Co všechno umí urychlovač TANDETRON a jak vlastně funguje?

Transkript

1 Co všechno umí urychlovač TANDETRON a jak vlastně funguje? AnnaMacková** 24. listopadu Úvod Cílem přednášky bylo představit nové unikátní zařízení, které přitáhlo i zájem médií. Myslím,žejevelmipotřebnéstudentůmukazovat,jaksevědavnašemstátěrozvíjíaje nepochybně perspektivní pro mladé lidi, protože má celou řadu aplikací v nových technologiích. Nové laboratoř Tandetronu také demonstruje prolínání několika oborů fyziky a jejich vzájemnou potřebnost. V dnešní době právě interdisciplinární výzkum přináší největší množství nových poznatků a patří mezi nejprogresivněji se vyvíjející část výzkumu. Snahou je, aby učitel měl alespoň okrajovou představu o souvislostech v oblasti aplikace jaderné fyziky, která s sebou přináší změnu negativního postoje vůči této disciplíně plynoucí z neznalosti. Obrázek 1: Procesy probíhající v pevné látce po dopadu energetických iontů Urychlovače slouží v mnoha oborech fyziky, nejznámější jsou velké urychlovače v Evropské laboratoři částicové fyziky(cern), kde se zkoumá složení hmoty na nejfunda- ÚstavjadernéfyzikyAVČR,Řež25068,Přírodovědeckáfakulta,UniverzitaJ.E.Purkyně,České mládeže, Ústí nad Labem, Tel: , mackova@ujf.cas.cz 1

2 mentálnější úrovni. K tomu, abychom nahlédli do struktury např. protonů je zapotřebí vysokých energií na úrovni 1GeV/1nukleon[1]. Vědci se snaží nahlédnout ještě dál do tzv. struktury partonů, které jsou v současné době považovány za nejmenší část hmoty a skládají se z nich např. protony a neutrony v jádře atomu. Pokud ovšem chceme nahlédnout do partonů, potřebujeme opět vyšší energii okolo 160 GeV/1 nukleon[2].urychlovače produkující ionty s mnohonásobně menší energií(např. cyklotron, Van de Graaffův elektrostatický urychlovač, tandémový elektrostatický urychlovač) slouží k nejrůznějším účelům jako je materiálová analýza, příprava radiofarmak, zkoumání jaderných reakcí pro atrofyziku, dozimetrie atd. Zvláštní kapitolou jsou urychlovače elektronů(mikrotrony), které produkují velkou intenzitu elektromagnetického záření velké pronikavosti[3]. Procesy odehrávající se při průchodu nabitých částic materiálem jsou rozmanité v závislosti na typu a energii nabité částice. Pro energie částic, které typicky poskytují menší urychlovače do 20 MeV lze pozorovat jaderné reakce, emisi ultrafialového a viditelného záření, emise rentgenového záření, emisi sekundárních elektronů, zpětně odražení ionty v elastickém rozptylu na jádrech terče a další viz obrázek 1.[4] 2 Nový urychlovač a jeho parametry Obrázek 2: Nová hala Tandetronu, urychlovač Tandetron po nastěhování a plánované umístění iontových tras Urychlovač dodaný holandskou firmou High Voltage Engineering byl instalován v nové hale postavené v roce 2005 v Ústavu jaderné fyziky Akademie věd České Republiky viz obrázek 2. Vybavení našeho oddělení, stávající urychlovač Van de Graaffova typu[5], bylo rozšířeno o nejnovější urychlovač produkující ionty středních energií TANDETRON 4130 MC viz obrázek 2. Terminálové napětí nového urychlovač je 3 MV. Vzhledem k tomu, že urychlovač je tandémového typu, tak urychluje primárně negativní ionty(jedná se o atomy s jedním elektronem navíc a nábojem e) z iontového zdroje v rozdílu potenciálů až3mvanásledněpojejichpřebitíjeurychlíještějednou.připřebíjenímohouztratit původnězápornéiontyivíceelektronů(výslednýnáboj+eaž+7eivíce)aaprotoenergie, 2

3 kterou získají jako kladné ionty může být určena jako násobek kladného náboje iontu a terminálového napětí. Celkem se iont urychlí jednou jako záporný a jednou jako kladný ajehoenergieejedánanásobnostíiontu npodlevztahu E=(n+1).U T,kde U T je terminálové napětí[2]. Obrázek 3: První iontová trasa určená pro analýzy jadernými analytickými metodami Urychlovač TANDETRON 4130, jediný svého druhu v ČR, umožňuje urychlovat širokéspektrumiontůodvodíkuažpozlatonaenergieodstovekkevdozhruba20mev a podstatným způsobem tak rozšiřuje experimentální možnosti v oblasti analýzy a modifikace látek iontovými svazky. Urychlovač byl uveden do provozu v listopadu V současné době probíhá výstavba iontových tras a instalace experimentálního zařízení viz obrázek 3. N8kup urychlovače byl financován za podpory Akademie věd ČR a Mezinárodní agentury pro atomovou energii(maae). Na urychlovači budou v blízké budoucnosti instalována zařízení pro iontovou implantaci a analýzu látek standardními metodami RBS (analýza elastickým rozptylem iontů), PIXE(rentgenovská fluorescence buzená nabitými částicemi), PIGE(emise záření gama buzeného nabitými částicemi) a novými metodami ERDA-TOF(registrace odražených atomů metodou doby letu), RBS s kanálováním, RBS s těžkými ionty zlepšující hmotnostní rozlišení metody, iontová mikrosonda. Tyto metody dosud v ČR nejsou k disposici[5]. Současně se v laboratoři budují další zařízení pro přípravu a studium mikro- a nanostruktur s význačnými mechanickými, elektrickými, magnetickými a optickými vlastnostmi. Konečným cílem je vybudování špičkové laboratoře pro materiálový výzkum pomocí svazků urychlených iontů. V tomto směru je významné i nedávné ustavení Výzkumného centra. Centrum s názvem- Příprava, modifikace a charakterizace materiálů energetickým zářením sdružuje šest výzkumných pracovišť(újf AV ČR, ÚACH AV ČR, FEL aútefčvut,všchtprahaaujepústínadlabem),kterásezabývajípodobnou tématikou. 3

4 Obrázek 4: Princip jaderných analytických metod s použitím iontových svazků Principem analytických metod je svazek nabitých částic(iontů) procházející pevnou látkou. Při průchodu se brzdí, ztrácejí energii, je emitováno rentgenovské záření, popř. proběhnou jaderné reakce a část iontů je odražena zpět jak vidíme na obrázku 4. Pokud měříme energetické rozdělení těchto zpětně odražených částic, spektrum emitovaného rentgenovského záření, produkty jaderných reakcí(podle zvolené analytické metody), můžeme z těchto spekter získat řadu informací o složení zkoumaného materiálu, tedy z jakých prvků se zkoumaná struktura skládá a jak jsou tyto prvky distribuovány do hloubky. Tyto metody jsou vhodné pro nedestruktivní stanovení hloubkových koncentračních profilů prakticky všech prvků[6]. 3 Jaderné analytické metody realizované v budoucnu 3.1 ERDA-TOF Elastický dopředný rozptyl částic s měřením doby letu rozptýlené částice Metoda ERDA-TOF(Time-of-Flight) s těžkými ionty(projektily) umožňuje současné stanovení hloubkových profilů několika lehkých prvků s vysokou mírou správnosti. Metoda je založena na simultánním měření energie(pomocí energetického detektoru částic) a rychlosti atomů vyražených z povrchu vzorku dopadajícími těžkými ionty(projektily) obrázek 5. Rychlost je stanovena měřením času průletu vyražené částice mezi dvěma detektory umístěnými na fixní vzdálenosti- dva detektory tzv. start detektor a stop detektor. Po zaregistrování částice start detektorem se spouští měření času, které se zastaví v okamžiku, kdy částice proletí stop detektorem obrázek 6. Vzhledem k tomu, že délka spektrometru je okolo 70 cm, energie částic se pohybují v jednotkách MeV, tak měříme doby letu desítky až stovky nanosekund. Z energie a rychlosti změřených částic pocházejících ze zkoumaného vzorku se stanoví hmotnost těchto částic. Výsledkem je třídimenzionální spektrum, kde jsou zaznamenány počty částic v závislosti na čase průletu(hmotnosti) a na energii částicobrázek7.víceotétometoděnapř.na[7]. 4

5 Obrázek 5: Schéma procesu měření elasticky vyražených iontů Obrázek 6: Schéma pro měření času průletu a energie vyražených částic 3.2 RBS-channeling Metoda RBS-channeling je založena na efektu kanálování, kdy se ionty převážně pohybují v kanálech mezi atomy uspořádanými v krystalické mřížce. Měříme-li závislost počtu rozptýlených částic na úhlu natočení krystalu vůči dopadajícímu svazku částic, projeví se kanálování prudkým poklesem intenzity rozptýlených částic v okamžiku, kdy svazek vstupuje do vzorku v některém z kanálovacích směrů totožných se směrem význačných krystalových os obrázek 8. V porovnání se spektrem, kdy ionty vstupují do krystalu v náhodném směru, je výtěžek(počet detekovaných částic) při kanálování podstatně menší (obrázek 9). Přítomnost cizích atomů v intersticiálních polohách se projeví typickými změnami úhlové závislosti výtěžku rozptylu a tvaru energetického spektra rozptýlených částic. K realizaci této metody je nezbytná instalace goniometru, který natáčí krystalický vzorek a umožní nalezení kritického úhlu pro měření kanálovacího směru v krystalickém materiálu[8]. 5

6 Obrázek 7: 3D spektrum počtu elasticky vyražených částic v závislosti na jejich energii a době letu(tedy hmotnosti) Obrázek 8: Schéma nabité částice pohybující se v intersticiálních polochách krystalu(efekt tzv. kanálování) 4 Využití urychlovače nabitých částic v interdisciplinárním výzkumu 4.1 Iontová implantace a syntéza nových materiálů Nový urychlovač tandémového typu může být využit pro iontovou implantaci, která je jednou z nejvýznamnějších technik používaných v materiálovém inženýrství pro modifikaci látek. Zařízení se srovnatelnými parametry v ČR zatím neexistuje. Předpokládá se využití iontové implantace pro vytváření struktur s význačnými optickými, elektrickými a biologickými vlastnostmi. V tomto směru navážeme zejména na existující, dlouhodobý výzkum modifikace polymerních materiálů iontovou implantací. Implantace vysokých toků kovových iontů do polymerů je velmi zajímavá z hlediska možného formování kovových nano-částic a granulárních struktur v povrchové vrstvě polymeru. Kovy dopované polymerní struktury jsou perspektivní pro použití v optických a magnetických přístrojích. Příklad fotografie granulárních struktur stříbra v polymerní fólii je vidět na obrázku z transmisního elektronového mikroskopu 10. Rozdílná distribuce nano-částic na rozhraní 6

7 Obrázek 9: Srovnání tvaru spektra zpětně odražených iontů v případě, že se dopadají v náhodném směru vůči orientaci krystalu a v případě, kdy ionty dopadají pod úhlem umožňujícím kanálovací efekt Obrázek 10: Příklad vytvoření shluků stříbrných atomů v polymerní matrici vlivem bombardování ionty a zvýšením teploty polymeru polymeru a kovové vrstvy byla docílena žíháním a ozářením ionty z plasmatického výboje. Četnými pracemi bylo dokázáno, že iontovou implantací lze příznivě ovlivňovat mechanické vlastnosti materiálu související s jeho povrchem. Implantací lze dosáhnout výrazné zvýšení mikrotvrdosti, zvýšení meze únavy, snížení součinitele tření a zejména zvýšení odolnosti proti opotřebení. Přestože mechanismy ovlivnění těchto vlastností nejsou ještě dostatečně objasněny, iontová implantace se již v některých případech úspěšně průmyslově využívá ke zvýšení odolnosti proti otěru[9]. Naopak ozařování polymerů ionty nižších energií řádově kev umožní modifikaci povrchové vrstvy polymeru, který získává jiné mechanické vlastnosti. Tímto způsobem lze například opracovat povrch polymeru tak, aby byl přívětivý pro růst buněk obrázek 11. Objevuje se také pojem nano-technologie, což zahrnuje širokou škálu metod umožňujících zkonstruovat struktury o velikosti řádově několik nm. Mezi tyto struktury patří velmi populární nano-vlákna a nano-trubičky, které mohou být vytvořeny v polovodičových ma- 7

8 Obrázek 11: Příklad růstu buněk na polymerních substrátech upravených iontovou implantacíiontů O +,N + senergií150kev(fotografiezoptickéhomikroskopu) teriálech leptáním elektronovým svazkem nebo iontovým svazkem(tzv. elektronová nebo iontová litografie) a dalšími metodami. I pro tyto účely bude využíván svazek iontů z nového urychlovače TANDETRON. 4.2 Další aplikace Nový urychlovač umožní studovat biologické účinky nabitých částic v závislosti na jejich energii a hmotnosti. Takový výzkum má význam fundamentální pro poznání interakce nabitých částic s biologickými objekty i praktický pro optimalizaci ozařování zhoubných nádorů. Mechanismy radiačního poškození konstrukčních materiálů mají základní význam pro odhady životnosti jaderných zařízení, plánování úložišť jaderných odpadů, pro plánování nových zařízení určených pro likvidaci jaderných odpadů(projekty transmutace jaderných odpadů). Urychlovač může také zkoumat jaderné reakce a perspektivní materiály pro řízenou termonukleární reakci jako nového zdroje energie(program konstrukce prvního fůzního reaktoru na světě-iter[10]). Energetické ztráty nabitých částic při průchodu prostředím mají zásadní význam pro jaderné analytické metody, dozimetrii a konstrukci detektorů nabitých částic. 8

9 Široké spektrum a rozsah energií iontů z nového urychlovače umožní detailní studium takových procesů jako je excitace atomů a s tím spojená emise charakteristického rentgenovského záření, desorpce atomů při dopadu nabitých částic, emise elektronů při interakci nabitých částic s látkami atp. Studium těchto procesů je aktuální jak z hlediska fundamentálního tak i pro rozvoj metod pro analýzu povrchových vrstev látek. Reference [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] M. Macháček: Encyklopedie fyziky, Mladá fronta,