Sledování záření X buzeného protony (PIXE) v Ústavu pro atomovou fysiku ČAVU v roce 1952 Simáně Čestmír Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT, Praha
Předsedou odborné skupiny radioanalytických metod, Jng. Miloslavem Vobeckým CSc., jsem byl vyzván, abych na semináři Radioanalytické metody - IAA '03, konaném 25. června t.r., vzpomenul prací, týkajících se rentgenového záření buzeného protony, které byly provedeny v Československu na kaskádním urychlovači 1 Me V Ústavu pro atomovou fysiku ČA VU (později Laboratoř pro nukleární fysiku ČSA V) v jeho hostivařské laboratoři v letech 1952 a dalších. Účastníci semináře mně prominuli, že jsem úvodem využil této příležitosti ke krátké vzpomínce na počátky rozvoje jaderné fyziky po druhé světově válce v rámci České akademie věd a umění (ČA VU), spjaté s některými význačnými osobnostmi naší vědy, tak jak to činím i v tomto příspěvku.
Krátce po válce, v roce 1946, byl při ČAVU v Praze ustaven Přípravný výbor pro atomovou fyziku pod předsednictvím profesora V. Trkala z University Karlovy, generálního tajemníka ČAVU, jehož členy byli z této university dále profesor A. Žáček a V. Petržilka (později profesor), dále profesoři J. Řezníček a J. Pulkrábek z Českého vysokého učení technického v Praze a představitelé některých tehdejších ministerstev, mezi nimiž ale na příklad chybělo ministerstvo zdravotnictví, které chtělo jít v jaderných oborech vlastní cestou. Cílem tohoto výboru bylo založit a podpořit širší výzkum v jaderné fyzice, a to jak základní, tak i aplikovaný, v konečné fázi zaměřený také na využívání radioizotopů a jaderné energie. Svědčí o tom dochovaný text memoranda, pod nímž jsou podepsáni V. Trkal, A. Žáček, J. Řezníček a V. Petržilka, které bylo inspirováno stavem jaderných oborů ve světě, za kterým Československo silně zaostávalo v důsledku umrtvení české vědy za války fašistickým Německem. Jenom poslední z uvedených autorů memoranda však měl jako jediný praktické zkušenosti v jaderné fyzice z předválečného pobytu v Cambridgi v Rutherfordově laboratoři, kde se účastnil prací Currana a Dee1 na studiu spekter okamžitého záření gama ze záchytu protonů na některých lehkých jádrech. Tyto práce měly průkopnický charakter, protože v nich bylo použito originálního způsobu stanovení energií gama. Když se pak v Přípravném výboru jednalo o první vybavení Ústavu pro atomovou fyziku, který byl při něm založen, byl V. Petržilkou navržen k zakoupení kaskádní generátor Cockcroft-Walton s urychlovací trubicí od švýcarské firmy Haefely, tedy urychlovač téhož typu, na němž pracoval v Cavendishově laboratoři v Cambridgi. O zakoupení většího urychlovače nebylo možno uvažovat, protože Přípravný výbor měl celkově k dispozici jen 10 milionů poválečných korun, které převedl na konto ČAVU tehdejší ministr financí J. Dolanský. K výstavbě laboratoře ústavu došlo v roce 1949 v Hostivaři ve filmových atelierech v budově bývalého Fragnerova parního mlýna, jehož část byla na příkaz náměstka předsedy vlády V. Kopeckého, pod něhož filmový průmysl spadal, předána do užívání Akademii za roční symbolický poplatek 10 Kč. Vedením ústavu byl Přípravným výborem pověřen V. Petržilka, plný energie a skutečný spiritus movens všeho, co se týkalo poválečného rozvoje jaderné fyziky. Do služeb ČAVU jsem nastoupil roku 1948 jako první zaměstnanec Ústavu pro atomovou fyziku po svém návratu z jednoroční stáže na College de France v Paříži u profesora Joliota Curie v Laboratoři jaderné chemie. Ve Francii jsem byl na stipendium ČAVU, které jsem získal v roce 1947, jako jeden ze dvou stipendistů, kteří byli vysláni do zahraničí k získání zkušeností. Druhým stipendistou, který po návratu ze Švédska zůstal na přírodovědecké fakultě UK, byl J. Beneš, pozdější profesor Fakulty technické a jaderné fyziky .V Paříži byla se
5
mnou po nějakou dobu také má manželka, která v Laboratoři jaderné chemie profesora Joliota získala praxi v radiochemii a stala se později dalším zaměstnancem ústavu. Než bylo hostivařské pracoviště ve stavu, kdy se v něm dalo pracovat, sídlili všichni pracovníci ústavu v prostorách Fyzikálního ústavu profesora Petržilky v ulici Ke Karlovu 5. Tam také paralelně se skupinou pro Hostivař vznikala jeho skupina kosmického záření, do které byli postupně přijati J. Pernegr, L. Tomášková, J. Tuček, P. Chaloupka a další. Se stavebními úpravami potřebnými k instalaci urychlovače a se zařizováním laboratoří v Hostivaři bylo započato v roce 1950. Zpočátku se jednalo jen o halu v zadní části mlýna, která měla potřebné rozměry a dostatečně nosnou podlahu pod těžký urychlovač. Navíc se pod ní nacházely prostory, v nichž bylo možné vybudovat laboratoř pro experimenty na terčíku a proti záření dostatečně odstíněnou místnost s ovládacím pultem a strojovnou. Dále bylo pro laboratoř uvolněno několik místností v přédní části mlýna, kde také byla zařízena radiochemická laboratoř a mechanická dílna. Stavební úpravy objektu projektoval a dozor nad stavbou měl stavitel Pospíšil ze Spořilova. Adaptace byly prováděny za vydatné pomoci pracovníků hostivařských filmových atelierů, jejichž tehdejší vedoucí J. Ouzký projevoval pro stavbu laboratoře neobyčejné pochopení. Po úpravě haly jsem urychlovač s pomocí mechanika Klase předběžně smontoval s využitím svých zkušeností z montáže a provozu téhož typu urychlovače v Laboratoři jaderných synthes v předměstí Paříže Ivry. Konečná montáž a jeho spouštění probíhalo již za přítomnosti inženýra Webera a jeho mechanika od firmy Haefely. Při přejímce urychlovače Přípravným výborem bylo na něm dosaženo napětí 800 kV a protonového proudu asi 500 mikroamper (později bylo zjištěno, že na tak vysokém proudu se značnou měrou podílel zpětný elektronový proud a skutečný proud protonů byl podstatně menší). Na celé výstavbě a úpravách hostivařské laboratoře se tenkráte velkou měrou účastnili manuálními pracemi posluchači a aspiranti Fyzikálního ústavu přírodovědecké fakulty a také J. Beneš a profesor Petržilka, kteří sami přiložili ruku i k zednickým pracím. Jen tak bylo možno za všeobecného nedostatku pracovních sil a finančních prostředků zvládnout zavčas všechny práce potřebné k uvedení laboratoře do života. Na vloženém obrázku je fotografie tohoto urychlovače asi z poloviny padesátých let. V popředí je urychlovací trubice, za ní kaskádní generátor vysokého napětí. Originální rtuťové ventily firmy Philips, které byly značně poruchové, byly již v době pořízení snímku nahrazeny vakuovými usměrňovači československé výroby firmy Vinopal Modřany, tenkráte již Chirany vedené Ing. Vinopalem. Urychlovač byl vybaven magnetickým separátorem atomárních a molekulárních iontů. Protony i deuterony mohly být urychlovány až do nominální energie 1 MeV, stabilně jsme však dosahovali na jeho vysokonapěťové elektrodě jen asi 800 kV. K reakcím docházelo v reakční komoře, doplněné později měničem ozařovaných terčů. Na těchto pracích se začal s velkým
6
entusiasmem podílet jako vědecký aspirant J. Urbanec, žák profesora Petržilky, který již dříve postavil v jeho ústavu na přírodovědecké fakultě na půdě malý Van de Graaffův generátor vysokého napětí. Společně s námi byl pak vyvinut integrátor iontového proudu a zavedena automatická kontrola vysokého napětí urychlovače, takže bylo možno započít s experimenty. První z nich byly zaměřeny na opakování některých pokusů z interakce protonů s lehkými jádry, tedy na opakování experimentů, které před válkou prováděl v Anglii profesor Petržilka. Domnívali jsme se, že metoda měření záchytového záření gama by mohla také sloužit jako analytická, na příklad ke stanovení obsahu uhlíku v železe. Nastavili jsme Geiger-Můllerův (GM) počítač k tenkému výstupnímu oknu reakční komory, v níž na chlazené podložce byl umístěn vzorek oceli. Ke svému překvapení jsme registrovali nečekaně velké množství fotonů, které však bylo možno již poměrně slabou vrstvou olověného absorbátoru odfiltrovat. Bylo zřejmé, že terč je velmi vydatným zdrojem záření podstatně měkčího než to, které odpovídá fotonům gama z jaderné reakce s uhlíkem. Zachytili jsme je více méně jen díky té okolnosti, že okno reakční komůrky i stěny GM počítače byly dostatečně tenké. Nutno dodat, že snah o stanovení uhlíku jsme se později vzdali, protože vakuum v urychlovací trubici, čerpané olejovou difusní vývěvou, nebylo čisté a obsahovalo olejové páry. Urychlované protony je rozkládaly a vzniklé produkty obsahující uhlík se usazovaly na terči. Paprsky gama z uhlíku v této povrchové nečistotě obsaženého nešly přirozeně od záření gama z uhlíku v železe oddělit. Obsah olejových par v urychlovací trubici nebylo možné tehdy dostupnou vakuovou technikou snížit. Intensivní měkké záření gama, které z terčíku vycházelo, mně nedalo pokoje a více méně náhodou jsem tenkrát narazil na práci W. Henneberga z roku 1933 a brzy na to i na další, které se týkaly záření X buzeného těžkými ionty, především částicemi alfa. O tomto záření buzeném částicemi alfa psal Chadwick již v roce 19132. O možnosti buzení rentgenového záření protony uvažoval v roce 1926 Gerthsen3 a spolu s Reussem realizoval v roce 1933 první experimenty4. Henneberg5 odvodil v roce 1933 vBornově aproximaci teoretické vztahy pro závislost intensity tohoto záření na energii protonů a na atomovém čísle prvku ostřelovaného protony. Jeho vztahy byly prakticky potvrzeny prací Livingstona a dalších v roce 19376, v níž však byla spektra záření X měřena absorpční metodou. Intensita záření pozorovaná v našich experimentech dávala naději na změření spekter a potvrzení Hennebergových teoretických vztahů metodami rentgenovské spektrometrie. Uspořádání na kaskádním generátoru umožňovalo uvažovat o Braggově metodě difrakce na monokrystalu, pokud by se k detekci spektrálních čar použilo nikoliv fotografické emulse, ale GM počítače. K tomu účelu byl námi sestrojen jednoduchý spektrometr (obr.l), s dostatečně přesnou justací na svazku a ručním nastavováním úhlu dopadu fotonů na monokrystal NaCl se současným natáčením ramene s GM počítačem o dvojnásobný úhel pomocí mechanického převodu. S tímto zařízením se nám podařilo naměřit linii Kq mědi a tento výsledek byl zaslán v roce 1952 do Československého časopisu pro fysiku 7 , v němž byl v roce 1953 publikován. Později byly naměřeny linky Ka záření buzeného protony na železe, kobaltu, niklu, mědi a zinku (obr.2), tedy na pěti v periodické soustavě po sobě jdoucích prvcích, jejich relativní intensity a závislosti na energii protonů, což umožnilo srovnání s Hennebergovými teoretickými výpočty a jejich potvrzení. Výsledky práce byly zaslány ke zveřejnění v květnu 1954 do Czechoslovak Journal of Physics (v ruštině)8.
7
Obr. 1 Spektrometr záření X, I.e.7,1
Obr. 2 Linky záření X železa, kobaltu, niklu, mědi a zinku8
V závěru této práce bylo konstatováno, že z praktického hlediska by mohlo záření X buzené protony sloužit jako značně intensivní zdroj záření X s čárovým spektrem bez doprovodu brzdného spektra obvyklého při buzení záření X elektrony. Z dnešního pohledu jde snad o první pokus o spektrální rozbor záření X buzeného protony difrakční metodou s použitím GM počítače místo fotografické emulse. Pokus získat difrakční obraz na fotografické emulsi nevyšel, protože intensita záření přece jen nebyla postačující. Toto s sebou neslo řadu
8
komplikací, mezi jinými i nutnost korekce na silnou spektrální závislost citlivosti použitého GM počítače vlastní výroby, jehož tenká 0,1 mm tlustá duraluminiová válcová katoda měla zlacený povrch na stříbrném podkladu a fotoefekt proto v měřené spektrální oblasti silně závisel na energii. V daném uspořádání bylo možno identifikovat prvek pokud ho bylo dostatečné množství, avšak pro stanovení stopových množství byla tehdejší detekční technika málo citlivá a v použitém uspořádání i s malým rozlišením. Prostě tyto experimenty byly provedeny předčasně, v době, kdy detekční technika s dostatečnou rozlišovací schopností a detekční účinností, ještě nebyla na světě. V šedesátých letech, kdy polovodičové detektory vnesly nový život do spektrální analýzy rentgenového záření, jsme se již k našim prvním experimentům z padesátých let nevrátili pro zájem o jiné oblasti jaderné fyziky, a tak metoda PIXE, které jsme byli na stopě, nám prakticky utekla. K jejímu uplatnění u nás na základě informací z ciziny došlo až daleko později, novou generací fyziků. Našeho měření spekter si všimli, pokud vím, jen v Sovětském svazu. Snad také proto, že byla publikována v časopise, který byl v oné době v západním světě méně sledován a navíc práce byla napsána v ruštině, tedy jazykem nedostatečně ovládaným západními odborníky. Tak zůstala naše práce jen lokální episodou, svědčící spíše o potížích začátků práce u nás v oblasti fyziky, v které svět byl již mnohem dál. Pro mne však je vzpomínkou na jedno velmi šťastné tvůrčí období života v hostivařské laboratoři, kdy vědecká činnost nebyla ještě zaměstnáním, ale spíše osobním potěšením, na hostivařský kolektiv, v kterém vyrostli první odborníci v jaderných oblastech, z nichž se pak v roce 1955 rekrutoval základní kádr pracovníků Ústavu jaderné fyziky v Řeži.
1. Curran S. C., Dee P. I., Petržilka V., Proč. Roy. Soc., 169 (1938) 269 2.
Chadwick J., Phil. Mag., 25 (1912) 193
3. Gerthsen Ch., Z. Phys., 36 (1926) 540 4.
Gerthsen Ch., Reusse W., Phys. Z., 34 (1933) 478
5. Henneberg W., Z. Phys., 86 (1933) 592 6. Livingston M., Genevese F., Konopinski E. J., Phys. Rev., 51 (1937) 835 7.
ŠimáněČ., Čs. čas. fys., 5 (1953) 79
8. Urbanec J., Šimáně Č., Czech. J. Phys., 5 (1955) 40
9
