Institutul Național de Fizică și Inginerie Nucleară Horia Hulubei de la Măgurele (IFIN-HH), recunoscut centru de excelență în fizica nucleară, cel mai mare institut de cercetare științifică din România, și-a consolidat în ultimii zece ani pozița sa în primele rânduri ale elitei fizicii nucleare și internaționale.
Acesta a reprezentat încă un element decisiv (împreună cu remarcabila istorie a fizicii laserilor în țara noastră) în încredințarea de către Comisia Europeană, la finalul fazei pregătitoare a Proiectului ELI – Infrastructura Europeană a Luminii Extreme, a construirii la București-Măgurele a pilonului de fizică nucleară – cel mai complex dintre cei trei piloni ai ELI (ceilalți doi fiind pilonul dedicat studiului pulsurilor de attosecunde și cel al surselor secundare, care vor fi construiți la Szeged, Ungaria și, respectiv, la Dolni Břežany-Praga). Aflate în plină fază de construcție, atunci când vor intra în funcțiune, cele două „mașini” ale proiectului ELI-NP vor reprezenta, ambele, adevărate premiere mondiale în fizică. Vă vom oferi în continuare o scurtă descriere a ceea ce va fi,
Cea mai intensă instalație gamma din lume
Sistemele cu fascicul gamma din generația următoare, aflate în construcție la ELI-NP, vor furniza fascicule gamma ai căror parametri depășesc cu câteva ordine de mărime pe cei accesibili în prezent. Printre aceștia, densitatea spectrală (numărul de fotoni gamma emiși în unitate de timp și de energie), lărgimea de bandă (lărgimea distribuției energetice a fasciculului împărțită la energie) sau brilianța (brilliance – care ține seama de numărul de fotoni pe secundă, divergența lor unghiulară, dimensiunea transversală a fasciculului și lărgime de bandă) – toate acestea prin comparație cu fasciculele disponibile la instalațiile existente în prezent.
O altă caracteristică remarcabilă a fasciculelor gamma la ELI-NP va fi posibilitatea de acordare a energiei pe un domeniu larg, de la 200 keV la 19.5 MeV, menținând totodată caracteristicile avansate ale fasciculului.
Realizarea la ELI-NP de fascicule gamma cu caracteristici fără precedent este posibilă datorită folosirii unei tehnici de producție bazată pe fenomenul de Împrăștiere Compton Inversă necoerentă (incoherent inverse Compton scattering) a radiației unui laser cu pulsuri cu o mare rată de repetiție pe un fascicul de electroni relativiști de joasă emitanță și intensitate înaltă.
Principalele componente ale sistemului cu fascicul gamma sunt:
(a) un accelerator liniar RF construit în două etape, furnizând energii de până la 300 MeV și respectiv, până la 720 MeV și livrând la fiecare 10ms 32 de fascicule secundare (bunches) de electroni de câte 250 pC fiecare;
(b) doi laseri de interacție cu Yb:YAG crio-răciți, de clasă J de înaltă calitate, care emit lumină verde cu o rată de repetiție de 100 Hz;
(c) un circulator de fascicul laser la punctul de intersecție, pentru a asigura intersecția ficărui fascicul laser cu cele 32 de micro-fascicule de electroni;
(d) un sistem de colimare care folosește avantajul corelațiilor radiației gamma împrăștiate pentru selectarea lărgimii de bandă dorite a fasciculului.
Fasciculele gamma la ELI-NP vor fi caracterizate de parametri remarcabili:
- O lărgime de bandă (BW) cu densități spectrale de peste 0.5%, pentru 10,000 fotoni/s/eV,
- Brilianță maximă de peste 1021 fotoni/mm2/mrad2/s/(0.1\%BW),
- Un înalt grad de polarizare liniară (peste 95%).
Proiectarea și construcția sistemului de fascicule gamma sunt realizate de European Association EuroGammaS care include instituții academice de înalt profil, cum sunt Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Italia), Centre Nationale de la Recherche Scientifique (Franța), Universita Sapienza Rome (Italia), cărora li s-au alăturat parteneri industriali de mare valoare și cu experiență recunoscută în domeniul acceleratorilor de electroni și tehnologiei laser, cum ar fi ACP (Franța), ALSYOM (Franța), COMEB (Italia), SCANDINOVA (Suedia), DANFYSIK (Danemarca).
ELI-NP și cercetările de frontieră în fizica nucleară
Unul dintre cele mai importante domenii de studiu pentru fizica nucleară actuală (și de mare interes pentru aplicații) este Fluorescența de Rezonanță Nucleară – Nuclear Resonance Fluorescence (NRF).
NRF este procesul în care nucleul emite fotoni în urma excitației fotoinduse sub pragul separării particulelor. Aceste stări se dezintegrează exclusiv prin emisie de radiație gamma. Procesul poate fi elastic (dacă după excitare nucleul revine la starea fundamentală) sau inelastică (dacă dezintegrarea are loc pe un alt nivel de energie inferioară). Principalul avantaj al metodei NRF este că procesele de excitare și dezexcitare au loc prin intermediul interacției electromagnetice, care este forma de interacție cel mai bine înțeleasă în fizică.
Tehnica NRF permite regăsirea mai multor mărimi nucleare, independent de modelul nuclear folosit. Printre acestea: energiile de excitare, lărgimile de nivel, probabilitățile de dezintegrare, sau numerele cuantice de spin. Polarizarea liniară a fasciculului permite obținerea parităților stărilor excitate din distribuțiile unghiulare ale radiației gamma emise.
Fasciculele gamma de înaltă brilianță care vor fi disponibile la ELI-NP vor crește substanțial sensibilitatea măsurătorilor NRF, cu o economie substanțială de material necesar pentru construirea țintelor (de ordinul a câtorva miligrame). Aceasta deschide noi posibilități pentru studiul nucleelor cu o prezență foarte limitată în natură, cum ar fi nucleele-p (izotopi bogați în protoni ai unor elemente aflate între seleniu și mercur și care pot fi întâlniți în natură) sau cu un fond foarte mare de radiații, de exemplu actinidele.
La ELI-NP vor fi posibil de realizat pentru prima oară excitații multipolare superioare cu un contrast foarte bun. În experimente anterioare cu radiație de frânare (bremsstrahlung radiation), probele erau expuse întregului spectru de energie, ceea ce ducea la o blocare a acestor excitații multipolare înalte slabe prin apropierea între ele a rezonanțelor E1 sau M1. Raportul semnalului NRF util cu fondul atomic datorat împrăștierii Compton sau producției de perechi va fi de asemenea redus prin folosirea unei lărgimi de bandă excelente la densități spectrale joase.
La ELI-NP, tehnica NRF va permite studiul de înaltă precizie al excitațiilor colective elementare, cum ar fi vibrațiile cuadrupolare de formă, modurile de excitare de tip foarfecă (double scissor modes), stările rotaționale construite pe acest mod, vibrațiile octupolare sferice și deformate, modurile colective de excitare similare rezonanțelor gigant dar aflate sub energia de excitare a particulelor (Pygmy resonances).
Aplicațiile NRF
Așa cum s-a întâmplat totdeauna la IFIN-HH, cercetările de fizică fundamentală au făcut pereche cu identificarea posibilelor aplicații de interes atât pentru diferite domenii industriale cât și pentru medicină și protecția mediului. Același lucru se întâlnește și la utilizarea fasciculelor gamma în metoda NRF.
Una dintre primele aplicații este folosirea sa în teste nedistructive ale unor diferite obiecte. Sunt apoi aplicații industriale bazate pe NRF în caracterizarea conținutului probelor izotopice și în radioscopia și tomografia industrială, care vor deveni astfel posibile. Testele non-distructive bazate pe radiația gamma de înaltă brilianță pot fi utilizate cu succes în aplicații pentru garanțiile nucleare (nuclear safeguard applications) și managementul deșeurilor radioactive.
De exemplu, vor deveni posibile determinarea precisă a raportului 235U/238U în bare de combustibil uzate sau determinarea conținutului de 239Pu. Radioscopia și tomografia computerizată realizate la ELI-NP au potențialul de a realiza o înaltă rezoluție spațială și o înaltă sensibilitate de contrast. Combinând metoda NRF cu tomografia, se pot realiza noi hărți ale elementelor în obiecte cu compoziții diverse. Aceasta va permite investigarea structurii interne a unor obiecte de mare valoare, cum ar fi artefactele istorice, produsele industriale etc.
Marea densitate spectrală și structura temporală a fasciculului gamma necesită recurgerea la sisteme de detecție de ultimă oră. Principalul montaj experimental pentru măsurători NRF va consta dintr-o rețea de detectori gamma plasați în jurul unei ținte. Denumirea acestei rețele este ELI.A.DE (ELI-NP Array of DEtectors).
Pentru optimizarea răspunsului rețelei la radiații gamma de diferite energii, de la câteva sute de keV la câțiva MeV și pentru a permite măsurători precise de distribuție unghiulară și polarizare ale radiației gamma, aceasta va folosi un mare număr de detectori de germaniu de înaltă puritate de tipul CLOVER segmentat și detectori de scintilație LaBr3 de volum mare.
Detectorii CLOVER constau din patru cristale individuale de germaniu de mare puritate, montate în același criostat. Fiecare cristal de germaniu este divizat în opt segmente. Rețeaua va cuprinde opt detectori CLOVER și patru detectori de scintilație LaBr3. Un total de 324 semnale de detector vor fi furnizate sistemului de achiziție de date.
Acest sistem se va baza pe panouri digitale rapide de eșantionare, care vor permite înregistrarea semnalelor de detector în format digital și utilizarea unui software sofisticat de analiză a formei pulsului pentru îmbunătățirea calității datelor și creșterea eficacității sistemului.
