Перспективы получения и исследования короткоживущих нейтроноизбыточных ядер на реакторе ПИК В. Н. Пантелеев Семинар ОФВЭ, 13 января 2009 г. - презентация

1 Перспективы получения и исследования короткоживущих нейтроноизбыточных ядер на реакторе ПИК В. Н. Пантелеев Семинар ОФВЭ, 13 января 2009 г.

2 1. ISOLDE (CERN), протоны 1.4 ГэВ, до 3 µА 2. ISAC (TRIUMF), протоны 0.5 ГэВ, до 100 µА Фабрики нейтронодефицитных и нейтроноизбыточных ядер, удаленных от полосы бета-стабильности 3. ИРИС (Гатчина), протоны 1 ГэВ, до 0.3 µА

3 Карта нуклидов Исследования удаленных ядер: 1.Массы ядер. 2.Радиусы, электромагнитные моменты. 3.Силовые функции бета-распада. 4.Альфа-распад. 5.Зеркальные ядра. 6.Протонный распад. 7.Запаздывающие частицы.

4 ISOL- система ИРИС (Исследование Радиоактивных Изотопов на Синхроциклотроне)

5 За время работы с момента запуска установки ИРИС (1975) из мишеней из тугоплавких металлов и карбида урана – 238 получено: более 300 ядер, 17 – идентифицировано впервые. Проведены систематические исследования распадов Гамов-Теллеровских резонансов нейтронодефицитных ядер. Измерены значения Q энергий распада более 60 ядер, для 32 - Q измерено впервые, что позволило определить массы большого числа чрезвычайно удаленных нуклидов. B области нейтронодефицитных изотопов редкоземельных элементов впервые идентифицирован участок границы протонной устойчивости. Методами резонансной ионизационной и коллинеарной спектроскопии определены изотопические изменения среднеквадратичных зарядовых радиусов и электромагнитные моменты более 120 нуклидов редкоземельной области. Впервые предложен и использован метод резонансной ионизационной спектроскопии в лазерном ионном источнике, позволяющий проводить исследования радиоактивных ядер, образующихся в мишени в количестве всего 100 ядер в секунду.

6 Периодическая таблица с указанием элементов, изотопы которых производятся из UC мишеней на протонах

7 ISOL системы следующего поколения Токи первичных частиц до 5 mА Использование нейтронных конвертеров Масса UC мишенного вещества до нескольких килограммов

8 Сравнение эффективности получения изотопов Fr с различными периодами полураспада на установках ИРИС и ISOLDE из UC мишеней с массой 5 и 55 граммов

9

10 Нормированные выходы изотопов Сs и Fr из мишеней различной массы (нормировка на 1г/см 2 и 0.1 μА)

11 Сравнение быстродействия и эффективности мишеней с массой 93 и 690 г. Вывод: при увеличении массы мишени от 4.5 до 93 г выходы Сs и Fr растут пропорционально массе мишенного вещества. При увеличении массы до 700 г рост выходов существенно уменьшается из-за значительного замедления процесса диффузии

12 ISOL установки на тепловых нейтронах OSIRIS (Studsvik, Sweden) - 2x10 11 n/cm 2 s (на мишени), установка закрыта в 2005 PIAFE (Grenoble, France) - 3x10 13 n/cm 2 s (на мишени), проект закрыт MAFF (Munich, Germany) - 3x10 13 n/cm 2 s (на мишени), проект разрабатывается

13 1. Ядерная спектроскопия. a. Основные свойства ядер, сильно удаленных от полосы бета-стабильности (времена жизни, типы и ветки распада и т.д.) для конструирования и описания моделей астрофизических процессов (r- и rp- процессы). b. Проблема «сохранения магичности» для ядер далеких от полосы стабильности имеет фундаментальное значение и для ядерной физики, и для астрофизики 2. Лазерная спектроскопия. Измерения изотопических сдвигов и сверхтонкого расщепления атомных уровней позволяют получить такие характеристики ядер, как изменения среднеквадратичных зарядовых радиусов, спины и электромагнитные моменты. Одним из наиболее интересных объектов для лазерно-ядерных исследований является так называемый «оболочечный эффект» в среднеквадратичных зарядовых радиусах, то есть заметный скачок в ходе изотопической зависимости среднеквадратичных зарядовых радиусов при переходе через магическое число. Исчезновение такого скачка может указывать на изменение магического числа. В этом смысле наиболее интересные объекты исследований - Sb, Sn, In, Cd, Ag с числом нейтронов близким к N=82. Важно отметить, что при этом очень важны систематические исследования изотопических изменений среднеквадратичных зарядовых радиусов, чтобы определить общие тенденции изменений основных свойств ядерной материи. На данный момент недостаточно исследован оболочечный эффект в окрестности N=50. Здесь наибольший интерес представляют изотопические цепочки Ge, Ga, Zn, Cu, и Ni. Эти нуклиды вызывают дополнительный интерес, как уникальные объекты для исследований поведения изотопической зависимости среднеквадратичных зарядовых радиусов между двумя соседними подоболочками. Для получения экзотических нейтроно-избыточных ядер предлагается организовать ISOL установку на пучке тепловых нейтронов реактора «ПИК». Такая система могла бы обеспечить эффективное получение интенсивных ионных пучков широкого круга нейтроноизбыточных ядер для ядерно-спектроскопических и лазерно-спектроскопических исследований. В частности, мишень из карбида урана-235 массой 6 г, установленная на пучке нейтронов с потоком н/ см 2 сек, могла бы обеспечить получение изотопа 132 Sn с интенсивностью порядка ат/сек, что на несколько порядков превышает возможности установки ИРИС на синхроциклотроне ПИЯФ. Направления исследований нейтроноизбыточных ядер на установках ИРИС и ИРИНа

14 Предварительная схема ISOL установки ИРИНа (Исследование Радиоактивных Изотопов на НейтронАх) на пучке реактора ПИК. σ fiss (n he U) 1b σ fiss (n th U) 500b В мишени из 6 г 235 U при потоке n/см 2 /с образуется атомов 132 Sn При протонном токе на установке EURISOL 5mA в мишени 238 U толщиной 200 г/см 2 в прямой реакции образуется также атомов 132 Sn, При работе с Hg-конвертером оценки для EURISOL проекта: атомов 132 Sn в мишени 2 кг 238 U, Для проекта SPES (1mA, 100MeV p, Be-конвертер): атомов 132 Sn в мишени 2 кг 238 U, при этом скорость выделения из тяжелой мишени на порядки хуже

15 Расчетные выходы масс-сепаратора ИРИНа (мишень – 6 г 235 U, нейтронный поток н/см 2 сек) ИРИНа ISOLDE 77 Cu 1x10 6 2x Cu 1x10 5 2x Zn 1x x Ga 1x10 8 3x Ag 1x10 9 3x Ag 1x Cd 1x10 2 1x Cd

16 Схема мишенно-ионного устройства для установки ИРИНа 1.Tungsten container. 2.Target material. 3.Electron beam. 4.Grid. 5.Electron emitting cathode. 6.Extraction electrode. 7.Graphite container. 8.Proton beam.

17 Прототип высокотемпературного мишенно-ионного устройства для масс-сепаратора ИРИНа Масса мишенного вещества 5 – 10 г Внутренний контейнер из карбида Ta+Zr с температурой плавления более 4000 °С Рабочая температура 2300 – 2500 °С Рассеиваемая мощность до 2-3 кВт Из 238 UC мишени на протонном пучке получены высокие выходы короткоживущих изотопов Сs и Fr с периодами полураспада до нескольких миллисекунд

18 Эффективность прототипа мишенно-ионного устройства для масс-сепаратора ИРИНа Мишень для м-с ИРИНа T m = 2100 °CСтандартная мишень T m = 2000 °C

19 Периодическая таблица с указанием элементов, изотопы которых получают из UC мишеней на нейтронах

20 Расчетные выходы ISOL системы PIAFE на реакторе в Гренобле (мишень - 4 г 235 U нейтронный поток - 3×10 13 н/см2сек)

21 ISOL системы следующего поколения также имеют специально оборудованный медицинский пучок для получения моно-изотопных источников высокой чистоты для диагностики и лечения различных заболеваний. На медицинских пучках крупных ISOL систем планируется построение центров по on-line использованию радиоактивных изотопов 131 I, 90 Y, 153 Sm и других для диагностики и лечения раковых заболеваний, а также для дальнейших исследований по значительному расширению круга нуклидов, используемых для этих целей. Например, кроме β - - излучателя 153 Sm, используемого для лучевой бета-терапии, станут доступны другие β - - излучатели 143 Pr, 149 Pm и 156 Eu. Получение и использование изотопов с различными периодами полураспада позволит изучать соотношение между периодами полураспада используемых изотопов и соответственным биологическим откликом. Медицинские пучки высокой чистоты

22 Карта нуклидов