CORSET double-arm time-of-flight spectrometer

MAIN SCIENTIFIC RESULTS YEARS 2017-2022

Основные научные результаты группы с 2017-2022 гг.

Группой проведена большая серия научно-экспериментальных работ и получены интересные научные результаты:

In the series of research and experimental works carried out by CORSET Group the properties of nuclei fission were studied with the following interesting results:

1. Разработан, создан и постоянно совершенствуется двухплечевой времяпролетный позиционно-чувствительный спектрометр CORSET, имеющий высокое временное и позиционное разрешение, что позволяет измерять бинарные фрагменты реакции с разрешением по массе 3 а.е.м., по энергии – 2% и углу – 0.3°. В настоящее время установка CORSET обладает возможностью измерения не только времени пролета, но и энергии фрагментов (разработан метод TOF-E – TOF-E). На сегодняшний день спектрометр CORSET имеет наилучшее разрешение среди аналогичных установок. Имеющиеся широкие экспериментальные возможности установки позволяют изучать тонкие структурные эффекты массово-энергетических и угловых распределений продуктов реакций взаимодействия тяжелых ионов с ядрами. Оригинальность установки заключается в том, что она позволяет проводить исследования корреляционных зависимостей продуктов реакции, одновременно измеряя массово-энергетические и угловые распределения фрагментов реакции.

The double-arm time-of-flight spectrometer CORSET is developed, elaborated and is being permanently improving. The setup has high time and position resolutions, which make possible to measure the mass, energy and angular distributions of binary reaction products with the mass resolution of ~3 u, energy resolution of ~2%, and angular resolution of 0.3º. Currently, the CORSET setup has the ability to measure not only the time of flight, but also the energy of fragments (i.e., the TOF-E-TOF-E method has been implemented). To date, the CORSET spectrometer has the best resolution among similar setups. The wide experimental capabilities of the setup allow investigating the fine structures of mass, energy and angular distributions of products of the reactions with heavy ions. The unique feature of the setup is that it allows one to investigate the correlated properties of the reaction products simultaneously measuring mass, energy and angular distributions of the reaction fragments.

2. Проведен большой цикл экспериментальных работ по исследованию вероятности образования и распада сверхтяжелых систем с Z=114, 120 вблизи «острова стабильности» в зависимости от кулоновского фактора (Z1Z2), среднего параметра делимости и массовой асимметрии входного канала при энергиях взаимодействия вблизи кулоновского барьера. Подтверждена доминирующая роль квазиделения для ядерных систем с кулоновским фактором Z1Z2 > 2000. Проведена оценка вклада фрагментов, образованных в процессе слияния-деления, при образовании и распаде составных систем с Z = 114, 120. Полученные данные помогут в дальнейшем для изучения «острова стабильности» и постановке экспериментов по синтезу элементов с Z > 118. За данный цикл работ получена Первая премия ОИЯИ в разделе «научно-исследовательские экспериментальные работы» за 2020 год [Phys. Rev. C 102, 044605 (2020); Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 84, 495 (2020); Phys. Rev. C 99, 014616 (2019); J.Phys. G: Nucl. Part. Phys. 46, 103002 (2019)].

To study the probability of formation and decay of superheavy systems with Z=114,120 near the “island of stability” in dependence on the Coulomb factor (Z1Z2), the mean fissility parameter and the entrance-channel mass asymmetry at interaction energies near the Coulomb barrier, a large cycle of experimental works has been carried out The dominant role of quasifission for nuclear systems with Z1Z2>2000 is confirmed. The contribution of fragments formed in the fusion-fission process for the composite systems with Z=114,120 is estimated. The data obtained will help to study the “island of stability” and to conduct experiments on the synthesis of elements with Z>118. In 2020, this cycle of works was awarded the First Prize of JINR in the section “Experimental Physics Research” [Phys. Rev. C 102, 044605 (2020); Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 84, 495 (2020); Phys. Rev. C 99, 014616 (2019); J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 46, 103002 (2019)].

3. Впервые экспериментально установлено, что новый тип асимметричного деления ядер в подсвинцовой области полностью определяется влиянием сильно деформированной протонной оболочки Z ≈ 36 и слабо деформированной Z ≈ 46 при измерениях массово-энергетических распределений фрагментов деления составных ядер ^{180,182,183,190}Hg* и ¹⁷⁸Pt*, образующихся в реакциях ⁴⁰Ca + ^142,143Nd, ³⁶Ar + ^144,154Sm, ³⁶Ar + ¹⁴²Nd и ⁶⁸Zn + ¹¹²Sn при различных энергиях вблизи кулоновского барьера [Phys. Rev. C 104, 024623 (2021), Phys. Rev C 105, 014607 (2022)].

It has been experimentally established for the first time that a new type of asymmetric nuclear fission in the sub-lead region is completely determined by the influence of a strongly deformed proton shell Z ≈ 36 and a weakly deformed Z ≈ 46 when measuring the mass-energy distributions of the fission fragments of compound nuclei ^{180,182,183,190}Hg* and ¹⁷⁸Pt* formed in the ⁴⁰Ca + ^142,143Nd, ³⁶Ar + ^144,154Sm, ³⁶Ar + ¹⁴²Nd and ⁶⁸Zn + ¹¹²Sn reactions at different energies near the Coulomb barrier [Phys. Rev. C 104, 024623 (2021), Phys. Rev C 105, 014607 (2022)].

4. Проведенный анализ массово-энергетических распределений осколков деления 178Pt и 180,182,183,190Hg показал наличие трех асимметричных мод: низкоэнергетической для почти симметричных осколков, высокоэнергетической для более асимметричных осколков (с массой легкого осколка 70–85 а.е.м.), и еще одной дополнительной – для осколков c массами 50–70 а.е.м. [Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2020, Vol. 84, No. 8, pp. 1001–1006. © Allerton Press, Inc., 2020. Russian Text © The Author(s), 2020, published in Izvestiya Rossiiskoi Akademii Nauk, Seriya Fizicheskaya, 2020, Vol. 84, No. 8, pp. 1209–1214. DOI: 10.3103/S1062873820080213; Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics (2021) 85(10), с. 1080-1084. DOI: 10.3103/S1062873821100105].

The analysis of the mass-energy distributions of the 178Pt and 180,182,183,190Hg fission fragments showed the presence of three asymmetric modes: low–energy one for almost symmetrical fragments, high-energy one for more asymmetric fragments (with a light fragment mass of 70-85 u), and another additional one is for fragments with masses of 50-70 u. [Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2020, Vol. 84, No. 8, pp. 1001–1006. © Allerton Press, Inc., 2020. Russian Text published in Izvestiya Rossiiskoi Akademii Nauk, Seriya Fizicheskaya, 2020, Vol. 84, No. 8, pp. 1209–1214. DOI: 10.3103/S1062873820080213; Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics (2021) 85(10), с. 1080-1084. DOI: 10.3103/S1062873821100105].

5. Впервые был обнаружен большой вклад (более 70%) процесса квазиделения в реакции 68Zn + 112Sn при энергии взаимодействия чуть выше (на 8%) кулоновского барьера. Это явилось довольно неожиданным результатом, поскольку изменения свойств входного канала по сравнению с реакцией 36Ar + 144Sm, ведущей к такому же составному ядру 180Hg, не настолько радикальны, чтобы вызвать настолько значительные изменения в механизме взаимодействия. Основное различие между этими двумя реакциями заключается в соотношении масс взаимодействующих ядер. Таким образом, влияние массовой асимметрии во входном канале намного сильнее, чем предполагалось ранее [Phys. Lett. B 819, 136442 (2021), Изв. РАН. Сер. физ., 2021, T. 85, № 10, с. 1399].

For the first time, a large contribution (more than 70%) of the quasifission process was detected in the 68Zn + 112Sn reaction at an interaction energy slightly higher (by 8%) than the Coulomb barrier. This was a rather unexpected result, since the changes in the properties of the input channel compared to the 36Ar + 144Sm reaction leading to the same 180Hg compound nucleus are not so radical to cause such significant changes in the interaction mechanism. The main difference between these two reactions is the ratio of the masses of interacting nuclei. Thus, the influence of mass asymmetry in the input channel is much stronger than it has been previously assumed [Phys. Lett. B 819, 136442 (2021), Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2021, Vol. 85, No. 10, p. 1080–1084, DOI: 10.3103/S1062873821100105, Russian Text published in Izvestiya Rossiiskoi Akademii Nauk, Seriya Fizicheskaya, 2021, Vol. 85, No. 10, p. 1399].

6. Проведены измерения массово-энергетических распределений фрагментов, образующихся в реакции 40Ca+208Pb, ведущей к образованию ядра 248No, в зависимости от энергии взаимодействия и вносимого углового момента. Разработан метод разделения процессов слияния-деления и быстрого деления, который основан на вычитании матрицы М-ТКЕ фрагментов деления, экстраполированной в область более высоких энергий возбуждения составного ядра, из полной матрицы М-ТКЕ всех делительноподобных продуктов реакции. Такой подход позволил впервые получить массово-энергетические распределения фрагментов, образованных только в процессе быстрого деления. Эта информация о свойствах массово-энергетических распределений фрагментов быстрого деления чрезвычайно важна в наших планируемых исследованиях [Phys. Rev. C 105, 024617 (2022)].

Measurements of the mass-energy distributions of fragments formed in the 40Ca+208Pb reaction leading to the formation of the 248No nucleus were carried out, depending on the interaction energy and the introduced angular momentum. A method for separating fusion-fission and fast fission processes has been developed, which is based on subtracting the matrix M-TKE of fission fragments extrapolated to the region of higher excitation energies of the compound nucleus from the complete matrix M-TKE of all fission-like reaction products. This approach allowed us for the first time to obtain mass-energy distributions of fragments formed only in the process of fast fission. This information on the properties of the mass-energy distributions of fast fission fragments is extremely important in our planned research [Phys. Rev. C 105, 024617 (2022)].

7. Впервые изучены свойства деления компаунд-ядер 220 Ra, 219 Ac, 220,224,226 Th, 256 No, 270 Sg, 271 Hs, 266,272 110, 286 112, 292 114, 294 118, 302 120, 306 122, образованных в реакциях с ионами 12 C, 16,18 O, 22 Ne, 48 Ca, 58,64 Ni, 86 Kr при энергиях вблизи и ниже кулоновского барьера.

For the first time the fission properties of 220 Ra, 219 Ac, 220,224,226  Th, 256 No, 270 Sg, 271 Hs, 266,272 110, 286 112, 292 114, 294 118, 302 120, 306 122 compound nuclei formed in the reactions with  12 C,  16,18 O,  22 Ne,  48 Ca,  58,64 Ni,  86 Kr ions at the energies near and below the Coulomb barrier were studied as a result of these experiments.

8. При изучении закономерностей процесса слияния-деления сверхтяжелых элементов получен наиболее важный и принципиальный результат, состоящий в первом наблюдении асимметрии деления тяжелого ядра, определяемой нуклонными оболочками легкого фрагмента. Это в известном смысле замыкает круг современных теоретических представлений о модальности деления ядра, что чрезвычайно важно для дальнейшего развития как собственно физики деления, так и ядерной физики в целом.

A very important phenomenon was observed for the first time in study of super heavy element fusion-fission behavior: the asymmetry of heavy nucleus fission determined by the light fragment nucleon shells. In a sense this closes the circle of theoretical ideas of nucleus fission modality which is very important for further development of fission physics and nuclear physics as a whole as well.

9. Для ядер ²⁵⁶No,  ^{266, 274}Hs,  ²⁸⁶112,  ²⁹²114,  ²⁹⁶116,  ²⁹⁴118, ³⁰⁶122 изучены зависимости сечения захвата (σ c ) и сечения деления (σ ff ) от энергии возбуждения компаунд-ядра в диапазоне 15 – 60 МэВ.

For  ²⁵⁶No,  ^{266, 274}Hs,  ²⁸⁶112,  ²⁹²114,  ²⁹⁶116,  ²⁹⁴118, ³⁰⁶122 nuclei the dependences of capture cross-section (σ c ) and fission cross-section (σ ff ) from compound nucleus excitation energy in 15 – 60 MeV range were studied.

10. Было обнаружено, что массовые распределения осколков деления компаунд-ядер ²⁸⁶112,  ²⁹²114,  ^{290, 296}116,  ²⁹⁴118,  ³⁰²120, ³⁰⁶122 асимметричны, природа чего, в противоположность асимметрии деления актинидов, определяется оболочечной структурой лёгкого осколка со средней массой 132-134. Было установлено, что полная кинетическая энергия (ТКЕ), множественности нейтронов и γ-квантов для процессов деления и квазиделения указанных ядер существенно различаются.

It was discovered that mass distributions of  ²⁸⁶112,  ²⁹²114,  ^{290, 296}116,  ²⁹⁴118,  ³⁰²120, ³⁰⁶122 compound nuclei fission fragments are asymmetrical due to the shell structure of a light fragment of 132-134 average mass, contrary to actinides fission asymmetry. It was determined that total kinetic energy (TKE) of neutron multiplicity and γ-quanta for the above mentioned nuclei fission and quasi fission differ considerably;

11. Впервые было найдено, что эмиссия гамма-квантов и нейтронов из делящегося составного ядра является критерием разделения физически близких процессов деления и квазиделения, что позволяет более точно определить характеристики этих двух процессов.

For the first time it was discovered that fissible compound nucleus γ-quantum and neutron emission serves as a criterion for separation of fission and quasi-fission processes which in its turn enables to specify these two processes to a high degree of accuracy.

12. А.анализ угловых и энергетических распределений нейтронов и гамма-квантов показал, что значения множественности <M^FF_γ> для процессов слияния-деления значительно выше, чем значение множественности <M^QF_γ> для процессов квази-деления, и с другой стороны, полная нейтронная множественность M_tot и полная гамма- множественность <M_γ> монотонно возрастают с ростом атомного номера Z компаунд ядра так же как и с энергией возбуждения.

Analysis of neutron and γ-quantum angular and energy distributions revealed that values of <M^FF_γ> multiplicity for fusion-fission processes is much higher than values of <M^QF_γ> multiplicity for quasi-fission processes and on the other hand M_tot  full neutron multiplicity and <M_γ> full γ-multiplicity monotone increases with Z compound nucleus atomic number and excitation energy growth.

13. Впервые обнаружено и изучено явление мультимодального деления в области сверхтяжелых ядер 256 No, 270 Sg, 271 Hs.

For the first time the multimodal fission phenomena in the area of  256 No,  270 Sg,  271 Hs superheavy nuclei was discovered and studied.