Группа ученых Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ была отмечена второй Премией ОИЯИ по итогам 2022-го года за цикл работ, посвященных проектированию и созданию нового газонаполненного сепаратора DGFRS-2 – первой установки для синтеза и изучения свойств ядер Фабрики сверхтяжелых элементов. Используя DGFRS-2, ученые планируют выйти на новый уровень по изучению изотопов сверхтяжелых элементов и синтезировать новые – 119-й и 120-й. В цикле статей описываются процессы создания узлов сепаратора, написания программ транспортировки ионов от мишени к детекторам, а также серии тестовых экспериментов, выполненных в 2019–2022-х годах.

Новый газонаполненный сепаратор DGFRS-2

В результате экспериментов, начатых с 2000-го года на ускорителе У-400 и сепараторе DGFRS, были существенно расширены границы области наиболее тяжелых ядер. Было открыто шесть элементов вплоть до Og (атомный номер 118), изучены свойства более 50 изотопов элементов от Rf (атомный номер 104) и выше. Однако синтезировать элементы с атомным номером более 118, получить изотопы сверхтяжелых элементов с меньшим или большим числом нейтронов, более глубоко изучить свойства ядер, химические свойства тяжелых элементов на этой установке ученые уже не смогли. Той чувствительности эксперимента, которая считалась рекордной в 2000-м году, стало недостаточно для продолжения исследований.

«Для повышения чувствительности в десятки раз потребовалось создать новый экспериментальный комплекс «Фабрика сверхтяжелых элементов», «сердцем» которого стал ускоритель ДЦ-280 с интенсивностью в несколько раз выше, чем обеспечивал циклотрон У-400. Первой установкой для синтеза и изучения свойств ядер Фабрики стал новый сепаратор DGFRS-2, обладающий вдвое повышенной эффективностью транспорта ядер к детекторам по сравнению с сепаратором DGFRS на ускорителе У-400», – рассказал заместитель директора ЛЯР Андрей Попеко.

Общую схему сепаратора и конструкцию его оптических элементов разработали в ЛЯР ОИЯИ, сами магниты произвела и поставила компания SIGMAPHI (Франция). Силами подразделений ЛЯР разработаны и изготовлены узлы ионопровода, система дифференциальной откачки газа между сепаратором и ионопроводом, камеры для вращающихся мишеней, камеры для детекторов, система прокачки газа через сепаратор, система управления вакуумными узлами, система безопасной эксплуатации этой системы, система управления магнитами и т.д.

Сепаратор DGFRS-2 имеет ионно-оптическую схему QvDhQhQvD. Квадруполь Qv фокусирует вылетевшие из мишени ионы в вертикальном направлении так, чтобы большая часть продуктов реакции полного слияния (ERs) проходила через зазор дипольного магнита Dh. Этот магнит отклоняет ионы на 31.5° и фокусирует их в горизонтальном направлении. Диполь отделяет ERs от частиц пучка и подавляет большую часть других фоновых частиц (таких, как рассеянные ионы пучка и мишени, продукты неполного слияния и т. д.). Квадруполи Qh и Qv фокусируют ERs на детектор, расположенный в фокальной плоскости DGFRS-2, в горизонтальном и вертикальном направлениях. Диполь D с углом отклонения 10° дополнительно подавляет фон от заряженных частиц – альфа-частиц, протонов и т.д., образующихся в реакциях ионов пучка с газом и внутренними стенками DGFRS-2.

Ионно-оптическая схема сепаратора

«Когда сепаратор был готов и был привезен на территорию Института, мы столкнулись с небольшими проблемами при монтаже: сепаратор устанавливается в кабину на ускоритель, а кабина имеет довольно небольшие размеры. Кроме того, только основной магнит весил 24 тонны. Поднять сепаратор на нужную высоту нам помогла одна российская компания, ее сотрудники сделали это очень быстро и виртуозно. Затем мы совместно с французскими коллегами, изготовителями DGFRS-2, устанавливали сепаратор по расчетным параметрам с точностью до миллиметра, сверяясь с лазерными приборами, – говорит Андрей Попеко. – Кстати, опыт работы с такими устройствами нам очень помог в дальнейшем: при монтаже следующих установок, а также при сборке и ремонте ускорителей».

Для описания движения ионов в магнитных полях сепаратора были разработаны две программы: первая была создана при проектировании сепаратора, вторую написали позже на основе программного комплекса GEANT4. Созданные программы позволили с высокой точностью описывать горизонтальные и вертикальные распределения ядер при различных комбинациях токов в магнитах, при варьировании давления газа в сепараторе, вычислять трансмиссию ионов и устанавливать значения токов в различных экспериментах.

Разработаны новые блоки для установки детекторов разных размеров. Из-за повышенной дисперсии магнита значительно снизился фон на детекторах, но возникла необходимость увеличить горизонтальный размер детектора до 220 см. Его собрали из двух фокальных детекторов размером 48×128 мм², имеющих стрипы шириной 1 мм спереди и сзади (DSSD) для определения положения ядра на его поверхности. DSSD окружен восемью боковыми детекторами 60×120 мм² для дополнительной регистрации альфа-частиц и осколков деления, которые могут вылететь из него в сторону сепаратора. Вся сборка имеет вид параллелепипеда с пятью гранями и глубиной 120 мм. Для установления факта прилета частицы из сепаратора создана система многопроволочных пропорциональных камер, работающих при давлении 1.6 мбар. Система регистрации ядер включает цифровую и аналоговую электронику, работающую независимо и позволяющую отключать пучок после распада материнского ядра для подавления фона при наблюдении распада дочерних ядер.

Также разработана система, обеспечивающая постоянный проток газа через сепаратор, стабильное давление газа в нем с варьируемой заданной величиной, безопасное использование различных газов. До начала экспериментов по синтезу сверхтяжелых ядер ученые провели серию многочисленных тестовых экспериментов. Измерили дисперсию DGFRS-2: она определяет точную подстройку дипольных магнитов в экспериментах по синтезу сверхтяжелых ядер. Величина совпала с расчетами. Определили оптимальное давление газа в сепараторе, которое заметно влияет на величину трансмиссии сепаратора. Измерили эффективность сбора ядер на детекторах DGFRS-2. Если сравнивать результаты опытов на DGFRS и DGFRS-2 в экспериментах по синтезу ядер Мс (элемент 115) в реакции ²⁴³Am+⁴⁸Ca, видно, что эффективность нового сепаратора вдвое выше. Наконец, ученые изучили фоновые условия на новом сепараторе – они более чем на два порядка ниже того, что было в экспериментах на DGFRS.

Сотрудники сектора №1 ЛЯР, выполнявшие эксперименты на новом сепараторе

«Вся серия тестовых опытов, а также первые эксперименты по исследованию изотопов элементов 110, 112, 114 и 115 показала, что новый экспериментальный комплекс позволяет продолжать исследования сверхтяжелых ядер на значительно более высоком уровне чувствительности. Также планируется синтез более тяжелых элементов – 119-го и 120-го. Сейчас идет подготовительная работа. Так, например, совместно с Росатомом в настоящее время реализуется программа, которая направлена на то, чтобы как можно плотнее подойти к синтезу новых элементов», – заключил Андрей Попеко.

Список публикаций:

1. A.G. Popeko. On-line separators for the Dubna superheavy element factory.Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 376, 144–149 (2016).
2. Yu.Ts. Oganessian, V.K. Utyonkov, A.G. Popeko, D.I. Solovyev, F.Sh. Abdullin, S.N. Dmitriev, D. Ibadullayev, M.G. Itkis, N.D. Kovrizhnykh, D.A. Kuznetsov, O.V. Petrushkin, A.V. Podshibiakin, A.N. Polyakov, R.N. Sagaidak, L. Schlattauer, I.V. Shirokovsky, V.D. Shubin, M.V. Shumeiko, Yu.S. Tsyganov, A.A. Voinov, V.G. Subbotin, V.V. Bekhterev, N.A. Belykh, O.A. Chernyshev, K.B. Gikal, G.N. Ivanov, A.V. Khalkin, V.V. Konstantinov, N.F. Osipov, S.V. Paschenko, A.A. Protasov, V.A. Semin, V.V. Sorokoumov, K.P. Sychev, V.A. Verevochkin, B.I. Yakovlev, S. Antoine, W. Beeckman, P. Jehanno, M.I. Yavor, A.P. Shcherbakov, K.P. Rykaczewski, T.T. King, J.B. Roberto, N.T. Brewer, R.K. Grzywacz, Z.G. Gan, Z.Y. Zhang, M.H. Huang, H.B. Yang. DGFRS-2 – A gas-filled recoil separator for the Dubna Super Heavy Element Factory. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 1033, 166640 (2022).
3. D.I. Solovyev and N.D. Kovrizhnykh. Simulations of recoil trajectories in Dubna Gas-Filled Recoil Separator 2 by GEANT4 toolkit. J. Instrum. 17, P07033 (2022).
4. Д. И. Соловьев, Н. Д. Коврижных, В. К. Утенков, Ю. Ц. Оганесян, Ф. Ш. Абдуллин, А. А. Воинов, С. Н. Дмитриев, Д. Ибадуллаев, М. Г. Иткис, Д. А. Кузнецов, О. В. Петрушкин, А. В. Подшибякин, А. Н. Поляков, А. Г. Попеко, Р. Н. Сагайдак, Л. Шлаттауэр, В. Д. Шубин, М. В. Шумейко, Ю. С. Цыганов. Расчет и экспериментальные характеристики нового газонаполненного сепаратора DGFRS-2. Доклад на LXXII Международной конференции «Ядро-2022: Фундаментальные вопросы и приложения». Вестник РАН. Серия Физическая (принято в печать).