2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.................................................................5
ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ НОВОГО ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО МИШЕННО-ИОННОГО УСТРОЙСТВА МАСС-СЕПАРАТОРА ИРИС.........................18
1.1. Экспериментальный комплекс ИРИС..................................18
1.2. Новое высокотемпературное тугоплавкое мишенное устройство........19
1.3. Исследование температурных и прочностных характеристик нового высокотемпературного мишенного устройства. Излучагельная способность вольфрамового контейнера..................................20
1.3.1. Температурное распределение в мишенном веществе.............20
1.3.2. Измерение излучательной способности.........................22
1.3.3. Время жизни мишени..........................................23
1.3.4. Выводы.................................................... 25
1.4. Времена задержки и выделение исследуемых изотопов из мишеней в виде тонких фолы тугоплавких металлов......................................26
1.4.1. Основные факторы, определяющие время задержки исследуемых нуклидов в мишенно - ионном устройстве.............................26
1.4.2. Оценка выходов получаемых изотопов, когда задержка в мишени определяется диффузией.............................................30
1.1.3. Эффект “банчирования” и накопления ионов....................31
1.1.4. Возможные области применения обнаруженного эффекта банчирования ионов.................................................36
1.5. Исследование высокотемпературного мишенно-ионного устройства в режиме “on-line”......................................................38
1.5.1. Методы измерения выходов и времен иолувыделения изотопов щелочных элементов.................................................40
1.5.2. Теоретическое представление полученных кривых иолувыделения...41
1.5.3. Измерение выходов и времен полувыделения изотопов лития 43
3
1.5.4. Обсуждение результатов экспериментов по получению изотопов лития...............................................................50
1.5.5. Выводы.....................................................55
1.5.6. Измерение выходов и кривых полувыделения изотопов щелочных элементов Ыа, К, ЯЬ и Сб.........................................57
1.6. Исследование выходов изотопов редкоземельных элементов...........60
1.6.1. Метод измерения выходов исследуемых изотопов...............61
1.6.2. Определение величины выхода исследуемого изотопа из мишени по экспериментальным а - спектрам...................................62
1.6.3. Определение величины ожидаемого в лазерном эксперименте выхода исследуемого изотопа.............................................64
1.6.4. Измерение а - спектров нейтронодефицитных изотопов редкоземельных элементов.........................................65
1.6.5. Обсуждение полученных результатов..........................70
1.7. Заключение к Главе 1.............................................71
ГЛАВА 2. СРЕДНЕКВАДРАТИЧНЫЕ ЗАРЯДОВЫЕ РАДИУСЫ И
ЭЛЕК ТРОМАГНИТНЫЕ МОМЕНТЫ НЕЙТРОНОДЕФИЦИТНЫХ
ИЗО ТОПОВ ТУЛИЯ В ОКРЕСТНОСТИ НЕЙТРОННОЙ ОБОЛОЧКИ
N=82....................................................................74
2.1. Метод лазерной резонансной фотоионизационной спектроскопии в
лазерном ионном источнике.......................................76
2.2. Схема эксперимента по исследованию изотопических сдвигов и
сверхтонкого расщепления нейтронодефицитных изотопов тулия......80
2.3. Фоновые условия эксперимента и селективность метода..............83
2.4. Применение эффекта запирания ионов в высокотемпературном мишенном
устройстве для уменьшения фона тока термоионов и повышения селективности................................................. 85
2.4.1. Эффект запирания ионов в мишенном устройстве................85
4
2.4.2. Лазерное мишенно-ионное устройство, использующее эффект запирания...........................................................87
2.4.3. Подавление термоионного фона самария и европия для выделения изобар гадолиния....................................................90
2.4.4. Возможные применения эффекта запирания ионов в мишенном устройстве..........................................................93
2.5. Измерение изотопических сдвигов и сверхтонкою расщепления нейтронодефицитных изотопов тулия......................................93
2.6. Извлечение ядерных характеристик из сверхтонкой структуры и изотопических сдвигов..................................................97
2.7. Обсуждение полученных результатов................................102
2.8. Заключение к Главе 2........................................... 104
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................105
Приложение 1.............................................................108
Литература...............................................................110
5
ВВЕДЕНИЕ
Всестороннее исследование основных состояний атомных ядер - одна из самых важных задач, стоящих перед ядерной физикой. Описание этих состояний -необходимая составляющая любой последовательной теории ядра и ядерных взаимодействий. Поэтому, очень важное значение имеют систематические экспериментальные исследования характеристик основных состояний как можно большего числа ядер. Особую ценность представляет информация для достаточно длинных цепочек изотопов. При изменении числа нейтронов в ядрах таких изотопических цепочек может происходить как плавное, так и скачкообразное изменение наблюдаемых характеристик их основных состояний. Способность отражать эти изменения, а также, делать верные предсказания относительно характера изменения свойств основных состояний еще не исследованных ядер, является критерием пригодности той или иной теоретической модели.
В настоящее время одним из самых эффективных экспериментальных методов исследования основных состояний атомных ядер стала оптическая лазерная спектроскопия атомов. Этот метод позволяет определять спины /, магнитные дипольные /и и электрические квадрупольные <2 моменты ядер, а также изотопические изменения средних квадратов зарядовых радиусов (Кг2)лл0 = (г*)л ~(г2)а, для изото,юв с массовыми числами А и Л0. Эти
характеристики ядер извлекаются из анализа измеренных изотопических сдвигов и сверхтонкого расщепления оптических линий.
Из значений элекгрических квадрупольных и магнитных дипольных моментов, спинов и зарядовых радиусов можно получить довольно обширную информацию о структуре ядра. Знание спинов и магнитных моментов позволяет изучать сгрукгуру ферми-новерхности ядер. Из величин квадрупольных моментов можно оценить статическую деформацию ядер. Изотонические изменения средних квадратов зарядовых радиусов чувствительны как к статической деформации, так и к нулевым колебаниям поверхности ядра. Таким образом, величины, определяемые с помощью оптической спекгроскопии, связаны как с одночастичными, так и с
6
коллективными свойствами ядер, обусловлены как их статическими характерно гиками, так и динамическими эффектами.
Помимо оптических, существует множество других экспериментальных методов, позволяющих измерять те же величины, то есть спины, электромагнитные моменты и изотопические изменения зарядовых радиусов ядер. Информацию о зарядовых распределениях ядер можно получить из сечений рассеяния электронов
[1]. Зарядовые распределения успешно исследуются также с помощью мезоатомов. В экспериментах с р-мезоатомами получены наиболее точные данные о квадрупольных моментах ядер [2]. Изотопические сдвиги рентгеновских ЛГ-линий непосредственно связаны с изотопическими изменениями средних квадратов зарядовых радиусов ядер [3]. Метод магнитного резонанса в атомных пучках дает информацию о спинах и электромагнитных моментах ядер. Методы ядерного магнитного резонанса, ядерного парамагнитного резонанса, ядерного квадрупольного резонанса, ориентации ядер при низких температурах и некоторые другие также используются для измерения электромагнитных моментов ядер [4]. Однако все эти методы не обладают той универсальностью и чувствительностью, которая присуща оптической лазерной спектроскопии. В большинстве случаев для реализации той или иной из упомянутых неоптических методик требуются макроколичества исследуемого элемента, то есть измерения могут быть проведены практически лишь для стабильных изотопов. Ьолсс чувствителен метод магнитного резонанса в атомных пучках, но и он на 2-3 порядка уступает в чувствительности оптическим методам. К тому же для радиоактивных ядер этим методом измерялись, главным образом, только спины, а измерения электромагнитных моментов радиоактивных ядер этим методом единичны.
Таким образом, главная отличительная особенность и преимущество оптических методов перед “неоптическими” - это их высокая чувствительность. Несмотря на то, что оптические методы исследования сверхтонкой структуры применялись уже в конце 40-х годов нашего века (например, исследование спектров Т1, Ьа, РЬ и др. группой Кроуфорда [5, 6]), только благодаря успехам в развитии техники лазеров с перестраиваемой длиной волны, разработке и применению новых методов
7
оптической спектроскопии стало возможным проводить измерения изотопических сдвигов и сверхтонкой структуры с высокой точностью при предельно малых количествах исследуемых нуклидов, имеющих, к тому же, сравнительно малые времена жизни.
С середины 70-х годов в крупнейших лабораториях мира используется целый ряд конкурирующих и взаимодополняющих лазерных методик. Наиболее успешно применялся метод коллинеарной лазерной спектроскопии [7]. Метод оптической накачки с анализатором типа Штерна-Герлаха использовался для исследования изотопов щелочных металлов [8]. В ряде случаев эффективным оказывается флуоресцентный метод, с которого и началась история лазерной спектроскопии длинных цепочек изотопов на масс-сепараторах [9].
Эти исследования привели к обнаружению интересных эффектов и постановке ряда проблем, требующих дальнейшего изучения. В первую очередь следует упомянуть открытие необычно больших четно-нечетных колебаний в зарядовых радиусах изотопов ртути (вместо общей тенденции к росту с добавлением очередного нейтрона при движении по изотопической цепочке, наблюдалось периодическое колебание зарядового радиуса от минимальных значений у четно-нейтрониых изотопов до максимальных у нечетно-нейтронных изотопов, причем размах этих колебаний был необычайно велик). Было высказано предположение, что такое поведение зарядовых радиусов объясняется сосуществованием в ядрах изотопов ртути двух состояний: близкого к сферическому и сильно
деформированного [9]. Для изотопов бария, эрбия и иттербия не наблюдался скачок в зависимости средних квадратов зарядовых радиусов от числа нейтронов N при N=88-90, имеющийся для всех исследованных ранее изотопических цепочек (европий, самарий, гадолиний), для которых эта переходная область (N=88-90) оказывается в районе стабильных изотопов [7]. Плавный ход зависимости средних квадратов зарядовых радиусов от N для Ва, Ег и УЬ, а также, ТЬ, Г)у, Но, Кг и Тш
[10] свидетельствует, по-видимому, о плавном изменении деформации соответствующих ядер, в отличие от скачкообразного для изотопов европия, самария, гадолиния. Характер перехода от деформированных к сферическим ядрам
оказался скоррелирован с близостью заряда ядра 2 соответствующей изотопической цепочки к “магическому” числу 2-64: для ядер с 2 , близким к 2=64, (европий 2=63, самарий 2=62, гадолиний 2=64) этот переход имеет скачкообразный характер, для ядер с 2, достаточно удаленным от “магического”, (барий 2=56, диспрозий 2=66, гольмий 2=67 эрбий 2=68, тулий 2=69 и иттербий 2=70) переход происходит относительно плавно.
Влияние магических чисел (как протонных, так и нейтронных) на ход зависимости средних квадратов зарядовых радиусов от N вообще представляет собой интересную и далеко не до конца исследованную проблему. В частности, весьма актуально дальнейшее исследование оболочечного эффекта в зарядовых радиусах, заключающегося в резком изменении изотопической зависимости средних квадратов зарядовых радиусов при переходе числа нейтронов через магическое число [8, 11, 12].
Из других важных результатов, полученных с помощью лазерных методов, можно упомянуть, что данные лазерных исследований в совокупности с данными ядерной спектроскопии, позволили более надежно обосновать предположения о пеаксиальности изотопов бария (N<78) [11], об октупольной деформации изотопов франция и радия [12], о сильной деформированности изотопов рубидия с N=56 и скачкообразном характере перехода к сильно деформированным ядрам для этой изотопической цепочки [8].
Таким образом, можно выделить наиболее важные темы для дальнейших лазерно-оптических исследований, проводимых для других изотопических цепочек:
1. Исследование характера изменения деформации ядер на границах “классических” областей деформации (скачкообразное или плавное).
2. Поиск и исследование новых областей деформации, расположенных вдали от полосы стабильности.
3. Проблема соотношения статической и динамической деформации в ядрах, для решения которой необходима как информация, получаемая оптическими методами (спектроскопические квадрупольные моменты, характеризующие статическую
9
деформацию и изотопические сдвиги, обусловленные и статической, и динамической деформациями), гак и ядерно-спектроскопические данные.
4. Исследование оболочечного эффекта в поведении среднеквадратичных зарядовых радиусов, в частности, выяснение вопроса, сохранится ли этот эффект но мере удаления магического ядра от полосы стабильности (проблема сохранения магических чисел).
5. Изучение четно-нечетного эффекта, состоящею в том, что нечетно-нейтронные ядра имеют систематически меньшие средние значения радиусов, чем соседние четно-нейтронные ядра; его исследование может пролить свет на природу сил спаривания, которые, как считается, являются ответственными за этот эффект.
6. Большой интерес представляет получение данных об электромагнитных моментах изомерных состояний ядра и об изомерных сдвигах, позволяющих изучать изменение формы одною и того же ядра при разных возбуждениях.
7. Систематические исследования изотопических и изобарических изменений зарядовых радиусов для длинных изотопических цепочек как можно большего числа элементов. Такие исследования могут помочь глубже изучит«, свойства ядерных взаимодействий, поскольку теоретические описания изотопических и изобарических зависимостей зарядовых радиусов сильно зависят от выбора эффективных сил в рамках используемой теоретической модели.
Ile менее интересно исследовать области, где имеет место отклонение в поведения зарядовых радиусов от общей систематики. Одна из таких областей была обнаружена у очень удаленных изотопов иттербия (Z =70) в окрестности N=82 [13]. Здесь имеет место резкий скачок зарядового радиуса при переходе от изотопа с N=82 к изотопу с N=84. Необходимы дополнительные исследования изотопической цепочки иттербия N=82-86, чтобы попьпдться объяснить причину такого необычного поведения.
Особый интерес представляют измерения для изотопической цепочки тулия (Z =69) в окрестностях N=82. Эта совершенно неисследованная область ядер находится по соседству с ядрами игтербия и было бы чрезвычайно интересно
- Київ+380960830922