ПРО ЯДРИ І ПРИСКОРЮВАЧІ
Журнал додано до кошика.
ПРО ЯДРИ І ПРИСКОРЮВАЧІ. ЩО ТАКЕ "ДОБРИЙ" ПРИСКОРЮВАЧ
Прискорювачі важких іонів Лабораторії ядерних реакцій імені Г. Н. Флерова у Дубні об'єдналися у комплекс DRIBs – Dubna Radioactive Ion Beams (пучки радіоактивних іонів). На прискорювачах комплексу отримані пучки гелію-6, ядро якого - альфа-частка (вона складається з двох протонів та двох нейтронів), оточена гало з двох слабо пов'язаних з нею нейтронів. Про роботи з дослідження реакцій під впливом цих екзотичних ізотопів, які у лабораторії, відомої своїми відкриттями надважких елементів, і планах у майбутнє розповідає її науковий керівник академік Юрій Цолакович Оганесян.
Новий прискорювальний комплекс DRIBs націлений вивчення ядерних реакцій і синтез нових ядер під впливом нестабільних (радіоактивних) пучків іонів, збагачених протонами чи нейтронами. Наприклад, з пучками не гелію-3 або гелію-4 - стабільних ізотопів елемента гелію, а гелію-6 або гелію-8, період напіврозпаду яких становить близько 0,8 та 0,1 секунди відповідно. Ці ізотопи спочатку потрібно отримати в ядерній реакції (що нелегко), потім відокремити від побічних продуктів, іонізувати, ввести в інший прискорювач, прискорити до необхідної енергії і лише тоді досліджувати реакції під дією цих екзотичних ядер.
Для цього потрібні два прискорювачі. Один із них _ виробляє, у нашому варіанті це циклотрон У-400М. Він прискорює стабільні іони літію та створює їх інтенсивний пучок. Пучок літію взаємодіє з мішенню з берилію, викликаючи ядерні реакції. Але нас цікавить лише процес перетворення стабільного літію на радіоактивний ізотоп гелій-6, тобто реакція, що веде до втрати літієм одного протона. Ядро гелію-6 цікаве тим, що вНа відміну від стабільного та дуже стійкого ядра гелію-4 має дуже незвичайну структуру. Додаткові два нейтрони знаходяться не всередині ядра гелію-6, а більшу частину часу далеко (за ядерними масштабами) за його межами. Їх навіть називають валентними нейтронами.
Подібна структура - серцевина (добре пов'язаний гелій-4) плюс два зовнішні нейтрони (нейтронне гало) _ абсолютно новий об'єкт у ядерній фізиці. На відміну від ядер, щільність яких приблизно однакова, гелій-6 в ядерних реакціях поводиться зовсім особливим чином. При підльоті до ядру-мішені першими, начебто, повинні вступити у взаємодію зовнішні нейтрони. Питання в тому, що буде з ядром-серцевиною: чи то валентні нейтрони перейдуть у ядро мішені, а серцевина - гелій-4 - буде відкинута, чи навпаки, відкинуті будуть нейтрони, а гелій-4 перейде в ядро-мішень, то Чи нейтрони потягнуть за собою серцевину і ядро мішені повністю поглине ядро гелію-6. Таким чином, є три сценарії замість одного, коли використовується стабільний ізотоп гелій-4, який або поглинеться, або буде відкинутий.
Згадаймо, що гелій-6 живе менше секунди. За цей час потрібно перенести продукти реакції в іонне джерело, знову їх іонізувати, витягнути з його плазми, відокремити іони гелію-6 від інших продуктів реакції і передати пучок гелію-6, поки ще дуже малої енергії, в інший прискорювач. Другий прискорювач знаходиться приблизно за сто метрів від першого. Подолавши цю відстань за 0,1 мілісекунди, пучок гелію-6 з низькою енергією потрапляє до другого прискорювача і там набуває високу енергію. Потім його виводять та використовують. Ось так у два етапи і одержують пучки радіоактивних ядер на установці DRIBs.
Тепер можна подумати і про інші реакції синтезу надважких елементів. До цих пір для цихЦілей ми використовували пучок іонів стабільного, але дуже рідкісного і дорогого ізотопу - кальцію-48. Порівняно з найбільш поширеним ізотопом – кальцієм-40 – він має важливу перевагу: великий надлишок нейтронів. Виникло питання: чи не можна отримати пучок нехай нестабільних, але важчих і теж сильно збагачених нейтронами ядер, щоб просунутися далі у синтезі надважких елементів?
У принципі можна, якщо вдасться знайти реакцію, у якій вийде досить багато цих нейтронно-надлишкових ядер. Тут важко знайти інший спосіб, крім ядерного поділу, тому що при розподілі важкого ядра, наприклад урану, утворюються ядра-уламки з великим надлишком нейтронів. Завдання зводиться до прискорення уламків поділу урану, які послужать "снарядами" для отримання надважких елементів. Осколків багато, і серед них є один, такий самий (якщо не більше) унікальний, як кальцій-48. Це ізотоп олова-132 із періодом піврозпаду 40 секунд! Він має на 8 нейтронів більше, ніж найважчий стабільний ізотоп олова – олово-124. Можливо, це був би другий шлях отримання надважких елементів, більш стабільних ізотопів цих елементів і тому більш перспективних для широкого кола фізичних та хімічних досліджень. Але нам поки що неясно, наскільки ефективнішою буде реакція синтезу з пучком олова-132 порівняно з кальцієм-48. Неясна можливість злиття настільки потужного ядра з ядром мішені, що веде до утворення нового елемента.
Тут завдання поділяється на частини.
Перша відноситься до галузі прискорювальної техніки: як отримати прискорені уламки поділу? Необхідно зрозуміти: чи здатний прискорювальний комплекс типу DRIBs прискорювати уламки поділу? Для сучасних прискорювальних установок, у тому числі і для DRIBs, це є посильним завданням.Концептуально такий проект, прив'язаний до наших базових прискорювачів, ми вже маємо. Однак він надто дорогий за вітчизняними масштабами фінансування. Тому ми поки що його не те щоб "заморозили", а краще сказати - почали реалізовувати "з кінця" - з реконструкції прискорювачів, які потребують модернізації не лише плану синтезу елементів, а й для багатьох інших наукових напрямів лабораторії.
Друге завдання пов'язане з фізикою - з дослідженням процесів злиття масивних ядер важчим за кальцій-48. Щоб оцінити шанси на успіх, ми цього року поставимо модельний експеримент. Спробуємо отримати ізотопи не надважкого, але досить важкого 108 елемента, використовуючи злиття двох ядер ксенону-136 (атомний номер ксенону - 54). Пучок стабільного ізотопу ксенону-136 на прискорювачі У-400 має досить високу інтенсивність. Цей же ізотоп у вигляді газу буде використаний як матеріал мішені. У цьому досвіді ми сподіваємося отримати кількісні дані про можливість злиття двох ядер ксенону. Потім, залежно від результату, оцінимо можливості у використанні пучка олова-132, інтенсивність якого, навіть за найоптимістичнішими прогнозами, істотно поступатиметься наявній інтенсивності пучка ксенону-136.
Якщо ефект виявиться позитивним - кинемо на ці роботи всі сили, якщо ні, - можливо, залишиться гарна ідея і доведеться (вже вкотре!) шукати нові шляхи. Однак у будь-якому разі "фабрика радіоактивних пучків" відкриває широкі перспективи у дослідженні властивостей раніше недоступних ядер з незвичайним співвідношенням протонів та нейтронів, що знаходяться на межі ядерної стабільності.
Модернізація прискорювача має на увазі покращення його робочих параметрів. Однак поняття "хороший" або "поганий" прискорювач має спиратися наякісь стандарти. Вони не визначені і іноді подаються у різних випадках. Я якось давно побачив у одній французькій лабораторії плакат із визначенням, сформульованим американськими фізиками. Мені воно здалося цілком прийнятним. На їхню думку, до "хороших" прискорювачів можна віднести установки, які залишаються актуальними близько двадцяти років. Це, мабуть, перша і важлива умова. Звичайно, параметри прискорювача з роками поступово покращуються за допомогою різних технічних удосконалень. Друга умова - вартість спорудження та експлуатації установки. Якщо кошти, витрачені на будівництво прискорювача та подальшу його експлуатацію протягом зазначених двадцяти років, становлять не більше 20 відсотків витрат на використання його пучків (маються на увазі всі науково-дослідні та прикладні роботи зі своїм експериментальним обладнанням та інфраструктурою), то ідея створення цієї установки цілком виправдана. Звичайно, критерії не жорсткі, та й названий час – термін умовний, але вони дозволяють зрозуміти, що "гра коштувала свічок".
Іншими словами, прискорювач, нехай великий і дорогий, теж лише частина обладнання у спільній постановці завдання. Інша річ, що цю частину використовують у різних експериментах. І вона у кожному експерименті має відповідати поставленій меті. Усі прискорювачі нашої лабораторії цим вимогам задовольняють. А якщо врахувати, що до нас на прискорювач їдуть працювати групи зі своєю дорогою апаратурою, то витрати на його створення окупляться значно раніше, ніж двадцять років.
Водночас треба завжди пам'ятати, що ми не одні, що десь будуються й інші, сучасніші та досконаліші установки. І доводиться думати, чи варто зараз зупинитися і впритул зайнятися створенням нової установки або ж удосконалити своюприскорювальну установку під конкретні завдання, які знову виведуть на передовий рівень. Тут багато що, якщо не всі, визначають людські та матеріальні ресурси, які, звичайно, не безмежні. Якщо модернізація не виливається у грандіозний захід, то її треба робити, та робити швидко. Якщо це не під силу, варто пошукати інші шляхи. А якщо не знайдуться рішення, треба набратися сміливості та зупинити, а ще краще – демонтувати цей прискорювач, щоб він не відволікав сили, кошти та не займав місця. І тягнути із цією справою не слід. Якщо подивитися на історію Лабораторії ядерних реакцій, то в нас часто так і було. Пам'ятаю випадок, коли я сам опинився у скрутному становищі, вирішив великий прискорювач для робіт закрити цілком і розпочати його докорінну реконструкцію. На той час установка видавала рекордні пучки, але вже було видно, що ще рік-два - і ця перевага зникне. Доведеться надолужувати втрачений час, до того ж все робити похапцем, а значить, неякісно і з помилками. Краще раніше вступити цей важкий шлях, шлях перетворення прискорювача. Останнє покоління всіх наших модернізованих прискорювачів зовсім не подібне до своїх предків, від яких мало що залишається. Іноді цілі вузли замінюються на нові, що працюють на іншому принципі, а зберігаються лише ті, які задовольняють сучасним вимогам. Я переконаний, що будь-який прискорювач, великий чи малий, є фізичним приладом для наукових досліджень. І якщо прилад не годиться, треба від нього відмовитись і створювати новий. Звісно, за цей час ідея може застаріти, а задумані тобою експерименти виконають у інших лабораторіях. Що ж, значить, не доля, але й не трагедія. У будь-якому випадку всі складові експерименту - прискорювач, експериментальна установка, детектори, електроніка та інше - повиннівідповідати поставленому завданню. Якщо така гармонія буде, то буде бажаний результат. А якщо чогось не вистачає, досягти мети важко. Чудес не буває.
Тому в реальному науковому житті нашої лабораторії бажано мати дві паралельні, але узгоджені програми розвитку – прискорювальну та експериментальну. В експериментах із синтезу надважких елементів це особливо актуально. Перед початком дослідів наш прискорювач мав майже рекордні параметри, порівняно зі світовими аналогами, але нам їх явно не вистачало. Треба було залишити все, як є, і відмовитися від задуманого експерименту, або вимкнути прискорювач і цим на деякий час позбавити себе можливості проводити будь-які дослідження.
Як бачите, виникає незвичайна та напружена ситуація: добре відома теза "краще - ворог хорошого" переходить у "бути - чи не бути". Для того, щоб "бути", доводиться багато чого міняти. І нікуди не дінешся - справді багато, та багато поміняли, щоб отримати інтенсивний пучок кальцію. Старий прискорювач так шалено витрачав дорогий кальцій, що ми б вилетіли в трубу з такими витратами.
Ми могли б і надалі продовжувати експерименти на цю тематику, оскільки наші прискорювачі в принципі "тягнуть". Але для того, щоб отримати нову якість, завжди потрібні витрати. Прискорювачі поєднати в один комплекс, побудувати галерею… Ми пішли на це рішуче і зробили досить швидко – за три роки. Від ідеї до моменту отримання першого пучка – три роки!
Ми ще не всім задоволені, тому що поки не досягли всіх проектних параметрів. Але пучок іонів гелію-6, отриманого ще в 2005 році, цілком достатній, щоб розпочати експерименти на сучасному рівні. Їх і розпочали, а минулого року результати доповіли на всіх великих міжнародних.конференціях. "Витягуватимемо" проектні параметри по ходу справи. Другу стадію установки почнемо, коли буде фінансування: відсутність коштів не варто витрачати сил.
Звичайно, прискорювач створюється не для одного експерименту, нехай найважливішого сьогодні, але необхідні параметри установки краще показати на конкретній задачі, вибравши найскладніший експеримент.