Aplikace spektrometrie těžkých nabitých částic

1. Aplikace spektrometrie těžkých nabitých částic 1) Identifikace supertěžkých elementů pomocí sekvence rozpadů alfa 2) Studium horké a husté hmoty pomocí spektrometrie nabitých částic srážka těžkých iontů při ultrarelativistických energiích Tabulka izotopů v oblasti supertěžkých prvků

2. Produkce supertěžkých prvků Kapkový model: 1) s rostoucím protonovým číslem klesá stabilita 2) s rostoucím protonovým číslem roste přebytek neutronů Konkurence objemové energie (vazba silnou interakcí) a coulombovské energie Existence „stabilnějších“ supertěžkých elementů umožněna existencí magických čísel - slupkové struktury ↔ slupkový model Ostrov stability – Z = 114 a N = 184 – závisí na tvaru potenciálu, značná neurčitost Problém: velmi malé účinné průřezy produkce jen jednotlivých jader – nutná bezesporná identifikace Energie : 1) dostatečná na překonání coulombovské bariery 2) co nejmenší, aby složené jádro vydrželo Možnosti produkce: 1) Neutronový záchyt – po Z = 100 (pak dřívější rozpad než záchyt) 2) Reakce lehkého jádra na těžkém terči 3) Slučování těžkých jader „za studena“ – projektil A ~ 40, EEX ~ 10 MeV 4) Slučování těžkých jader „za horka“ – použití 48Ca (Z = 20) EEX~ 40 MeV Rozpad řadou rozpadů alfa → částice alfa nesou informaci o rozdílu energie jader

3. TOF zastavení svazku dipolové magnety rotující terč elektrické deflektory kvadrupólové magnety svazek Detekce supertěžkých prvků v GSI Darmstadt Prvek 107 – 112 zařízení SHIP v GSI Darmstadt: slučovací reakce na jádrech Pb, Bi: využití separace, separace složeného jádra, implantace do aktivního objemu detektoru a identifikace pomocí řady rozpadů alfa Identifikace jednotlivých případů vzniku a rozpadu supertěžkého prvku: • Zachycení všech alfa ze sekvence rozpadů a určení jejich energie • Identifikace štěpení Rotující terč (Pb, Bi) nízký bod tání intenzivní svazek – 1012 jader/s Výběr vzniklého složeného jádra: Rychlostní filtr: Elektrické deflektory a dipólové magnety: Fel = q·E Fmag = q·v·B Zařízení SHIP Správný výběr E a B  pro vCMje FTOT = Fel – Fmag = 0

4. Potlačení zbývajícího pozadí: TOF spektrometr: Start – průchodové detektory, tenké uhlíkové folie (produkce elektronu) a mikrokanálové destičky Efektivita 99,8%, rozlišení 700 ps Stop – 16 křemíkových stripových detektorů ΔE = 14 keV pro alfa z 241Am průchodové detektory Pokrytí: 80% z 2π HPGe detektory – fotony z vybíjení vybuzených jader Účinné průřezy až ~ pb, jedno jádro za desítky dní Velmi intenzivní svazky po dobu měsíců stop detektor (křemíkový)

5. Slučování při nízkých energiích: • 107 Bh Bohrium • Hs Hassium • 109 Mt Meitnerium • Dm Darmstadtiumu • Rg Roentgenium • 112 prokázán První identifikované rozpady zatím pojmenovaného prvku s největším Z Další – slučování za vyšších energií: (112, 113, 114, 115, 116, 118) Problém – nekončí u známých izotopů, dost dlouhé poločasy rozpadu (problém s identifikací pomocí koincidencí) Rok 2006 – navázání –zdá se OK Výsledky z GSI potvrzeny i v japonské laboratoři RIKEN Reakce:48Ca + 244Pu → Z = 114, A = 292 Excitační funkce pro reakci C+Pu

6. Slučování za „studena“ Slučování za „horka“ Mapa supertěžkých prvku

7. Chemická analýza jednotlivých atomů Jádro se rozpadne dříve než vznikne další 108 Hassium – poslední prvek zatím zkoumaný chemicky Známé izotopy hassia První produkované jádro hassia Oxid rutheničelý RuO4 Oxid osmičelý OsO4 Oxid hassičelý HsO4 Zkoumání těkavosti → oxidy X–čelé velmi těkavé Produkce stabilnějších izotopů Hs úzký kanálek s klesající teplotou od -20oC do -170oC → čím těkavější tím dále se dostane než adsorbuje Hs s A ~ 288 bude možná velmi stabilní

8. Studium horké a husté jaderné hmoty pomocí produkce nabitých částic Srážky relativistických těžkých iontů → velký počet produkovaných nabitých částic Snaha o 4π detektory nabitých částic Příklad FOPI spektrometr v GSI Darmstadt Určení teploty jaderné hmoty – průběh spektra Určení tlaku – kolektivní toky částic Schéma FOPI spektrometru Určení stavové rovnice jaderné hmoty Zobrazení případu zaznamenaného FOPI spektrometrem spektrometr nabitých částic FOPI

9. Zavedli jsme příčnou hmotnost mT: a rapiditu y: a tedy: Relativní rapidita:YREL = (Y - YPRO/2)/(YPRO/2) YPROJ - rapidita projektilu Oblast projektilu YREL +1 Oblast terče YREL -1 Srážková oblast YREL 0 Spektra nabitých částic (Ni+Ni a Au+Au experimenty energie svazku 1 GeV/A) Identifikace nabitých částic

10. Two Arm Photon Spectrometer Detekce kromě gama i nabité částice 384 BaF2 detektorů s plastikovým vetem -- rozlišení neutrálních a nabitých částic součinost s TOF stěnou z plastiku - charakteristika srážky: Energie svazku: 10 MeV - 200 GeV (GSI Darmstadt, KVI Groningen GANIL Caen, CERN)

11. Kolektivní toky nukleonů N = N0( 1 + A·cosφ + B·cos(2·φ)) A - velikost asymetrií v rovině srážky B - velikost asymetrií kolmo na ni (eliptický tok) Relativní rapidita:YREL = (Y - YPRO/2)/(YPRO/2) YPROJ - rapidita projektilu A < 0, B = 0 A = 0, B < 0 A > 0, B = 0 Oblast terče YREL -1 Srážková oblast YREL 0 Oblast projektilu YREL +1

12. Závislost kolektivních toků na rapiditě (původu nukleonů) Experimentální data - závislost velikosti kolektivního toku na počtu nukleonů - v souladu s hydrodynamickými modely Odtlačení nukleonů „bounce off“ v rovině srážky: Vystříknutí „squeeze out“ kolmo na rovinu srážky terčová oblast srážková oblast terčová oblast srážková oblast

13. Aplikace v materiálovém výzkumu -rozptyl, kanálování, reakce iontů ... Využití iontů pro modifikaci a zkoumání struktury povrchových vrstev pevných materiálů Využití urychlovačů iontů na relativně nízké energie v řádu keV až MeV Spektrometry nabitých jader – často polovodičové křemíkové detektory Různé typy křemíkových polovodičových detektorů nabitých částic Tandetrom 4130 MC v ÚJF AVČR využívaný v materiálovém výzkumu – od H až po Au, energie stovky keV a desítky MeV

14. detektor odražený iont dopadající iont rozptýlený iont dopadající iont detektor Pružný rozptyl iontů: RBS (Rutheford Backscattering Spectroscopy) - spektroskopie nabitých částic zpětně rozptýlených Ruthefordovým rozptylem – vrstvy od nm do μm – spektroskopie rozptýlených iontů polovodičovými detektory. Změna energie dána změnou hybnosti a ionizačními ztrátami – zjišťují se profily rozložení příměsí v materiálů – těžká jádra RBS channeling– kanálování nabitých částic – krystalické struktury – určení směrů význačných krystalových os a příměsí – natáčení krystalového vzorku ERDA (Elastic Recoil Detection Analysis) – detekce atomů vyražených ionty – spíše lehčí prvky, od vodíku až po dusík – lze tak i kontrolovaně měnit vlastnosti povrchů – studium obsahu vodíku v polymerech spojení s měřením doby letu iontů ERDA RBS

15. Reakce iontů s jádry PIGE (Particle Induced Gamma ray Emission) PIXE – (Particle Induced Gamma ray Emission) viz. spektroskopie gama Modifikace a opracování materiálů Iontová mikrosonda – velmi úzký intenzivní svazek iontů – použití – skenování povrchů objektů s přesností v řádu mikrometrů Iontová implantace – modifikace povrchových vrstev materiálů Iontová litografie a obrábění iontovými svazky – příprava mikroelektronických a optoelektronických komponent a mikroskopických mechanických zařízení. AMS – urychlovačová hmotnostní spektroskopie – příměsi prvků v koncentracích 10-15 – často pro uhlíkové datování Ozubená kolečka vytvořená metodou iontové litografie ve fotorezistu