МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени М.В. ЛОМОНОСОВА
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ
имени Д.В. СКОБЕЛЬЦЫНА
УДК 539.1
ВГК ОКП
№ госрегистрации 01200960045
Инв. №
|
|
УТВЕРЖДАЮ
Директор НИИЯФ МГУ
профессор
______________ М.И. Панасюк
«____» __________ 2009 г.
|
ОТЧЕТ
о научно-исследовательской работе
«Исследование структуры атомных ядер, ядерных реакций, физики электронных ускорителей, детекторов, развитие новых методов исследования материалов с использованием пучков гамма квантов и заряженных частиц низких и средних энергий, совершенствование образования по фундаментальным и прикладным проблемам ядерной физики и физики ускорителей»
(1-ый этап)
Шифр «2009-1.1-125-055-007»
Государственный контракт от «7» июля 2009 г. № 02.740.11.0242
в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной
России» на 2009-2013г.
Научный руководитель,
доктор ф.-м. наук, профессор _______________ Б.С. Ишханов
2009
Список основных исполнителей
Научный руководитель,
зав. кафедрой, д.ф.м.н., профессор
|
_______________________
подпись, дата
|
Ишханов Б. С.
(введение, заключение)
|
Исполнители темы:
|
|
|
г.н.с., д. ф.м.н., профессор
|
_______________________
подпись, дата
|
Блохинцев Л. Д.
(раздел 1.2-1.3, 1.7-1.8, 1.11)
|
зав. отделом, д.ф.м.н., профессор
|
_______________________
подпись, дата
|
Романовский Е. А.
(разделы 1.4, 1.12)
|
зав. отделом, д.ф.м.н., снс
|
_______________________
подпись, дата
|
Чеченин Н. Г.
(раздел 1.12)
|
д.ф.м.н., профессор
|
_______________________
подпись, дата
|
Капитонов И. М.
(раздел 1.5)
|
м.н.с., к.ф.м.н.
|
_______________________
подпись, дата
|
Головач Е. Н.)
(раздел 1.1)
|
с.н.с., к.ф.м.н.
|
_______________________
подпись, дата
|
Лебедев В. М.
(раздел 1.6)
|
зав. лаб., д.ф.м.н., профессор
|
_______________________
подпись, дата
|
Варламов В. В
(раздел 1.9)
|
|
|
|
с.н.с., к.ф.м.н.
|
_______________________
подпись, дата
|
Чепурнов А.С.
(раздел 1.10)
|
доцент, к.ф.м.н.
|
_______________________
подпись, дата
|
Кэбин Э. И.
(раздел 1.13)
|
зав. лаб., д.ф.м.н.
|
_______________________
подпись, дата
|
Шведунов В. И.
(раздел 1.14)
|
зав. лаб., к.ф.м.н.
|
_______________________
подпись, дата
|
Спасский А. В.
(раздел 1.15)
|
Нормоконтролер
|
_______________________
подпись, дата
|
Орлова Н. В.
|
РЕФЕРАТ
Отчет 115 с., 1 раздел, 56 подразделов, 65 рис., 7 табл.
Ключевые слова: ускорители, ядерные реакции, структура атомных ядер, ионно-пучковые методы анализа материалов, детекторы, базы данных, сайты, образование.
Объект исследования – структура атомных ядер, ядерные реакции, физика электронных ускорителей, детекторов, методы исследования материалов с использованием пучков гамма квантов и заряженных частиц низких и средних энергий, совершенствование образования по фундаментальным и прикладным проблемам ядерной физики и физики ускорителей.
Цель работы.
Исследование структуры атомных ядер методами ядерной спектроскопии и ядерных реакций под действием γ-квантов и заряженных частиц низких и средних энергий.
Экспериментальные и теоретические исследования в области физики электронных ускорителей и пучков.
Разработка новых детекторов для регистрации частиц и рентгеновского и гамма-излучения.
Развитие новых методов исследования материалов с использованием пучков γ-квантов и заряженных частиц низких и средних энергий.
Обеспечение достижения научных результатов мирового уровня, подготовки и закрепления в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров, формирования эффективных и жизнеспособных научных коллективов.
Методология проведения работы – применение ядерно-физических методов и ядерно-физических установок для исследования структуры атомных ядер, ядерных реакций, физики электронных ускорителей, детекторов, разработки новых методов исследования материалов с использованием пучков ускорителей, совершенствование образования по фундаментальным и прикладным проблемам ядерной физики и физики ускорителей.
Результаты работы.
Получены данные о сечении реакции рождения двух заряженных пионов в резонансной области от порога реакции (~1.4 ГэВ) до 2 ГэВ и при больших виртуальностях фотона (2.0 ГэВ2 < Q2 < 5.0 ГэВ2).
Для различных потенциалов вычислены ядерные вершинные константы (ЯВК), асимптотические нормировочные коэффициенты (АНК) и среднеквадратичные радиусы для гиперядра 5ΛHe, а также длины рассеяния и эффективные радиусы для рассеяния Λ-гиперона на 4He. ЯВК и АНК для ядра 7Be в канале 3He + 4He рассчитаны двумя методами: с помощью оптического потенциала и на основе дисперсионного N/D-метода. Полученные результаты использованы для определения сечения астрофизической реакции радиационного захвата 4He(3He, γ)7Be с образованием ядра 7Be в основном и первом возбужденном состояниях.
С помощью методики низкотемпературной ядерной ориентации измерны угловые распределения α-частиц и γ-квантов, испускаемых ядрами 253,254Es, 255Fm и 250Bk. Получена информация о сверхтонких взаимодействиях для примесей этих актинидов в матрице железа и определен ядерный магнитный момент 254Es.
Модернизирована компьютерная программа расчета одночастичных энергий ядер. На основе анализа данных реакций передачи одного нуклона определены параметры оболочечной структуры (энергии и числа заполнения) изотопов 58,60,62,64Ni, 64,66,68,70Zn. Выявлены и исследованы свойства неклассического магического ядра 68Ni.
Создан и успешно функционирует комплекс аппаратуры, позволяющий измерять и накапливать γ-спектры наведенной активности конечных ядер, образующихся в многочастичных фотоядерных экспериментах. Комплекс позволяет изучать редкие фотоядерные процессы, сопровождаемые вылетом из ядра до 7 нейтронов. Создана библиотека программ накопления и обработки γ-спектров остаточной активности, позволяющая с максимальной точностью и в удобном для исследователя режиме измерять эти спектры и осуществлять их математическую обработку. Выполнены исследования надежности экспериментальных данных по сечениям одно – и двухнейтронных реакций.
В реакции 13С(d, )11В при Е(d) = 15.3 МэВ измерены угловые распределения дифференциального сечения и функции угловой -корреляции (ФУК) в широкой области углов вылета альфа-частиц. С помощью ФУК восстановлены спин-тензоры матрицы плотности ядра 11В в состоянии (5/2-, 4.445 МэВ). На их основе впервые получены заселенности, тензоры мультипольной ориентации и динамическая деформация для этого ядра. Показано, что основной механизм реакции – подхват дейтрона. Определен параметр статической деформации ядра 11В (2 = +0.4).
Выполнены расчеты электронной плотности на ядре Ве-7 внутри фуллерена С60, в металлическом Ве-7, в окиси ВеО и в изолированном атоме Ве. Рассчитаны относительные вероятности распада Ве-7 в указанных средах.
Подобраны два ядра, имеющих рядом с изомерным короткоживущий уровень, связанный с изомерным состоянием относительно интенсивным переходом. Для одного из ядер проведен расчет интегрального сечения индуцированного распада.
Созданы интерактивные Web-интерфейсы для выборки необходимых данных из массивов EXFOR, графического представления данных, основных характеристик сечений, их аппроксимации гауссианом и формирования записей в формате базы даннных параметров гигантского дипольного резонанса (ГДР).
Проведено компьютерное моделирование детектора антинейтрино на основе жидкого водородсодержащего сцинцтилятора объемом 1м3 в предположении детектирования потока антинейтрино от промышленного ядерного реактора.
Рассмотрены существующие схемы детектирования рентгеновского и мягкого гамма-излучения с помощью сверхпроводящих туннельных детекторов и возможности создания на их основе резонансных детекторов для регистрации эффекта Мессбауэра. Разработаны различные конструкции, непосредственно использующие сверхпроводящий туннельный переход для детектирования, выбрана базовая конструкция на основе тантала. Проведена отработка технологического процесса напыления пленок детекторов.
Развита методика ядер отдачи для анализа содержания водорода в алмазоподобных нанокомпозитных гидрогенизированных покрытиях nc-TiC/a-C:H. Впервые предложен способ определения атомной и массовой плотности матрицы нанокомпозитов с использованием набора методик ионнопучкового анализа. Разработана методика спектрометрии рассеяния ионов средних энергий (MEIS) для анализа структуры и состава приповерхностных слоев с высоким разрешением по глубине на базе ускорительного комплекса КГ500-MEIS. Возможности методики MEIS проиллюстрированы на примерах исследования состава и структуры ультратонких многослойных структур.
В новой версии сайта «Ядерная физика в Интернете» опубликованы более 100 статей в разделе "Частицы и атомные ядра. Основные понятия". Открыт раздел «Деление ядер. Ядерные реакторы», где размещены материалы по этому курсу, а также ссылки на материалы на других сайтах. Опубликованы материалы по курсам "Физика столкновений ультрарелятивистских ядер", «Физика фундаментальных взаимодействий», «Гигантский дипольный резонанс атомных ядер». Опубликована новая редакция конспекта семинаров по курсу "Физика частиц и атомного ядра". На сайте открыты разделы "Биографии физиков" и "Физика атомного ядра и частиц в УФН". Подготовлены и опубликованы доклады Х школы молодых специалистов "Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине".
Разработана концептуальная модель компактного разрезного микротрона для интраоперационной радиационной терапии. Проведена разработка основных систем разрезного микротрона: линейного ускорителя и поворотных магнитов. Проведены расчеты динамики пучка в разрезном микротроне.
В результате выполненных исследований воздействия сильноионизирующих частиц с энергией 7.5 МэВ/нуклон на возбудимые биологические структуры и некоторые модельные физико-химические системы показано, что это воздействие приводит к:
1) изменению способности связывать кислород (конформация порфиринового макроцикла гемоглобина) и регулировать свободнорадикальные процессы (активность супероксиддисмутазы плазмы крови);
2) изменению в характере автоволновых процессов в модельных физико–химических системах (возникновение и распространение концентрационных волн).
Все перечисленные выше результаты работ сопоставимы с аналогичными работами, определяющими мировой уровень исследований.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
|
13
|
1 Исследование структуры атомных ядер, ядерных реакций, физики электронных ускорителей, детекторов, развитие новых методов исследования материалов с использованием пучков гамма квантов и заряженных частиц низких и средних энергий, совершенствование образования по фундаментальным и прикладным проблемам ядерной физики и физики ускорителей
|
14
|
|
1.1 Извлечение набора дифференциальных сечений реакции рождения двух заряженных пионов в области 2.0 ГэВ2 < Q2 < 5.0 ГэВ2
|
14
|
|
1.1.1 Введение
|
14
|
|
1.1.2 Полученные результаты
|
14
|
|
1.1.3 Заключение
|
15
|
|
1.2 Расчет ЯВК, АНК и среднеквадратичного радиуса для гиперядра 5ΛHe и низкоэнергетических параметров рассеяния Λ-гиперона на 4He для различных потенциалов. Расчет различными методами ЯВК и АНК для ядра 7Be в канале 3He + 4He. Использование полученных результатов для определения сечения астрофизической реакции радиационного захвата 4He(3He, γ)7Be с образованием ядра 7Be в основном и первом возбужденном состояниях
|
16
|
|
1.2.1 Расчет ЯВК и АНК для ядра 7Be в канале 3He + 4He
|
16
|
|
1.2.1.1 Постановка задачи
|
16
|
|
1.2.1.2 Методы решения задачи
|
16
|
|
1.2.1.3 Полученные результаты
|
17
|
|
1.2.2 Расчет ЯВК, АНК и среднеквадратичного радиуса для гиперядра 5ΛHe и низкоэнергетических параметров рассеяния Λ-гиперона на 4He
|
17
|
|
1.2.2.1 Постановка задачи
|
17
|
|
1.2.2.2 Методы решения задачи
|
17
|
|
1.2.2.3 Полученные результаты
|
18
|
|
1. 3 Измерения угловых распределений альфа- и гамма-излучений ориентированных ядер 253,254Es, 255Fm и 250Bk при сверхнизких температурах. Определение ядерного магнитного момента ядра 254Es
|
19
|
|
1.3.1 Постановка задачи
|
19
|
|
1.3.2 Описание методики эксперимента и полученных результатов
|
19
|
|
1.4 Модернизация компьютерной программы расчетов одночастичных энергий ядер. Определение параметров оболочечной структуры изотопов 58,60,62,64Ni, 64, 66, 68, 70Zn. Выявление и исследование свойств неклассических магических ядер легких и средних масс вблизи и вдали от долины стабильности на основе анализа имеющихся данных о функциях магичности
|
21
|
|
1.4.1 Введение
|
21
|
|
1.4.2 Полученные результаты
|
21
|
|
1.4.3 Заключение
|
23
|
|
1.5 Научно- методические разработки для создания программ обработки результатов экспериментов многонуклонных фотоядерных реакций
|
24
|
|
1.5.1 Постановка задачи
|
24
|
|
1.5.2 Методика исследований
|
24
|
|
1.5.3 Основные полученные результаты
|
25
|
|
1.5.4 Выводы
|
26
|
|
1.6 Измерения функции угловой гамма-альфа–корреляции в реакции 13С(дейтрон, альфа)11В и их теоретический анализ
|
27
|
|
1.6.1 Введение
|
27
|
|
1.6.2 Методика исследования
|
27
|
|
1.6.3 Описание полученных результатов и выводы
|
30
|
|
1.7 Расчет вероятности распада Be-7 в фуллерене C60, в металлическом Be-7 и в ряде химических соединений бериллия
|
37
|
|
1.7.1 Анализ экспериментальных данных и расчет вероятности распада Be-7 в фуллерене C60 и в металлическом Be-7
|
37
|
|
1.7.1.1 Постановка задачи
|
37
|
|
1.7.1.2 Методы расчета электронной плотности
|
38
|
|
1.7.1.3Результаты расчетов и сравнение с экспериментом
|
40
|
|
1.7.2 Расчет электронной части в постоянной распада Be-7 для химических соединений бериллия: BeO
|
42
|
|
1.8 Подбор атомных ядер, имеющих наряду с долгоживущим изомерным уровнем близкорасположенное к нему промежуточное состояние с подходящими квантовыми числами. Оценка величины ядерного матричного элемента перехода между изомерным и промежуточным уровнями
|
44
|
|
1.8.1 Постановка задачи
|
44
|
|
1.8.2 Полученные результаты
|
44
|
|
1.9 Разработка специального программного обеспечения для автоматизированного пополнения разделов электронной карты с использованием числовых данных о сечениях фотоядерных реакций международной БД «База данных по ядерным реакциям» (международный массив «EXFOR»)
|
47
|
|
1.9.1 Постановка задачи
|
47
|
|
1.9.2 Основные полученные результаты
|
47
|
|
1.9.3 Выводы
|
50
|
|
1.10 Компьютерное моделирование физических процессов в детекторе для регистрации антинейтрино
|
51
|
|
1.10.1 Введение
|
51
|
|
1.10.2 Полученные результаты
|
54
|
|
1.11 Разработка конструкции криогенного детектора на основе тантала, изготовление опытных образцов и проведение их тестирования на нескольких температурных уровнях
|
62
|
|
1.11.1 Постановка задачи
|
62
|
|
1.11.2 Методические вопросы и полученные результаты
|
62
|
|
1.12 Разработка методики ядер отдачи для анализа содержания водорода в наноуглеродных материалах. Разработка методики спектрометрии рассеяния ионов средних энергий (MEIS) для анализа структуры и состава приповерхностных слоев с монослойным разрешением по глубине на базе ускорительного комплекса КГ500-MEIS. Разработка методики ядерного обратного рассеяния для анализа содержания легких элементов в перспективных материалах. Разработка методики спектрометрии ионов средних энергий для анализа состава и структуры ультратонких многослойных структур
|
64
|
|
1.12.1 Разработка методики ядер отдачи (ЯО) для анализа содержания водорода в наноуглеродных материалах
|
64
|
|
1.12.1.1 Метод спектрометрии ЯО для анализа наноструктур
|
64
|
|
1.12.1.2 Развитие методики ЯО для анализа содержания водорода в алмазоподобных гидрогенизированных покрытиях
|
64
|
|
1.12.2 Разработка методики спектрометрии рассеяния ионов средних энергий (СРИСЭ - MEIS) для анализа структуры и состава приповерхностных слоев с монослойным разрешением по глубине на базе ускорительного комплекса КГ500-MEIS
|
74
|
|
1.12.3 Разработка методики ЯОР для анализа содержания легких элементов в перспективных материалах
|
79
|
|
1.12.4 Разработка методики спектрометрии ионов средних энергий для анализа состава и структуры ультратонких многослойных структур
|
79
|
|
1.13 Разработка новых научно-методических материалов для интернет-курсов «Частицы и атомные ядра. Основные понятия», «Деление ядер. Ядерные реакторы». Разработка новой версии сайта «Ядерная физика в интернете»
|
84
|
|
1.13.1 Введение
|
84
|
|
1.13.2 Полученные результаты
|
85
|
|
1.13.3 Задачи, которые помогает решать сайт "Ядерная физика в Интернете»
|
88
|
|
1.14 Расчеты основных элементов разрезного микротрона для интраоперационной терапии. Расчеты динамики пучка разрезного микротрона
|
89
|
|
1.14.1 Постановка задачи
|
89
|
|
1.14.2 Описание ускорителя
|
89
|
|
1.14.3 Разработка основных элементов и систем разрезного микротрона
|
91
|
|
1.14.4 Выводы
|
97
|
|
1.15 Исследование воздействия сильноионизирующих частиц с энергией 7.5 МэВ/нуклон на возбудимые биологические структуры и некоторые модельные физико-химические системы
|
98
|
|
1.15.1 Введение
|
98
|
|
1.15.2 Методы и средства для исследований воздействия потоков заряженных частиц с высоким значением ЛПЭ
|
99
|
|
1.15.3 Результаты исследования
|
104
|
|
1.15.4 Выводы
|
108
|
|
1.16 Статистические сведения о результатах выполнения государственного контракта на 1-ом этапе
|
109
|
|
1.17 Технико-экономическая оценка рыночного потенциала результатов, полученных при выполнении НИР на 1-ом этапе
|
113
|
Заключение
|
114
|
|
|
|
