Галина МЯЛКОВСКАЯ

АКУЛИНА и легкие ядра: трижды уникальный эксперимент

Опубликовано в еженедельнике ОИЯИ "Дубна"  № 6 (2021)

В конце января в Лаборатории ядерных реакций имени Г.Н.Флерова закончился очередной эксперимент на установке АКУЛИНА. Проводился он с целью изучения тяжелого изотопа водорода ⁵Н. В этом эксперименте впервые в мире была применена мишень из жидкого трития, бомбардируемая пучком тритонов. Это возможно, главная, но отнюдь не единственная особенность эксперимента. Подробнее рассказать о работе мы попросили начальника сектора легких экзотических ядер НЭФО ЛЯР Гургена Мкртычевича Тер-Акопьяна.

Гурген Мкртычевич, несмотря на то, что наша газета ориентирована в основном на специалистов, имеющих представление о том, что происходит на установках ОИЯИ, давайте начнем с физической основы эксперимента. При взаимодействии двух ядер трития получаются протон и ядро ⁵Н, которое вскоре распадается на тритий и два нейтрона. Почему изучение именно нейтронно-избыточного ядра ⁵Н представляет для науки такой интерес?

Изучение свойств изотопа водорода с массовым числом 5 представляет часть программы исследования легких нейтронно-избыточных ядер, выполняемой в нашей лаборатории. Это ядро, так же как и более легкий изотоп ⁴Н, нестабильно в отношении самопроизвольного испускания нейтронов. Оно распадается за очень короткое время – в среднем через 10^-22 секунды после образования в ядерной реакции. Однако его время жизни в десятки раз больше по величине, чем характерное ядерное время, которое оценивается как среднее время, затрачиваемое ядерным нуклоном для пересечения ядра по его диаметру. Поэтому ⁵Н – это в известной степени обычное ядро, изучение которого заключается в получении сведений о энергии и ширине и о других квантовых характеристиках его резонансных состояний, о вероятности его образования в различных ядерных взаимодействиях. Кстати, о времени жизни подобных нестабильных ядер судят по ширине их резонансных уровней.

Ядро ⁵Н было получено впервые в 1999 году в экспериментах, проведенных нами в Дубне совместно с группами из РИКЕН (Япония), ГАНИЛ (Франция) и Курчатовского института (Москва). В тот раз резонансное состояние ⁵Н было обнаружено при бомбардировке ядер водородной мишени пучком экзотических ядер ⁶Не, полученным на установке АКУЛИНА. В ядерных взаимодействиях ускоренных тритонов с тритиевой мишени, мы надеемся получить новые данные об обнаруженном уровне ⁵Н и найти другие резонансные уровни этого ядра. Будут получены новые данные о другом малоизученном нестабильном ядре ⁴Н. Новым в этих экспериментах было и то, что впервые наряду с регистрацией протона, вылет которого сопровождается образованием ⁵Н, мы регистрировали тритон и два нейтрона, то есть все продукты распада этого ядра. Мы надеемся, что сравнение полученных данных с имеющимися теоретическими расчетами значительно обогатит наши представления о свойствах ядер, находящихся за границей нейтронной стабильности. Уже сейчас мы надеемся, конечно же, с долей осторожности, что еще более тяжелый изотоп водорода ⁷Н может существовать в течение более продолжительного отрезка времени, чем ⁵Н. Если эта надежда оправдается, это будет означать, что стабильность ядер водорода повышается с увеличением числа нейтронов.

В наших планах получение ядра ⁷Н – одна из ближайших задач. Очень важно также исследовать целый ряд нейтронно-избыточных изотопов гелия, лития, бериллия и других легких элементов. Кто знает, возможно, удастся когда-то получить нуклонно-стабильные изотопы этих элементов, находящиеся за пределами известной линии нейтронной стабильности. Во всяком случае, столь фантастическое на первый взгляд предположение в настоящее время не может быть окончательно отвергнуто теорией.

Изучение таких ядер ведется в мире не первый год. Что дает применение в экспериментах радиоактивных пучков? И сразу следующий вопрос – обладает ли какими-нибудь особенностями пучок тритонов, используемый в этот раз?

Нейтронно-избыточные ядра действительно изучаются давно, но с применением радиоактивных пучков произошел резкий скачок в этом направлении, значительно расширились возможности. Сейчас легчайшие нейтронно-избыточные ядра изучаются во Франции (ГАНИЛ, Кан), США (MSU, Ист Лансинг. Мичиган), Японии (РИКЕН, Вако, Саитама), Германии (ГСИ, Дармштадт). Наряду с пучками ядер ⁶Не, ⁸Не, ¹¹Li и другими пучок тритонов очень эффективен для продвижения за линию нейтронной стабильности благодаря значительному избытку нейтронов у ядер ³Не. Столь же эффективным для этой цели является применение ядер трития в качестве мишени, облучаемой этими пучками. Преимущество пучка тритонов в его интенсивности. Дело в том, что тритий накапливают в ядерных реакторах в весовых количествах, и его ядра можно ускорить на нашем циклотроне так, как ускоряют стабильные ядра. Наш пучок тритонов уникален по величине энергии ускоренных частиц. Раньше нас тяжелый водород ⁵Н пытались получить в Лос-Аламосе, бомбардируя тритиевую мишень пучком тритонов с энергией около 25 МэВ. Этой энергии оказалось недостаточно для образования ⁵Н. В нашей лаборатории на циклотроне У-400М впервые в мире пучок тритонов ускорен до энергии 58 МэВ. С таким пучком мы могли получать ядра ⁵Н, образующиеся во всем спектре их резонансных уровней. Для нашего эксперимента это принципиально важно.

Расскажите теперь о тритиевой мишени и о работе, которая предшествовала ее созданию.

Идея получить пучок тритонов, а также идея создания жидкой тритиевой мишени была выдвинута научным руководителем нашей лаборатории Ю.Ц.Оганесяном. Он привлек к этому специалистов из Сарова (ВНИИЭФ), которые долгое время работают с тритием, владеют технологиями, важными и для создания мишени, и для того, чтобы подать газ трития на ионный источник циклотрона.

Созданная жидкая тритиевая мишень специально предназначена для экспериментов на радиоактивных пучках. Радиоактивность трития не самая большая – 1000 кюри, тем не менее, обращаться с ним надо очень осторожно. Необходимо было предпринять меры, чтобы не загрязнить окружающую среду, обеспечить безопасность персонала. Нужно было создать тонкие окна, соединив герметическими сварными швами 10-микронные фольги нержавеющей стали с корпусом мишенной ячейки, которая в рабочих условиях охлаждена до температуры 20 К (-253^оС). Эта работа была выполнена в Сарове. Мишень была установлена в нашей лаборатории в реакционной камере установки АКУЛИНА. Она надежно проработала в трехмесячном сеансе на пучке тритонов и зарекомендовала себя с лучшей стороны.

Мы приобрели большой опыт, если говорить о методической стороне дела. Сейчас в наших планах построить еще одну такую мишень, предназначенную для работы на DRIBs.

Еще одна, не менее важная сторона любого эксперимента – система детекторов. Здесь вы тоже применяли какое-нибудь новшество?

Нами применялась сложная система детекторов, которая регистрировала заряженные частицы – протоны, дейтроны, тритоны, альфа-частицы, ядра ³Не. Наряду с ними мы регистрировали нейтроны. Для этой цели целый комплекс нейтронных детекторов DEMON нам предоставила крупная коллаборация нескольких европейских научных центров, создавшая эту уникальную установку. С помощью этих детекторов мы накопили большой объем статистически достоверных данных, которые позволяют восстановить процесс распада ⁵Н, наблюдая корреляцию двух испущенных нейтронов и тритона. В эксперименте участвовали наши коллеги из других научных групп, вместе с которыми два года тому назад было начато изучение ядра ⁵Н. Их участие помогло в создании более мощной системы сбора и записи данных.

Какой объем работы предстояло выполнить, чтобы начать эксперимент?

Надо было начать с нуля. Построить источник ионов, построить специальный канал инжекции, чтобы подавать ионы в центр камеры и ускорять. Причем, подать тритий и ускорять его надо было так, чтобы оставалось как можно меньше неизрасходованного вещества, которое затем пришлось бы утилизировать. Необычную для нас задачу представило создание пучка тритонов, отличающегося очень маленьким разбросом частиц по энергии и траектории движения, мониторирование интенсивности пучка величиной в 10⁶–10⁸ частиц за секунду. Это было сделано уже на нашей АКУЛИНЕ. Для этого нужно было почти в два раза удлинить ее пучковую линию, вывести пучок из зала нуклотрона, “пройдя” бетонную стену двухметровой толщины, и установить реакционную камеру с мишенью во вновь построенном помещении, удовлетворяющем условиям работы с тритием. Также надо было приобрести детекторы, в этом нам помогли коллеги из ЛФЧ и ЛЯП. Все было начато в мае 2000 года, а уже в октябре руководство спрашивало: почему не начинаете? Приходилось работать в предельно сжатые сроки.

В таким случае, Гурген Мкртычевич, было бы несправедливо столько говорить об эксперименте и не упомянуть о людях, которые в нем задействованы...

Много потрудиться пришлось группе С.Л.Богомолова, чтобы получить стабильный пучок из ионного источника. Очень много сделано группой циклотрона – Г.Г.Гульбекяном и его коллегами для того, чтобы пучок был получен. Хотелось бы отметить отличную работу группы циклотрона У-400М. Все силы этому эксперименту отдали сотрудники сектора – А.М.Родин, А.С.Фомичев, М.С.Головков, Д.Д.Богданов, С.И.Сидорчук, С.В.Степанцов, Р.С.Слепнев, В.А.Горшков, М.Л.Челноков, Р.Вольски – наш сотрудник из Польши...

Наше интервью, возможно, несколько затянулось, но все-таки я не могу не задать еще один вопрос – о прикладных аспектах эксперимента.

В программах крупных установок, которые сейчас создаются и в ОИЯИ, и в мире, обязательно предполагается работа с радиоактивными пучками. В медицинских целях для диагностики уже применяются радиоактивный углерод, кислород, азот. Радиоактивные пучки перспективны для биологических исследований, для модификации свойств материалов.

Если говорить непосредственно о тритиевой мишени, то мне кажется, что методы обращения с водородом и его изотопами, которые применялись при ее создании, могут быть перспективными для других целей. Надо было добиться ювелирной сварки тонких фольг, обеспечить герметичность. Также и подача газа в ионный источник - она производится через тончайшие фильтры. Думается, эти технологии найдут применение.