SK
EN
Predstavujeme pracovisko: Tandemový urýchľovač iónov
Na Katedre jadrovej fyziky a biofyziky Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského majú zaujímavé laboratórium, ktorého súčasťou je tandemový urýchľovač iónov. Zariadenie je vybavené zdrojmi iónov pre pevné a plynné terčíky, injektorom iónov do urýchľovača, vlastným urýchľovačom iónov Pelletron a dvoma iónovými kanálmi na analýzu urýchlených iónov. Vďaka prístrojovému komplexu môže fakulta vykonávať výskumy v oblasti viacerých vedných odborov.
Tandemový urýchľovač iónov sa nachádza v samostatnej hale v areáli Fakulty matematiky, fyziky a informatiky UK v Mlynskej doline a je prístupný aj iným vedeckým a výskumným inštitúciám. Zariadenie umožňuje urýchľovať ióny od vodíka až po veľmi ťažké ióny plutónia. „Bolo vybudované s cieľom robiť výskum v dvoch základných oblastiach. Prvou z nich je využitie zväzku iónov na analytické účely, keď sa ožarujú skúmané vzorky a analyzuje sa vznikajúce žiarenie, ako je napr. X-žiarenie (PIXE metóda) alebo gama-žiarenie (PIGE metóda). Skúmané vzorky môžu pochádzať z rôznych oblastí výskumu – materiálový, environmentálny, biomedicínsky, archeologický výskum. Napríklad v oblasti biomedicíny je zaujímavý výskum vplyvu ionizujúceho žiarenia na DNA a na živé organizmy (vrátane človeka) a tiež vplyvu znečistenia životného prostredia na zdravie obyvateľstva. Zaujímavé výskumy sú tiež v oblasti životného prostredia, ako je napr. výskum znečistenia atmosféry a biosféry ťažkými kovmi. Veľkou výhodou urýchľovačových metód je možnosť nedeštruktívnej analýzy vzoriek, napr. analýzy vzácnych obrazov, sošiek, listín, s cieľom zistiť, či nejde o falzifikáty,“ vysvetľuje jadrový fyzik, profesor Pavel Povinec, ktorý je vedúcim laboratória a významnou mierou sa podieľal na jeho vybudovaní.
Druhá oblasť výskumu – urýchľovačová hmotnostná spektrometria (UHS) – zahŕňa analýzu rádioaktívnych izotopov s dlhým polčasom premeny (od desiatok rokov až do niekoľko miliárd rokov), ako sú napríklad rádiouhlík (uhlík-14), rádioizotopy plutónia či uránu, a ďalšie desiatky rádioizotopov. „UHS analyzuje rádioaktívne jadrá, ako keby boli stabilné, nemusíme teda čakať na ich rádioaktívnu premenu, čo je pri ich dlhých polčasoch problém. Meriame priamo hmotnosť iónov, nie žiarenie, ktoré vzniká pri rádioaktívnej premene jadier (napr. beta-žiarenie). Vďaka UHS dokážeme analyzovať uhlík už vo vzorkách s hmotnosťou okolo jedného mikrogramu, teda asi miliónkrát menšie vzorky, ako sme mohli analyzovať pomocou plynových detektorov. Doba merania sa zmenšila, z niekoľkých dní na niekoľko minút, takže podstatnú časť zaberá príprava vzoriek (niekoľko hodín). V prípade analýzy plutónia v životnom prostredí pomocou alfa-spektrometrie doba spracovania a analýzy vzorky bola niekoľko dní, použitím UHS možno čas skrátiť len na niekoľko hodín, čo je veľmi dôležité v prípade havárií jadrových zariadení. Typickým príkladom je výskum klimatických zmien pomocou uhlíka-14 (analýzy letokruhov stromov za posledných 10 tisíc rokov) a berýlia-10 (analýzy vzoriek ľadovcov počas vyše milióna rokov),“ dopĺňa jadrový fyzik, profesor Pavel Povinec.
Urýchľovačové laboratórium vzniklo ako súčasť Centra pre nukleárne a urýchľovačové technológie (CENTA) vďaka projektom v rámci Štrukturálnych fondov Európskej únie, ako aj vďaka podpore Medzinárodnej agentúry pre atómovú energiu vo Viedni. V súčasnosti sa pripravuje rozšírenie laboratória o samostatný iónový kanál s elektromagnetom s vysokým rozlíšením a ďalšími prídavnými zariadeniami, ktoré umožnia analyzovať rádioaktívne izotopy od trícia (rádioaktívny izotop vodíka) až po izotopy plutónia, a nebude potrebné pripravené vzorky posielať na analýzu do zahraničných laboratórií. Rozšírenie laboratória je realizované v rámci spoločného projektu UK a Slovenskej technickej univerzity „Advancing University Capacity and Competence in Research, Development and Innovation (ACCORD),“, ktorý je spolufinancovaný Európskou úniou.
Oblasti využitia urýchľovača
Okrem ďalších výskumov sa urýchľovač využíva aj na separáciu rádionuklidov z morskej vody (v súvislosti s fukušimskou haváriou), analýzy uránu v rôznych materiáloch, výskum znečistenia polovodičových materiálov, ale aj analýzy železných či kamenných meteoritov. „V environmentálnych vedách sme skúmali znečistenia atmosféry a biosféry, v biomedicínskom výskume išlo o štúdium následkov ožarovania živých organizmov elektromagnetickým a jadrovým žiarením. V oblasti historických artefaktov a umeleckej tvorby sme analyzovali vzorky obrazov, mincí či sošiek. Urýchľovačovú hmotnostnú spektrometriu sme využívali na výskum vplyvu prevádzky jadrových elektrární na životné prostredie (vrátane havárií v Černobyle a Fukušime) a štúdium rádionuklidov v atmosfére, biosfére, a v hydrosfére (vrátane znečistenia morského prostredia po fukušimskej havárii). Využitie rádionuklidov na výskum klimatických zmien, štúdium uhlíka-14 v letokruhoch stromov, hodnotenie následku spaľovania fosílnych palív a vplyvu slnečných cyklov na variácie kozmogénnych rádionuklidov," upozorňuje profesor Povinec na široké možnosti využitia urýchľovačových technológií.
Spolupráca s domácimi aj zahraničnými pracoviskami
Laboratórium dlhodobo spolupracuje so Slovenskými Elektrárňami pri hodnotení vplyvu prevádzky jadrových elektrární v Jaslovských Bohuniciach a Mochovciach na životné prostredie, s Lekárskou fakultou UK v biomedicínskom výskume, s viacerými vysokými školami, ústavmi SAV a s ďalšími pracoviskami na projektoch v oblasti výskumu rádioaktivity geologických, environmentálnych, potravinárskych a materiálových vzoriek, vzoriek podzemných vôd, vzoriek meteoritov či datovania archeologických typov vzoriek.Katedra tiež dlhodobo spolupracuje s Medzinárodnou agentúrou pre atómovú energiu (MAAE), ktorá má laboratórium v Monaku, kde v minulosti pôsobil aj profesor Povinec a organizoval výskum v oblasti morskej rádioaktivity, aj s využitím najmodernejších urýchľovačových metód. MAAE prispela k rozšíreniu laboratória, keďže financovala časť zariadenia výstupného iónového kanálu urýchľovača.
„Vďaka jej podpore môžeme vysielať mladých vedeckých pracovníkov a doktorandov na zahraničné stáže, čím získalo naše pracovisko cenné medzinárodné skúsenosti. Patríme totiž medzi málo pracovísk, kde okrem rádiometrických metód využívame aj urýchľovačové technológie na analýzu vzoriek.“ Profesor Povinec pripomína, že takýchto pracovísk existuje na svete asi päť. „Výskum vplyvu prevádzky jadrových elektrární a jadrových nehôd (akými boli napríklad Fukušima či Černobyľ) na životné prostredie, rádioaktivita atmosféry a biosféry, ale tiež morská rádioaktivita, to sú dôležité témy našej medzinárodnej spolupráce. Sledovali sme napríklad prítomnosť rádionuklidov vo vodách v okolí jadrovej elektrárne Fukušima a v Tichom oceáne, počítali sme radiačné dávky japonského obyvateľstva po konzumácii rýb, a podobne. V súčasnosti skúmame aj rádioaktivitu Červeného mora,“ dopĺňa profesor Povinec. Katedra úspešne spolupracuje na významných zahraničných projektoch, ktoré patria vo svojich odboroch k svetovej špičke. Urýchľovačové technológie tvoria preto dôležitú súčasť publikačnej činnosti pracovníkov katedry. Okrem dvoch monografií a šiestich kapitol v monografiách publikovali desiatky článkov vo významných zahraničných časopisoch.
Študenti a mladí vedeckí pracovníci
V laboratóriu pracujú vyškolení zamestnanci fakulty a pod ich vedením aj študenti, napríklad diplomanti a doktorandi, ktorí pracujú na svojich záverečných prácach. Jedným z pracovníkov, ktorého sme stretli pri práci na urýchľovači, je aj doktor Jakub Zeman, ktorý sa v spolupráci s Lekárskou fakultou UK venuje výskumu živočíšnych tkanív po ich ožiarení. „Analyzovali sme vzorky mozgov králikov po ich ožiarení elektromagnetickým žiarením, podobnému tomu, aké produkujú mobilné telefóny. Skúmali sme, či ožarovanie malo vplyv na ukladanie ťažkých prvkov v mozgu. Zistili sme v nich prítomnosť viacerých ťažkých prvkov, najmä železa. Ďalej sme tiež analyzovali mozgy ľudí, pričom sme tu našli zvýšené koncentrácie železa, ktoré môžu súvisieť s rôznymi ochoreniami, akými sú napríklad Alzheimerova či Parkinsonova choroba. Výskum zatiaľ nie je dokončený, po získaní ďalších vzoriek v ňom budeme pokračovať.“
Ďalším vedeckým pracovníkom katedry, ktorý využíva urýchľovač vo svojom výskume, je doktor Jakub Kaizer. Od roku 2013 sa podieľa na rozvoji urýchľovačových technológií na analýzu vzoriek. Urýchľovač sa dá veľmi efektívne využiť aj na štúdium environmentálnej rádioaktivity. „V spolupráci s Viedenskou univerzitou sme robili merania veľmi nízkych koncentrácií berýlia-10. Tento rádionuklid sa dá využiť pri štúdiu atmosféry, ale tiež pri štúdiu klimatických zmien za posledných milión rokov, ako aj v geológii, napríklad pri datovaní seizmickej aktivity v regiónoch, kde sa predpokladá výstavba jadrovej elektrárne. V spolupráci s Japonským ústavom vied o Zemi (JAMSTEC, Jokohama) sme skúmali následky fukušimskej havárie na rádioaktivitu pobrežných vôd, ako aj Tichého oceánu. V spolupráci s viacerými zahraničnými pracoviskami sme riešili problémy kontaminácie veľmi čistých materiálov uránom a tóriom, ktorých prítomnosť limituje výskum jadrových procesov v podzemných laboratóriách,“ čiastočne približuje svoj výskum.
Aj študent doktorandského štúdia v odbore environmentálna fyzika na Katedre jadrovej fyziky a biofyziky, Jakub Kvasniak, využíva urýchľovač vo svojej dizertačnej práci. Už vyše roka testuje hypotézu, či je možné zaznamenať historickú informáciu o znečistení životného prostredia ťažkými kovmi v letokruhoch stromov. „Pripravil som vzorky letokruhov, ktoré som pomocou PIXE metódy analyzoval na urýchľovači. Vďaka výsledkom dokážem určiť, ktoré stromy sú najvhodnejšie pre daný výskum. Cieľom bude porovnať prítomnosť ťažkých kovov v letokruhoch stromov z Jasnej (čisté prostredie) a z Bratislavy. Okrem toho, v bakalárskej a diplomovej práci som sa venoval porovnaniu bežných potravín a biopotravín z hľadiska ich znečistenia. Chcel som zistiť, či sú biopotraviny skutočne čistejšie – skúmal som ich prvkové zloženie, konkrétne zastúpenie kovov, akými sú napríklad zinok, kadmium a olovo,“ vysvetľuje. Biopotraviny sú prezentované najmä tým, že sa vyrábajú bez použitia chemických prostriedkov. Preto chcel zistiť, či obsahujú menej kovov ako tie „obyčajné“. „Ak potraviny obsahovali menej kovov, bolo to skôr vďaka minerálnemu zloženiu pôdy, v ktorej rástli, než vďaka hnojivám, ktoré sa využívali pri pestovaní,“ tvrdí Jakub Kvasniak.
Urýchľovač vo svojej diplomovej práci využíva aj Karol Sučák, druhák na magisterskom štúdiu jadrovej a subjadrovej fyziky. Vo svojej diplomovej práci sa zaoberá skúmaním aerosólov (pevných častíc) v atmosfére Bratislavy. Vzorky získava tak, že vzduch prečerpá cez filter, v ktorom sa tieto aerosóly zachytia. Vďaka röntgenovému a gama žiareniu, ktoré vznikajú po ožiarení vzoriek aerosólov urýchlenými iónmi z urýchľovača, vie zistiť, ako je kontaminovaný vzduch v Bratislave. „Našli sme v ňom zvýšené koncentrácie medi, zinku a olova. Znečistenie môže pochádzať z rôznych fabrík, a to nielen z Bratislavy. Okrem toho skúmam aj vplyv počasia na koncentrácie týchto prvkov v aerosóloch – či sú vyššie napríklad v dôsledku vyššej vlhkosti vzduchu. Zistili sme, že počas chladnejšieho obdobia koncentrácie týchto prvkov vzrástli. Mohlo to byť spôsobené napríklad aj väčším využívaním palív na kúrenie,“ dodáva Karol Sučák.
Radka Rosenbergová