Karštas branduolio fizikų ruduo

Pasak Fizikos instituto (FI) mokslininko, dabar CERN vis daugiau kalbama apie tiesinius ir ne tokius didelius elektronų ir pozitronų greitintuvus. Pastaruoju metu būtent greitintuvų srityje dirbantis dr. V.Kovalevskis pasakojo LŽ ne tik apie CERN perspektyvas, bet ir pagrindines FI bendradarbiavimo su šiuo didžiausiu pasaulyje branduolinių tyrimų centru kryptis.

Priminsime, kad pernai rugsėjį CERN buvo paleistas atomų ir subatominių dalelių greitintuvas LHC, tačiau po devynių dienų jį dėl gedimo teko išjungti. LHC vėl bus paleistas šiemet lapkričio mėnesį ir juo protonai skries pasiekę 7 teraelektronvoltų energiją (1 TeV - 1 tūkst. mlrd. elektronvoltų). Pagal Alberto Einsteino reliatyvumo teoriją jie bus pasunkėję daugiau kaip 7 tūkst. kartų, palyginti su ramybės būsena. Su LHC siejamos viltys atlikti įspūdingiausius mokslo eksperimentus, atskleisiančius visatos ir materijos atsiradimo paslaptis, tačiau CERN nuolat įgyvendinama ir daugybė kitų mokslinių tyrimų programų.

Žemėje ir žvaigždėse

FI mokslininkai ketverius metus bendradarbiavo su CERN per Europos Sąjungos (ES) 6-osios bendrosios programos projektą EURISOL. Į jį kolegoms įsitraukti padėjo branduolio fizikos specialistas, Prancūzijos atominės energetikos komisariato CEA mokslo darbuotojas dr. Danas Ridikas. Vykdant projektą, kuris buvo baigtas kaip tik šiemet liepos 31 dieną, dalyvavo 20 mokslinių institucijų iš visos Europos. Jo tikslas buvo suprojektuoti keturių megavatų galios radioaktyvių jonų šaltinį ir greitintuvą, reikalingą radioaktyviesiems jonų pluošteliams gauti.

„Tas unikalus įrenginys leis tirti tiek nestabilius jonus, tiek įvairias branduolių būsenų problemas ir padės astronomams suprasti, kaip vyksta sunkiųjų elementų, tokių kaip sidabras, auksas, platina, švinas, uranas, sintezė žvaigždėse“, - apie CERN planuojamą pastatyti naująjį greitintuvą pasakojo FI Jonų pluoštelių tyrimų grupės vadovas V.Kovalevskis.

FI turi stabilių jonų greitintuvą, kurio galimybės prasideda nuo vandenilio ir baigiasi ties auksu - tinka cinko, silicio, anglies ir kitų jonų pluošteliams gauti. Šiuo metu CERN veikia radioaktyvių jonų pluoštelių greitintuvas ISOLDE. Šiame tūkstantį kartų didesnės energijos nei FI greitintuvas nestabilių izotopų įrenginyje, pasak fiziko, įgreitinti jonai lekia į labai storą taikinį, kur įvyksta branduolinės reakcijos, skyla branduoliai ir iš tų skeveldrų padidinus energiją galima gauti nestabilių branduolių radioaktyvių izotopų šaltinį. Įsitraukę į EURISOL projektą FI mokslininkai dr. Artūras Plukis ir dr. Evaldas Maceika daugiausia bendradarbiavo būtent su radioaktyviųjų branduolių pluoštelių šaltinio ISOLDE grupe. Taip pat bendradarbiauta radiacinės ir greitintuvų saugos srityse. Buvo įvertintas apsauginių medžiagų kiekis, reikalingas personalui ir aplinkiniams gyventojams apsaugoti nuo jonizuojančios spinduliuotės, susidarančios per branduolines reakcijas. E.Maceika taip pat atliko radioaktyviųjų medžiagų išplitimo analizę hipotetinės ISOLDE įrenginio avarijos atveju.

„Nors EURISOL projektas jau baigėsi, bendradarbiavimas su CERN‘u tęsiasi, - sakė FI Branduolinių ir aplinkos radioaktyvumo tyrimų laboratorijos vyresnysis mokslo darbuotojas V.Kovalevskis. - Tikimės, kad šį rudenį, rugsėjo ar spalio mėnesį, CERN bus surengtas ISOLDE grupių susitikimas. Mėginsime dalyvauti ir vykdant tolesnį projektą. Atsirenka pagal galimybes prisidėti, ką naudingo galime pasiūlyti tam projektui.“

FI mokslininkai planuoja atlikti kietojo kūno fizikos eksperimentus panaudodami radioaktyvius implantuotus jonus ISOLDE įrenginyje. Tokie eksperimentai papildytų FI esančio jonų greitintuvo galimybes puslaidininkių ir magnetinių medžiagų srityje. Juos norėta atlikti dar šių metų pabaigoje, tačiau dėl sumažėjusio finansavimo mokslui teko atidėti.

Geležis negenda

Antra FI ir CERN‘o bendradarbiavimo kryptis - didelės energijos jonų pluoštelių fizika ir greitintuvai. Jai atstovauja V.Kovalevskis. Pasak mokslininko, didelės energijos jonų pluoštelių sąveika su medžiaga yra unikalus fizikinis procesas, leidžiantis specifiškai modifikuoti įvairias medžiagas, atlikti kiekybinę net ir mikrostruktūrų sudėties analizę. Atsižvelgiant į apibrėžtą dalelių kiekį medžiagoje galima nesunkiai valdyti modifikuotos struktūros parametrus trimatėje erdvėje ir implantuoti medžiagas atskirais elemento izotopais.

Tokio pobūdžio darbams plėtoti prieš trejus metus į FI ir buvo atgabentas jonų greitintuvas „Tandetron 4110A“. Jis nėra naujas. Dar sovietmečiu su šiuo amerikietišku įrenginiu buvo dirbama Kauno radiomatavimo technikos mokslinių tyrimų institute. Vėliau jis atiteko Fizikinės energetikos institutui (FEI). Kai pasidarė per brangu eksploatuoti, kelerius metus buvo nebenaudojamas. 2006 metais FI kartu su FEI įkūrė bendrą Didelės energijos jonų mokslinių tyrimų centrą ir greitintuvas buvo perkeltas į FI patalpas Vilniuje.

„Mes jį atgaivinome ir dabar greitintuvas sėkmingai veikia. Aišku, tobulinimo darbai dar vyksta, keičiame elektroniką į naują. Jau pakeitėme vakuuminius siurblius, bet kitos dalys ganėtinai geros - geležis negenda, - sakė fizikas. - Žinoma, viskas priklauso nuo uždavinių. Jei jų neturėtume, nebūtume mėginę atgaivinti ir šio greitintuvo.“

Apie pažeistas ląsteles

Jau veikiančiu įrenginiu susidomėjusių mokslininkų laboratorijoje netrūksta. Pirmas jonų pluoštelis buvo gautas prieš dvejus metus. Dar metai praėjo, kol buvo pasiekta, kad greitintuvas veiktų, pasak V.Kovalevskio, kaip staklės ir nebūtų joks stebuklas gauti tokį pluoštelį. Dabar siekiamas tikslas, kad užtektų paspausti mygtuką, kažkas įvyktų ir reikalingas pluoštelis išeitų. Tam reikia nemažai pastangų ir ne be reikalo vien prie šio greitintuvo dirba du inžinieriai ir du studentai. Inžinierius Konstantinas Birzulis dar iš tų laikų, kai greitintuvas buvo Kaune - surinko jį, atgabentą iš JAV. Inžinierius Giedrius Radžiukynas atsakingas už elektroniką ir, palyginti su kitais, naujokas, dar tik pusmetį dirba grupėje. Prie jos dabar prisidėjo ir būsimas doktorantas Mindaugas Gaspariūnas.

Šiuo metu pasaulyje didelės energijos jonų pluošteliai yra naudojami biologinių sistemų apšvitai atlikti. Tai labai aktualu tiriant mažų jonizuojančios spinduliuotės dozių poveikį joms. V.Kovalevskis pasakojo, kad protonų pluošteliu galime apšvitinti gyvas ląsteles ir pažiūrėti, kaip jos išgyvena. Kiekvienas gyvas organizmas, taip pat ir mūsų kūnas, nuolat gauna tam tikrą dozę radiacijos iš aplinkos. Vadinamosios foninės radiacijos jonai sukelia atitinkamus pokyčius, bet organizmas sugeba adaptuotis ir atkuria jonizuojančios spinduliuotės pažeistas ląsteles, o jei negali - ląstelė pati susinaikina. Jonų pluoštelių analizės grupės neseniai pradėta tyrimų kryptis (dr. Rita Plukienė ir dr. Šarūnas Vaitekonis) turėtų padėti suprasti, kodėl kartais tas apsaugos mechanizmas sutrinka ir pažeistos ląstelės nesusinaikina, prasideda nekontroliuojamas jų dalijimasis ir atsiranda augliai.

Detektoriai CERN

FI mokslininkai neseniai įsitraukė į Vilniaus universiteto (VU) fizikų, vadovaujamų prof. Juozo Vaitkaus, įgyvendinamą programą - kuriami modernesni, kur kas atsparesni radiacijai ir spartesni detektoriai, CERN registruosiantys, kas vyksta LHC susidaužiant priešprieša skriejantiems protonams. Kartu su VU mokslininko dr. Eugenijaus Gaubo grupe pradėta kurti detektavimo sistema, kuri leis ne tik gaminti diodus ar puslaidininkines struktūras, bet ir iš karto, gamybos metu, tirti jų savybes. Pirmas toks vadinamasis taumetras buvo pagamintas Suomijai, o kitą numatyta pastatyti prie FI greitintuvo.

„Tikimės, kad iki Naujųjų metų instaliuosime šią įrangą ir mūsų galimybės prisidėti prie detektorių, kurie bus naudojami CERN, gamybos programos smarkiai padidės, - sakė V.Kovalevskis. - FI suteikė prioritetą šiems darbams, ir nors krizė, skyrė pinigų didžiulėms investicijos. Galėsime čia atlikti ir eksperimentus. Žinoma, galimybes ribos energija, nes mūsų greitintuvas nėra galingas. Aukščiausia įtampa, kurią galima pasiekti, - 1,2 megavolto. Bet ne visada reikia dalelei suteikti gigaelektronvoltų energiją, kartais tam tikriems eksperimentams atlikti jos užtenka mažesnės. Kitas dalykas - patiems diodams gaminti turimo galingumo visiškai užtenka.“

Jonų pluoštelių analizės grupė šiuo metu bendradarbiauja su „Vilniaus Ventos puslaidininkių“ bendrove. Ji kol kas dalį technologinių etapų atlieka užsienyje, modifikuoti silicio plokšteles veža į Lenkiją. Siekiama, kad FI būtų sukurta vadinamojo minkštojo diodo gamybos technologija ir čia atliekama visa technologinė grandinė.

Greitintuvų pamokos

Pasak V.Kovalevskio, CERN daugelį metų dirbama su greitintuvais, todėl galima ir pasimokyti, ir sužinoti, kaip sprendžiamos vienokios ar kitokios inžinerinės problemos. Pernai V.Kovalevskiui teko lankyti ir CERN organizuotą greitintuvų mokyklą Italijoje. Tokios mokyklos kasmet vis kitoje šalyje rengiamos mokslininkams, kurie dirba su greitintuvais, kad būtų galima pritraukti jaunų specialistų iš visos Europos prie CERN veiklos. Supažindinama su naujausiais laimėjimais greitintuvų srityje ar LHC iškylančiomis problemomis. Diskutuojama dėl prioritetinių projektų, numatomų įgyvendinti po kelerių metų: kas bus po LHC, ar tokie projektai apsimoka, o gal dabar yra naujų idėjų, kaip spręsti panašias problemas pigiau.

Pavasarį CERN‘e buvo surengtas visų projektų, išskyrus LHC, grupių susitikimas. FI mokslininkai A.Plukis, Darius Germanas ir V.Kovalevskis ne tik domėjosi, prie kurių projektų būtų galima prisidėti, bet ir konsultavosi su specialistais dėl iškilusių problemų.

„Norėjome pakeisti savo greitintuvo aukštos įtampos generatoriaus senąją elektroniką į šiuolaikinę. Ilgai diskutavome, ar įmanoma atsisakyti lempų, padaryti visą greitintuvą puslaidininkinį, tačiau, pasirodo, kol kas neįmanoma, - pasakojo fizikas. - Turėjome klausimų ir dėl vakuuminės įrangos. CERN buvome susitikę su grupe, kuri atsakinga už LHC vakuuminę įrangą.“

Vakuumas reikalingas tam, kad LHC vamzdelyje niekuo netrukdomi galėtų lėkti pluoštelio jonai. Pageidautina, kad būtų kuo mažiau kokių nors pašalinių priemaišų, ir tokiam beveik idealiam vakuumui pasiekti yra papildoma įranga. Jei dingtų vakuumas nors vienoje LHC dalyje, grėstų didžiulė avarija.

Pasidalijant užduotis

Trečioji FI ir CERN bendradarbiavimo kryptis - dalyvavimas lygiagrečiųjų ir paskirstytų skaičiavimų tinkle (GRID). Jo technologijos leidžia naudojant specialią programinę įrangą sujungti geografiškai nutolusius paskirstytus kompiuterinius išteklius ir sukurti virtualų superkompiuterį, galintį spręsti didelės apimties skaičiavimo ištekliams imlius uždavinius.

Už FI sukurtą ir veikiantį kompiuterių klasterį yra atsakingas dr. D.Germanas. Dabar šis klasteris naudojamas tokiems tikslams kaip procesų Baltijos jūros Lietuvos teritoriniuose vandenyse modeliavimas ar mikroskopiniai lengvųjų atomo branduolių skaičiavimai.

„CERN paleidus LHC bus generuojamas milžiniškas informacijos kiekis. Jos tiesiog bus per daug, kad galėtų visą apdoroti, todėl apsiribos tik tais signalais, kurie rodo gedimus, - pasakojo V.Kovalevskis. - Be aptarnavimo įrangos, milžiniškas informacijos kiekis atkeliaus iš atliekamų eksperimentų. Jai apdoroti reikės labai galingų kompiuterių. Nepakaks net ir superkompiuterių, todėl ir kilo idėja sujungti į vieną tinklą paprastus kompiuterius ir didelį uždavinį lygiagrečiai paskirstyti po mažą užduotį kiekvienam. Vėliau surinkti visą apdorotą informaciją.“

Trumpai

V.Kovalevskis, dar studijuodamas VU, dalį eksperimentų atliko FI. Iš pradžių dirbo cheminės fizikos srityje, daugiausia su lazeriais. 2000 metais apsigynė daktaro laipsnį. Disertacijos, vadovaujamos prof. dr. Leono Valkūno, tema - elektroninių ir vibracinių sužadinimų spektroskopija. Tais pačiais metais V.Kovalevskis tęsti podaktarinių studijų išvyko į Toronto universitetą Kanadoje. Darbas buvo susijęs su vyksmų, atsirandančių sužadinus įvairias medžiagas ultratrumpais impulsais, tyrimais. Tada fizikas pradėjo domėtis ir nanokristalais. Dar tik kūrėsi nanomokslai, tačiau grupėje buvo chemikių, kurios jau mokėjo sintetinti kadmio selenido nanokristalus, ir V.Kovalevskis prisidėjo prie pirmųjų jų savybių tyrimų. Po dvejų metų mokslininkas grįžo į FI. Dirbo Molekulinių darinių fizikos laboratorijos Eksperimentinės nanofizikos skyriuje. Po kurio laiko pakeitė tyrimų sritį ir ėmė dirbti su greitintuvais. Dabar Branduolinių ir aplinkos radioaktyvumo tyrimų laboratorijos vyresnysis mokslo darbuotojas vadovauja Jonų pluoštelių analizės grupei.