Co to je mikrotron a k čemu se hodí aneb vzpomínka na nestora české jaderné fyziky Čestmíra Šimáně

 

Vladimír Wagner

 

Ve čtvrtek 2. srpna proběhlo poslední rozloučení s panem profesorem Čestmírem Šimáně, na kterém bylo možno vidět velký počet českých jaderných fyziků a chemiků. Není divu, pan profesora lze bezesporu označit za jednoho z otců experimentálního jaderného výzkumu v tehdejším Československu. Během svého 93 let dlouhého života se velmi významně podílel na vzniku jak jaderných výzkumných ústavů, tak vysokého školství v tomto oboru u nás a stál i u zrodu jaderné energetiky. Já už jsem zažil pana profesora jako starého pána, jehož přednášky však byly stále excelentní a jeho vyprávění z historie jaderné fyziky byla okouzlující.

 

 

Pan profesor Šimáně, tak jak jsem jej viděl naposledy koncem května 2012 (Dny SÚJV Dubna v České republice).

 

Naposledy jsem jej měl možnost vidět koncem května tohoto roku, kdy jsem měl přednášku o našich výzkumech studujících produkci neutronů v tříštivých reakcích a jejich možném využití pro transmutace jaderného odpadu. Ty provádíme s využitím urychlovačů ve Spojeném ústavu jaderných výzkumů (SÚJV) v Dubně (Rusko). A právě v rámci Dne SÚJV Dubna v České republice se uskutečnilo i několik přednášek, které ukazovaly možnosti pro výzkum, výchovu studentů i uplatnění výrobků českých firem pro stavbu vědeckých zařízení v tomto ústavu. A tak si asi do konce svého učitelského života nejspíše nedokážu odpustit studentům zmínit při povídání o urychlovačích, že moje přednáška byla jedna z posledních odborných, kterou měl tento velikán československé jaderné fyziky možnost vyslechnout.

Proč při urychlovačích? Tato zařízení, která dnes umožňují urychlovat částice i na opravdu extrémní energie, provázely život pana profesora neustále. Mezi jeden z nejzajímavějších a ten, u kterého se pohyboval až do posledních let svého života, je mikrotron. Vzpomínání a podrobnější povídání o panu profesorovi bych nechal starším kolegům, kteří jej znali velice osobně a dlouho, a také spolupracovníkům z mikrotronové laboratoře našeho ústavu, která je v Praze pod Vítkovem. Už se na jejich texty těším. Já jsem si pro čtenáře Osla připravil po stručné informaci o životě pana profesora Šimáně také povídání o jednom z kouzelných zařízení na urychlování elektronů – urychlovači mikrotronu.   

 

 

Tak to není mikrotron, ale cyklotron na urychlování protonů a lehkých iontů. Poznáte, který z mladých mužů je pan profesor Šimáně?

 

Životní dráha pana profesora Šimáně

 

Pan profesor Čestmír Šimáně se narodil 9. května 1919 v Opavě. Po válečné přestávce, kdy byly vysoké školy fašisty zavřeny, absolvoval Vysokou školu technickou Dr. Edvarda Beneše v Brně v oboru slaboproudé elektrotechniky. Paralelně studoval na Přírodovědecké fakultě Masarykovy university v Brně obor fyzika a matematika. Později tam byl asistentem Ústavu experimentální fyziky. V letech 1947 až 1949 absolvoval dva studijní pobyty ve Francii u profesora Frédéric Joilot-Curie.

V roce 1948 nastoupil v Ústavu pro atomovou fyziku jako jeho první zaměstnanec. Ústav byl založen Českou akademií věd a umění a vedl jej profesor Petržílka.  Profesor Šimáně vybudoval pracoviště v Hostivaři vybavené elektrostatickým urychlovačem protonů a deuteronů. V roce 1953 byl jmenován ředitelem tohoto ústavu, který přešel pod nově založenou Československou akademii věd jako laboratoř jaderné fyziky.

 

 

Pan profesor u svého milovaného mikrotronu v tunelu pod Vítkovem

 

V roce 1955 byl jmenován prvním ředitelem nově založeného a budovaného Ústavu jaderné fyziky (ÚJF), který byl od roku 1956 pod ČSAV, v Řeži. To je i ústav, ve kterém pracuji. Na jeho koncepci, projektu, výstavbě a odborném vědeckém programu se jako člen Vládního výboru  významně podílel. Řadu let pracoval v Mezinárodní agentuře pro atomovou energii ve Vídni. Po návratu do Prahy byl jmenován profesorem užité a jaderné fyziky na Fakultě technické a jaderné fyziky (později Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská) Českého vysokého učení technického v Praze, kde vedl katedru jaderných reaktorů. Od roku 1967 do 1972 byl děkanem této fakulty.  Inicioval a podílel se na vybudování mikrotronové laboratoře, laboratoře neutronové difraktografie a projektu nulového reaktoru na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT. Intenzivně spolupracoval se zmiňovaným SÚJV v Dubně a podílel se na organizaci dodávky cyklotronu postaveného v této instituci pro můj mateřský Ústav jaderné fyziky.

Napsal knihy věnované urychlovačům iontů a elektronů, využití jaderné energie a velký počet odborných publikací v časopisech z oblastí  elektrotechniky a elektroniky, jaderné fyziky, neutroniky, fyziky stínění, reaktorové fyziky, aplikací jaderných metod a jaderné přístrojové techniky. Účastnil se řady významných mezinárodních jednání a podpisu smluv, které určovaly průběh bouřlivého jaderného věku. A hlavně také intenzivně přednášel a učil. Vychoval celou řadu jaderných fyziků a inženýrů, kteří na něj z láskou a vděčností vzpomínají.

 

 

Setkání dvou urychlovačových expertů. Pan profesor ukazuje svůj nový tablet

 vedoucímu oddělení urychlovačů  našeho ústavu Janu Štursovi.

 

I když v roce 1984 odešel do důchodu, zůstal věrný práci na mikrotronu v tunelu pod Vítkovem, který v té době spadal pod Fakultu jadernou a fyzikálně ČVUT. A když se toto zařízení převedlo do Ústavu jaderné fyziky AVČR, vrátil se do lůna organizace, kterou založil a byl jejím prvním ředitelem. Až téměř do posledních dní jeho 93 let dlouhého života mu bylo dopřáno se činorodě podílet na činnosti české komunity jaderných fyziků. Těsně před smrtí dokončil poslední článek a ještě dva rozepsané snad za něho dokončí kolegové, se kterými na nich pracoval. Až do konce zůstával svojí vitalitou, optimismem a nadšením výzvou i inspirací i pro kolegy o mnoho generací mladší.

 

 

Ještě jedna fotografie pana profesora a jeho mikrotronu.

 

Jak funguje a k čemu je mikrotron

 

A teď k oblíbenci pana profesora. Mikrotron je zařízení, které je kouzelným typem urychlovače elektronů. Velice originálním způsobem řeší problém, na který narazí všechny urychlovače, které urychlují částice na rychlosti blízké rychlostem světla. To, jak vypadají a fungují urychlovače, se na Oslovi psalo v článku o LHC. Urychlovat lze pouze nabitou částici, ale tou elektron je. Je výhodné, aby urychlování neprobíhalo jen jednou. Urychlovanou částici lze magnetickým polem donutit obíhat po kruhové dráze s postupně narůstajícím poloměrem. To platí u cyklotronu i u mikrotoronu. Urychlování probíhá pomocí vysokofrekvenčího elektrického pole. Pokud zůstává hmotnost částice stejná, tak i perioda spolu s frekvencí jejího obíhání v urychlovači zůstává stejná. A frekvence vysokofrekvenčního pole vyladěného na urychlování může zůstávat konstantní. U relativistických částic s rychlostí blízkou rychlosti světla se způsobem popsaným speciální teorií relativity zvětšuje hmotnost. V tomto případě je nutné frekvenci pole spojitě zmenšovat a to už nemusí být jednoduché. Elektrony jsou nejlehčími nabitými částicemi a jsou více než osmnáctsetkrát lehčí než protony.  Jejich klidová energie je 0,511 MeV. Relativistickými se tak stanou velice snadno a rychle. A pouze u nich se dá využít speciální finty, jak obejít prodlužování periody jejich oběhu. Stačí, když jim při každém jednotlivém urychlení dodáme energii přesně rovnou celočíselnému násobku klidové energie. Pak bude i perioda jejich oběhu celočíselným násobkem velikosti původní periody a elektron přiletí do vysokovrekvenčního urychlovacího pole ve správnou dobu. Takový způsob urychlování je možný jen u velmi lehkých částic, protože u těžších se na jedno urychlení nedá předat dostatečně velká energie. Proto může mikrotron urychlovat pouze elektrony, případně by mohl ještě pozitrony.

Velikost energie, na kterou mikrotron urychluje, není příliš vysoká, takže pro základní výzkum v oblasti jaderné fyziky už se příliš použít nedá. Je však velice dobrým nástrojem pro využití jaderných metod v základním výzkumu i aplikacích v jiných vědních oborech. Nebo také pro testování a kalibrace přístrojů využívaných v základním jaderném a částicovém výzkumu. V tomto případě se nejčastěji využívá jak zdroj fotonů záření gama. Svazek urychlených elektronů se navede do radiátoru, kde se pak produkuje gama záření, které se pak využívá.

Pan profesor mikrotronovou laboratoř vytvořil a dlouhá léta se její práce účastnil. Její možnosti se rozvíjejí i dnes, třeba vylepšováním její automatizace nebo zavedením potrubní pošty, která zrychluje cestu ozářených vzorků k měřícím detektorům a umožní měřit i velmi krátkodobé radioaktivní prvky. Je tak asi jasné, že až budu příště studentům přednášet o urychlovačích a žádat je, aby mi odvodili a spočítali, jaké jsou podmínky pro fungování mikrotronu, tak si vždy na pana profesora Šimáně vzpomenu

 

 

Před  měsícem obhajoval svou PhD práci Pavel Krist, kterému jednoho z oponentů dělal právě pan profesor Šimáně. Fotka z posezení po obhajobě.

 

V současné době je mikrotron ideální nástroj pro jaderně analytické metody. Některé z těchto metod jsou popsány v přehledu výzkumů, kterými se zabývá náš ústav. Jedná se o prostředek, který umožňuje určit i velmi malé obsahy prvků v materiálech. Spolu s jinými typy urychlovačů a reaktorem se dají různými typy částic (protony, lehkými i těžkými ionty, neutrony i fotony) ozařovat  různé materiály. V jaderných reakcích vznikají radioaktivní jádra, která se rozpadají a během rozpadů vyzařují i charakteristické záření gama, které je umožňuje identifikovat. Přeměněných jader je relativně jen velmi málo a tak je obrovskou výhodou oproti chemickým metodám, že  měřený vzorek není poškozen. To je důležité například pro archeologii a studium vzácných materiálů, jako jsou meteority či měsíční horniny (o tom se na Oslovi psalo zde, zde a zde).

Pro řadu prvků a případů jsou jaderné metody navíc i mnohem citlivější než chemické. Velice důležité je i to, že kromě prvkové analýzy lze určit i izotopové složení. Rozlišit různé izotopy stejného prvku chemické analýzy neumožňují. Díky tomu, že v našem ústavu můžeme využívat cyklotron i elektrostatický urychlovač tandetron pro urychlování protonů a lehkých i těžších iontů, mikrotron pro produkci vysokoenergetických fotonů gama a reaktor, který patří vedlejšímu ústavu, pro produkci neutronů, může se s využitím širokého vějíře různých jaderných reakcí určovat i velmi stopové obsahy obrovského množství prvků a izotopů. Jedním z posledních výzkumů, který se na řadě zařízení ústavu prováděl, byla komplexní analýza vousů a vlasů Tycha Braha. Výsledky budou moci být vyhlášeny až společně se všemi světovými laboratořemi, které se na zkoumání ostatků tohoto významného astronoma podíleli. Společný seminář by se měl konat již brzy.

 

 

Pan profesor s kolegyní Ivanou Krausovou, která studuje koncentrace dusíku ve sladovnickém ječmeni, červenec tohoto roku

 

Mikrotron se podílí na analýze různých materiálů (třeba pro výrobu kloubních náhrad) a vzorků. Pokud mám pro příklad vybrat alespoň jeden z posledních výzkumů, které se provádějí přímo v mikrotronové laboratoři, zmíním se o něčem, co je blízké snad každému z Čechů. Naše země je pivovarnickou velmocí a kvalita piva je dána i kvalitou sladu a tedy i pivovarnického ječmene. A právě v této oblasti moji kolegové spolu s kolegy z VŠCHT zkoumají obsah dusíku v různých druzích pivovarnického ječmene a jeho dopad na kvalitu piva. Také však studují, jak je obsah dusíku závislý na podmínkách, ve kterých se ječmen pěstuje. Jak jsem zmiňoval, tak ozáření a provedení aktivační analýzy nepoškozuje zkoumaný vzorek a neovlivní v tomto případě ani zkoumané obilí. Lze pak testovat i vliv obsahu dusíku na jeho klíčivost. V daném případě mikrotron produkuje už zmíněné fotony, které vyrážejí z jader dusíku neutrony a vzniklé radioaktivní jádro dusíku 13 s poločasem rozpadu necelých deset minut lze identifikovat díky tomu, že jde o beta rozpad s vyzářením pozitronu. Je to jedna z důležitých metod, která umožňuje sledovat kvalitu ječmene i piva a odhalí i případné pančování nekvalitními levnějšími surovinami nebo jiná provinění proti technologické kázni.

Když budete pít svého správně hořkého Radegasta nebo jiný váš oblíbený druh, vzpomeňte si, že jeho kvalitu pomáhá hlídat i vylepšovat také mikrotron pana profesora. A i za toto si pan profesor zaslouží naši úctu a poděkování.

 

Na závěr bych chtěl moc poděkovat členům Mikrotronové laboratoře našeho ústavu, hlavně Davidovi Chvátilovi, Pavlovi Kristovi a Ivaně Krausové, za fotografie i cenné rady a diskuze. Moc se těším na vzpomínky jejich i dalších kolegů, které se určitě objeví nejen ve fyzikálních časopisech.

 

 

Poznávání v jaderné fyzice i využívání jaderných metod v jiných oborech  jde dál, pracovníci mikrotronové laboratoře s profesorem Strojní fakulty ČVUT Jiřím Bilou (vpravo) u mikrotronu.

 

V Řeži 3. 8. 2012


Zpet