Curiozitatea ne caracterizează ca specie și ne-a condus de la descoperirea focului până la zborul prin spațiul cosmic sau punerea în evidență a celor mai mici cărămizi ce stau la baza construcției numite Univers. Toate acestea fac parte din călătoria speciei umane prin istorie și duc poate la îndeplinire menirea vieții inteligente în Univers. Și tocmai despre instrumente ale curiozității și cunoașterii o să citiți în continuare.
Acceleratoarele de particule sunt printre cele mai moderne instrumente cu care oamenii de știință pun în evidență atomii, nucleele atomice sau particulele subnucleare. Imaginați-vă aceste instrumente ca pe niște microscoape foarte complexe cu care putem trece dincolo de dimensiunile celulare pe care le studiem cu un microscop optic. Dimensiunile celulare sunt imense pe lângă dimensiunile de 0,000.000.000.000.001 m, ce reprezintă un femtometru – ordinul de mărime specific nucleului atomic.
De ce am ales să vorbim în acest articol despre acest subiect? Acceleratoarele performante de particule nu se utilizează numai în centrele internaționale de cercetare, precum Organizația Europeană pentru Cercetare Nucleară (CERN) din Geneva, ci și în România, la Institutul Național de Cercetare și Dezvoltare pentru Fizică și Inginerie Nucleară – Horia Hulubei, situat la numai 12 km de centrul orașului București.
Scurtă istorie
Nu voi începe această scurtă istorie de la înființarea institutului de la Măgurele, ci voi merge direct la momentul 1972, atunci când s-a început instalarea unuia dintre cele mai moderne acceleratoare liniare de particule disponibile la acel moment la nivel mondial, acceleratorul FN Tandem Van de Graaff produs de High Voltage Engineering Corporation din SUA.
Din acel moment, acceleratorul este utilizat în studiile de fizică fundamentală sau aplicativă din domeniul nuclear și din domeniile conexe. Înțelegerea termenilor de fundamental și aplicativ din domeniul științific ne ajută să pătrundem un pic mai mult în tainele cercetării. Un studiu de fizică fundamentală nu are rezultate cu impact social imediat, el satisfăcând mai degrabă o nevoie științifică de cunoaștere, însă, de cele mai multe ori, efectele acestor rezultate se fac simțite peste zeci de ani de la descoperire.
Pentru toți cei care își pot pune întrebarea „la ce este bună cercetarea fundamentală?”, am să dau exemplul teoriei relativității a lui Albert Einstein care ajută, după zeci de ani, în reglarea sistemelor de tip GPS utilizate în transportul de zi cu zi, fără de care erorile de poziționare ar fi foarte mari. Tehnicile de cercetare dezvoltate din cunoștințele dobândite prin cercetarea fundamentală pot avea totuși aplicabilitate practică imediată, efectele rezultatelor de cercetare se fac simțite în societate sub diverse forme. Aceasta este esența cercetării aplicative.
Acceleratorul Tandem este utilizat pentru studiile de structură nucleară sau pentru studiile reacțiilor nucleare, precum și în studii ce utilizează tehnici din fizică nucleară și atomică pentru analize elementale de mare sensibilitate, spectrometrie de masă cu accelerator, modificarea de materiale prin implantare de ioni și așa mai departe.
Un moment de răscruce în existența acceleratorului Tandem de 7,5 MV, aceasta fiind tensiunea maximă de accelerare la care putea funcționa la acea vreme acceleratorul, a fost cutremurul din ’77. Așa cum o să vedem în detaliu în paragrafele următoare, structura de accelerare a acestui tip de accelerator este alcătuită din oțel și sticlă, iar mișcările seismice au dus la distrugerea ei completă. După aproximativ doi ani de muncă, acceleratorul a fost adus nu numai în stare de funcționare, ci chiar într-o stare mai bună, deoarece au fost aduse îmbunătățiri semnificative, iar tensiunea maximă de accelerare a fost mărită la 9 MV.
Putem considera un alt moment istoric important în existența acceleratorului de particule de tip Tandem de 9 MV de la IFIN-HH, debutul unei perioade de îmbunătățiri substanțiale care a început în 2006, moment în care acceleratorul a început să își trăiască a doua tinerețe.
În 2012, infrastructura de cercetare cu acceleratoare de particule a fost extinsă cu două instrumente mai mici, dar foarte performante: acceleratorul Tandetron™ de 3 MV care este dedicat analizelor elementale de mare sensibilitate cu fascicule accelerate și implantărilor ionice și acceleratorul Tandetron™ de 1 MV care este destinat analizelor de spectrometrie de masă cu accelerator.
Tehnică
Pentru accelerarea unei particule încărcate, de regulă un ion al unui element chimic din natură, utilizăm un câmp electric. Acest câmp electric poate fi unul static, generat de un electrod pe care s-a aplicat o tensiune, iar această metodă stă la baza accelerării electrostatice despre care o să vorbim în detaliu, sau poate fi și unul variabil, componenta electrică a unei unde de radiofrecvență, în care de asemenea se pot accelera particule, așa cum practicanții de surfing sunt accelerați de valurile oceanelor.
Un al treilea mod de producere a câmpurilor electrice intense pentru accelerare de particule este acela generat de interacțiunea unui laser de mare putere cu un gaz sau solid în care produce plasmă și diferențe foarte mari de potențial, dar acest subiect este pe larg dezbătut în articolele ce vorbesc de viitoarele cercetări de la facilitatea europeană ELI-NP, fiind poate viitorul acceleratoarelor de particule.
În cazul acceleratoarelor electrostatice de tip tandem, așa cum este acceleratorul de 9 MV din cadrul Departamentului Acceleratoare Tandem din IFIN-HH, vom avea un generator de particule încărcate (sursă de ioni), un sistem de preaccelerare utilizat în extragerea fasciculului de ioni din zona surselor de ioni și un electrod ce se află la un potențial electric înalt față de potențialul pământului, în câmpul căruia se va face accelerarea propriu-zisă.
Acest electrod va fi încărcat pozitiv, electronii sunt culeși de pe el cu ajutorul unui sistem Van de Graaff format dintr-o bandă și perii de colectare a sarcinilor electrice. Electrodul de înaltă tensiune, numit terminal de înaltă tensiune, este parte constituentă a coloanei de accelerare, coloană alcătuită din sute de elemente de oțel, despărțite de elemente izolatoare din sticlă, ceea ce face ca această structură masivă să fie foarte fragilă.
La acceleratorul Tandem de 9 MV folosim astăzi un sistem asemănător sistemului Van de Graaff cu bandă transportoare de sarcină, dar mult mai fiabil, numit sistem Pelletron™. Acest sistem utilizează un lanț cu zale de inox legate cu elemente izolatoare, iar în loc de perii de colectare folosește elemente inductoare de sarcină electrică.
Ionii negativi produși în sursele de ioni sunt accelerați către potențialul electric pozitiv de pe terminalul de înaltă tensiune, trec apoi printr-o foiță extrem de subțire de carbon sau printr-un gaz la o presiune foarte scăzută, și sunt lăsați parțial sau total fără învelișul electronic, devenind astfel ioni pozitivi. Ionii pozitivi sunt în continuare accelerați de potențialul pozitiv, ei fiind respinși spre ieșirea din accelerator, unde un câmp magnetic transversal va efectua separarea după masă și sarcină, selectând elementul de interes pentru experimentul în desfășurare.
După procesul de selecție, fasciculul este trimis spre zona experimentală unde este utilizat pentru studiile de fizică.
Știința
După cum spuneam și în introducere, fasciculele accelerate sunt utilizate și în studii de fizică fundamentală. Cele mai populare domenii de cercetare fundamentală din cadrul IFIN-HH în care sunt utilizate fasciculele de particule accelerate sunt studiile de structură nucleară și studiile mecanismelor de reacție nucleară, în special mecanismele importante în studiile de astrofizică nucleară.
Pentru a putea descrie cât mai bine structura materiei nucleare și a forțelor ce acționează asupra constituenților săi, este necesară efectuarea de experimente la acceleratoarele de particule. Ionii accelerați vor interacționa la nivel nuclear cu elementele dintr-un material țintă. Prin detecția efectelor interacției dintre particula accelerată și elementele din țintă, poate fi recreată o imagine a structurii nucleului studiat, ionii accelerați având rol de sondă. Acest tip de experimente nu fac decât să completeze, puțin câte puțin, imaginea complexă a izotopilor cunoscuți până în acest moment în Univers.
Fasciculul accelerat poate fi utilizat nu doar pentru a investiga structura unui nucleu, ci chiar mecanismul reacției prin care a luat naștere acesta. Aceste informații sunt utile atât la realizarea noilor generații de reactori nucleari, cât și la înțelegerea modului în care au luat naștere anumite elemente chimice în Univers precum și de ce sunt unele elemente mai abundente sau mai puțin abundente.
Lăsând la o parte fizica fundamentală și întorcându-ne mai spre viața de zi cu zi, fasciculele accelerate sunt utilizate pentru analize de mare sensibilitate cu utilitate diversă și pentru modificarea structurii materialelor, pentru a le face mai performante. Pentru a face asta am instalat în cadrul institutului nostru două noi facilități de care am amintit mai sus.
Acceleratorul Tandetron™ de 3 MV este cu precădere utilizat pentru analiza de materiale prin variate tehnici de analiză (PIXE, PIGE, ERDA, RBS etc.). Nu o să intrăm în detalii despre modul cum funcționează fiecare dintre aceste tehnici. Vă voi spune doar că utilizând tehnicile din domeniul structurii nucleare, bombardăm un material țintă cu un fascicul accelerat de ioni și ducem atomii și nucleele ce alcătuiesc materialul de analizat în stări energetice excitate ce revin pe nivelele energetice fundamentale prin emisia de radiații caracteristice fiecărui tip de nucleu sau atom.
Utilizăm această amprentă și putem spune cu exactitate ce compoziție elementală are proba supusă analizei și facem acest lucru pentru studiile de arheometrie, pentru studiile de mediu sau studiile geologice, pentru criminalistica nucleară, pentru studiile de farmacologie, biologie sau medicină, pentru investigarea unor noi materiale create în laborator, în vederea îmbunătățirii acestora.
De asemenea, putem modifica structura unor materiale introducând în profunzimea lor, într-un mod extrem de controlat, atomi din alte materiale, pentru a îmbunătăți calitățile mecanice, electrice, termice etc.
La acceleratorul Tandetron™ de 1 MV, mezinul familiei electrostatice din IFIN-HH, se fac cele mai sensibile analize de masă posibile în acest moment în lume. Acceleratorul este utilizat nu pentru a bombarda materiale țintă cu ioni accelerați, așa cum am descris până acum, ci exact invers, prin accelerarea materialelor de analizat.
Acceleratorul împreună cu sistemele de analiză magnetică a ionilor accelerați vor extrage dintr-un material ionii și îi numără practic unul câte unul. Măsurătorile se fac pentru izotopii elementelor, măsurând rapoarte ale acestora cu foarte mare precizie. Izotopii unui element chimic diferă între ei doar prin numărul de neutroni prezent în nucleul atomic, aceștia neputând fi diferențiați din punct de vedere chimic, separarea lor putând fi făcută doar prin masa acestora.
Cel mai cunoscut exemplu este cel al datării cu 14C, izotop al carbonului ce ia naștere în straturile superioare ale atmosferei sub influența radiațiilor cosmice. Izotopul de carbon-14 (cu 6 protoni și 8 neutroni în interiorul nucleului atomic) este un izotop radioactiv ce se va dezintegra cu un timp de înjumătățire de 5760 ± 30 ani, adică la fiecare aproximativ 5.760 ani vom găsi jumătate din cantitatea inițială de izotop carbon-14.
Având în vedere că ființele vii înglobează elementul chimic carbon atâta timp cât trăiesc, ele vor acumula constant izotop radioactiv carbon-14, acesta fiind produs în atmosferă cu o rată relativ constantă de-a lungul timpului. O dată ce organismul încetează să mai trăiască și, implicit, să mai facă schimb de carbon cu mediul, cantitatea de izotop stabil de carbon 12 și 13 va rămâne aceeași, în timp ce cantitatea extrem de mică de izotop carbon-14 va începe să se dezintegreze.
Determinând cantitatea rămasă, putem estima cu precizie destul de mare vârsta unei anume probe arheologice, făcând bine cunoscuta datare cu carbon-14. Acest lucru se face cu acceleratorul Tandetron™ de 1 MV. Având în vedere că acest instrument de cercetare poate să măsoare raportul izotopic cu o precizie de un atom dintr-un anumit izotop în raport cu milioane de miliarde de atomi dintr-un alt izotop, putem stabili cu mare precizie vârsta unui artefact ce nu depășește vechimea de 60.000 de ani.
Această metodă nu se aplică numai pentru datarea cu carbon-14, ci și pentru rapoarte izotopice ale altor elemente utilizate în analize de spectrometrie de masă cu accelerator, ce servesc studiilor de mediu, studiilor geologice, analizelor de criminalistică, astrofizică nucleară, farmacologie, medicină sau oricărui alt domeniu în care cea mai mare sensibilitate de analiză de masă din lume își poate găsi utilitatea.
În încheierea celor scrise mai sus, vă pot spune că nu trebuie să zburați mii de kilometri pentru a descoperi cercetare de înaltă calitate, ci puteți ajunge în vizită la IFIN-HH unde puteți găsi cercetare și dezvoltare la cele mai înalte standarde, lucru probat de numărul mare de utilizatori ce vin din afara granițelor țării pentru a face experimente de fizică la facilitățile de cercetare din IFIN-HH, utilizând mai mult de 4.000 de ore anual la aceste acceleratoare.
Cele descrise de mine în acest articol sunt doar o mică parte din ceea ce se găsește în micul oraș științific de la periferia Bucureștiului.
