Реакции с тяжелыми ионами предоставляют уникальную возможность получить ядра вблизи границ стабильности и проникнуть в область химических элементов второй сотни. В курсе рассматриваются основы физики тяжелых ионов, а также современные тенденции в исследовании ядерных реакций. Предметом курса является одно из новых направлений ядерной физики — физика тяжелых ионов, занимающаяся исследованием ядерных реакций, переходом одних ядер в другие, синтезом новых ядер. Физика тяжелых ионов позволяет изучать коллективные ядерные процессы, характеризуемые предельно большими изменениями ядерной формы, сильным перераспределением энергии между различными степенями свободы систем. Дана классификация ядерных реакций с тяжелыми ионами и их анализ с точки зрения новых изотопов у границ ядерной стабильности. Рассматриваются возможности современных ускорителей для синтеза ядер с использованием ядерных реакций с тяжелыми ионами. На примерах показана связь исследований в области физики тяжелых ионов с прикладными исследованиями: ядерная медицина, радиационная физика твердого тела. Отдельный модуль курса посвящен вопросам истории образования Вселенной с точки зрения физики элементарных частиц, ядерной физики. Обсуждается проблема нуклеосинтеза и непосредственная связь ядерно-физических экспериментов, с астрофизическими явлениями.
Примеры циклотронов
Loading...
来自 National Research Nuclear University MEPhI 的课程
Физика тяжелых ионов
个评分
与讲师见面
Пенионжкевич Юрий ЭрастовичДоктор физико-математических наук
Кафедра экспериментальных методов ядерной физики
Вот для примера фотография
циклотрона лаборатории ядерных реакций в Дубне.
Это циклотрон У400.
Эти цифры У400, У300, У200 —
они определяют радиус магнитных полюсов этого ускорителя.
Вот У400, значит соответствующий радиус 200 сантиметров
и диаметр 400 сантиметров — 4 метра.
Значит, диаметр магнитного полюса есть 4 метра.
От этого зависит, как следовало из предыдущей формулы,
и энергия ускоряемых частиц:
чем больше радиус, диаметр полюсного наконечника,
тем естественно больше энергия ускоряемых ионов.
Вот голубым цветом — это ярмо
так называемое, магнита, электромагнита.
Такая же величина и снизу.
Т. е. такая замкнутая магнитная система.
Желтые — это катушки этого магнита —
верхняя и нижняя катушка,
которая вот и определяет величину магнитного поля
и удерживает, как я говорил, частицы
в горизонтальной плоскости.
Голубые — это резонаторы.
Т. е. это высокая частота, которая подается на электроды —
на дуанты. Это вот, здесь, показано такой бак.
Это высоковакуумные, криогенные турбомолекулярные насосы.
Еще раз, совершая несколько тысяч оборотов в циклотроне,
частицы теряют свою энергию
и соответственно, чем хуже вакуум в циклотроне,
тем больше столкновений она испытывает
с остаточными атомами воздуха,
тем скорее она выйдет из режима ускорения.
Поэтому вся эта техника и все ускорители требуют
чрезвычайно высокого вакуума
вплоть 10 в –8 — это рабочий вакуум циклотрона,
до 10 в –12 в современных циклотронах.
Ну вот это похожий ускоритель циклотрон,
тоже лаборатории ядерных реакций.
Другой ускоритель, так называемый У-400М.
Это вот разводка пучков этого ускорителя У-400М.
Мы видим такой дугообразный канал.
Это канал транспортировки ионных пучков —
ионопровод так называемый,
который распределяет пучки на разные физические установки.
И наконец, еще такая интересная вещь.
В связи с тем, что циклотронный метод по энергии,
конечно, имеет ограничения.
Я сказал, что уже при энергиях нескольких ГэВ
начинают сказываться релятивистские эффекты.
Необходимо увеличивать магнитное поле по радиусу.
Но это все проблематично
и связано с увеличением размера магнитных полюсов.
Поэтому в настоящее время
придумали очень интересный метод.
Это соединение двух или трех даже циклотронов
в одну линию — так называемый тандем из ускорителей,
который позволяет на первом этапе
получать определенную энергию,
инжектировать эти тяжелые ионы во второй,
а потом в третий.
Таким образом, можно получать энергии вплоть до 100 ГэВ,
не используя колоссальный размер ускорителя
или колоссальное значение меняющегося магнитного поля.
Вот такая система функционирует во Франции на GANIL.
Система состоит из трех циклотронов.
Такая система функционирует у нас
в лаборатории ядерных реакций в Дубне,
которая состоит из двух циклотронов.
Вот здесь мы видим схему такой системы.
Используется первый ускоритель.
Потом инжектируется продукт реакции
по специальной галереи вакуумной,
длина которой 80 метров.
И попадает во второй ускоритель,
который уже доускоряет или сами частицы,
или продукты ядерных реакций,
создавая пучки радиоактивных ядер.
Вот это новое следующее направление
в ускорительной технике — получение пучков
радиоактивных ядер.
Здесь показаны параметры пучков ускорителя,
видна довольно большая интенсивность,
вот 10 в 13, везде 10 в 13, вплоть до ионов ксенона.
И энергия до 20 МэВ/нуклон, это один ускоритель.
И второй ускоритель.
Здесь, интенсивности побольше.
И энергии побольше — до 47 МэВ/нуклон.
Это вот ускорители циклотронов
для фундаментальных исследований,
это циклотроны исследовательские.
Теперь, как я говорил, существует очень много ускорителей
для прикладных исследований.
Вот в лаборатории ядерных реакций
нами создан малогабаритный циклотрон,
так называемый IC-100.
Вот его схема показана.
Принцип действия точно такой же,
как и больших циклотронов.
ECR-источник, где происходит ионизация
и получение плазмы, ионизации атомов,
получаются тяжелые ионы.
Аксиальная инжекция, по которой
тяжелые ионы поступают в ускоряемую область.
Но ускоритель малогабаритный,
всего лишь 100 сантиметров диаметр.
Поэтому энергии его достаточно маленькие.
Это вот детали этого ускорителя.
Это инжекция аксиальная и вот его параметры.
Ускоряются достаточно тяжелые ионы —
аргон, криптон, ксенон.
А энергия 1 МэВ/нуклон всего лишь.
Интенсивность достаточно велика,
несколько единиц на 10 в 12 частиц в секунду.
Вот этот ускоритель весьма эффективный
для использования его в качестве
некого производителя ядерных фильтров,
которые получаются бомбардировкой тяжелых ионов
различных органических фольг,
используются для технологий радиационного повреждения
материалов и так далее и тому подобное.
И большое преимущество его,
в связи с тем, что энергии вот такие 1 МэВ/нуклон,
заряды частиц достаточно высокие,
то эти энергии гораздо ниже кулоновского барьера,
взаимодействие этих частиц с другими ядрами.
Таким образом, этот вот ускоритель
становится не радиационно-опасным,
не радиационно-активным.
Поэтому, в принципе, на нем можно проводить манипуляции,
менять мишени, не выключая ускоритель,
т. е. он совершенно безопасен
для обслуживающего персонала и для исследователей,
которые работают.
Вот это небольшое преимущество этих
маленьких ускорителей для прикладных исследований.
