-SPEKTROSZKÓPIÁTÓL AZ ATOMFIZIKÁIG

Varga Dezső
MTA Atommagkutató Intézete

A -csoport kialakulása

1954-ben, a mai ATOMKI alapításának évében, a kísérletes magfizikai kutatások fejlesztésére létrehozott új intézetben öt lazán szervezett kutatócsoportban kezdődött el a tudományos munka. A továbbiakban az öt csoport egyikének történetéről, munkájáról és annak eredményeiről lesz szó. Az alapítást követő években az Intézet egyre bővült, épületekkel, berendezésekkel és létszámában is úgy, hogy 1961-ben már három kutatóosztály szerveződött, köztük egy magspektroszkópiai és annak keretein belül egy -spektroszkópiai csoport. 1976-ban pedig az Intézetben már négy tudományos osztály és három önálló kutatócsoport működött, köztük a volt "-csoport" Nukleáris Atomfizika néven, amely 1981-ig osztály méretűvé nőtt, majd később kialakult belőle a jelenlegi Atomfizikai Osztály és a jelenlegi Elektronspektroszkópiai Osztály egyik fele. Rövid bemutatásként soroltam fel az ötven év alatt változó elnevezéseket, hiszen sokan ezeknek csak egyikét vagy másikát ismerik, de lényegét tekintve mindvégig egy, idővel lassan növekvő létszámú csoportról van szó.

A történetünk úgy kezdődött, hogy az ATOMKI alapításakor a debreceni egyetem (az akkori Kossuth Lajos Tudományegyetem) Kísérleti Fizikai Tanszékről az Intézetbe került egy félkész mágneses -spektrométer, és Berényi Dénes kapta a feladatot, hogy fejezze be annak építését, keltse életre és találjon hozzá megfelelő kutatási témát. Ezt a feladatot - ami az ötvenes években egy új intézetben nem volt egyszerű - Berényi Dénes sikeresen megoldotta, és elkezdődhettek a -spektroszkópiai mérések. 1958-ban megszületett az első egyetemi doktori értekezés is a Nd-147 -bomlásának vizsgálatából. Később sok hallgató is lelkesen dolgozott e spektrométeren - például kimérve a 42 szektor fókuszálásának szórását, új blendék alkalmazásával a 3%-os felbontást 1,5%-ra javították a hatásfok csökkentése nélkül -, s igen sok diplomamunka született rajta. Ez a spektrométer arról is nevezetes, hogy nemcsak a -spektroszkópiai, hanem körülbelül húsz évvel később az atomfizikai kutatások is ennek a berendezésnek a bevetésével kezdődtek, amikor a hetvenes évek elején Berényi Dénes monokromátorként használta, és a -spektrumokból adott energiájú elektron- és pozitronnyalábokat vágott ki az ionizációs hatáskeresztmetszetek meghatározása céljából.

Természetesen egyetlen spektrométer kevés volt összetettebb feladatok megoldására. Az évek során a csoportban egymás után honosodtak meg a szokásos magspektroszkópiai technikák, úgymint például a szcintillációs spektrométerek speciális kialakítású kristályokkal, proporcionális számlálók, gyors-lassú koincidenciakörök, megépült a nagyfelbontású mágneses spektrográf és idővel, ha kicsit késve is, de megjelentek a sokcsatornás analizátorok és a félvezető detektorok. Minden technikának megvolt a gazdája, és a szűkös anyagiak mellett végzett sok fejlesztési munka közepette lassan kialakult Berényi Dénes körül egy jó kísérletes csapat, amelynek a neve sokáig egyszerűen -csoport volt, annak ellenére, hogy egyaránt foglalkozott - és -spektroszkópiával.

Magspektroszkópiai kutatások

A -csoport magfizikai kutatásai három területet érintettek. Ezek egyike a magszerkezeti vizsgálatok. Az ötvenes és a hatvanas években tömeges igény volt magadatokra, bomlási sémák tisztázására nemcsak a gyakorlati alkalmazások, hanem az elméleti magfizika részéről is. A magmodellek fejlődéséhez, érvényességi területük tisztázásához szükség volt a nívóparaméterek (energia, spin, paritás, élettartam stb.) minél pontosabb ismeretére. Az akkoriban ismert mintegy 1600 izotóp között pedig még sok rendelkezett elegendően hosszú felezési idővel ahhoz, hogy előállítási helyüktől távol is vizsgálni lehessen kevésbé ismert bomlási folyamataikat. Most átnézve a több mint tucatnyi dolgozatot azt láttam, hogy mindnek megvolt akkor az aktualitása, ami vagy a nívók azonosításában, gyenge -átmenetek, kaszkádok kimutatásában vagy éppen ezek jelenlétének cáfolatában nyilvánult meg. A saját építésű, nagy felbontású mágneses spektrográf segítségével pedig, például a I-131 és az Sn-113 izotópok bomlásában, sikerült a konverziós elektronokat L-alhéjanként, illetve a magasabb héjak szerint különválasztani és a kísérleti adatokat a legfrissebb elméleti számításokkal összevetni. Ezek a mérések esetenként (N-, O-héjakra nézve) még a hiányzó elméleti számítások elvégzését is sürgették.

A másik kutatási terület az elektronbefogás () és a pozitronemisszió () arányának vizsgálata. Ha egy mag bomlásában energetikailag lehetséges a pozitron emissziója, mindig felléphet az atomi elektronok befogása is. A két folyamatban a mag kezdeti és végállapota azonos, azonosak a magmátrixelemek is, így az elmélet pontosabb értéket tud adni a két folyamat intenzitásának arányára, mint a külön-külön vett abszolút intenzitásokra. Kedvező esetben (például megengedett átmeneteknél) a mátrixelem ki is eshet, így magmodelltől független érték is adódhat az hányadosra. Ezért lettek érdekesek ezek a vizsgálatok, és természetesen a nagyon eltérő intenzitású folyamatok esetében kísérletileg mindig a kis intenzitású folyamat mérése az elsődleges feladat. Ennek megfelelően a különböző típusú -bomlásokban számos kísérlet tárgya volt a kis intenzitású pozitronok vadászata. Kettős és hármas koincidenciaberendezésekkel bomlásonként 10^-5-10^-7 valószínűségű -folyamatokat mutattunk ki, vagy legalább egy nagyon alacsony felső határt adtunk meg lehetséges valószínűségükre. A legfontosabb eredményt azonban a Na-22 bomlásával kapcsolatos kísérletek hozták, amelyekben 4 - koincidenciamérésben sikerült nagy pontossággal meghatározni az arányt ( = 0,1042±0,0010). Aktuális kérdés volt akkor, hogy egy bomlásban milyen mértékű lehet, vagy milyen pontossággal lehet kizárni a gyenge kölcsönhatás lehetséges formáinak (S-V, ill. A-T) együttes részvételét. Az együttes részvételre utaló úgynevezett Fierz-féle interferenciatagra nézve már létezett ugyan felső határ (b < 0,1) a -spektrumok alakjának elemzéséből, de az viszony nagyságrenddel érzékenyebb az interferenciára, mint a spektrumalak. Ez adott különös jelentőséget a Na-22 esetében elért pontos kísérleti adatnak. Legalább ilyen fontos eredmény volt annak kimutatása is, hogy egy pontos kísérleti adatból csak akkor lehet nagyon kis határértéket adni a Fierz-interferenciatagra, ha az elméleti számítások az elektronbefogásban pontosabban veszik figyelembe a kicserélődési és átfedési korrekciót.

Még eredményesebbnek mondható a harmadik terület, a belső fékezési sugárzásra (BFS) vonatkozó kutatás. A BFS a magasabb rendű effektusok közé tartozik, amelyben az alapvető -bomlási folyamatban szokásosan emittálódó részecskék mellett kis valószínűséggel (10^-310^-5) megjelenik egy -kvantum is. Kísérleti szempontból tehát egy kis intenzitású, folytonos spektrumú -sugárzásról van szó, amely a mag bomlásából ered (ezért "belső"), és nem az elektron (vagy pozitron) anyagban való lefékeződése során keletkezik. Ez utóbbit nevezzük külső fékezési sugárzásnak, és ennek jelenléte okozta a BFS vizsgálatának legtöbb problémáját, hiszen mindkettő folytonos eloszlású, azonos maximális energiával. A BFS jelenségét először 1927-ben Aston mutatta ki -bomlásban, majd 1946-ban Bradt elektronbefogásban, de a -bomlásban való kimutatása még további húsz évet váratott magára. Ennek oka, hogy a külső fékezési sugárzás mellett a nagy intenzitású pozitron annihilációs sugárzása is nehezíti a mérést. 1967-ben Berényi Dénesnek, Scharbert Tibornak és Vatai Endrének sikerült először megvizsgálni a BFS jelenlétét egy -bomlásban (C-11). Az ábrán látható - koincidenciaberendezéssel nemcsak a jelenséget mutatták ki, hanem abszolút intenzitásmérésekkel 90°-os szögben a differenciális spektrumalakot is meghatározták, előbb a C-11 megengedett -bomlásában, később pedig más típusú -átmenetekben (Pr-143, Tl-204).

A hatvanas években rengeteg ellentmondás jellemezte a BFS-re vonatkozó irodalmi adatokat. Ellentmondások voltak nemcsak a kísérletek és az elméleti számítások között, hanem például a spektrumalakra vonatkozó kísérleti adatok még a jobban vizsgált izotópok esetén is igen nagy, egyes tartományokban 100%-ot is meghaladó eltéréseket mutattak egymáshoz képest. E problémák tisztázására a lehetséges kísérleti hibák alapos elemzését követően új kísérletek sorozatát kezdtük el, amelyek bebizonyították, hogy például a leggyakrabban vizsgált P-32 esetében a kísérleti és elméleti spektrumalak 6%-on belül egyezik. Hasonlóan kitűnő egyezés adódott a S-35 esetében is, amelynél a kísérlet/elmélet arányok átlagos értéke a spektrumban 1,027±0,023 volt. Ez a mérési sorozat többféle módszert alkalmazott, esetenként az elkövethető kísérleti hibákat is reprodukálta (például a S-35 esetében a vákuum hiányát, vagy a vastag forrástartót), így nemcsak megbízható adatokat eredményezett a vizsgált bomlásokra nézve, hanem más kísérletek adatainak értékeléséhez is segítséget nyújtott.

A három alapkutatási tevékenységen kívül egy kísérletes beállítottságú, eszközfejlesztésekkel is foglalkozó csoport számára természetesen adódott a magfizikai módszerek gyakorlati alkalmazása is. Egy példa erre az a berendezés, amellyel a bányából teherautón érkező, sokszor vizes bauxit kalciumtartalmát nyolc percen belül lehetett meghatározni, így ezen adat ismeretében elkerülhetővé váltak a későbbi technológiai problémák.

A hetvenes évek elején jelentős témaváltás kezdődött el a -csoport kutatásaiban. Még folytak a magspektroszkópiai kísérletek, de már megjelentek Berényi Dénes áttekintő cikkei a fotoelektron-spektroszkópia fejlődéséről, alkalmazásairól, a gyorsítók szerepéről az atomfizikában. Később a toroidspektrométerrel el is kezdte az ionizációs hatáskeresztmetszetek mérését elektron- és pozitronnyalábokkal. Egyre több lett az atomfizika, és a csoportba akkoriban bekerülő fiatalok már mind az atomfizikát tanulták. E témaváltás indítékaiként elmondható, hogy a csoport már korábban is mag-atomi jelenségekkel foglalkozott, hogy a konverziós elektronok spektroszkópiájában a kis energiák tartománya kezdett érdekessé válni, ahol nagyobb az atomi kötési energiák szerepe, ahol a kémiai effektusok jelentkezése is várható volt. Ugyanakkor nagyon megnőtt az igény a belsőhéj-ionizációs adatok iránt (főleg a plazmafizika részéről), annyira, hogy a Nemzetközi Atomenergia Ügynökség ezek mérését anyagilag is támogatta. A magfizikai kutatások pedig az egyre nagyobb, új gyorsítókra települtek, minek következtében a korábban épített kis gyorsítókon egyre több lett a kihasználatlan kapacitás. Mindezek alapján lassan kialakult a döntés, amely a csoport kísérleti munkájának nagyobb részét a gyorsítók és az elektronspektrométerek összekapcsolásával az ion-atom ütközések felé, kisebb részét az elektronspektrométer röntgenforrással való kiegészítésével a fotoelektron-spektroszkópia felé fordította.

Áttekintve a húszéves magspektroszkópos időszakot, fő jellemzőknek a kutatások kísérletes jellegét, a szemináriumokon csiszolt jó témaválasztást, a kutatási témához igazított módszer- és eszközfejlesztéseket, az alap- és alkalmazott kutatások együttélését találtam, lelkes csapatmunka keretében. A csoportszellem a munkán túl is megnyilvánult olyan, esetenként két-háromnapos kirándulásokban - a családtagokkal együtt például a Zemplénben -, amelyekre a gyerekeink is szívesen emlékeznek vissza.

A -csoport munkájának eredményességét jelzi a több mint kétszáz tudományos közlemény (kb. fele nemzetközi), sok előadás és diplomamunka. A húsz év csúcspontjának az 1968-as debreceni nemzetközi konferenciát tekinthetjük, amelyre sok országból érkeztek az elektronbefogással és magasabb rendű folyamatokkal foglalkozó kutatók, s amelyen a csoport sok szép munkát mutatott be, ami valódi nemzetközi elismerést hozott.

A volt -csoport fő jellemzői az atomfizika évtizedeiben is többé-kevésbé megmaradtak, bár idővel a mindenütt terjedő atomizálódás itt is éreztette hatását. Azonban a mai napig is jellemző maradt a kísérleti eszközök saját elgondolás alapján végzett fejlesztése. Ez a tevékenység sosem vált műszergyártássá - bár nem csak saját célra épültek spektrométerek -, mindig a tervezett kutatások sajátosságaihoz igazodva igyekezett új megoldásokat keresni. Mivel a témaváltást követően a tervezett kutatások mindegyike az elektronoknak a néhány keV-es vagy 1 keV-nél kisebb energiájú tartományát érintette, amelyet a meglévő mágneses spektrométerekkel jól mérni nem lehetett, ezért 1972-ben elkezdődött az áttérés az elektrosztatikus analizátorokra (ebből ered a későbbi spektrométersorozat ESA rövidítése). Az első, az 1973-ban épült spektrométer (ESA-11) tervezésénél még a kisenergiájú konverziós elektronok vizsgálatának szempontjai domináltak, de később egyre nagyobb teljesítményű röntgenforrásokkal kiegészítve már 1974 végétől a fotoelektron-spektroszkópiai mérések eszköze lett. Másodpéldányát azonban ma is magspektroszkópiai célokra használják Prágában, 1977 óta. Ezt követően épültek spektrométerek a gyorsítókon végzendő ion-atom ütközési vizsgálatok céljaira. Az egyik, a mérsékeltebb feloldású, egyszerűbb változat (ESA-13) a kirepülő folytonos energiaeloszlású elektronok vizsgálatára készült, a másik (ESA-21) a többszörös ionizációt követő Auger-elektronok energia- és szögeloszlásának egyidejű és nagy energiafelbontású mérésére. Az előbbi az ATOMKI VdG-1.5 gyorsítóján működött és frankfurti "kiránduló"-méréseken vett részt, az utóbbi négy évig egy dubnai nehézion-gyorsító nyalábján volt, majd, közel húsz év óta, az ATOMKI VdG-5 gyorsítója mellett üzemel. Időközben a szilárdtestfelületek vizsgálatának igényei is megnőttek, így 1990-ben elkészült egy 20 eV - 10 keV energiatartományban nagy felbontással működő újabb típus (ESA-31), amellyel foto- és Augerelektronspektroszkópiai mérések mellett elektronszórási kísérletek is végezhetők, például az elektronok rugalmatlan szabad úthosszának meghatározására. A legújabb fejlesztés eredménye pedig egy olyan, koincidenciamérésekre is alkalmas, kettős spektrométer (ESA-22), amelynek mindkét részében egyidejűleg mérhető az elektronok energia- és szögeloszlása. E típusnak egyik példánya Intézetünkben van, másik a lundi (Svédország) szinkrotron nyalábján működik, és közös finanszírozással készült a finn partnereinkkel együtt öt év óta folytatott fotoelektron-spektroszkópiai mérésekhez. A harmadik pedig Giessenben (Németország) várja a 2004-re tervezett közös beindítását.

Az elmúlt harminc évben összesen 11 spektrométert építettünk, többnyire teljes egészében az Intézetben, amiben csoportunknak kitűnő partnerei voltak az Intézet Elektronikus és Műszaki Osztályainak munkatársai. A tizenegyből öt kifejezetten a saját kutatási céljainkra készült, a három külföldön lévőnek mindegyike egy hosszabb idejű együttműködéssel kapcsolatban jött létre. További három spektrométer egy-egy hazai egyetem (ME, BME, ELTE) fizikai, illetve kémiai tanszékeinek kutatásait segítette. Ennek a fejlesztési munkának, amely új elektronoptikai megoldásokat és az irodalomban korábban nem ismert spektrométerváltozatokat is eredményezett, legfőbb érdeme mégis az, hogy évtizedeken át biztosította az atomfizikával és a szilárd felületek vizsgálatával kapcsolatos valamennyi kutatási témánk kísérleti hátterét. Mivel készen vásárolt berendezésűnk sosem volt, ez adta a fiatalok képzése szempontjából is fontos hazai bázist, és jó alapot nyújtott a nemzetközi együttműködésekhez is, például a közös mérésekhez gyorsítókra telepített spektrométerünk révén, vagy a nemzetközi pályázatokban (ld. COPERNICUS) való részvétel során.

________________________________