Про ядра і прискорювачів. Що таке «добрий» прискорювач

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 64

Прискорювач першого ступеня комплексу DRIBs — циклотрон U-400M (фото автора, «Наука і життя»)

Прискорювачі важких іонів Лабораторії ядерних реакцій імені Г.М. Флерова в Дубні об’єдналися в комплекс DRIBs — Dubna Radioactive Ion Beams (пучки радіоактивних іонів). На прискорювачах комплексу отримані пучки гелію-6, ядро якого — альфа-частинка (вона складається з двох протонів і двох нейтронів), оточена гало з двох слабо пов’язаних з нею нейтронів. Про роботи з дослідження реакцій під дією цих екзотичних ізотопів, що ведуться в лабораторії, відомої своїми відкриттями надважких елементів, і про плани на майбутнє розповідає її науковий керівник академік Юрій Цолакович Оганесян.

Новий прискорювальний комплекс DRIBs націлений на вивчення ядерних реакцій і синтез нових ядер під дією нестабільних (радіоактивних) пучків іонів, збагачених протонами або 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 і 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 тільки тоді дослідити реакції під дією цих екзотичних ядер.

Для цього потрібні два прискорювачі. Один з них — виробний, у нашому варіанті це циклотрон U-400M. Він прискорює стабільні іони літію і створює їх інтенсивний пучок. Пучок літію взаємодіє з мішенню з берилію, викликаючи ядерні реакції. Але нас цікавить тільки процес перетворення стабільного літію в радіоактивний ізотоп гелій-6, тобто реакція, що веде до втрати літієм одного протона. Ядро гелію-6 цікаве тим, що на відміну від стабільного і 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 зовнішніх нейтрони (нейтронне гало) — абсолютно новий об’єкт в ядерній фізиці. На відміну від ядер, щільність яких приблизно однакова, гелій-6 в ядерних реакціях поводиться абсолютно особливим чином. При підльоті до ядра-мішені першими, здавалося б, повинні вступити у взаємодію зовнішні нейтрони. Питання в тому, що буде з ядром-серцевиною: чи то валентні нейтрони перейдуть в ядро мішені, а серцевина — гелій-4 — буде відкинута, чи то, навпаки, відкинуті будуть нейтрони, а гелій-4 перейде в ядро-мішень, чи нейтрони потягнуть за собою серцевину і ядро мішені цілком 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 зуміти 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 в ста метрах від першого. Подолавши цю відстань за 0,1 мілісекунди, пучок гелію-6 з низькою енергією потрапляє в другий прискорювач і там набуває високу енергію. Потім його виводять і використовують. Ось так у два етапи і отримують пучки радіоактивних ядер на установці DRIBs.

Тепер можна подумати і про інші реакції синтезу надважких елементів. Досі для цих цілей 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 більш важких і теж сильно збагачених нейтронами ядер, щоб просунутися далі в синтезі надважких елементів?

В принципі можна, якщо вдасться знайти реакцію, в якій вийде досить велика кількість цих нейтронно-надлишкових ядер. Тут важко знайти інший спосіб, крім ядерного поділу, тому що при поділі важкого ядра, наприклад урану, утворюються ядра-осколки з великим надлишком нейтронів. Завдання зводиться до прискорення осколків ділення урану, які послужать «снарядами» для отримання надважких елементів. Осколків багато, і серед них є один, настільки ж (якщо не більше) унікальний, як кальцій-48. Це ізотоп олова-132 з періодом напіврозпаду 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 і хімічних досліджень. Але нам поки неясно, наскільки ефективнішою виявиться реакція синтезу з пучком олова-132 порівняно з кальцієм-48. Незрозуміла ймовірність злиття такого масивного ядра з ядром мішені, що веде до утворення нового елемента.

Тут завдання поділяється на дві частини.

Перша відноситься до області прискорювальної техніки: як отримати прискорені осколки ділення? Необхідно зрозуміти: чи здатний прискорювальний комплекс типу DRIBs прискорювати осколки ділення? Для сучасних прискорювальних установок, в тому числі і для DRIBs, це посильне завдання. Концептуально подібний проект, прив’язаний до наших базових прискорювачів, у нас вже є. Однак він занадто дорогий за вітчизняними масштабами фінансування. Тому ми поки його не те щоб «заморозили», а краще сказати — почали реалізовувати «з кінця» — з реконструкції прискорювачів, які потребують модернізації не тільки в плані синтезу елементів, але і для багатьох інших наукових напрямків лабораторії.

Друге завдання пов’язане з фізикою — з дослідженням процесів злиття масивних ядер важче кальцію-48. Щоб оцінити шанси на успіх, ми вже цього року поставимо модельний експеримент. Спробуємо отримати ізотопи не надважкого, але досить важкого 108-го елемента, використовуючи злиття двох ядер ксенона-136 (атомний номер ксенона — 54). Пучок стабільного ізотопу ксенону-136 на нашому прискорювачі U-400 має досить високу інтенсивність. Цей же ізотоп у вигляді газу буде використаний в якості матеріалу мішені. У цьому досвіді ми сподіваємося отримати кількісні дані про ймовірність злиття двох ядер ксенона. Потім, залежно від результату, оцінимо можливості у використанні пучка олова-132, інтенсивність якого, навіть за найоптимістичнішими прогнозами, суттєво поступатиметься наявній інтенсивності пучка ксенона-136.

Якщо ефект виявиться позитивним — кинемо на ці роботи всі сили, якщо ні, — можливо, залишиться красива ідея і доведеться (вже вкотре!) шукати нові шляхи. Однак у будь-якому випадку «фабрика радіоактивних пучків» відкриває широкі перспективи в дослідженні властивостей раніше недоступних ядер з незвичним співвідношенням протонів і нейтронів, що знаходяться на кордоні ядерної стабільності.

Модернізація прискорювача передбачає поліпшення його робочих параметрів. Однак поняття «хороший» або «поганий» прискорювач має спиратися на якісь стандарти. Вони не визначені і іноді підносяться в різних варіантах. Я якось давно побачив в одній французькій лабораторії плакат з визначенням, сформульованим американськими фізиками. Мені воно здалося цілком прийнятним. З їхньої точки зору, до «хороших» прискорювачів можна віднести установки, які залишаються актуальними близько двадцяти років. Це, мабуть, перша і важлива умова. Природно, параметри прискорювача з роками поступово поліпшуються за допомогою різних технічних удосконалень. Друга умова — вартість споруди та експлуатації установки. Якщо кошти, витрачені на будівництво прискорювача і подальшу його експлуатацію протягом зазначених двадцяти років, становлять не більше 20 відсотків від 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 зволікань».

Іншими словами, прискорювач, нехай великий і дорогий, теж лише частина обладнання в загальній постановці завдання. Інша річ, що цю частину використовують у різних експериментах. І вона в кожному експерименті повинна відповідати поставленій меті. Всі 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 двадцяти років.

Разом з тим треба завжди пам’ятати, що ми не одні, що десь будуються й інші, більш сучасні і досконалі установки. І доводиться думати, чи слід зараз зупинитися і впритул зайнятися створенням нової установки або ж удосконалити свою прискорювальну установку під конкретні завдання, які знову виведуть її на передовий рівень. Тут багато чого, якщо не всі, визначають людські та матеріальні ресурси, які, звичайно, не безмежні. Якщо модернізація не виливається в грандіозний захід, то її потрібно робити, і робити швидко. Якщо ж це не під силу, варто пошукати інші шляхи. А якщо не знайдуться рішення, треба набратися сміливості і зупинити, а ще краще — демонтувати цей прискорювач, щоб він не відволікав сили, засоби і не займав місця. І тягнути з цією справою не слід. Якщо подивитися історію Лабораторії ядерних реакцій, то у нас часто так і було. Пам’ятаю випадок, коли я сам опинився у важкому становищі, вирішив великий прискорювач для робіт закрити цілком і почати його корінну реконструкцію. У той час установка видавала рекордні пучки, але вже було видно, що ще рік-два — і ця перевага зникне. Доведеться надолужувати згаяний час, до того ж все робити похапцем, а значить, неякісно і з помилками. Краще раніше вступити на цей важкий шлях, шлях перевтілення прискорювача. Останнє покоління всіх наших модернізованих прискорювачів зовсім несхоже на своїх предків, від яких мало що залишається. Іноді цілі вузли замінюються новими, що працюють на іншому принципі, а зберігаються тільки ті, які задовольняють сучасним вимогам. Я переконаний, що будь-який прискорювач, великий або малий, — фізичний прилад для наукових досліджень. І якщо прилад не годиться, треба від нього відмовитися і створювати новий. Звичайно, за цей час ідея може застаріти, а задумані тобою експерименти виконають в інших лабораторіях. Ну що ж, значить, не доля, але і не трагедія. У будь-якому випадку всі складові експерименту — прискорювач, експериментальна установка, детектори, електроніка та інше — повинні відповідати поставленому завданню. Якщо така гармонія буде, то буде і 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 з 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 або залишити все, як є, і відмовитися від задуманого експерименту, або вимкнути прискорювач і тим самим на деякий час позбавити себе можливості проводити будь-які дослідження.

Як бачите, виникає незвичайна і напружена ситуація: добре відома теза «найкраще — ворог хорошого» переходить в «бути — чи не бути». Для того щоб «бути», доводиться багато чого змінювати. І нікуди не дінешся — дійсно багато чого, та майже всі поміняли, щоб отримати інтенсивний пучок кальцію. Старий прискорювач так шалено витрачав дорогий кальцій, що ми вилетіли б у трубу з такими витратами.

Ми могли б і далі продовжувати експерименти з цієї тематики, оскільки наші прискорювачі в принципі «тягнуть». Але для того щоб отримати нову якість, завжди потрібні витрати. Прискорювачі з’єднати 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, так як не досягли поки всіх проектних параметрів. Але пучок іонів гелію-6, який був отриманий ще в 2005 році, цілком достатній, щоб почати експерименти на сучасному рівні. Їх і почали, а минулого року результати доповіли на всіх великих міжнародних конференціях. Будемо «витягувати» проектні параметри по ходу справи. Другу стадію установки почнемо, коли буде фінансування: за відсутності коштів не варто витрачати сил.

Звичайно, прискорювач створюється не для одного експерименту, нехай найважливішого сьогодні, але необхідні параметри установки краще показати на конкретному завданні, вибравши найбільш складний експеримент.