Новый метод выделения электронов повысил мощностью пучка ионов, используемого для синтеза изотопов с нестандартным отношением протона к нейтрону.
В стабильных изотопахКоличество нейтронов обычно незначительно, несколько штук. У радиоактивных ядер диапазон количества нейтронов шире. Взять пример стабильных изотопов никеляКоличество нейтронов у атомов колеблется от 30 до 36, а у радиоактивных — от 20 до 52. Все известные изотопы на карте с осями, соответствующими количеству протонов и нейтронов, образуют узкий «хребет стабильности» и широкие «отмели» радиоактивных изотопов.
Возможные радиоактивные изотопы исчисляются примерно шестью тысячами, а ученые синтезировали до настоящего времени лишь около половины. Изучение нестабильных изотопов с большим дисбалансом протонов и нейтронов важно: исследователи распада этих изотопов шаг за шагом совершенствуют описание сил, связывающих ядра.
Исследование таких изотопов происходит в режиме реального времени, поскольку продолжительность их полураспада редко превышает десятичные или тысячные доли секунды (иногда даже меньше). В 2022 году этим занялась лаборатория. FRIB Центр редких изотопов по имени «Форум» при Университете штата Мичиган.
В лаборатории FRIB нестабильные изотопы получают следующим образом: сначала из тяжелого элемента, например ксенона или урана, получают ионы, которые разгоняют и направляют в отделитель электронов (charge stripper). В нем ионы лишаются почти всех электронов и направляются в основной ускоритель. Затем пучок ионов попадает в мишень.
При столкновении с мишенью на скорости до половины световой пучок ядер разлетается на крупные фрагменты, которые магнитным полем сортируют и направляют в ловушку, окружённую детекторами распада. По энергиям и типам испущенных частиц учёные восстанавливают структуру ядра.
Разработчики новой установки столкнулись с проблемой на этапе отделения электронов, необходимым для увеличения заряда ионов и повышения эффективности их разгона перед мишенью. При столкновениях образуются ядра с различным содержанием протонов и нейтронов, но многие изотопы образуются слишком редко. Для ускорения их образования нужно увеличивать ток пучка ионов, однако отделитель электронов не выдерживает такой нагрузки.
В менее мощных ускорителях отделитель электронов изготовлен из графитовой фольги, однако пролетая через неё, ионы… разрушают Структура кристаллического графита изучена. В пучке FRIB графит сгорает слишком быстро.
Учёные под руководством Такудзи Канемуры. изобрели Самовосстанавливающийся отделитель электронов преодолел ограничение по мощности пучка с помощью мощного потока расплавленного лития. Такой выбор обусловлен двумя факторами: легкие атомы лития не сильно рассеивают летящий сквозь него пучок тяжелых ионов, а высокая температура его кипения предотвращает нарушение вакуума, необходимый для поддержания пучка.
Струя расплавленного лития из сопла выходит и сталкивается с дефлектором, преобразуя её в тонкую пленку (10—20 микрон) со скоростью до 180 километров в час. Пучок проходит через эту пленку, но каждая часть расплава подвергается его воздействию лишь на мгновение, и не успевает нагреться или закипеть. Благодаря такому отделителю, мощность пучка удалось повысить до 400 киловатт.
Аналогичный принцип реализован в высокомощных рентгеновских трубках. В них анод выполнен из потока металлического галлия, способного выдерживать сфокусированный электронный луч такой силы, что испарил бы даже самые трудноплавкие вещества.
Применение редких радиоактивных изотопов выходит за рамки изучения ядерных сил. В установке FRIB создаётся множество изотопов, которые применяются в … ядерной медицинеВ других сферах наука также стремится к сбору данных для будущих исследований.
Этот метод извлечения радиоактивных ядер может быть полезен и при осуществлении … острова стабильностиКарта изотопов включает сверхтяжелые элементы с необычными химическими свойствами. Ученые добрались до неустойчивого нейтронно-недостаточного края этого «острова». В его центре, возможно, найдутся изотопы с периодами полураспада в миллионы лет, но проблема нейтронной недостаточности препятствует продвижению внутрь.
Для синтеза сверхтяжелых элементов обычно обстреливают трансурановые цели легкими ядрами. Однако все достаточно стабильные изотопы, подходящие для «снарядов» и целей, имеют сравнительно мало нейтронов. Нестабильные ядра могут содержать гораздо больше нейтронов. Если получится синтезировать их в достаточном количестве непосредственно в процессе реакции и сразу направлять в мишень, то проблема недостатка нейтронов может быть решена.