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 гаммадиапазонов. 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 синхротронного 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. Циклотрон — резонансный 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 ю^ш 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 0,5²⁵ 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- 400 М 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, 10^ю 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.