Еще со школьных времен нам известно, что все в окружающей природе, включая нас самих, состоит из атомов различных элементов. Одним из самых значительных открытий второй половины девятнадцатого века, сделанным великим русским ученым-химиком Д. И. Менделеевым, была система, в которую были объединены известные на то время 63 элемента, которую мы в настоящее время знаем как Периодическую систему, или таблицу элементов Д. И. Менделеева. Её первоначальный вариант был разработан Д. И. Менделеевым в 1869—1871 годах и устанавливал зависимость свойств элементов от их атомного веса. В начале 20 века с открытием строения атома было установлено, что периодичность изменения свойств элементов определяется не атомным весом, а зарядом ядра, равным атомному номеру и числу электронов, распределение которых по электронным оболочкам атома элемента определяет его химические свойства. То есть элемент однозначно определяется числом протонов, содержащихся в ядре, положительный заряд которых нейтрализуется отрицательно заряженными электронами, образующими атомные оболочки. Однако, если бы ядро составляли только положительно заряженные протоны, то оно не могло бы быть стабильным, так как силы электростатического расталкивания заставили бы протоны мгновенно разлететься. Стабильность ядра обеспечивают ядерные силы взаимодействия между протонами и нейтральными частицами — нейтронами, которые вместе с протонами образуют ядро. Если число протонов данного элемента всегда фиксировано, так как оно, собственно, и определяет этот элемент, то число нейтронов, входящих в ядро атома элемента, может варьироваться в очень широких пределах. Ядра элементов, имеющие различное число нейтронов, называются изотопами. Почти все элементы Периодической системы, которая уже насчитывает 118 элементов, имеют стабильные изотопы, включающие определенное количество нейтронов, при котором ядра остаются стабильными. Из этих стабильных изотопов и состоит весь окружающий нас мир. Например, элемент олово, ядро которого имеет заряд (число протонов) Z=50 имеет самое большое число стабильных изотопов, равное 10, с числами нейтронов 62, 64, 65-70, 72, 74. Таким образом, визитной карточкой каждого элемента, кроме его основной характеристики - заряда ядра, является также число и процентное содержание стабильных изотопов. Набор известных изотопов всех известных элементов, отложенных в координатах Z (заряд ядра – ось ординат) и N (число нейтронов – ось абсцисс) изображается в виде нуклидной карты. Стабильные изотопы на этой карте образуют так называемую линию или полосу стабильности – область стабильных ядер. Если каким-либо способом увеличивать или уменьшать количество нейтронов, по сравнению с тем, при котором изотоп данного элемента остается стабильным, ядро становится нестабильным, т.е. через какой-то промежуток времени («время жизни» изотопа) распадается, испуская частицы или «разваливаясь» на два осколка. И чем больше дефицит или избыток нейтронов относительно того, при котором ядро (изотоп) является стабильным, тем короче время жизни данного изотопа. Именно эти нестабильные, распадающиеся различными типами распадов изотопы (ядра), называемые также радионуклидами, являются главными объектами ядерно-физических исследований, а на основе данных исследований делаются выводы о строении и форме ядра, ядерных силах, путях образования элементов в звездах на ранней стадии развития Вселенной. Кроме того, на результатах изучения свойств удаленных от полосы стабильности ядер строятся различные ядерные модели, что имеет конечной задачей построение общей теории ядра.

Здесь также необходимо подчеркнуть, что наибольший интерес для ядерно-физических исследований представляют ядра наиболее удаленные от области стабильности - так называемые экзотические ядра, так как именно у этих ядер проявляются свойства, очень сильно отличающие их от стабильных и радиоактивных ядер, находящихся вблизи области стабильности. На качественном и количественном описании этих экзотических свойств и проверяются современные модели ядра. А так как экзотические ядра, как уже говорилось выше, имеют очень короткие времена жизни, то для их изучения необходимо иметь специальные установки, которые бы производили данные ядра (изотопы, радионуклиды) в достаточном для исследования количестве и позволяли при этом проводить исследования в течение очень короткого времени после их получения.

Как мы говорили выше, экзотические ядра делятся на две категории – с большим дефицитом нейтронов – это нейтронно-дефицитные ядра, и с большим нейтронным избытком – это ядра нейтронно-избыточные. Отличаются методы их получения – нейтронно-дефицитные ядра получают в реакциях бомбардировкой мишени протонами энергии 500-1500 МэВ. Наиболее значительные выходы нейтронно-избыточных ядер могут быть получены на интенсивных потоках нейтронов современных реакторов на пучках тепловых нейтронов в реакции деления урана-235. Исторически сложилось так, что первые и последующие установки для получения и исследования экзотических ядер создавались на пучках заряженных частиц – протонов и тяжелых ионов, и поэтому в настоящее время наиболее полно исследована область нейтронно-дефицитных изотопов. В ПИЯФ НИЦКИ в Лаборатории короткоживущих ядер ОФВЭ с 1975 г. на пучке протонов синхроциклотрона СЦ-1000 работает установка ИРИС (Исследование Радиоактивных Изотопов на Синхроциклотроне), единственная в России установка по получению и исследованию экзотических ядер. За время работы данной установки исследовано более 200 удаленных от линии стабильности изотопов, причем, 17 из них были получены впервые.

Мишенное помещение установки ИРИС. На переднем плане в левой части видны фокусирующие линзы тракта протонного пучка. На заднем плане в правой части видна мишенная и ионно-оптическая система масс-сепаратора. На заднем плане сверху – стойка, на которой крепятся элементы лазерной системы установки.

Подготовка лазерного ионного источника и лазерной системы к проведению эксперимента на установке ИРИС. Ст. н. с. Д.В. Федоров проверяет юстировку лазерных лучей.

Экспериментальный зал ИРИС. Настройка медных лазеров накачки лазерного комплекса. Ст. н.с. В.С. Иванов (слева) и н.с. П.Л. Молканов.

Успех исследований на установке ИРИС, которые активно ведутся вплоть до настоящего времени, определяется, прежде всего, накопленным опытом в данной области и новыми разработками мишенных устройств и ионных источников, используемых для эффективного получения короткоживущих радионуклидов. Новый метод лазерного ионного источника и метод резонансной многоступенчатой лазерной ионизации в высокотемпературном лазерном ионном источнике, впервые предложенные и осуществленные на установке ИРИС, позволяют проводить измерения фундаментальных ядерных характеристик - радиусов и электромагнитных моментов ядер при выходе экзотических ядер в мишени в количестве 1 ядро за 10 секунд. Указанные методы используются в настоящее время практически во всех ведущих ISOL (Isotope Separator On-Line) лабораториях, занимающихся получением и исследованием удаленных экзотических ядер. Со строительством в ПИЯФ исследовательского реактора ПИК с самыми высокими в мире потоками тепловых нейтронов вполне естественным было возникновение идеи создания на одном из горизонтальных каналов реактора с потоком нейтронов до 5х10¹⁴ н/cм²·сек установки по получению и исследованию удаленных от полосы стабильности ядер, но уже не в нейтронно-дефицитной, а в нейтронно-избыточной области. Данная область значительно менее изучена, и здесь можно исследовать не только новые ядерно-физические, но и астрофизические процессы, в частности, так называемый r-процесс – процесс быстрого последовательного захвата нейтронов образовывающимися в звездах легкими радионуклидами. Изучение этого процесса очень важно, так как его результатом стало образование всех существующих в настоящее время в природе элементов. Очень сильным аргументом в пользу создания такой установки на реакторе ПИК является тот факт, что среди осуществляемых в мире в настоящее время проектов, данный проект обеспечит самые высокие выходы нейтронно-избыточных ядер. Перспективность использования для получения нейтронно-избыточных ядер высоко-поточных реакторов на тепловых нейтронах очень наглядно подтверждаются проведенными расчетами выхода “маркерного” изотопа ¹³²Sn (дважды магическое ядро, удаленное от полосы стабильности). На пучке нейтронов реактора ПИК интенсивностью 3х10¹³ н/см²сек из мишени ²³⁵U массой 4 г. выход ¹³²Sn составит 10¹⁰ изотопов в секунду. На действующих установках ИРИС и ISOLDE данный выход равен соответственно 10⁷ и 10⁸ частиц в секунду. Максимальный выход этого изотопа на строящейся ISOL установке следующего поколения SPIRAL-2 (GANIL, Франция) не превысит 10⁹ изотопов в секунду. А на пучке нейтронов реактора ПИК существует возможность использования, как это было указано выше, потока до 5х10¹⁴ н/см²сек!

Для решения задачи получения интенсивных потоков экзотических нейтронно-избыточных ядер на реакторе ПИК и использования их в ядерно-физических и астрофизических исследованиях Лабораторией короткоживущих ядер под научным руководством чл. корр. РАН, проф. А.А. Воробьева был предложен проект установки ИРИНА (Исследование Радиоактивных Изотопов на НейтронАх).

Здесь необходимо указать, что, несмотря на то, что целью проекта ИРИНА является исследования области ядер, отличной от исследуемой на установке ИРИС, все разработанные эффективные методы получения и исследования удаленных ядер могут быть полностью перенесены и использованы на установке ИРИНА. Основные из них - это инновационный метод высокоселективного лазерного ионного источника, а также обладающий рекордной чувствительностью метод лазерной резонансно-ионизационной спектроскопии в лазерном ионном источнике. Традиционная область применения лазерной спектроскопии в ядерно-физических исследованиях - это измерения изотопических сдвигов и сверхтонкого расщепления атомных уровней. Эти измерения позволяют получить такие фундаментальные характеристики ядер, как изменения среднеквадратичных зарядовых радиусов, спины и электромагнитные моменты. Одним из наиболее интересных объектов для лазерно-ядерных исследований является так называемый “оболочечный эффект” в среднеквадратичных зарядовых радиусах, т. е. заметный скачок в ходе изотопической зависимости среднеквадратичных зарядовых радиусов при пересечении оболочки с магическим числом нейтронов.

Исчезновение такого скачка при приближении к границе нейтронной устойчивости может указывать на изменение магического числа. Поэтому наиболее интересные объекты исследования на установке ИРИНА – это нейтронно-избыточные изотопы Sb, Sn, In, Cd, Ag c числом нейтронов близким к магическому числу N=82.

Следует подчеркнуть, что одной из наиболее актуальных и активно обсуждаемых проблем в современной ядерной физике является проблема изменения магических чисел для удаленных от полосы стабильности ядер. Магические числа — это те числа нейтронов или протонов, при которых наблюдается значительно большая, чем у соседних ядер, стабильность соответствующих изотопов и ряд других свойств, отсутствующих у соседних ядер. Концепция магических чисел и, в частности, неизменность этих чисел для всей нуклидной карты является фундаментальной основой наших представлений о структуре ядра. В последнее время, однако, появились указания на то, что для наиболее экзотических ядер наблюдается изменение магических чисел: «старые» магические числа перестают быть таковыми, появляются новые и т. п. Возможности, предоставляемые реактором ПИК, позволят проводить изучение этого нового явления для ядер, где оно ожидается и которые пока не доступны для экспериментального исследования.

Необходимо также отметить, что очень важны систематические исследования изотопических изменений среднеквадратичных зарядовых радиусов для определения общих тенденций изменения основных свойств ядерной материи и сравнения их с предсказаниями современных ядерных моделей. На установке ИРИНА также предполагается создание ионного тракта для получения интенсивных изотопных источников высокой чистоты для целей ядерной медицины, а также использование пучков радиоактивных ионов в экспериментах по физике твердого тела. Очень важной частью проекта является создание комплекса ионных ловушек установки ПИТРАП, которая будет работать в линию с установкой ИРИНА для прецизионных измерений масс нейтронно-избыточных ядер, а также для исследований астрофизических процессов.

Основной частью комплекса ИРИНА является масс-сепаратор – установка во многом аналогичная установке ИРИС, обеспечивающая на пучке бомбардирующих мишень тепловых нейтронов получение разделенных в соответствии с массовыми числами изотопов и их исследование “в линию”. Исследование “в линию” означает проведение измерений непрерывно в процессе облучения мишени протонным или нейтронным пучком. Только в таких экспериментах могут быть получены чрезвычайно удаленные, короткоживущие изотопы с миллисекундными периодами полураспада. Мишенное устройство масс-сепаратора комплекса ИРИНА будет установлено в канале реактора в потоке нейтронов 3х10¹³ н/см²сек. При облучении интенсивным потоком нейтронов мишенное вещество – 3-4 г урана-235, помещенное в мишенный контейнер, будет нагреваться в результате реакции деления до 2000-2300°С.

Продукты, образовавшиеся в результатe деления ²³⁵U, термализуются в веществе мишени, а затем, в результате процессов диффузии и эффузии попадают из мишенного контейнера в ионный источник, где происходит их однократная ионизация. Ионы, выходящие из ионизатора, формируются полем вытягивающего электрода в узкий пучок. Проходя через фокусирующую линзу, пучок ионов преобразуется в параллельный и приобретает энергию 30 кэВ. Далее моноэнергетический пучок ионов, попадает в анализирующий магнит, в котором происходит сепарация по массам и далее разделенные изотопные пучки проходят в коллекторную камеру. После прохождения коллекторной камеры пучки ионов попадают в камеру ионной разводки, поворачиваются на различные углы и по ионопроводам направляются в экспериментальный зал, где находятся экспериментальные установки и различные детектирующие системы для исследования получаемых радионуклидов. Для эффективного исследования ядер, лежащих близко к границе нейтронной устойчивости, решающим фактором также является обеспечение изобарной чистоты пучков, то есть селективной ионизации изотопов одного выделенного элемента. Селективная ионизация изотопов получаемых элементов будет осуществляться использованием метода селективной лазерной резонансной ионизации в лазерном ионном источнике, разработанном на установке ИРИС. В качестве мишенного вещества и мишенного устройства масс-сепаратора комплекса ИРИНА будут использоваться специально разработанные и в настоящее время используемые на установке ИРИС мишенные устройства с мишенным веществом в виде монокарбида урана высокой плотности. Данные мишенные устройства обеспечивают высокую эффективность получения короткоживущих радионуклидов и обладают при этом высокой термостабильностью, что очень важно при проведении долговременных экспериментов на нейтронных пучках.

Проект ИРИНА, являющийся очень амбициозным проектом по своей научной программе и техническим возможностям, не имеет в настоящее время мировых аналогов в перспективе получения и исследования удаленных нейтронно-избыточных ядер. Его осуществление значительно продвинет наши знания в области физики ядра, а также лучшего понимания астрофизических процессов. Также необходимо помнить и об уникальных возможностях комплекса ИРИНА по использованию интенсивных моноизотопных радиоактивных пучков в прикладных исследованиях – ядерной изотопной медицине и физике твердого тела. В заключение необходимо сказать, что проект ИРИНА был поддержан в качестве одного из главных направлений развития ядерной физики в НИЦ КИ-ПИЯФ после проведенных соответствующих обсуждений на одном из заседаний Ученого Совета института.

Зав. Лабораторией короткоживущих ядер
к. ф.-м.н. В. Н. Пантелеев