High-resolution magnetic analyzer MAVR for studying characteristics of nuclear reactions

(JINR Incentive prize 2020)
V. Maslov, Yu. Penionzhkevich, D. Aznabayev, S. Lukyanov, N. Skobelev, Yu. Sobolev, I. Kolesov, S. Pashchenko, G. Gulbekian, M. Khabarov

Магнитный анализатор высокого разрешения- МАВР- для исследований характеристик ядерных реакций
(поощрительная премия ОИЯИ)
Ю. Э. Пенионжкевич, В. А. Маслов, С. М. Лукьянов, Н. К. Скобелев, И. В. Колесов, Г. Г. Гульбекян и др.

Одним из направлений научной деятельности Лаборатории Ядерных Реакций ОИЯИ является исследование механизмов ядерных реакций со стабильными и радиоактивными пучками ускоренных ядер. Ведутся также исследования свойств ядер, расположенных у границ нуклонной стабильности. Эксперименты проводятся на циклотронах ЛЯР – У400, У-400М, а также в кооперации с другими научными центрами в GANIL (Франция), RIKEN (Япония) и Циклотронной Лабораторией (Юваскюля, Финляндия). Во всех экспериментах используются магнитные спектрометры и сепараторы, позволяющие получать высокую степень очистки продуктов реакций от первичного пучка и иметь высокое разрешение по импульсу и, соответственно, энергетическое и массовое разрешение этих продуктов реакций. Учитывая большой импульс образующихся в реакциях с тяжелыми ионами продуктов реакций, необходимо регистрировать их под передними углами. Поэтому основной методической проблемой в этом случае является разделение продуктов реакции от ядер первичного бомбардирующего пучка, интенсивность которых на несколько порядков выше. Поэтом коэффициент очистки используемых магнитных анализаторов должен составлять не хуже 10-3. Этому условию удовлетворяет созданный в ЛЯР ОИЯИ магнитный анализатор высокого разрешения (МАВР). Анализатор МАВР обладает относительно большим телесным углом захвата (15 мср), высоким импульсным разрешением (10-4) и большой дисперсией вдоль фокальной плоскости (1.9 м). С помощью этого анализатора можно регистрировать продукты ядерных реакций с энергией до 30 МэВ/нуклон с высоким разрешением по массе и заряду, что особенно важно для разделения и идентификации тяжелых продуктов ядерных реакций. Регистрация продуктов ядерных реакций осуществляется с помощью многодетекторного спектрометра MULTI, расположенного в фокальной плоскости анализатора, который позволяет регистрировать и идентифицировать продукты ядерных реакций по заряду Q, атомному номеру Z и массе A с точностью до единицы по массе и заряду. Продукты ядерных реакций идентифицируются по A, Z и Q посредством измерения магнитной жесткости анализатора, потерь энергии в фокальном детекторе(DE), времени пролета (Т) и полной энергии частиц (Е).

Анализатор МАВР может работать как на первичных пучках тяжелых ионов, так и на пучках радиоактивных ядер ускорительного комплекса циклотронов У400 и У400R. Он может быть использован и используется непосредственно как в качестве анализатора для измерения энергетических спектров продуктов ядерных реакций, так и в качестве монохроматора энергии пучка.

Для повышения эффективности регистрации низкоэнергетичных продуктов ядерных реакций за счет более узкого ионного зарядового распределения их в газе анализатор предполагается использовать в газонаполненном варианте.

Основными целями использования данного анализатора являются:

– получение данных о массовых, зарядовых и энергетических распределениях продуктов ядерных реакций со стабильными тяжелыми ионами (например, 48Ca, 56Fe, 64Ni) и с энергиями 10£Е£20 МэВ/нуклон, образующихся в реакциях многонуклонных и глубоконеупругих передач под передними углами;
– измерение энергетических спектров легких заряженных частиц высоких энергий вплоть до кинематического предела двухтельного канала реакции;
– исследование с высоким энергетическим разрешением продуктов ядерных реакций на пучках экзотических ядер легких и средних масс, получаемых на ускорительном комплексе DRIBs в около барьерной области энергий.

Проведенные первые эксперименты на пучках тяжелых ионов У-400 с использованием магнитного анализатора МАВР показали, что:
1. достигаются заявленные при его создании параметры (большой телесный угол, высокое разрешение по импульсу);
2. реализуются возможности регистрации и идентификации легких продуктов реакции в области масс ядер А = 2-60 и регистрации тяжелых трансурановых продуктов реакций слияния и осколков деления;
3. достигается высокий фактор очистки продуктов реакций от первичного пучка;
4. появляется возможность проведения корреляционных измерений под передними углами при относительно высокой интенсивности первичного пучка.

Часть исследований направлено на изучение характеристик реакций многонуклонных и глубоконеупругих передач, реакций с вылетом быстрых заряженных частиц под передними углами, с целью нахождения оптимальных реакций, имеющих максимальное сечение s, и тем самым, обеспечивающих максимальные выходы ядер, расположенных у границ нуклонной стабильности. Не менее важным представляется вопрос исследования реакций глубоко неупругих передач с ионами с массой А > 100. В таких реакциях с относительно большой вероятностью могут образовываться нейтроноизбыточные ядра вблизи линии нейтронной стабильности. Не исключено, что эти реакции могут оказаться эффективным методом синтеза тяжелых элементов. В этом случае в фокальной плоскости предполагается измерять корреляцию высокоэнергетических альфа-частиц с энергией ≥80 МэВ в совпадении с холодным ядром остатком. Использование монохроматичных пучков тяжелых ионов после реконструкции циклотрона У- 400 в У-400R и магнитного спектрометра МАВР-2 может явиться эффективным методом для дальнейшего проведения подобных исследований в ЛЯР.

Фотография магнитного анализатора высокого разрешения МАВР со стороны фокальной плоскости.