FIZIKA

Pripremio: Dr Dalibor Čevizović

Razvoj akceleratorske tehnike u Srbiji

Nuklearna fisija je otkrivena u predvečerje Drugog svetskog rata. Odmah je bilo jasno kakve sve mogućnosti ovo otkriće donosi na vojnom planu, pa su istraživanja u ovoj oblasti fizike dobila karakter najstrožije čuvane tajne. Skrivano je šta, ko i gde radi, sve dok avgusta 1945. godine Hirošima a za njom i Nagasaki nisu prvi tragično iskusili rezultate ovih istraživanja.

Uskoro su na svetlost dana izašle neke od informacija vezanih za razvoj nuklearnog oružja, pre svega u SAD i Velikoj Britaniji. Zbog strahovitih razaranja, u SSSR je ovakav projekat dosta kasnio. Vlade zemalja pobednica grozničavo su nastojale da saznaju dokle su stigli protivnici. Započeo je “lov” na naučnike koji su u Nemačkoj bili uključeni u ova istraživanja. Sakupljana je dokumentacija i oprema koju su Nemci tokom rata razvili. Ipak, i dan-danas, nacistički nuklearni projekat obavijen je velom tajni. Pouzdano se zna da je u Nemačkoj rađeno na razvoju nuklearnog oružja i da je ovim istraživanjem rukovodio nobelovac Verner Hajzenberg. Poznato je i da je njihov projekat zapao u teškoće iz kojih izgleda nije uspeo da se izvuče sve do okončanja rata. Postoje samo tvrdnje da je neka vrsta “prljave” bombe bila napravljena i čak testirana...

Osnivanje instituta u Vinči

Završetkom rata istraživanja u nuklearnoj fizici počinju da obuhvataju i istraživanja u biologiji, hemiji i fizici materijala. S druge strane, velika energija koja se oslobađa za vreme nuklearne fisije ukazivala je da ona predstavlja moguć izvor jeftine i praktično neiscrpne energije, pa su svoje mesto dobila i istraživanja na primeni nuklearne energije u mirnodopske svrhe. Ovo su svakako bili razlozi kojima se rukovodila Vlada FNRJ kada je, krajem 1947. godine, donela odluku o podizanju instituta u kome bi se radila istraživanja na području nuklearne fizike. Uredbom od 10. januara 1948. godine i zvanično je osnovana institucija koja je dobila naziv Institut za fiziku.

Podizanje, organizovanje i vođenje Instituta povereno je dr Pavlu Saviću, profesoru fizičke hemije na Beogradskom univerzitetu. On je pre rata radio u Parizu, u Institutu za radijum, sa Irenom Žolio-Kiri, a kratko vreme, krajem rata, i u Institutu za fizičke probleme akademika Pjotra Leonidoviča Kapice, u Moskvi.

Najpre je podignuta zgrada za Fizičku laboratoriju. Godine 1948. iz Pariza dolazi dr Robert Valen, istaknuti fizičar i Savićev dobar poznanik, koji preuzima rukovođenje Fizičkom laboratorijom. Valen ostaje u Institutu do 1955. godine. No, već na početku rada, pojavljuje se veliki problem: u zemlji ne postoji potrebna oprema za rad, nedostajali su aparati, knjige i časopisi. Prva oprema je kupovana u Nemačkoj ili je došla kao deo ratne odštete. U to doba razvoja nuklearne fizike, većina detekcionih, mernih i drugih uređaja bila je nova, komercijalno nedostupna, pa je morala biti izrađivana u samim laboratorijama. U opremanju laboratorija ogromnu ulogu odigrale su radionice u kojima su radili izvrsni majstori, koji su u Institut upućivani iz cele zemlje. Tako je konstruisan i izrađen niz vrlo složenih aparata: od raznih spektrometara za analizu čestičnog i elektromagnetnog zračenja preko akceleratora V2 (1950.) i elektronskog analognog računara (1952.) do reaktora nulte snage (1958.). Od velikih mašina jedino je Kokroft-Voltonov akcelerator nabavljen u Švajcarskoj, 1951. godine.

Prvi akceleratori u Srbiji

Već 1949. godine počela je izgradnja akceleratora lakih jona koji je radio pod oznakom V2. Po svojoj konstrukciji, ovo je bio kaskadni akcelerator sa samo jednom kaskadom. Ubrzavao je protone ili jezgra deuterijuma koji su postizali maksimalnu energiju od 75 keV. Poseban poduhvat je predstavljala izgradnja jonskog izvora. Konstruisan je visokofrekventni jonski izvor Tonemanovog tipa, koji je imao odlične performanse. Uskoro je postalo jasno da joni sa energijom do 75 keV ograničavaju mogućnosti istraživanja, pa se počelo razmišljati o nabavci moćnije opreme. Iako je pružao ograničene mogućnosti, ovaj akcelerator je predstavljao prvi veliki uspeh domaće nauke.

Ohrabreni prvim uspesima, istraživači u Institutu su počeli da razmišljaju o nabavci akceleratora koji bi ubrzavao protone do 1,5 MeV. Akcelerator je nabavljen u Švajcarskoj 1951. godine i u Institutu je radio pod oznakom V15. Ovaj akcelerator je bio opremljen jonskim izvorom Hajlerovog tipa, koji je davao 300 mikroampera protonske struje, sa relativno skromnim procentom atomskih jona i sa velikom energijskom širinom jonskog snopa (oko 80 keV). Akcelerator je bio opremljen magnetom koji je omogućavao razdvajanje snopa atomskih od snopa molekulskih jona, ali ne i preciznu analizu energije jona.

Ipak, ovakve karakteristike izvora nisu pružale povoljne uslove za rad na nuklearnim reakcijama. Zato je V15 prvih godina imao ulogu neutronskog generatora na kome je razvijana detekcija neutrona i drugih čestica, a korišćen je i za istraživanja u oblasti uticaja ozračivanja neutronima u hemiji i biologiji. Izgradnjom novog visokofrekventnog jonskog izvora na osnovi onog korišćenog kod V2 bitno su poboljšane karakteristike ovog akceleratora. Procenat atomskih jona je podignut sa oko 20% na 80% struje u jonskom snopu, smanjena je energijska širina snopa i nešto povećana struja snopa. Izgrađen je i sistem za stabilizaciju energije jona. U isto vreme rađeno je na pripremama odgovarajućih meta. Napravljen je uređaj za elektrolizu teške vode. Elektrolizom teške vode je izdvajan deuterijum koji je zatim uvođen u izvor i komoru akceleratora, ubrzavan i usmeravan ka meti. Prve mete su bile u obliku tankog sloja teškog leda. Interakcijom deuterona-projektila sa deuteronom iz teškog leda dobijani su neutroni, najznačajnije čestice za istraživanja u eksperimentalnoj nuklearnoj fizici.

Rađeno je i na osvajanju proizvodnje teške vode. Na ovim akceleratorima su u prvoj polovini šezdesetih godina urađena brojna istraživanja. Mereni su parametri raznih nuklearnih reakcija, ugaone raspodele fragmenata raspada, spektri stvorenog zračenja i neke nove karakteristike jonskog snopa.

U to vreme se pojavila ideja o izgradnji ciklotrona promenljive energije. Nekoliko članova akceleratorske grupe je upućeno u velike svetske ciklotronske centre gde su sticali potrebno praktično iskustvo. Ali, u rad Instituta se umešala politika. Na intervenciju slovenačkog i hrvatskog rukovodstva 1956. godine dolazi do preokreta u državnoj politici prema istraživanjima u oblasti nuklearne fizike. Odlučeno je da se razvoj akceleratorske tehnike premesti u Zagreb, a industrijska primena akceleratorske tehnike u Ljubljanu. Stoga je u Ljubljani, u Institutu „Jožef Štefan“ kupljen jedan Van Der Grafov akcelerator, dok je u Zagrebu, u Institutu „Ruđer Bošković“ počela izgradnja jednog ciklotrona. Ovaj ciklotron, zbog niza grešaka u projektovanju nikada nije proradio. U Institutu „Vinča“ trebalo je da se radi na razvoju nuklearne energetike i reaktorske fizike, te je odlučeno da se pristupi izgradnji nuklearnog reaktora. Istraživači koji su se bavili akceleratorskom tehnikom počeli su se baviti drugim problemima, pojedini su otišli na razne univerzitete ili van zemlje (uglavnom u CERN, koji se u to vreme počeo razvijati).

Prestankom istraživanja na visokonaponskim kaskadnim akceleratorima nije bila ugašena ideja o izgradnji višenamenskog akceleratora. Krajem sedamdesetih i početkom osamdesetih godina reaktivirana je ideja o izgradnji savremenog teškojonskog izohronog ciklotrona, namenjenog istraživanjima u fizici, za proizvodnju radioizotopa za primene u medicini i industriji, i za terapiju tumora. Koncept akceleratorske instalacije je završen 1984. godine. Projekat je promovisan u Institutu za nuklearnu fiziku u Orseju (Francuska) i CERN-u u Ženevi. Od Instituta za nuklearnu fiziku je dobijen ciklotronski magnet i druga akceleratorska oprema. CERN je obezbedio pomoć u projektovanju i izradi radiofrekventnog sistema ciklotrona. Odluku o izgradnji ove instalacije Vlada Srbije donela je 1989. godine. Uskoro su počeli prvi građevinski radovi, ali tada i celokupno naše društvo ulazi u veliku krizu. Zbog teške materijalne situacije u zemlji, izolacije i odlaska brojnih stručnjaka, projekat AI TESLA imao je povremene zastoje.

Akceleratorska instalacija TESLA danas se sastoji od nekoliko komponenata: izohronog ciklotrona- Ciklotrona VINSI (VINCY-VINča CYclotron), izvora teških jona-Jonskog izvora mVINIS (mini-VINča Ion Source), izvora lakih jona-Jonskog izvora pVINIS (piko-VINča Ion Source) i više niskoenergijskih i visokoenergijskih eksperimentalnih kanala. Jonski izvor nVINIS (nano-VINča Ion Source) biće sličan mVINIS-u. Joni proizvedeni u pVINIS-u ili nVINIS-u će se upućivati ka VINSI-ju koji će ih ubrzavati i upućivati u željeni visokoenergijski kanal. Joni iz Jonskog izvora mVINIS se upucuju u jedan od niskoenergijskih kanala.

Jonski izvor pVINIS

Jonski izvor pVINIS je izgradila firma „AEA Technology“, iz Abingdona, V. Britanija. Ovaj jonski izvor je zapreminski izvor pozitivnih ili negativnih lakih jona. U njemu se proizvodi plazma pomoću elektrona koje emituje zagrejano vlakno. Negativni joni se generišu u procesima pobuđivanja i disocijacije molekula izazvanim elektronima. Magnetna struktura mašine sastoji se od permanentnih magneta od SmCo u konfiguraciji sa više rogova. Pušten je u rad krajem jula 1997. godine.

Jonski izvor mVINIS

Jonski izvor mVINIS su izgradili Objedinjeni institut za nuklearna istraživanja iz Dubne, Rusija, i Institut „Vinča“. Ovo je izvor višestruko naelektrisanih teških jona. Plazma se proizvodi pomoću mikrotalasa, koristeći se efektom elektronske ciklotronske rezonanse. Višestruko naelektrisani joni generišu se u sudarima jona sa vrućim elektronima, čije se zagrevanje vrši takođe korišćenjem efekta ciklotronske rezonanse. Od sredine 1998. godine joni iz ovog izvora se koriste u kanalu za modifikaciju materijala (L3A). Magnetna struktura mašine se sastoji od dva kalema, feromagnetnog jarma postavljenog oko kalemova i permanentnog magnetnog heksapola od NdFeB, postavljenog unutar kalemova. Frekvencija mikrotalasa je 14 GHz.

Ciklotron VINSI

Ciklotroni su srce svakog akceleratorskog kompleksa. Tako je i u slučaju AI TESLA. VINSI je mašina višenamenskog karaktera koja omogućuje ubrzanje jona u širokom opsegu njihovog specifičnog naelektrisanja. Takođe, omogućava da se dobiju teški joni čije su energije znatno iznad Kulonove barijere (oko 5 MeV po nukleonu) što stvara dobre uslove za istraživanja u nuklearnoj fizici. Osim toga, proizvodi snopove protona i deuterona velikog intenziteta čija je energija iznad 60 MeV, a koji se mogu primeniti u medicini. Ovaj ciklotron proizvodi i teške jone sa energijama ispod Kulonove barijere, koji su potrebni za istraživanja u radijacionoj fizici, radijacionoj hemiji, radijacionoj biologiji i nauci o materijalima.

VINSI ima dva ekstrakciona sistema: striping-sistem sa folijom koji omogućava ekstrahovanje lakih jona i teških jona malog naelektrisanja i elektrostatički defleksioni sistem koji omogućava ekstrahovanje teških jona velikog naelektrisanja.

Eksperimentalni kanali

Predviđeno je da se u niskoenergijskim kanalima (L1, L2, L3A i L3B) koriste snopovi iz Jonskog izvora mVINIS. Kanal za modifikaciju materijala (L3A) izgradila je firma „Danfysik“, iz Jilingea, Danska. Pušten je u rad 1998. godine. L3A omogućava izvođenje velikog broja eksperimenata fundamentalnog i primenjenog karaktera u oblasti modifikacije i sinteze materijala.

U visokoenergijskim kanalima (H1, H2, H3A, H3B, H5A i H5B) koristiće se jonski snopovi direktno iz Ciklotrona VINSI. Predviđeno je da se kanal H2 koristi za istraživanje fuzije i fisije u sudarima teških jona u okolini Kulonove barijere. Kanal H3A predviđen je za istraživanje efekta kristalne duge (efekat duge do kojeg dolazi za vreme transmisije jona kroz kanale tankog kristala). On uključuje i istraživanje procesa ekscitacije jona i razmene elektrona između jona i kristala koji prate transmisiju jona kroz kanale tankog kristala. Kanal H3B će biti korišćen za istraživanja efekata jonskog ozračivanja polimera, ispitivanje radiolize u kondenzovanim sistemima indukovane jonima, kao i za ispitivanja efekata jonskog ozračivanja bioloških sistema. Kanal H4 treba da omogući proizvodnju radioizotopa koji će se koristiti u medicinskoj dijagnostici. Kanal H5A biće korišćen za protonsku terapiju melanoma oka i drugih plitkoležećih tumora. Energija protona će biti do 73 MeV i omogućiće terapiju obolelog tkiva na dubini do oko 4 cm. U kanalu H5B snop visokoenergijskih neutrona biće korišćen za pogon malog potkritičnog fisionog nuklearnog reaktora. Neutroni se generišu u sudarima protonskog ili deuteronskog snopa koji su ubrzani u VINSI-ju i usmereni ka olovnoj meti. U reaktoru će se nalaziti uranijumski ili torijumski gorivi elementi u lakoj vodi koja služi kao primarni moderator za neutrone. Gorivi elementi su raspoređeni u olovnoj matrici koja predstavlja glavni moderator i reflektor neutrona. Ovaj kanal je namenjen razvoju nuklearnih tehnologija i za osnovna istraživanja u neutronskoj fizici, metrologiji, zaštiti od jonizujućeg zračenja i radijacionoj biologiji.

Protonska terapija tumora je interesantna zbog mogućnosti lokalizovanog tretiranja obolelog tkiva, uz minimalno oštećenje zdravog okolnog tkiva. Kada brza naelektrisana čestica prolazi kroz tkivo, ona jonizuje okolne molekule i predaje im energiju. Međutim, količina predate energije zavisi od brzine naelektrisane čestice. Kada se proton iz akceleratora usmeri ka tkivu, on gubi energiju prodirući kroz materiju. Usled tog gubitka energije, smanjuje se brzina protona. Kada se dovoljno uspori, energija koja se predaje okolnim jonizovanim molekulama se naglo povećava, i on se praktično zaustavlja. Ova pojava se može objasniti činjenicom da brzi protoni provode u blizini molekula malo vremena, pa je verovatnoća njihove interakcije mala. Međutim, kada brzina protona dovoljno opadne, on u okolini molekula može da provede dovoljno vremena da verovatnoća njegovog zahvatanja (a time i predaje energije) bude dovoljno velika. Tada proton svu svoju energiju preda molekulima. Veoma grubo, ovo pomalo liči na kretanje asteroida u blizini Zemlje. Ako mu je brzina dovoljno velika, asteroid se približi Zemlji, proleti kraj nje i udalji se, krećući se po hiperboličnoj putanji. Ali ako mu je brzina mala, gravitaciono polje Zemlje će ga zarobiti, on će pasti na njenu površinu i time svu svoju energiju predati planeti.

Na grafikonu se vidi jasno izražen apsorpcioni maksimum, neposredno pre nego što se proton zaustavi. Ovaj maksimum se, po Vilijamu Bragu koji ga je otkrio 1903. godine, zove Bragov pik.

Postojanje Bragovog pika se može iskoristiti u čestičnoj terapiji tumora. On omogućuje da se delovanje lakih jona koncentriše na obolelo tkivo, a okolno tkivo pri tome pretrpi minimalna oštećenja. Razlog tome je da efekat oštećenja tkiva direktno zavisi od količine energije koja mu se preda.

Uloga akceleratorske fizike

Tokom razvoja akceleratorske tehnike, određen broj stručnjaka je obučen i svojim kasnijim angažmanom direktno je dao doprinos izgradnji akceleratorskih kompleksa u CERN-u i nekim drugim centrima. Kasnije su ti isti ljudi bili neposredna veza privrede SFRJ sa CERN-om, a njihovo iskustvo je iskorišćeno u osvajanju raznih tehnologija i uspešnom učešću pojedinih naših preduzeća u CERN-ovim projektima, čak i u ovom najnovijem. Ovde su se uspešnim pokazali „Energoinvest“, „Energoprojekt“ i „Lola“. Pošto su u tehnološki visokorazvijenim zemljama ovakvi projekti zapravo i test-projekti za primenu visokih tehnologija u industriji i energetici, preduzećima koja u njima uspešno učestvuju kasnije su otvorena vrata za proizvodnju i plasman tih tehnologija. Tako je „Energoinvest“ proizvodio parogeneratore koji su ugrađivani u nuklearne elektrane, sve do raspada SFRJ, kada je njegovo tržište preuzeo „Westinghouse“. Zanimljivo je da je njihov parogenerator bio ugrađen u nuklearnoj elektrani u Černobilu i da je funkcionisao i posle nesreće u toj elektrani.

Razvijena je tehnologija proizvodnje radioizotopa važnih u medicini, u farmakoterapiji. Za istu namenu je predviđeno i korišćenje jednog eksperimentalnog kanala AI TESLA. Kanal H4 predviđen je za proizvodnju radioizotopa i radiofarmaceutika, neophodnih u medicinskoj dijagnostici i terapiji. Prvi radioizotop koji bi trebalo da se proizvodi je jod-123, koji je gama-emiter i čije vreme poluživota iznosi 13,2 sata. Prvi radiofarmaceutik koji treba da se proizvodi je natrijum-jodid, koji može da se koristi direktno ili za proizvodnju drugih radiofarmaceutika na bazi joda. U kasnijoj fazi trebalo bi da se osvoji i proizvodnja pozitronskih emitera jod-124, itrijum-86 i bakar-64, koji se koriste za pozitronsku emisionu tomografiju, kao i alfa-emitera astat-211 i terbijum-149, koji se koriste za endoradioterapiju.

Razvijena je tehnika korišćenja jonizujućeg zračenja u medicinskoj terapiji (protonskog snopa u kanalu H5A).

Razvijene su metode detekcije, dozimetrije i zaštite od jonizujućeg zračenja, kao i neophodna instrumentacija. Razvijene su i kasnije primenjene tehnike korišćenja jonizujućeg zračenja u ispitivanju i modifikaciji materijala. Za ovu namenu korišćeno je i nekoliko drugih akceleratora, među ostalima i jedan u Fabrici kablova u Jagodini.

(Želeo bih da se zahvalim na korisnim podacima koje su mi pružili dr Božidar Maršićanin, istraživač u Institutu „Vinča“, koji je svojim dugogodišnjim radom na razvoju akceleratorske tehnike u ovoj instituciji nepresušni izvor informacija o ovoj temi, i dr Nebojši Neškoviću, rukovodiocu razvoja i korišćenja AI TESLA.)

Dr Dalibor Čevizović