Национальная академия наук Украини

Национальный научний центр "Харковский физико-технический институт"

Институт физики высоких энергий и ядерной физики

ОТДЕЛ ФУНДАМЕНТАЛЬНО-ПРИКЛАДНЫХ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ ОТДЕЛА - К.Ф.-М.Н. В.И. КАСИЛОВ

Тел./факс: +38(057)3356956

E-mail: kasilovvi@kipt.kharkov.ua

  Отдел создан одновременно с организацией ННЦ ХФТИ в 1993 году для проведения фундаментально-прикладных ядерных исследований и исследований процессов взаимодействия ионизирующего излучения с веществом.
Сотрудниками отдела было опубликовано более 200 научных работ. В настоящее время в числе сотрудников отдела: 1 доктор ф.-м. наук и 7 кандидатов ф.-м. наук.

Основные направления научных исследований

1. Фундаментальные исследования в области ядерной астрофизики.
2. Разработка компактного источника нейтронов для нейтронной и нейтрон-захватной терапии с использованием запаздывающих нейтронов деления.
3. Исследование взаимодействия ионизирующего излучения (электронов, гамма- квантов и нейтронов) с веществом.
4. Экспериментальное исследование продольной и поперечной функций отклика и их моментов легких ядер.

  Экспериментальным и теоретическим исследованиям звездного синтеза р-ядер уделяется большое внимание во многих научно-исследовательских центрах Европы, США, Японии. Если для исследования образования r- и s-ядер нужны скорости (n,γ)-реакций, то для моделирования р-процесса важнейшими реакциями считаются реакции с низко-энергетическими протонами (это (р,γ) b (р,n)-реакции) и фотоядерные реакции типа (γ,n), (γ,р), и (у,α) в припороговой области (γ-процесс).
  В нашем институте выполнен цикл измерений поперечных сечений (р,γ) и (р,n)- реакций на изотопах цинка и селена, при использовании пучка протонов электростатического ускорителя ВГ-4М с энергиями до 3 МэВ. Эти экспериментальные данные будут способствовать моделированию звездного образования р-ядра ⁷⁴Sе и соседних ядер.
  Интегральные выходы (γ,n)-реакций были впервые измерены на ряде изотопов рутения (Ru), палладия (Pd), олова (Sn) и индия (In) среди которых насчитывается 7 р- ядер. В этих экспериментах было использовано тормозное излучение танталового конвертора линейного ускорителя электронов (ЛПЭ-30) ИФВЕЯФ. Полученные экспериментальные результаты включены в общую (EXFOR) и специализированную (KADONIS) базы ядерных данных. Важным является тот факт, что полученные экспериментальные данные могут быть использованы для тестирования, параметризации и дальнейшего совершенствования статистической теории ядерных реакций, с помощью которой рассчитываются сечения (и скорости) тех звездных реакций, которые не могут быть измерены в лабораторных условиях, но в звездах происходят. Для теоретического анализа полученных экспериментальных данных были использованы современные компьютерные коды (NONSMOKER и TALYS).
  Экспериментальные исследования были выполнены в сотрудничестве с такими научными центрами, как Институт Электронной Физики (г. Ужгород), Институт Ядерных Исследований (г. Дебрецен) Венгерской Академии Наук, Лаборатория ядерных реакций Университета Нотр-Дам (США), а теоретический анализ - с Департаментом физики Университета г. Базеля (Швейцария).

  Разработана концепция и создан действующий макет полномасштабного компактного источника нейтронов для нейтронной и нейтрон-захватной терапии онкологических новообразований. По сравнению с существующими источниками нейтронов, используемых в мире для нейтронной и нейтрон-захватной терапии онкологических новообразований, такой источник будет иметь существенные преимущества как по размеру финансовых затрат, так и по своей компактности, что позволит его располагать непосредственно в самой клинике. При этом качество терапевтического пучка нейтронов, которая может быть получена (плотность потока замедленных нейтронов (2-3)×10⁹ нейтр/см ² с., вклад быстрых нейтронов не более 1%), не будет уступать мировым стандартам. Макет позволит провести отработку методов формирования пучка нейтронов для получения терапевтической дозы и минимизации сопровождающего фона гамма-излучения и быстрых нейтронов.
  Макет источника нейтронов состоит из линейного ускорителя электронов, на выходе которого смонтирована активная зона для облучения комбинированной нейтроно- производящей мишени, которая охлаждается водой. Вода, кроме охлаждения, используется также в качестве замедлителя нейтронов, образующихся в мишени за счет фотоядерных реакций и фотоделения при взаимодействии пучка электронов с комбинированной мишенью, а также при делении ядер нейтронами, образовавшимися в активной зоне. В активной зоне дополнительно размещаются малогабаритные мишени из делящегося материала, например, ²³⁸U с 2-20 процентним обогащением по ²³⁵U объемом примерно 1-2 см ², которые после активации становятся компактными источниками запаздывающих нейтронов. Поскольку среднее время жизни запаздывающих нейтронов составляет около 10 с, такая мишень должна быть с помощью пневмопочты (если мишень твердая) или циркуляционного насоса (если мишень жидкая) перемещена за время около 1 с на расстояние более 20 м из бункера ускорителя в помещение, где располагается формирователь потоков замедленных нейтронов для облучения объекта (раковой опухоли).
  Активность излучения запаздывающих нейтронов спадает по экспоненциальному закону. Чем меньше времени мишень излучает запаздывающие нейтроны в формирователь после доставки, тем выше плотность потока нейтронов. По истечению времени излучения мишени в формирователь она отправляется в активную зону, а на ее место доставляется новая активированная мишень. Таким образом, процесс повторяется циклически до накопления необходимой терапевтической дозы при облучении онкологического новообразования.
  Для создания полномасштабного компактного источника нейтронов необходимо использовать линейный ускоритель электронов с энергией до 30 МэВ и мощностью в пучке электронов до 10 кВт.

  Исследованы процессы взаимодействия пучка электронов с энергией 9, 16, 20 МэВ (J∼0,5 μA / см², D = 1-5 10⁶ Рад, Тirr = 30 °С.) и потоков гамма-квантов с водным, спиртовым и глицериновым растворами следующих органических красителей: метиленового-синего (МС) – C16H18N3SCl и метилового-оранжевого (МО) – C14H14N3О3SNa. Использование жидкой матрицы при исследовании органических и биологических объектов, с одной стороны, позволяет проводить анализ неповрежденных молекул растворенного вещества при значительно большей плотности тока пучка по сравнению с твердой матрицей, с другой стороны, раствор чаще всего является хорошим радиопротектором, одновременно дает возможность изучить его защитные свойства. Существенное отличие исследуемых красителей заключается в присутствии в составе МО щелочного металла Na, который является химически активным элементом и в случае отрыва от основной молекулы может участвовать в ряде химических реакций.
  Экспериментально установлено, что водные растворы всех красителей имеют меньшую радиационную стойкость по сравнению со спиртовым и глицериновым.
  Все растворы метилового-оранжевого менее радиационно-стойкие по сравнению с растворами метиленового синего.   При одинаковых потоках гамма-квантов и электронов меньше разрушения растворов красителей наблюдается от гамма-квантов
  В результате проведенных исследований было сделано оценку вклада различных процессов в разрушение органических молекул (радиационно-стимулированные химические реакции и ионизация до 90%, непосредственное взаимодействие электронов с ядрами до 8%, каскадные процессы и влияние гамма-квантов от ускорителя 2%) в зависимости от типа растворителя.
  Проведенные исследования показали, что растворы органических красителей могут быть использованы в качестве детекторов ионизирующего излучения.

  Экспериментальные значения функций отклика и их моменты для ядер ⁶Li і ⁷Li полученны впервые в мире. Эти значения были использованы для установления связи между поведением S_L(q) как функции переданного импульса и кластеризацией ядра, а также для оценки размера ⍺-кластера ядра ⁷Li. Оценка этой величины, полученная с точностью больше чем две стандартные ошибки, указывает на то, что размер ⍺-кластерабольше, чем размер свободной частицы.
  Благодаря полученным экспериментальным значением Кулоновской суммы были найдены значения полной Кулоновской энергии ядер ⁴Не, ⁶Li, ⁷Li и ¹²С. Отметим, что на сегодняшний день, значения полной Кулоновской энергии экспериментально определены только для этих 4-х ядер.

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.