Проекты ХХI века

Ускорители ЛЯР: достижения и планы развития

Для развития экспериментальной базы в рамках Семилетнего плана ОИЯИ на 2017-2023 гг. первоочередная задача Лаборатории ядерных реакций имени Г.Н.Флерова состоит в реализации проекта DRIBs-III.

Основная часть проекта включает в себя создание нового экспериментального корпуса первой в мире Фабрики сверхтяжелых элементов (СТЭ) на базе нового ускорителя ДЦ-280, а также новых экспериментальных залов и физических установок. Ускоритель предназначен для получения высокоинтенсивных (до 10 микроампер-частиц) пучков ионов средних масс (Ca-48, Ti-50, Ni-64 и других). Фабрика СТЭ обеспечит дальнейшее развитие работ по синтезу и изучению свойств сверхтяжелых элементов. Кроме того, проект DRIBs-III предусматривает модернизацию ускорительного комплекса на базе циклотронов У-400 и У-400М, предназначенных для получения монохроматических пучков радиоактивных и стабильных ядер. В настоящее время разработан проект создания нового экспериментального зала У-400Р, который получил одобрение государственной экспертизы. Завершаются работы по строительству нового монтажного зала для сборки и тестирования новых ускорителей и физических установок.

В рамках дальнейшего развития прикладных исследований в лаборатории разрабатывается и создается новый циклотронный комплекс ДЦ-140.

Работы по модернизации ускорительного комплекса ЛЯР ведутся последовательно, при этом как минимум два ускорителя ЛЯР используются для проведения широкого спектра научных и прикладных исследований. Так, в 2020 году суммарное время работы ускорителей ДЦ-280, У-400 и У-400М составило более 12 000 часов.

Официальное открытие циклотрона ДЦ-280.

Циклотрон ДЦ-280 для Фабрики сверхтяжелых элементов

Открытие новых сверхтяжелых элементов с Z = 114-118 стало одним из наиболее ярких научных результатов последнего десятилетия. Приоритетные эксперименты были выполнены в ОИЯИ на ускорительном комплексе У-400 ЛЯР. Синтез осуществлен в реакциях полного слияния дважды магического ядра ⁴⁸Са с нейтронноизбыточными ядрами актинидов (^242,244Pu, ²⁴³Am, ²⁴⁹Cm, ²⁴⁹Bk, ²⁴⁹Cf). Подтверждено существование острова стабильности, заполнен последний период периодической таблицы Менделеева.

Сегодня один из основных вопросов синтеза новых элементов - могут ли быть созданы элементы с Z>118? Прямой синтез элементов с Z>118 в реакциях слияния связан с переходом к бомбардирующим ядрам тяжелее ⁴⁸Ca, так как возможности наработки на ядерных реакторах мишенного материала ограничены производством изотопов Cf. Ожидается, что сечения образования (вероятность образования) ядер с Z=120 в реакции ²⁴⁸Cm+⁵⁴Cr и ядер с Z=119 в реакции ²⁴⁹Bk+⁵⁰Ti будут примерно в 10-20 раз ниже сечения образования изотопов СТЭ в экспериментах по синтезу 114 и 115-го элементов в реакциях с ⁴⁸Cа. Для более детального изучения ядерно-физических и химических свойств СТЭ также необходимо существенно повысить эффективность экспериментов. С это целью и создана Фабрика СТЭ.

Создание циклотрона ДЦ-280 было завершено в начале 2019 года. Параллельно была создана первая физическая установка Фабрики СТЭ - новый газонаполненный сепаратор ГНС-2. Фабрика сверхтяжелых элементов официально введена в эксплуатацию 25 марта 2019 года.

С момента запуска в 2019 году ДЦ-280 отработал более 9000 часов. На сегодняшний день параметры пучков циклотрона близки к проектным, получены пучки мощностью до 2 кВт, например пучки ⁴⁰Ar+7, ⁴⁸Ca+10 с интенсивностями 10,4 и 7,1 микроампер-частиц соответственно. Сегодня на Фабрике СТЭ проводятся эксперименты по синтезу 114-го элемента (флеровий) в реакции ²⁴²Pu+⁴⁸Ca и 115-го элемента (московий) в реакции ²⁴³Am+⁴⁸Ca на сепараторе ГНС-2. Изучаются пути дальнейшего увеличения интенсивности пучка, в первую очередь титана и хрома для проведения экспериментов по синтезу 119-го и 120-го элементов. Создается газонаполненный сепаратор ГНС-3 для проведения исследований по спектроскопии и химии СТЭ. На циклотроне У-400 с 2003 по 2012 годы было синтезировано всего 35 событий рождения Mc (Московий, 115-й элемент), а после запуска фабрики за 2020-2021 гг. уже синтезировано 61 событие.

Циклотрон У-400М

Циклотрон У-400М работает с 1991 года, обеспечивая пучками ускоренных ионов легких элементов ¹¹B, ¹⁵N, ¹⁸O, ²²Ne, ³²S эксперименты на сепараторах ACCULINNA-1,2 и COMBAS (энергии ионов до 50 МэВ/нуклон) и пучками ионов элементов средних масс ^40Ar, ⁴⁸Ca эксперименты на масс-спектрометре MASHA (энергии ионов до 9 МэВ/нуклон). В рамках прикладных работ по тестированию электронных компонентов для "Роскосмоса" на У-400М ускоряются ионы элементов от ¹⁸O до ²⁰⁹Bi.

Циклотрон У-400М.

В июле 2020 года началась модернизация У-400М с целью повышения надежности и стабильности работы ускорителя, а также увеличения интенсивности и энергии пучков тяжелых ионов, используемых для физических экспериментов. Модернизация включает в себя замену основных катушек магнита У-400М, системы вакуумной откачки ускорителя, системы управления и системы радиационного контроля. Также запланирована замена устройств диагностики пучков и доработка канала вывода.

На сегодняшний день демонтированы вакуумная камера и ускоряющая система циклотрона, система вакуумной откачки и водяного охлаждения, частично демонтированы каналы транспортировки пучков. Недавно был завершен демонтаж старой обмотки основного магнита и проводится подготовка к установке новой обмотки. Работы ведутся по договору совместно с Брянским машиностроительным заводом.

Модернизацию циклотрона планируется завершить к середине 2022 года.

Циклотрон У-400

Циклотрон У-400 создан в 1978 году, ежегодно время его работы для обеспечения физических экспериментов и прикладных задач составляет более 5600 часов. Ионные пучки У-400 использовались в основном для выполнения исследований по синтезу и спектроскопии СТЭ (ионы элементов ⁴⁸Ca, ⁵⁰Ti с энергиями 5-6 МэВ/нуклон) и работ по тестированию электронных компонентов для "Роскосмоса".

Циклотрон У-400.

В 2023 году запланировано начало реконструкции У-400 в У-400Р, что улучшит качество и интенсивности ускоренных пучков, а также обеспечит возможность плавной вариации их энергии. В целях развития экспериментальных установок планируется строительство нового экспериментального зала, позволяющего увеличить экспериментальные площади на 1000 квадратных метров. Новые установки будут размещаться в трех радиационно-изолированных кабинах нового экспериментального зала, что позволит, не прекращая работы с пучком на одной из установок, подготавливать другие к эксперименту.

Создание циклотронного комплекса ДЦ-140

С 2020 года в Лаборатории ведутся работы по созданию нового циклотронного комплекса ДЦ-140, предназначенного для прикладных исследований. Основными целями этого проекта станут проведение исследований в области физики твердого тела, радиационной стойкости материалов, модификаций поверхностей, производство трековых мембран, а также испытание электроники и ее компонент под действием единичных радиационных воздействий.

ДЦ-140 будет использоваться для ускорения ионных пучков от O до Bi с энергиями 4,8 и 2,1 МэВ/нуклон. Мы планируем, что на нем будет проводиться основная часть прикладных исследований ЛЯР. Предполагается, что пучки с энергией 2,1 МэВ/нуклон будут использоваться для производства трековых мембран на основе полимерных пленок толщиной до 30 мкм, в то время как пучки ионов с энергией 4,8 МэВ/нуклон - для тестирования электроники. Для этих целей на циклотронном комплексе ДЦ-140 будут созданы три специализированных канала.

Строительство циклотронного комплекса ДС-140 планируется завершить до конца 2023 года. Эскизный проект комплекса выполнен в 2020 году. Работы по созданию проекта начаты в 2021-м.

Новый монтажный зал

Новый монтажный зал ЛЯР был сооружен для реализации планов лаборатории по развитию и обновлению парка циклотронов и физических установок. Строительство здания завершено в мае 2021 г.

Новый монтажный зал.

Площади монтажного зала ЛЯР предназначены для создания экспериментальных стендов, на которых будут собираться и отлаживаться новые установки.

Кирилл ГИКАЛ, заместитель начальника научно-технологического отдела ускорителей,
Игорь КАЛАГИН, главный инженер ЛЯР,
Василий СЕМИН, начальник научно-технологического отдела ускорителей