Dzień dzisiejszy i plany badań warszawskiego cyklotronu ciężkich jonów

1. Krótka historia cyklotronu

Decyzja budowy akceleratora ciężkich jonów w Warszawie została podjęta podczas spotkania reprezentantów polskiego środowiska fizyków jądrowych w Jabłonnie w 1972 roku. Wybór padł na wzorowany na dubieńskim U200 izochroniczny cyklotron czterosektorowy. Wkrótce potem surowe elementy struktury magnetycznej zostały zamówione w byłym Związku Radzieckim, następnie niewielka grupa fizyków, inżynierów i techników przeprowadziła w Dubnej wstępne formowanie pola magnetycznego cyklotronu. W 1979 roku powołano, jako wspólne przedsięwzięcie ówczesnego Ministerstwa Szkolnictwa Wyższego i Techniki, Polskiej Akademii Nauk i Państwowej Agencji Atomistyki, usytuowane przy Uniwersytecie Warszawskim Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów, stworzone w celu uruchomienia akceleratora. Niestety, zapaść ekonomiczna kraju spowodowała, że plany zostały tylko na papierze. Prace nad zespołami cyklotronu były prowadzone w prowizorycznych warunkach, uruchomienie całości było jednak niemożliwe ze względu na przeciągającą się inwestycję budowlaną. Dopiero w końcu lat osiemdziesiątych budowa docelowego gmachu ruszyła z miejsca i w 1989 roku główny magnes cyklotronu i towarzyszące mu urządzenia zostały zainstalowane w docelowym miejscu we wciąż nie ukończonym budynku. W pionierskich warunkach dokonano ostatecznego formowania pola magnetycznego, pomiarów map pola i w efekcie w listopadzie 1993 r. otrzymano pierwszą wiązkę wewnętrzną, a parł miesięcy później wiązkę wyprowadzoną z cyklotronu. Jednocześnie rozpoczęła się budowa stanowisk eksperymentalnych. Pierwsze prace na wiązce zaczęły się w 1995 roku, a od 1996 roku cyklotron pracował w normalnym reżimie działania. W ciągu dwóch lat cyklotron przepracował ok. 3500 godzin efektywnego czasu wiązki dla użytkowników z kraju i z zagranicy. W 1998 roku zainstalowano zbudowane w Laboratorium nowoczesne źródło jonów typu ECR, które zastąpiło wewnętrzne źródło PIG. Rozszerzyło to asortyment dostępnych wiązek i poprawiło stabilność pracy maszyny.

2. Cyklotron

Warszawski cyklotron wzorowany jest na dubieńskim akceleratorze U200. Jest to akcelerator izochroniczny, w którym zachowany jest stały czas obiegu przyspieszanych cząstek, co umożliwia jednoczesne przyspieszanie na wszystkich orbitach generatorem napięcia przemiennego o stałej częstości. Podobnie jak we wszystkich cyklotronach izochronicznych, efekt zmiany okresu obiegu jonów, związany z relatywistycznym przyrostem masy rozpędzanej cząstki, kompensowany jest odpowiednim ukształtowaniem pola magnetycznego, którego wartość średnia - w sensie uśrednienia po kącie - rośnie wraz z promieniem orbity. Zwykłe zwężanie szczeliny magnesu jest jednak niewystarczające ze względu na brak w takiej geometrii się ogniskujących wiązkę w pionie. Ten mechanizm zapewnia modulacja pola magnetycznego w funkcji kąta, uzyskiwana przez wprowadzenie tzw. sektorów - magnetycznych nakładek periodycznie zawężających szczelinę głównego magnesu. Przy odpowiednio ukształtowanej geometrii, przejścia wiązki przez granice wysokiego i niskiego poziomu pola są równoważne z przejściem wiązki światła przez cienkie soczewki skupiające. Spełnienie wszystkich warunków wymaga, aby zainstalowane w 240-tonowym magnesie sektory były obrobione z dokładnością do ułamków milimetra. Dodatkowa korekcja pola umożliwiana jest przez 10 par współosiowych cewek korekcyjnych. Akceleracja jonów odbywa się na czterech szczelinach przyspieszających, tworzonych przez dwa duanty umieszczone pomiędzy sektorami, zasilane niezależnie przez generatory wysokiej częstości o mocy maksymalnej 120 kW każdy, regulowanych w zakresie 12 - 20 MHz. Schematyczny widok cyklotronu przedstawiony jest na rys. 1.

Rys. 1. Warszawski cyklotron U200-P. Na schemacie zaznaczono sektory i duanty połączone z rezonatorami.

Każdy cyklotron można scharakteryzować przez wielkość K, określającą maksymalną uzyskiwalną energię jonów. Wielkość ta wynika z promienia magnesu i średniego pola magnetycznego: K=48 (R [m])² B[T])², co pozwala na szybkie oszacowanie energii (w MeV/nukleon) według wzoru E=Kq²/A², gdzie q jest krotnością jonizacji, a A liczbą masową jonu. Dla warszawskiego cyklotronu K wynosi od 120 do 160, a zatem typowe wiązki o q/A=0,25 będą miały energię 10 MeV/amu. Obecnie praca maszyny ograniczona jest do wiązek o energiach niższych, do 5 MeV/amu, w celu niedopuszczenia do silnej aktywacji wnętrza przed ukończeniem planowanych prac rozwojowych.

3. Jonowody i aparatura badawcza

Obecnie w Laboratorium funkcjonuje, lub zaczyna funkcjonować, siedem końcówek wiązki (rys. 2). Trakt A przeznaczony jest do badań nad możliwościami wytwarzania egzotycznych radioizotopów, w szczególności do zastosowań medycznych. Trakt B zakończony jest uniwersalną komorą rozproszeń. Planowane na niej eksperymenty angażują zespoły z IPJ, IFJ, UJ, Kijowa i ŚLCJ. Na traktach oznaczonych C zainstalowane są stałe zestawy pomiarowe -- C1 dzielone jest między separator typu IGISOL (IPJ, IFD UW, WSP Kielce) i system transportu produktów reakcji typu He-Jet (IFD UW). Trakt C2 jest stanowiskiem do badań wzbudzeń kulombowskich, wyposażonym w wielodetektorowy system liczników rozproszonych cząstek CUDAC (ŚLCJ, IFD UW, Uniwersytet Monachijski, Uniwersytet Liverpool). Trakt C3 jest przeznaczony dla układu detektorów germanowych z osłonami antykomptonowskimi BGO OSIRIS (IFD UW, KFA Jülich, ŚLCJ, IFJ, IPJ), natomiast na trakcie C4 zainstalowany jest układ JANOSIK, służący do badania gigantycznego rezonansu dipolowego. Trakt D jest traktem uniwersalnym, na którym użytkownicy mogą instalować dostarczone przez siebie końcówki. Plan infrastruktury eksperymentalnej Laboratorium przedstawiony jest na rys. 2.

Rys. 2. Schemat jonowodów warszawskiego cyklotronu.

4. Plany na przyszłość

W ciągu ostatnich kilku lat cyklotron był (pomijając okresy przerw modernizacyjnych) intensywnie wykorzystywany przez fizyków jądrowych zainteresowanych wiązkami o dostępnych energiach i intensywnościach oraz fizyków ciała stałego. Z prowadzonych -- i publikowanych już prac -- wymienić można choćby poszukiwanie izomerów w nietrwałych jądrach złożonych, gigantyczny rezonans dipolowy, badania struktury wewnętrznej jąder przez wzbudzenia kulombowskie, badanie przekrojów czynnych na jonizację powłok elektronowych, studia amorfizacji warstw powierzchniowych kryształów, czy wywołane przez ciężkie jony łamanie łańcuchów krystalicznych w ciałach stałych. W najbliższym czasie priorytetami rozwoju maszyny jest uzyskanie pełnej docelowej energii wiązek i zwiększenie jej natężenia dla urządzeń, które tego potrzebują, w szczególności separatora izotopów. Każdy akcelerator jest urządzeniem żywym i ciągle rozbudowywanym, w przeciwnym razie możliwe do realizacji programy wyczerpują się i laboratorium obumiera. O ile przejście do nominalnych energii nie wymaga większych inwestycji, to zwiększenie natężenia prądów wiązek i poprawa stabilności urządzenia jest realizowalna poprzez kilka elementów:
1) Instalacja tzw. bunchera -- urządzenia dopasowującego wprowadzaną ze źródła jonów ciągłą wiązkę do struktury fazowej systemu akceleracji.
2) Budowa (lub zakup) drugiego, większego źródła jonów ECR. Przestawianie ECR z wiązki na wiązkę jest czasochłonne, a jego awaria zatrzymuje pracę cyklotronu. Dodatkowo istnieje zainteresowanie wykorzystaniem wiązek bezpośrednio z ECR do badań z dziedziny fizyki ciała stałego. Jedno źródło mogłoby zasilać cyklotron, a drugie równolegle być wykorzystywane w tych badaniach.
3) Modernizacja części przestarzałych już zasilaczy.
4) Uzyskanie wiązek metali, co znacznie zwiększy atrakcyjność cyklotronu dla użytkowników. Dotychczas można jedynie uzyskiwać jony z gazów.

Poza tymi głównymi punktami istnieje jeszcze szereg możliwości stopniowej poprawy parametrów maszyny, których omawianie wykracza poza ramy tego krótkiego artykułu. Technicznie wiadomo, co, jak i kiedy należy przedsięwziąć, problem jest tylko w finansowaniu przedsięwzięcia. Trzeba mieć nadzieję że mobilizacja środowiska badaczy zainteresowanych w posiadaniu w Polsce unikalnego urządzenia pozwoli przezwyciężyć problemy wynikłe z ogólnego stanu nakładów na badania i edukację w naszym kraju.