О работах, удостоенных премий ОИЯИ

Середина прошлого столетия, ознаменованная каскадом физических открытий, зачастую вызывает зависть современных ученых и публицистов. Сколько было построено установок, проведено уникальных экспериментов! История создавалась каждый миг. Это же ощущение испытывают иной раз журналисты, бывая в лабораториях ОИЯИ. В недавно, казалось бы, изданном (1979 год) словаре Большой Советской Энциклопедии клеточка 105 Периодической системы элементов называется "(Ns, нильсборий)". Скобки, видимо, указывают, что название еще не утверждено. А сегодня уже стало привычным, что элемент 105 носит название нашего города - дубний, а сама таблица Менделеева, казавшаяся незыблемой и фундаментальной, постепенно заполняется дальше.

После синтеза новых элементов необходимо изучить их свойства, сравнить с другими элементами. В Лаборатории ядерных реакций в прошлом году был поставлен эксперимент по химической идентификации дубния (Db), который явился независимым подтверждением открытия предшествующего ему по цепочке альфа-распадов элемента с порядковым номером 115. Об этой работе, удостоенной премии ОИЯИ за 2004 год, мы попросили рассказать заместителя директора ЛЯР профессора Сергея Николаевича ДМИТРИЕВА.

За последние 5 лет в нашей Лаборатории было синтезировано 30 новых изотопов трансактиноидных элементов, и в том числе 17 изотопов новых сверхтяжелых элементов с порядковыми номерами 112, 113, 114, 115, 116 и 118. Для их синтеза были использованы предложенные академиком Ю.Ц.Оганесяном реакции нейтронно-избыточных изотопов актинидов с дважды магическим ядром 48Са. Работы проводились на газонаполненном сепараторе ЛЯР. Идентификация новых нуклидов осуществлялась на основе изучения их ядерно-физических характеристик (энергия и вид распада, время жизни), а также изучения функций возбуждения (зависимостей сечений различных каналов реакции от энергии возбуждения). На сегодня накоплено достаточно экспериментальных данных, чтобы однозначно утверждать - открытие сверхтяжелых элементов состоялось.

Работая в совершенно новой области таблицы изотопов, мы неизбежно получаем цепочки распада, которые начинаются новыми изотопами и заканчиваются ранее не известными нейтронно-избыточными изотопами известных нуклидов. Так, синтезированный в реакции 243Am + 48Ca изотоп нового 115-го элемента с массой 288 испытывал пять последовательных альфа-распадов и превращался в неизвестный изотоп (с массой 268) известного элемента 105 - дубния. Он оказался своего рода уникальным изотопом, так как время его жизни составляло рекордную для этой области нуклидов величину - около суток. Это и позволило нам предложить эксперимент по его выделению и идентификации известным "классическим" химическим методом - ионообменной хроматографией. Именно этим методом в 50-е - 60-е годы прошлого века были идентифицированы практически все не известные на тот момент элементы актиноидного ряда (от нептуния до лоуренсия).

Итак, из результатов "физического" эксперимента мы знали, что синтезированный в реакции 243Am + 48Ca изотоп испытывает пять последовательных альфа-распадов, то есть уменьшает свой порядковый номер на 10 единиц. И если "классическая химическая" идентификация покажет, что конечный продукт является элементом 105 (дубнием), то это будет независимым подтверждением того, что порядковый номер образовавшегося в указанной выше реакции материнского нуклида будет на 10 единиц выше, то есть он будет являться новым 115-м элементом, а дочерний нуклид (после испускания первой альфа-частицы) новым 113-м элементом.

Конечно, эксперименту предшествовала большая подготовительная работа. Это и приготовление мишени америция-243, в чем нам сильно помогли наши коллеги из Димитровограда, и модернизация мишенного блока газонаполненного сепаратора, и создание низкофонового измерительного комплекса, и многое другое.

Хорст Брухертзайфер (Швейцария), Ким Джонг Бин (Южная Корея), Григорий Востокин и Николай Аксенов (ЛЯР ОИЯИ).
Собственно эксперимент был проведен в июне-июле 2004 года. В эксперименте так или иначе были задействованы практически все ключевые подразделения и секторы лаборатории: наши ускорительщики обеспечили стабильно высокий ток пучка 48Са, физики - облучение мишени 243Am и длительные низкофоновые измерения, химики совместно с коллегами из Швейцарии и США - тончайшие радиохимические операции по селективному выделению дубния. Это был один из немногих экспериментов, в котором использован весь потенциал нашей лаборатории. Не думаю, что в каком-либо другом научном центре, кроме ОИЯИ, сегодня возможна постановка такого эксперимента. Ну а результат, как вы знаете, был адекватен вложенным усилиям. Впервые классическим методом химической идентификации было показано, что конечный долгоживущий продукт распада образующегося в реакции 243Am + 48Ca материнского нуклида является элементом 105 - дубнием, а следовательно, материнский нуклид является элементом 115. При этом результаты "химического" и "физического" экспериментов полностью согласуются. Таким образом, сегодня мы можем констатировать, что открытие нового элемента 115, а следовательно, и 113, выполнено в нашей лаборатории двумя независимыми методами, что крайне важно для закрепления приоритета в их открытии.

На переднем плане Доротея Шуманн (Швейцария).
Как уже сообщалось в нашей газете, эта работа была отмечена премией ОИЯИ. Кроме того, краткое описание этих исследований вошло в сводку новостей журнала Nature, в которой ежемесячно отмечаются самые значительные события в области естественных наук. Работа проводилась в коллаборации со специалистами института Пауля Шеррера (Швейцария) и Ливерморской национальной лаборатории (США). Примечательно, что группа швейцарских ученых практически полностью была русскоговорящей - все ее сотрудники в свое время работали в Дубне. Подробнее о технической стороне эксперимента рассказывает начальник химического сектора С.В.ШИШКИН.

Если по порядку, то следует начать с мишени. В отличие от "физического" эксперимента мы использовали "толстую" мишень - количество америция в ней было увеличено почти в 4 раза. Это повышает вероятность возникновения ядер 115-го элемента. Стабильный пучок кальция-48 с интенсивностью 5x1012 ядер в секунду - заслуга отдела ускорителей и сектора ионных источников. Повышение толщины мишени и интенсивности пучка существенно сократило время эксперимента. Если раньше для набора необходимой статистики требовались месяцы, то сейчас - недели. Образовавшиеся продукты реакции собирались в охлаждаемом медном сборнике. Цикл облучения составлял от 20 до 40 часов. После чего меняли сборник и проводили следующий цикл облучения.

Медный сборник после облучения попадал в руки химиков. Прежде всего, с него удаляли аэрозольные частицы мишени - америция. Затем на микро-токарном станке (все это происходило, естественно, в специальном радиохимическом боксе) с его поверхности прецизионно снимался заданный (всего 5-7 микрометров) тонкий слой меди, который, собственно, и содержал продукты реакции, включая дубний. Слой растворялся, и из полученного раствора селективно выделялись элементы пятой группы Периодической таблицы Д.И.Менделеева, к которой принадлежит и элемент 105 - дубний.

Не буду подробно останавливаться на химических процессах, лишь перечислю их. Сначала мы избавлялись от вещества сборника ядер отдачи - меди. Затем удаляли актиноиды - Am, Cf, Pu, которые испытывают спонтанное деление и могут быть источниками фона. В результате радиохимического разделения мы получали раствор элементов 5-й группы в плавиковой кислоте, упаривали его и наносили на диски из тончайшей полиэтиленовой пленки, которые и служили рабочими образцами (на снимке). Вся эта процедура занимала примерно 2-3 часа.

Полученные рабочие образцы помещались в измерительный блок, состоящий из полупроводниковых кремниевых детекторов (регистрация осколков спонтанного деления), окруженных 3Не-счетчиками (регистрация множественной эмиссии нейтронов). В комплексе они представляли собой систему регистрации, которая с эффективностью до 90 процентов фиксирует осколки деления и с эффективностью до 40 процентов - вылетающие при этом нейтроны. Для исследования фона (не будут ли регистрироваться события, имитирующие спонтанное деление?) были проведены дополнительные измерения - в течение 330 часов до эксперимента не было зафиксировано ни одного фонового события, которое могло бы имитировать спонтанное деление. Сами измерения спонтанного деления 105-го элемента длились 957 часов, причем, за первые 174 часа было зарегистрировано 15 событий, в последующие 783 часа ни одного события спонтанного деления или фонового события зарегистрировано не было.

Кроме того, был проведен дополнительный эксперимент для определения фона от спонтанного деления. В этом опыте после облучения не производилось химическое разделение, а использовался "коронный" ляровский метод твердотельных детекторов. На сборник ядер отдачи после очистки от аэрозольных частиц накладывался твердотельный детектор (особо чистый лавсан). Если с поверхности сборника вылетают осколки деления, после соответствующей обработки (травления щелочью) в лавсане появляются треки, которые можно увидеть в микроскоп. Таким образом, мы определяли, насколько актиноиды могут влиять на результаты, ведь абсолютно весь америций со сборника удалить невозможно, в ходе облучения идут также побочные реакции, продуктами которых могут быть спонтанно делящиеся тяжелые актиноиды. После длительных измерений было зарегистрировано в среднем два события спонтанного деления в сутки.

Радиохимическая методика гарантировала очистку элементов 5-й группы от актиноидов не менее 8x103, таким образом, за все время измерений изотопы актиноидов могли дать не более 0,02 события. Можно было однозначно утверждать, что все зарегистрированные в эксперименте 15 событий спонтанного деления определяются новым долгоживущим изотопом элемента 105 - дубния. Таким образом, как уже отмечалось выше, полученные результаты являются независимым подтверждением синтеза новых элементов 115 и 113.

Материал подготовила Галина Мялковская, фото Ю.Туманова.