Благодаря новому методу извлечения электронов удалось увеличить мощность ионного пучка, используемого для синтеза изотопов с аномальным соотношением протонов и нейтронов.
В стабильных изотопах количество нейтронов обычно варьируется в пределах нескольких штук, а у радиоактивных оно может изменяться в гораздо более широких пределах. К примеру, у стабильных изотопов никеля бывает от 30 до 36 нейтронов, а у радиоактивных — от 20 до 52. Если расположить все известные изотопы на карте, по осям которой отложены количества протонов и нейтронов, получится узкий «хребет стабильности» и широкие «отмели» радиоактивных изотопов.
Существует приблизительно шесть тысяч радиоактивных изотопов, и ученым удалось синтезировать лишь около половины из них. Особенный интерес представляет изучение нестабильных изотопов, характеризующихся значительным дисбалансом между протонами и нейтронами, поскольку исследование их распадов позволяет физикам постепенно улучшать понимание сил, обеспечивающих стабильность ядер.
Период полураспада этих изотопов, как правило, варьируется от десятых до тысячных долей секунды (хотя в некоторых случаях он значительно меньше), что требует их изучения в реальном времени. В 2022 году к работе приступила лаборатория FRIB (Центр исследований редких изотопов) при университете штата Мичиган (Michigan State University).
Для получения нестабильных изотопов в лаборатории FRIB используется следующая методика. Изначально из тяжелого элемента, например ксенона или урана, получают ионы. Затем эти ионы разгоняют и направляют в отделитель электронов. В этом устройстве ионы теряют почти все электроны и попадают в основной ускоритель, откуда пучок ионов достигает мишени.
При столкновении с ядрами мишени на скоростях, достигающих половины скорости света, ядра пучка распадаются на крупные фрагменты. Эти фрагменты разделяются магнитным полем и направляются в ловушку, расположенную вокруг детекторов распада. Анализируя энергии и типы частиц, образовавшихся в результате распада, ученые реконструируют структуру ядра.
Разработчиков новой установки ожидали трудности на этапе отделения электронов, необходимом для увеличения заряда ионов и повышения эффективности их разгона к мишени. В результате столкновений формируются ядра с различным количеством протонов и нейтронов, однако многие изотопы образуются в недостаточном количестве. Для ускорения образования этих изотопов требуется увеличение тока ионов, но отделитель электронов не способен обеспечить такую производительность.
В менее мощных ускорителях в качестве отделителя электронов используют графитовую фольгу, однако, проходя через нее, ионы разрушают кристаллическую структуру графита. Оказалось, что в пучке FRIB графит выгорает слишком быстро.
Исследовательская группа под руководством Такудзи Канемуры) изобрели самовосстанавливающийся отделитель электронов, который обошел ограничение по мощности пучка. Для этого они использовали мощный поток расплавленного лития. Выбор именно этого металла связан с двумя факторами — легкие атомы лития не способны сильно рассеять летящий сквозь него пучок тяжелых ионов, а высокая температура его кипения предотвращает нарушение вакуума, который необходим для поддержания пучка.
В жидкометаллическом отделителе электронов струя расплавленного лития, выходящая из сопла, сталкивается с краем дефлектора, формируя пленку толщиной от 10 до 20 микрометров, движущуюся со скоростью до 180 километров в час. Пучок проходит через эту пленку, однако каждый объем расплава подвергается воздействию пучка лишь на короткий промежуток времени, недостаточный для нагрева и закипания. Благодаря использованию литиевого отделителя мощность пучка удалось увеличить до 400 киловатт.
Аналогичная технология применяется в сверхъярких рентгеновских трубках. В них анод выполнен в виде струи металлического галлия, способной противостоять воздействию сфокусированного электронного пучка высокой мощности, достаточной для испарения даже самых жаропрочных материалов.
Использование редких радиоактивных изотопов выходит за рамки исследования ядерных сил. В установке FRIB создается значительное количество изотопов, среди которых есть и те, что применяются в ядерной медицине и других областях, — и ученые планируют собирать их для дальнейшего применения.
Кроме того, этот метод получения радиоактивных ядер может оказаться полезным при реализации « острова стабильности» на карте изотопов, где представлены сверхтяжелые элементы с уникальными химическими свойствами. На данный момент ученые исследовали лишь нестабильную область, бедную нейтронами, на границе этого «острова». В центре его потенциально могут находиться изотопы с периодами полураспада, достигающими миллионов лет, однако проблема нейтронной недостаточности препятствует дальнейшему продвижению.
Сверхтяжелые элементы, как правило, получают путем обстрела трансуранового образца легкими ядрами. Однако, все известные стабильные изотопы, пригодные для создания «снарядов» и мишеней, характеризуются недостаточным содержанием нейтронов. Ядра нестабильных элементов могут содержать значительно большее количество нейтронов: если удастся синтезировать их в достаточном количестве «на лету» и немедленно направить на мишень, проблему нейтронного дефицита можно будет решить.