Скандинавські нейтрони

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 55

Майбутній комплекс. Від кільця прискорювача MAX IV його відділяє кілька будівель. Зображення: ESS

Навесні 2018 року ESS (European Spallation Source — Європейське імпульсне джерело) організував екскурсію для групи наукових журналістів, серед яких опинився і наш кореспондент Д. А. Васильєв. ESS — багатопрофільний дослідницький центр на півдні Швеції, біля старовинного університетського містечка Лунда. Там будується об’єкт, який з часом стане найдовшим лінійним протонним прискорювачем з найяскравішим нейтронним джерелом. Він буде готовий до 2023 року, проте навіть зараз про об’єкт, що тільки будується, є що розповісти.

Є в Асгарді місце Хлідскьяльв. Коли Один сидів там на престолі, він бачив всі світи і всі справи людські, і була йому відома суть всього видимого.

Молодша Едда. Видіння Гюльві

Місце для нейтронів

Дослідження із застосуванням нейтронів почалися з повоєнних експериментів Кліффорда Шалла і Ернеста Уоллена в Окриджській національній лабораторії США та їхнього канадського колеги Бертрама Брокхауса з Ядерної лабораторії в Чок-Рівер. Ці дослідження дозволили вперше отримати знімки молекулярних структур речовини, а Шалл і Брокхаус удостоїлися Нобелівської премії 1994 року «за створення нейтронної спектроскопії». Уоллен не дожив до заслуженого визнання.

Свої досліди Шалл і Уоллен ставили на нейтронах, які виходили як побічний продукт ядерної реакції в окриджському атомному реакторі. А перше велике джерело, зроблене спеціально для нейтронної спектроскопії, побудували в гренобльському Інституті Лауе і Ланжевена в 1971 році. Однак з часом нейтронні джерела на ядерних реакторах наблизилися до межі своїх можливостей, і на зміну їм прийшла нова технологія — імпульсних джерел. Головним у ній є прискорювач протонів. Розігнані в ньому згустки частинок бомбардують мішень з будь-якого важкого металу. Високоенергійна частинка, що влітає в ядро, взаємодіє з його окремими нуклонами і вибиває їх з ядра. Залишок знаходиться в стані сильного збудження, яке зніметься за рахунок випускання гамма-квантів, протонів, нейтронів і більш складних частинок. При цьому заряджені частинки швидко втрачають енергію на іонізацію матеріалу мішені, а протони виявляються основною компонентою, що вилітає з неї. Їх збирають, формують пучок і відправляють у дослідницький прилад. Перше таке джерело побудували в Аргонській національній лабораторії Міненерго США 1981 року, а закрили 2008-го. Імпульсні джерела відрізняються від реакторних стабільністю роботи, безпекою, високою яскравістю і можливістю створення спрямованого пучка.

Випробувальний макет детектора нейтронів

Європейська асоціація користувачів нейтронних джерел (European Neutron Scattering Association, ENSA) висловлювалася за будівництво найпотужнішого джерела ще з 1993 року, проте цей проект отримав зелене світло лише в 2011-му, коли 17 країн підписали меморандум про взаєморозуміння і визначили місце побудови майбутнього комплексу в Швеції з центром обробки і зберігання даних в Данії, в Копенгагенському університеті. Спочатку на роль будинку для ESS претендували ще два міста: іспанський Більбао і Дебрецен в Угорщині, але в підсумку вибір припав на містечко Лунд на півдні Швеції. Його вигідно відрізняли кілька параметрів. По-перше, це старовинне студентське містечко; в Лундському університеті сьогодні знаходиться частина лабораторій, які пізніше переїдуть в споруджувані для них будівлі на території ESS. По-друге, він розташований поблизу вже діючого комплексу MAX 4 — найпотужнішого джерела синхротронного випромінювання. Це дозволить проводити комплексні матеріалознавчі дослідження із застосуванням обох джерел. По-третє, транспортна доступність: місто знаходиться поблизу міжнародного аеропорту Копенгагена і дістатися до нього можна на поїзді за 40 хвилин. Від залізничної станції до самого комплексу курсуватиме трамвай, лінія якого зараз будується. Будівництво ж самого ESS почалося в 2014 році.

Нейтрони у фізиці, хімії, біології

Чим гарні нейтрони для різного роду досліджень? Будучи нейтральними частинками, вони, рухаючись у твердій речовині, як взаємодіють безпосередньо з ядрами атомів, так і проникають у міжатомні простори. Тому за розсіювання нейтронів можна судити про просторове розташування атомів і про ізотопну будову речовини. Крім того, через наявність власного магнітного моменту вони дають інформацію про внутрішній магнітний порядок.

Нейтрони глибоко проникають у речовину, тому в камеру для досліджень можна поставити невелику експериментальну установку і стежити за процесами — динамікою хімічних перетворень, рухом біологічних об’єктів, зміною структури твердих тел. Нейтрони відмінно підходять для зондування: з їх допомогою можна дослідити атомні структури і сили різних об’єктів — починаючи від величезної деталі і закінчуючи медичними препаратами або білками. При цьому чим яскравіше джерело, тим більш високої роздільної здатності знімка можна досягти. Якраз для забезпечення максимально яскравого пучка нейтронів і будується ESS. Самі творці, порівнюючи своє дітище з нині існуючими джерелами, характеризують його так: «Різниця така, як якщо робити фотографії при свічці або з потужним спалахом».

Сам комплекс не буде ініціатором наукових досліджень, його завдання — забезпечити доступ дослідникам до нейтронного джерела, його приладів і обробити отримані дані. Для проведення експерименту в ESS потрібно буде подати заявку в комісію, яка вирішить, кому і в якій черговості надати доступ до обладнання. Пріоритет отримають, зрозуміло, країни — засновники проекту. Такий підхід також забезпечить недоступність для військових досліджень — ідея ESS полягає у виключно мирному використанні, на відміну від того ж Окриджа. Заявки можна подавати вже на 2019 рік, правда, в цей час на прискорювачі ще буде проводитися налагодження обладнання, так що потенційним дослідникам доведеться миритися з перебоями і зупинками в роботі джерела. Повноцінна робота запланована після 2023 року.

Особливий інтерес представляє модель забезпечення проекту. Більшу частину фінансування (планували 1,864 млрд. євро, зараз сума вже перевищила 1,9 млрд.) взяли на себе приймаючі держави — Швеція і Данія, інші ж країни-учасниці забезпечують комплекс обладнанням і надають обслуговуючий персонал, який налічуватиме без малого шість тисяч осіб. Так, на момент проведення екскурсії італійська сторона поставила іонне джерело (на фото зовсім нове, навіть ще в пакувальній плівці).

Іонне джерело — перше обладнання, поставлене за схемою «натурального» внеску в проект італійським Національного інституту ядерної фізики. Його лабораторія в Катаньї робить таке обладнання вже більше тридцяти років

Скандинавський соціалізм проявляється не тільки у вільному доступі до джерела для цивільних дослідників, але і в обробці даних. Всі результати досліджень стають відкритими через три роки — цей термін вважається достатнім для того, щоб вчені опублікувала статті про свою роботу або написали дисертацію на її основі. При такій схемі потужності комплексу надають безкоштовно, але тому, хто захоче, щоб дані відразу потрапили у відкритий доступ, доведеться заплатити за використання ресурсів ESS. Як заявляє керівництво комплексу, такий підхід може забезпечити не більше 10% фінансування. До речі, засновники проекту збираються піти ще далі: у перспективі створити єдину загальноєвропейську базу з нейтронних досліджень, де будуть зібрані результати всіх експериментів з цієї теми.

Робота джерела та приладів

Серце комплексу — нейтронне джерело, воно складається з протонного прискорювача довжиною 600 метрів і потужністю 2 ГЕВ і вольфрамової (замість традиційної для таких джерел ртутної) мішені, в результаті бомбардування якої і утворюються нейтронні пучки. Навколо мішені розташовані резервуари з водою і з рідким воднем, що служать уповільнювачами потоку, і 15 приладів та інструментів — з часом їх стане 22.

Для отримання протонів у прискорювачі використовують іонне джерело, де газоподібний водень нагрівають електромагнітним полем до стану плазми. Відокремлені від електронів протони потрапляють спочатку в радіочастотний квадруполь, там вони групуються в згусток і отримують енергію в 3,6 МеВ. Далі поперечні і поздовжні характеристики згустку аналізуються і коригуються в транспортувальнику пучків середньої енергії. Звідти пучок прямує в дрейфові трубки лінійного прискорювача. На цьому етапі важливо скоригувати пучок протонів і надати йому достатнє прискорення. Пролетівши по трубках 50 метрів, протони потрапляють у надпровідні камери, які охолоджуються рідким гелієм до _ 271 ° C. Далі пучок прискорюється через лінійні прискорювачі — Medium Beta Linac (MBL), High Beta Linac (HBL) — до 96% швидкості світла і потрапляє у високу мішень через транспортувальник.

Система охолодження джерела

Сама мішень являє собою обертовий диск зі сталевого каркаса діаметром 2,6 м і вагою в 11 тонн з вольфрамовими блоками. Її охолоджують газоподібним гелієм, є також система резервного водяного охолодження. Вибір саме на користь вольфраму в якості мішені був зроблений як через міцність матеріалу, так і в силу того, що при бомбардуванні вольфраму виходить велика кількість нейтронів. Саме це рішення дозволило домогтися небувалої яскравості джерела — вона в сто разів вища, ніж у будь-якого з існуючих нейтронних джерел. Нейтрони, що утворилися, потрапляють у заповнений воднем або водою уповільнювач з відбиваючим шаром з берилію. (На першому етапі, поки ESS не вийшов на повну потужність, уповільнення буде водяне.) Уповільнені нейтрони спеціальними каналами в результаті надходять в дослідницькі станції, побудовані навколо мішені. Саме приміщення з мішенню облицьовано сталлю для запобігання витокам іонізуючого випромінювання. Серед інших заходів безпеки — роботизована система для заміни зношених матеріалів, наприклад, сталі навколо вольфрамових блоків, яка швидко зруйнується.

Тунель прискорювача протяжністю 600 метрів

Апаратура — це в першу чергу різні дифрактометри, наприклад DREAM (Diffraction Resolved by Energy & An^ Measurements) — порошковий дифрактометр, HEIMDAL — гібридний дифрактометр, MAGiC (Magnetism Single-Crystal tifific) Серед інших приладів — рефлектометри ESTIA і FREIA, ODIN — багатоцільовий «бог» для отримання зображень, для маловуглового нейтронного розсіювання будуть побудовані LoKI і SKADI. Також у розпорядженні дослідників будуть цілих п’ять спектрометрів: BIFROST, CSPEC, MIRACLES, T-REX и VESPA. Неважко помітити, що багато приладів отримали назви на честь богів скандинавського пантеону, — напевно, це данина поваги приймаючій стороні.

Мішень з навколишніми її дослідницькими станціями. Зображення: ESS

Нейтрони в дії

Дослідники Боннського університету Томас Енглер і Ян Цзу-Жуей вирішили скористатися нейтронною томографією в мюнхенському Дослідницькому центрі ім. Хайнца Майєра-Лейбніца для вивчення найціннішої палеонтологічної знахідки — яєць динозаврів, виявлених у Китаї 2006 року. Її унікальність полягає в тому, що в одному гнізді були знайдені відразу три яйця, з зародками на різних стадіях розвитку. Це з’ясували за допомогою рентгена, однак він не дав можливості розглянути деталі. До Німеччини яйця доставили для того, щоб за допомогою нейтронів під керівництвом доктора Малгожати Маковської побачити, що у них всередині, і побудувати тривимірні зображення вмісту.

Яйця динозавра. Фото: Wenzel Schürmann / TUM

Іншим прикладом застосування нейтронів для вивчення старожитностей може служити робота Маковської на тій же установці з дослідження черепа штекелерії — злегка схожої на носорога тварини, яка жила 230 млн тому, в тріасовому періоді. Вважається, що такі тварини сприймали звук за допомогою невеликої кісточки на нижній щелепі, але у досліджуваного об’єкта, навпаки, подібна кісточка дуже масивна. Що це атавізм чи вона була частиною слухового органу? За допомогою нейтронної томографії побудували комп’ютерну тривимірну модель черепа, досить детальну, щоб знайти біологи змогли пошукати відповідь на питання.

Нейтронна реконструкція черепа штекелерії і сам череп (праворуч). Фото: Malgorzata Makowska, Michael Laaß, Ingmar Werneburg

Джерело FRM II належить до числа реакторних джерел. Працює він так. З атомного реактора виводиться пучок нейтронів. Вони б’ють по урановій мішені, викликаючи реакцію ділення і породжуючи істотну кількість нових нейтронів, які і служать робочим інструментом дослідника.

Дослідники компанії Synthelis SAS, Гренобльського університету та Інституту Лауе і Ланжевена вперше вивчили роботу мембранного білка p7 вірусу гепатиту С у природному середовищі і в реальному часі. Цей білок відіграє ключову роль у механізмі зараження вірусом, але до тих пір залишався маловивченим. За допомогою нейтронного рефлектометра FIGARO в Інституті Лауе і Ланжевена, де встановлено потужне нейтронне джерело, вдалося з роздільною здатністю в нанометри побачити структуру білка p7 після його закріплення на ліпідному бісле, який зображував мембрану клітини. За словами керуючого директора Synthelis Бруно Тілліера: «Нейтрони виявилися головними в цьому проекті, оскільки нам потрібно було вивчити структуру білка p7 в його природному середовищі. Тепер ми можемо використовувати цей метод для вивчення інших мембранних білків в ліпідному бісле «. Не виключено, що нове дослідження посприяє розвитку вакцини від вірусу.

Вірус гепатиту С прикріплюється до клітки. Зображення: Synthelis / Illuscienci

Нейтронні знімки відмінно збігаються з розрахунковими зображеннями. Фото: Argonne National Laboratory

Аргонська національна лабораторія Міненерго США скористалася нейтронами для дослідження корельованих електронних структур у металах. Зазвичай електрони в металі не пов’язані один з одним, проте є деякі речовини, де зв’язки між ними занадто сильні, щоб можна було їх ігнорувати, — в цих речовинах виникають корельовані електронні системи. Їх стабільність залежить від температури. Одне з цікавих теоретичних передбачень — при високих температурах в таких системах виникають флуктуації, які істотно знижують рухливість електронів. Матеріалознавці вивчають подібні електронні структури вже понад півстоліття, але тільки завдяки нейтронним джерелам вдалося співвіднести реальну поведінку електронів з тими картинками, що дають математичні моделі. За словами керівника групи Рея Озборна, «нейтронне розсіювання — єдиний метод дослідження, який чутливий до всього спектру електронних флуктуацій». Завдяки цьому методу вдалося безпосередньо побачити електронні флуктуації і, що найголовніше, отримати непоганий збіг з розрахунковими даними.