Összegzés

Szent-Györgyi Albert Hazahívó Posztdoktori Ösztöndíjam december 31-én végéhez ért. Ideje számadást készíteni az elért eredményekről...

Az ösztöndíjas időszakom 2013 szeptemberében kezdődött. Az azóta eltelt 16 hónap soknak tűnhet, de a kutatással, főleg a kísérleti kutatással foglalkozók tudják, hamar elrepül ez az idő. 16 hónap (kicsit kevesebb mint másfél év), a kísérleti magfizikában különösen rövid: sokszor egy évet is várni kell a gyorsítóidőre, és ha netán történik valami meghibásodás ebben a bonyolult berendezésben, akkor még egy évet kell várni a kísérlet elvégzésére.... Mint ahogy egy korábbi bejegyzésben írtam, velünk is valami ilyesmi történt tavaly februárban a müncheni kísérletünk alatt.

A technikai problémák ellenére sikeresnek tartom az elmúlt másfél évet. Sikeres kutatómunkát végeztem, melyről a szakfolyóiratokban megjelent, illetve megjelenés alatt álló hat darab publikáció is alátámaszt. Úgy érzem, hogy a manapság különösen fontosnak tartott tudománynépszerűsítési feladatokat is sikerült ellátnom tudománynépszerűsítő cikkek közlésével és ennek a blognak a vezetésével. Jelentős oktatási tevékenységet is végeztem, a Debreceni Egyetem mérnök-informatikus alapképzésében a Mesterséges Intelligencia alapjai című kötelező tárgy előadójaként több, mint száz hallgató képzését vállaltam. Egy új speciális kollégiumot (szabadon választható tárgyat) is indítottam Kísérletek tervezése és mérési adatok kiértékelése címmel.

Az ösztöndíjas időszak során elvégzett munka egyik legfontosabb eredménye azonban az a hosszú távú együttműködési és finanszírozási szerződés, mely a kutatócsoportom által kezdeményezett kutatási-fejlesztési programon alapul, és melyet a Magyar Tudományos Akadémia Atommagkutató Intézete és a bukaresti székhelyű Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics kutatóintézet 2014. december 14-én aláírt. A kutatás egyik vezető kutatója lettem. Ezzel a szerződéssel a magyar kutatóintézet (és kutatócsoportunk) jelentős összegű Európai Uniós finanszírozási forráshoz jut a következő években, és úgy gondolom, hogy biztosítottuk kutatási szerepvállalásunk az ELI-NP projektben. (Nem összetévesztendő az ELI-ALPS projekttel, ami ezzel párhuzamosan fut, és hazánkban, Szegeden valósul majd meg.

Úgy gondolom, hogy ez az ösztöndíj jelentős segítséget nyújtott abban, hogy a fenti eredményeket elérjem, és hogy megalapozzam a blogomban már többször bemutatott kísérleti programot itthon és nemzetközi együttműködést az ELI-NP kutatólaboratóriummal, ahol világszínvonalú kutatások lesznek végezhetők.

A neptúnium-238 hasadási gátja és rezonanciái

Egy korábbi bejegyzésben már bemutattam a neptúnium-238 izotópjával kapcsolatos mérésünket, illetve a kísérleti adatok értelmezésének első lépéseit. Az elmúlt hónapokban sikerült továbblépni, erről szeretnék most pár sort írni.

a) Hasadási valószínűség a közbenső mag gerjesztési energiájának függvényében és b)  hasadási rezonanciák forgási szerkezete (magyarázat: lásd egy korábbi bejegyzés)

 A fenti ábrán kék kis háromszögek jelzik a mérésünk eredményét, fekete karikával jelöltem egy korábbi, rosszabb feltételekkel végzett mérés eredményét, míg a piros folytonos vonal az elméleti modelleink által történő számítások eredménye, amit bizonyos paraméterek változtatásával a kísérleti adatokhoz illesztettünk. Ezek a paraméterek pont hasadási gát paraméterei, melyek maximumai rendre 5.5 MeV, 6.2 MeV és 6.3 MeV magasnak adódtak. Ezek szerint a neptúnium-238 szerkezetileg nagyon hasonló a korábban vizsgált protaktínium-232 izotóphoz, amit a (b) ábrán bemutatott rezonanciaszerkezet is alátámaszt. (Ami szintén nagyon hasonlatos a protaktínium-232 esetében észlelthez.)

A fenti eredményekből született közleményt az Acta Physica Polonica B közlésre elfogadta, várhatóan az áprilisi számában jelenik meg.

Tervezés és szimuláció

Ahogy arról már korábban is írtam, az ELI-NP-nél 2017-től induló kutatásainkhoz jelenleg két detektorrendszert is fejlesztünk. A fejlesztés első lépése a tervezés, ami során "papíron" kialakítjuk az elképzeléseinknek, követelményeknek megfelelő rendszert eldöntve a méretezést, a geometriai elrendezést illetve a felhasználandó anyagokat. A tervezés során természetesen figyelembe kell venni az anyagi lehetőségeket és azt is, hogy rendszer illetve annak szerkezeti elemei technológiailag minél egyszerűbben, minél egyszerűbb eszközökkel, akár intézményünk saját műhelyeiben is megvalósítható legyen.

A tervezés egyik első fontos lépése az is, hogy megbecseljük, a detektor mekkora és milyen válaszjelet ad majd a vizsgálandó jelenségre, folyamatra adott körülmények között, és hogy milyen zavaró hatásokkal kell számolnunk. Ezek becslésére számítógépes szimulációkat végzünk egy, a CERN-ben fejlesztett szoftverkörnyezet segítségével (GEANT4).

Az általunk fejlesztett Bragg ionizációs kamra esetében különösen fontos a fenti szimuláció elvégzése. Ehhez persze minél jobban ismerünk kell a kísérletek során előálló fizikai körülményeket: például a bejövő foton nyalábból a szerezeti elemeken szóródó fotonok számát, és magának a nyalábnak az időbeli szerkezetét. Az ELI-NP esetében a nyaláb ún. időszerkezete jelentős technikai kihívás elé állít minket, ez szimulációkból is egyértelműen látszik. A fotonok ugyanis "csomagokban" jönnek majd: másodpercenként 100 nagy csomag melyek egyenként 32 db kis foton csomagra van osztva. A kis csomag időbeli hossza 1-2 pico (!!) szekundum, melyen belül 10⁵ darab foton érkezik majd... A probléma nyilvánvaló: különböző, egymástól független, fotonok által keltett reakcióból származó detektorjelek egymásra ülnek, a detektorunk időfelbontása nem elég jó az elkülönítéshez. Ez egy jelhátteret fog okozni a detektorban, amit minimalizálnunk kell.

Szimulácóink szerint elérhető, hogy a hasznos detektorjel csupán 1%-a legyen a háttéreseményekből származó jel amplitúdója, ehhez azonban a detektorkamra oldalfalán belépő és kilépő ablakot kell kialakítani a nyaláb számára, melyet egy rendkívül vékony Kapton fóliával tervezünk lezárni. (Ez detektor töltőgázának a detektortérben történő tartásához kell.)

Optika a nagyenergiás fotonok tartományában

Magfizikai kísérletekben sokszor szükséges annak pontos ismerete, hogy a magreakció a céltárgy mely részében következett be, illetve, hogy honnan repülnek ki a reakciótermékek. Ezt leginkább úgy lehet a legegyszerűbben elérni, hogy a céltárgy méretét nagyon picire választjuk és ezzel egyidejűleg a nyaláb keresztmetszetét is minimális méretűre csökkentjük, tehát a nyalábot fókuszáljuk.

Hagyományos gyorsítóknál a töltött-részecske nyalábot kvadrupól mágnesekkel fókuszálják a céltárgyra, mely esetén a szubmilliméteres nyalábátmérő is elérhető. Foton nyalábok fókuszálására az optikai (kisenergiás) tartományban üveglencsék használatosak: a lencse gyújtótávolságát anyagának törésmutatója (n), középvastagsága (d), valamint az (R1,R2) görbületi sugarak értékei határozzák meg. A törésmutató azonban energiafüggő: n(E) = 1 − δ(E) + iβ(E),
ahol iβ(E) az abszorpciót írja le, a δ(E) pedig nagy energiáknál gyorsan tart nullához! Így nagy energiáknál a fókusztávolság (f) végtelenné válik: a röntgen tartományban tipikusan δ=10^-5 - 10⁻⁶, a γ tartományban pedig δ → 0. A lencsék számának növelésével azonban f csökkenthető, hiszen f=n/(2Nd), ahol N a lencsék száma (lásd ábra). A γ tartományban azonban a lencsék növelése sem segít...

Optikai lencse(sor) a Röntgen energiatartományban

A müncheni Ludwig Maximilian Egyetem illetve a grenoble-i ILL kutatóintézet kutatói közösen elvégzett kísérleteikben azonban nemrég arra kaptak jelzést, hogy nagy rendszámú atomok magjainak közelében keletkező elektron-pozitron párok kölcsönhatásba lépnek a beérkező γ fotonokkal (ún. Delbrück-szórás), így a törésmutató a γ fotonok esetében is eltérhet 1-től! Ez reményt adhat arra, hogy a jövőben, például az ELI-NP berendezésnél a γ nyalábot jól fókuszáljuk, sőt, esetleg egyenestől eltérő pályáz vezessük. Jelenleg ugyanis kis átmérőjű γ nyalábot csak valamilyen vastag anyagból készült kollimátor segítségével tudnak előállítani, melyet a céltárgy és a nyaláb útjába helyeznek. Azonban kollimátor kis résén, lyukán a nyalábnak csak kis része tud áthaladni, így, ugyan kis átmérőjű lesz a nyalábfolt, de komoly intenzitás, fényesség vesztés árán. Ezen tudnánk segíteni, ha a fenti kutatások sikerre vezetnek.

Konferencia előtt....

Idén is részt veszek -már negyedik alkalommal- a kétévente megrendezett nemzetközi magfizikai konferencián Zakopane-ban (Lengyelország). A lengyelek által szervezett konferenciák a lengyel vendégszeretet (különösen a magyarok irányába) és a magas tudományos színvonal miatt mindig nagyon jók. Ezek közül is kiemelkednek a Zakopane-ban rendezett konferenciák: a helyszín a Magas Tátra... A konferenciára utazó fizikusok és a szervezők egyik nem titkolt célja bebarangolni a Tátrai Nemzeti Park ösvényeit, megmászni hegyeit.

A konferencián előadást tartok az előző bejegyzésben is leírt kutatási eredményekről. Egy ilyen konferencia előtt mindig számtalan kérdés merül fel bennem: kik lesznek ott? Milyen szakterület képviselői? Milyen tartalommal töltsem fel az előadásom, hogy mindenki megértse? Sikerül-e felkelteni az érdeklődést a téma iránt? Lesznek-e komoly kérdések, megjegyzések az előadás után?

Az időjárás mindenesetre jónak ígérkezik, így a túrabakancs a bőröndbe kerül....

A nyári hónapok...

... kutatóintézetünkben (de az egyetemeken is) a pihenés, és a kísérleti nagyberendezések, így a gyorsítók karbantartásának ideje. A kutatók "kényszerpihenőre" kényszerülnek, legalábbis a kísérleti tevékenységet tekintve. Ugyanakkor ezt az időt fel lehet használni korábban elvégzett kísérletek adatainak továbbelemzésére, a legfrissebb cikkek, tanulmányok áttanulmányozására.

Nemrég a müncheni Technikai Egyetem Tandemlaboratóriumában elvégeztünk egy kísérletet, melyben a ²³⁸Np, egy egész különleges atommag erősen deformált gerjesztett állapotait próbáltuk viszgálni. A kísérlet során számtalan nehézség felmerült... Egy komoly probléma azonban fizikai (és nem technikai) jellegű: ez a mag páratlan számú protonnal és páratlan számú neutronnal rendelkezik, ami miatt a gerjesztett állapotok száma rendkívül nagy. Egész kis energiákon a nagy állapotsűrűség miatt már nem tudjuk az egyes állapotokat elkülöníteni, így csak nagyon bonyolult módon lehet csak információt kinyerni a ²³⁸Np atommag szerkezetére vonatkozóan, mely igen időigényes feladat. A lehető legjobb júliusi-augusztusi elfoglaltság az "álló" gyorsítóktól távol...

Az alábbi ábrán a ²³⁷Np(d,p) reakcióval gerjesztett ²³⁸Np hasadási valószínűsége látható a gerjesztési energia függvényében. Kékkel az általunk mért (hibával terhelt) értékeket, feketével a korábban rendelkezésre álló adatokat (egy korábbi kísérlet eredményét) jelöltem. Látható, hogy kísérleti technikánkkal sokkal pontosabban, jobb energiafelodással sikerült megmérni ezt, és sikerült pár állapotot is elkülöníteni ebben a spektrumban (kis ábra dobozban látható ábra).

A 238Np hasadási valószínűsége a gerjesztési energia függvényében, illetve egy kinagyított spektrumrészlet az észlelt állapotokról.

Következő feladatom az állapotok feltérképezése lesz, megpróbálva az egy forgási sávhoz tartozó állapotokat azonosítani (lásd egy korábbi bejegyzés) és ebből a tehetetlenségi nyomatékot meghatározni, mely az atommag alakjára ad egyértelmű információt. A hasadási valószínűség (kék spektrum) 5400 keV - 6200 keV tartomány energiafüggésének elméleti számításokkal való összehasonlításával pedig a hasadási gát alakját próbálom meghatározni. Ezekkel a feladatokkal sietni kell, mert a kísérletről és eredményeinkről szeptember 3-án a lengyelországi Zakopane városában egy nemzetközi magfizikai konferencián kell majd beszámolnom....

A tórium fotohasadásának vizsgálata

Az előzőekben bemutatott kísérleti programunk első lépéseként a ²³⁸U és a ²³²Th izotópok fotohasadásának nagy energiafeloldású vizsgálatát tervezzük. A világon először vizsgáljuk majd a korábban már említett "izomer váll" finomszerkezetét, másrészt magreakció számítások elvégézésével és a mért adatainkhoz való hasonlításával a hasadási gát paramétereit határozzuk majd meg nagy pontossággal. Célozzuk ugyanakkor potenciális ipari alkalmazások felkutatását is, különös tekintettel a nagy amplitúdójú rezonanciák radioaktív hulladékkezelésben való alkalmazhatóságának vizsgálatára.
Az izomer váll hasadási rezonanciákra való feloldása során kulcsfontosságú a rezonanciák azonosítása (az ún. spin és K-értékek meghatéározása) és annak eldöntése, hogy melyik potenciálminimumhoz tartoznak. Az oktupól- és kvadrupóldeformációval rendelekező 3. minimum sajátos tulajdonsága a váltakozó paritású forgási állapotokat tartalmazó forgási sávok megjelenése (0⁺,1^-,2⁺,3^-,...), míg a második, csak kvadrupóldeformációval rendelekző minimumban a negatív és pozitív paritású sávok különállva jelennek meg, (0+,2+,4+,...) és (1-,3-,5-,...) szerkezettel. Mivel a gát-alatti fotohasadás erősen spin-szelektív, a harmadik minimumban 1- és 2+ állapotkettősök megfigyelését várhatjuk ~6 keV-es energiaközökkel, míg a második potenciálvölgyben egymástól függetlenül, lecsatolódva jellenek meg ezek a 1- és 2+ rezonanciák. Foto-indukált reakcióban így a második és harmadik völgybeli rezonanciák nagy biztonsággal megkülönböztethetők, azonban a hasadványok szögeloszlásának mérése alapvető fontosságú a spin és paritás meghatározása érdekében. A belső (első) hasadási gát magasságainak, illetve a szuperdeformált állapotok nívósűrűségéből kikövetkeztethető második völgy E_II mélységének meghatározásával, a ²³²Th eddig még nem ismert, de feltételezhetően létező izomerállapotának életidejére tudunk majd becslést adni. Ezenkívül a hasadó mag rezgési állapotainak széles energiatartományban történő feltérképezésével értékes információt nyerhetünk arról is, hogy a második potenciálminimum leírható-e egyáltalán harmonikus potenciállal, mint ahogy azt jelenlegi közelítéseinkkel tesszük.

A magon belüli nukleoncsoportok (klaszterek) kialakulásának lehetőségét figyelembe vevő elméleti megfontolások olyan jóslatokkal szolgálnak, hogy a hiperdeformált magállapotok egy gömbszerű, mágikus neutron- (N=82) és protonszámot jelentő (Z=50) ¹³²Sn klaszterből (nukleoncsoportból), és egy megnyúlt alakkal rendelkező kiegészítő nukleoncsoportból áll. Mivel a hasadási termékek tömegeloszlását a hasadási pont (nyeregpont) szerkezete határozza meg, és a 3. völgy nagyon közel áll a hasadási ponthoz, azt várjuk, hogy a 3. minimumból származó tömegeloszlás sokkal aszimmetrikusabb eloszlást mutat nagyobb csúcs-völgy aránnyal, mint az 1. völgybeli (normál deformált) állapotok hasadása során keletkező hasadványoké. Ilyen effektust eddig azonban nem sikerült kimutatni főleg a erős nem-rezonancia hasadási háttér miatt. Kutatási programunkban ezért a ²³²Th hiperdeformált állapotainak bomlásából származó hasadási termékek tömegeloszlásának nagy hatásfokú és feloldású illetve alacsony hátterű vizsgálatát is tervezzük.

Hosszútávú terveink között szerepel az urán és tóriumizotópok második völgybeli gamma átmeneteinek, illetve azok első völgybe történő visszabomlásának tanulmányozása is. Ezzel elérhetővé válik az izomerállapot gerjesztési energiájának nagyon pontos (ΔE/E=10^-3) meghatározása is, mely jelenleg egyetlen tóriumizotópnál sem ismert. Sőt, a megnövekedett E1 (dipól) gamma-erősségnek és a foto-magreakciók spin-szelektivitásának köszönhetően először nyílhat lehetőség arra, hogy gamma-spektroszkópiai információt nyerjünk a hiperdeformált potenciálminimum állapotait illetően! Erre korábban szintén nem volt lehetőség.

A hasadási rezonancia jelensége ipari alkalmazást tekintve további lehetőségekkel kecsegtet. A harmadik minimum rezonanciái az első völgybelieknél sokkal erősebben gerjeszthetők: a nagy deformáció következtében az óriás dipólrezonancia két komponensre szakad, és egy alacsonyan fekvő rezgés jelenik meg a hosszú szimmetriatengely mentén tipikusan E=4-5 MeV gerjesztési energiával. Elképzelésünk szerint a nagy áthatolóképességű γ-nyalábok egy rendkívül hasznos alkalmazása lehetne a radioaktív hulladéktárolókban levő hosszú életidejű aktinidák transzmutációja a 3. völgy előre feltérképezett és kiválaszott, nagy amplitúdójú rezonanciának gerjesztésével, mely során ezen aktinidák indukált hasadásával ártalmatlan, rövid életidejű, gyengén radioaktív hasadványok keletkeznének a hulladéktárolók érintetlenül hagyása mellett!