WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 |
ФИЗИКА ФИЗИКА ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ С ТЯЖЕЛЫМИ ИОНАМИ И СИНТЕЗ НОВЫХ ЯДЕР Ю. Э. ПЕНИОНЖКЕВИЧ Московский государственный инженерно-физический институт, Объединенный институт ядерных исследований, Дубна Московской обл.

С появлением в конце 50-х – в начале 60-х годов XX века пучков ускоренных ядер возникло новое наNUCLEAR REACTIONS WITH HEAVY IONS правление ядерной физики – физика тяжелых ионов.

AND SYNTHESIS OF NEW NUCLEI Важнейшая проблема, решаемая с помощью физики тяжелых ионов, – это исследование крупномасштабYu. E. PENIONZHKEVICH ных процессов в ядрах, которые характеризуются сильной перестройкой ядерных систем, содержащих сотни A new branch of nuclear physics, heavy ion нуклонов. Это происходит при взаимодействии двух physics, which studies nuclear reactions, transi- сложных ядер, в результате которого образуются новые ядра или ядерные системы. Физика тяжелых ионов tions of some nuclei to others and the syntheпозволяет изучать коллективные ядерные процессы, sis of new nuclei is introduced. The capability характеризуемые предельно большими изменениями of state-of-the-art accelerators to synthesize ядерной формы, сильным перераспределением энерnuclei by means of nuclear reactions with гии между различными степенями свободы систем.

heavy ions are shown. The classification of Только реакции с тяжелыми ионами предоставляют уникальную возможность получить ядра вблизи границ nuclear reactions involving heavy ions is given, стабильности и проникнуть в область химических элеalong with the analysis of such reactions from ментов второй сотни.

the standpoint of new isotopes production at В статье рассмотрены некоторые вопросы, касаюthe drip-lines.

щиеся этой интересной области науки.

СОВРЕМЕННЫЕ УСКОРИТЕЛИ Представлено одно из новых направлений ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ ядерной физики – физика тяжелых ионов, Для того чтобы произошла ядерная реакция между двузанимающаяся исследованием ядерных ремя ядрами, их необходимо столкнуть с энергией, котоакций, переходом одних ядер в другие, синрая определяется энергией их кулоновского расталкитезом новых ядер. Показаны возможности вания:

современных ускорителей для синтеза ядер Z1Z2eEкул = ---------------------------, с использованием ядерных реакций с тяжеR1 + R2 + лыми ионами. Даны классификация ядерных где Z1 и Z2 – заряды двух ядер, R1 и R2 – их радиусы и – реакций с тяжелыми ионами и их анализ с расстояние между их поверхностями. При контакте иоточки зрения новых изотопов у границ на с ядрами ( = 0) кулоновская энергия отталкивания, например, для реакции Ag + Ar составляет 100 МэВ, а ядерной стабильности.

для взаимодействия двух ядер урана 700 МэВ. Соответствующую энергию ядра получают после их разгона на ускорителях тяжелых ионов. Тяжелыми ионами называют www.issep.rssi.ru положительно заряженные ионизованные атомы элементов тяжелее гелия. Ионизация атомов осуществляется ПЕНИОНЖКЕВИЧ Ю.Э. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ С ТЯЖЕЛЫМИ ИОНАМИ И СИНТЕЗ НОВЫХ ЯДЕР Пенионжкевич Ю.Э., © ФИЗИКА в специальных ионных источниках, куда подают пары явился новый тип ионных источников, основанных на веществ тех элементов, которые хотят ускорить. При использовании электронного циклотронного резонанвысокой температуре (несколько тысяч градусов) в ис- са (ECR), которые дают пучки сильноионизованных точнике вещество превращается в плазму, частично ио- атомов вплоть до урана.

низируется, а затем инжектируется в ускорительную Основные направления, по которым шло развитие систему.

ускорительной техники тяжелых ионов, связаны с соУскорители тяжелых ионов бывают нескольких тизданием тандем-генераторов, линейных ускорителей, пов. Первые попытки ускорения тяжелых ионов были синхротронов и циклических ускорителей – циклотропредприняты Л. Альваресом (Alvarez) (США) в 1940 гонов. Каждый их этих типов ускорителей имеет свои ду на циклотроне с диаметром магнитных полюсов преимущества и недостатки и, следовательно, свою об37 дюймов (93 см). Ему удалось получить пучок ионов ласть применения. Действие тандем-генераторов осноуглерода с интенсивностью всего лишь 104 частиц в севано на прохождении ионами двух ускоряющих промекунду. Быстрый прогресс в ускорении тяжелых ионов жутков, к которым приложено высокое постоянное начался в послевоенные годы. Уже в начале 50-х годов напряжение (до 30 МВ), и на изменении знака заряда XX века были получены интенсивные пучки тяжелых иона между промежутками. Основными преимущестионов (до 1011 частиц в секунду) с энергиями до 10 МэВ вами тандем-генераторов являются высокое энергетина нуклон на циклотронах в Беркли и Ок-Ридже (США), ческое разрешение пучка ионов ( Е/Е 10- 4), а также Бирмингеме (Англия) и Стокгольме (Швеция). В напостоянство потока частиц во времени, отличающее шей стране исследования с тяжелыми ионами были наэтот ускоритель от машин более высоких энергий. Танчаты по инициативе И.В. Курчатова в Институте атомдем-генераторы используют для прецизионных изменой энергии (ИАЭ) (Москва) группой физиков под рений, где можно ограничиться интервалом энергий в руководством Г.Н. Флерова. На 1,5-метровом циклонесколько десятков мегаэлектронвольт (энергия такого троне в 50-е годы XX века были ускорены ионы углеропорядка характерна для ядерного вещества, и поэтому да, азота и кислорода и проведены эксперименты по нет необходимости использовать частицы с высокой исследованию ядерных реакций с тяжелыми ионами и энергией), а расстояние между энергетическими уровпо синтезу трансурановых элементов. Впоследствии эти нями ядер составляет несколько килоэлектронвольт исследования были продолжены в Объединенном ин(поэтому и нужен пучок с высоким разрешением). Одституте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне в Ланако интенсивность пучка ионов в тандем-генераторах боратории ядерных реакций, руководимой академиневелика (не превышает 1011 частиц в секунду), а энерком Г.Н. Флеровым, где в 1959 году был создан самый гия выше кулоновского барьера достигается лишь для мощный в мире 300-сантиметровый циклотрон тяжесравнительно легких ионов.



лых ионов. В настоящее время в Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова ОИЯИ функционируют два В линейных ускорителях ионы приобретают энеруникальных ускорителя тяжелых ионов У-400 и У-400М, гию при последовательном прохождении большого последний из которых запущен в 1993 году и по своим числа ускоряющих промежутков, к которым приложепараметрам является одним из лучших ускорителей тя- но переменное электрическое поле. Изменение его желых ионов.

синхронизовано с движением ионов так, что в каждом промежутке ион попадает в ускоряющее поле (резоПараметры пучков ионов (энергия и интенсивность) в значительной мере определяются их началь- нанс). В линейных ускорителях используют перезарядную систему ионов, которые после ускорения до опреным зарядом. Отсюда следуют требования к ионным деленной энергии проходят через обдирающую фольгу источникам ускорителей – они должны обеспечивать высокую интенсивность ионов с максимальным заря- и увеличивают свой заряд. В результате этого происходом. Большой успех в создании источников многоза- дит более эффективное ускорение ионов с большим рядных ионов был достигнут в ИАЭ группой специали- зарядом. Линейные ускорители позволяют получать достаточно интенсивные пучки ионов практически стов под руководством академика Л.А. Арцимовича.

Разработанный ими мощный дуговой источник с подо- всех элементов таблицы Менделеева с энергией до 10– гревным катодом позволил получить почти полностью 20 МэВ на нуклон. Высокие энергии заряженных часлишенные электронов ионы вплоть до неона с интен- тиц достигаются путем многократного прохождения сивностями до 1014 частиц в секунду (сила ионного то- ими ускоряющих секций, на которые с определенной ка – сотни микроампер). Этот тип источников (PIG) частотой подается высокое напряжение. Между тем развивали и дальше, и сейчас с их помощью на ускори- увеличение напряжения на каждой ускоряющей сектелях получают интенсивные пучки многозарядных ции ограничено электрическими пробоями, а увелиионов вплоть до ксенона. Однако в последние годы по- чение линейных размеров приводит к значительному СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 7, №3, ФИЗИКА усложнению и удорожанию линейного ускорителя. Эти дет обеспечено на каждом промежутке, если частота гепроблемы решаются в циклотронах. нератора Упрощенная схема циклотрона представлена на qB-.

= ------ = ---------рис. 1. После инжекции заряженного тяжелого иона из 2 2 m источника в центр вакуумной камеры циклотрона магЭнергия же, приобретаемая частицей при достижении нитное поле с индукцией В заставляет ионы с зарядом радиуса R, определяется выражением q и массой m двигаться по круговой траектории. Ускоряp2 -----------------, ются они при каждом прохождении через зазор между E = ------- = q B2R2m 2m двумя (или четырьмя) секторами (дуантами), на которые подается переменное напряжение. Частота перегде p – импульс частицы, q – заряд иона, выраженный менного напряжения на дуантах подбирается так, чтобы в элементарных зарядах и совпадающий с числом соза время пролета полуокружности полярность напряжерванных с атома электронов, m – масса ядра, B – магния изменилась на противоположную. В промежутках нитная индукция, R – радиус, с которого ускоренные между ускорением частицы описывают полуокружионы выводятся из циклотрона. Вывод в циклотронах ность радиусом R = m /(qB) с угловой скоростью = осуществляется в основном с использованием электро= /R = qB/m, и поэтому в нерелятивистском приблистатического поля, создаваемого специальными пласжении (когда m считается постоянным) ускорение бутинами (дефлекторами) и отклоняющего ускоряемые частицы от спиральной траектории.

Высокая Циклотроны в настоящее время являются оптиа B частота мальными и по размерам и по стоимости ускорителями тяжелых ионов, которые используются во многих наDDучных центрах мира: Дубна (ОИЯИ), Кан (Франция, I Ионный ГАНИЛ), Мичиган (США, Университет), Токио (Япоисточник ния, РИКЕН), Яваскало (Финляндия, Университет) и др. Однако в случае, когда энергия ускоряемых тяжелых ионов достигает уровня, при котором релятивистскими эффектами пренебречь нельзя, принцип циклотронного ускорения становится непригодным. В этом Выведенный Вывед случае масса m растет с увеличением скорости частицы пучок B (согласно формуле m = m0 1 –, где = /c – отношение скорости частицы к скорости света), и если мы б хотим, чтобы движение частиц оставалось в фазе с колебаниями электрического поля, то должны в процессе ускорения менять либо, либо B. Первый вариант лежит в основе фазотрона (синхроциклотрона), второй – синхротрона. В этих двух типах машин ускорение тяжелых ионов происходит в соответствии с определенной программой: частицы движутся сгустками, разделенными в пространстве в зависимости от длительности ускорения.

9 Фазотрон можно рассматривать как циклотрон с моделируемой в процессе ускорения частотой. Его основной недостаток в соревновании за высокие энергии – необходимость в больших полюсных наконечниках магРис. 1. а – общий вид ускорительной камеры цикло- нита. Так, диаметр фазотрона в Дубне равен 600 см, и тем трона с двумя ускоряющими секторами (дуантами) не менее энергия протонов составляет всего 600 МэВ.

(D1, D2) и электростатическим дефлектором; б – схеПри более высоких энергиях размеры становятся нема синхротрона: 1 – вакуумная камера; 2 – ускоряюприемлемыми. Выход из этого трудного положения – щий электрод; 3 – источник ионов; 4, 5 – предускорители; 6 – линейный ускоритель; 7 – ахроматичес- синхротрон, который хотя и имеет более внушителький магнитный дефлектор; 8 – электростатический ные размеры, но не требует мощных магнитов. В синхдефлектор; 9 – инжектированный пучок ионов; 10 – ротроне в процессе ускорения меняется магнитное покруговая траектория, на которой ионы удерживаются магнитным полем ле. Тяжелые ионы, предварительно слегка разогнанные ПЕНИОНЖКЕВИЧ Ю.Э. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ С ТЯЖЕЛЫМИ ИОНАМИ И СИНТЕЗ НОВЫХ ЯДЕР ФИЗИКА с помощью небольшого ускорителя (инжектора), ин- толщины поверхностного слоя ядра (1,5–2,0 фм), и ражектируются внутрь синхротрона, магнитное поле ко- диуса большой и малой полуосей у деформированных торого действует лишь в кольце с фиксированным ра- ядер (1,0–1,5 фм), и амплитуды колебаний ядерной подиусом R (см. рис. 1, б). В начале цикла ускорения верхности (1–2 фм).





повышают напряженность магнитного поля, увеличи- Малые значения длины волны иона по сравнению вая частоту электрических колебаний для того, чтобы с указанными ядерными параметрами позволяют польчастицы постоянно находились в фазе. Затем меняется зоваться представлениями классической механики при частота колебаний = /2 так, чтобы в кольце ради- описании столкновения тяжелого иона с ядром. Так, усом R при движении частиц со скоростью выпол- например, можно рассматривать движение иона по нялось соотношение = R. После того как энергия классической траектории под действием электромагзаряженных частиц достигнет нескольких гигаэлек- нитных и ядерных сил. Критерием применимости кластронвольт ( 3 ГэВ), они становятся существенно реля- сических представлений о движении иона в поле ядра тивистскими и их скорость почти равна скорости света. обычно служит безразмерный параметр, представляПосле этого частота колебаний фиксируется, так как ющий отношение максимального расстояния между теперь c/R. До последнего времени синхротроны ионом и ядром при их столкновении к длине волны иоиспользовались лишь для ускорения протонов и элекZ1Z2 a = ----------------, где – угловой момент, определяна: = --- тронов (протонные синхрофазотроны в Дубне – 10 ГэВ, Брукхейвен (США) – 33 ГэВ, Серпухов (Россия) – емый соотношением параметра столкновения b к дли76 ГэВ, Батавия (США) – 500 ГэВ, ЦЕРН (Швейцария) – b.

400 ГэВ, электронные синхротроны – ДЕЗИ (ФРГ) – не волны иона: = -- Классические представления 30 ГэВ, Ереван (Армения) – 6,1 ГэВ, Корнелл (США) – применимы при 1.

12,2 ГэВ, СЕБАФ (США) – 5 ГэВ). Однако в конце Взаимодействие тяжелых ионов с ядрами является 80-х годов XX века появились первые синхротроны тянаиболее сложным ядерным процессом, который можелых ионов в ЦЕРНе (Швейцария) и ГСИ (Дармжет приводить к полной перестройке двух взаимодейстштадт, ФРГ), позволившие ускорять тяжелые ионы до вующих ядер. При этом открываются ядерные реакции, энергий несколько сотен мегаэлектронвольт на нуклон.

которые могут приводить к образованию качественно новых ядер. Реакции с тяжелыми ионами являются наОСОБЕННОСТИ РЕАКЦИЙ иболее эффективным способом получения ядер, удаС ТЯЖЕЛЫМИ ИОНАМИ ленных от линии стабильности (с большим избытком Характер взаимодействия между сложными ядрами протонов или нейтронов).

определяется теми же силами – ядерными и электромагнитными, которые действуют в области ядерных ГРАНИЦЫ ЯДЕРНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ реакций с легкими частицами. Однако большие электВ настоящее время известно около 2000 нуклидов, рический заряд и масса тяжелого иона приводят к немногие из которых производятся в больших количесткоторым особенностям как в механизме реакции, так и вах в промышленном масштабе. Однако задача синтеза свойствах образующихся ядер.

новых радиоактивных ядер далеко не исчерпана, так, Основной особенностью взаимодействия тяжелых согласно существующим оценкам, число ядерно-стаионов с ядрами является возможность использования бильных изотопов достигает 5000. Эта цифра может для его описания представления классической мехабыть недостаточно точной, так как границы стабильники. Длина волны частицы с массой m и скоростью ности ядер, то есть их устойчивость по отношению к радиоактивному распаду, пока экспериментально не определяется выражением = -------. Для ионов с масm определены.

совым числом А и энергией Е (в МэВ/нуклон) это вы- Достигнуть границы стабильности в области средражение имеет вид них и тяжелых ядер непросто. Например, чтобы дойти до урана-302, лежащего на границе ядерной стабильно4,55-.

(фм) = ----------сти, надо открыть примерно 60 новых изотопов урана.

A E В настоящее время ближе всего к границам стабильноИз этого выражения видно, что длина волны иона сти подошли экспериментаторы в области легких ядер.

Kr c Е = 15 МэВ/нуклон составляет 0,014 фм (1 фм = Здесь большой прогресс в синтезе новых ядер связан с = 10- 15 м). Эта величина во много раз меньше радиуса использованием реакций с пучками тяжелых ионов.

ионов криптона (5,3 фм), а также ядер, с которыми Так, в реакциях фрагментации удалось подойти вплотэти ионы взаимодействуют (например, для 238U R = ную к границе ядерной стабильности в области ней= 7,4 фм). Для этого случая значительно меньше и троноизбыточных легких ядер и получить последние СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 7, №3, ФИЗИКА ядерно-стабильные изотопы бор-19, углерод-22, азот- сти ядер с аномально большим значением N/Z. Воз23, фтор-31, кислород-24 и т.д. можность существования стабильных чисто нейтронных ядер подтверждается теоретическими работами.

Pages:     || 2 | 3 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.