Cyklotron

Co uděláte, jestliže potřebujete částice pohybující se rychlostí srovnatelnou s rychlostí světla? V obchodě je asi pořídíte jen těžko. Řešením je zajít do Řeže u Prahy, do Ústavu jaderné fyziky AV. Místní cyklotron vám takové částice opatří.

Urychlovač částic U120-M je jediným cyklotronem pro výzkumné účely v České republice a slouží již od roku 1977. Produkuje protony, deuterony (jádra deuteria, tedy proton s neutronem) a alfa částice (což jsou ionty helia), to vše o vysokých energiích a s rychlostmi, dosahujícími až čtvrtinu rychlosti světla. Urychlované protony a alfa částice mohou dosáhnout energie až 38 MeV, deuterony 19 MeV a velice vzácné izotopy helia (3He++) až 53 MeV.

JAK FUNGUJE CYKLOTRON
Nabité částice lze snadno urychlit elektrickým polem, to dokáže i obyčejná televizní obrazovka. Pokud potřebujete opravdu rychlé částice, bude muset být příslušné zařízení dlouhé několik stovek metrů nebo dokonce kilometrů (nejdelší lineární urychlovač na světě má délku 3,2 km). Elektrickým polem se nabité částice urychlují, v magnetickém poli se pohybují po kruhových drahách. Cyklotron využívá kombinace obou těchto jevů. Částice, emitované iontovým zdrojem v centru mohutného magnetu, se zde urychlují elektrickým polem a jejich dráha se současně zakřivuje v silném poli magnetickém. Urychlení probíhá v urychlovací mezeře na hraně duté elektrody, tzv. duantu. Po urychlení vykoná částice uvnitř duantu půlkruh a vrací se zpět k urychlovací mezeře. Napětí mezi jedním a druhým duantem musí být v okamžiku, kdy částice vstupuje do urychlovací mezery, právě takové, aby působilo ve směru jejího pohybu. Částice vykoná pod duantem otočku (její poloměr se zvětšuje s tím, jak narůstá energie částice) a než dospěje k urychlovací mezeře, musejí se duanty přepólovat, aby napětí opět působilo správným směrem. Částice se potom pohybují po spirálové dráze, při čemž jejich energie postupně narůstá až do maximální hodnoty na poloměru, na kterém je umístěn ozařovaný materiál, nebo se vyvádějí ven z magnetického pole k dalšímu použití. Kilometrový urychlovač je tak stočen do spirály s maximálním poloměrem 50 cm.

POVODEŇ
Cyklotron U120-M se skrývá až na samém konci rozsáhlého areálu v Řeži. Ústav leží u Vltavy, která při povodních v roce 2002 opustila své břehy a bez toho, aby se legitimovala ve vrátnici, navštívila i cyklotron. Na tuto „vizitu“ doplatily především výkonové zdroje proudu pro magnetické cívky, vysokofrekvenční vysílač a další komponenty cyklotronu. Velká část jich musela být vyměněna, což bylo velmi náročné finančně i pracovně. Po velkém úsilí byl urychlovač opět spuštěn v roce 2003 a od té doby se takřka nezastavil.

CO MŮŽETE VIDĚT
Ovládací místnost se příliš neliší od velínu většiny podobných vědeckých zařízení. Kralují tu počítače, které se starají o přesnou souhru jednotlivých částí urychlovače, na stěně poblikává schéma obvodů cyklotronu. Návštěvník tu obdrží dozimetr a může se vydat navštívit Golema. I když cyklotron je velice nebezpečným zářičem hlavně v době provozu, detektor záření je nezbytný i po jeho vypnutí, protože v okolí přístroje se i pak vyskytuje slábnoucí radiace, způsobená aktivací konstrukčních materiálů urychlovanými částicemi. Cyklotron se proto skrývá za asi 2,5 m tlustou betonovou zdí a stejně tlusté jsou i otočné dveře. Samotné zařízení je vysoké kolem tří metrů, váží více než 120 tun a jeho příkon může přesahovat 200 kW. Magnetické pole ve středu cyklotronu dosahuje hodnot až 1,8 T (v závislosti na typu a energii urychlovaných částic). Pro srovnání – běžný kancelářský magnet vytvoří pole asi 0,005 T. Urychlený svazek může být vyveden k nejrůznějším terčům nebo poslouží k ozařování materiálu umístěného přímo v cyklotronu.

VYUŽITÍ CYKLOTRONU
Vedle využití pro základní výzkum tvoří většinu pracovní náplně cyklotronu výroba radiofarmak. Radioaktivní izotopy se velmi dobře detekují, a tak je v lidském těle možné sledovat jejich pohyb nebo hromadění v tkáních. Kromě detekce mohou radio-izotopy sloužit i k cílené léčbě nádorových onemocnění. Cyklotron se rovněž zabývá výrobou látek pro pozitronovou emisní tomografii (PET). Všechna tato radiofarmaka mají poločas rozpadu jen několik hodin, a proto musejí být po svém vyrobení co nejrychleji dopravena k pacientovi. Zdravotnická zařízení, která chtějí radiofarmaka vyrobená cyklo-tronem odebírat, jsou tedy limitována vzdáleností od Řeže a rychlostí kurýrní služby.

NEUTRONOVÝ ZDROJ A VÝHLEDY DO BUDOUCNA
Částice s vysokou energií, která pronikne do atomového jádra, v něm způsobí řadu změn, které nakonec vedou k vyzáření množství neutronů. Cyklotron urychlující částice se tak může stát zdrojem neutronového záření. Původně byla výroba neutronů zaměřena na biologický výzkum. Nyní se spektrum jejich použití značně rozšířilo. Lze jimi studovat křehnutí namáhaného materiálu, napodobovat změny dané stárnutím i testovat komory jaderných a fúzních reaktorů, které musejí snášet vysokou zátěž způsobenou právě neutronovým bombardováním.
Reakce prováděné na cyklotronu odhalují mnohá tajemství ze stavby atomových jader. Některé jsou důležité kupříkladu pro modely sluneční činnosti. Jedním ze zajímavých projektů je urychlovačem řízená transmutace. Tato technologie by mohla v budoucnosti vyřešit problémy s odpadem z jaderných elektráren. Urychlovačem vyráběné částice by „rozstřílely“ radioaktivní izotopy v použitém palivu na neaktivní a ještě přitom vyrobily energii.