Laboratori Nazionali del Sud

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Acceleratori

Fribs@lns

Il FRAGMENT SEPARATOR

L'apparato FRIBs@LNS (in Flight Radioactive Ion Beams at LNS) sito ai Laboratori nazionali del Sud di Catania, produce ioni radioattivi (Radioactive Ion Beams) a energia intermedia (20-50 MeV/A) utilizzando il metodo della frammentazione in volo [1]. I fasci esotici, dal 6He al 68Ni, sono prodotti sin dal 2001, grazie al lavoro pioneristico di G. Raciti [2], utilizzando le reazioni di frammentazione di vari nuclei stabili, accelerati dal ciclotrone superconduttore (CS), su un bersaglio di Berillio, posizionato all'uscita del CS. Il fragment separator (figura 1) dei LNS è basato sull'utilizzo dei magneti della linea di trasporto dei fasci, quindi i fasci prodotti, in principio, possono essere inviati in qualsiasi sala sperimentale dei Laboratori.

Fig. 1: Mappa dei Laboratori Nazionali del Sud dell'INFN. È possibile osservare, all'interno dell'ellisse rossa, il fragment separator. In alto è riportata una foto del target di 9Be.

SISTEMA DI IDENTIFICAZIONE

Il fascio ottenuto tramite la tecnica di frammentazione in volo contiene diversi isotopi, ed è, per tale ragione, detto fascio cocktail [1]. È quindi necessario procedere alla caratterizzazione dei componenti del fascio, evento per evento, per utilizzarlo in esperimento. Un sistema di identificazione (tagging system) è utilizzato nella linea CHIMERA [3] e mostrato in figura 2. Esso è composto da un rivelatore a Micro Channel Plate (MCP) di larga superficie che consente di produrre il segnale di start per la misura del tempo di volo (Time Of Flight-TOF) e da un rivelatore a silicio di tipo DSSSD (Double Sided Silicon Strip Detector), con spessore di circa 140-150 µm, che produce l'informazione su perdita di energia, posizione, e stop (per la misura del TOF) degli ioni incidenti. Si utilizza infine anche un rivelatore PPAC (Parallel Plate Avalanche Counter), sensibile alla posizione, per ottenere un'ulteriore misura necessaria per la determinazione della traiettoria del fascio incidente. Esempi di plot di correlazione ΔE-TOF sono riportati qui.

Fig. 2: Schema del sistema di tagging utilizzato nella linea CHIMERA.

SISTEMI DI DIAGNOSTICA

Per effettuare un trasporto ottimale, dal punto in cui si trova il bersaglio di produzione (Berillio) fino al punto di utilizzo del fascio radioattivo, sono necessari anche alcuni elementi di diagnostica [6,7]. Attualmente i punti di diagnostica sono costituiti da scintillatori plastici e da rivelatori DSSSD con 16*16 strip da 3*48 mm2, recentemente installati e testati. Utilizzando tali rivelatori a strip, è possibile ottenere una buona ricostruzione del profilo del fascio. Inoltre, tramite la tecnica di identificazione ΔE-ToF, misurando il ToF rispetto al segnale di RadioFrequenza del CS, è possibile effettuare un'identificazione evento per evento [1,8]. Questo consente di controllare la composizione isotopica del fascio di frammentazione lungo la linea di trasporto e non solo prima del punto di utilizzo finale. In casi specifici, è possibile utilizzare un degrader di alluminio, posizionato tra i due dipoli del fragment separator. Il suo utilizzo è fondamentale nel caso in cui si desidera ottenere fasci di frammentazione con elevata purezza [1,8].

RISULTATI

Il primo risultato importante ha riguardato lo studio del decadimento in due protoni del livello eccitato del 18Ne a 6.18 MeV [9], eseguito nell'apparato HODO posizionato nella linea 20o dei LNS. Successivamente molti test ed esperimenti sono stati effettuati, principalmente nella linea CHIMERA. Ad esempio, sono state misurate le distribuzioni angolari di reazioni di trasferimento di un neutrone utilizzando il metodo delle coincidenze cinematiche [10]. Un ulteriore risultato interessante ha riguardato lo studio di livelli alfa-cluster del 10Be ed in particolare la scoperta di un livello a 13.1 MeV che è stato attribuito ad un livello con spin e parità 6+ della banda rotazionale costruita sul livello 0+ a 6.137 MeV [4]. Tramite la facility FRIBS è stato possibile studiare, per la prima volta, l'eccitazione isoscalare della risonanza Pygmy nel nucleo esotico 68Ni [5,11], rivelando il decadimento gamma tramite il rivelatore CHIMERA. Infine, uno dei più recenti esperimenti è stato condotto da un gruppo di ricercatori dellUniversità di Varsavia e del JINR di Dubna con lo scopo di studiare il beta-delayed decay del 11Be, utilizzando una Time Projection Chamber (TPC) ottica installata nella sala zero gradi. In questo caso, per la riuscita dell'esperimento, è stato necessario produrre un fascio esotico con alta purezza di 11Be ( 95 %). Lo scopo è stato raggiunto grazie all'utilizzo di un degrader di Alluminio posizionato tra i due dipoli del fragment separator [8].

Lista dei fasci prodotti

 

primary beam

beam

intensity (kHz/100W)

18O 55MeV/A

16C

120

setting 11Be

17C

12

 

13B

80

 

11Be

20

 

10Be

60

 

8Li

20

18O 55MeV/A

14B

3

setting 12Be

12Be

5

 

9Li

6

 

6He

12

13C 55 MeV

11Be

50

setting 11Be

12B

100

36Ar 42 MeV

37K

100

setting 34Ar

35Ar

70

 

36Ar

100

 

37Ar

25

 

33Cl

10

 

34Cl

50

 

35Cl

50

20Ne 35 MeV

18Ne

50

setting 18Ne

17F

20

 

21Na

100

70Zn 42MeV

 

 

setting 68Ni

68Ni

20

 

PROSPETTIVE

I Laboratori Nazionali del Sud sono attualmente impegnati nell'upgrade del CS, il quale consentirà di produrre fasci stabili con elevate intensità. Questo offrirà nuove opportunità e prospettive anche per la produzione dei fasci esotici. Sarà infatti possibile estendere gli studi sulla fisica dell'isospin, la quale ha sempre rappresentato un importante campo di ricerca dei LNS, a reazioni con elevata asimmetria nel rapporto N/Z. Un altro importante campo di studi riguarderà la fisica dei cluster. In particolare, è di notevole interesse comprendere come evolve la struttura a cluster per nuclei distanti dalla valle di stabilità. Sarà anche possibile condurre diversi esperimenti di struttura nucleare con fasci instabili. La struttura dei nuclei instabili è infatti attualmente uno dei maggiori campi di interesse della fisica nucleare, non essendo del tutto note le loro caratteristiche. Infine, si potranno estendere gli studi a fasci di frammentazione di bassa energia, in modo da investigare reazioni di interesse astrofisico. Per utilizzare tali fasci di elevata intensità è stato necessario progettare un nuovo fragment separator: FRAISE (FRAgment In-flight Separator) [1]. I lavori per la costruzione di FRAISE sono attualmente in corso e prevedono anche la realizzazione di un nuovo target di frammentazione. Inoltre, in alcuni casi l'alta intensità dei fasci non consentirà l'uso dei sistemi di identificazione tipicamente usati con la facility FRIBS. È infatti in corso una fase di R&D per progettare un nuovo sistema di tagging e di diagnostica. Una dettagliata descrizione degli studi possibili grazie all'utilizzo della facility FRAISE è riportata nel rif. [1].

 

BIBLIOGRAFIA

[1] P. Russotto et al., Jour. of Phys.: Conf. Series, 1014 (2018) 012016 and ref. therein
[2] G. Raciti et al., NIM B, 266 (2008) 4632
[3] I. Lombardo et al., Nucl. Phys. B - Proceedings Supplements 215.1 (2011), pp. 272-274
[4] D. DellAquila et al., Phys. Rev. C 93, (2016) 024611
[5] N.S. Martorana et al., Phys. Lett. B, 782 (2018), pp. 112 116
[6] A. Amato et al., LNS Activity Report, 2009
[7] E.V. Pagano et al., LNS Activity Report, 2015-2016
[8] N.S. Martorana et al., LNS Activity Report, 2018-2019
[9] G. Raciti et al., Phys. Rev. Lett. 100, (2008) 192503
[10] L. Acosta et al., NIM A, 715 (2013) 56
[11] N.S. Martorana et al., Acta Phys. Pol. B 49 (2018).

 

Stato dei lavori della facility FRAISE

Aprile 2020

 

Luglio 2020
Luglio 2020

 

Altre immagini

Fig. 3: Matrice ΔE-ToF, ottenuta tramite il sistema di tagging, relativa al fascio cocktail ottenuto tramite frammentazione di un fascio di 18O a 55 AMeV su un target di 9Be con spessore di 1500 µm [4].

Fig. 4: Matrice ΔE-ToF, ottenuta tramite il sistema di tagging, relativa al fascio cocktail ottenuto tramite frammentazione di un fascio di 70Zn a 40 AMeV su un target di 9Be con spessore di 250 µm [5].

Fig. 5: Matrice ΔE-ToF, ottenuta tramite il sistema di tagging, relativa al fascio cocktail ottenuto tramite frammentazione di un fascio di 36Ar a 30 AMeV su un target di 9Be.

Fig. 6: Matrice ΔE-ToF, ottenuta tramite il sistema di tagging, relativa al fascio cocktail ottenuto tramite frammentazione di un fascio di 18O a 55 AMeV su un target di 9Be.

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