Status eksperymentalny badania reakcji ciezkich jon

1
Status eksperymentalny badania reakcji ciezkich
jonów w obszarze energii posrednich

• Krystyna Wosinska
• Malgorzata Lukasik
• Arkadiusz Sztenkiel

2
Problematyka badan reakcji ciezkich jonów

• Badanie sprezonej materii jadrowej (takiej, jaka
  istnieje w gwiazdach neutronowych)
• Badanie stanów silnie wzbudzonych w materii
  jadrowej przejscie do stanu plazmy
  kwarkowo-gluonowej.
• Badanie oddzialywan silnych przez analize zderzen
  nukleon-nukleon i ich modyfikacje w osrodku
  jadrowym.
• Badanie jader niestabilnych (wiazki radioaktywne)
  dynamika reakcji jader o duzej liczbie
  neutronów (NgtgtZ) rózni sie od dynamiki reakcji
  jader stabilnych

3
Najwazniejsze osrodki badawcze
Najwazniejsze osrodki, w których prowadzi sie
badania reakcji ciezkich jonów przy energiach
posrednich

• NSCL (National Superconducting Cyclotron
  Laboratory)
• 
  Michigan State University

• GSI (Gesellschaft fur Schwerionenforschung) -
  Darmstadt (Niemcy)

• GANIL (Grand Accelerateur National dIons
  Lourds) Caen (Francja)

• JINR (Joint Institute for Nuclear Research) -
  Dobna (Rosja)

• University of Jyväskylä Accelerator Laboratory

4
Czym zajmuje sie laboratorium NSCL
NSCL (National Superconducting Cyclotron
Laboratory)
Dzieki najnowoczesniejszej technologii
(cyklotrony, separatory jader, przyrzady
pomiarowe) naukowcy w NSCL prowadza badania nad
jadrami izotopów. Bardzo duza czesc badanych
izotopów nie wystepuje na ziemi naturalnie
wiekszosc z nich moze powstawac wewnatrz gwiazd
lub w czasie wielkiego wybuchu. Naukowcy w NSCL
wyznaczaja miedzy innymi ich masy, czasy zycia,
wielkosci, ksztalt.
5
Laboratorium NSCL
Cyklotron K1200
Zródlo jonów
Cyklotron K500
Separator jonów A1900
Przyrzady pomiarowe
6
Zródlo jonów
NSCL (National Superconducting Cyclotron
Laboratory)
W NCSL jonizacja atomów jest dokonywana w
Electron Cyclotron Resonance (ECR). Jony z ECR sa
wstrzykiwane do cyklotronu gdzie zostaje
przyspieszone. Atomy, których jadra maja wchodzic
w sklad wiazki sa utrzymywane w postaci par w
specjalnej pulapce magnetycznej. Jonizacja jest
dokonywana przez zderzenia z elektronami, które
sa przyspieszane przez mikrofale.
7
Cyklotron K100
NSCL (National Superconducting Cyclotron
Laboratory)
Jest to pierwszy cyklotron wykorzystujacy
nadprzewodzace magnesy przeznaczony do terapii
medycznej. Zostal on skonstruowany w NSCL w 1990
roku. Nastepnie zostal przeniesiony do Gershenson
Radiation Oncology Center at Harper University
Hospital w Detroit. W akceleratorze tym
przyspieszane sa jadra deuteronu do energii 100
MeV. Wiazka deuteronów kierowana jest na tarcze
weglowa lub berylowa gdzie jadra deuteru
rozpadaja sie na proton i neuron. Nastepnie
wiazka neutronów kierowana jest na chorego.
Polaczenie terapii neutronowej z naswietlaniem
daje bardzo dobre efekty nawet w przypadku
zaawansowanemu stadium raka prostaty.
8
Cyklotron K250
NSCL (National Superconducting Cyclotron
Laboratory)
Jest to cyklotron przyspieszajacy
protony. Wykorzystywany jest w terapii
medycznej. Terapia protonowa ma te wlasnosc, ze
protony jonizuja osrodek. Wartosc jonizacji
osrodka zalezy od glebokosci na jaka wnika
czastka. Dzieki temu wiazka protonów moze
najbardziej oddzialywac tylko w obszarze ciala
zaatakowanego rakiem, nie czyniac szkody
obszarowi wokól. Pozwala to na niszczenie raka
nawet w miejscach bardzo wrazliwych jak arterie,
mózg.
9
Cyklotron K500
NSCL (National Superconducting Cyclotron
Laboratory)
Wyprodukowany w NSCL cyklotron K500 byl
pierwszym nadprzewodzacym cyklotronem na swiecie.
Moze on przyspieszac jadra dowolnego pierwiastka
z ukladu okresowego. K500 stal sie prototypem dla
podobnych akceleratorów wybudowanych pózniej w
innych laboratoriach na calym swiecie. Obecnie
cyklotron K500 jest wykorzystywany do wstepnego
przyspieszanie jader, trafiajacych nastepnie do
akceleratora K1200.
10
Cyklotron K1200
NSCL (National Superconducting Cyclotron
Laboratory)
Energia wiazki wychodzacej z cyklotronu K1200
moze byc regulowana w zakresie 20-200
MeV/nukleon. Jednak najczesciej do tego
cyklotronu wstrzykiwana jest wiazka wstepnie
przyspieszona w cyklotronie K500. Takie
polaczenie dwóch cyklotronów pozwala na
przyspieszanie wiazek do wiekszych energii. Dla
przykladu, uran moze byc przyspieszony do energii
90 MeV/nukleon, kiedy sam cyklotron K1200 jest w
stanie przyspieszyc wiazke uranu do 25
MeV/nukleon.
11
The A1900Fragment Separator
NSCL (National Superconducting Cyclotron
Laboratory)
A1900 dokonuje bardzo skutecznej selekcji -
wybiera pozadany izotop z setek produkowanych w
jadrowej reakcji. A1900 pozwala na wybranie
interesujacego izotopu z 1 000 000 000 000 000
000 jader produkowanych w zderzeniach. A1900
doslownie wybiera igle z stogu siana, w mniej niz
jednej milionowej sekundy. A1900 sklada sie
ukladu magnesów o dlugosci okolo 22 m.
12
Urzadzenia pomiarowe
NSCL (National Superconducting Cyclotron
Laboratory)
4pi array Sweeper magnet
Komora 92-calowa Superball neutron calorimetr
Beta-NMR aparatura Gamma ray spectrometers
Neutron walls Spektroskop S800
Nisko-energetyczna pulapka jonowa Spektroskop mas
13
Urzadzenia pomiarowe
NSCL (National Superconducting Cyclotron
Laboratory)
4 pi array Detektor ma ksztalt pilki noznej o
srednicy 2m. Sklada sie 300 detektorów, z których
kazdy moze mierzyc energie, kierunek, i typ
emitowanej czastki.

• Spektrograf S800
• Podstawowe urzadzenie pomiarowe NSCL
• Charakteryzuje sie
• Wysoka rozdzielczoscia,
• Duza akceptacja.
• Pozwala mierzyc parametry bardzo rzadkich
  zdarzen, jader.

14
Urzadzenia pomiarowe
NSCL (National Superconducting Cyclotron
Laboratory)
The Neutron Walls Sklada sie z 25 poziomu
ustawionych szklanych rurek wypelnionych cieklym
scyntylatorem. Detektor ten pozwala wyznaczyc
energie padajacych czastek w tym takze neutronów.
The Beta-Nuclear Magnetic Resonance
Apparatus (Beta-jadrowy rezonans
magnetyczny) Sluzy do pomiaru wlasciwosci
magnetycznych (polaryzacji, spinu) produkowanych
w zderzeniach jader.
15
Urzadzenia pomiarowe
NSCL (National Superconducting Cyclotron
Laboratory)
The Sweeper Magnet (separator magnetyczny) Jest
to pomocniczy przyrzad umozliwiajacy
odseparowanie neutronów od innych czastek.
Wyseparowane neutrony moga nastepnie byc
dostarczone do innych detektorów.
Nisko-energetyczna pulapka jonowa W detektorze
tym wyseparowane jadra przez A1900 sa spowalniane
do bardzo malych predkosci (energii). Moga takze
byc tu pulapkowane. Pozwala to na wyznaczenia
masy rzadkich jader, dzieki laserowemu
spektroskopowi mozliwa jest obserwacja ich
ksztaltu, rozkladu.
16
GSI (Gesellschaft fur Schwerionenforschung)

• Zakres badan fizyki jadrowej i hadronowej
• Reakcje jadrowe w zakresie energii do energii
  relatywistycznych
• Równanie stanu materii jadrowej
• Badania goracej, sprezonej i wysoko wzbudzonej
  materii hadronowej
• Jadra egzotyczne, niestabilne i jadra
  super-ciezkie

17
GSI (Gesellschaft fur Schwerionenforschung
Akceleratory

• Plan akceleratorów w GSI
• UNILAC Uniwersalny akcelerator liniowy
• SIS Cyklotron Ciezkich Jonów
• FSR Separator Fragmentów
• ESR Experimental Storage Ring

18
GSI (Gesellschaft fur Schwerionenforschung

• SIS Cyklotron Ciezkich Jonów
• Przyspiesza wiazke do
• 50 - 1000 MeV/u (dla jader U) 50 - 2000
  MeV/u (dla jader Ne)
• Dlugosc toru 216 m

19
GSI (Gesellschaft fur Schwerionenforschung)

• ESR (Experimental Storage Ring)
• Przyspiesza wiazke do energii
• 3 - 560 MeV/u (dla jaderU) 3 - 830 MeV/u
  (dla jader Ne)

20
GSI (Gesellschaft fur Schwerionenforschung)
Detektory
Liczniki scyntylacyjne

• Detector FOPI detektor pozwalajacy rejestrowac
  czastki i mierzyc ich pedy w kacie brylowym 4?
  (FOur PI)
• Nadprzewodzaca cewka wytwarza pole magnetyczne o
  indukcji 0,6 Tesla.
• Czastki naladowane przechodza przez komore
  dryfowa, która rejestruje slad czastki i jej
  strate energii, nastepnie trafiaja do liczników
  scyntylacyjnych, które mierza czas przelotu od
  tarczy.

Komora dryfowa
21
GSI (Gesellschaft fur Schwerionenforschung)
Detektory

• LAND The Large Area Neutron Detector

Spektrometr ALADIN przeznaczony do pelnej
detekcji produktów fragmentacji pocisku

• Przykladowe cele badawcze
• Badanie egzotycznych, niestabilnych jader
• Zjawiska kolektywne w zderzeniach jader ( flow,
  squeese out itp.)
• Multifragmentacja w zderzeniach jader (detekcja
  neutronów pozwala okreslic energie wzbudzenia

22
GSI (Gesellschaft fur Schwerionenforschung)
Detektory

• HADES - High Acceptance Di-Electron Spectrometer
• Spektrometr par elektron-pozyton zbudowany
  w kolaboracji 19 osrodków badawczych w celu
  badania emisji par elektron-pozyton i produkcji
  di-leptonów w reakcjach ciezkich jonów

23
GSI (Gesellschaft fur Schwerionenforschung

• Eksperyment z detektorem INDRA (1999)
• Dane eksperymentalne otrzymane za pomoca
  detektora INDRA w zakresie energii uzyskiwanych w
  laboratorium GANIL wskazuja na istnienie wielu
  ciekawych efektów (neck formation, evaporation),
  które sa przewidywane przez modele dynamiczne
  zderzen (L-V, QMD).
• Przewiezienie detektora INDRA do GSI pozwolilo na
  rozszerzenie zakresu energii i uogólnienie
  wyciaganych wniosków

24
TAPS Two Arm Photon Spectrometer

• Detektor fotonów zaprojektowany i zbudowany przez
  europejska kolaboracje wielu osrodków badawczych,
  uzywany w eksperymentach wykonywanych na róznych
  europejskich akceleratorach.

25
TAPS Two Arm Photon Spectrometer
Program badan

• Badanie wczesnej fazy reakcji przez detekcje
  twardych fotonów
• Badanie powstawania i rozpadu mezonów ?0 w
  materii jadrowej
• Analiza korelacji foton-czastka (TAPS rejestruje
  takze protony i neutrony)

26
TAPS Two Arm Photon Spectrometer

• Uklad 384 detektorów scyntylacyjnych
  plastikowych oraz zawierajacych krysztaly BaF2
  sluzy do detekcji i pomiaru energii
  wysokoenergetycznych fotonów i neutralnych
  mezonów.

Krysztal BaF2
Schemat pojedynczego modulu detektora
27
GSI (Gesellschaft fur Schwerionenforschung

• Detektory TAPS w róznych eksperymentach byly
  róznie ustawione

28
JINR (Joint Institute for Nuclear Research)
Badania prowadzone sa miedzy innymi w dziedzinach

• Fizyka teoretyczna
• Fizyka czastek elementarnych
• Fizyka ciezkich jonów
• Zderzenia jonów przy niskich i posrednich
  energiach
• Badania w dziedzinie radiobiologii

29
JINR (Joint Institute for Nuclear Research)
Akceleratory

• Nuklotron nadprzewodzacy synchrotron
  przyspieszajacy wiazki protonów, lekkich i
  ciezkich jonów do energii 6 GeV/u

30
JINR (Joint Institute for Nuclear Research)

Izochroniczny cyklotron U-400 wytwarzajacy
wiazki jonów o masach atomowych 4 100 i energii
do 25 MeV/u
31
JINR (Joint Institute for Nuclear Research)

• Cyklotron U-400M - przyspiesza lekkie jony (od
  He do Ar) do energii 50 MeV/u

32
JINR (Joint Institute for Nuclear Research)

• Izochroniczny cyklotron U-200 wytwarza wiazki
  jonów (o masach atomowych do masy Ne) o energii
  do 20 MeV/u

33
JINR (Joint Institute for Nuclear Research)
Detektor

• FOBOS - uklad detekcyjny pracujacy na wiazce z
  cyklotrona U-400M.
• Spektrometr jest przeznaczony do badania reakcji
  jonów przy energiach 10-100 MeV/u przy czym
  pociskiem jest lekka czastka, a tarcza - ciezka
  (direct reaction)

Rejestruje czastki naladowane z szerokiego
zakresu energii, masy atomowej i w znacznym
zakresie kata brylowego
34
University of Jyväskylä Accelerator Laboratory

• Akcelerator

Izochroniczny cyklotron przyspiesza wiazki
lekkich i ciezkich jonów do energii 130 MeV/u
35
University of Jyväskylä Accelerator Laboratory
Detektory

• HENDES - High Efficiency Neutron Detection System
  detektor rejestrujacy jednoczesnie neutrony i
  lekkie naladowane czastki w koincydencji z
  fragmentami rozszczepienia.

Komora prózniowa otoczona detektorami neutronów
36
University of Jyväskylä Accelerator Laboratory

• Position Sensitive Neutron Detectors PSND.
• Detektory neutronów to cylindry o dlugosci
  1 m i srednicy 6 cm wypelnione cieklym
  scyntylatorem, z obu stron wyposazone w
  fotopowielacze.
• Z uwagi na mozliwosc okreslania pozycji
  rejestrowanej czastki kazdy detektor jest
  równowazny 10 pojedynczym detektorom neutronów.
• 48 detektorów otacza w dwóch warstwach
  komore prózniowa

37
University of Jyväskylä Accelerator Laboratory

• LSC Large Scattering Chamber glówne urzadzenie
  do badania reakcji jadrowych.
• Komora o srednicy 1,5 m daje mozliwosc stosowania
  róznych typów detektorów.

Komora LSC
38
University of Jyväskylä Accelerator Laboratory
Wnetrze komory LSC
Detektory
Tarcza (ruchoma drabinka)
39
Literatura

1. http//www.gsi.de
2. http//www.phys.jyu.fi/research/
3. http//www.jinr.dubna.su/
4. http//www.ganil.fr
5. http//www.nscl.msu.edu/