Sisteme de acceleratori pentru experimente de Fizica nucleara relativista

Sisteme de acceleratori pentru experimente de Fizica nucleara relativista

Cea de a doua etapa a inceput odata cu intrarea in functiune a primului sistem de accelerare pentru ioni grei relativisti, in luna august a anului 1970, la Institutul Unificat de Cercetari Nucleare (IUCN) de la Dubna (azi, in Rusia) [3-6,19,20]. Acest sistem de accelerare a fost Sincrofazotronul U-10 - care accelera pana atunci protoni la energii de 10 GeV - dotat cu o noua sursa de ioni si un accelerator liniar intermediar pentru injectarea fasciculului dorit in sincrofazotron. Daca la inceput se puteau accelera numai deuteroni la 4.5 A GeV/c, dupa anul 1974 - cand s-a pus in functiune o noua sursa de ioni - s-au putut accelera, la aceeasi energie pe nucleon, nuclee cu numere de masa A £ . Sursa de ioni folosita era cu fascicul de electroni si criogenizata. Ea se numeste CREBIS (CREBIS = CRyogenic Electron Beam Ion Source). Ea necesita un vid inalt (10^-11 Torr) si un camp magnetic longitudinal intens. Principiul de functionare este urmatorul: o anumita cantitate de ioni unisarcina ai elementului de accelerat este introdusa intr-un fascicul de electroni de densitate foarte mare (sute de A/cm²), ionii sufera oscilatii radiale sub actiunea campului electric al sarcinii spatiale electronice, iar in urma interactiilor electron-ion se produc ionizari multiple ale ionilor unisarcina initiali, ceea ce face mai usoara accelerarea acestora. Intensitatile atinse sunt cuprinse intre 10⁴ (²⁰Ne) si 10¹² (d) nuclee/puls.

Pana in anul 1986 s-au pus in functiune si alte sisteme de accelerare pentru ioni grei relativisti, energia la care se facea accelerarea fiind de cativa GeV/nucleon. Astfel, in anul 1971 s-a pus in functiune - pentru numai 1 an - un sistem de accelerare pentru ioni grei relativisti la Princeton (S.U.A.) [3-6,19,20].

Tot in anul 1971, la Lawrence Berkeley Laboratory (S.U.A.), s-au facut primele experimente de Fizica nucleara relativista folosindu-se tot un sincrotron de protoni modificat, anume Bevatron-ul [3-6,19-23]. În acest tip de experimente s-au folosit doua variante de sisteme de acceleratori, anume:

(a) Bevatron-ul - care implica sursa de ioni, un accelerator liniar de ioni grei de energii joase (5 MeV/nucleon) - ca injector - si sincrotronul Bevatron;

(b) Bevalac-ul - care implica aceeasi sursa de ioni, un accelerator liniar de ioni grei de energii joase, cunoscut sub numele de Superhilac (8.5 MeV/nucleon) - ca injector - si sincrotronul Bevatron.

Sistemul de acceleratori Bevatron permite accelerarea numai a nucleelor de ⁴He si ¹²C la energii cuprinse intre 0.1 si 2.1 GeV/nucleon, iar sistemul de accelerare Bevalac permite accelerarea nucleelor cu numere de masa cuprinse intre 6 si 20 la energii cuprinse tot intre 0.1 si 2.1 GeV/nucleon. Intensitatile fasciculelor sunt cuprinse intre 10⁸-10¹⁰ nuclee/fascicul la ambele sisteme de accelerare, iar ratele de extragere a fasciculelor sunt cuprinse intre 10 fascicule/min (pentru energii mai mari de 0.4 GeV/nucleon) si 15 fascicule/min (pentru energii mai mici de 0.4 GeV/nucleon).

Trebuie mentionat faptul ca sistemul de acceleratori Bevalac permite accelerarea unor nuclee cu numere de masa mult mai mari, si anume: ⁴⁰Ar, ⁵⁶Fe, ⁹³Nb, ²³⁸U, la energii pana la 1.8 GeV/nucleon si intensitati intre 10⁴ si 10⁸ nuclee/fascicul.

Pentru unele studii de Fizica nucleara relativista a fost folosit si sistemul de accelerare Saturne de la Saclay (Franta). Acest sistem de accelerare permite accelerarea nucleelor de ⁴He la energia de 1.2 GeV/nucleon, iar intensitatea fasciculului era de 2.10¹⁰ nuclee/fascicul la o rata de 15 fascicule/min. Alte tipuri de nuclee, cu numere de masa mai mari, se pot accelera numai pana la energii de cateva sute de MeV/nucleon.

Din anul 1986 s-au folosit pentru studii de Fizica nucleara relativista si alte sisteme de accelerare care erau menite sa asigure energii de accelerare mai mari pentru unele nuclee cu numere de masa mai mari [8-11,13,24].

Astfel, la Brookhaven National Laboratory (Laboratorul National Brookhaven) din S.U.A. a intrat in functiune, pentru experimente de Fizica nucleara relativista - in toamna anului 1986 - Sincrotronul cu gradient alternant Alternating Gradient Synchrotron (AGS)], folosit anterior numai pentru accelerarea protonilor. Cu ajutorul acestui sistem de accelerare nuclee cu numere de masa pana la A = 32 sunt accelerate la energii de pana la 15 GeV/nucleon. În acest caz sincrotronului de protoni i-a fost atasata o sursa de ioni corespunzatoare si un accelerator de tip tandem ca injector. Ulterior, aici s-au accelerat si nuclee cu numere de masa A < 200, la energii in jur de 11 A GeV.

Tot din toamna anului 1986 Supersincrotronul de protoni de la CERN Geneva [Super Proton Synchrotron (SPS)] a inceput sa fie folosit si el in studii de Fizica nucleara relativista. În acest caz se pot obtine ioni grei relativisti avand energii de 60 GeV/nucleon, respectiv, 200 GeV/nucleon [8,11,13,24]. Numerele de masa erau, initial, pana la 32. Apoi ele au fost crescute pana la numere de masa mari, specifice aurului (197), plumbului (208) sau uraniului (238) [8,11,13,24]. De aceasta data intre sursa de ioni cu rezonanta ciclotronica si sincrotron se afla un intreg sistem de acceleratori care cuprinde: un preaccelerator de tip Alvarez [9], un accelerator liniar de energii joase (de ordinul energiei de legatura pe nucleon in nucleu), un sincrotron. Acest din urma sincrotron din sistemul de acceleratori folosit ca injector permite obtinerea de ioni complet 'dezbracati' cu o energie de 10 GeV/nucleon.

Dupa anul 1986 in 'familia' laboratoarelor care dispun de sisteme de accelerare pentru studii de Fizica nucleara relativista a intrat si Institutul de Cercetari pentru Ioni Grei GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung)] din Darmstadt, Germania. Din anul 1990 functioneaza sistemul de accelerare format din sincrotronul de ioni grei si inelul de stocare si racire cu electroni SIS-ESR [2,25]. Marele avantaj al acestui sistem de accelerare consta in faptul ca poate accelera ioni grei cu numere de masa A £ 238 la orice energii pana la 2 GeV/nucleon. Inelul de stocare si racire cu fascicul de electroni permite 'dezbracarea' completa de electroni a atomilor, indiferent de numarul de masa. Cu acest sistem de accelerare se obtin cele mai mari luminozitati; se pot obtine, de asemenea, si fascicule radioactive [10].

Sistemul de accelerare complet este format din: sursa de ioni cu rezonanta ciclotronica, accelerator liniar care furnizeaza fascicule de ioni grei pentru toate elementele cu energii pana la 20 MeV/nucleon si care reprezinta un injector pentru urmatoarea componenta a sistemului, anume sincrotronul de ioni grei de energie medie, iar ca ultima componenta se numara inelul de stocare si racire. Mai este prevazut si cu un separator de fragmente care permite, in principal, obtinerea de fascicule secundare, radioactive. Acest sistem de accelerare mai este dotat si cu alte facilitati ceea ce il face extreme de manevrabil, performant si relativ usor de modificat pentru cresterea performantelor tehnice.