О ядрах и ускорителях. Что такое «хороший» ускоритель

О ядрах и ускорителях. Что такое «хороший» ускоритель
Ю. Ц. Оганесян, академик
записала Н. Теряева
Ускорители тяжелых ионов Лаборатории ядерных реакций имени Г.Н. Флерова в Дубне
объединились в комплекс DRIBs — Dubna Radioactive Ion Beams (пучки радиоактивных ионов).
На ускорителях комплекса получены пучки гелия-6, ядро которого — альфа-частица (она состоит из
двух протонов и двух нейтронов), окруженная гало из двух слабо связанных с ней нейтронов. О
работах по исследованию реакций под действием этих экзотических изотопов, ведущихся в
лаборатории, известной своими открытиями сверхтяжелых элементов, и о планах на будущее
рассказывает ее научный руководитель академик Юрий Цолакович Оганесян.
Новый ускорительный комплекс DRIBs нацелен на изучение ядерных реакций и синтез новых ядер под
действием нестабильных (радиоактивных) пучков ионов, обогащенных протонами или нейтронами.
Например, с пучками не гелия-3 или гелия-4 — стабильных изотопов элемента гелия, а гелия-6 или гелия-8,
период полураспада которых составляет около 0,8 и 0,1 секунды соответственно. Эти изотопы сначала
нужно получить в ядерной реакции (что нелегко), затем отделить от побочных продуктов, ионизовать,
ввести в другой ускоритель, ускорить до необходимой энергии и только тогда исследовать реакции под
действием этих экзотических ядер.
Для этого нужны два ускорителя. Один из них — производящий, в нашем варианте это циклотрон У-400М.
Он ускоряет стабильные ионы лития и создает их интенсивный пучок. Пучок лития взаимодействует с
мишенью из бериллия, вызывая ядерные реакции. Но нас интересует только процесс превращения
стабильного лития в радиоактивный изотоп гелий-6, то есть реакция, ведущая к потере литием одного
протона. Ядро гелия-6 интересно тем, что в отличие от стабильного и очень устойчивого ядра гелия-4 имеет
очень необычную структуру. Дополнительные два нейтрона находятся не внутри ядра гелия-6, а бoльшую
часть времени далеко (по ядерным масштабам) за его пределами. Их даже называют валентными
нейтронами.
Подобная структура — сердцевина (хорошо связанный гелий-4) плюс два внешних нейтрона (нейтронное
гало) — совершенно новый объект в ядерной физике. В отличие от ядер, плотность которых примерно
одинакова, гелий-6 в ядерных реакциях ведет себя совершенно особым образом. При подлете к ядрумишени первыми, казалось бы, должны вступить во взаимодействие внешние нейтроны. Вопрос в том, что
будет с ядром-сердцевиной: то ли валентные нейтроны перейдут в ядро мишени, а сердцевина — гелий-4 —
будет отвергнута, то ли, наоборот, отвергнуты будут нейтроны, а гелий-4 перейдет в ядро-мишень, то ли
нейтроны потянут за собой сердцевину и ядро мишени целиком поглотит ядро гелия-6. Таким образом,
имеются три сценария вместо одного, когда используется стабильный изотоп — гелий-4, который либо
поглотится, либо будет отвергнут.
Вспомним, что гелий-6 живет меньше секунды. За это время нужно суметь перенести продукты реакции в
ионный источник, снова их ионизовать, вытащить из его плазмы, отделить ионы гелия-6 от других
продуктов реакции и передать пучок гелия-6, пока еще очень малой энергии, в другой ускоритель. Второй
ускоритель находится примерно в ста метрах от первого. Преодолев это расстояние за 0,1 миллисекунды,
пучок гелия-6 с низкой энергией попадает во второй ускоритель и там приобретает высокую энергию.
Потом его выводят и используют. Вот так в два этапа и получают пучки радиоактивных ядер на установке
DRIBs.
Теперь можно подумать и о других реакциях синтеза сверхтяжелых элементов. До сих пор для этих целей
мы использовали пучок ионов стабильного, но очень редкого и дорогого изотопа — кальция-48. По
сравнению с наиболее распространенным изотопом — кальцием-40 — он имеет важное преимущество:
большой избыток нейтронов. Возник вопрос: нельзя ли получить пучок пусть нестабильных, но более
тяжелых и тоже сильно обогащенных нейтронами ядер, чтобы продвинуться дальше в синтезе сверхтяжелых
элементов?
В принципе можно, если удастся найти реакцию, в которой получится достаточно большое количество этих
нейтронно-избыточных ядер. Здесь трудно найти другой способ, кроме ядерного деления, потому что при
делении тяжелого ядра, например урана, образуются ядра-осколки с большим избытком нейтронов. Задача
сводится к ускорению осколков деления урана, которые послужат «снарядами» для получения
сверхтяжелых элементов. Осколков много, и среди них есть один, столь же (если не более) уникальный, как
кальций-48. Это изотоп олова-132 с периодом полураспада 40 секунд! Он имеет на 8 нейтронов больше, чем
самый тяжелый стабильный изотоп олова — олово-124. Возможно, это был бы второй путь получения
сверхтяжелых элементов, более стабильных изотопов этих элементов и поэтому более перспективных для
широкого круга физических и химических исследований. Но нам пока неясно, насколько эффективней
окажется реакция синтеза с пучком олова-132 по сравнению с кальцием-48. Неясна вероятность слияния
столь массивного ядра с ядром мишени, ведущего к образованию нового элемента.
Здесь задача разделяется на две части.
Первая относится к области ускорительной техники: как получить ускоренные осколки деления?
Необходимо понять: способен ли ускорительный комплекс типа DRIBs ускорять осколки деления? Для
современных ускорительных установок, в том числе и для DRIBs, это посильная задача. Концептуально
подобный проект, привязанный к нашим базовым ускорителям, у нас уже есть. Однако он слишком дорог по
отечественным масштабам финансирования. Поэтому мы пока его не то чтобы «заморозили», а лучше
сказать — начали реализовывать «с конца» — с реконструкции ускорителей, которые нуждаются в
модернизации не только в плане синтеза элементов, но и для многих других научных направлений
лаборатории.
Вторая задача связана с физикой — с исследованием процессов слияния массивных ядер тяжелее кальция48. Чтобы оценить шансы на успех, мы уже в этом году поставим модельный эксперимент. Попытаемся
получить изотопы не сверхтяжелого, но достаточно тяжелого 108-го элемента, используя слияние двух ядер
ксенона-136 (атомный номер ксенона — 54). Пучок стабильного изотопа ксенона-136 на нашем ускорителе
У-400 имеет достаточно высокую интенсивность. Этот же изотоп в виде газа будет использован в качестве
материала мишени. В данном опыте мы надеемся получить количественные данные о вероятности слияния
двух ядер ксенона. Затем, в зависимости от результата, оценим возможности в использовании пучка олова132, интенсивность которого, даже по самым оптимистическим прогнозам, будет существенно уступать
имеющейся интенсивности пучка ксенона-136.
Если эффект окажется положительным — бросим на эти работы все силы, если нет, — быть может,
останется красивая идея и придется (уже в который раз!) искать новые пути. Однако в любом случае
«фабрика радиоактивных пучков» открывает широкие перспективы в исследовании свойств ранее
недоступных ядер с необычным соотношением протонов и нейтронов, находящихся на границе ядерной
стабильности.
Модернизация ускорителя подразумевает улучшение его рабочих параметров. Однако понятие «хороший»
или «плохой» ускоритель должно опираться на какие-то стандарты. Они не определены и иногда
преподносятся в разных вариантах. Я как-то давно увидел в одной французской лаборатории плакат с
определением, сформулированным американскими физиками. Мне оно показалось вполне приемлемым.
С их точки зрения, к «хорошим» ускорителям можно отнести установки, которые остаются актуальными
около двадцати лет. Это, пожалуй, первое и важное условие. Естественно, параметры ускорителя с годами
постепенно улучшаются посредством различных технических усовершенствований. Второе условие —
стоимость сооружения и эксплуатации установки. Если средства, затраченные на строительство ускорителя
и последующую его эксплуатацию в течение указанных двадцати лет, составляют не более 20 процентов от
затрат на использование его пучков (имеются в виду все научно-исследовательские и прикладные работы со
своим экспериментальным оборудованием и инфраструктурой), то идея создания этой установки вполне
оправдана. Конечно, критерии не жесткие, да и названное время — срок условный, но они позволяют
понять, что «игра стоила свеч».
Иными словами, ускоритель, пусть большой и дорогой, тоже лишь часть оборудования в общей постановке
задачи. Другое дело, что эту часть используют в разных экспериментах. И она в каждом эксперименте
должна соответствовать поставленной цели. Все ускорители нашей лаборатории этим требованиям
удовлетворяют. А если учесть, что к нам на ускоритель едут работать группы со своей дорогостоящей
аппаратурой, то затраты на его создание окупятся значительно раньше двадцати лет.
Вместе с тем надо всегда помнить, что мы не одни, что где-то строятся и другие, более современные и
совершенные установки. И приходится думать, следует ли сейчас остановиться и вплотную заняться
созданием новой установки или же усовершенствовать свою ускорительную установку под конкретные
задачи, которые вновь выведут ее на передовой уровень. Тут многое, если не все, определяют человеческие
и материальные ресурсы, которые, конечно, не безграничны. Если модернизация не выливается в
грандиозное мероприятие, то ее нужно делать, и делать быстро. Если же это не под силу, стоит поискать
другие пути. А если не найдутся решения, надо набраться смелости и остановить, а еще лучше —
демонтировать этот ускоритель, чтобы он не отвлекал силы, средства и не занимал места. И тянуть с этим
делом не следует. Если посмотреть историю Лаборатории ядерных реакций, то у нас зачастую так и было.
Помню случай, когда я сам оказался в тяжелом положении, решил большой ускоритель для работ закрыть
целиком и начать его коренную реконструкцию. В то время установка выдавала рекордные пучки, но уже
было видно, что еще год-два — и это преимущество исчезнет. Придется наверстывать упущенное время,
к тому же все делать впопыхах, а значит, некачественно и с ошибками. Лучше раньше вступить на этот
тяжелый путь, путь перевоплощения ускорителя. Последнее поколение всех наших модернизированных
ускорителей совсем непохоже на своих предков, от которых мало что остается. Иногда целые узлы
заменяются новыми, работающими на другом принципе, а сохраняются только те, которые удовлетворяют
современным требованиям. Я убежден, что любой ускоритель, большой или малый, — физический прибор
для научных исследований. И если прибор не годится, надо от него отказаться и создавать новый. Конечно,
за это время идея может устареть, а задуманные тобой эксперименты выполнят в других лабораториях. Ну
что же, значит, не судьба, но и не трагедия. В любом случае все составляющие эксперимента — ускоритель,
экспериментальная установка, детекторы, электроника и прочее — должны соответствовать поставленной
задаче. Если такая гармония будет, то будет и желаемый результат. А если чего-то не хватает, добиться цели
трудно. Чудес не бывает.
Поэтому в реальной научной жизни нашей лаборатории желательно иметь две параллельные,
но согласованные программы развития — ускорительную и экспериментальную. В экспериментах по
синтезу сверхтяжелых элементов это особенно актуально. Перед началом опытов наш ускоритель имел
почти рекордные параметры по сравнению с мировыми аналогами, но нам их явно не хватало. Надо было
либо оставить все, как есть, и отказаться от задуманного эксперимента, либо выключить ускоритель и тем
самым на некоторое время лишить себя возможности проводить любые исследования.
Как видите, возникает необычная и напряженная ситуация: хорошо известный тезис «лучшее — враг
хорошего» переходит в «быть — или не быть». Для того чтобы «быть», приходится многое менять.
И никуда не денешься — действительно многое, да почти все поменяли, чтобы получить интенсивный
пучок кальция. Старый ускоритель так безумно расходовал дорогой кальций, что мы вылетели бы в трубу с
такими затратами.
Мы могли бы и дальше продолжать эксперименты по этой тематике, поскольку наши ускорители в
принципе «тянут». Но для того чтобы получить новое качество, всегда нужны затраты. Ускорители
соединить в один комплекс, построить галерею... Мы пошли на это решительно и сделали достаточно
быстро — за три года. От идеи до момента получения первого пучка — три года!
Мы еще не всем довольны, так как не достигли пока всех проектных параметров. Но пучок ионов гелия-6,
который был получен еще в 2005 году, вполне достаточен, чтобы начать эксперименты на современном
уровне. Их и начали, а в прошлом году результаты доложили на всех крупных международных
конференциях. Будем «вытягивать» проектные параметры по ходу дела. Вторую стадию установки начнем,
когда будет финансирование: в отсутствие средств не стоит тратить сил.
Конечно, ускоритель создается не для одного эксперимента, пусть самого важного сегодня, но требуемые
параметры установки лучше показать на конкретной задаче, выбрав наиболее сложный эксперимент.
Опубликовано в журнале «Наука и жизнь» №7, 2007 г.