Національна академія наук України

Національний науковий центр "Харківський фізико-техничний інститут"

Інститут фізики високих енергій і ядерної фізики

Відділ фізики випромінювання і багатоканальних трекових детекторів

Начальник відділу – к.ф.-м.н. Н.И. Маслов

Тел./факс: +38(057)3356654/+38(057)3356120

E-mail: nikolai.maslov@kipt.kharkov.ua; Nikolai.Maslov@cern.ch

  Відділ фізики випромінювання і багатоканальних трекових детекторів був створений на початку дев'яностих на основі частини комплексного відділу 32-00, яким керував Н.Ф. Шульга. Основними напрямками комплексного відділу 32-00 були реконструкція експериментального залу прямого виходу ЛПЕ-2000 і дослідження взаємодії ультрарелятивістських електронів з кристалами. Члени комплексного відділу 32- 00 Ганенко В.Б., Гриненко О.О., Касілов В.І., Маслов Н.І., Мороховський В.Л., Трутень В.І., Фомін С.П., Шраменко Б .І., а також Довбня А.Н. і Коваленко Г.Д. за результатами досліджень взаємодії ультрарелятивістських електронів з кристалами в 2012 році були нагороджені званнями лауреатів державної премії в галузі науки і техніки за цикл робіт «ДИНАМІКА ПУЧКІВ ЧАСТИНОК ВИСОКИХ ЕНЕРГІЙ У КРИСТАЛІЧНІЙ СТРУКТУРІ: УПРАВЛІННЯ ПАРАМЕТРАМИ ПУЧКІВ І ВЛАСТИВОСТІ ГАММА- ВИПРОМІНЮВАННЯ».

Основні напрямки наукової діяльності

  1. Багатоканальні трекові детектори. Створення та дослідження.
  2. Дослідження взаємодії ультрарелятивістських електронів (позитронів) з кристалами.
  3. Розробка кремнієвих неохолоджуваних планарних детекторів і детектуючих систем для ядерної фізики, ядерної енергетики та ядерної медицини. Розвиток детекторних технологій.
  4. Створення харківської універсальної тестової платформи для розробки і тестування кремнієвих детекторів.

1. Багатоканальні трекові детектори. Створення та дослідження.

   Співробітники відділу з 1994 року приймають участь у підготовці і проведені міжнародного суперколайдерного експерименту на важких іонах „ALICE” CERN (м. Женева). Для внутрішньої трекової системи експериментальної установки “ALICE” були розроблені, збудовані та досліджені однокоординатний мікростриповий детектор (750 детектуючих елементів) та двокоординатний мікростриповий детектор (1536 детектуючих елементів. В ННЦ ХФТІ збудовано унікальне обладнання для тестування детекторів: мікропозиційне автоматичне обладнання, багатоканальні спектрометричні стенди, автоматизоване обладнання для дослідження довгострокової стабільності та інших характеристик детекторів.

Двокоординатний мікростриповый детектор (1536 детектуючих елементів)
Тестові станції: автоматизована та з ручним переміщенням мікропозиціонерів

  Група ННЦ ХФТІ, за фінансової підтримки CERN і INFN (Національний Інститут Ядерної Фізики Італії, м Трієст), брала участь в дослідженнях і тестуванні детекторів експерименту "ALICE" (Рис. 3).

Установка бареля дрейфових детекторів у внутрішню трекову систему експерименту ALICE

2. Дослідження взаємодії ультрарелятивістських електронів (позитронів) з кристалами.

   Механізми випромінювання електронів в кристалічній речовині залежать від динаміки частинок в сильних полях поблизу кристалічних осей і площин. Причому характер руху частинок визначається умовами орієнтації кристала щодо пучка електронів. При проникненні пучка углиб кристала відбувається перебудова характеру руху, причому основні зміни відбуваються на відстанях до ~ 10 мкм при початковій енергії електронів ~ 200 MеВ.<\br>   Для вивчення механізмів випромінювання електронів в кристалах на установці MAX-лабораторії м. Лунд (Швеція) були виконані систематичні виміри спектрів випромінювання електронів з енергією 200 МеВ в кристалах алмазу завтовшки 100 і 50 мкм, при різних кутах падіння пучка уздовж кристалічної осі <100>. За підтримки Російського фонду фундаментальних досліджень (проєкти № H.4.45.90.11, 1080 і №13-02- 90434), дирекції ДНЦ ІФВЕ і державного фонду фундаментальних досліджень України (проєкти № Ф40.2/092 і № Ф53.2/107) проводилися дослідження виведення/колімації зігнутим кристалом кремнію пучка протонів на прискорювачі У- 70 ДНЦ ІФВЕ (Протвіно, Росія).
  У експерименті кристал кремнію був орієнтованим таким чином, що пучок протонів входив в нього поблизу осі <110>. Осьовий потенціал приблизно в 5 разів вище за площинний, що можна використати для відхилення пучків часток в двох модах - площинного каналювання та з застосуванням моди динамічного хаосу в зігнутому кристалі, запропонований академіком НАН України Н.Ф. Шульгою з колегами. Вивчена ефективність повороту протонів з енергією 50, 15 і 1,3 ГеВ зігнутим кристалом кремнію за рахунок планарного каналювання і за рахунок стохастичного механізму. Ефективність стохастичного механізму зростає зі зменшенням енергії протонів, тоді як ефективність площинного каналювання падає.


Залежність ефективності повороту пучка протонів з енергією 50 ГеВ (ліворуч) та 1,3 ГеВ (праворуч) зігнутим кристалом кремнію від початкового кута між середнім імпульсом часток і площиною кривизни кристала

3. Дослідження структури атомних ядер і механізмів фотоядерних реакцій.

   З метою проведення експериментів по виміру перерізів і асиметрії перерізів реакцій фоторозщеплення ядер гелію ( 4Не(γ,n) 3Нe) і вуглецю ( 12С(γ,p) 11В) на установці МАХ- лабораторії (г. Лунд, Швеція) за ініціативою співробітників відділу в період з 2001 по 2007 рік на основі процесу когерентного гальмівного випромінювання (КГВ) електронів в кристалі алмазу був створений пучок лінійно поляризованих мічених фотонів. Електрони виводилися з накопичувального кільця МАХ- 1, працюючого в режимі розтягувача. Ця робота була підтримана:
• 6-рамковою програмою ЄС Hardron physics - JRA3: Проект EuroTag - European Tagged Photon Facilities
• проєкт УНТЦ – 3239
  Співробітниками відділу були виготовлені гоніометр і вакуумна камера для нього, створена програма управління гоніометром, розроблена методика орієнтування кристала, і система контролю параметрів пучка в ході експерименту.
  Лінійна поляризація гальмівного випромінювання в максимумі когерентного піку при енергії піку ~50 MеВ складала ~20% за відсутності колімації випромінювання і зростала до 40% при жорсткій колімації. Створений пучок при початковій енергії електронів 200 МеВ забезпечував проведення вимірів поляризаційних спостережуваних в інтервалі енергій від гігантського дипольного резонансу і до Eγ˜ %80 MеВ. На створеному пучку з 2007 по 2011 рік були виконані експерименти по виміру перерізів і асиметрії перерізів реакцій фоторозщеплення ядер гелію-4, 4Не(γ,n) 3Не, і вуглецю, 12С(γ,p)11В, з розділенням основного і низько-збуджених станів ядра віддачі 11В. Асиметрії перерізів   реакцій, 4Не(γ,n)3Не і 12C(γ,p)11B вимірювалися одночасно.
У теперішній час йде обробка результатів вимірів. Набраний експериментальний матеріал дозволяє отримувати інформацію одночасно про диференціальний переріз і асиметрію перерізів реакцій фоторозщепленні атомних ядер. На рисунку приведені результати виміру асиметрії перерізів реакції 12C(γ,p)11B порівняно з даними інших авторів і теоретичними розрахунками.

4. Розробка кремнієвих неохолоджуваних планарних детекторів і детектуючих систем для ядерної фізики, ядерної енергетики і ядерної медицини. Розвиток детекторних технологій.

    Здобуті в CERN знання і досвід і створене унікальне устаткування використовуються як в області фізичних досліджень, так і для досліджень і розробок в області ядерної енергетики і інших областях техніки в Україні. Для таких досліджень і розробок разом з мікростриповими детекторами розроблено і виготовлено одноканальний кремнієвий детектор і спектрометричний фотодіод.
  

Ядерна медицина і розвиток техніки медичного приладобудування.

  Паралельно з роботами по ядерній фізиці, проводяться дослідження, спрямовані на рішення завдань ядерної медицини і розвиток техніки медичного приладобудування. На основі розробок групи ННЦ ХФТІ по детекторах і спектрометричній електроніці був розроблений, атестований і пройшов випробування в Інституті Медрадіології в Харкові компактний аналоговий радіометр для раннього виявлення раку по накопиченню радіонуклідів в лімфатичних вузлах. Нині виготовлений і досліджується цифровий радіометр.
  Для реєстрації теплових нейтронів розроблені детектуючий модуль на основі неохолоджуваного кремнієвого детектора з металевим гадолінієвим конвертором і двоканальна спектрометрична система. Дводетекторна спектрометрична система дозволяє виконувати реєстрацію теплових нейтронів по виходу конверсійних електронів з можливістю урахування фонового випромінювання.

Методика експрес-аналізу концентрації медичних радіонуклідів в широкому інтервалі енергії випромінювання.

  Розроблена методика для експрес визначення концентрації медичних радіонуклідів 99mTc, 67Cu з використанням спектрометра на основі неохолоджуваного планарного кремнієвого детектора. Методика експрес-аналізу забезпечує вимір спектрів випромінювання медичних радіонуклідів за допомогою детектуючого модуля на основі неохолоджуваного кремнієвого планарного детектора і детектуючого модуля типу "сцинтилятор кремнієвий фотосенсор". Розроблено спектрометричний пристрій для експрес-аналізу концентрації радіонуклідів і виготовлено його прототип, що підтверджує працездатність пристрою.

5 Створення харківської універсальної тестової платформи для розробки і тестування кремнієвих детекторів.

    У рамках проєкту УНТЦ №9903 в тісній співпраці з Харківським Національним Університетом ім. В.Н.Каразіна (ХНУ) на території ННЦ ХФТІ створюється платформа для досліджень і розробки одно- і багатоканальних неохолоджуваних кремнієвих планарних детекторів для ядерної медицини. Планується створення комплексу пристроїв і методик, що дозволяють дослідження і тестування усіх характеристик детекторів до створення детектуючого модуля зі зчитуючою електронікою.
  Тестова платформа розробляється і створюється в такому складі: автоматизована тестова станція для досліджень і тестування електрофізичних характеристик кремнієвих планарных детекторів (КПД); тестова станція з ручним управлінням для дослідження електрофізичних характеристик КПКД; одноканальний спектрометричний пристрій для досліджень спектрометричних характеристик КПД; комплекс пристроїв для мікродротяного під'єднування КПД. Наявне устаткування, інструменти і матеріали дозволяють здійснювати повний цикл складальних операцій при виготовленні одно- і багатоканальних детекторних пристроїв на основі КПД, включаючи мікродротяну УЗ зварювання на кристали детекторів, плати і інші компоненти, приклеювання усіх складових частин пристроїв, а також герметизацію корпусів детекторних пристроїв.
  Вказаний комплекс призначений не лише для робіт ННЦ ХФТІ, але і для використання в процесі навчання студентів ХНУ їм В.Н. Каразіна, а також для проведення дослідницьких робіт в області детектуючих пристроїв на основі КПД іншими зацікавленими університетами і дослідницькими організаціями України та інших країн.

Основні публікації

1. T.Horbatiuk, V.Kotlyar, M.Maslov, A.Safronov, Production of cc and bb Quark Pairs in pp Collisions at Energies of Experiments at the Large Hadron Collider, East European Journal of Physics, #1, 2019, p.40-45.

2. D.Burdeinyi, et al. The Coherent Bremsstrahlung Beam at MAX-lab Facility. Proceedings of the 51st Workshop of the INFN Eloisatron project "Charged and Neutral Particles Channeling Phenomena" Channeling 2008, Erice, Italy 25 October – 1 November 2008, p.49. World Scientific, The Science andCultureSeries – Physics.

3. V.B.Ganenko, D.D.Burdeinyi, V.I.Truten’, N.F.Shul’ga, K.Fissumd, J.Brudvik, K.Hansen, L.Isaksson, K.Livingston, M.Lundin, B.Nilsson, B.Schroder. Mechanisms of 200 MeV electron radiation in diamond crystal in the axial orientation. Nuclear Inst. and Methods in Physics Research B424 (2018) 17-25

4. В.К. Волошин, et al, «Многоканальная спектрометрическая система на основе считывающего чипа с самозапуском VA2TA», ВАНТ, серия «Ядерно-физические исследования», 2013, вып. 6(88), с.с.165-169.

5. Г.П. Васильев, В.К. et al, «Измерение энергии излучения спектрометрическими системами на основе неохлаждаемых кремниевых детекторов», Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования.- 2014, № 4, с. 94-100.

6. G.P. Vasiliev, et al, Measurement of Radiation Energy by Spectrometric Systems Based on the Uncooled Silicon Detectors, J. Surf. Investigation. X_ray, Synchrotr. and Neutron Techniques, 2014. v. 8, iss.2. p. 391-397.

7. G.P. Vasilyev, et al, Module for thermal neutrons registration based on uncooled silicon detectors and metal gadolinium converter, Problems of atomic science and technology. Series: Nuclear Physic Investigations, 2016, № 3, p. 99-104.

8. G.L.Bochek, et al, Registration of the thermal neutrons using uncooled Si planar detector, Problems of atomic science and technology. Series: Physics of radiation damages and effects in solids, 2016, №4(104), р. 107-112.

9. V.N.Dubina, , et al, Thermal neutrons detection module capable of electron and gamma-separation and background suppression, Problems of atomic science and technology. Series: Nuclear Physic Investigations, 2016, N5(105), p.88-93.

10. O.S. Deiev, et al, Method for express determination of medical radionuclides99mTc, 67Cu concentration using spectrometer based on Si planar detector, Problems of Atomic Science and Technology, 2017, № 6(112), Series: Nuclear Physic Investigations, p.117-121

11. O. S. Deiev, et al, Effective thickness of the planar detector in measurements of electrons energy loss, Problems of Atomic Science and Technology, 2017, N3(109), Series: Nuclear Physic Investigations (68), p.45-49

12. O.S. Deiev, , et al, Registration of thermal neutrons using two-detector module based on silicon detectors and metallic gadolinium, Sep. 24, 2018 - e-Print: arXiv:1809.08803 [physics.ins-det]

13. G.L. Bochek, , et al, Low-energy X-ray radiation after the biological shielding of electron accelerators, Problems of Atomic Science and Technology, 2018. №3(115) Series: Nuclear Physic Investigations p.172-177.

14. G.P. Vasilyev, et al, Technique of thermal neutrons registration by two-channel spectrometric system based on uncooled Si-detectors and gadolinium converter, Problems of Atomic Science and Technology, 2018, № 3(115), Series: Nuclear Physic Investigations, p. 111-117.

Міжнародне співробітництво

1. ALICE” CERN (м. Женева).

2. Колаборація МАХ-TAG = MAX-lab м. Лунд (Швеція).

3. Інститут Фізики Університету м. Гельсінкі.

4. Фінський Метеорологічний Інститут м. Гельсінкі (Фінляндія).