Реферат - ИЯИ РАН

Реферат
Отчет содержит: 112 с., 29 рис., 60 источников.
ЛИНЕЙНЫЙ
УСКОРИТЕЛЬ,
ФОРМИРОВАНИЕ
ПУЧКА,
ПРОИЗВОДСТВО
РАДИОИЗОТОПОВ, МАССА НЕЙТРИНО, БЕТА РАСПАД, КОНВЕРСИОННАЯ ЛИНИЯ
КРИПТОНА, ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК, НАРУШЕНИЕ ЛЕПТОННЫХ ЧИСЕЛ, ЯДРОЯДЕРНЫЕ
СТОЛКНОВЕНИЯ,
РЕЛЯТИВИСТСКАЯ
ЯДЕРНАЯ
ФИЗИКА,
КВАРК
ГЛЮОННАЯ ПЛАЗМА, ТОНКИЕ УГЛЕРОДНЫЕ ПЛЕНКИ, ОГРАНИЧИТЕЛИ ТОКА,
ФОНОННЫЕ РЕЗОНАТОРЫ, НЕЙТРОН-НЕЙТРОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ, ДЛИНА
РАССЕЯНИЯ,
СПЕКТРОМЕТРИЯ
НУКЛОНОВ,
ГАЛО
ЯДРА,
КЛАСТЕРНАЯ
СТРУКТУРА, ЯДЕРНЫЕ ФОТОЭМУЛЬСИИ, РАДИАЦИОННАЯ ЗАЩИТА
Представлены результаты работы Отдела ускорительного комплекса за 2012 год по
теме Линейный ускоритель Московской мезонной фабрики. Основная деятельность Отдела
была направлена на обеспечение работы и модернизацию линейного ускорителя Московской
мезонной фабрики, а также на разработку и создание новых узлов и элементов ускорителей.
В течение года проведено пять сеансов, направленных на выполнение физической
программы, разработку технологии получения радиоизотопов и наработку изотопов, на
исследования формирования пучка на экспериментальном комплексе, а также на
исследования и модернизацию ускорителя, в число которых вошёл юбилейный сотый сеанс с
начала регулярной работы ускорителя. Общая продолжительность сеансов составила 1590
часов. Наработка ускорителя по всем программам превысила 92000 мкА·часов при среднем
токе пучка до 120 мкА и энергии 143 МэВ при работе на изотопный комплекс и до 50 мкА
при энергии 209 МэВ при работе на экспериментальный комплекс.
Была обеспечена бесперебойная проводка пучка с заданными параметрами,
удовлетворяющая требованиям экспериментаторов.
Введена в строй для «тонкой» настройки канала система коррекции пучка, состоящая
из 8 корректирующих магнитов (по горизонтали и вертикали), подключённых к
16-ти
независимым источникам стабильного тока GEN 100-15 (100 В/15 A).
Была произведена модернизация оборудования канала транспортировки пучка,
которая позволяет проводить пучок протонов как к Комплексу протонной терапии ИЯИ
РАН, так и к нейтронным физическим установкам на мишени РАДЭКС. Также возможна
одновременная работа ИНИ и РАДЭКС. Прошли стендовые испытания нового сплиттермагнита, позволяющего подавать пучок протонов на несколько пользователей одновременно
в Экспериментальном комплексе ИЯИ РАН.
3
Разработана оптическая схема канала протонной терапии для независимого изменения
энергии
пучка,
без
изменения
энергии
ускорителя.
Разработано
и
изготовлено
электромагнитное и вакуумное оборудования для данной схемы.
По теме «Радиотерапия» разработан новый программный код Монте-Карло ‘TRACK’
для расчёта протонных дозовых распределений в тканях и прохождения протонов через
магнитную оптику канала транспортировки пучка. Продолжено развитие технологии и
методов лучевой терапии на конвенциальных установках ИЯИ РАН (ускоритель электронов
СЛ-75): создание облучательной установки для исследования по фотонзахватной терапии на
основе тканеэквивалентного фантома с элементами конвертора из гадолиния; создание
системы измерения дозиметрических и спектрометрических характеристик фотонного
излучения в фантоме; измерение характеристик спектрометрических и дозиметрических
характеристик фотонного излучения; исследование радиобиологической эффективности
фотонзахватной реакции для разработки фотонзахватных препаратов. С участием больницы
РАН получили высокотехнологичное лучевое лечение 30 человек, из них 12 на ускорителе
электронов с использованием инновационных разработок сотрудников ИЯИ РАН: 3D –
планирование с использованием томографа, фиксация пациента и т.д.
Было смонтировано и освоено новое сложное оборудование медицинского
назначения: электронный микроскоп Morgagni 268 для исследований радиобиологической
эффективности
облучения,
рентгеновская
радиографическая
система
для
контроля
положения головы пациента при протонной лучевой терапии, профилометр пучка на основе
ионизационных камер IC-Profiler.
Проведено
расчётно-теоретическое
обоснование
проектных
параметров
фотонейтронной облучательной установки на основе линейного ускорителя
электронов
СЛ75М ЛМФ для исследования материалов медицинского применения в брахитерапии и
НЗТ. Создан прототип облучательной установки на основе тяжеловодного конверторазамедлителя, графитовых отражателей и свинцовой защиты.
Создана детектирующая
система для измерения потоков тепловых и быстрых нейтронов и гамма квантов на основе
системы АСРК КПТ.
В рамках изучения процесса по прямому извлечению стронция-82 методом сорбции
из жидкого рубидия из реальных мишеней, облученных в ИЯИ РАН, проведены работы по
усовершенствованию конструкции установки и спецоборудования для переработки
облучённой рубидиевой мишени в горячей камере ФГУП «ГНЦ РФ-ФЭИ». Продолжены
работы в рамках научного соглашения с французским центром Арронакс по разработке
процесса получения стронция-82 во Франции на основе метода ИЯИ РАН. В процессе
разработки
новой
технологии
получения
актиния-225
4
и
радия-223
для
терапии
онкологических заболеваний проанализированы результаты облучения толстой ториевой
мишени пучком протонов высокой интенсивности (50-65 µА). Совместно с кафедрой
радиохимии МГУ проанализированы результаты переработки облучённой ториевой мишени
в горячей камере филиала НИФХИ им. Л.Я. Карпова. Проведены эксперименты,
направленные на оптимизацию стадий растворения мишени и хроматографической очистки
актиниевой фракции, проводимых в условиях горячей камеры.
Проблема поиска массы покоя электронного
антинейтрино в бета-распаде трития.
Исследования направлены на решение фундаментальной проблемы измерения массы
нейтрино. Цель работы - поиск массы нейтрино в электронном распаде трития. Метод
исследования – измерение бета спектра трития в высокоэнергичной части спектра. В 2012
году работы велись в двух направлениях. Первое направление связано с
программой
исследования свойств и возможных систематических эффектов в газовых тритиевых
источниках по типу «Троицк ню-масс», в частности, это важно исследовать для установки
KATRIN, Карлсруэ, Германия. Задача сводится
к наблюдению плазменных эффектов и
возникновение объёмного заряда, которые могут существенно исказить экспериментальные
данные.
Одним из способов исследования таких эффектов является использование
радиоактивного изотопа
Kr. Для обеспечения работы с
83m
Kr, с помощью наполнения
83m
природным криптоном был подобран рабочий режим трубы источника с температурой чуть
выше точки замерзания или конденсации криптона, около 90К. Вторая задача была связана с
оценкой возможности работы спектрометра и регистрирующей аппаратуры при измерениях
в условиях больших загрузок вдали от максимальной энергии бета-спектра. Это важно для
изучения принципиальных возможностей поиска сигналов тяжёлых стерильных нейтрино в
бета-распаде ядер. Специально для этого был проведён методический сеанс. Полученные
результаты обрабатываются. Ведётся модернизация электро- и водоснабжения установки
«Троицк ню-масс».
Поиск редких мюонных процессов в эксперименте «Mu2e». Исследования направлены
на решение фундаментальной проблемы сохранения лептонных квантовых чисел.
Обнаружение связи между семействами лептонов будет свидетельством существования
новых физических явлений вне рамок Стандартной модели. Цель работы - поиск процесса
конверсии мюона на ядре, идущего с нарушением закона сохранения лептонных чисел с
уровнем чувствительности превышающем на пять порядков современное экспериментальное
ограничение, в международном эксперименте Mu2e, проводимом в FNAL (Chicago) США.
Основная идея эксперимента предложена (1989 г.) и разработана сотрудниками Института
ядерных исследований. Повышение уровня чувствительности в эксперименте Mu2e на
несколько порядков может привести к обнаружению новых взаимодействий, порождаемых
5
новыми тяжёлыми частицами с массами 1000 ТэВ, которые невозможно получить
в
ближайшем будущем на ускорителях. Основная цель группы из ИЯИ РАН заключается в
разработке новой концепции эксперимента (3in1), позволяющей поиск трёх редких распадов
μ->e конверсии, μ->eγ и
μ->eee на одной установке и экспериментальном исследовании
основного элемента калориметра на основе кристалла LYSO с новым фотодетектором APD
(Avalanche Photodiode) большой площади.
Исследование переходов нейтрон-антинейтрон. Целью работы является анализ всех
существующих моделей переходов нейтрон-антинейтрон в поглощающей среде и разработка
принципиально новой модели. Показано, что для рассматриваемого процесса должен
использоваться теоретико-полевой подход. В его рамках разработана модель. Получено
ограничение на период осцилляций нейтрон-антинейтрон в вакууме, которое существенно
превосходит ограничения существовавшие ранее.
Изучение релятивистских потоков в астрофизике. Суммарные спектры ярких блазаров
содержат явные изломы, вызванные фотон-фотонным поглощением на Лайман-излучении
Не. В данной работе мы просуммировали спектры ярких блазаров (первая группа 11 самых
ярких блазаров после 3С454.3 и вторая группа – 26 блазаров, следующих по яркости). При
суммировании спектры сдвигались на фактор (1+z), где z – красное смещение данного
блазара. В результате, суммарный спектры обеих групп демонстрируют высоко значимые
изломы точно (до 10% по энергии) соответствующие предсказываемому положению.
Результат свидетельствует о том, что джеты многих блазаров (не только самых ярких)
ускорены до ультрарелятивистских скоростей уже во внутренней части района широких
эмиссионных линий, т.е. менее чем на 1000 гравитационных радиусов центральной чёрной
дыры. Это означает, что запуск джета во многих блазарах происходит благодаря механизму
Блэндфорда-Знаека. Альтернативный механизм – запуск джета магнитной индукцией
аккреционного диска не способен обеспечить столь быстрое ускорение.
Исследование релятивистских ядро-ядерных столкновений на установке PHENIX.
Исследования направлены на решение проблемы создания и изучение свойств плотной и
горячей ядерной материи в релятивистских ядро-ядерных столкновениях. Поставленная
задача связана с исследованием КХД вещества при экстремальной температуре и плотности,
которая затрагивает многие фундаментальные проблемы физики, такие как: природа
конфайнмента и восстановление киральной симметрии, космология ранней вселенной,
астрофизика
компактных
объектов.
Работа
выполняется
в
рамках
соглашения
о
сотрудничестве ИЯИ РАН с Брукхэвенской национальной лабораторией, США. Эксперимент
PHENIX продолжается уже 12 лет. Основная цель группы из ИЯИ РАН заключается в
6
поддержании работоспособности дрейфовых камер центрального плеча установки, а так же в
работе над статьями, готовящимися к печати.
Свойства барионов и ядер в топологических и иных солитонных моделях. Из данных
коллаборации SNO по стабильности дейтерия получено ограничение на
осцилляции
нейтрон-антинейтрон в вакууме, которое близко к лучшему ограничению, полученному из
данных по стабильности кислорода. В киральной солитонной модели рассчитаны полные
энергии связи нейтронно-избыточных гиперядер. Получено удовлетворительное согласие с
данными по гиперядру (Lambda)He-8 и недавно полученными коллаборацией FINUDA
данными об энергии связи тяжелого гиперводорода (Lambda)H-6.
Исследование подпорогового рождения лёгких векторных мезонов и заряженных
каонов в протон и фотоядерных реакциях. В рамках подхода, использующего ядерную
спектральную функцию, исследована возможность изучения в инклюзивных протон- и
фотон-ядерных реакциях модификации свойств (масс, ширин распадов) фи-мезонов, Λ(1520)
гиперонов и каонов в ядерной среде уже при обычной ядерной плотности. Получены
предсказания для А- и импульсной зависимостей абсолютных и относительных сечений
рождения этих частиц в данных реакциях, часть из которых сравнена с имеющимися
экспериментальными данными. В частности, из этого сравнения извлечена полная ширина
фи-мезона в ядерной материи и сечение фи-мезон-нуклонного взаимодействия.
В реакциях инклюзивного рождения кумулятивных антипротонов изучены свойства
уже самой ядерной материи на малых межнуклонных расстояниях - а именно: существование
в ядрах компактных барионных конфигураций - короткодействующих нуклон-нуклонных
корреляций и/или многонуклонных кварковых кластеров.
Поиск тёмной материи Вселенной. Разработано предложение создания двухфазной
аргоновой камеры с массой аргона до 1000 тонн и ожидаемым пределом на величину сечения
рассеяния ВИМП на уровне, меньшем10-48 см2.
Исследование газа СО для использования в лазерах большой мощности. Разработан
экспрессный метод очистки газа СО от мешающих работе лазера примесей: кислорода,
влаги, двуокиси кислорода, карбонилов железа и никеля, карбидов. Для измерения чистоты
газа СО использован разработанный авторами данной работы электронозахватный
газоанализатор «ИСТОК». В проведенных исследованиях впервые показано, что молекулы
СО не электроотрицательны.
Внедрение в медицинскую практику технологии лечения смесями благородных газов
с кислородом. С применением аппаратуры и методов, разработанных в ИЯИ РАН,
в
Больнице РАН в г.Троицке, г. Москва, в терапевтических процедурах показано, что аргон кислородные смеси улучшают иммунный статус, повышают репродуктивную функцию,
7
задерживают
возрастное
физиологическое
угнетение
половой
сферы,
обладают
антистрессорным действием и являются анальгетиком.
Исследование аномального электромагнетизма в углеродных конденсатах. Интерес к
тонким углеродным наноструктурированным плёнкам в ИЯИ РАН возник еще в 80-х гг.
прошлого столетия в связи с использованием их в качестве перезарядных мишеней в
ускорителях заряженных частиц. Структура плёнок представляет собой конгломерат
наноразмерных графитоподобных кластеров, внедрённых в матрицу аморфного углерода. В
процессе работы возник интерес к их проводящим, а также к электромагнитным свойствам,
при исследовании которых были обнаружены: быстрый (единицы наносекунд) скачок
электросопротивления на 4-5 порядков величины при некотором критическом токе, величина
которого зависит от температуры; преобразование СВЧ – сигнала, приложенного к пленке в
постоянное напряжение, амплитуда которого экспоненциально уменьшается с температурой;
температурнозависимые
осцилляции
намагниченности
стопки
плёнок
в
СКВИД–
магнетометре в магнитных полях 1-5 Тесла; генерация ИК–излучения в момент скачка
электросопротивления. Подобные аномалии, наблюдающиеся в углеродных плёнках при
комнатных и даже более высоких (до 650 К) температурах напоминают джозефсоновское
поведение гранулированных сверхпроводников 2-го рода. В отчёте представлено описание
мероприятий по коммерциализации результатов по теме исследования в рамках
инновационного центра Сколково.
Разработка технологии, получение опытных образцов и исследование особенностей
электродинамики
нанокристаллических
композитов
фононных
резонаторов
(НФР).
Нанокристаллиты имеют конечное число мод колебаний кристаллической решётки,
уменьшающееся пропорционально кубу характерного размера. При этом спектр колебаний
становится дискретным, а отдельные моды колебаний не взаимодействуют друг с другом,
что значительно усиливает все фононномодулированные процессы в кристалле. Покрытие
нанокристалла нанооболочкой материала с более высоким атомным весом позволит создать
фононный резонатор, все моды которого будут представлять собой стоячие волны и,
соответственно будут резонансным образом усиливаться. Создание композитов из фононных
резонаторов позволит получить перспективный функциональный материал для электроники
с регулируемой структурой и свойствами. В отчете представлены результаты мероприятий
по привлечению финансирования в проект.
Исследование взаимодействия нуклонов с малонуклонными системами и лёгкими
ядрами на пучках Московской мезонной фабрики. Анализ последних данных по реакции
n+dp+n+n обнаружил большое расхождение между теоретическими предсказаниями и
измеренными сечениями этой реакции в различных конфигурациях, в которых важна роль
8
nn-взаимодействия. В связи с этим представляется необходимым как развитие теоретических
подходов, так и получение новых экспериментальных данных. С этой целью в ИЯИ РАН
создана установка для исследования реакции nd-развала на основе нейтронного пучка канала
РАДЭКС и дейтериевой мишени, позволяющая проводить эксперименты в широкой области
энергии первичных нейтронов (10-60 МэВ), и в различных геометриях (взаимодействия в
конечном состояния, квазисвободного рассеяния (КСР) и “звездной” конфигурации).
Получены предварительные результаты эксперимента в геометриях нейтрон-нейтронного
ВКС и КСР.
Исследование структуры и механизмов взаимодействия слабосвязанных ядер с ядрами
при средних энергиях
Работа направлена на решение фундаментальной проблемы – исследование структуры
легких гало-ядер. Исследование экзотических ядер с одним, двумя и более нуклонами в
приповерхностной области (так называемом гало) может дать информацию о возможности
существования нуклонных кластеров в слабосвязанных системах кор-гало. Подготовлен
проект эксперимента по исследованию кластерной структуры лёгких слабосвязанных ядер в
реакциях квазисвободного и неупругого рассеяния протона в обратной кинематике
фотоэмульсионным методом. Проведено моделирование эксперимента с использованием
созданной программы расчёта кинематических переменных. В аналитическом виде получены
дифференциальные сечения реакций срыва нуклона и срыва остова гало ядра.
Разработка методов и аппаратуры низкофоновых измерений гамма-излучений с
использованием германиевых гамма-спектрометров. Работа направлена на обеспечение
возможности
проведения
низкофоновых
измерений
при
определении
содержания
естественных радиоактивных элементов и нанопримесей в высокочистых веществах и
материалах без использования дорогостоящих подземных установок. С этой целью в ИЯИ
РАН создана установка на базе германиевого гамма-спектрометра в низкофоновой камере с
пассивной внешней и внутренней защитой. Достигнуто значимое уменьшение общего уровня
фона камеры и получены предварительные оценки метрологических характеристик методики
определения U и Th в материалах.
Исследование взаимодействия нейтронов малых энергий с ядрами с возбуждением
коллективных степеней свободы. Исследовалась толщина поверхностного слоя (параметра
диффузности) чётно-чётных ядер (как сферических, так и несферических) с A> 58 из анализа
экспериментальных данных по взаимодействию нейтронов малых энергий с ядрами в рамках
оптической модели со связью каналов. Изучались различия в поведении зарядового и
массового распределения толщины поверхностного слоя чётно-чётных ядер в области
58≤A≤250. Продолжена работа по описанию
9
экспериментальных данных в моделях
жёсткого аксиального и неаксиального ротаторов по различным сечениям взаимодействия
нейтронов с ядром Pt194.
Разработка основ создания средств аварийной радиационной защиты третьего
поколения (АРЗ_3) и методов испытаний и контроля для повышения безопасности
экологической чистоты ядерной энергетики. Рассмотрены
вопросы формирования
радиационных поражений, в том числе – в условиях применения средств индивидуальной
защиты (СИЗ). Проведен анализ применения ранее разработанных и внедрённых в
производство и эксплуатацию СИЗ
второго поколения и даны рекомендации по
дальнейшему развитию. Установлено несоответствие существующей инструментальной базы
и методов дозиметрии требованиям радиационной безопасности.
Проведены
исследования
в
области
как
нейтрон-ядерных
взаимодействий,
нейтронной физики, так и в изучении структуры и динамики конденсированных сред
нейтронными и комплементарными рентгенографическими методами. Были измерены
спектры элементарных возбуждений в системе с антиферроквадрупольным упорядочением
TmTe и ее парамагнитном аналоге Tm0.1Yb0.9Te. Выделена магнитная компонента спектра,
исследовано расщепление основного 4f мультиплета ионов Tm в кристаллическом
электрическом поле. Энергетический масштаб расщепления является рекордно малым среди
редкоземельных соединений. Установлено, что основным состоянием является квартет Γ8,
который обуславливает антиферроквадрупольное упорядочение. Был рассчитан магнитный
спектральный отклик дельта-фазы плутония на основе разработанной ранее модели
множественной промежуточной валентности 5f электронных систем. Была продолжена
разработка кольцевого детектора для времяпролётных установок Нейтронного комплекса
ИЯИ РАН.
10