Программно-консультативный комитет ОИЯИ по ядерной физике на прошедшей в июне сессии рекомендовал подготовить и открыть проект «Модернизация ускорителя ЭГ-5 и развитие его экспериментальной инфраструктуры» в рамках темы «Исследования взаимодействия нейтронов с ядрами и свойств нейтрона» с финансированием в рамках бюджета текущего Семилетнего плана развития ОИЯИ, начиная с 2021 года.

Созданный на основе генератора Ван де Граафа электростатический ускоритель ЭГ-5 стационарно действует в отделении ядерной физики Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ с 1965 года. Благодаря относительной простоте и надежности конструкции, а также характерному для одноступенчатых электростатических ускорителей уникальному сочетанию параметров ионного пучка (высокая пространственная и энергетическая стабильность при относительно большом токе), ускоритель ЭГ-5 в настоящий момент безальтернативно остается наиболее эффективным и удобным ядерно-физическим инструментом для решения широкого спектра актуальных научных задач физики ядра, физики конденсированных сред, биологии, электроники, медицины. Относительно высокий ток ионного пучка (до 100 мкА) позволяет получать в результате облучения тритиевой мишени дейтронами (реакция D(d,n)³He) быстрые монохроматические нейтроны в области энергий до 20 МэВ. Согласно перечню наиболее актуальных задач современной ядерной физики (Nuclear Data High Priority Request List), данный диапазон энергий является высоко востребованным в современных исследованиях физики ядра. В частности, исследования индуцированных нейтронами реакций с вылетом заряженных частиц дают ценную информацию о механизме протекания ядерных реакций и структуре атомного ядра, процессах звездного нуклеосинтеза и т. д. Следует отметить, что соответствующие задачи трудно и дорого решать на других типах нейтронных установок. Большой опыт таких исследований имеется в ОИЯИ, АО «ГНЦ РФ – ФЭИ» (г. Обнинск) и ФГУП «РФЯЦ – ВНИИЭФ» (г. Саров).

Фото из архива ЛНФ: Н. А. Голованов, И. Н. Мартынов и А. М. Комендантов собирают колонну ЭГ-5

Высокая энергетическая стабильность (~0,01 %) ионного пучка, характерная для одноступенчатых ускорителей – синглетронов – позволяет с очень высокой точностью проводить исследования элементного состава поверхностных слоев материалов и обусловливает возможность создания на основе ЭГ-5 уникального микропучкового спектрометра с размером ионного пучка менее 1 мкм. Такие узконаправленные пучки не могут быть получены, например, на популярных сейчас перезарядных ускорителях – тандетронах. Ионно-лучевой «микрозонд» диаметром порядка 1 мкм позволит локально проникать в глубину органоидов живой клетки (облучение), проводить с высоким разрешением точечное исследование глубинных профилей и структуры поверхности микроскопических твердотельных объектов неорганической природы и т.д.

К сожалению, в настоящий момент в РФ и странах-участницах ОИЯИ имеется всего один микропучковый спектрометр в г. Сарове [1] и не более пяти действующих ускорителей, пригодных для производства быстрых нейтронов[2], что существенно ограничивает исследовательские возможности в области современной радиационной биологии, медицины, физики конденсированного состояния и физики атомного ядра. Из-за исчерпания технического ресурса ускорителя ЭГ-5 в настоящий момент в ОИЯИ практически остановлены или вынесены за границы России исследования реакций с квазимоноэнергетическими быстрыми нейтронами. Последние весомые результаты, указывающие на необходимость уточнения имеющихся представлений об основном источнике нейтронов в астрофизических процессах – реакции ²²Ne(α,n)²⁵Mg, были получены нашей группой под руководством профессора Ю. М. Гледенова на аналогичном ускорителе в Пекинском университете. В течение последних трех лет нашей группой на быстрых нейтронах были измерены сечения (n,α)-реакций для элементов ¹⁴⁴Sm, ⁶⁶Zn, ¹⁰B, ²⁵Mg, ^54,56Fe, ^58,60,61Ni и в настоящий момент вместе с Обнинским ФЭИ ведутся работы над Российской библиотекой ядерных данных BROND по ряду ядер (⁶Li, ¹⁴N, ³⁵Cl, ⁹¹Zr и ⁵⁶Fe).

Тем временем в ОИЯИ с использованием ЭГ-5 проводятся исследования в области физики конденсированного состояния. Существующие параметры ЭГ-5 позволяют обеспечить работу комплекса ионно-лучевых спектрометров на основе методов Резерфордовского обратного рассеяния (Rutherford backscattering, RBS), метода протонов отдачи (Elastic Recoil Detection, ERD), метода индуцированного частицами излучения в рентгеновском диапазоне (Particle Induced X-Ray, PIXE), базирующихся на пучках протонов и ионов гелия с энергиями от 1 до 2,5 МэВ/ядро. Методом RBS в настоящий момент проводятся уникальные неразрушающие экспериментальные исследования элементных глубинных профилей полупроводниковых и высокотемпературных сверхпроводниковых систем с разрешением по глубине около 10 нанометров. Имеется уникальная возможность исследования многослойных архитектур типа TiO₂/SiO₂/Si, SiO₂/TiO₂/Si и процессов структурной релаксации, сопровождающихся окислением или гидрогенизацией поверхностных слоев. Предел чувствительности метода составляет величину порядка 10¹⁵ атомов • см^-2. Метод позволяет, например, определять содержание примеси в количестве 0,001 атомных процентов. При комплексном использовании перечисленные методы позволяют определять количественный состав и распределение по глубине в приповерхностном слое до 1 мкм всех элементов таблицы Менделеева и их изотопов, включая легкий водород. Тем не менее большая часть возможностей ускорителя в данный момент не может быть реализована, и актуальной проблемой является физический износ основных узлов и систем установки, а также моральное старение научно-экспериментальной базы. Следует отметить, что проблема устаревания установок и остановки ускорителей за последние 30 лет в РФ имела системный характер.

Для решения указанной технической проблемы в рамках Семилетнего плана развития ОИЯИ на 2017 – 2023 гг., предусматривающего концентрацию ресурсов для обновления ускорительной и реакторной базы Института, директором ЛНФ В. Н. Швецовым был инициирован проект модернизации ускорителя ЭГ-5 и его экспериментальной инфраструктуры.

Целью проекта является обеспечение технических условий для выполнения в рамках Дорожной карты и Проблемно-тематического плана ОИЯИ научной программы по исследованию процессов взаимодействия высокоэнергетических частиц с веществом, в частности реакций с быстрыми квазимоноэнергетическими нейтронами, взаимодействия радиационных излучений с биологическими объектами, конденсированными средами, обеспечение технических возможностей для реализации проекта микропучка, развитие комплекса ионно-лучевых спектрометров и др.

В результате выполнения проекта будут восстановлены технические параметры ускорителя (энергия ускоряемых частиц до 4,1 МэВ при токе 100 мкА), что позволит проводить в ОИЯИ исследования реакций с быстрыми нейтронами, обеспечит технические условия для установки микропучкового спектрометра. Будет установлен новый современный высокопроизводительный ионно-лучевой исследовательский модуль RC43 фирмы NEC с расширенными возможностями (RBS высокого разрешения, метод ядерных реакций (Nuclear Reaction Analysis, NRA), методы анализа спектров индуцированных ионным пучком гамма-излучения (Proton Induced Gamma Emission, PIGE) и люминесценции (Ion Beam Induced Luminescence, IBIL)). Будет создана новая специализированная лаборатория для подготовки объектов исследования, укомплектованная комплементарными методами исследования оптических и электронных свойств поверхности (эллипсометрия, оптическая и электронная микроскопия), методами исследования электрических свойств на постоянном и переменном токе. Кроме модернизации и расширения приборной базы ускорительного комплекса предусмотрено развитие кадрового потенциала на ближайшие 20–30 лет. В настоящий момент в составе сектора СИНЯВ ОЯФ создана отдельная группа «Установка ЭГ-5». Помимо высококлассных специалистов в нее входят активные ребята – студенты Университета «Дубна», которых обучают исследовательским методам и правилам эксплуатации ускорителя.

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), интегрального и дифференциального сечений последних в интервале энергий нейтронов до ~20 МэВ, процессов деления атомных ядер быстрыми нейтронами, активационного анализа и других.

Использование микропучковых спектрометров и собственно ионных пучков в качестве источников ионизирующего излучения позволит существенно продвинуться в разработке новых функциональных материалов, приборов и технологий для ряда областей народного хозяйства, включая технологии высокотехнологичного здравоохранения, технологии производства функциональных продуктов питания, которые входят в перечень задач приоритетного научно-технического развития РФ[3]. Тем не менее проект модернизации ЭГ-5 нужно рассматривать, скорее, как важный, но промежуточный этап большой работы. Чтобы в рамках ОИЯИ успешно развивать рассмотренные выше направления и в дальнейшем занимать лидирующие позиции, в перспективе требуется покупка нового современного электростатического ускорителя с энергиями ускоряемых частиц до 6 МэВ.

Александр Дорошкевич, Наталия Тихонова

[1] Nuclear Data High Priority Request List: https://www.oecd-nea.org/dbdata/hprl/search.pl?vhp=on. [2] Robert W. Hamm, Reviews of Accelerator Science and Technology: https://doi.org/10.1142/7745 (август, 2012). [3] Приоритетные направления Стратегии НТР РФ (п. 20): http://fcpir.ru/business/prioritety-nauchno-tekhnologicheskogo-razvitiya/.