PROMETEJSKA ISKRA

AKCELERATORI SUDBINE

2.282 pregleda
Prvi ciklotron (Berkli laboratorija)

Danas je u istraživanjima nuklearne fizike i fizike nuklearnih čestica u upotrebi nekoliko tipova akceleratora. Najviše se koriste sinhrotroni, linearni akceleratori, izohroni ciklotroni i sihrociklotroni. Ulaganja u izgradnju i korišćenje postaju prevelika, ali bez ovih postrojenja ne mogu se zamisliti bitni eksperimenti. A gde je u tome Institut „Vinča?

Prof. dr Krunoslav Subotić (vlastita arhiva)

Nobelovac Ernest Lorens (Vikipedija)

Periodni sistem proširen otkrićima veštačkih elemenata iznad uranujuma, od kojih je poslednjih šest otkrila rusko-američka kolaboracija u Dubni. Dva najnovija su uvršćena pod imenima flerovijum (Fl) i livermorijum (Lv), s rednim brojevima 114 i 116. Elementima 113, 115, 117 i 118 su predložena imena, čije se konačno prihvatanje očekuje do kraja 2016.

Domen „ostrva stabilnosti ” supertešakih elemenata u moru nestabilnih elemenata

Nuklearno doba koje simbolizuje eru savremenh dostignuća civilizacije počelo je otkričem prirodne radioaktivnosti, za koje je francuski fizičar Anri Bekerel, s  bračnim parom Marija i Pjer Kiri, dobio Nobelovu nagradu 1903. godine. Dalji napredak oblasti sudbinski je povezan s razvojem akceleratora naelektrisanih čestica koje pobuđuju atomska jezgra i izazivaju njihov raspad  na sastavne deliće (konstituente). Analizom ovih dezintegracionih pojava i procesa stičemo uvid u unutrašnju strukturu jezgara.

Danas je u istraživanjima nuklearne fizike i fizike nuklearnih čestica u upotrebi nekoliko tipova akceleratora. Najviše se koriste: sinhrotroni, linearni akceleratori, izohroni ciklotroni i sihrociklotroni. Ulaganja u izgradnju i korišćenje postaju prevelika, ali bez ovih postrojenja ne mogu se zamisliti bitni eksperimenti.

Ciklotron je 1932. izmislio Ernest Lorens, i za ovaj izum i njegovu ulogu u proučavanju nuklearne fizike toga vremena 1939. dobio Nobelovu nagradu. Pronalazak je baziran na činjenici da naelektrisane čestice naboja q i impulsa p=mv, gde je m masa a v brzina čestice u magnetskom polju, ostvaruju kružnu putanju u ravni postavljenoj normalno na primenjeno polje B, konstantnom frekvencijom w=qB/m do na relativističke promene pri ubrzavanju kretanja čestice.

Kada se ove promene kompenziraju održavanjem konstante odnosa B/m tokom kretanja čestice, ona se može, po isteku svake orbite, sukcesivno ubrzavati električnim RF poljem čija frekvencija odgovara sada postignutoj konstantnoj frekvenciji kretanja čestice po ravnotežnoj orbiti radijusa r=p/(qB) –  bilo podešavanjem promene profila magnetskog polja (izohroni ciklotroni), bilo adekvatnom promenom frekvencije RF polja (sinhrociklotron i sinhrotron).

Na visokim energijama dominira upotreba  sinhrotrona (koriste se u istraživanjima elementarnih čestica u CERN). Ciklotroni klasićne izvedbe s gvozdenim jezgrom i bakarnim namotajem, pripadnici I generacije ciklotrona (vidi sliku 1a), koriste se na na niskim energijama u programu sinteze novih elemenata (JINR Dubna, Rusija), a na umereno visokim energijama za proučavanje nuklearnih pojava izazvanih upotrebom  radioaktivnih jonskih snopova (RIB) u Nacionalnoj Ganil laboratoriji (Francuska).

Ciklotroni superprovodne izvedbe, s gvozdenim jezgrom ali superprovodnim namotajem, nazvani ciklotronima II generacije, koriste se u izučavanju granica stabilnosti nuklearne materije u Nacionalnoj superovodničkoj ciklotronskoj laboratoriji (NSCL) na Državnom univerzitetu Mičigen (SAD) i Nuklearnom centru Riken (Japan).

Linearni akceleratori (sposobni da generišu ekstremno visoke intenzitete primarnih snopova za dobijanje sekundarnih snopova najšireg  spektra) koriste se za istraživanje krajnje egzotičnih pojava u SAD (Državni univerzitet Mičigen) i Nemačkoj (GSI, Darmštat).

U generisanju prvih nuklearnih reakcija i razbijanju nuklearne materije korišćene su niskoenergetske mašine Kokroft-Volton tipa već 1932. Znatan napredak ostvaren je tek otkrićem klasičnih ciklotrona. Kompaktne superprovodne verzije ciklotrona II generacije (Henri Bloser, 1984) postale su u međuvremenu glavno oruđe za radioterapiju kancera, pokazujući tendenciju da sa tržišta istisnu sinhrotrone, preglomazne da bi se njihovim originalnim snoppm moglo manipulisati u direktnom kontaktu s pacijentom. Uporedo sa akceleratorskim snopovima visoke energije za terapiju, niskoenergetski ciklotroni su najbolji u proizvodnji kratkoživećih radioizotopa za dijagnostiku pomoću pozintronske emisione tomografije (Positron Emission Tomography, PET).

Nuklearne pojave su nekada proučavane na radioaktivnim izotopima koji se mogu naći u prirodi (60 su poreklom iz 92 prirodna elementa). Danas se istražuje više od 1,500 radioizotopa, stvorenih korišćenjem sekundarnih snopova (RIB)  poreklom iz 92 prirodna i 26 vestačkih elemenata. Posebnu klasu čine 26 veštačkih elemenata u području koje se završava „ostrvom stabilnosti” superteških elemenata, u Mendeljejevljevom sistema iznad uranijuma. Novi elementi stvoreni veštačkim putem otkrivani su prvo u interakcijama uranijuma sa fisionim neutronima i snopovima naelektrisanih čestica, kadkad i u nuklearnim eksplozijama, a najviše u reakcijama hladne i tople fuzije egzotičnih snopova i meta.

U ključnim događajima otkrića fisije, veoma bitnim za ovu delatnost, učestvovao je 1939. u prvom, nepotpuno objašnjenom ali bitnom eksperimentu, Pavle Savić, potonji osnivač Instituta nuklearnih nauka „Vinča”. Na njegovom tragu, ova vrhunska naučnoistraživačka ustanova u nas u svakoj ukazanoj prilici imala je veoma bitne doprinose u najznačajnijim istraživanjima nuklearne fizike u svetu; posebno u ključnim događajima pronalaska sekundarnih snopova  izotopa (1967), u otkriću novih elemenata (u timu ruskog akademika Jurija Oganesijana) i u razvoju uređaja za nuklearnu medicinu.

U „Vinči” je, tako, 1966. godine, lansiran prvi u svetu sekundarni snop, 6Li, iz primarne reakcije snopa tritona. Osim toga, saradnici Instituta su u međunarodnim kolaboracijama učestvovali u otkriću šest novih elemenata Mendeljejevljevog sistema, a dali su ključne doprinose u korišćenju akceleratorskih snopova u nuklearnoj medicini lansiranjem najnovije (III) generacije superprovodnih ciklotrona bitne za radioterapiju kancera.

Niskoenergetske reakcije ciklotronskog snopa masovno se koriste za produkciju PET radioizotopa za dijagnostiku tumora mozga i drugih vitalnih organa. Za radioterapiju tumora su, međutim, potrebni ciklotroni mnogo viših energija (250 MeV i 400 MeV). Snopovi ovih naelektrisanih čestica imaju svojstvo da deponuju najveći deo svoje energije na kraju putanje koja usporava česticu (Brag pik) do zaustavljanja na precizno određenoj dubini lokacije tumora, skoro ne razarajući okolno zdravo tkivo, kao što to čine gama zraci i neutroni.

Najcelishodnije se ponašaju protoni i jezgra ugljenika (C), zbog čega je u svetu podignuto ili se završava pedesetak centara s protonskim mašinama (slika 2b), ali samo dva (u Japanu i Nemačkoj) sa snopom ugljenika. To su skupe mašine, jedna od njih, u Hajdelbergu (slika 2c), ima površinu od dva fudbalska igrališta i košta oko 150 miliona dolara (veći deo cene, oko sto miliona, čini pomoćna oprema za specifikaciju kvaliteta i razvođenje snopa do bolesnika). Mašina koja proizvodi snop je, dakle, glomazna i ne može se montirati dovoljno blizu bolesnika, kao što traži idealno rešenje.

S protonima je situacija mnogo bolja, posebno stupanjem na scenu superprovodnog sinhrociklotrona energije snopa 250 MeV, teškog svega dvadesetak tona, dijametra oko 1,5 metra (slika 1c) u MIT (Massachusetts Institute of Technology). Sinhrociklotroni ove izvedbe dovoljno su kompaktni i primenljivi kada su u pitanju protonski snopovi, međutim teško mogu zadovoljiti potrebe energije i kvalitet fokusiranja kada su u pitanju snopovi ugljenika (razmatranje prototipiova pokazuje da su potrebne strukture prećnika oko šest metara i težine 700 tona, bez garancije ostvarenja potrebnog kvaliteta snopa ugljenika).

U konkurenciji za novi tip mašine najznačajniju ulogu mogli bi dobiti izohroni superprovodni ciklotroni s vazdušnim jezgrom, koji zamenom gvozdenog jezgra (polni nastavci i sektori) superporovodnom magnetskom strukturom radikalno smanjuje težinu. Oslobođenim potencijalom porasta polja smanjuje i dimenziju, postaju lakši i kompaktniji od sinhrociklotrona, uz izvesnije postizanje potrebnog nivoa energije i kvaliteta fokusiranja snopa (slika 2c). Ova (III) generacija superprovodnih ciklotrona lansirana je 1984. (K. M. Subotic: Air-Core Superconducting Cyclotron, IEEE SC. X Int. Con. 1984) i razvijana tokom boravka po pozivu u Nacionalnoj superovodničkoj ciklotronskoj laboratoriji, postala je dostižna osvajanjem potrebne tehnologije na MIT (A. Radwinsky, IEE Trans. App. Superconductivity, 2014 ). U tom kontekstu nedavno je formirani zajednički tim za razvoj superprovodnog  ciklotrona sa vazdušnim jezgrom, s radijusom ekstrakcije od 75 santimetara, sposoban da proizvede snop ugljenika energije do 400 MeV, koji bi bio korišćen za radioterapiju kancera u dramatičnom porastu.

Ciklotroni su danas nesumnjivo najbrojnije nuklearne mašine za ubrzavanje jezgra atoma. Svestrani potencijal i kompaktnost čine ih prisutnim u svim sferama istraživanja. Najveći broj se koristi u proizvodnji PET radioizotopa (više od 350 u 2005. godini). Važne primene u nuklearnoj medicini imaju i u radioterapiji. Trenutno je u svetu u izgradnji više od 50 centara za primenu nuklearnih čestica, u ovom slučaju protona, u radioterapiji kancera.

Masovna upotreba ciklotrona, međutim, ne ide nauštrb kvaliteta njihovog korišćenja u istraživačke svrhe, prevashodno za proučavanje stabilnosti i strukture nuklearne materije snopovima radioaktivnih jona i za otkrivanje i izučavanje novih elemenata (slika 4b).

U prvom slučaju predvodnik je Nacionalna superovodnička ciklotronska laboratorija. Ma kako na prvi pogled čudno izgledalo, ovaj program je nastao nakon otkrića u „Vinci”. Grupa Relje Popića, u kojoj je doktorirao autor članka, 1966. je prva objavila realizaciju nuklearnih reakcija sekundarnim snopom nukleona (B. Z .Stepancic, Phys.Lett., 1967). Sekundarni snop 6Li je na malom CW akceleratoru stvoren nuklearnom reakcijom tritona i upotrebljen kao primarni snop nove reakcije za istraživanje nuklearne strukture.

Upotreba snopa tritona je nastavljena (K. M. Subotic, Nucl. PhysA, 1978), međutim posle nekoliko godina program je morao zbog nedostatka novca za troškove zaštite od zračenja obustavljen. Svet je u međuvremenu ovaj koncept istraživanja koji omogućuje pristup svakoj tački Fermi dijagrama nastavio ulažući milijarde dolara. Saradnici iz izvorne vinčanske  grupe su, naravno, bili uvek rado prihvaćeni gosti SAD, Francuskoj, Nemačkoj i drugim zemljama.

U drugom slučaju se traga za novim elementima. Program je na Univerzitetu Berkli još u vreme istraživanja fisije pokrenuo Glen Siborg, koji je otkrio prvi primenljivi veštački element plutonijum u toku Drugog svetskog rata, za šta je 1954. dobio Nobelovu nagradu. Od plutonijuma je kasnije napravljena atomska bomba bačena na Nagasaki. Siborgovim tragom i učešćem proizvedena je prva serija od deset veštačkih elemenata (do elementa 103), i element 106 koji je po njemu imenovan još dok je bio živ. Element 103 nazvan je po izumitelju ciklotrona Ernestu Lorensu, čije ime danas nosi jedna nacionalna laboratorija u SAD (), u kojoj je proizvedena prva termonuklearna bomba.

Programu sinteze novih elemenata priključila se JNIR Dubna pod  voćstvom Georgija Flerova, koji je ranije u katakombama moskovske podzemne železnice, u eksperimentu s garantovano niskim zračenjem pozadine, otkrio spontanu fisiju, a kasnije osnovao JINR Dubna. On je prvi Josifu Staljinu nagovestio da otkriće fisije koju su, tragom grupe Irene Kiri čiji je član bio Pavle Savić, učinili Oto Han i Fric Štrasman u Berlinu, može uputiti Adolfa Hitlera na izradu atomske bombe.

Sličnim alarmom pre toga izazvano uznemirenje u američkom establišmentu (pismo Alberta Ajnštajna predsedniku Frenklinu Ruzveltu), rezultiralo je pokretanjem programa razvoja atomske bombe najpre u SAD, potom i u SSSR. Probne eksplozije učinile su mogućim pronalaženje novih elemenata koji se na drugi način ne mogu proizvesti u upotrebljivoj statistici. Priznavanja otkrića, a time i nominiranje elemenata 104, 105 i 106, iz raznih razloga bila su predmet rasprave duže od jedne cele decenije. Konačno su dobili ime raderfordijum, dubnijum i siborgijum. Dva su nazvana u slavu Ernesta Raderforda i maločas pominjanog Glena Siborga, a treću (105) u čast Objedinjenog instituta za nuklearna istraživanja Dubna.

Iz razgovora tokom više susreta sa nobelovcem Glenom Siborgom, autor članka je saznao da je grupi Irene Kiri, čiji je član bio Pavle Savić, Nobelova nagrada izmakla zbog papira, misleći pri tome na neobjavljivanje članka sa zaključkom o otkriću, koje nisu prepoznali, iako je bilo skriveno u rezultatima njihovog eksperimenta! Elemente 107, 108, 109, 110, 111 i 112 otkrila je grupa nemačkih istraživača, tim Petera Armbrustera u Darmštatu, prema ideji primene hladne fuzije koju je smislio ruski akademik Jurij Oganesijan.

Konačno primat otkrića elemenata 113, 114, 115, 116, 117i 118 ponela je grupa Jurija Oganesijana, koju čine naučnici JINR Dubne i Lorens Livermor nacionalne labotarije. Prilika da bude jedini „strani naučnik” u ovoj rusko-američkoj kolaboraciji pružena je Krunoslavu Subotiću, saradniku Instituta „Vinča”. Elementi iz ove grupe 114 i 116 već su našli mesto u Periodnom sistemu Mendeljejeva, pod imenom flerovijum i livermorijum, a elementi 113, 115, 117  i 118 čekaju na priznavanje imena. Element 113 nazvan je nihonium prema predlogu japanska grupe dr Kosuke Morite, očekuje se da elementi 115 bude moskovijum, 118 oganeson, a 117 tenesin (zbog zapaženog učešća saradnika Vanderbilt Univerziteta u Tenesiju). Kada IUPAC komitet potvrdi predlog, akademik Jurij Oganesijan bi, posle Glena Siborga, postao drugi živi naučnik po kome element dobija ime.

U pokušaju da se shvati uloga i doprinos „Vinče” formiranju profila i programa istraživanja i primena nuklearne fizike kod nas i njeno mesto u svetu, mora se prizvatiti činjenica da su iz nje, u svoje vreme, iznikli praktično svi srodni instituti i fakulteti Univerziteta u Beogradu, uz mnoge druge sitnije ali bitne činjenice, kao što je instalisanje prvih velikih i manjih računara (preteča PC sa zapreminom trokrilnog ormara a kapacitetom memorije s danas smešnih 512 Kb, što odgovara digitronu), ili inicijative za pokretanje mreže internet komunikacija, zbog čega je morala biti hitno rekonstruisana telefonska državna mreža devedesetih godina 20. veka, moramo da se zapitati kako izgraditi društvo koje dovoljno dobro brine o sudbini nacionalne pameti i znanja. Čini se da su oni najveće blago kojim se odgovorno društvo može dičiti.

Zapostavljanje nuklearne struke, kao što je nepostojanje eksperata za superprovodne tehnologije, a i drugih koje bujaju u razvijenom svetu, sličiće boravku u stranoj državi bez poznavanja njenog jezika sa zadatkom da se preživi. Jednom zapušteno znanje nestaje za svagda.

O autoru

Stanko Stojiljković

Ostavite komentar