Спецвыпуск "Молодежь и наука"

Оборудование с иголочки - эксперименты продолжаются

Запуск ускорителя ДЦ-280 в Лаборатории ядерных реакций имени Г.Н.Флерова - одно из самых значительных событий в ОИЯИ за последние годы. О создании установки, коллегах и своей работе в коллективе рассказывает и.о. начальника циклотронного комплекса ДЦ-280 Кирилл ГИКАЛ.

Мое первое знакомство с Лабораторией ядерных реакций произошло в то время, когда я еще был студентом, в 2010 году, в лаборатории я писал свою дипломную работу. Темой работы было "Измерение выходов и угловых распределений нейтронов из толстых мишеней при бомбардировке их тяжелыми ионами в области энергий вблизи кулоновского барьера". Полученные результаты исследований были использованы при расчете биологической защиты циклотрона прикладного применения - ДЦ-110, предназначенного для ускорения пучков Ar, Kr и Xe с энергией 2,5 МэВ/нуклон. Моим научным руководителем был Юрий Геннадиевич Тетерев, который и познакомил меня с рабочим процессом в ЛЯР и различными системами ускорителя, что позволило работать после окончания университета на ускорителях ДЦ-110, ЛИНАК-200 и создавать инженерный практикум по системам ускорителя для студентов в УНЦ ОИЯИ.

Я и трое моих коллег - инженеры Дмитрий Сергеевич Белозеров, Дмитрий Анатольевич Злыденный, Кирилл Алексеевич Верламов - были приняты на работу в ЛЯР в 2015 году, когда организовывался временный научно-производственный коллектив по монтажу и наладке создаваемого циклотрона ДЦ-280, так как мы уже имели опыт работы на циклотронах ДЦ-110, У-400, У-400М и на линейном ускорителе ЛИНАК-200.

Группа сотрудников в новой пультовой (слева направо): К.В.Папенков, Д.А.Злыденный, К.Б.Гикал,
начальник научно-технологического отдела ускорителей ЛЯР И.В.Калагин.

В ЛЯР создается Фабрика сверхтяжелых элементов (СТЭ), которая включает в себя новый экспериментальный корпус, новый сильноточный ускоритель - циклотрон ДЦ-280 и новые экспериментальные установки. Идея создания фабрики принадлежит академику РАН Ю.Ц.Оганесяну. Концепция циклотрона ДЦ-280 предложена главным инженером ЛЯР Г.Г.Гульбекяном, разработка ускорителя осуществлялась специалистами ЛЯР, научно-технический руководитель проекта И.В.Калагин. Первой экспериментальной установкой является газонаполненный сепаратор ГНС-2, созданный совместно специалистами ЛЯР и фирмы Sigma Phi (Франция). Задача создания фабрики СТЭ - продолжение работ по синтезу новых сверхтяжелых элементов и изучению их ядерно-физических и химических свойств.

Начало монтажа ДЦ-280, 2016 год.

Для синтеза сверхтяжелых ядер, близких к предсказанной области повышенной стабильности, наиболее перспективными оказались реакции слияния тяжелых изотопов актинидов (Act) в качестве мишеней и дважды магических ядер ⁴⁸Са в качестве бомбардирующих частиц. В период с 1998 по 2011 гг. на газонаполненном сепараторе ядер отдачи проводились эксперименты по синтезу новых сверхтяжелых элементов с Z = 113-118. Мишени из обогащенных изотопов ^233,238U, ²³⁷Np, ^242,244Pu, ²⁴³Am, ^245,248См, ²⁴⁹Bk и ²⁴⁹Cf бомбардировались ионами редкого изотопа ⁴⁸Ca, ускоренными в циклотроне У-400. Ионы ⁴⁸Ca+5 производились в ЭЦР-источнике, позволяющем экономно расходовать данный изотоп.

В реакциях наблюдались образование и распад самых тяжелых изотопов уже открытых элементов Rf, Db, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg, Cn и изотопов новых сверхтяжелых элементов с Z = 113-118.

Как показали эксперименты, выполненные в 1998-2011 годах, вероятности образования сверхтяжелых элементов позволяют зафиксировать при современном уровне экспериментальной техники от одного события в месяц до одного события в неделю. Поэтому для набора достаточной статистики за разумное время в экспериментах по синтезу новых и детальному изучению свойств известных изотопов трансактинидных элементов необходимо существенное увеличение интенсивности пучка ионов ⁴⁸Са в 5-10 раз.

Наиболее тяжелым элементом, синтезируемым в реакциях с ⁴⁸Са, является элемент с Z = 118, названный "оганесон" (обозначение Og) в честь академика Юрия Цолаковича Оганесяна, научного руководителя Лаборатории ядерных реакций. Для синтеза более тяжелых нуклидов необходимо использование более тяжелых бомбардирующих ионов: 50Ti, 54Cr, 58Fe и т.д.

В подобных экспериментах вероятности образования изотопов СТЭ ожидаются более низкими, чем в случае использования ⁴⁸Са. По этой причине также необходимо увеличение интенсивностей пучков бомбардирующих ионов.

Монтаж газонаполненного сепаратора.

В состав нового экспериментального корпуса ЛЯР входят циклотрон ДЦ-280, обеспечивающий получение ускоренных пучков ионов от неона до урана, три экспериментальных зала, в одном из которых уже смонтирована установка ГНС-2. В экспериментальном корпусе также предусмотрены помещения мишенного участка для сборки и хранения мишеней из радиоактивных нуклидов, для оборудования радиационной и экологической безопасности, для систем контроля и управления экспериментами, а также подсобные и технологические помещения, системы инженерного обеспечения ускорителя и установок. Экспериментальный корпус ЛЯР оборудован необходимыми грузоподъемными механизмами для монтажа установок и инженерных систем.

ЭЦР-источник.

В соответствии с развитием современных технологий и появлением новых систем ускоритель оснащен оборудованием для достижения проектных мощностей и параметров. Основными системами циклотрона ДЦ-280 являются: ЭЦР источник ионов, система аксиальной инжекции, основная ускоряющая ВЧ система, магнитная система циклотрона, система вывода пучка из ускорителя, вакуумная система, система водоохлаждения. В процессе сборки оборудования и наладки систем ускорителя ДЦ-280 наша группа принимала активное участие в работе по выводу на проектную мощность основной резонансной ускоряющей системы и вспомогательной системы "Flat-Top", в сборке и испытаниях всех других систем циклотрона ДЦ-280, а также в измерениях магнитных полей основного магнита циклотрона, корректирующих магнитов и поворотного магнита системы инжекции ускорителя ДЦ-280.

Нашей команде очень повезло оказаться в кругу высококлассных специалистов Лаборатории ядерных реакций, которые в процессе работы оказали большую помощь, поддержку и многому нас научили. Весь коллектив объединяет идея создания нового уникального научного центра, работа нацелена на достижение результата, большую роль играет взаимная поддержка во всех рабочих моментах. При создании циклотрона использовалось много уникального оборудования, после его изготовления и поставки наладка и адаптация этого оборудования проводятся непосредственно сотрудниками лаборатории.

На циклотроне ДЦ-280 используется уникальный источник ионов на постоянных магнитах, основанный на принципе электронно-циклотронного резонанса, находящийся на высоковольтной платформе, который способен производить интенсивные пучки ионов практически всех элементов таблицы Менделеева. Ускоритель будет работать в непрерывном режиме в течение длительного времени (около 6000 часов в год).

В декабре 2018 года на циклотроне ДЦ-280 был получен первый ускоренный пучок ионов, а в январе - выведен в канал транспортировки. В настоящее время идет стадия отладки всех систем ускорителя и выхода на проектные режимы его работы.

Современный вид установки.
Здесь в верхней части ускорителя (над ярмом магнита) видно высоковольтную платформу, на которой располагается ЭЦР-источник ионов, в нижней части сам ускоритель. Н.Ф.Осипов находится около бака резонатора, а левее видно каналы вывода и транспортировки пучка.