Prepozíció: hosszú út a foton-indukált magfizikáig II.

Ahogy azt az előző bejegyzésemben kifejtettem, nehéz atommagok hasadási rezonanciáit mindeddig csak töltött-részecske (deuteron, proton és neutron) indukált vizsgáltuk (illetve más csoportok is vizsgálták). Ilyen magreakciókban az erősen deformált alakkal rendelkező atommag-állapotok gerjesztése rendkívül kis valószínűségű folyamat. Ilyen mérések egyik igen komoly nehézsége, hogy a nem rezonanáns, tehát erősen deformált állapotokhoz nem köthető hasadásból származó háttéresemények száma öt nagyságrenddel nagyobb az a számunkra érdekes rezonáns hasadások számánál. Monokromatikus gamma-nyalábot használva azonban ezen állapotok közvetlen gerjesztése valósul meg sokkal nagyobb valószínűséggel és kisebb háttérrel, illetve, a gamma-indukált magreakciókra jellemző ún. spin-kiválasztási szabályok (csak dipól és kvadrupól gerjesztések lehetségesek) eredményeként könnyen értelmezhető spektrumot nyerünk.

Aktinidák gát-alatti fotohasadását eddig csak nagyenergiás elektronok lassításával keltett fékezési sugárzással vizsgálták, mely kísérletekben az átlagolt és összegzett hasadási hozamot mérték: a hasadási hatáskeresztmetszet és a fékezési sugárzás energiaspektrumának konvolúciójaként előállt hasadási hozamot, melyből nagy hibával terhelt dekonvolúciós eljárással lehet a hasadási hatáskeresztmetszet értékét adott energián meghatározni. A nyaláb effektív energiabizonytalansága igen nagy, legjobb esetben is 300-400 keV, ráadásul a nyaláb energiaprofilja a fékezés sugárzás spektrumának jellege miatt bonyolult függvénnyel írható csak le, ami a meghatározott hatáskeresztmetszet gerjesztési energiabeli pontatlanságával jár. Mindezen nehézségek miatt fékezési sugárzással a fotohasadás hatáskeresztmetszetének csak nagyléptékű vizsgálatát tudták elvégezni, hasadási rezonanciákat nem sikerült észlelni. A hatáskeresztmetszet durvaszerkezetében alacsony energián azonban megfigyeltek egy érdekes tartományt, ahol a hatáskeresztmetszet energiafüggése nem a várt tendenciát mutatatta, telítási jellegűvé vált, melyet “izomer völgynek” neveztek el. Az ellentmondást azzal a feltevéssel sikerült értelmezni, hogy az izomer-völgy egy sok hasadási rezonanciából álló tartomány, mely rezonanciák a rossz energiafeloldás miatt összemosódva jelennek meg.

A hamarosan rendelkezésre álló nagy fényességű gamma források, mint amilyenek a HIGS (Durham, USA) vagy az ELI-NP (Bukarest, Románia) berendezések, azonban remélhetően alkalmasak (lesznek) ilyen vizsgálatok elvégézésre megalapozva ezzel hosszútávú kísérleti programunkat a könnyű aktinidák extrém deformált kollektív magállapotainak illetve hasadási gátjainak foto-indukált magreakciókon keresztüli vizsgálatára. A Bukarestben megépülő ELI-NP nagyberendezés az európiai ELI (Extreme Light Infrastructure) projekt keretén belül megvalósuló három nagyberendezés egyike lesz, mely magfizikai vizsgálatok számára fog bíztosítani a világon egyedülálló intenzitású és energiafeloldású gamma-nyalábot. Erről a kövektező bejegyzésben fogok írni.

A Compton-visszaszórt γ-nyalábok nagy fluxusának (10⁶ γ/[eVs]) és energiafelodlásának (ΔE≈1 keV) köszönhetően várakozásunk szerint igen jó hatásfokú spektroszkópia végezhető, mellyel először sikerülhet feloldani az izomer-völgy finomszerkezetét és megfigyelni egyedi rezonanciállapotait. A fent említett ELI-NP berendezés még fejlesztés alatt állnak, azonban a jelenleg működő HIGS berendezés gamma-nyalábja kiváló lehetőséget biztosít az előzetes mérésekhez, illetve a fotohasadási technológia kifejlesztéséhez.

Prepozíció: hosszú út a foton-indukált magfizikáig I.

Ebben a bejegyzésben röviden összefoglalom az elmúlt években elért kutatási eredményeinket és azokat fontos körülményeket, melyek az új, "foton-indukált hasadás vizsgálata"  című kutatási projektünk elindításához vezetett.

Speciális körülmények alatt az atommagban az anyag eloszlása néha a göbszerűtől jelentősen eltérő, különleges alakot is felvehet: például tengelyszimmetrikus forgási ellipszoid alakot, ahol a nagy- és kistengely aránya 2:1, vagy még inkább megnyúlt, 3:1 aránnyal. Sőt, előfordulhat az is, hogy az atommag alakja egy körte alakjára hasonlít leginkább!  Az ilyen atommagokat szuper- illetve hiperdeformált magoknak nevezzük, utalva a magok egzotikus alakjára, deformációjára.

Napjaink atommag-szerkezet kutatásának egyik legizgalmasabb témája az egzotikus deformációval rendelkező atommagok vizsgálata. Szuperdeformált magokat már a hatvanas években is megfigyeltek (és azóta is tanulmányozzák tulajdonságaikat), azonban a hiperdeformált magok vizsgálata komoly kísérleti nehézségekbe, technológiai akadályokba ütközött, így közvetlen megfigyelésük, a szuperdeformált atommagok vizsgálatánál alkalmazott módszerekkel, még várat magára...

A hiperdeformált atommag-állapotok  megfigyelését és tulajdonságainak vizsgálatát az MTA Atomki Kísérleti Magfizika Osztálya (karöltve a Müncheni Egyetem kutatócsoportjával) egy egészen különleges technikával kísérlete meg sikeresen: a hasadási rezonanciák vizsgálatával. Hasadó atommagok hasadásának valószínűségét vizsgálva azok "hőmérsékeltének" (gerjesztési energiájának) függvényében azt tapasztalhatjuk, hogy bizonyos hőmérsékleteknél a hasadó mag sokkal "jobban szeret" hasadni, mint kicsivel alacsonyabb, vagy kicsivel magasabb hőmérsékleten: egy csúcs figyelhető meg a hasadási valószínűség-hőmérséklet grafikonban, egy rezonancia. Ez a rezonancia pontosan egy ilyen nagyon erősen deformált állapot jelenlétére utal!

Egy deformált atommagnak azonban foroghat is, aminek van egy nagyon fontos következménye számunkra. A különböző sebességű forgáshoz tartozó rezonanciák feltérképezésével ugyanis meg tudjuk határozni az atommag tehetetlenségi nyomatékát, ami egyértelműen utal az atommag alakjára, deformációjára!

 

A fenti módszert alkalmazva egy sok kísérletből álló kísérlet-sorozatot kezdtünk meg a nehéz (pontosabban aktinida) magok extrém deformációval rendelkező atommag állapotainak vizsgálatára. Kísérleteinek a debreceni Atommagkutató Intézet ciklotron laboratóriumában, illetve a müncheni Ludwig-Maximilians-Egyetem Tandem-laboratóriumában végeztük. A kísérletekben tehát aktinidák (pl. urán, tórium, protaktínium, neptúnium) hasadási valószínűségének gerjesztési energiától való függését határoztuk meg, melyhez nagy energiára felgyorsított töltött-részecskék használtunk az atommag-reakciók létrehozására illetve a hasadás indukálására. A hasadó mag hőmérsékletét nagy pontosággal meg tudtuk mérni egy speciális, nagy mágneses teret kialakító eszközzel (mágneses spektrográf), melyhez persze azt is meg kellett tudnunk mondani, hogy mikor történt egy hasadás. Ezt a hasadás során keletkezett hasadványok észlelésével tudtuk megtenni. A hasadványok nagy hatásfokú, ráadásul pozíció érzékeny észlelését saját magunk által kifejlesztett és épített eszközökkel végeztük. Ezen kísérletek eredményeként a világon először sikerült kimutatnunk hiperdeformált atommag állapotokat az urán és protaktínium atommagokban!

A következő blogbejegyzésben bemutatom miért is érdekes és fontos felgyorsított töltött részecskék helyett nagyenergiás fotonokkal végezni a fenti vizsgálatokat.

(A bejegyzésben bemutatott kísérleti programunkról az Olvasó a következő Fizika Szemle cikkben tájékozódhat részletesebben: Fizika Szemle 2004/05 )

Bemutatkozás

Üdvözlöm a Kedves Olvasókat! Csige Lóránt vagyok, "Így kutattunk mi" blogommal a Szent-Györgyi Albert Hazahívó Posztdoktori Ösztöndíjasként végzett kutatásaim részleteivel szeretném megismeretetni az Olvasókat. Kezdjük egy gyors bemutatkozással... 

2004-ben, a Debreceni Egyetemen végeztem okleveles fizikus szakon. Egyetemi éveim alatti tudományos munkámat (tudományos diákköri pályamunkát illetve a diplomamunkát) pedig a debreceni székhelyű Magyar Tudományos Akadémia Atommagkutató Intézetében (Atomki) végeztem. Fő kutatási területem a kísérleti magfizika, ezen belül is leginkább az atommagok hasadásának folyamatával, illetve különleges alakú (nagy deformációval rendelkező) atommag-állapotok vizsgálatával foglalkozom. Kutatásaimat részecskegyorsítóknál végzem, sokszor saját készítésű kísérleti eszközök "bevetésével".

2004-től 2009-ig doktoranduszként az Atomkiben folytattam a diplomamunkásként megkezdett kutatásaimat. 2009-ben védtem meg a doktori disszertációmat summa cum laude eredménnyel.

2009 januárjában elnyertem egy posztdoktori ösztöndíjat a münchen-i Ludwig Maximilians Egyetem Kísérleti Fizika Tanszékére, ahol három évet töltöttem, majd még egy évet a szintén münchen-i központú Kvantumoptikai Max Planck Intézet-ben immáron tudományos munkatársként. Innen tértem haza Magyarországra a Szent-Györgyi Albert Hazahívó Ösztöndíj segítségével.

Németországban töltött éveim alatt egy új kutatási vonalat kezdtünk el német kollégiámmal szorosan együttműködve a hazai kutatócsoportommal, hagyományos részecskegyorsítók (ciklotron, tandemgyorsító) által előállított nagyenergiás protonok, deuteronok, héliummagok helyett nagyenergiás fotonokat használva a maghasadás előidézésére. Jelenleg is ennek a kutatási iránynak a kidolgozásával foglalkozom, melynek célja, hogy a Bukarestben hamarosan felépülő "Extreme Light Infrastructure - Nuclear Physics" nevű laboratóriumban - mely a világ legerősebb nagyenergiás fotonforrása lesz ha elkészül  - elindíthassuk azt az ambíciózus kutatási programot, mely során különleges alakú atommagok maghasadásának folyamatát vizsgálhatjuk teljesen új megközelítéssel (fotonokkal), rendkívül fontos, új információt, adatok nyerve a maghasadásról a hasadás folyamatának jobb megértése érdekében. A természet jobb megismerésén túl azonban kísérleteinkkel olyan technológiák kidolgozása is célunk, melyekkel az atommreaktorok üzembiztonsága növelhető, vagy éppen a reaktorokban keletkezett hosszú élettartamú, erősen radioaktív elemek "megsemmisíthetők".

Blogomban a fent leírt kutatással kapcsolatos munkáról számolok be hétről-hétre, megpróbálva bemutatni azt, hogy hogyan is történik egy ilyen kutatási program kidolgozása: kezdve a pályázatok, beszámolók, kísérleti tervek írásától, konferenciák, a külföldi kutatókkal történő találkozókon, konferenciákon való részvételen, elődások tartásán, és a kísérletekre történő felkészülésen, a kísérleti eszközök fejlesztésén át egészen a kísérlet elvégzéséig és az eredmények közléséig.

A kutatás a TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Nemzeti Kiválóság Program című kiemelt projekt keretében zajlott. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.