Жидкий литий избавил ионы в пучке от лишних электронов
Новый метод отделения электронов позволил поднять мощность пучка ионов, предназначенного для синтеза изотопов с необычными соотношениями чисел протонов и нейтронов.
В стабильных изотопах количество нейтронов обычно варьируется в пределах нескольких штук, а у радиоактивных оно может изменяться в гораздо более широких пределах. К примеру, у стабильных изотопов никеля бывает от 30 до 36 нейтронов, а у радиоактивных — от 20 до 52. Если расположить все известные изотопы на карте, по осям которой отложены количества протонов и нейтронов, получится узкий «хребет стабильности» и широкие «отмели» радиоактивных изотопов.
Число возможных радиоактивных изотопов может составлять около шести тысяч, и пока ученые синтезировали лишь около половины из них. Изучение нестабильных изотопов с большим дисбалансом протонов и нейтронов представляет большой интерес — исследуя особенности их распада, физики шаг за шагом совершенствуют описание сил, удерживающих ядра воедино.
Изучать такие изотопы приходится буквально «на лету» — период их полураспада обычно составляет от десятых до тысячных долей секунды (но бывает и намного меньше). В 2022 году к этой работе приступила лаборатория FRIB (Facility for Rare Isotope Beams) университета штата Мичиган (Michigan State University).
Процесс получения нестабильных изотопов в лаборатории FRIB реализован следующим образом. Сначала из тяжелого элемента, такого, как ксенон или уран, получают ионы, которые разгоняют и направляют в отделитель электронов (charge stripper). В нем ионы лишаются почти всех электронов и направляются в основной ускоритель, а оттуда пучок ионов попадает в мишень.
Сталкиваясь с ядрами мишени на скорости до половины световой, ядра пучка «разлетаются» на крупные фрагменты, которые сортируют магнитным полем и направляют в ловушку, окруженную детекторами распада. По энергиям и типам испущенных частиц ученые восстанавливают структуру ядра.
Сложность поджидала разработчиков новой установки на этапе отделения электронов, которое необходимо для повышения заряда ионов и эффективности их разгона перед мишенью. При столкновениях образуются ядра с самым разнообразным содержанием протонов и нейтронов, но многие изотопы при этом образуются слишком редко. Чтобы повысить темп их образования, нужно поднимать ток пучка ионов, а отделитель электронов этого не выдерживает.
В менее мощных ускорителях отделитель электронов состоит из графитовой фольги, но пролетая через нее, ионы разрушают кристаллическую структуру графита. Оказалось, что в пучке FRIB графит выгорает слишком быстро.
Исследователи во главе с Такудзи Канемурой (Takuji Kanemura) изобрели самовосстанавливающийся отделитель электронов, который обошел ограничение по мощности пучка. Для этого они использовали мощный поток расплавленного лития. Выбор именно этого металла связан с двумя факторами — легкие атомы лития не способны сильно рассеять летящий сквозь него пучок тяжелых ионов, а высокая температура его кипения предотвращает нарушение вакуума, который необходим для поддержания пучка.
В жидкометаллическом отделителе электронов струя расплавленного лития выходит из сопла и ударяется о край дефлектора, который превращает ее в пленку толщиной 10 — 20 микрометров, летящую со скоростью до 180 километров в час. Пучок проходит через эту пленку, но каждый объем расплава подвергается его действию лишь на очень короткое время, и не успевает нагреться и вскипеть. С помощью литиевого отделителя исследователи смогли поднять мощность пучка до 400 киловатт.
Похожее решение используется в сверхъярких рентгеновских трубках. Их анод представляет собой струю металлического галлия, способную выдержать сфокусированный электронный луч такой мощности, которая испарила бы даже самые тугоплавкие материалы.
Применение редких радиоактивных изотопов не ограничивается изучением ядерных сил. В установке FRIB образуется огромное количество изотопов — в том числе использующихся в ядерной медицине и других областях, — и ученые планируют собирать их для дальнейшего применения.
Кроме того, этот способ получения радиоактивных ядер может пригодиться при достижении «острова стабильности» на карте изотопов, который содержит сверхтяжелые элементы с интереснейшими химическими свойствами. К настоящему моменту ученые достигли только нестабильного нейтронно-недостаточного края этого «острова». В его центре могут отыскаться изотопы с периодами полураспада в миллионы лет, но продвинуться вглубь не дает проблема нейтронной недостаточности.
Обычно сверхтяжелые элементы синтезируют, бомбардируя трансурановую мишень легкими ядрами, и все достаточно устойчивые изотопы, из которых можно заранее приготовить «снаряды» и мишени, содержат слишком малые доли нейтронов. Нестабильные ядра могут содержать гораздо больше нейтронов: если удастся синтезировать их в достаточном количестве «на лету» и тут же отправлять в мишень, проблема нейтронного недостатка может оказаться преодоленной.
Telegram 
Дзен 
VK Долгое время считалось, что гигантские стрекозообразные, жившие 300 миллионов лет назад, стали такими из‑за высокого содержания кислорода. Тогда в атмосфере его было около 30% вместо сегодняшних 21%. Учёные полагали, что крупные насекомые задохнулись бы в нашей атмосфере. Но оказалось, что это не так.
Считается, что современная музыка стала простой и даже примитивной. Ученые из Италии математически проверили эту гипотезу и подтвердили, что даже самые сложные жанры со временем стали дрейфовать к простоте и повторам одних и тех же составляющих.
Большой взрыв мог быть не началом Вселенной, а моментом рождения самой гравитации в привычном нам виде. Новая модель предлагает иную, квантовую форму гравитации, которая могла запустить инфляцию и избавить космологию от проблемы сингулярности, где законы физики перестают работать.
Релиз довольно неожиданно перенес время образования протонов и нейтронов в более раннее прошлое Вселенной. К сожалению, из его текста осталось неясным научное обоснование таких фундаментальных изменений в космологии. Также он резко передвинул в прошлое и момент возникновения реликтового излучения.
Поставщик элементов окололунной станции попытался сдать клиентам изделия, подвергшиеся коррозии еще до начала его монтажа. Об этом заявил новый глава NASA Джаред Айзекман. Защищая свою позицию, поставщик сообщил, что ранее он поставлял модули с коррозией для МКС, но они все равно до сих пор работают. NASA использует скандал для отказа от алогичного проекта Lunar Gateway, обитаемой космической станции на окололунной орбите.
Ученые, похоже, приблизились к разгадке происхождения пшеницы мягкой — той самой, из которой делают большую часть хлеба и другие мучные изделия. Согласно авторам нового исследования, она, предположительно, появилась 8000 лет назад на территории современной Грузии и Армении.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Четыре человека, летящие к Луне, столкнулись с целым рядом мелких неприятностей — от низкой температуры в начале работы до поломки мочевыводящей системы туалета на вторые сутки и необходимости взамен пользоваться пакетами. К счастью, пока самые крупные сложности удалось компенсировать. Но все они вместе могут сдвинуть ситуацию к решению, о котором Naked Science уже говорил в нашем видеоподкасте о миссии: не исключено, что при высадке астронавтов на Луне их корабль состыкуют со Starship не на окололунной, а уже на околоземной орбите.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно
Последние комментарии