C-48 pierwszy polski cyklotron

C-48 pierwszy polski cyklotron
Sześćdziesiąt lat temu, 28 grudnia 1956 r., uruchomiono pierwszy polski cyklotron - C-48. Z okazji tej rocznicy warto przypomnieć dzieje polskiej fizyki jądrowej i oddać cześć naukowcom, którzy w niezwykle trudnych warunkach powojennej Polski nie tracili zapału i wiary w spełnienie ambitnych marzeń.

"Cyklotrony, jak egipskie piramidy, mogą przejść do historii jako przykłady monumentalnego budownictwa bez zastosowań praktycznych" - te słowa wypowiedział Enrico Fermi. Dziś już wiemy, że jego wizja nie sprawdziła się - to jedna z niewielu pomyłek, jakie popełnił ten wybitny fizyk.

Latem 1951 r. na Uniwersytecie Chicagowskim Fermi cieszył się z uruchomionego kolejnego amerykańskiego cyklotronu tak jak dziecko z nowej, wymarzonej zabawki. W owym czasie ambicją każdego większego ośrodka naukowego było posiadanie takiego akceleratora. Udane konstrukcje służyły fizykom już na trzech kontynentach - w Ameryce, Europie i Azji. Powstawały one w zespołach wybitnych fizyków - laureatów na grody Nobla bądź przyszłych jej beneficjentów. W porównaniu z dotychczasowymi sposobami, cyklotrony pozwalały „wygodnie” badać rozszczepienie jąder atomowych, a ponadto dodatkowo wytwarzać nowe, nieistniejące w przyrodzie pierwiastki. Spełniło się tym samym marzenie średniowiecznych alchemików.

 

Cyklotron konspiracyjny

A jakie były początki fizyki jądrowej w Polsce? Kto tworzył jej podstawowe, wielkie narzędzia badawcze?

Niedługo przed II wojną światową, po powrocie do Warszawy ze stażu w słynnym ośrodku naukowym Pasadena w USA, wybitny fizyk, Andrzej Sołtan, planował budowę tej niezbędnej dla fizyków aparatury. Pierwszą próbę podjął w zupełnie niewymarzonych przez siebie okolicznościach. Będąc kierownikiem laboratorium badawczego Zakładów Philipsa, tajnie realizował to ambitne i niebezpieczne zamierzenie. W 1944 r. Niemcy, przed wysadzeniem zakładów, przeszukując likwidowane laboratorium, natknęli się na część rysunków i elementy cyklotronu. Wezwany profesor niemieckiej politechniki rozszyfrował prace polskiego fizyka.

Właśnie w latach 1942-1944 Niemcy z trudem budowali swój pierwszy cyklotron. Znając wagę tego wynalazku, wezwali naukowców z Berlina i pod ich kierunkiem zdemontowali, ponumerowali i spakowali poszczególne elementy budowanej w konspiracji polskiej aparatury. Tym bezprawnym i sprawdzonym już sposobem wywieźli do Wiednia bliski ukończenia cyklotron, a wraz z nim Andrzeja Sołtana. Wydarzenie to, jak setki podobnych, wpisało się tragicznie w dalszą historię polskiej fizyki, grzebiąc plany i marzenia naukowców na długie lata. Do tego doszły jeszcze zbrodnie na polskiej inteligencji i straszliwe zniszczenia aparatury naukowej jako konsekwencja okupacji.

A jednak pomimo takiego dramatycznego początku, polska fizyka jądrowa po wojnie rozwijała się konsekwentnie.

 

C-48, czyli pierwszy ukończony w Polsce model

W roku 1952 z inicjatywy prof. Henryka Niewodniczańskiego, przyszłego dyrektora Instytutu Fizyki Jądrowej w Krakowie, zapada decyzja o budowie pierwszego w Polsce cyklotronu. Prace rozpoczęto od pogłębienia piwnicy pod Collegium Witkowskiego przy ulicy Gołębiej 13. Po blisko trzyletniej budowie, pomimo braku dostępu do specjalistycznej literatury i ograniczeń w wyjazdach, zespół polskich młodych naukowców i techników wykonał z sukcesem gigantyczną pracę.

Jak działa cyklotron Protony wydostają się ze źródła jonów w środku szczeliny między duantami. Tu siła pochodząca od szybkozmiennego pola elektrycznego nadaje im pęd w kierunku środka duantów. Równocześnie stałe pole magnetyczne, prostopadłe do płaszczyzny komory przyspieszeń, utrzymuje protony na torze kołowo-spiralnym.Tak dobieramy okres zmian napięcia na duantach, aby był on równy okresowi obiegu protonów po okręgu zakreślanym przez działanie dośrodkowej siły magnetycznej. Wtedy protony za każdym przejściem przez szczelinę między duantami są przyspieszane we właściwym kierunku i odpowiednim czasie. Za każdym razem wzrost prędkości cząstek kompensuje zwiększenie drogi po coraz większym okręgu – czas obiegu jest tym samym niezależny od promienia. Po kilkuset takich cyklach protony osiągają granicę obszaru objętego polem magnetycznym i wydostają się przez otwór w jednym z duantów. Wtedy umieszczona blisko ich toru elektroda odchylająca kieruje wiązkę do okienka wyjściowego. W pierwszych małych cyklotronach, a do takich zaliczamy C-48, w myśl tej zasady protony osiągały energię kilku milionów elektronowoltów. We współczesnych dużych cyklotronach trzeba dodatkowo kształtować pole magnetyczne zakrzywiające tor cząstek. Robi się to po to, aby dla zachowania opisanego powyżej efektu synchronizmu czasowego kompensować relatywistyczne efekty przyrostu masy. W rezultacie można przyspieszyć cząstki do energii rzędu kilkuset milionów elektronowoltów. Te cyklotrony noszą nazwę izosynchronicznych.

28 grudnia 1956 r. późnym wieczorem, w piwnicznych pomieszczeniach Krakowa uzyskano upragnioną wiązkę przyspieszonych protonów.

Pierwszy polski cyklotron C-48 należał do kategorii cyklotronów małych.

Żelazne jarzmo o masie 4 ton w kształcie sporego prostopadłościanu i wymiarach 150 x 100 x 54 cm odlane zostało w Hucie Baildon, a obrobione w słynnych zakładach L. Zieleniewskiego w Krakowie.

Wewnątrz jego centralnej przestrzeni, mocowane masywnymi śrubami M32, mieściły się wykonane ze stali ARMCO dwa walcowatego kształtu nabiegunniki - dolny i górny. Ich średnica, od której pochodzi też oznaczenie cyklotronu, wynosiła dokładnie 48 cm. Na nich osadzono w wersji pierwotnej dwa chłodzone powietrzem uzwojenia elektromagnesów z taśmy miedzianej.

Pomiędzy nimi, w szczelinie o szerokości 10 cm, po prowadnicach, na mosiężnych rolkach wprowadzano „serce” cyklotronu – masywną miedzianą komorę przyspieszeń. Wewnątrz niej umieszczono kluczowe dla działania tego urządzenia elementy: dwa miedziane duanty, elektrodę odchylającą zwaną deflektorem, prostokątne okienko wyprowadzenia wiązki przyspieszanych cząstek z regulowaną przesłoną, duże izolacyjne przepusty doprowadzenia prądu wysokiej częstotliwości, okrągłe wizjery, przepusty pomiarowe – do diagnostyki pola w.cz. i stanu próżni.

Przez górną część jarzma, przez uszczelniony otwór w płycie komory przyspieszeń wprowadzano źródło jonów – łukowe, typu szczelinowego z wolframową katodą. Do kominkowej grafitowej elektrody-anody dopływał z zewnątrz jeden z trzech jonizowanych tu następnie gazów: wodór, deuter, hel.

Na okienku wyprowadzenia wiązki zamocowano dwumetrową rurę jonowodu z dwoma magnesami kwadrupolowymi do ogniskowania protonów oraz elektroniką sterującą.

Energię fali elektromagnetycznej dostarczano z końcowego trzeciego stopnia mocy generatora w.cz. pięciometrowym, potężnym falowodem o rurowym kształcie. Jego ruchoma przegroda umożliwiała strojenie fali EM w zakresie 10-20 MHz przy amplitudzie napięcia przyspieszającego 50 kV. Moc generatora dochodziła do 20 kW, moc zasilania magnesów to 25 kW. Cyklotron C-48 osiąga energię protonów do 3 MeV.

 

Lawrence i jego następcy

Na świecie istniało już w tym czasie kilkanaście urządzeń tego typu. W każdym zespole budującym pierwsze cyklotrony uczestniczyli wybitni fizycy, bardzo często późniejsi laureaci nagrody Nobla.

We Francji, w Paryżu, byli to Irena i Fryderyk Joliot. W Wielkiej Brytanii, w Liverpoolu - odkrywca neutronu James Chadwick. W Danii, w Kopenhadze – fizycy skupieni wokół Nielsa Bohra. W Japonii zespołem kierował Yoshio Nishina z Renkin Instytut Tokyo. W Związku Radzieckim, w Leningradzie, w Instytucie Radowym pracowali: twórca radzieckiej bomby atomowej Igor Kurczatow, a także Georgi Gamow i Vitalij Khlopin. W Niemczech, w Heilderbergu - Walter Bothe i Wolfgang Gentner. W Holandii, w Amsterdamie – Hendrik Casimir.

Rysunek z artykułu Rolfa Widero w "Archive Elektrotechnik" z 1929 r.; twórcza inspiracja dla Ernesta O. Lawrence’a.
Rysunek z artykułu Rolfa Widero w "Archive Elektrotechnik" z 1929 r.; twórcza inspiracja dla Ernesta
O. Lawrence’a.

Pierwszy na świecie, mały prototyp cyklotronu skonstruował Ernest Orlando Lawrence w 1930 r., po przeczytaniu i analizie artykułu norweskiego fizyka Rolfa Widero, zamieszczonego w niemieckim czasopiśmie "Archive Elektrotechnik" z 1929 r.

W mosiężnej komorze przyspieszeń o średnicy 4 cali uzyskał on energię przyspieszonych protonów ok. 80 keV. Fakt ten przekonał Lawrence’a do prawidłowości koncepcji i rok później następny cyklotron - większy, o 12-calowej komorze przyspieszeń - nadawał już cząstkom energię 1,2 MeV. Za wynalazek ten autor dostał w 1939 r. nagrodę Nobla. Ów wielki fizyk, współtwórca amerykańskiej bomby atomowej, całe życie budował cyklotrony - ostatni miał średnicę nabiegunników 184 cale i energia cząstek przekraczała 200 MeV.

Od czasu zbudowania w 1930 r. przez Lawrence’a pierwszego cyklotronu, wynalazek ten stał się jednym z trzech – obok generatora van de Graaffa i generatora kaskadowego Cocrofta-Waltona - podstawowych narzędzi badawczych w fizyce jądrowej. Lawrence zapoczątkował nim erę wielkich akceleratorów. Właśnie od cyklotronu akceleratory ewoluowały, systematycznie zwiększając energie przyspieszanych cząstek, aż po dzisiejszy, najpotężniejszy na świecie Large Hadron Collider z CERN, czyli Wielki Zderzacz Hadronów.

Cyklotron "noblowski", skonstruowany przez Ernesta O. Lawrence’a
Cyklotron "noblowski", skonstruowany przez Ernesta O. Lawrence’a i M. Stanleya Livingstona w 1931 r.

Dalsze losy polskiego C-48

W roku 1958 mały C-48 przeniesiono do budowanego od roku 1956 Instytutu Fizyki Jądrowej przy ulicy Radzikowskiego w Krakowie. W tej niezwykle zasłużonej dla polskiej nauki placówce cyklotron służył aż do roku 1992.

W roku 1992 C-48 został przeniesiony do Lublina, na teren Instytutu Fizyki Uniwersytetu im. Marii Skłodowskiej-Curie, gdzie po remoncie i modernizacji służył do celów dydaktycznych.

W roku 2014, po demontażu, C-48 powrócił do Krakowa, gdzie ma być umieszczony na terenie Akademii Górniczo-Hutniczej jako unikalny zabytek techniki.

Jak działa cyklotron Protony wydostają się ze źródła jonów w środku szczeliny między duantami. Tu siła pochodząca od szybkozmiennego pola elektrycznego nadaje im pęd w kierunku środka duantów. Równocześnie stałe pole magnetyczne, prostopadłe do płaszczyzny komory przyspieszeń, utrzymuje protony na torze kołowo-spiralnym.Tak dobieramy okres zmian napięcia na duantach, aby był on równy okresowi obiegu protonów po okręgu zakreślanym przez działanie dośrodkowej siły magnetycznej. Wtedy protony za każdym przejściem przez szczelinę między duantami są przyspieszane we właściwym kierunku i odpowiednim czasie. Za każdym razem wzrost prędkości cząstek kompensuje zwiększenie drogi po coraz większym okręgu - czas obiegu jest tym samym niezależny od promienia. Po kilkuset takich cyklach protony osiągają granicę obszaru objętego polem magnetycznym i wydostają się przez otwór w jednym z duantów. Wtedy umieszczona blisko ich toru elektroda odchylająca kieruje wiązkę do okienka wyjściowego. W pierwszych małych cyklotronach, a do takich zaliczamy C-48, w myśl tej zasady protony osiągały energię kilku milionów elektronowoltów. We współczesnych dużych cyklotronach trzeba dodatkowo kształtować pole magnetyczne zakrzywiające tor cząstek. Robi się to po to, aby dla zachowania opisanego powyżej efektu synchronizmu czasowego kompensować relatywistyczne efekty przyrostu masy. W rezultacie można przyspieszyć cząstki do energii rzędu kilkuset milionów elektronowoltów. Te cyklotrony noszą nazwę izosynchronicznych.