Національна академія наук України

Національний науковий центр "Харківський фізико-техничний інститут"

Інститут фізики високих енергій і ядерної фізики

ВІДДІЛ ФУНДАМЕНТАЛЬНО-ПРИКЛАДНИХ ЯДЕРНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ

НАУКОВИЙ КЕРІВНИК ВІДДІЛУ - К.Ф.-М.Н. В.Й. КАСІЛОВ

Тел./факс: +38(057)3356956

E-mail: kasilovvi@kipt.kharkov.ua

  Відділ створений одночасно з організацією ННЦ ХФТІ в 1993 р для проведення фундаментально - прикладних ядерних досліджень і дослідження процесів взаємодії іонізуючого випромінювання з речовиною.
За цей час співробітниками відділу було опубліковано понад 200 наукових робіт. У даний час в числі співробітників: 2 доктори ф.- м. наук, 7 кандидатів ф.-м. наук.

Основні напрямки наукової діяльності

  1. Фундаментальні дослідження в області ядерної астрофізики.
  2. Розробка компактного джерела нейтронів для нейтронної і нейтрон-захватної терапії при використанні запізнілих нейтронів поділу.
  3. Дослідження взаємодії іонізуючого випромінювання (електронів, гамма-квантів і нейтронів) з речовиною.
  4. Експериментальне дослідження поздовжньої та поперечної функцій відгуку та їхніх моментів у випадку легких ядер.

ФУНДАМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ В ОБЛАСТІ ЯДЕРНОЇ АСТРОФІЗИКИ

  Експериментальним та теоретичним дослідженнями зіркового синтезу р-ядер приділяється велика увага в багатьох науково-дослідницьких центрах Європи, США, Японії. Якщо для дослідження утворення r- та s-ядер потрібні швидкості (що через астрофізичний S-фактор витягуються з поперечних перерізів) (n,γ)-реакцій, то для моделювання р-процесу найважливішими реакціями вважаються реакції з низько- енергетичними протонами (це (р,γ) та (р,n)-реакції) та фотоядерні реакції типу (γ,n), (γ,р), та (у,α) в припороговій області (γ-процес).
  В нашому інституті виконано цикл вимірювань поперечних перерізів (р,γ) та (р,n)- реакцій на ізотопах цинку та селену, при використанні пучка протонів електростатичного прискорювача ВГ-4М з енергіями до 3 МеВ. Ці експериментальні дані будуть сприяти моделюванню зіркового утворення р-ядра 74Sе та сусідніх ядер.
  Інтегральні виходи (γ,n)-реакцій були вперше виміряні на ряді ізотопів рутенію (Ru), паладію (Pd), олова (Sn) та індію (In) серед яких налічується 7 р-ядер. В цих експериментах було застосовано гальмівне випромінювання танталового конвертора лінійного прискорювача електронів (ЛПЕ-30) ІФВЕЯФ. Отримані експериментальні результати включено в загальну (EXFOR) та спеціалізовану (KADONIS) бази ядерних даних. Важливим є той факт, що отримані експериментальні дані можуть бути застосовані для тестування, параметризації та подальшого вдосконалення статистичної теорії ядерних реакцій, за допомогою якої розраховуються перерізи (та швидкості) тих зіркових реакцій, які не можуть бути виміряні в лабораторних умовах, але в зірках відбуваються. Для теоретичного аналізу отриманих експериментальних даних були використані сучасні комп'ютерні коди (NON-SMOKER та TALYS).
  Експериментальні дослідження були виконані в співпраці з такими науковими центрами, як Інститут Електронної Фізики (м. Ужгород), Інститут Ядерних Досліджень (м. Дебрецен) Угорської Академії Наук, Лабораторія Ядерних Реакцій Університету Нотр-Дам (США), а теоретичний аналіз − з Департаментом Фізики Університету м. Базеля (Швейцарія).

Функція збудження для реакції 113In(γ,n)112mIn
Функція збудження для реакції 113In(γ,n)112gIn

РОЗРОБКА КОМПАКТНОГО ДЖЕРЕЛА НЕЙТРОНІВ ДЛЯ НЕЙТРОННОЇ І НЕЙТРОНЗАХВАТНОЇ ТЕРАПІЇ ПРИ ВИКОРИСТАННІ ЗАПІЗНІЛИХ НЕЙТРОНІВ ПОДІЛУ

  Розроблено концепцію та створено діючий макет повномасштабного компактного джерела нейтронів для нейтронної і нейтронозахватної терапії онкологічних новоутворень. У порівнянні з існуючими джерелами нейтронів, що використовуються в світі для нейтронної і нейтронозахватної терапії онкологічних новоутворень таке джерело матиме суттєві переваги як по своїй компактності так і за розміром фінансових витрат, що дозволить його розташовувати безпосередньо в самій клініці. При цьому якість терапевтичного пучка нейтронів, яка може бути отримана (щільність потоку уповільнених нейтронів (2-3)×109 н/см 2 с., частка швидких нейтронів не більше 1%), не буде поступатися світовим стандартам. Макет дозволить провести відпрацювання методів формування пучка нейтронів для отримання терапевтичної дози і мінімізації супроводжуючого фону гамма - випромінювання і швидких нейтронів.
  Макет джерела нейтронів складається з лінійного прискорювача електронів, на виході якого змонтована активна зона для опромінення комбінованої нейтроновиробляючої мішені, що охолоджуэться водою. Вода, окрім охолодження, використовується також як сповільнювач нейтронів, що утворюються в мішені за рахунок фотоядерних реакцій і фотоподілу при взаємодії пучка електронів з комбінованою мішенню, а також під час ділення ядер нейтронами, що утворилися в активній зоні. В активній зоні додатково розміщуються малогабаритні мішені з подільного матеріалу, наприклад, 238U с 2-20 процентним збагаченням 235U об'ємом приблизно 1-2 см кубічних, які після активації стають компактними джерелами запізнілих нейтронів. Оскільки середній час життя запізнілих нейтронів становить близько 10 с. така мішень повинна бути за допомогою пневмопошти (коли мішень тверда) або циркуляційного насоса (коли мішень рідка) переміщена за час майже 1 с на відстань понад 20 м з бункера прискорювача в приміщення де розташовується формувач потоків уповільнених нейтронів для опромінення об'єкту (ракової пухлини).
  Активність випромінювання запізнілих нейтронів спадає за експоненціальним законом. Чим менше часу мішень випромінює запізнілі нейтрони в формувачу після доставки, тим вище щільність потоку нейтронів. Після закінчення часу випромінювання мішені в формувачу вона відправляється в активну зону, а на її місце доставляється нова активована мішень. Таким чином, процес повторюється циклічно до накопичення необхідної терапевтичної дози при опроміненні онкологічного новоутворення.
  Для створення повномасштабного компактного джерела нейтронів необхідно використовувати лінійний прискорювач електронів з енергією до 30 МеВ і потужністю в пучку електронів до10 кВт.

ДОСЛІДЖЕННЯ ВЗАЄМОДІЇ ІОНІЗУЮЧОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ (ЕЛЕКТРОНІВ, ГАММА-КВАНТІВ І НЕЙТРОНІВ) З РЕЧОВИНОЮ

  Досліджено процеси взаємодії пучка електронів з енергією 9, 16, 20 МеВ (J∼0,5 μA / см2, D = 1-5 106 Рад, Тirr = 30 °С.) і потоків гамма-квантів з водним, спиртовим і гліцериновим розчинами наступних органічних барвників: метиленового синього (МС) - C16H18N3SCl і метилового оранжевого (МО) - C14H14N3О3SNa. Використання рідкої матриці при дослідженні органічних і біологічних об'єктів, з одного боку, дозволяє проводити аналіз непошкоджених молекул розчиненої речовини при значно більшій щільності струму пучка в порівнянні з твердою матрицею, з іншого боку, розчин найчастіше є хорошим радіопротектором, що одночасно дає можливість вивчити його захисні властивості. Істотна відмінність досліджуваних барвників полягає в присутності в складі МО лужного металу Na, який є хімічно активним елементом і в разі відриву від основної молекули може брати участь в ряді хімічних реакцій.
  Експериментально встановлено, що водні розчини всіх барвників мають меншу радіаційну стійкість в порівнянні зі спиртовим і гліцериновим;
  Всі розчини метилового оранжевого менш радіаційно стійкі в порівнянні з розчинами метиленового синього. Істотна відмінність досліджуваних барвників полягає в присутності в складі МО, лужного металу Na, який є хімічно активним елементом і в разі відриву від основної молекули може брати участь в хімічних реакціях.
  При однакових потоках гамма - квантів і електронів менше руйнування розчинів барвників спостерігається у разі гамма - квантів.
  В результаті проведених досліджень було зроблено оцінку вкладу різних процесів в руйнування органічних молекул (радіаційно стимульовані хімічні реакції, та іонізація до 90%, безпосередня взаємодія електронів з ядрами до 8%, каскадні процеси і вплив гамма-квантів від прискорювача 2%) в залежності від типу розчинника.
  Проведені дослідження показали, що розчини органічних барвників можуть бути використані в якості детекторів іонізуючого випромінювання.

Спектри поглинання спиртових, розчинів барвників до (2, 4) і після (1, 3) опромінення електронами (доза 1 Мрад)

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ПОЗДОВЖНЬОЇ ТА ПОПЕРЕЧНОЇ ФУНКЦІЙ ВІДГУКУ ТА ЇХНІХ МОМЕНТІВ У ВИПАДКУ ЛЕГКИХ ЯДЕР

  Представлення перерізів інклюзивного розсіяння електронів ядрами через поздовжню і поперечну функції відгуку є дуже зручним для аналізу даних, оскільки ці функції містять більш диференційовану інформацію про взаємодію електрона з ядром. Так, поздовжня функція відгуку є результатом взаємодії електронів з електричними зарядами ядра, поперечна – з магнітними моментами нуклонів і токами ядра.
  Співробітниками відділу отримані експериментальні значення функцій відгуку та їхніх моментів у діапазоні переданих імпульсів q = 0.55  1.63 фм -1 для низки ядер:

  1. 30 значень Кулонової суми S L (q) – нульового моменту поздовжньої функції відгуку ядер 2 Н, 4 Не, 6 Li, 7 Li, 12 C.
  2. 16 оцінок значень першого моменту поздовжньої функції відгуку ядер 2 Н, 4 Не, 12 C, 16 О, 27 Al.
  3. 8 значень нульового моменту поперечної функції відгуку ядер 2 Н, 4 Не.
  4. 9 значень відношень нульових моментів поперечної функції відгуку ядер 7 Li і 6 Li.

  Експериментальні значення поздовжньої функцій відгуку були використані для тестування сучасних моделей нуклон-нуклонних потенціалів, а також для перевірки розрахунків внеску обмінних сил у перший момент цієї функції, визначення вкладу мезонних обмінних токів у нульовий момент поперечної функції відгуку ядра, та прояву нуклон-нуклонних кореляцій в Кулоновій сумі.

Поздовжня функція відгуку ядра 7Li при q = 1 фм-1.
Крива − екстраполяція експериментальних даних в область переданих енергій ω ➝ ∞.

Кулонова сума ядра 7Li.

  Експериментальні значення функцій відгуку і їхні моменти для ядер 6Li і 7Li здобуті вперше у світі. Ці значення були використані для встановлення зв'язку між поведінкою SL(q) як функції переданого імпульсу і кластеризацією ядра, а також для оцінки розміру ⍺-кластера ядра 7Li. Оцінка цієї величини, одержана з точністю більшою ніж дві стандартні похибки, вказує на те, що розмір α-кластеру є більшим за розмір вільної частинки.
  Завдяки здобутим експериментальним значенням Кулонової суми були знайдені значення повної Кулонової енергії ядер 4Не, 6Li, 7Li і 12С. Зазначимо, що на сьогоднішній день, повну кулонову енергію експериментально визначено тільки для цих 4-х ядер.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ

1. В.Б. Ганенко, А.Н. Довбня, В.И. Касилов, Г.Д. Коваленко, Н.И. Маслов, В.Л. Мороховский, В.И. Трутень, С.П. Фомин, Б.И. Шраменко, А.А. Гриненко Динамика пучков частиц высоких энергий в кристаллических структурах, управление параметрами пучков и свойствами гамма-излучения // Государственная премия Украины в области науки и техники. 2013 г.

2. Н.И. Айзацкий, С.Н. Афанасьев, А.Ю.Буки, С.П. Гоков, Л.С. Ожегов, А.А. Пархоменко, В.М. Хвастунов, Н.Г. Шевченко Исследование атомных ядер электронами и фотонами с энергией до 300 МэВ //Харьков, ННЦ ХФТИ, 2017, 393 с.

3. В.М. Хвастунов, В.В. Деняк, В.И. Касилов Расчет системы параллельного переноса пучка электронов в канале вывода на 30 МэВ ускорителя ЛУЭ-300 // Problems of atomic science and technology, series: Nuclear Physics Investigations, 2010,V 3 (54), P. 205-207.

4. В.И. Касилов, А.Ю. Буки, С.П. Гоков, С.С. Кочетов, К.С. Кохнюк, Л.А. Махненко, П.Л. Махненко, И.В. Мельницкий, В.Ф. Попов, И.Л. Семисалов, О.А. Шопен, В.М. Хвастунов Канал вывода пучка электронов с энергией до 30 МэВ для исследования фото- и электроядерных реакцій // Вісник Харківського національного університету ім. В.Н. Каразина, серія фізична "Ядра, Частинки, Поля", 2010, № 916, вип. 3 (47), с. 78-81.

5. В.И. Касилов Фото- и электроделение ядер вольфрама в ориентированном монокристалле // Вісник Харківського національного університету ім. В.Н. Каразина, серія фізична "Ядра, Частинки, Поля", 2011, № 955, вип. 2 (50), с. 37- 42.

6. В.И. Касилов. Методика измерений сечений, угловых и массовых распределений осколков в процессах электроделения тяжелых ядер в области энергий гигантского резонанса // Вісник Харківського національного університету ім. В.Н. Каразина, серія фізична "Ядра, Частинки, Поля", 2012, № 991, вип. 1 (53) с. 41-45.

7. А.Ю. Буки, С.А. Каленик, И.Л. Семисалов, И.С. Тимченко, А.С. Задворный, Н.Г. Шевченко, В.И. Касилов, С.П. Гоков, С.С. Кочетов, Г.И. Ледовской, П.Л. Махненко. Опытный образец шарового нейтронного спектрометра Боннера активационного типа // Вісник Харківського національного університету ім. В.Н. Каразина, серія фізична "Ядра, Частинки, Поля", 2012, вип. 4 (56), с. 35-42.

8. С.П. Гоков, В.Й. Касілов Л.О. Махненко, О.О. Хоміч Дослідження теплових процесів в вакуумно-розділових та вихідних фольгах електронних прискорювачів // Вісник Харківського національного університету ім. В.Н. Каразина, серія фізична "Ядра, Частинки, Поля", 2012, вип. 2 (54), с. 89-96.

9. А. Ю. Буки, С. П. Гоков, Ю. Г. Казаринов, С.А. Каленик, В. И. Касилов, С.С. Кочетов, П.Л. Махненко, И.В. Мельницкий, А. В. Твердохвалов, В. В. Цяцько, О. А. Шопен Исследование процессов взаимодействия релятивистских электронов с растворами органических красителей // Problems of atomic science and technology, series: Nuclear Physics Investigations, 2014,V.5 (93), P. 98-101.

10. И.Л. Семисалов, Е.А. Скакун, В.И. Касилов В.Ф. Попов Активационная методика измерения скоростей астрофизических фотоядерных реакций в пучке тормозного излучения // Problems of atomic science and technology, series: Nuclear Physics Investigations, 2014, V.5 (93), P. 102-110.

11. В.И. Касилов, С.П. Гоков, А.Н. Довбня, С.А. Каленик, К.С. Кохнюк, С.С. Кочетов, А.А. Хомич, О.А. Шопен Thermal and epithermal neutron generation for nuclear medicine using electron linear accelerator // East European Journal of Physics, 2016,V.3, № 3, p. 64-72.

12. A.Yu. Buki, I.S. Timchenko. The Coulomb sum of 7Li // Ядерна фізика та енергетика, 2018, Т.19, №2, C.103-110.

13. A.Yu. Buki, I.S. Timchenko, N.G. Shevchenko, I.A. Nenko Coulomb sums of the 4Не nucleus at q = 0.88 to 1.25 fm−1 // Phys. Lett., 2006, V. B641, P.156-158.

14. A.Yu. Buki, I.S. Timchenko, Manifestation of nuclear clusterization in Сoulomb sums // East Eur. J. Phys., 2018, V.5, №1, P. 36-40.

15. A.Yu. Buki, N.G. Shevchenko, I.S. Timchenko. Saturation of Coulomb sum rules in the 6 Li case // EPJA, 2012, V.48, №2, 17.