., Худоба В., Каминьски Г. (все сотрудники ЛЯР ОИЯИ) и Никольский Е. Ю. (НИЦ КИ/ЛЯР ОИЯИ).

В 2017 году в Лаборатории ядерных реакций на ускорителе тяжелых ионов У-400М была запущена новая уникальная установка – фрагмент-сепаратор АКУЛИНА-2, Рис.1. Тестовые испытания, проведенные для реакции фрагментации первичного пучка 15N (49,7 МэВ/нуклон) на бериллиевой мишени толщиной 2 мм, показали, что основные характеристики радиоактивных пучков для этой установки полностью соответствуют расчетным значениям, положенным в основу проекта. В 2018 году на установке АКУЛИНА-2 были выполнены методические работы с целью проведения первых экспериментов с радиоактивными пучками 6Не, 8Не, 9Li, 10Ве и др..

Флагманский эксперимент был посвящен поиску ядра 7Н, обладающего экстремальным нейтронным избытком. Для заселения состояний 7Н была выбрана реакция 8He (26 МэВ/нуклон) + d → 3He + 7H. Ключевым индикатором событий 7Н являлась регистрация вылетающих из дейтериевой мишени низкоэнергетических ядер отдачи 3Не в совпадении с быстрыми тритонами (E ~ 70 ± 30 МэВ), вылетающими под передними углами в узком конусе θ ≤ 6°. При этом тритоны необходимо было детектировать с угловым разрешением Δθ ~ 0,5° и энергетическим разрешением ΔЕ/Е не хуже 2 %. Для регистрации тритонов был разработан и изготовлен телескоп, состоящий из позиционно-чувствительного кремниевого детектора толщиной 1,5 мм и массива сцинтилляторов 4х4 на основе CsI(Tl)/ФЭУ. С целью улучшения точности определения удельных потерь энергии ядер отдачи 3Не, регистрируемых с помощью 20-микронных стриповых кремниевых детекторов, потребовалось измерение толщин этих детекторов с точностью лучше, чем 0,2 микрон, чему в значительной степени посвящена отдельная работа [3]. Это позволило методом ΔE-E разделить все изотопы водорода, гелия и лития, образующиеся в реакции 8He + d, и измерить их энергии с низким порогом регистрации ~1 МэВ.

Основными факторами, которые обеспечили проведение экспериментов по изучению 7Н в реакции 2Н(8Не,3Не)7Н на установке АКУЛИНА-2, явились:

  • методика измерения энергий и углов вылета трития в совпадении с 3Не и выделение истинных событий распада ядер 7Н (7Н → t + 4n) по так называемому «кинематическому треугольнику»,
  • использование криогенной газовой дейтериевой мишени, обеспечивающей экспериментальное разрешение ~1 МэВ (ПШПВ), достигаемое при измерении энергии распада 7Н, низкие фоновые условия и возможность измерения этого фона,
  • возможность калибровки используемого метода недостающей массы по реперной реакции 2Н(10Bе,3Не)9Li,
  • высокое качество радиоактивных пучков на фрагмент-сепараторе АКУЛИНА-2 (интенсивность, очистка от примесей, фокусировка на физической мишени).

С использованием разработанных методик была проведена серия из трех экспериментов и получены данные высокого качества для малоизученных изотопов водорода 6,7Н [6-8].

Второй экспериментальный цикл исследований на установке АКУЛИНА-2 был нацелен на изучение низколежащих состояний системы 10Li, образующейся в реакции 9Li(d,p)10Li → n + 9Li при энергии 29 МэВ/нуклон. Принципиальной особенностью этого эксперимента была разработанная методика регистрации протонов, вылетающих под задними углами в лабораторной системе координат, в совпадении с 9Li и нейтронами, вылетающими из распада 10Li под передними углами. Для прецизионного измерения энергии и угла вылета нейтронов использовался специально созданный массив из 48 детекторов на основе кристаллов стильбена. Важным звеном в регистрации 9Li стал специально разработанный ToF-детектор, состоящий из тонкого пластика EJ-212 (125 мкм) и четырех ФЭУ Hamamatsu R7600. Установленный на пролетной базе 39 см от физической мишени по ходу пучка, этот детектор позволял не только идентифицировать состав радиоактивного пучка (d, 6He, 9Li и 12Be), но и разделять пучковый 9Li от 9Li из распада 10Li по потерям энергии в пластике и времени пролета. С целью определения экспериментального разрешения всей детектирующей системы и нормировки спектра недостающей массы 10Li было проведено дополнительное измерение тройных совпадений p-6He-n в реакции 6He(d,p)7He на радиоактивном пучке ядер 6He в той же геометрии. Учитывая хорошо известные параметры резонанса основного состояния 7Не (E = 410 кэВ, Г = 150 кэВ), было установлено, что измерение энергии нейтрона по времени пролета на базе 2 м обеспечивает инструментальное разрешение по энергии возбуждения ⁓180 кэВ (ПШПВ). Кроме того, при анализе угловых распределений продуктов распада 7Не в области 2 – 4 МэВ была обнаружена угловая асимметрия вылета продуктов распада относительно направления переданного импульса. Также этот метод тройных совпадений был применен для изучения изотопа 9Не в реакции 8He(d,p)9He при энергии радиоактивного пучка 8Не 26 МэВ/нуклон. По результатам анализа полученных данных ожидается новая информация о структуре спектров низколежащих состояний 7Не, 9Не и 10Li в диапазоне энергий Е* < 6 МэВ.

Экспериментальные методики и подходы, апробированные в первых экспериментах на фрагмент-сепараторе АКУЛИНА-2, позволяют также рассматривать возможность получения ранее неизвестных нейтронно-избыточных ядер в области 94 < Z < 107 на нейтронно-избыточных пучках в реакциях многонуклонных передач при пороговых энергиях 4-6 МэВ/нуклон. Эта область пока недоступна для изучения другими методами, но представляет особый интерес как способ продвижения в сторону острова стабильности. В представленной методике могут быть измерены времена жизни, барьеры деления и моды распада таких ядер [5].

Развитие экспериментальных методик на комплексе АКУЛИНА-2@У-400М открывает новые возможности для решения широкого круга задач с использованием радиоактивных пучков с энергиями ~5÷50 МэВ/нуклон: получение и исследование спектров легких ядер (Z = 1÷16), находящихся за пределами границ нуклонной стабильности, изучение редких мод распада этих ядер, получение ранее не известных тяжелых изотопов ряда элементов с атомными номерами Z = 94÷107 и измерение барьеров деления этих ядер в реакциях многонуклонных передач, протекающих на пучках радиоактивных ядер 9Li, 10Be, 14,16C 17,19N, 20,22O и др., вплоть до 24,26Ne.