Расчет эффективности торможения и времени сепарации испарительных остатков ядерных реакций в криогенной газонаполненной ячейке

1. Расчет эффективности торможения и времени сепарации испарительных остатков ядерных реакций в криогенной газонаполненной ячейке

РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ТОРМОЖЕНИЯ И ВРЕМЕНИ
СЕПАРАЦИИ ИСПАРИТЕЛЬНЫХ
ОСТАТКОВ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ В
КРИОГЕННОЙ ГАЗОНАПОЛНЕННОЙ
ЯЧЕЙКЕ
Ответственное лицо от профильной организации: м.н.с. сектора №4
ЛЯР ОИЯИ Веденеев В.Ю.
Руководитель практики ТПУ: к.т.н., доцент ОЯТЦ Черепенников Ю.М.
Работу выполняла Панова Анастасия Сергеевна, студентка группы 0А03, ИЯТШ
Хх.09.2023

2. Цель

ЦЕЛЬ
Изучение принципа работы
масс-сепаратора MASHA и
криогенной
газонаполненной ловушки
(КГЛ), а также расчет
эффективности торможения
и сепарации испарительных
остатков ядерной реакции
40Ar+166Er в КГЛ.
Для выполнения цели были поставлены
следующие задачи:
1. Ознакомление с нормативами и правилами
работы Института.
2. Посещение экскурсий по лабораториям ОИЯИ
для изучения деятельности института.
3. Литературный обзор о работе масс-сепаратора
MASHA и криогенной газонаполненной ячейки.
4. Получение данных для обработки.
5. Проведение расчетов эффективностей
торможения для ионов 205Rn при разных
толщинах фольг входного окна и давлениях
буферного газа.
6. Расчет времени сепарации продуктов реакции в
ячейке с учетом электро- и газодинамики.
7. Анализ и обсуждение полученных результатов.
8. Составление отчета по проделанной работе.
2

3. Масс-сепаратор MASHA

МАСС-СЕПАРАТОР
MASHA
D1, D2, D3a, D3b –
дипольные магниты;
Q1, Q2, Q3 – квадрупольные
линзы;
S1, S2 – секступольные
линзы;
F1 – промежуточная
фокальная плоскость;
F2 – основная фокальная
плоскость;
1 – пучок ионов;
2 – горячая ловушка;
3 – источник ионов на
основе электронного
циклотронного резонанса;
4 – 192-стриповый
кремниевый детектор.
Схема масс-сепаратора MASHA.
3

4.

Мишень в виде блока с кассетами.
Горячая твердотельная ловушка. 1 – камера
ловушки; 2 – графитовый поглотитель; 3 –
разделительная фольга; 4 – мишень.
ЭЦР-источник.
4

5. Система диагностики пучков

СИСТЕМА
ДИАГНОСТИКИ
ПУЧКОВ
Детектор на основе микроканальной пластины.
Система для сбора данных и
диагностики пучка ионов.
192-стриповый кремниевый детектор.
5

6. Метод solid ISOL

МЕТОД SOLID ISOL
Преимущества
Недостатки
Возможность получения вторичного
пучка высокой интенсивности (до
108 ат/с);
Время сепарации горячей
твердотельной ловушки относительно
велико: 1,8±0,3 с, что делает
невозможным исследование
короткоживущих изотопов;
Малый эмиттанс и разброс по
энергиям вторичного пучка;
Возможность использования в
реакциях многонуклонных передач,
когда материал мишени находится
внутри графитового поглотителя;
Компактные размеры.
Небольшая эффективность сепарации
для летучих продуктов – около 7%;
Зависимость от физических или
химических свойств продуктов
реакции.
6

7. Свойства криогенной газонаполненной ловушки

СВОЙСТВА КРИОГЕННОЙ
ГАЗОНАПОЛНЕННОЙ ЛОВУШКИ
Преимущества
Недостатки
Высокая эффективность сепарации;
Строгое ограничение по потоку ионов
и плотности ионизации;
Многие параметры, такие как
давление буферного газа, градиент
напряжения и геометрия газовой
ячейки, оказывают очень большое
влияние на время экстракции.
Высокие требования к вакуумной
технике и чистоте буферного газа
(менее 10-9 примесей).
Другие проблемы, связанные с
использованием криогенной техники.
Очень малое время сепарации открывает
для исследований огромное разнообразие
новых короткоживущих изотопов;
Нет необходимости в дополнительной
ионизации, ионы тормозятся в газе и
остаются в подавляющем большинстве с
зарядами Q=+1 и Q=+2;
Химически инертная среда, не
образующая соединений с исследуемыми
продуктами.
7

8. Masha на основе КГЛ

MASHA НА
ОСНОВЕ КГЛ
1 – пучок тяжелых ионов;
2 –мишенный бокс;
3 – сепаратор продуктов
реакций;
4 – криогенная газовая
ионная ловушка;
5 – ускорительная секция;
6 – масс-спектрометр;
7 – лазерный пучок;
8 – много-отражательный
времяпролетный массспектрометр;
9 – ловушка Пеннинга.
Планируемая схема
установки на основе
газовой ионной
ловушки для
изучения свойств
изотопов тяжелых и
сверхтяжелых
элементов.
8

9. КГЛ

1 – входное окно;
2 – внешняя тёплая
вакуумная камера;
3 – внутренняя холодная
камера;
4 – цилиндрические
электроды постоянного
электрического поля;
5 – радиочастотный
многоэлектродный конус;
6 – головная часть криорефрижератора;
7 – сопло Лаваля;
8 – транспортный
радиочастотный квадруполь.
Общий вид криогенной газовой ионной ловушки.
9

10.

Сопло Лаваля.
Криогенная газонаполненная ловушка.
Высокочастотная воронка.
10

11. Экспериментальная часть

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ
ЧАСТЬ
Исследуемая реакция
полного слияния:
40Ar + 166Er → 206-xRn + xn,
где х варьируется от 1 до 6
в зависимости от энергии
пучка.
ЭТАП 1. Поиск толщин
фольг с наибольшей
эффективностью
торможения частиц.
Расчет производился в
программе SRIM.
Экспериментальные данные при
давлениях 30, 50 и 70 мбар.
Толщина Ti,
мкм
Эффективность
торможения при
30 мбар
Эффективность
торможения при
50 мбар
Эффективность
торможения при
70 мбар
3,8
0,2
0,572
0,857
4
0,332
0,696
0,698
4,2
0,41
0,652
0,554
11

12. Экспериментальная часть

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ
ЧАСТЬ
ЭТАП 2. Расчёт времени
выхода частиц с учётом
газодинамики и
электростатического поля.
Расчёт производился в
программе GasCellDynamic.
Полученные значения
времени выхода
составляют 15-30 мс в
зависимости от давления
буферного газа, что
соответствует данным,
полученным в Дармштадте
на установке.
Распределение
замедлившихся ионов
по времени
(4,2 мкм, 30 мбар).
Распределение
замедлившихся ионов
по времени
(4 мкм, 50 мбар).
Распределение
замедлившихся ионов
по времени
(3,8 мкм, 70 мбар).
12

13. GasCellDynamic

GASCELLDYNAMIC
Входные и выходные
данные для эксперимента
(4,2 мкм, 30 мбар).
13

14. Заключение

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате прохождения производственной практики был изучен принцип работы и
конструктивные особенности масс-сепаратора MASHA и криогенной газовой ионной
ловушки. Помимо этого, были выявленные преимущества и недостатки твердотельной
горячей ловушки и КГЛ.
В качестве экспериментальной части был произведен расчет эффективности тормозной
способности титановой фольги, находящейся во входном окне газовой ловушки, при
различных давлениях буферного газа. Наблюдалось, что с увеличением давления
гелия эффективность торможения ионов увеличивается, а толщина необходимой для
эксперимента титановой фольги уменьшается. График зависимости эффективности
торможения в КГЛ от толщины фольги имеет нормальное распределение.
Полученные значения времени выхода составляют 15-30 мс в зависимости от давления
буферного газа, что соответствует данным, полученным в Дармштадте на установке.
Итоговые данные можно использовать для перерасчета времени сепарации в КГЯ уже
при рабочем давлении и температуре в ловушке (порядка 10 мбар и 40 К), а также
оценить выживаемость изотопов на выходе из ячейки и эффективность сепарации.
14

15. Расчет эффективности торможения и времени сепарации испарительных остатков ядерных реакций в криогенной газонаполненной ячейке.

РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ТОРМОЖЕНИЯ И ВРЕМЕНИ
СЕПАРАЦИИ ИСПАРИТЕЛЬНЫХ
ОСТАТКОВ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ В
КРИОГЕННОЙ ГАЗОНАПОЛНЕННОЙ
ЯЧЕЙКЕ.
Ответственное лицо от профильной организации:
м.н.с. сектора №4 ЛЯР ОИЯИ Веденеев В.Ю.
Р у к о в о д и т е л ь п р а к т и к и Т П У : к . т . н ., д о ц е н т О Я Т Ц
Черепенников Ю.М.
Работу выполняла Панова Анастасия Сергеевна, студентка группы 0А03, ИЯТШ
Хх.09.2023