Получение изотопов на ускорителях

Далеко не все изотопы можно получать в атомных реакторах по ядерным реакциям с участием нейтронов. Многие радионуклиды синтезируют на ускорителях протонов и тяжелых ионов.

Ускорители заряженных частиц - установки для получения заряженных частиц (электронов, протонов, ионов) больших энергий с помощью электрического поля. Частицы движутся в вакуумной камере; управление их движением (формой траектории) производится магнитным полем. По характеру траекторий частиц различают циклические и линейные ускорители, а по характеру ускоряющего электрического поля - резонансные и нерезонансные ускорители. К циклическим относятся ускорители электронов: бетатрон, микротрон, синхротрон и ускорители тяжёлых частиц (протонов и др.): циклотрон, фазотрон и протонный синхротрон. Все циклические ускорители, за исключением бетатрона, - резонансные.

Ускорители электронов дают пучок электронов строго фиксированной энергии, причём и поток и энергия электронов могут варьироваться в широких интервалах. В настоящее время в промышленности и технологических центрах всего мира используется иоо ускорителей с энергией электронов (0.44-5) МэВ и мощностью (Ю4-200 кВт).

Пучки ускоренных электронов редко используются для синтеза изотопов, обычно они направляются на мишень из тяжёлого и тугоплавкого металла. При торможении электронов в поле тяжёлых ядер возникают потоки электромагнитного излучения рентгеновского или гамма- диапазонов. Тормозное излучение используется для синтеза изотопов через фотоядерные реакции (с использованием гигантского резонанса). Источниками мощного рентгеновского излучения являются накопительные кольца синхротрона на энергию 0,64-1 ГэВ. Уникальные свойства синхро- тронного излучения (широкий спектральный диапазон, большая мощность, высокая яркость источников, естественная поляризация излучения) объясняют большой интерес к его использованию для решения фундаментальных и прикладных задач.

Синхротрон - ускоритель электронов с орбитой постоянного радиуса, растущим во времени магнитным полем, определяющим этот радиус, и постоянной частотой ускоряющего электрического поля. В синхротроне достигнуты энергии 20 ГэВ.

Синхротронное излучение - излучение электромагнитных волн заряженными частицами, движущимися с релятивистскими скоростями в магнитном поле, искривляющем их траектории. Впервые наблюдалось в синхротроне. Циклотронрезонансный циклический ускоритель нерелятивистских тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором частицы двигаются в постоянном и однородном магнитном поле, а для их ускорения используется высокочастотное электрическое поле неизменной частоты.

Синтез изотопов по ядерным реакциям с лёгкими ядрами (Н+, D+, Т+, зНе, »Не и др.) обычно осуществляют на циклотроне. Предельная энергия для протонов в циклотронах составляет ~20 МэВ при поле ~2 Тесла и частоте ускоряющего поля 30 МГц. На протонных циклотронах реализован комплекс по производству радиоактивных изотопов 123j, l8F, “С, 13N, ‘SO, 8lRb, 6?Ga, luIn, 201T1 и радиофармпрепаратов на их основе.

Синтез трансплутониевых элементов (тяжёлых актинидов, трансактинидных элементов) проводят на ускорителях тяжёлых ионов.

Ускорители тяжёлых ионов - мощные ускорительные установки, предназначенные для получения интенсивных пучков тяжёлых ионов (элементов тяжелее лития) в широком диапазоне масс и энергий.

Основные направления, по которым шло развитие ускорительной техники тяжелых ионов, связаны с созданием тандем-генераторов, линейных ускорителей, синхротронов и циклотронов. Каждый их этих типов ускорителей имеет свою область применения. Основными преимуществами тандем-генераторов являются высокое энергетическое разрешение пучка ионов, а также постоянство потока частиц во времени. Однако интенсивность пучка ионов невелика, а энергия выше кулоновского барьера достигается лишь для сравнительно лёгких ионов.

Изотопы и новые элементы предпочитают нарабатывать на циклотронах тяжёлых ионов. Таким ускорителем был двухметровый классический циклотрон У-200 (Институт ядерных исследований, г. Дубна, пущен в i960 г.), который позволял ускорять большой набор ионов с отношением массового числа к заряду от 3,5 до 7,0 до энергии ~ю МэВ на нуклон при сравнительно невысокой зарядности ионов, что обеспечивало высокую интенсивность. На этом циклотроне впервые были синтезированы элементы с Z=i02 и 103, и др. В 1968 г. в ОИЯИ был пущен трёхметровый изохронный циклотрон, на котором для вывода пучка ионов использован метод перезарядки ускоряемых ионов и получены пучки тяжёлых ионов с энергией 20 МэВ на нуклон. В 1972 г. циклотроны У-300 и У-200 были переведены в режим совместной работы. На их тандеме были впервые получены пучки ионов ксенона с энергией -1 ГэВ и интенсивностью юш ион/с.

Продвижение к области сверхтяжёлых элементов потребовало пучков тяжёлых ионов исключительно высокой интенсивности. Вновь обратились к прямому методу ускорения с использованием одного большого циклотрона и высокоинтенсивного ионного источника дугового типа. В 1974 г. начато сооружение изохронного циклотрона с диаметром полюсов 400 см (У-400). Этот циклотрон У-400 позволил получить пучки тяжёлых ионов с энергией 0,5^25 МэВ на нуклон. Интенсивность пучков в указанном энергетическом интервале оставалась рекордной в мире на протяжении многих лет. Дальнейшее развитие циклотрона У-400 связано с созданием в 1996 г. системы аксиальной инжекции пучка из ЭЦП-источника с частотой 14,5 ГГц. Эта система позволила получать пучки 48Са с интенсивностью (3+5)-ю12 с-1 при расходе рабочего вещества всего 0,4 мг/ч, что имело решающее значение для успешного синтеза сверхтяжелых элементов с атомными номерами от 112 до 118. В 1991 г. на У-400М был получен пучок 4Не с энергией 30 МэВ на нуклон. В течение 1992-1994 годов была создана разветвленная система каналов транспортировки пучка, оборудованная необходимыми средствами диагностики и контроля. На этих каналах был размещен ряд новых экспериментальных установок.

Все большую роль в ядерно-физических исследованиях начинают играть пучки экзотических изотопов лёгких элементов, обладающие большим избытком нейтронов, такие, например, как 6Не и 8Не. Эти изотопы получают исключительно в ядерных реакциях, они радиоактивные (часто очень короткоживущие) и поэтому обычно говорят о «радиоактивных пучках». Для этих целей используется циклотрон У-400М, на котором пучки радионуклидов получают за счёт фрагментации ядер ?Li, “Be, *sN, ускоренных до 45 МэВ на нуклон. Интенсивность вторичных пучков 6Не и 8Не составляет, соответственно, мо6 и 2104 с1 при энергии 25 МэВ на нуклон.

Большие возможности для исследований с радиоактивными пучками открыл комплекс DRIBs. В первой фазе проекта (DRIBs-1) используется комбинация циклотронов У-400М и У-400 и ионопровод длиной ~юо м для транспорта пучка от первого ускорителя ко второму. Циклотрон У- 400М служит для получения радиоактивных изотопов, которые после ускорения до низкой энергии передаются в У-400 для их ускорения до необходимой энергии. Эта комбинация циклотронов позволила получать пучки 6Не и 8Не с энергиями от 6 до 16 МэВ на нуклон при интенсивности, соответственно, 10ю и 107 с-1. Вторая фаза проекта (DRIBs-II) предназначена для исследований с пучками тяжёлых радиоактивных ядер с массовыми числами 70-Ы40. Она включает микротрон МТ-25 - ускоритель электронов до энергии 25 МэВ. Тормозным излучением пучка электронов вызывают деление ядер в урановой мишени и из осколков деления формируют пучки радиоактивных ядер. Пучки транспортируются в циклотрон У-400 и ускоряются до конечной энергии. Наибольший интерес представляют пучки нейтроноизбыточных ядер, таких как •ssSn, *33Sb, *з4Те. Они могут быть ускорены до энергий -10 МэВ на нуклон при интенсивности -3106 с1.

К наиболее значимым результатам, полученным на этих ускорителях, относится синтез сверхтяжелых элементов вплоть до элемента 118, установление химических свойств некоторых из них, например, элементов 112 и 114. На ускорителе У-400М также была проведена серия экспериментов по изучению резонансной структуры сверхтяжёлых изотопов водорода и гелия 4*5-уН и 9’юНе.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >