Фабрика сверхтяжёлых элементов

Фабрика сверхтяжёлых элементов — это научно-исследовательский комплекс, созданный для синтеза и изучения химических элементов с атомным номером более 104 (трансактиноидов), а также для исследования свойств сверхтяжёлых ядер. Расположен на территории Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне (Московская область, Россия). Введён в эксплуатацию в 2019 году и является крупнейшим в мире специализированным ускорительным комплексом для синтеза сверхтяжёлых элементов.

История создания

Идея создания специализированной установки для синтеза сверхтяжёлых элементов возникла в ОИЯИ в начале 2000-х годов, когда лаборатория ядерных реакций имени Г. Н. Флёрова уже достигла значительных успехов в синтезе элементов 113–118. Для дальнейшего продвижения в область более тяжёлых элементов (119 и выше) требовалось существенное увеличение интенсивности пучков ионов и улучшение сепарации продуктов реакций.

Проект «Фабрика сверхтяжёлых элементов» был официально утверждён в 2012 году. Строительство началось в 2014 году на базе циклотрона У-400 и нового ускорителя ДЦ-280. В 2018 году был запущен в тестовом режиме циклотрон ДЦ-280, а в 2019 году комплекс начал работу в штатном режиме. Первым экспериментом стал синтез элемента 117 (теннессина) с использованием мишени из берклия-249.

Устройство и технические характеристики

Фабрика включает несколько ключевых компонентов:

Ускоритель ДЦ-280

Циклотрон ДЦ-280 является основным источником пучков ионов. Он способен ускорять ионы от кальция-48 до титана-50 и хрома-54 до энергий, необходимых для преодоления кулоновского барьера ядер. Максимальная энергия пучка достигает 8 МэВ на нуклон. Интенсивность пучка кальция-48 составляет до 10 триллионов ионов в секунду, что в 10–20 раз выше, чем на предыдущих установках.

Газонаполненный сепаратор

Для отделения продуктов ядерных реакций от первичного пучка и побочных продуктов используется газонаполненный сепаратор. Он работает на основе разницы в магнитной жёсткости ионов, движущихся в газовой среде (гелий или водород). Сепаратор позволяет выделять сверхтяжёлые ядра с эффективностью до 50–70%.

Детекторная система

После сепарации продукты реакции попадают в детекторную систему, которая регистрирует время пролёта, энергию и положение ионов. Система состоит из времяпролётных детекторов и кремниевых детекторов для регистрации альфа-распада и спонтанного деления. Это позволяет идентифицировать изотопы по цепочкам последовательных распадов.

Мишенная станция

Мишени изготавливаются из редких изотопов, таких как берклий-249, калифорний-249, плутоний-244 и другие. Они наносятся на тонкие подложки из титана или алюминия. Для работы с высокорадиоактивными материалами мишенная станция оснащена дистанционным управлением.

Научные достижения

С момента запуска на Фабрике сверхтяжёлых элементов были получены следующие результаты:

Синтез новых изотопов

• Элемент 117 (теннессин) — в 2019 году подтверждён синтез изотопа теннессина-294 с периодом полураспада около 50 миллисекунд.
• Элемент 118 (оганесон) — в 2020 году получен изотоп оганесона-295 с периодом полураспада около 0,7 миллисекунды.
• Элемент 115 (московий) — в 2021 году синтезирован изотоп московия-290 с периодом полураспада около 0,8 секунды.
• Элемент 116 (ливерморий) — в 2022 году получен изотоп ливермория-293 с периодом полураспада около 60 миллисекунд.

Исследование свойств сверхтяжёлых ядер

• Изучены альфа-распадные цепочки для изотопов элементов 113–118, что позволило уточнить энергетические уровни и деформации ядер.
• Обнаружены новые изомерные состояния в ядрах элементов 115 и 117.
• Проведены первые измерения спонтанного деления для изотопов оганесона и теннессина.

Поиск элемента 119

В 2023–2024 годах на Фабрике начаты эксперименты по синтезу элемента 119 (условное название «унуненний»). Используется мишень из эйнштейния-254 и пучок титана-50. По состоянию на 2025 год достоверных подтверждений синтеза не получено, но эксперименты продолжаются.

Значение для науки

Фабрика сверхтяжёлых элементов является ключевым инструментом для проверки теории «острова стабильности» — гипотетической области сверхтяжёлых ядер с повышенной стабильностью. Согласно теоретическим моделям, ядра с магическими числами протонов (114, 120, 126) и нейтронов (184, 196) могут иметь периоды полураспада от нескольких минут до миллионов лет. Эксперименты на Фабрике позволяют уточнить эти предсказания.

Кроме того, комплекс используется для:

• Изучения химических свойств сверхтяжёлых элементов (например, определение летучести и реакционной способности).
• Исследования механизмов ядерных реакций слияния-испарения.
• Разработки новых методов синтеза, включая использование пучков радиоактивных ионов.

Международное сотрудничество

Фабрика сверхтяжёлых элементов является открытым для международного сообщества проектом. В экспериментах участвуют учёные из России, Германии, США, Японии, Китая, Франции и других стран. ОИЯИ имеет соглашения о сотрудничестве с Национальной лабораторией Лоуренса в Беркли (США), Институтом тяжёлых ионов в Дармштадте (Германия) и Институтом физики высоких энергий в Пекине (Китай).

Перспективы развития

Планируется модернизация ускорителя ДЦ-280 для увеличения интенсивности пучков в 2–3 раза. Также разрабатывается проект создания второго газонаполненного сепаратора для параллельного проведения экспериментов. В долгосрочной перспективе рассматривается возможность синтеза элементов 120 и 121 с использованием мишеней из кюрия-248 и калифорния-252.

Источники

• Официальный сайт Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ), раздел «Фабрика сверхтяжёлых элементов».
• Отчёты Лаборатории ядерных реакций имени Г. Н. Флёрова за 2019–2024 годы.
• Публикации в журналах «Physical Review Letters», «Nature», «Nuclear Physics A» (2019–2024).
• Материалы конференций по ядерной физике (Дубна, 2020–2023).