Научная работа на кафедре

Основные направления научной работы на кафедре:

Ускорители электронов нового поколения

    Большой цикл работ выполнен совместно с World Physics Technologies Inc.(США) по разработке и созданию ускорителей электронов нового поколения.
    Получены экспериментальные характеристики различных режимов работы уникального разрезного микротрона на энергию 70 МэВ, построенного совместно с World Physics Technologies, Inc. (США) и запущенного в ОЭПВАЯ НИИЯФ в 2001 г., в широком диапазоне энергий и тока пучка. Проведены первые физические эксперименты на естественной смеси изотопов углерода по измерению короткоживущих продуктов фотоядерных реакций.
    Для создаваемого ускорителя электронов с большой яркостью пучка на энергию электронов 35 МэВ совместно с World Physics Technologies, Inc. (США) и ИТЭФ завершены разработка, изготовление и настройка больших прецизионных поворотных магнитов на основе Nd-Fe-B с уровнем поля 0.5 Т и однородностью 0.05%. Магниты установлены на ускоритель.
    На двухсекционном компактном ускорителе электронов с большой мощностью пучка, запущенном в 2001 г., проведены сеансы облучения образцов полупроводниковой техники, космических материалов.
    Совместно с НПП Торий изготовлены три секции ускоряющих структур для строящегося в Институте ядерной физики г. Майнц (ФРГ) двустороннего микротрона с непрерывным пучком электронов на энергию 1,5 ГэВ.

Ядерная резонансная флуоресценция

Рис. 1. Фрагмент энергетического спектра фотонов ЯРФ от мишени ⁵⁶Fe в области 3-4 МэВ

Главное преимущество ускорителей непрерывного действия – стопроцентный фактор заполнения рабочего цикла, т.е. в таких ускорителях пучок генерируется непрерывно в отличие от импульсных ускорителей, где доля времени существования пучка обычно 0.1%. За счет этого максимальная скорость набора статистики на 2-3 порядка выше, чем на импульсных ускорителях, что дает возможность изучать редкие процессы с малыми сечениями, недоступные для наблюдения на обычных ускорителях. Примером такого рода процессов является Ядерная Резонансная Флуоресценция (ЯРФ) – возбуждение фотонами отдельных ядерных состояний с последующим их распадом посредством обратного высвечивания этих фотонов. ЯРФ удалось наблюдать и исследовать в нашем отделе для нескольких ядер среднего веса с помощью электронного ускорителя непрерывного действия с энергией электронов 6.7 МэВ. По совокупности параметров этот ускоритель лучший в мире для исследования ЯРФ. Фотоны от резонансной флуоресценции регистрировались гамма-спектрометром высокого разрешения на основе сверхчистого германия. На рис. 1 показан фрагмент энергетического спектра фотонов ЯРФ от мишени ⁵⁶Fe в области 3-4 МэВ. Этот спектр получен в течение 1 суток. На обычном ускорителе эти данные могли быть получены лишь за 2 года непрерывной работы.
Хорошо виден пик рассеяния фотонов на состоянии ⁵⁶Fe с энергией 3.449 МэВ. Исследования показали, что это состояние имеет спин 1 и положительную четность и является так называемым “ножничным” возбуждением, отвечающим поворотным вибрациям (с частотой 10²¹ Гц) протонного ядерного эллипсоида относительно нейтронного. Такого рода возбуждения были обнаружены нами для нескольких ядер среднего веса и свидетельствуют о несферичности этих ядер. По характеристикам “ножничных” состояний удалось расшифровать форму этих ядер и, в частности, обнаружить ядра, имеющие форму неаксиальных ротаторов.

Теоретическое исследование структуры и свойств мультипольных резонансов
в сечениях ядерных реакций

Общее направление этих исследований - получение в едином теоретическом подходе волновых функций, формфакторов и эффективных сечений возбуждения легких и средних ядер в широком диапазоне переданных ядру импульсов. Поскольку в настоящее время возрастает роль ускорителей промежуточных энергий в исследовании ядер, перед теорией стоит задача интерпретации имеющихся экспериментальных данных и предсказание новых эффектов для большой группы мультипольных резонансов - от дипольных Е1 и М1 резонансов вплоть до резонансов высших мультипольностей, например, М6 и М8 резонансов для ядер с А > 20. Решение этой задачи для ядер с незамкнутыми оболочками было предпринято в рамках версии модели оболочек, учитывающей распределение дырочных состояний по уровням ядер - продуктов реакций расщепления. Одновременно с развитием этого модельного подхода был предпринят анализ вкладов различных внутриядерных токов в формфакторы электрорасщепления. Были исследованы минимумы этих формфакторов, возникающие вследствие деструктивной интерференции орбитальных и спиновых нуклонных токов внутри ядра. Доказана теорема о минимумах поперечных формфакторов для всех переходов в следующую оболочку, в которых момент нуклона максимален в начальном и конечном состоянии. На основе проведенных исследований получены адекватные опытным данным картины энергетического распределения формфакторов и эффективных сечений Е1, М2, ЕЗ и М4 резонансов как для ядер р-оболочки ( с А от 10 до 15), так и ряда ядер с А от 26 до 60(Е1, М2, М4, М6,М8). (рис.2, 3)

Рис. 2. Положения Е1 интерференционного максимума (а), С1 максимум (b), 1l_l+1/2® 1(l+1)_l+3/2 и Е1 максимум (с) для 1l_l+1/2® 1(l+1)_l+1/2 переходов

Рис. 3. Энергетическое распределение М2 резонанса в ²⁸Si при q = 0,5 Фм^-1

Развиваемая версия модели оболочек позволяет сравнительно простым образом получать и парциальные сечения расщепления. Теоретический расчет продольных и поперечных формфакторов реакции ¹²С(е,е'р₀) позволил дать объяснение экспериментальным данным, полученным в Майнце на ускорителе МАМI-А и связать "исчезновение" поперечного формфактора при переданном ядру импульсе около 0.4 Фм^-1 с проявлением деструктивной интерференции нуклонных внутриядерных токов (рис. 4).

Рис. 4. Сравнение Е1 и С1 формфакторов для реакции ¹²С(e,e'p₀) с экспериментальными данными МАМI-A

Физика электромагнитных взаимодействий

Рис.5. Полное сечение рождения пар заряженных пионов на протоне виртуальными фотонами при трех значениях квадрата переданного 4-импульса Q². Пунктирная линия: наилучшее описание данных с учетом известных N^*. Сплошная линия: с учетом известных N^* и нового состояния 3/2⁺(1720)

В рамках сотрудничества Московского государственного университета, Национальной лаборатории JLAB (США) и Национального института ядерной физики (Италия) на основе модели, развитой в ОЭПВАЯ, выполнен анализ экспериментальных данных по рождению пионных пар виртуальными фотонами, полученных международной коллаборацией CLAS на непрерывном пучке электронов ускорителя нового поколения JLAB(США), с участием физиков ОЭПВАЯ. Обнаружены сигналы от новых типов возбужденных состояний нуклона. Показано, что структура в сечении рождения пар заряженных пионов при Е_см= 1,7 ГэВ, впервые наблюдавшаяся коллаборацией CLAS, не может быть вкладом известных возбужденных состояний нуклона. Описание структуры может быть достигнуто либо при возбуждении нового состояния 3/2⁺(1720), либо при возбуждении известного состояния 3/2⁺(1720), но с отличными от установленных ранее парциальными ширинами распадов по каналам p D и r p (рис.5). Впервые получены данные о Q² зависимости электромагнитных формфакторов для большинства высоколежащих возбужденных состояний нуклона N* (M > 1,6 ГэВ).Полученные данные впервые позволяют исследовать механизмы возбуждения N^* в рамках кварк-глюонных степеней свободы. Показано, что совокупность экспериментальных данных по возбуждению нуклонных резонансов во всех исследовавшихся эксклюзивных каналах может быть описана в рамках механизма однокваркового перехода между 3х-кварковыми конфигурациями в основном и возбужденных состояниях нуклона. В рамках этой модели, развитой в коллаборации с JLAB (США), получено хорошее описание всей совокупности мировых данных по электромагнитным формфакторам N*. Впервые получены данные по моментам инклюзивной структурной функции F₂ в кинематической области, соответствующей значительному вкладу N^*. Развиты методы анализа этих данных в рамках ОРЕ, позволяющие извлечь из экспериментальных данных информацию о механизмах взаимодействия кварков и глюонов в непертурбативной области.

Исследование трансмутации атомных ядер под действием интенсивных потоков g-излучения с энергией до 30 МэВ представляет интерес для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач. Полное сечение взаимодействия g-квантов с атомными ядрами в этой области энергий определяется суммой сечений следующих основных каналов реакций

Для тяжелых ядер (А > 150) основными каналами являются каналы реакции (g,n) и (g,2n). Суммарный вклад всех остальных каналов реакции в случае тяжелых ядер, как правило, не превышает нескольких процентов. При этом каналы реакции (g,n) и (g,2n) составляют 70-80% и 20-25%, соответственно от полного сечения поглощения у-квантов. Канал реакции (g,р) не превышает нескольких процентов:

Однако конкретный результат увеличения величины интенсивности потока g-квантов предсказать практически невозможно, т. к. он сильно зависит от соотношения между интенсивностью потока g-излучения и периодами полураспадов образующихся радиоактивных изотопов.
Исследование выполнено методом численного моделирования. Был создан комплекс программ, выполняющий в автоматизированном режиме построение трансмутационных цепочек и расчет временной эволюции количества ядер, образующихся при облучении произвольно выбранного исходного ядра интенсивным потоком g-излучения

Рис. 6. Массовое распределение изотопов

   Трансмутация атомных ядер под действием интенсивных потоков g-квантов приводит к эффективному образованию химических элементов с зарядом 2 меньшим, чем заряд исходного облучаемого изотопа. Появление в смеси изотопов ядер с меньшим Z обусловлено тем, что образующиеся в фотоядерных реакциях (g,n), (g,2n) атомные ядра, как правило, либо стабильны, либо b⁺-радиоактивны. Канал реакции (g,2n) несмотря на относительно небольшую величину сечения по сравнению с каналом реакции (g,n) играет существенную роль в образовании наиболее легких изотопов данного химического элемента. Канал реакции (g,2n) является единственно возможным каналом фотоядерных реакций образования легких изотопов химического элемента в тех случаях, когда наиболее легкий изотоп данного элемента блокирован более тяжелым радиоактивным изотопом с массовым числом на единицу больше и имеющим маленький период полураспада. Канал реакции (g,2n) является основным каналом образования обойденных ядер в реакциях под действием интенсивных фотонных пучков.
    Увеличение интенсивности тормозного g-излучения приводит к значительному сдвигу массового распределения образующихся стабильных изотопов в сторону меньших значения А и его существенному уширению.
    Количество различных изотопов, образующихся в результате трансмутации исходного ядра, сильно зависит от радиоактивных свойств изотопов, цепочек реакций и распадов в которых они образуются.

Электромагнитное излучение релятивистских электронов в различных средах

    За период 1998-2002 гг. выполнен ряд теоретических и экспериментальных исследований, посвященных физике электромагнитного излучения релятивистских электронов в различных средах. Исследования проводилось с целью поисков эффективных источников коротковолнового излучения и новых методов структурной диагностики конденсированных сред и анализа параметров ускоренных пучков частиц.
    Выполнена серия разносторонних компьютерных исследований по разработке новых высокоэффективных источников жестких электромагнитных фотонов на основе различных механизмов излучения ускоренных электронов. Показано, что, используя предложенные авторами рециркуляционные схемы, в которых ускоренные электроны многократно пересекают тонкие мишени, помещенные в специальное магнитное поле, удается резко поднять радиационный выход источников. В том числе, показана практическая возможность создания на этой основе источника тормозного излучения с интенсивностью остронаправленного фотонного пучка, на порядок превышающей интенсивность традиционных источников; специального источника интенсивного излучения с боковым смещением заряженных частиц, предназначенного для использования сильноточных электронных пучков; источника с пролонгированным (за счет продленного ускорения) режимом излучения, позволяющего обогатить спектр излучения высокоэнергетичными фотонами и существенно повысить общий выход; источников монохроматического параметрического рентгеновского и когерентного тормозного g -излучения с интенсивностью как минимум на порядок выше, чем у традиционных.
    Эти источники, при использовании пучков электронов с энергиями до десятка МэВ, будут иметь компактные размеры, но обладать существенно более высокой эффективностью, чем ныне существующие аналоги.
    Экспериментальные исследования в рассматриваемом направлении проводились на базе ускорителей нового поколения, разработанные в НИИЯФ МГК (Отдел ЭПВАЯ). Полученные результаты позволили ,в частности, выявить особенности когерентного поляризационного излучения (т.е. тормозного излучения на атомных электронах) в рентгеновском диапазоне, проявляющиеся в резком сужении его частотной полосы. Теоретический анализ этого явления привел к обнаружению конфигурационного расщепления спектра этого излучения в легких атомах, что связано с существенно различным частотными вкладами излучений К- и Р-оболочек.

Центр данных фотоядерных экспериментов

    Развитие и совершенствование информационного обеспечения - общая проблема для различных областей человеческой деятельности. Физические исследования в целом (ядерно-физические, в частности) - лишь одна из них. Состояние дел в этой области в течение последних лет характеризуется стремительным ростом объемов получаемой, анализируемой и используемой информации с одновременным повышением требований к ее точности и надежности. Это непосредственно связывает эффективность научных исследований с прогрессом в области информационных технологий.
    Несколько лет назад при координации и под руководством МАГАТЭ была создана международная сеть Центров ядерных данных для накопления, обработки и распространения ядерных данных. В состав сети входит и Центр данных фотоядерных экспериментов НИИЯФ МГУ (http://depni.sinp.msu.ru/cdfe/partners.ru.html).
    Современное развитие средств коммуникации дает возможность организовать online-доступ к накопленным данным для широкого круга специалистов, минуя особенности внутренней организации форматов хранения, одновременно давая недоступные ранее возможности поиска и подбора требуемой информации.
    В ЦДФЭ за последние годы создано несколько больших реляционных баз данных (http://depni.sinp.msu.ru/cdfe/), среди которых основными являются следующие:

Разработанные базы данных позволяют анализировать всю совокупность накопленной информации с единых позиций, предоставляя возможность новых подходов к научным исследованиям, которые можно систематизировать следующим образом:

Созданные базы данных повышают эффективность не только информационного обеспечения научных исследований, но и самих ядерно-физических исследований, не только традиционных, но и таких, которые затруднены (или вообще невозможны) без подобных больших баз данных.

Радиационные прoцессы в твердом теле и новые материалы

    В 1996 г. на кафедре было создано новое направление “Радиационные процессы в твердом теле и новые материалы”, что было вызвано необходимостью обеспечить подготовку специалистов и проведение исследований в области неравновесных процессов, сопровождающих прохождение пучков ионов и молекулярных пучков через конденсированные среды. Такие процессы все шире используются при синтезе материалов с новыми свойствами, получить которые традиционными способами не представляется возможным. Например, формирование пленок нанокристаллического-нанопористого кремния в слоях кремния в результате имплантации больших доз ионов водорода в слои кремния-на-изоляторе (КНИ) и последующих импульсных отжигов. Имплантация водорода позволила создать метод водородного переноса, с помощью которого можно производить КНИ структуры с толщиной кремния менее 500 ангстрем. Приборы созданные на таких КНИ структурах обладают высокой радиационной стойкостью.
    Другой сферой использования радиационных процессов, также непрерывно расширяющейся, является развитие ядерно-физических пучковых методик для диагностики состава и структуры материалов и для исследования явлений в твердом теле и на поверхности. Метод обратного рассеяния ионов (RBS) является широко применяемым методом анализа элементного состава и исследования профилей распределения компонентов образца по глубине. Метод ядер отдачи позволяет проводить недоступные другим методам исследования концентрационных профилей легких элементов (например, водорода). Соединение методов обратного рассеяния и ядер отдачи с каналированием ионов позволило с помощью пучковых методов исследовать структуру дефектов в твердом теле, структуру комплексов образуемых примесными атомами, местоположение примесных атомов в ячейке кристаллической матрицы, в частности положение атомов водорода, и т.д. Возможности этих методов непрерывно расширяются.
    Новая специализация была создана по инициативе группы сотрудников лаборатории Взаимодействия излучений с веществом НИИЯФ МГУ, развивающей методы пучкового анализа, возможности которого еще далеко не исчерпаны. Лаборатория имеет признанный в своей области физики авторитет как в России, так и за рубежом. Она поддерживает многолетние устойчивые связи со многими университетами Европы, США и Японии.
    Для студентов данной специализации был разработан учебный план спецкурсов, ориентированный на то, что в рамках новой специализации студент овладеет фундаментальными знаниями по современной физике твердого тела, теории взаимодействия атомных частиц с веществом, освоит основы современного эксперимента и самые современные методы диагностики твердотельных структур, приобретет навыки компьютерной обработки экспериментальных данных и проведения компьютерного модельного эксперимента.

Радиоэкология

    Учебная и научная значимость радиоэкологии определяется все возрастающим вниманием общества к проблемам радиоактивного загрязнения окружающей среды, вызванного испытаниями атомного оружия, функционированием АЭС, работами по уничтожению атомного оружия и утилизацией отслуживших атомных подводных лодок, растущим применением радиоизотопов в медицине и технике.
    Важным направлением исследований является проблема малых доз ионизирующих излучений (ИИ), имеющая не только радиобиологическое, но и социально-экономическое значение. Естественный фон Земли и подавляющее число случаев облучения относятся к малым дозам. Их биологическая опасность остаётся центральной и спорной проблемой радиационной медицины и радиоэкологии. Проведён сравнительный анализ действия малых доз на различные органы и ткани, рассмотрена проблема порога и делается вывод о его существовании.
    Большое внимание уделено описанию физико-химических свойств, источников, миграции, биологического действия и опасности отдельных наиболее экологически важных радионуклидов – изотопов йода, цезия, стронция, входящих, в частности, в состав выбросов при ядерных взрывах и радиационных авариях на АЭС. Цезий-137 и стронций-90 имеют большой период полураспада (30 лет) и определяют облучение в долгосрочном периоде. Эти и другие радиоизотопы могут быть использованы террористами для создания грязной бомбы и общество должно быть готово к такой угрозе.
    Ряд работ посвящён проблемам, связанным с ликвидацией последствий аварии на Чернобыльской АЭС. Сделаны выводы об эффективности мер предпринятых в момент ликвидации самой аварии и её последствий. Дан анализ динамики экологической обстановки, здоровья разных групп, подвергшихся облучению.