Циклотрон У-120

Навесні 2 квітня 1956 р. в Інституті фізики АН УРСР після кількох років будівництва і монтажу було підписано акт уведення в експлуатацію циклотрона Р-7, одного із серійних радянських прискорювачів, розробленого й виготовленого в НДІЕФА ім. Д. В. Єфремова (Ленінград). Виведений пучок прискорених протонів уперше було отримано 21 липня 1956 р., а з 5 травня 1957 р. розпочалися перші наукові дослідження. Свою другу назву – У-120 – циклотрон отримав тому, що діаметр полюса основного магніту, який визначає розмір кінцевих орбіт прискорених частинок, дорівнює 120 см. У-120 є циклотроном класичного типу і призначений прискорювати пучки протонів, дейтронів та альфа-частинок з енергіями 6,8, 13,6 і 27,2 МеВ та деякі важкі іони (бор, вуглець і азот) до енергій 1 МеВ/нуклон. Максимальний струм виведеного пучка 50 мкА, монохроматичність ~ 10-3.
З 1970 р. У-120 перейшов у підпорядкування новоствореного Інституту ядерних досліджень АН УРСР.
Уведення в дію циклотрона У-120 значно розширило можливості проведення фундаментальних і прикладних досліджень у різних галузях ядерної фізики. Експериментальні роботи на циклотроні виконувались на високому науковому рівні й охоплювали широке коло актуальних проблем сучасної фізики.

Циклотрон У-120

На циклотроні було розроблено та впроваджено оригінальні експериментальні методики, зокрема: новий метод ідентифікації та спектрометрії заряджених частинок, який дав змогу проводити вимірювання в широкому діапазоні енергій; кореляційну методику вимірювань диференціальних перерізів тричастинкових реакцій, за допомогою якої вперше у світі в кінематично повних експериментах досліджено процес розщеплення дейтронів; методику вимірювань повних перерізів взаємодії заряджених частинок з ядрами; запропоновано і вперше впроваджено новий метод вимірювання g-факторів збуджених станів ядер на імпульсних пучках прискорювача; методику досліджень поляризаційних процесів та першу в СРСР мішень поляризованих ядер гелію-3; методику ідентифікації нейтронів за часом прольоту, яку застосовано для визначення довжини нейтрон-нейтронного розсіяння, а також ряд методик для досліджень структури збуджених станів атомних ядер.
Завдяки творчій співпраці фізиків з екіпажем циклотрона було виконано великий обсяг наукових досліджень й отримано ряд унікальних результатів, неповний перелік яких наведено нижче.
Перші важливі результати отримано при дослідженні «ізотонічного ефекту» в пружному розсіянні протонів на парно-парних і парно-непарних ядрах.
Один з найяскравіших результатів отримано при дослідженні процесу розщеплення дейтронів ядрами з різним масовим числом. У кінематично повних експериментах було встановлено, що диференціальні перерізи розщеплення дейтронів немонотонно змінюються зі зміною масового числа ядер і максимальні для магічних ядер. Це явище знайшло підтвердження в експериментах, виконаних у зарубіжних лабораторіях, і у світовій науковій літературі отримало назву «ефект Німця».
В експериментах, в яких вимірювалися повні перерізи реакцій, також виявлено ізотопно-ізотонний ефект, що полягає в різній залежності цих перерізів для реакцій на ізотопах та ізотонах від числа нейтронів і протонів в ядрах.
На циклотроні було виконано також комплекс досліджень ядерних процесів, що відбуваються при взаємодії альфа-частинок з легкими та середніми ядрами.
Уперше для пояснення процесів взаємодії складних частинок з ядрами успішно застосовано оптичну модель та метод деформованих хвиль.
У результаті виконаних уперше у світі вимірювань на пучку прискорювача g-факторів збуджених ядерних станів для високоспінових двоквазічастинкових станів було виявлено ефект аномалії орбітального магнетизму нуклонів в ядрі в порівнянні з вільними нуклонами.
В експериментах із повним визначенням кінематики три- та чотиричастинкових реакцій досліджено закономірності процесів утворення та розпаду резонансних станів легких ядер, зокрема виявлено вплив кулонівського поля супутніх частинок на розпад короткоживучих ядерних станів. Отримані експериментальні дані стимулювали розвиток теорії багаточастинкових ядерних реакцій.
Значний обсяг експериментальних робіт виконано з метою детального вивчення поляризаційних явищ. У результаті систематичних досліджень поляризації пружно розсіяних дейтронів та реакцій (d, p) виявлено можливість розділення векторної та тензорної компонент поляризації, уперше вдалося визначити всі спін-тензори, що описують поляризацію при пружному розсіянні дейтронів, установлено закономірності зміни кутових залежностей векторної аналізуючої здатності при розсіянні дейтронів ядрами з різним масовим числом.
Вагомі результати отримано в ядерно-спектроскопічних дослідженнях, що виконувалися за допомогою пучків заряджених частинок циклотрона. У цих експериментах визначено квантові характеристики енергетичних станів багатьох ядер, виявлено нові ядерні стани, які раніше не спостерігалися.
На циклотроні У-120 значна увага приділялась також вирішенню задач науково-прикладного характеру, впровадженню їх у промисловість, сільське господарство, медицину. Зокрема, виконувалися дослідження радіаційного впливу та модифікації властивостей матеріалів, зумовлених опроміненням; вимірювання кількості вуглецю та азоту в зерні злаків методом ядерних реакцій з метою визначення вмісту білка в зернах злаків для селекції високобілкових сортів з найбільшим його вмістом; медико-біологічні дослідження та нейтронна терапія онкологічних хворих на створеному пучку нейтронів тощо.
За останні роки на прискорювачі модернізовано методику багатопараметричних кореляційних вимірювань перерізів багаточастинкових реакцій та методику вимірювань магнітних моментів ядер. За допомогою цих методик досліджено розподіл гілок розпаду біляпорогового короткоживучого резонансу ядра 7Li, що збуджується при непружному розсіянні альфа-частинок; уточнено будову низькоенергетичного спектра збуджень ядер 5-6Не; досліджено структуру та визначено магнітні моменти високоспінових ізомерів ядер 190,192,194Pt та 196,198Hg. Результати досліджень, виконаних упродовж 50 років на циклотроні У‑120, стали вагомим внеском у розвиток ядерної фізики в Україні, отримали визнання вітчизняної та міжнародної наукової спільноти. Найвагоміші результати відзначено державними та урядовими преміями й нагородами. На цьому прискорювачі пройшли школу професійного зростання провідні українські фізики-ядерники, серед яких більше 20 докторів та 40 кандидатів наук.