Лаборатории ядерных реакций (циклотронная лаборатория)

Для проведения экспериментальных работ в области ядерной физики задействованы ресурсы лаборатории ядерных реакций, учебной лаборатории ядерных процессов, кафедры ядерной физики. Активно используются новые современные экспериментальные методики, которые применяются в проектируемых и уже имеющихся экспериментах и открывающие, по мере своего развития, широкие перспективы для дальнейших ядерно-физических исследований. Кроме того, видится огромный потенциал во внедрении в процесс обучения достаточно широкого спектра новых обучающих программ на базе собственных оригинальных методик преподавания.

Эффективность и значимость данных работ заключается в том, что подготовленные нами специалисты находят широкое применение в различных областях ядерной физики и ядерно-физических технологий, ядерной медицины, атомной промышленности, электроники и микросхемотехники, вычислительной математики, вычислительной техники и теории информации и т.д.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ

1. Исследования ядерных реакций в широком диапазоне энергий и масс.

Что сделано

1) «Исследование процессов образования и распада ядерных систем средней группы масс»

В рамках этого направления был исследован целый спектр ядерных реакций с целью изучения процессов формирования ядерных систем средней группы масс и их последующего распада в различные, в том числе и экзотические каналы. Наиболее интересные результаты были достигнуты в коллаборации с Hahn Meitner Institut, Berlin, Germany. Были поставлены многопараметрические корреляционные эксперименты на установках BRS-OSIRIS в Hahn Meitner Institut, в Берлине и на ускорителе VIVITRON во Франции в IReS (Strasbourg) на уникальном 4-пи спектрометре BRS-EUROBALL. Результатом работ стало экспериментальное открытие тройных кластерных распадов из гипердеформированных состояний в ядерных системах ⁶⁰Zn и ⁵⁶Ni, ранее предсказанное теоретически, и впервые обнаруженное авторами экспериментально.

2) Был выполнен ряд работ по исследованию ядерных реакций с применением нестабильных нейтроноизбыточных мишеней. Первый этап работ был выполнен на циклотроне У-120 СПбГУ. Второй этап был выполнен на циклотроне К-130 Университета Ювяскюля (JYFL), Финляндия. Были получены важные результаты по взаимодействию кластерных степеней свободы с валентными нейтронами, описаны наблюдаемые в нейтроноизбыточных ядрах вращательные полосы, обнаружен ряд новых, не наблюдавшихся ранее состояний, обладающих аномально высоким спином.

3) Проведены исследования кластерных состояний в ядрах легкой и среднй группы масс. Были получены новые данные о применимости двухчастичных ядерных потенциалов в случае кластеризации, а также получены важные результаты о возможности формирования в ядре конденсата Бозе-Эйнштейна. Эксперименты проводились на циклотроне У-120 СПбГУ для изучения ядерной реакции альфа+12С и альфа+13С при низких энергиях пучков альфа-частиц и на циклотроне К-130 Университета Ювяскюля (JYFL), Финляндия при высоких энергиях пучков альфа-частиц.

Что будет сделано

1. Экспериментальные исследования процессов и механизмов образования ядерных систем легкой и средней группы масс используемых в ядерной медицине в качестве радиоактивных изотопов диагностического и терапевтического назначения. Всесторонний анализ ядерных реакций, в которых образуются элементы.

2. Экспериментальное исследование высоковозбужденных состояний в легких и промежуточных ядрах с избытком или недостатком нейтронов относительно полосы стабильности. Определение характеристик возникающих состояний (энергия возбуждения, спин, преимущественные каналы распада, ширины). Влияние кластерных степеней свободы на механизм ядерных реакций вблизи резонансов (упругая передача альфа-частицы, влияние добавочных нейтронов). Изучение выходов из реакции высоковозбужденных состояний и поиск экзотических конфигураций.

3. Проведение экспериментов по изучению квазимолекулярных состояний при взаимодействии ядер ¹¹В, ¹²,¹⁴ С, ¹⁶О. Для этой цели предполагается разработка системы детекторов, позволяющая с достаточным разрешением регистрировать заряженные ионы с низкими энергиями (до двух МэВ на нуклон). Будут получены данные о выходе из реакции для высокоспиновых состояний. Будет оценен вклад кластерных степеней свободы в упругом рассеянии ядер на большие углы и возможность обмена кластером с добавочными нейтронами. Отдельно будут проанализированы вклады неупругой передачи на упругое и неупругое рассеяние, необходимость в которых связана с повышенной вероятностью образования в результате передачи возбужденных состояний по сравнению с основным состоянием. Использование экспериментальных установок, обладающих высоким разрешением по отбору изотопов позволит детально исследовать реакции с передачей одного-двух нуклонов. Особое внимание будет уделено экзотическим каналам распада, содержащим изотопы с избытком или недостатком нейтронов.

Будут получены значения спектроскопических факторов для исследуемых реакций и оценена их роль в звездном синтезе легких элементов.

4. Экспериментальные исследования свойств тяжелых изотопов актинидов при приближении к границе нейтронной стабильности.

На сегодняшний день известные изотопы актинидов весьма далеки от границы нейтронной стабильности. Например, самый тяжелый из известных в настоящее время, изотопов урана (²⁴²U) отличается от наиболее распространенного изотопа урана (²³⁸U) только на 4 нейтрона. Информация о нейтронноизбыточных изотопах ядерного топливного цикла очень важна для развития ядерной энергетики с реакторами четвертого поколения (GEN-IV). С помощью разработанных моделей будут получены основные характеристики процессов деления таких изотопов. Будут проведены эксперименты на ускорителе тяжёлых ионов на нейтронноизбыточных пучках с использованием ториевых и урановых мишеней в коллаборации с ускорительной лабораторией университета Ювяскюля (Финляндия). Для этих экспериментов планируется создание установки, для проведения многопараметрических корелляционных экспериментов. Установка включает в себя детекторы для регистрации легких заряженных частиц, осколков деления, нейтронов и гамма-квантов с соответствующей системой сбора и обработки информации.

2. Детекторы и детекторные комплексы

1) Система мониторинга пучков заряженных частиц. В целях повышения интенсивности пучков заряженных частиц на мишени, создана система мониторинга пучков заряженных частиц выводимых из различных циклотронов. Для нее разработаны принципиальные схемы, изготовлен пробный вариант устройства, проведены тестовые испытания.

2) В коллаборации c ALICE в CERN в рамках работ по модернизации внутренней Внутренней трековой системы мегадетектора ALICE были проведены метрологические измерения кремниевых материалов, используемых для изготовления монолитных пиксельных детекторов на основе КМОП. Данные легли в основу для последующего выбора конкретных кремниевых образцов при создании детекторных комплексов состоящих из монолитных пиксельных детекторов. Были проведены метрологические исследования ультратонких гибридных детекторов. Были проведены предварительные испытания монолитных кремниевых пиксельных детекторов на основе КМОП технологий (MIMOSA, EXPLORER ).

Проведены тепловые испытания сверхлегких структур поддержки с интегрированной системой охлаждения для кремниевых пиксельных детекторов на основе КМОП технологий. Создан специальный экспериментальный стенд.

Что планируется

1) Наладка и запуск в работу специализированного стенда для испытаний и аттестации прототипов монолитных кремниевых пиксельных сенсоров детекторов ( MIMOSA-32, EXPLORER-1 и др.), разрабатываемых в настоящее время в коллаборации ALICE для модифицированного Внутреннего трекера ITS.

2) Разрабатываются детекторные комплексы для проведения экспериментов на пучках тяжелых ионов университетов JYFL, A&M.

3) Создание межфакультетского учебно-научного центра по дозиметрии и экологии окружающей среды.

3.Изотопные технологии

Изучение, разработка новых и усовершенствование существующих методов производства радионуклидов используемых в медицинских технологиях. Исследуются ядерные реакции для получения ультракороткоживущих радионуклидов, используемых в позитрон-эмиссионной томографии (ПЭТ).

Исследуются ядерные реакции для получения радионуклидов используемых в терапии онкологических заболеваний.

Используются новые мишенные узлы (на основе твердых мишеней с возможностью облучения пучками заряженных частиц с большой интенсивностью) для производства радионуклидов диагностического и терапевтического назначения.

Проведенный анализ используемых в настоящее время методов наработки радионуклидов на ускорителях заряженных частиц позволил выявить типичные ограничения для их эффективного получения: а) сильный нагрев мишени б) разрушение подложки мишени при использовании тонких фольг в) потери стартового сырья и ухудшение его качества при последующей регенерации изотопных мишеней; г) высокая трудоемкость. Для устранения всех перечисленных трудностей будет использован новый мишенный узел, специально сконструированный для решения такого рода проблем.

Жеребчевский Владимир Иосифович кандидат физ.-мат.наук, заведующий лабораторией ядерных реакций.

Ниже приводится ряд фотографий отражающих текущую экспериментальную работу как у нас так и за рубежом.