Нейтронная ядерная физика

Участвующие страны и международные организации:

Азербайджан, Албания, Армения, Беларусь, Болгария, Ботсвана, Венгрия, Вьетнам, Германия, Грузия, Египет, Индия, Италия, Казахстан, Китай, Куба, МАГАТЭ, Молдова, Монголия, Польша, Республика Корея, Россия, Румыния, Северная Македония, Сербия, Словакия, Словения, США, Таиланд, Турция, Узбекистан, Финляндия, Франция, Хорватия, ЦЕРН, Чехия, Швейцария, ЮАР, Япония.

Изучаемая проблема и основная цель исследований:

Ядерно-физические исследования с нейтронами традиционно являются одним из приоритетных направлений, развиваемых в ОИЯИ. На сегодняшний день эти исследования проводятся в рамках научной темы «Исследования взаимодействия нейтронов с ядрами и свойств нейтрона» (03-4-1128-2017/2023). Комплексное использование базовых установок ЛНФ – импульсного источника резонансных нейтронов ИРЕН, импульсного реактора ИБР-2 и электростатического генератора ЭГ-5, а также установки ТАНГРА – позволяет проводить ядерно-физические исследования в широком диапазоне энергий нейтронов – от холодных нейтронов до ~20 МэВ, а использование внешних источников нейтронов, таких как n_TOF (ЦЕРН), позволяет расширить диапазон энергий до нескольких сот МэВ.

Работы и исследования в рамках темы направлены на реализацию задач, сформулированных в предложениях в Семилетний план развития ОИЯИ 2024–2030 по направлению «Ядерная физика». Физические исследования можно разделить на три направления:

1. Исследование нарушений фундаментальных симметрий во взаимодействиях нейтронов с ядрами, получение ядерных данных.

2. Исследование фундаментальных свойств нейтрона, физика ультрахолодных и очень холодных нейтронов.

3. Прикладные и методические исследования.

Научная программа темы «Нейтронная ядерная физика» будет реализовываться в рамках трех проектов: двух научных («Исследование взаимодействия нейтронов с ядрами и свойств нейтрона» и «TANGRA») и одного научно-технического («Модернизация ускорителя ЭГ-5 и его экспериментальной инфраструктуры»). Работы по разработке концепции источника УХН на импульсном реакторе планируются выделить в отдельную активность.

Краткая аннотация и научное обоснование:

Информация о нейтрон-ядерных взаимодействиях крайне важна как для фундаментальной, так и для прикладной физики. Отсутствие у нейтрона электрического заряда делает его уникальным зондом для исследования ядерных сил. Обусловленная электрической нейтральностью высокая проникающая способность нейтронного излучения делает перспективным его применение для изучения структуры вещества как на ядерном, так и на молекулярном уровнях. Нейтроны широко используются и в прикладных целях: в досмотровых комплексах, установках неразрушающего элементного анализа, в устройствах для исследования ближайшего окружения буровых скважин (каротажа), а также, при создании детекторов нейтронов и гамма-квантов, используемых на борту орбитальных и спускаемых космических аппаратов для анализа грунта и атмосферы небесных тел. Сведения о нейтрон-ядерных реакциях необходимы и для проектирования перспективных ядерно-энергетических установок, а также для моделирования различных приборов и объектов, так или иначе взаимодействующих с нейтронным излучением. Показателем актуальности исследования характеристик нейтрон-ядерных взаимодействий может служить то, что список наиболее востребованных ядерных данных по большей части состоит из запросов, напрямую связанных с нейтрон-ядерными реакциями.

Проект TANGRA (Tagged Neutrons and Gamma Rays) направлен на изучение нейтрон-ядерных реакций с использованием метода меченых нейтронов, поиск новых путей использования нейтронных методов в фундаментальных и прикладных исследованиях, усовершенствование существующих и создание новых подходов к обработке результатов ядерно-физических экспериментов. Одной из задач, решаемых в рамках проекта, является интерпретация существующих экспериментальных данных по реакциям взаимодействия быстрых нейтронов с атомными ядрами, их систематизация и валидация. Приоритетным направлением работы является получение ядерных данных.

Ожидаемые результаты по завершении проекта:

1. Выполнение экспериментов по исследованию угловых распределений рассеянных нейтронов.

2. Экспериментальное исследование (n,γ) и (n’,γ)-корреляций.

3. Теоретическое описание исследуемых реакций.

4. Проведение экспериментов по исследованию реакции (n,2n).

5. Заключение о применимости ММН для выполнения элементного анализа почв. В случае положительного результата — создание прототипов стационарной и мобильной установок, а также методических рекомендаций по их использованию для целей сельского хозяйства и экологического мониторинга.

Полученные при реализации настоящего проекта результаты будут ценны как для фундаментальной, так и прикладной науки. Полученные экспериментальные данные по выходам и угловым распределениям γ-квантов могут быть использованы для увеличения точности моделирования методом Монте-Карло различных физических установок. Другим планируемым применением полученных экспериментальных результатов является быстрый элементный анализ. Оптимизированные параметры моделей могут быть использованы для теоретического описания ранее не изученных реакций. Разработанные прототипы установок для элементного анализа почв могут стать основой для создания устройств, полезных для интенсификации сельского хозяйства и мониторинга состояния окружающей среды.

Ожидаемые результаты по проекту в текущем году:

1. Измерения полных и дифференциальных сечений характеристических гамма-линий для различных элементов с помощью детекторов -квантов высокого разрешения.

2. Разработка экспериментальной установки для исследования (n’γ) корреляций и выполнение тестовых измерений.

3. Выполнение части экспериментальной программы по разработке и верификации методики по измерению концентраций углерода в почве.

4. Выполнение моделирования установки для измерений концентрации углерода в почве с целью разработки метода глубинного профилирования концентраций макроэлементов.

Краткая аннотация и научное обоснование:

Проект направлен на модернизацию основных систем электростатического ускорителя заряженных частиц ЭГ-5, развитие ионно-лучевых и комплементарных им методов исследования элементного состава и физических свойств приповерхностных слоев твердых тел.

Цель проекта: обеспечение технической возможности для реализации научной программы ПТП ОИЯИ по исследованию реакций с быстрыми квазимоноэнергетическими нейтронами, развитие ядерно-физических методов исследования элементного состава, решение задач нейтронного радиационного материаловедения, реализация практических приложений нейтронной физики; обеспечение технической возможности для реализации уникальных опций микропучкового спектрометра.

Задачи проекта. Основной технической задачей Проекта является восстановление диапазона энергий ускоренных частиц: 900 кэВ - 4,1 МэВ и повышение тока ионного пучка до 100-250мкА при сохранении энергетической стабильности ионного пучка на уровне не хуже 15 эВ, обеспечение пространственной стабильности ионного пучка, достаточной для реализации опции микропучкового спектрометра / ядерного микрозонда.

Основной организационной задачей является закладка и развитие кадрового потенциала для обеспечения полноценного выполнения проекта в перспективе минимум 3-х семилеток.

В задачи проекта, так же входит обновление экспериментальной инфраструктуры ускорительного комплекса, в частности, развитие новых методов исследования физических свойств поверхности материалов, способных дополнить и повысить качество получаемой научной продукции, нтенсификация международного научно-технического сотрудничества, организация юзерской политики, формирование базе ЛНФ ОИЯИ межлабораторного ускорительного центра для решения широкого спектра уникальных научно-технологических задач.

Основными критериями успешного выполнения проекта является: получение потока нейтронов, достаточного для проведения ядерно-физических экспериментов с быстрыми нейтронами энергетической стабильности ионного пучка, достаточной для создания микропучкового спектрометра/ядерного микрозонда.

Ожидаемые результаты по завершении проекта:

В результате выполнения Проекта будут восстановлены технические параметры ускорителя (энергия ускоряемых частиц 4,1 МэВ при максимальном токе не ниже 100 мкА), что позволит проводить в ОИЯИ исследования реакций с быстрыми нейтронами, обеспечит технические условия для установки микропучкового спектрометра. К имеющемуся нейтронному генератору на основе газовой мишени будет добавлен нейтронный генератор на основе твердотельной литиевой мишени с замедлителем, модифицирована камера облучения образцов потоками ионов.

Будет создана новая специализированная лаборатория для подготовки объектов исследования, укомплектованная комплементарными методами исследования оптических и электронных свойств поверхности, как эллипсометрия, оптическая и электронная микроскопия, методиками исследования электрических свойств на постоянном и переменном токе (вольтамперометрия, импедансметрия).

Кроме модернизации и расширения приборной базы ускорительного комплекса будет проведена закладка кадрового потенциала на ближайшие 20-30 лет. К имеющимся методам элементного анализа добавятся методы анализа на основе мгновенных гамма-квантов от неупругого рассеяния нейтронов и нейтронно-активационный анализ.

Модернизация ЭГ-5 в ОИЯИ, где имеются высококвалифицированные специалисты, хорошая детектирующая аппаратура и ценные наработки по исследованию атомных ядер нейтронами, даст возможность проведения в краткосрочной перспективе ряда новых, уникальных экспериментов по измерению энергетических спектров и угловых распределений заряженных частиц из реакций (n, α) и (n, p) / (α, n) и (p, n) и интегрального и дифференциального сечений последних в интервале энергий нейтронов до ~6 МэВ, процессов деления атомных ядер быстрыми нейтронами, активационного анализа, проведение экспериментов в области нейтронного материаловедения и др.

Ожидаемые результаты по проекту в текущем году:

– сертификация и ввод в эксплуатацию ускорителя ЭГ-5 и его экспериментальных залов в тестовом режиме;

– замена утратившей рабочие характеристики высоковольтной ускорительной трубки и источника ионов;

– достижение тока ионного пучка свыше 100мкА;

– улучшение и настройка параметров ионной оптики ускорителя ЭГ-5 (перенастройка с режима фокуссатора на конденсор);

– модернизация и автоматизация газобаллонного хозяйства, адаптация технологической схемы;

– модернизация вакуумной системы;

– автоматизация всех сервисных систем ускорителя;

– запуск лаборатории для инжиниринга и исследования образцов методами, комплементарными ионно-лучевым;

– формирование кадрового потенциала группы;

– выполнение технических проектов, в частности, проекта с АО «Микрон» «Проведение подготовительных работ, включая изготовление системы развертки ионного пучка в растр, так же тестовой электронно-лучевой обработки и испытаний с использованием импедансной спектроскопии полупроводниковых пластин диаметром 150 мм в количестве до 20 шт.», технического проекта с Госкорпорацией «РОСАТОМ» «Исследование зависимости чувствительности устройства УДКН-04Р от энергии нейтронов», проекты с АО «Ангстрем» и др.

Краткая аннотация и научное обоснование:

Ядерные процессы и структурные изменения в материалах, индуцированные медленными, резонансными и быстрыми нейтронами и ускоренными заряженными частицами, традиционно исследуются в ЛНФ ОИЯИ. Взаимодействие нейтронов с атомными ядрами представляет интерес как для фундаментальных, так и для прикладных исследований.

Комплексное использование базовых установок ЛНФ – импульсного источника резонансных нейтронов ИРЕН, импульсного реактора ИБР-2 и электростатического генератора ЭГ-5 – позволяет проводить широкий спектр ядерно-физических исследований в широком диапазоне энергий нейтронов – от холодных нейтронов до ~14 МэВ, а использование внешних источников нейтронов, таких как n_TOF (ЦЕРН), позволяет расширить диапазон энергий до нескольких сот МэВ. Фундаментальные исследования, проводимые в Отделении ядерной физики ЛНФ, включают нарушение пространственной и временной симметрии, изучение механизма ядерных реакций, структуры атомных ядер, процессов деления, индуцированных нейтронами, нейтронно-индуцированных реакций с вылетом легких частиц, свойств нейтрона как элементарной частицы, свойств ультрахолодных и очень холодных нейтронов, квантово-механических эффектов с участием нейтронов.

В ЛНФ также были разработаны исследовательские программы для прикладных исследований, таких как получение ядерных данных и информации о радиационной стойкости материалов для ядерных технологий, энергетики и трансмутации, радиационный мутагенез на быстрых нейтронах, нейтронно-активационный анализ на тепловых и эпитепловых нейтронах, нейтронно-активационный анализ на мгновенных гамма-квантах, элементный анализ с использованием нейтронных резонансов, элементный анализ на быстрых нейтронах, анализ элементного состава тонких пленок, исследование радиационной стойкости материалов к воздействию ускоренных заряженных частиц на пучках электростатического ускорителя, разработка радиационно- стойких наноструктурированных материалов с использованием пучков ускоренных ионов.

Ожидаемые результаты по завершении проекта:

1. Уточнение характеристик известных резонансов, обнаружение ранее неизвестных. Измерение сечений реакций и корреляций продуктов в резонансной области с точностью, достаточной для исследования P- и T-нечетных эффектов.

2. Выполнение экспериментов по исследованию TRI и ROT эффектов в делении, измерению массово-энергетических и угловых распределений осколков, мгновенных нейтронов и гамма-квантов; поиску редких и экзотических мод деления, как с использованием ИБР-2, так и сторонних источников.

3. Проведение экспериментальных и теоретических исследований нейтрон-ядерных реакций в широком диапазоне энергий налетающих частиц.

4. Исследование картины нестационарной дифракции нейтронов на поверхностных акустических волнах. Проверка справедливости общепринятых законов нейтронной оптики в случае больших ускорений.

5. Развитие моделей расчета транспорта ОХН и ХН в материале наноалмазных отражателей и расширение области их применимости на диапазон тепловых нейтронов.

6. Изучение структуры графитов после их интеркалирования и измерение сечений рассеяния холодных нейтронов интеркалированными графитами.

7. Получение данных для ядерной энергетики и астрофизики: измерение интегральных и дифференциальных нейтронных сечений, угловых корреляций в области энергии от холодных нейтронов до сотен МэВ.

8. Изучение радиационной стойкости различных материалов, в том числе, перспективных для применения в качестве отражателей и замедлителей нейтронов. Разработка и исследование радиационной стойкости электронных компонентов, в том числе, работающих на новых физических принципах.

9. Разработка с использованием порошковых нанотехнологий и ионных пучков приборов энергетики и электроники.

10. Получение новых данных и мониторинг экологической обстановки в отдельных регионах стран-участниц ОИЯИ с помощью НАА.

11. Исследование влияния нейтронного облучения на свойства живых биологических объектов и тканей.

12. Исследование слоистых структур, в том числе, высокотемпературных сверхпроводников с помощью методик RBS, ERD и PIXE.

13. Выполнение элементного анализа различных объектов культурного наследия.

Ожидаемые методические результаты:

1. Развитие методики нейтронной спиновой интерферометрии с УХН.

2. Определение оптимальных технологий синтеза и модификаций веществ для использования в качестве отражателей УХН и ХН.

3. Разработка методов очистки вод и почв, оценки качества продуктов питания. 

4. Изучение процессов накопления наночастиц в органах животных и растений, оценка их влияния на здоровье изучаемых живых объектов.

5. Разработка методики неразрушающего элементного анализа на мгновенных гамма-квантах. Усовершенствование существующих методик активационного анализа на тепловых и резонансных нейтронах.

6. Выполнение работ по созданию электроники и датчиков ионизирующих излучений на новых физических принципах.

Полученные в ходе реализации проекта фундаментальные результаты будут иметь важное значение для понимания механизмов нейтрон-ядерных реакций и развития теоретических представлений об этих процессах. Исследование P- и T-нечетных эффектов даст информацию о величине вклада слабого взаимодействия в ядерные силы и может служить альтернативным методом определения коэффициента смешивания Vud СКМ-матицы. Получение новой информации о ROT и TRI-эффектах, а также экзотических модах деления позволит прояснить особенности одного из этапов этого процесса - разрыва делящегося ядра на фрагменты. Данные, полученные при выполнении нейтронно-оптической части проекта, будут необходимы для создания новых замедлителей и отражателей нейтронов. Кроме того, они позволят существенно продвинуться в разработке методов нейтронной микроскопии и исследованиях магнитной структуры различных объектов.

 Выполнение прикладной программы проекта будет иметь важное социальное значение и способствовать прогрессу экологических, материаловедческих, археологических и нанотехнологических исследований, а также перспективных разработок в области современной электроники и энергетики. Создаваемые и модернизируемые методики элементного и структурного анализа будут востребованы во многих отраслях человеческой деятельности.

Ожидаемые результаты по проекту в текущем году:

1. Подготовка к измерениям P- и T-нарушающих эффектов на установке ИРЕН. Выполнение тестовых экспериментов по исследованию угловых распределений гамма-квантов резонансного захвата.

2. Модернизация установки ЭНГРИН и измерение множественности мгновенных нейтронов деления и массово-энергетических распределений продуктов реакции ²³⁵U(n_res,f) с большей точностью.

3. Создание прототипа установки для измерений угловых корреляций в окрестностях р-волновых резонансов на среднетяжелых и тяжелых ядрах на 4-ом канале установки ИРЕН: расчет и создание защиты, определение параметров пучка, проведение тестовых измерений.

4. Реконструкция большого жидкостного сцинтилляционного детектора на пролетной базе 60 м установки ИРЕН.

5. Определение элементного состава ряда археологических образцов методом нейтронного резонансного анализа на установке ИРЕН.

6. Закупка материалов и оборудования для создания установки по исследованию ROT-эффекта на канале №1 реактора ИБР-2. Выполнение тестовых измерений угловых распределений мгновенных нейтронов и гамма-квантов, испускаемых при делении ядер урана.

7. Получение результатов эксперимента по поиску истинного и псевдочетверного деления ²⁵²Cf. Начало проекта по модернизации установки с использованием более совершенных детекторов Timepix3.

8. Создание компактного сцинтилляционного детектора с использованием микропиксельного лавинного фотодиода.

9. Проведение измерений сечения реакций ⁶Li(n,α) и ¹⁴⁸Sm(n,α) на быстрых нейтронах.

10. Выполнение измерения коэффициента асимметрии «вперед-назад» в реакции (n,p) для ³⁵Cl – в резонансной области энергий.

11. Проведение измерений сечения реакций (n,p) и (n,α) реакции на газовых образцах (азот, неон).

12. Оценка атмосферных выпадений тяжелых металлов в странах-участницах ОИЯИ.

13. Создание новых методов ремедиации почв и сточных вод.

14. Новые результаты по исследованию влияния наночастиц металлов и нейтронного излучения на живые организмы.

15. Исследование возможности постановки нового эксперимента с УХН для проверки слабого принципа эквивалентности с точностью на уровне 10^-4.

16. Измерение величины сдвига Гуса-Хэнхен в эксперименте по полному отражению нейтронной волны от резонансной структуры (при условии предоставления времени на современном нейтронном рефлектометре высокого разрешения).

17. Завершение исследований водородосодержащих примесей во фторированных наноалмазах (ФДНА).

18. Проведение исследований радиационной стойкости ФДНА, оксидных, металлических и высокоэнтропийных соединений.

19. Измерение сечений нейтронного рассеяния на порошке ДНА в зависимости от его плотности, а также на фторированном интеркалированном графите.

20. Завершение работы над концепцией источника УХН на импульсном реакторе периодического действия в рамках заявленной «Активности».

21. Получение мутантов для селекции устойчивых к засухе и засолению почв сортов риса и пшеницы.

22. Разработка приборов гомогенной электроники и адсорбционной энергетики для критических и перспективных строительных технологий.

Краткая аннотация и научное обоснование:

С момента открытия ультрахолодных нейтронов (УХН) в мире появился целый ряд интенсивных источников УХН и ведется сооружение еще нескольких из них. В Дубне источник УХН отсутствует, что в значительной степени связано с особенностями реактора ИБР-2М. Его средняя мощность 2 МВт относительно мала для создания источника УХН непрерывного действия, а частота повторения 5 Гц слишком велика для того, чтобы можно было аккумулировать нейтроны, рожденные в каждом отдельном импульсе. Однако импульсный поток тепловых нейтронов этого реактора очень велик, поскольку интервал между импульсами в сотни раз превышает их длительность.

Особенностью будущего источника УХН в ОИЯИ является импульсный режим наполнения ловушки, при котором нейтроны поступают в нее только во время импульса, а остальное время ловушка остается изолированной. Практическое осуществление этой идеи затруднено тем обстоятельством, что из-за наличия биологической защиты, ловушка оказывается удаленной от замедлителя, в котором генерируются УХН, и должна быть соединена с ним транспортным нейтроноводом. При этом разброс времен пролета транспорта может значительно превышать интервалы между импульсами, лишая смысла саму идею накопления. Для решения этой проблемы в работе предлагалось использовать специальное устройство — временную линзу, дозированно меняющее энергию нейтронов по мере их прихода в эту линзу. Такое устройство позволяет восстановить импульсную структуру нейтронного пучка непосредственно перед входом в ловушку.

В последнее время идея импульсного наполнение ловушки УХН является предметом интенсивного обсуждения в литературе. Возникли альтернативные подходы к временной фокусировке нейтронов и методам замедления более быстрых, так называемых очень холодных нейтронов (ОХН) до энергий, характерных для УХН. Появились теоретические работы, посвященные аспектам формирования нейтронного импульса временной линзой, а также особенности временной структуры пучка нейтронов при использовании флиппера-замедлителя c сильным магнитным полем. В результате появился значительный набор идей и предложений, которые могут быть положены в основу проекта нового источника УХН.

Целью работ в рамках «Активности» является формулировка на основе анализа как уже имеющихся, так и некоторых новых идей касающихся транспорта УХН, эволюции длительности нейтронных сгустков и формирования оптимальной временной структуры сгустков на входе в ловушку, концепции источника УХН на импульсном реакторе. Таковым может быть как имеющийся в ЛНФ реактор ОИЯИ ИБР-2М, так и проектируемый реактор НЕПТУН. Предполагается, что конечный спектр УХН на входе в ловушку будет сформирован путем замедления ОХН.

Ожидаемые результаты по завершении проекта:

Создание концептуального проекта источника ультрахолодных нейтронов (УХН) на импульсном реакторе.

Ожидаемые результаты по проекту в текущем году:

1. Создание проекта флиппера-замедлителя нейтронов с передачей энергии порядка мкэВ.

2. Выбор конструкции быстрого затвора, обеспечивающего импульсный режим наполнения ловушки УХН, и минимально воздействующего на плотность хранящихся в ловушке нейтронов.

3. Анализ возможных вариантов конвертера-замедлителя УХН обеспечивающего наибольшую плотность потока УХН при нужной длительности импульса.

Сотрудничество по теме: