Премии ОИЯИ

ГНС-2 - первый на Фабрике сверхтяжелых элементов

Группа ученых Лаборатории ядерных реакций отмечена второй премией ОИЯИ по итогам 2022 года за цикл работ, посвященных проектированию и созданию нового газонаполненного сепаратора ГНС-2 - первой установки для синтеза и изучения свойств ядер, получаемых на Фабрике сверхтяжелых элементов.

Используя ГНС-2, создатели сепаратора планируют выйти на новый уровень по изучению изотопов сверхтяжелых элементов и синтезировать новые - 119-й и 120-й. В цикле статей, представленных на конкурс научных работ ОИЯИ, описываются процессы создания узлов сепаратора, написания программ транспортировки ионов от мишени к детекторам, а также серии тестовых экспериментов, выполненных в 2019-2022 годах. Итоги этих работ сегодня подводит заместитель директора ЛЯР, один из лауреатов премии Андрей ПОПЕКО.

В результате экспериментов, начатых в 2000 году на ускорителе У-400 и сепараторе ГНС, были существенно расширены границы области наиболее тяжелых ядер. Было открыто шесть новых элементов вплоть до Og (атомный номер 118), изучены свойства более 50 изотопов элементов от Rf (атомный номер 104) и выше. Однако синтезировать элементы с атомным номером более 118, получить изотопы сверхтяжелых элементов с меньшим или большим числом нейтронов, более глубоко изучить свойства ядер, химические свойства тяжелых элементов на этой установке ученые уже не могли. Той чувствительности эксперимента, которая считалась рекордной в 2000 году, стало недостаточно для продолжения исследований.

Для повышения чувствительности в десятки раз потребовалось создать новый экспериментальный комплекс "Фабрика сверхтяжелых элементов", "сердцем" которого стал ускоритель ДЦ-280 с интенсивностью в несколько раз выше, чем обеспечивал циклотрон У-400. Первой установкой для синтеза и изучения свойств ядер Фабрики стал новый сепаратор ГНС-2 с эффективностью транспорта ядер к детекторам в два раза выше по сравнению с сепаратором ГНС на ускорителе У-400.

Общую схему сепаратора и конструкцию его оптических элементов разработали в ЛЯР ОИЯИ, сами магниты произвела и поставила компания SIGMAPHI (Франция). Силами подразделений ЛЯР разработаны и изготовлены узлы ионопровода, система дифференциальной откачки газа между сепаратором и ионопроводом, камеры для вращающихся мишеней, камеры для детекторов, система прокачки газа через сепаратор, система управления вакуумными узлами, система управления магнитами и т.д.

Ионно-оптическая схема сепаратора

Квадрупольная линза Q1 фокусирует вылетевшие из мишени ионы в вертикальном направлении так, чтобы большая часть синтезированных ядер проходила через зазор дипольного магнита D1. Этот магнит отклоняет ионы на 31,5° и фокусирует их в горизонтальном направлении. Диполь отделяет продукты реакций полного слияния от частиц пучка и подавляет большую часть других фоновых частиц (таких как рассеянные ионы пучка и мишени, продукты неполного слияния и т.д.). Квадруполи Q2 и Q3 фокусируют ионы на детектор, расположенный в фокальной плоскости сепаратора, в горизонтальном и вертикальном направлениях. Диполь D с углом отклонения 10° дополнительно подавляет фон от заряженных частиц - альфа-частиц, протонов и т.д., образующихся в реакциях ионов пучка с газом и внутренними стенками ГНС-2.

Модельные траектории ионов в сепараторе

Когда сепаратор был готов и доставлен на территорию Института, мы столкнулись с некоторыми проблемами при монтаже: ГНС-2 требовалось установить в кабину на ускоритель, а кабина имеет относительно небольшие размеры. Кроме того, только основной магнит весит 24 тонны. Поднять сепаратор на нужную высоту нам помогла одна российская компания, ее сотрудники сделали это очень быстро и виртуозно. Затем мы совместно с французскими коллегами, изготовителями ГНС-2, устанавливали сепаратор по расчетным параметрам с точностью до миллиметра, сверяясь с лазерным сканером. Кстати, опыт работы с такими устройствами нам очень помог в дальнейшем: при монтаже следующих установок, а также при сборке и ремонте ускорителей.

Сотрудники сектора №1 ЛЯР, выполнившие эксперименты на новом сепараторе

Для описания движения ионов в магнитных полях сепаратора были разработаны две программы: первая создана при проектировании сепаратора, вторую написали позже на основе программного комплекса GEANT4. Созданные программы позволили с высокой точностью описывать горизонтальные и вертикальные распределения ядер при различных комбинациях токов в магнитах, при варьировании давления газа в сепараторе, вычислять трансмиссию ионов и устанавливать значения токов в различных экспериментах.

Разработаны новые блоки для установки детекторов разных размеров. Из-за повышенной дисперсии магнита значительно снизился фон на детекторах, но возникла необходимость увеличить горизонтальный размер фокального детектора. Его собрали из двух детекторов размером 48x128 мм², имеющих стрипы шириной 1 мм спереди и сзади (DSSD) для определения положения ядра на его поверхности. DSSD окружен восемью боковыми детекторами 60x120 мм² для дополнительной регистрации альфа-частиц и осколков деления, которые могут вылететь из него в сторону сепаратора. Вся сборка имеет вид коробки с пятью гранями, глубиной 120 мм и открытой в сторону мишени. Для регистрации прилета частицы из сепаратора создана система многопроволочных пропорциональных камер, работающих при давлении 1,6 мбар. Система регистрации ядер включает цифровую и аналоговую электронику, работающую независимо и позволяющую отключать пучок после распада материнского ядра для подавления фона при наблюдении распада дочерних ядер.

Также разработана система, обеспечивающая постоянный проток газа через сепаратор, стабильное давление газа в нем с варьируемой заданной величиной, безопасное использование различных газов. До начала экспериментов по синтезу сверхтяжелых ядер ученые провели серию тестовых экспериментов. Измерили дисперсию по импульсу ГНС-2: она определяет необходимую точность настройки магнитов в экспериментах. Величина совпала с расчетами. Определили оптимальное давление газа в сепараторе, которое заметно влияет на величину трансмиссии сепаратора. Измерили эффективность сбора ядер на детекторах ГНС-2. Если сравнивать результаты опытов на ГНС и ГНС-2 в экспериментах по синтезу ядер московия Мс (элемент 115) в реакции ²⁴³Am+⁴⁸Ca, видно, что эффективность нового сепаратора вдвое выше. Наконец, ученые изучили фоновые условия на новом сепараторе - они более чем на два порядка ниже того, что было в экспериментах на ГНС.

Вся серия тестовых опытов, а также первые эксперименты по исследованию изотопов элементов 110, 112, 114 и 115 показали, что новый экспериментальный комплекс позволяет продолжать исследования сверхтяжелых ядер на значительно более высоком уровне чувствительности. В дальнейшем планируется синтез более тяжелых элементов - 119-го и 120-го. Сейчас идет подготовительная работа. Совместно с Росатомом в настоящее время реализуется программа, которая направлена на то, чтобы как можно ближе подойти к синтезу новых элементов.

По материалам Пресс-службы ОИЯИ