TecniCall® - časopis Českého vysokého učení technického v Praze

Urychlovač Van de Graaff

Laditelný zdroj monoenergetických neutronů a lehkých iontů

Ve stejné budově areálu Matematickofyzikální fakulty UK na rozhraní Libně a Troje, kde Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT provozuje svůj školní reaktor Vrabec, je umístěno i další unikátní zařízení. Urychlovač Van de Graaff, který Ústav technické a experimentální fyziky ČVUT koupil v roce 2010 od MFF UK, byl ze školní výukové jednotky přebudován na komplexní vědecké centrum – mnohoúčelovou laboratoř pro fyziku protonů, neutronů a záření gama.

Urychlovač, jenž byl převzat i s velínem a dalšími přilehlými místnostmi, kde se zpracovávají signály a data přenášená po kabelech z experimentální haly, je jediným takovým zařízením na českých vysokých školách. Jedná se o tzv. elektrostatický lineární urychlovač s maximálním urychlujícím napětím 2,5 MV. Pracuje na principu přenosu náboje (kladného) ze zdroje vysokého napětí (několika kV) pomocí nabíjení pohyblivého transportního pásu na „zemním“ konci na konec „vysokonapěťový“, kde se náboj stírá kartáčkem a nabíjí celou vzdálenou část na potenciál dosahující až 2,5 milionu voltů. Vzhledem k hodnotě maximálního napětí nemůže urychlovač pracovat za atmosférického tlaku a je proto umístěn do uzavřené tlakové nádoby, naplněné stlačeným plynem (kolem 20 barů), a to vysoce suchým dusíkem a dalšími speciálními plyny, zajišťujícími odolnost proti průrazu vůči kovové tlakové nádobě.

Středem zařízení je vedena tzv. urychlovací trubice, do které se na vysokonapěťovém (VN) konci vstřikuje ionizovaný plyn a jelikož ionizované atomy/molekuly mají též kladný náboj, jsou poté vysokým potenciálem „vytlačovány“ urychlovací trubicí do tzv. iontovodů a poté do experimentálních komor. Urychlovací trubice se skládá z mnoha desítek kovových segmentů oddělených skleněnými kroužky, které jsou propojeny sériově řazenými identickými rezistory, čímž je podél trubice vytvořen lineární spád napětí od maxima po nulu na výstupu z urychlovače. Proud, tekoucí tímto řetězcem rezistorů, je dále využíván ke stabilizaci napětí. Speciálním regulačním prvkem je tzv. „korónový vybíječ“, tvořený kovovým terčíkem s hroty, který je pomocí dálkově ovládaného motoru přibližován či oddalován od VN konce. Přiblížením k němu nastane korónový efekt, kdy je bez vzniku elektrického průrazu plynule „odsávána“ část náboje. Výsledkem obou popsaných regulačních mechanizmů je udržováno nastavené napětí s přesností pod 1 promile (tedy s odchylkou do 1kV při napětí 1 MV).

Vzhledem k vysokému rozdílu potenciálů mezi zemním a VN koncem urychlovače není možné vést vnitřkem urychlovače žádné kabely ani trubice s plynem. Veškeré plyny jsou po celou dobu provozu mezi opětovným naplněním ve formě stlačeného plynu v bombičkách na VN straně a jejich tok je řízen pomocí speciálních ventilů, ovládaných z velínu. Pro tento účel slouží transportní pás též k přenosu mechanické energie – pohání alternátor, který napájí celou VN část. Přenos řídicích povelů je prováděn systémem: z velínu řízený servomotor na zemní straně a přenos otáček izolační tyčkou na aktuátor (potenciometr, přepínač apod.) na VN konci, jehož součástí je též VF generátor, sloužící k ionizaci plynu, vstupujícího do urychlovací trubice.

Svazek vystupující z urychlovače je po nezbytné fokusaci a linearizaci veden do rozdělovacího magnetu, který slouží jednak k odklánění svazku do jednotlivých iontovodů (celkem sedm možností), jednak jako hmotnostní separátor. Úhel odklonu je úměrný jak hmotnosti, tak i náboji daného iontu, takže lze oddělovat jednou či vícenásobně ionizované ionty a právě tak i atomární a molekulové svazky. Jednotlivé svazky mohou být vedeny buď přímo do experimentálních komor, kde jsou dále zkoumány jejich interakce s materiály, nebo detektory. Přímý svazek je na svém konci odkloněn o 90° pod podlahu a veden na sesterské pracoviště FJFI ČVUT, kde slouží k povrchovým analýzám materiálů, a konečně na několika intovodech je svazek přiveden na terčíky, na kterých produkuje neutrony.

Všechny iontovody a experimentální komory jsou provozovány jako vakuové. Součástí pracoviště je tedy i systém mnoha vakuových pump, od rotačních pro předčerpávání po turbomolekulární pro vysoké vakuum, včetně řady vakuoměrů a vakuových ventilů až po systém bezpečnostních ventilů, chránících automaticky před poškozením jak vlastní urychlovač, tak vysokootáčkové turbomolekulární pumpy.

Zařízení poskytuje kromě svazků lehkých iontů (protony, deuterony či částice alfa) též monoenergetické neutrony s energií laditelnou v poměrně širokém rozmezí (od 30 keV do téměř 19 MeV). Provádí se zde výzkum jak základního, tak i aplikovaného charakteru.

V oblasti základního výzkumu jde o studium interakce polarizovaných neutronů na polarizovaných terčích (spinová fyzika), o produkci tzv. značených částic („tagged neutrons“) a dále o zkoumání jaderných reakcí užitečných pro astrofyzikální výzkum a pro jadernou fúzi. Pro účely spinové fyziky je laboratoř vybavena i „superkryostatem“, který umožňuje pracovat s terčíky na teplotě pouhých 20 mK. V součinnosti s Univerzitou Montreal se připravuje též experiment, který by mohl přispět k hledání tzv. temné hmoty ve vesmíru.

Co se týče aplikační sféry, pracoviště je využíváno pro kalibraci a testování různých detektorů částic při definovaných hodnotách energií, toků, ale i směru záření (lehké ionty, neutrony). Významným programem je také kalibrace a testování přístrojů určených pro kosmický výzkum. Zde hrají hlavní roli potřeby Evropské kosmické agentury (ESA), která financovala přebudování neutronových terčů a absolutní kalibraci zdrojů. Ve spolupráci s agenturou byla zkonstruována přenosná gama-stanice pro dálkové testy u zařízení určených k práci na oběžné dráze, která je v současnosti zapůjčena v moskevském Ústavu kosmických výzkumů.

Vědecký program pracoviště je realizován v rámci mezinárodních projektů s podporou týmu z mateřské instituce. Klíčová je úspěšně navázaná spolupráce s mezinárodními a nadnárodními výzkumnými institucemi, jako jsou CERN, ESA nebo Spojený ústav jaderných výzkumů v Dubně.

V roce 2009 byl v ČR novelizací zákona č. 130/2002 Sb., o podpoře výzkumu a vývoje, ustanoven nový nástroj pro financování vědy – tzv. velké infrastruktury pro výzkum, experimentální vývoj a inovace. Za jeho správu na národní úrovni nese odpovědnost Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy. Velká infrastruktura je charakterizována jako jedinečné výzkumné zařízení, které je nezbytné pro ucelenou výzkumnou a vývojovou činnost s vysokou finanční a technologickou náročností a které je schvalováno vládou a zřizováno jednou výzkumnou organizací pro využití rovněž dalšími výzkumnými organizacemi. Právě naše pracoviště bylo pro své parametry do této sféry zařazeno. Důležitým rysem je jeho otevřenost a přístupnost pro experimentátory z vnějšku – nejen z ostatních součástí ČVUT, nýbrž i z tuzemských a zahraničních univerzit či výzkumných ústavů. Jakýkoliv vědecký tým může předložit svůj badatelský projekt a požádat o příslušný čas na urychlovačovém svazku. Relevantnost takovéto žádosti je posouzena vědeckou radou projektu a poté je badatelům poskytnut potřebný urychlovačový čas. Svazek, stejně tak jako veškeré podpůrné vybavení pracoviště, jsou přitom poskytovány bezplatně, neboť laboratoř je provozována v režimu „open access“. Zmíněná bezplatnost se vztahuje též na komerční subjekty, ovšem pouze tehdy, pokud zde prováděná měření mají sloužit nevýdělečnému vědeckému programu. Pro výdělečné komerční využití je účtován příslušný podíl na provozních nákladech laboratoře.


Více na http://vdg.utef.cvut.cz


RNDr. Michael Solar, CSc.

michael.solar@utef.cvut.cz

Magnet ohýbající svazek urychlených iontů do zvoleného iontovodu

Magnet ohýbající svazek urychlených iontů do zvoleného iontovodu [foto: Jiří Ryszawy]