Оптимизация твердотельного метода сепарации на линии для летучих продуктов реакций полного слияния с тяжелыми ионами

Аннотация. В статье автор анализирует ограничения и пути оптимизации ISOL метода, представленного на масс-спектрометре «MASHA»

Ключевые слова: ядерные физика и технологии, масс-спектрометр, ISOL метод, сверхтяжелые атомные ядра.

Основным мотивом, многие годы стимулировавшим интерес в области получения СТЭ, являлся поиск так называемого «острова стабильности», предсказанного оболочечной моделью. Согласно этой модели должна существовать повышенная стабильность ядерной материи вблизи замкнутых протонных оболочек с числами 114, 122, и нейтронной с числом 184 [2].

В ЛЯР им. Г.Н.Флерова ОИЯИ за последнее десятилетие были синтезированы новые элементы с порядковыми номерами 113, 114, 115, 116 и 118 Однако, во всех экспериментах по изучению свойств СТЭ идентификация новых нуклидов производилась по свойствам их распада [3].

С этой целью был спроектирован и изготовлен масс-спектрометр «MASHA» - Mass Analyzer of Super Heavy Atoms. Основной целью проектирования масс-анализатора MASHA – это разработка методики измерения масс изотопов ¹¹²Cn и ¹¹⁴Fl, синтезированных в следующих реакциях: ⁴⁸Ca + ²³⁸U > Cn* ; ⁴⁸Ca + ²⁴²Pu > Fl* [1].

Рисунок 1. Схема масс-спектрометра MASHA:

D1, D2, D3a, D3b – дипольные магниты, Q1 ­- Q3 – квадрупольные линзы, S1, S2 – секступольные линзы, F1 – промежуточная фокальная плоскость, F2 – основная фокальная плоскость, 1 – пучок ионов, 2 – горячая ловушка, 3 – источник ионов на основе электронного циклотронного резонанса, 4 – 192-стриповый кремниевый детектор [1]

Ограничения метода ISOL для ЭЦР источника

Основной проблемой в обнаружении сверхтяжелых элементов является низкая эффективность сепарации измерительной системы.

Кроме того, было обнаружено, что эффективность сепарации масс-спектрометра уменьшается с продолжительностью эксперимента, что связано с изнашиванием материала горячей ловушки в результате нагревания до высоких температур.

При проведении эксперимента в 2015 по получению Флерия было обнаружено, что эффективность сепарации масс-спектрометра уменьшается с продолжительностью эксперимента. Это связано с разрушением материала ловушки. При поглощении энергии большой плотности происходят дислокации в кристаллической решетке, что приводит к ее нарушению, полиграфен начинает кристаллизоваться и верхний слой полиграфеновой бумаги отслаивается и рассыпается. Таким образом, за несколько дней эффективность сепарации и выход изотопов снизились почти более чем в 5 раз.

Рисунок 2. График зависимости эффективности сепарации от времени [1]

Кроме того, ртуть, которая является химическим аналогом ¹¹²Cn, способна образовывать со многими металлами устойчивые сплавы (амальгамы) как в жидком, так и в твердом состоянии при нормальных условиях. Следствием этого является то, что время жизни атомов ртути на стенках разрядной камеры источника ионов, изготовленной из нержавеющей стали, составляет десятки секунд. А последнее обстоятельство приводит к снижению эффективности сепарации короткоживущих изотопов ртути.

Таким образом, для выполнения долговременных экспериментов по измерению масс сверхтяжелых элементов в условиях больших токов пучка ионов требовались существенные изменения в конструкции горячей ловушки.

Таким образом было обнаружено, что снижение полной эффективности сепарации вызвано тепловым и радиационным разрушением структуры горячей ловушки. Бумага из терморасширенного графита после теплового и радиоактивного разрушения в течении 300 часов.

Для повышения эффективности сепарации и повышения быстродействия установки была проведена модернизация основных узлов масс-спектрометра: 1) разработаны новые конструкции горячей ловушки, ЭЦР ионного источника и вакуумных камер; 2) предусмотрена возможность нагрева транспортной системы, разрядной камеры ЭЦР-источника и горячей ловушки до температуры 300°С; 3) для постоянного контроля эффективности сепарации установки в течение длительных экспериментов в промежуточной фокальной плоскости F1 был установлен дополнительный 16-стриповый детектор.