Ve čtvrtek, 2. srpna, se s panem profesorem Čestmírem Šimáně přišlo naposledy rozloučit mnoho českých jaderných fyziků a chemiků. Není divu, pana profesora lze bezesporu označit za jednoho z otců experimentálního jaderného výzkumu v bývalém Československu. Během svého 93 let dlouhého života se velmi významně podílel na vzniku jak jaderných výzkumných ústavů, tak otevření tohoto oboru v rámci vysokoškolského studia. Svůj podíl má také na rozvoji naší jaderné energetiky. I když jsem pana profesora zažil už jako starého pána, jeho přednášky byly stále excelentní a jeho vyprávění z historie jaderné fyziky byla okouzlující.
Naposledy jsem měl možnost jej vidět koncem května tohoto roku, když 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 ty nejzajímavější patří mikrotron, u něhož se pohyboval až do posledních let svého života. Vzpomínání a podrobnější povídání o panu profesorovi bych nechal starším kolegům, kteří jej znali osobně a dlouho, a také spolupracovníkům z mikrotronové laboratoře našeho ústavu, která je v Praze pod Vítkovem. Pro čtenáře Osla nabízím stručnější informaci o životě pana profesora Šimáně a také o jednom z kouzelných zařízení na urychlování elektronů – urychlovači mikrotronu.
Životní dráha
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. Souběžně studoval fyziku a matematiku na Přírodovědecké fakultě Masarykovy university v Brně. Tam nastoupil i do svého prvního zaměstnání jako asistent Ústavu experimentální fyziky. V letech 1947 až 1949 absolvoval dva studijní pobyty ve Francii u profesora Frédéric Joilot-Curie.
V roce 1948 byl prvním zaměstnancem Ústavu pro atomovou fyziku, který byl založen Českou akademií věd a umění. Ústav vedl profesor Petržílka. Čestmír Šimáně vybudoval v Hostivaři pracoviště 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.
V roce 1955 byl jmenován prvním ředitelem nově založeného a budovaného Ústavu jaderné fyziky (ÚJF) v Řeži, který od roku 1956 patřil pod ČSAV. Jako člen Vládního výboru se významně podílel na jeho projektu, výstavbě a odborném vědeckém programu. Řadu let pak 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 spoluorganizoval dodávku cyklotronu, který v této instituci postavili pro můj mateřský Ústav jaderné fyziky v Řeži.
Napsal knihy věnované urychlovačům iontů a elektronů, využití jaderné energie a velký počet odborných publikací v časopisech z oblasti 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 s láskou a vděčností vzpomínají.
I když v roce 1984 odešel do důchodu, zůstal věrný práci na mikrotronu v tunelu pod Vítkovem, který v té době patřil Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT. A když se toto zařízení převedlo do Ústavu jaderné fyziky AV ČR, vrátil se do 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 komunity českých 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 byl svojí vitalitou, optimismem a nadšením výzvou i inspirací pro kolegy mladších generací.
Jak funguje a k čemu je mikrotron
A teď stručně o zařízení, u něhož pan profesor rád pracoval. Mikrotron je typem urychlovače elektronů. Velice originálním způsobem řeší problém, na který narazí všechny urychlovače, které urychlují částice na rychlosti blízké rychlostem světla. Jak se již podrobněji na Oslu v článcích o urychlovačích psalo, urychlovat lze pouze nabitou částici, ale tou elektron je. Pak ji lze magnetickým polem donutit obíhat po kruhové dráze s postupně narůstajícím poloměrem. To platí u cyklotronu i u mikrotronu. 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 snižovat, 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.
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. Pro tento účel se mikrotron nejčastěji používá jako zdroj fotonů záření gama. Svazek urychlených elektronů se navede do radiátoru, kde se pak produkuje požadované gama záření.
Mikrotronová laboratoř, která vznikla z iniciativy pana profesora a na jejímž výzkumném programu se také dlouhá léta podílel, se rozvíjí i dnes. Zdokonaluje se její automatizace, zavedla se „potrubní pošta“, která zrychluje cestu ozářených vzorků k měřícím detektorům a tím umožňuje měřit i velmi krátkodobé radioaktivní prvky. Kdykoli budu 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
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, přičemž vyzařují i charakteristické záření gama umožňující jejich identifikaci. Přeměněných jader je relativně jen velmi málo, a tak je oproti chemickým metodám obrovskou výhodou, 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. 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 máme možnost využívat cyklotron i elektrostatický urychlovač tandetron pro urychlování protonů a lehkých i těžších iontů, mikrotron pro produkci vysokoenergetických fotonů gama a reaktor pro produkci neutronů patřící sousednímu ústavu, můžeme pomocí různých jaderných reakcí určovat i velmi nízké stopové obsahy velké plejády prvků a izotopů. Příkladem výzkumu, jenž byl závislý na kombinaci těchto zařízení, je komplexní analýza vousů a vlasů Tycha Braha. Výsledky však budou moci být zveřejněny až společně se všemi světovými laboratořemi, které se na zkoumání ostatků tohoto významného astronoma podílely. Společný seminář by se měl konat již brzy.
Mikrotron se podílí na analýze různých materiálů (třeba pro výrobu kloubních náhrad) a vzorků. Pro příklad vyberu alespoň jeden z výzkumů, které se provádějí přímo v mikrotronové laboratoři a který se zabývá tím, co je blízké téměř každému z Čechů. Naše země je pivovarnickou velmocí a kvalita piva je dána i kvalitou sladu a tedy i pivovarnického ječmene. A právě v jeho různých odrůdách moji kolegové spolu s kolegy z VŠCHT zkoumají obsah dusíku a jeho vliv na kvalitu piva. A také studují, jak na měřený obsah dusíku působí podmínky, v nichž se ječmen pěstuje. Již jsem zmínil, že ozáření a aktivační analýza zkoumaný vzorek nepoškozují a v tomto případě neovlivní ani zkoumané obilí. To umožňuje následně testovat i vliv obsahu dusíku na klíčivost. V daném případě mikrotron produkuje už zmíněné fotony gama, které vyrážejí z jader dusíku neutrony a vzniklé radioaktivní jádro izotopu N13 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 a odhalí i případné použití nekvalitní levnější suroviny nebo jiná provinění proti technologickým předpisům.
Když tedy budete pít svého správně hořkého Radegasta nebo jiný váš oblíbený druh, vzpomeňte si, že jeho kvalitu pomáhá hlídat i vylepšovat také mikrotron pana profesora Šimáně. A i za to si 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.