Техника - молодёжи 1997-02, страница 17

цепи: ведь прежде чем ускорять ионы, надо их как-то получить...

В.К.: Вы правы. Тем более, что «ободрать» атом не так-то просто. Если не ошибаюсь, немецкий физик ф,он Арденне сравнивал его с женщиной: легко снимает самые верхние электронные одежды, а далее — «возникают проблемы»... Так что источник ионов действительно — штука важная и хитрая.

B.C.: Векслер в свое время стал академиком, благодаря изобретению классного ионного источника...

В.К.: Это не совсем так, но от устройства источника и вправду многое зависит.

За последние 30 лет создано множество их конструкций, но наиболее удачным оказался источник многозарядных ионов типа ECR. Латинские буквы означают: электронный (Е) циклотронный (С) резонанс (R). Источники ECR используют и в Дармштадте.

B.C.: Стоп, стоп, стоп. Вы упомянули циклотронный резонанс, но ведь там не на циклотроне работают! UNILAC — линейный ускоритель. Откуда же тогда — циклотрон-ный(!) резонанс?!

В.К.: Противоречия тут нет — просто совпадение терминов. В сравнительно небольшом объеме ECR-овского источника, по форме напоминающего консервную

банку, создается мощное магнитное поле с индукцией 5000 Гс. В таком поле свободные электроны, которые есть и в заполняющем «банку» газе, начинают двигаться по спирали вокруг невидимых магнитных силовых линий, как бы навиваясь на них. Частота вращения электронов f (ее еще называют циклотронной) пропорциональна величине индукции магнитного поля и заряду электрона.

Когда к ионизируемому объему и находящемуся в нем веществу прилагают переменное электрическое поле с частотой, равной величине f, выполняется условие резонанса. И тогда (набрасывает схему — рис. 1) великое множество — триллионы! — природных микроциклотрончиков с диаметрами электронных орбит, измеряемыми микронами, начинают виток за витком «накручивать» электроны во всем объеме источника, инициировать их. Больше витков — больше энергия, [де-то после 60-го витка она уже соответствует температуре под миллион градусов!

Вот эти высокоэнергичные электроны и обдирают часть своих собратьев с атомов любого впрыснутого в источник вещества. В той мере, в какой это нужно. Вещество при этом, естественно, превращается в плазму с высокой концентрацией многоза-

3. Устройство мишени (профиль и фас). Обозначения: 1 - пучок ускоренных (24 000 км/с) 10-зарядных ионов цинка: 2 - углеродная плен-

ромотор: 5 — металлический диск с «окошкамив которые и вставляют двухслойную пленку.

4. Сепаратор SHIP и полупроводниковая сборка детектора: 1 — пучок: 2 — мишень: 3 - конденсаторы под напряжением 100 кВ: 4 — отклоняющие магнитные линзы: 5 — кремниевый детектор, позволяющий фиксировать единичные новые ядра. А еще кремниевыми же пластинами детектор отгораживают с боков, чтобы уменьшить возможные потери драгоценных новых ядер.

рядных тяжелых ионов. В опытах по синтезу 112-го элемента таким веществом был металлический цинк.

B.C.: Теперь вполне уместно рассказать об ускорителе, хотя нашим читателям должно быть известно его предназначение — разогнать ионы, чтобы они могли преодолеть отталкивание одноименно (положительно) заряженных атомных ядер вещества, из которого сделаны мишени. Об этом сто раз писали, и все же необходимо напомнить, что без мощного ускорителя — циклотрона или линейного, ионы не смогут преодолеть силы взаимного отталкивания — «кулоновский барьер»...

В.К.: Синтез нового элемента происхо

дит при слиянии в единую «каплю» ядер элемента-снаряда и элемента-мишени. 112-й можно получить, соединив, например, ядра свинца и цинка: 82+30=112 (числа здесь соответствуют зарядам их ядер). Чтобы цинковые ядра, а практически — 10-зарядные ионы, смогли преодолеть кулоновский барьер, их нужно разогнать до скорости порядка 24 000 км/с (или, соответственно, до энергии в 343,8 МэВ, а 1 МэВ= 1,6x10 Дж).

К таким сверхскоростям — лишь один путь: резонансное многоступенчатое ускорение ионов, обязательно многозарядных, потому что приобретаемая энергия пропорциональна степени их ионизации: 10-зарядный ион наберет на одной ступени ускорения в 10 раз больше энергии, чем ион того же элемента, но однозарядный. Оттого физики ОТИ и остановили свой выбор на ионах Zn*'°.

B.C.: Теперь самое время проследить их

В.К.: Вылетев из источника, ионы попадают в так называемые дрейфовые трубки, где и начинается ускорение. Вот как это происходит (опять набрасывает схему — рис. 2). Когда разность потенциалов на первом промежутке (участок а-в) ОТРИЦАТЕЛЬНА, ускорение возможно: дрейфовая трубка втягивает в себя положительно заряженные ионы, и они летят по ней свободно, поскольку электрическое поле, созданное генератором высокой частоты, в нее не проникает. Но, как вы, наверное, знаете, трубки поделены на условные участки, напряжение на которых меняется синусоидально: от минуса к плюсу и наоборот. Если длина трубок, а в действительности так оно и есть, подобрана хитрым образом, чтобы время пролета совпало с половиной периода ускоряющего напряжения, то в «переходных» точках возникает резонанс, и тогда ионы приобретают дополнительный импульс. В результате на каждом таком промежутке ион получает энергию, равную qV, где q — заряд иона, а V — ускоряющее напряжение (с периодом колебания Т).

На UNILACe эти условия первоначально заложены в конструкцию и блюдутся с немецкой пунктуальностью. Потому физики здесь могут при сравнительно скромных габаритах ускорителя разгонять до нужных энергий любые ионы, вплоть до урана, действительно очень тяжелые.

B.C.: Тут стоит напомнить, что вообще-то тяжелыми называют ионы любых элементов, кроме водорода и гелия. Продол-

В.К.: Теперь, когда смысл ускорения, надеюсь, ясен читателю, последуем по трассе, которую ионы преодолевают, к конечной цели — мишени.

B.C.: Раз уж мы договорились, что синтез новых элементов — «дело техники», то, пожалуйста, расскажите и о конструкции мишеней. Тоже ведь, очевидно, достаточно сложное техническое устройство?

В.К.: Разумеется, и предназначенное к тому же для решения сложнейшей научной задачи — слияния ядер, которые отнюдь не желают сливаться.

Сказать, что мишень для синтеза 112-го элемента делается из свинца — значит, почти ничего не сказать. Сделать ее нужно очень тонкой и, что не менее важно, — из моноизотопного материала.

Чтобы время жизни трансурановых новообразований было побольше, на роль снарядов и мишеней выбирают изотопы соответствующих элементов с наибольшим числом нейтронов в ядре. Поэтому в опытах по синтезу 112-го элемента использовали не просто цинк, а цинк-70 — в роли снарядов, не просто свинец, а сви-нец-208 — на роль мишени.

ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 297

■а