Driver

La fisica associata alla produzione di fasci
radioattivi ha applicazioni fondamentali
•struttura nucleare
•astrofisica nucleare
•fisica delle interazioni fondamentali
Ogni volta che sono state sviluppate nuove tecniche
di rivelazione o di accelerazione, nuovi aspetti
della materia nucleare, spesso inattesi, sono stati
evidenziati.
E’ quindi estremamente importante sviluppare
nuovi apparati che permettano di esplorare le
condizioni di stabilità estrema della materia
nucleare al variare delle seguenti quantità
temperatura
momento angolare
isospin
F. Soramel
PhD 2000/01
RNB-1
E’ importante poter investigare nuclei con alone,
stabilire la posizione della drip-line di neutroni,
ricavare informazioni sui processi astrofisici rped r-, esplorare l’evoluzione delle strutture a shell,
delle pelli di neutrone, creare altri nuclei
super-pesanti, studiare il super-allowed β decay
nei nuclei leggeri molto ricchi di protoni, capire
più a fondo l’interazione di pairing tra protone e
neutrone, studiare il fenomeno esotico della
radioattività protonica…
Attualmente i nuclei esotici in cui i precedenti
fenomeni possono essere studiati con maggior
successo sono prodotti con intensità comprese tra
un nucleo al giorno e un nucleo per settimana.
E’ quindi necessario poter aumentare le intensità
di produzione di alcuni ordini di grandezza.
F. Soramel
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RNB-2
Bp = 0
BF = 4 MeV
Z→
Bp = 0
BF = 4 MeV
rp - process
r - process
Bn = 0
stable nuclei
ε, β + - decay
β- -decay
α – decay
spontaneous fission
p - decay
N→
F. Soramel
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RNB-3
Vediamo ora alcuni esempi di informazioni ottenute
grazie all’utilizzo di fasci radioattivi
Nuclei con alone (11Li, 11Be)
Nuclei con alone essenzialmente nel ground state
sono visti come una clusterizzazione fatta da un
core del tutto normale ed un numero di nucleoni
alone che danno origine ad una materia nucleare
molto diluita.
F. Soramel
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RNB-4
Nuclei alle drip-lines
Radiottività protonica
γ -decay tagging
2p-radioactivity
studio delle forze nucleari in funzione dell’isospin
Chiusura di shell e sua scomparsa
100Sn e 132Sn
48Ni e 78Ni
diverso ordine delle shell per i nuclei ricchi di
neutroni
Elementi pesanti
Recentemente al JINR di Dubna (Russia) è stato
prodotto e rivelato l’elemento con Z=114 e
N=175 situato ai limiti della zona di stabilità dei
superheavy
A Berkeley (LBNL) è invece stato prodotto
l’elemento con Z=118 e A=293
Questi nuclei presentano strutture a shell (dove
sono le chiusure?)
F. Soramel
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RNB-5
Astrofisica Nucleare
Processi astrofisici importanti per la formazione
e lo sviluppo delle stelle sono
Hydrogen burning (rp-process) sulla superficie
delle nane bianche o di stelle di neutroni
(X-ray bursts)
Cattura neutronica rapida (r-process) nelle
esplosioni di supernova con forti eccessi di
neutroni.
La nova Cygnus
dove possono aver luogo
processi rp
Afterglow da SN1987A
Dove avviene il processo r
F. Soramel
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RNB-6
Importanti proprietà sono le masse dei nuclei con
gli effetti dovuti alle chiusure di shell e alle
deformazioni, le vite medie per il decadimento β ,
lo studio dei nuclei con N=Z, le sezioni d’urto di
ciascun processo.
Inoltre è importante studiare le reazioni trigger
durante o immediatamente dopo l’ignizione di un
X-ray burst. Ad esempio 15O(α ,γ ), 14O( α ,p) e
i processi di cattura protonica su nuclei con Z pari
e Tz = -1/2 come 23Mg, 27Si, 31S, 35Ar e 39Ca.
Inoltre si potranno fare misure su decadimenti β
importanti per verificare alcuni dettagli
dell’interazione debole, altre misure riguarderanno
la struttura atomica dei superheavy (limite
attuale è Es con Z = 99), mentre per le proprietà
chimiche si arriva al Sg (Z = 106); i campi elettrici
particolarmente forti presenti in questi nuclei
costituiscono un test importante per la QED.
Implicazioni anche in fisica dello stato solido.
F. Soramel
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RNB-7
Metodi per produrre Fasci Radioattivi
• ISOL Isotope Separation On Line
Post accelerazione ISOL
Acceleratore
ISOL
Ion trap
Bersaglio spesso
per produzione
Ion source
Separatore
di isotopi
Esperimenti
F. Soramel
Ion source
Acceleratore
Esperimenti
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RNB-8
Metodo ISOL
I nuclei radioattivi sono prodotti praticamente a
riposo in un bersaglio spesso, bombardato con
particelle provenienti da una sorgente primara
o driver accelerator.
In seguito i nuclei vengono selezionati in base
alla loro massa con metodi elettromagnetici ed
infine accelerati con un post-acceleratore.
Fasci intensi e di alta qualità fino ad energie
di 25 MeV/u.
Limite inferiore per le vite medie dei
radioisotopi accelerati dovuto al tempo di
estrazione dal bersaglio e al tempo di
trasferimento alla sorgente.
F. Soramel
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RNB-9
ISOL facilities in Europa
Ciclotrone (driver) + ciclotrone (post-acceleratore)
•
Louvain-la-Neuve (Belgio)
prima macchina al mondo a dare fasci
radioattivi accelerati (1989)
driver: ciclotrone per protoni
30 MeV, 200 µ A, 6 kW
p.a : ciclotrone K110 che fa anche da
analizzatore isobarico
fasci non molto lontani dalla stabilità
e molto intensi (2·109 pps)
(0.65-12) MeV/u
studi di astrofisica nucleare.
•
SPIRAL – GANIL (Francia) (2000)
driver: due ciclotroni di GANIL, fasci di ioni
pesanti fino a 95 MeV/u, 6 KW
p.a : ciclotrone CIME, selettore di massa
fasci con (2-25) MeV
F. Soramel
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RNB-10
F. Soramel
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RNB-11
SPIRAL
Temperatura nel target di produzione ∼2300 K
Range energetico (1.7 A – 25 A) MeV
Alpha-shaped spectrometer per selezionare il
fascio radioattivo in base alla rigidità magnetica
Separazione isobarica in CIME ∆ m/m ∼ 5·10-4
F. Soramel
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RNB-12
Sincrotrone (driver) + Linac (post-acceleratore)
•
ISOLDE - CERN (Svizzera)
operativo da più di 30 anni, non riaccellera
Utilizza i protoni prodotti dal PS
fasci da 60 keV per molte specie nucleari
vari utilizzi
fisica nucleare
astrofisica nucleare
fisica dello stato solido
•
REX – ISOLDE (progetto per fine 2000)
driver: booster PS
protoni da 1.4 GeV, 2 µ A, 2 kW
p.a. : Linac
fino a 2.2 MeV/u
•
SIRIUS - Rutherford Appleton Lab (UK)
driver: sincrotrone ISIS
protoni da 800 MeV, 100 µ A, 50 kW
p.a. : CW – linac
fino a 10 MeV/u
F. Soramel
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RNB-13
Ciclotrone (driver) + Tandem (post-acceleratore)
•
(EXCYT LNS) (Italia)
fasci con energia ben definita
(0.2 - 8) MeV/u
Reattore (driver) + Linac (post-acceleratore)
•
MAFF - Monaco (Germania)
driver: reattore con flusso elevato di n termici
p.a. : linac per prodotti di fissione
fasci ricchi di neutroni, fino a 7 MeV/u
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RNB-14
ISOL facilities nel mondo
Nord America
•
•
•
•
TRIUMF - ISAC (Canada)
driver: sincrotrone per protoni da 500 MeV,
100 µ A, 50 kW
p.a. : Linac
1.5 MeV/u (6.5 MeV/u)
ORNL - HRIBF (USA)
driver: ciclotrone (p,d, α)
(50-100) MeV, (10-20) µA
p.a. : Tandem da 25 MV
ANL (USA)
lavoro preliminare con fasci di 18F e 56Ni
prodotti off-line e accelerati con ATLAS
(6-15) MeV
BEARS - LBNL (USA)
driver: ciclotrone per uso medico, protoni
10 MeV, 40 µ A
p.a. : ciclotrone 88”
F. Soramel
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RNB-15
Giappone
•
E- arena - JHF
driver: sincrotrone per protoni da 3 GeV,
333 µ A
p.a. : linac
fino a 9 MeV/u
La resa per un dato fascio radioattivo in un punto
immediatamente successivo al primo magnete di
analisi può essere espressa come
I = σ ⋅ Φ ⋅ N·ε 1·ε 2· ε 3
σ
= sezione d’urto di produzione per la reazione
nucleare d’interesse
Φ = corrente del fascio primario
N = spessore effettivo del bersaglio
ε 1 = efficienza di rilascio e trasporto
ε 2 = efficienza di ionizzazione
ε 3 = efficienza di separazione di massa ed
efficienza di accelerazione
F. Soramel
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RNB-16
R&D per il metodo ISOL
Necessità di aumentare le conoscenze rispetto a:
•Sezioni d’urto di produzione (misurate e codici
per calcolarle)
•Bersagli e catchers (studi dei materiali e dei
problemi che si manifestano quando sono esposti a
fasci di alta intensità, trasporto del calore in
bersagli ad alta temperatura, densità di potenza e
raffreddamento, …)
•Gas stopping (efficienza di cattura, proprietà di
trasporto in funzione dell’elemento e dell’intensità
del fascio, …)
•Sorgenti a laser (utilizzo di nuovi tipi di laser,
materiali per le cavità, …)
•Altre sorgenti
•Post acceleratori
•Sistemi di rivelazione ad alta efficienza
•Trappole per misure di alta precisione
F. Soramel
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RNB-17
• In-Flight
Post accelerazione In-Flight
Acceleratore
Bersaglio sottile
per produzione
In-Flight
Gas stop
Separatore
Separatore
di frammenti
Acceleratore
Esperimenti
F. Soramel
Esperimenti
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RNB-18
Metodo In-Flight
Un fascio energetico di ioni pesanti viene
frammentato o fissionato passando attraverso un
bersaglio sottile. I prodotti di reazione sono
trasportati ad un target secondario dopo essere
stati selezionati in massa, carica e momento
da un separatore di frammenti (FRS).
Non è necessaria post-accelerazione essendo i
prodotti di reazione generati in volo.
Metodo ottimale per ottenere fasci di isotopi
con vita media breve (centinaia di ns) e di energia
elevata (50 MeV/u).
I fasci ottenuti possono essere accumulati e
raffreddati in storage rings, in modo da ottenere
alte densità di spazio delle fasi.
F. Soramel
PhD 2000/01
RNB-19
In-Flight facilities in Europa
•
GANIL (Francia)
due ciclotroni
fasci di ioni pesanti 95MeV/u, 2 kW
fasci vengono frammentati in un bersaglio
sottile preceduto e seguito da lenti
magnetiche superconduttrici (SISSI) per
aumentarne l’intensità, LISE analizza i
frammenti
•
GSI (Germania)
UNILAC (linac)
SIS (sincrotrone)
fasci fino all’U con E ≤ 1 GeV/u
bersaglio sottile dove avviene frammentazione
o fissione
separazione dei frammenti in FRS
Studi fatti sul piano focale di FRS
nuclei raccolti e raffreddati nello
storage ring ESR per misure molto
accurate di massa e vita media
F. Soramel
PhD 2000/01
RNB-20
GSI
UNILAC fasci di U con q = 28+, E = 2 - 18 MeV/u
SIS
q = 72+, E = 1 GeV/u
ESR
q = 92+, E = 560 MeV/u
electron cooling
F. Soramel
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RNB-21
UNILAC
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PhD 2000/01
RNB-22
SIS
SIS diametro 216 m
ESR
108 m
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RNB-23
FRS a GSI
Prima produzione di 100Sn T1/2 = 1.2 s
F. Soramel
PhD 2000/01
RNB-24
•
Flerov Laboratory - DUBNA (Russia)
2 ciclotroni U400 e U400M
separatori ACULINNA e COMBAS
F. Soramel
PhD 2000/01
RNB-25
In-Flight facilities nel mondo
•
•
•
NSCL - MSU (USA)
ciclotrone K1200
fasci di ioni pesanti (100 -200) MeV/u vengono
frammentati e poi analizzati dal Projectile
Fragment Separator A1200 (PFS)
Ciclotrone K500 + ciclotrone K1200
(superconduttori)
1p µ A di ioni leggeri N = Z, 200 MeV/u
109 pps ioni pesanti (238U) 100 MeV/u
RIKEN (Giappone)
ciclotrone per ioni pesanti (RRC)
fasci fino a 135 MeV/u
separatore di frammenti (RIPS)
400 MeV/u ioni leggeri, I = 1 pnA
150 MeV/u ioni pesanti, I = 1 pnA
3 separatori di frammenti, alcuni storage rings,
linac per elettroni (collisioni e- - RNB)
IMP Laboratory - Lanzhou (Cina)
ciclotrone K450 a settori separati per ioni pesanti
80 MeV/u, separatore di frammenti (RIBLL)
F. Soramel
PhD 2000/01
RNB-26
Vantaggi del metodo In-Flight
•Alta efficienza di separazione per tutti gli
elementi indipendentemente dalle loro
proprietà chimiche
•Sensibilità al singolo atomo
•Tempi di separazione brevi (< 1 µ s)
•Alta luminosità
•Focalizzazione con la cinematica e quindi
iniezione molto efficiente nei separatori,
storage rings e linee di fascio
•Identificazione in Z
•Utilizzo di più fasci in contemporanea
permette di fare l’esperimento e di calibrarlo
contemporaneamente
F. Soramel
PhD 2000/01
RNB-27
RIA - Rare Isotope Accelerator
Nuovo progetto attualmente in fase di studio negli
USA. La sua idea è rivoluzionaria perché combina
i vantaggi del metodo ISOL con quelli del metodo
In-Flight.
Driver: acceleratore capace di fornire fasci di protoni
come fasci di Uranio a energie di almeno
400 MeV/u e con potenze di 100 kW almeno
In questo modo è possibile scegliere il
metodo di produzione in modo che la resa
per l’isotopo desiderato sia ottimizzata.
L’elevata potenza migliora di ordini di
grandezza, rispetto alle facilities esistenti,
le intensità dei vari fasci.
Estrazione: 1. ISOL + sorgente + post acceleratore
per energie sopra la barriera.
2. Bersaglio sottile e metodo ISOL
per fasci di nuclei esotici con vita
media breve
3. Bersaglio sottile e metodo In-Flight
per fasci di alta energia
F. Soramel
PhD 2000/01
RNB-28
F. Soramel
PhD 2000/01
RNB-29
Intensità dei fasci, osservabili e tecniche
Osservabili
Tecniche
Massa
trappole, spettroscopia
dei decadimenti
Raggio
Spin
Momento magnetico
Proprietà
decadimenti
Primi livelli
eccitati
spettroscopia laser
NMR
spettroscopia β e p
spettroscopia particella- γ,
eccitazione coulombiana,
reazioni di trasferimento
fusione,
eccitazione coulombiana,
reazioni di trasferimento
Schema dei livelli
100
102
104
106
108
(part./s)
Intensità del fascio radioattivo
F. Soramel
PhD 2000/01
RNB-30
_____
European Isotope Separation On-Line
Radioactive Nuclear Beam Facility
Obiettivi:
•preparare un progetto per la prossima facility
europea per RNB, driver accelerator,
assemblaggio bersaglio/sorgente, selezione di
massa, postacceleratore, e strumentazione;
•identificare le possibili sinergie con i maggiori
progetti europei e le infrastrutture dei laboratori
esistenti;
•identificare le tecnologie chiave implicate e il
loro R&D, che farà parte del progetto;
•stabilire una stima del costo;
•preparare un rapporto finale.
F. Soramel
PhD 2000/01
RNB-31