Hmotnostná spektrometria exotických jadier

Mgr. Ivan SiváčekŠkoliteľ: Ing. Ján Kliman, DrSc.

Fyzikálny ústav SAV 26.4.2012

Ciele dizertačnej práce

• Určenie základných charakteristík hmotnostného spektrometra MASHA (Mass Analyzer of SuperHeavy Atoms)– Účinnosť spektrometra v závislosti od hmotnosti a

náboja jadier– Časovej odozvy spektrometra– Hmotnostného rozlíšenia spektrometra

• Určenie izotopického rozdelenia exotických jadier – produktov jadrových reakcií ťažkých iónov s identifikáciou ich alfa rozpadov

HMOTNOSTNÝ SEPARÁTOR MASHALaboratórium jadrových reakcií N. G. Flerova, SÚJV Dubna, RF

Schéma hmotnostného separátora MASHA

ECR iónový zdrojcatcher

fokálna rovina F1

fokálna rovina F2 detektor

U400m

1 – fokálne stripy (3x64) - šírka 1,1 mm2, 3 – bokové stripy 2x(2x32)4 – krajné stripy 2x(16)

Studňovitý kremíkový stripový detektor:

Hmotnostný separátor MASHA

Hmotnostný separátor MASHA

Hmotnostný separátor MASHA

Horúci catcher a iónový zdroj

Ta nahrievačgrafitovýabsorbátor

terč

Ti monitorovaciafólia

4-sektorováplatnička s otvorom

primárnyzväzok

oddelujúcafólia

k ECRiónovémuzdroju

UHFUHF, atómy

extrakcia

magnety (prstence)

plazma, ionizácia

Obr. Schéma iónového zdroja. Obr. Schéma terčového uzla s horúcim catcherom.

Iónová optika separátora MASHA

Horúci catcher

ECR Fokálna rovina F1

Fokálna rovina F2

Detektor

ióny

•4 dipólové magnety (D resp. M)•3 kvadrupólové šošovky (Q)•2 sextupólové magnety (S)•2 fokusujúce body – F1 (hrubá separácia) a F2 (hmotnostná analýza)

Obr. Schéma horizontálnych(a) a vertikálnych (b) trajektórií iónov cez separátor (c).

(a)

(b)

(c)

PARAMETRE ZARIADENIAHmotnostný separátor MASHA

Hmotnostné rozlíšenie a účinnosť• Pomocou kalibrovaných tokov xenónu bolo určené

hmotnostné rozlíšenie na jeho izotopoch• Inertnými plynmi bola preverená účinnosť (Xe: 84%)

cislo stripu

inte

nzita

[nA

]

hmotnostné [ ]číslo a.m.u.

efek

t[

]ív

nosť

%

Obr. Hmotnostné spektrum izotopov Xe. Obr. Závislosť účinnosti zariadenia od hmotnostného čísla inertného plynu.

Časová odozva spektrometra – transport do iónového zdroja

• Odsávanie komory catchera má exponenciálny charakter, odmerané časové konštanty pre inertné plyny a vzduch sú v grafe

hmotnostné [a.m.u.]číslo

τ

[s]

vzduch

Obr. Časové konštanty exponenciálneho poklesu tlaku pri odsávaní komory catchera.

Obr. Závislosť účinnosti zariadenia od protónového čísla plynu.

Časová odozva spektrometra – difúzia z matrice termalizátora

• Na zväzku 40Ar bola prekrývaním zväzku určená časová konštanta poklesu intenzity sekundárneho zväzku

beam off beam off

beam on

s

čas [s]

inte

nzita

[nA

]

Obr. Intenzita sekundárneho zväzku pri prekrývaní zväzku.

Preverenie celkovej účinnosti zariadenia pomocou 222Rn

• Akumulácia odrazených jadier po alfa rozpade žiariča 226Ra na grafitovú platničnku tvaru a matrice catchera do nasýtenia• Sledovanie rozpadu jadier 222Rn implantovaných do detektora s 24 hod. dobou implantácie (difúzie z catchera)• Po rovnaký čas implantácie bol žiarič pripevnený na Si detektor rovnakých rozmerov, ktorým bola zmeraná implantovaná aktivita (do grafitovej platničky)• Celková finálna účinnosť separátora pre izotop 222Rn bola stanovená na 13 ± 1,3 %

Experiment bol prevedený po odovzdaní písomnej práce.

Obr. Rozpad 222Rn v detektore a vypočítaná celková účinnosť.

MODELOVÉ REAKCIE NA ZVÄZKUPrevierka metodiky

Experimenty na zväzku 40Ar

Reakcie:284 MeV 40Ar+natSm→ yHg+xn (Hg: chem. analóg prvku 112)

255 MeV 40Ar+166Er→206−xnRn+xn (Rn: α - rádioaktívny inertný plyn)

gr

číslo stripu

ener

gia

alfa

[M

eV]

čast

íc

po[im

p.]

četn

osť

ss s gr

číslo stripu

ener

gia

alfa

[M

eV]

čast

íc

po[im

p.]

četn

osť

Obr. Dvojrozmerné hmotnostné spektrá izotopov Hg (a) a Rn (b) s popisom izotopov.

(a) (b)

RnHg

40Ar+natSm→ yHg+xn

Obr. Hmotnostné spektrum izotopov Hg (a), energetické spektrum zo stripov zodpovedajúcich hmotnosti A = 18 (b), kde je vidno alfa rozpad dcérskeho jadra 176Pt.

• Boli registrované rozpady izotopov od 180Hg po 186Hg v studňovom detektore• Vo väčšine alfa spektier v stripoch zodpovedajúcich jednotlivým hmotnostiam bol pozorovateľný rozpad dcérskeho jadra.

40Ar+166Er→206−xnRn+xn• Bolo registrované hmotnostné spektrum izotopov

Rn s následnými rozpadmi ich dcérskych jadier

Obr. Hmotnostné spektrum izotopov Rn pri energii zväzku E = 217 MeV (a) a energetické spektrum zo stripov zodpovedajúcich hmotnosti A = 202 (d).

40Ar+166Er→206−xnRn+xn

• Bolo namerané spektrum izotopov Rn s hmotnosťami od A = 199 (EAr = 231 MeV) po A = 206 (EAr = 202 MeV).

• Energia zväzku bola 3x zmenená pomocou Ti fólii umiestnených pred terč.

E(Ar), МeV 199Rn 200Rn 201Rn 202Rn 203Rn 204Rn 205Rn 206Rn202 266 90729 58535 30309 5169 3575 105217 1597 10635 5603 4047 969 243231 21 94 378 279 140 24

MeVs s s

s s

s

hmotnostné číslo izotpu Rn

celk

ový

vý [

]ča

žok

reg.

čas

tice

Obr. Výťažky izotopov Rn normované na celkový tok iónov cez terč.

Tab. Výťažky izotopov Rn pre rôzne energie zväzkov.

Testovacie experimenty• Bola preverená pripravenosť hmotnostného

separátora MASHA pre meranie hmotnosti superťažkých atómov.

• Sledovaním výťažkov izotopov Rn bola ohodnotená rýchlosť celého zadiadenia na < 5s (priemerná doba polpremeny 201Rn)

• Namerané energie alfa rozpadov dobre súhlasia s tabuľkovými hodnotami.

• Časové konštanty procesov transportu častíc sú 1,3 s pre odsávanie komory catchera a 2,5 s pre prekrývanie zväzku 40Ar (brzdeného v catcheri).

Záver• Off-line meranie preukázalo účinnosť zariadenia 84

± 10 % pre izotopy Xe, na ktorých bolo určené hmotnostné rozlíšenie R = M/ΔM = 1300.

• Merania na zväzku 40Ar preukázali účinnosť transportu častíc zariadením na 25 ± 20 %.

• Merania s izotopom 222Rn umožnili stanoviť celkovú účinnosť hmotnostného separátora MASHA na 13 ± 1,3 %.

• MASHA je pripravená na experiment 48Ca + 238U → 282(283)Cn + 4(3)n.

Ďakujem za pozornosť

MÔJ PRÍNOS K RIEŠENIU PROBLEMATIKY

Hmotnostný separátor MASHA

Monte carlo simulácie v Geant 4• Geometrická účinnosť studňového detektora pre

registráciu rozpadového reťazca• Straty energie alfa častíc a odrazených jadier po

rozpade pri prechode rôznymi materiálmi• Straty energie alfa častíc pri prechode mŕtvou

vrstvou detektora v závislosti od geometrie• Simulácia energetickej kalibrácie detektora žiaričom

226Ra (nameraným píkom boli priradené energie zo simulácie – energetická kalibrácia detektora)

• Analýza procesov a ich simulácie pri registrácii alfa častíc v detektore – eliminácia chvostov píkov

Geometrická účinnosť detektora

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 20090

91

92

93

94

95

96total geometrical efficiency

0 10 20 30 40 50 60 700

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

UstripDstrip

0 2 4 6 8 10 12 14 16 180

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

DstripUstrip

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 160

5

10

15

20

25

LstripRstrip

beam F96beam F1

Geometrická účinnosť detektora

beam f-96 beam 1st 2nd 3rd beam 1st 2nd beam 1st beam

jadro A B C D B C D C D Dfocal 96,8% 56,4% 49,6% 46,5% 97,0% 59,0% 52,3% 97,2% 62,8% 97,4%bok 9,7% 31,8% 34,6% 35,8% 8,9% 29,7% 32,4% 8,0% 27,0% 7,3%kraj 0,3% 2,0% 2,5% 2,7% 0,3% 1,9% 2,3% 0,4% 1,8% 0,4%lost 2,5% 7,4% 4,1% 2,5% 2,3% 7,8% 3,9% 2,2% 8,8% 2,2%

total 106,9% 90,2% 86,7% 85,0% 106,2% 90,6% 87,0% 105,6% 91,6% 105,1%

Tab. Registrácia jadier v rovinách studňového detektora.

Systematická chyba ≈ +5 %.

beam-f96 A B Cfocal.[192] 44,9% 29,8% 26,7%

bok.[64] 40,5% 36,0% 31,1%kraj.[16] 2,7% 3,4% 3,4%

total 88,1% 69,3% 61,3%

Tab. Registrácia alfa častíc v rovinách studňového detektora.

Prechod alfa častice mŕtvou vrstvou

• V závislosti od polohy zdroja:– Energetická kalibrácia (straty energie pri prechode

od žiariča do citlivého objemu detektora)– Hĺbka implantácie iónov (40 keV zväzok)– Chvosty píkov alfa častíc (rozpad implantovaných

jadier)

Vyšetrovanie chvostov píkov alfa častíc

Obr. Simulácia chvosta píku alfa častíc pri rozpade 202Rn v porovnaní s nameranými údajmi.

Závery zo simulácií• Geometrická účinnosť registrácie alfa častíc je 92

– 95 % v závislosti od polohy zväzku a s každým ďaľším dcérskym jadrom klesá o ~ 10 %

• Hĺbka implantácie iónov do kremíka je ≈ 10-9m• Energetická kalibrácia pre všetkých 352 stripov +

odhady strát energie pri prechode alfa častíc mŕtvou vrstvou detektora

• Chvosty píkov niesú iba výsledkom prechodu mŕtvou vrstvou, ale hlavne nehomogenity elektrického poľa v kremíku – aktuálna úloha