В течение прошлого, четвертого, сеанса пусконаладочных работ на комплексе NICA впервые были начаты прикладные исследования с использованием пучков ускоренных ионов с энергиями порядка нескольких ГэВ на нуклон. В них приняли участие сотрудники Федерального исследовательского центра химической физики
им. Н. Н. Семенова (ФИЦ ХФ РАН), облучив образцы фторполимерных, полиэтилентерефталатных и полиимидных пленок российского производства. По результатам проведенных исследований ученые этой организации подают заявку на патент. Сотрудничество будет продолжено в последующих сеансах пусконаладочных работ.

Фторопласты, или фторполимеры, – это полимеры на основе соединений фторуглерода, имеющие высокую устойчивость к растворителям, кислотам и щелочам. Фторполимеры занимают важную нишу в промышленности и интенсивно исследуются. Эти материалы считаются перспективными благодаря их высоким эксплуатационным характеристикам, таким как химическая стойкость, электроизоляционные и механические свойства, проявляющиеся в широком диапазоне температур и при различных уровнях влажности. Эти уникальные свойства нашли применение в медицине, космической индустрии, строительстве, оборонной промышленности.

Полиимиды – это полимеры, относящиеся к классу высокопрочных пластмасс. Самые тонкие полиимидные пленки в микрон толщиной применяются в качестве оптических окон в источниках синхротронного излучения. Более толстые пленки используются, в частности, для высоковольтной и высокотемпературной изоляции электрических цепей, фиксации подвижных проводников в электронных устройствах, изготовления печатных плат, подшипников и других промышленных изделий.

Полиэтилентерефталатные пленки широко применяются в качестве упаковочных материалов, в электротехнике и электронике в виде конденсаторных пленок и т. д. Особо следует отметить технологию получения ядерных фильтров на основе ионно-облученных полиэтилентерефталатных пленок, которая была создана в Лаборатории ядерных реакций имени Г. Н. Флерова ОИЯИ почти 50 лет назад. Достоинством ядерных фильтров является высокая степень однородности распределения открытых микропор цилиндрической формы по диаметрам, что является важным требованием при разработке устройств для плазмафереза, очистки воздуха и воды от патогенных микроорганизмов. Одним из перспективных направлений совершенствования производимых в настоящее время ядерных фильтров является увеличение толщины используемых в них мембранных материалов. Сейчас толщина слоя мембранного материала ограничивается длиной пробега заряженных частиц излучения, используемого для создания латентных треков в толщине материала. К примеру, пробег ускоренных ионов ксенона с энергией ~1 МэВ/нуклон в полиэтилентерефталате не превышает 20 мкм.

Преимущество ускорительного комплекса NICA состоит в большой длине пробега частиц. Радиационные технологии, реализуемые на энергиях ниже сотен МэВ на нуклон, помогают менять только поверхностные свойства материала, в то время как свойства в объеме остаются прежними. На пучках NICA возможно обеспечить равномерность радиационного воздействия по глубине и гарантировать, что получаемый продукт получится однородным – его свойства не изменятся при его разной толщине. В силу большой длины пробега частиц открывается возможность облучать толстые пленки до 200 микрон. Более того, на NICA возможно облучать не один образец, а сборку из нескольких слоев пленок, что ускоряет проведение исследований.

Ускорительный комплекс NICA дает уникальную возможность модифицировать и улучшать технологически важные свойства пленок, произведенных на основе перечисленных типов полимеров. Высокие энергии ускоренных тяжелых ионов помогут исследовать и модифицировать различные толстые пленки, в частности, фторполимерные, полиэтилентерефталатные и полиимидные, улучшая их качество в объеме материала, а не только на поверхности и не глубоко залегающих слоях.

«Создание установки NICA – это прорыв, гигантский шаг для радиационного материаловедения. Развитие этой области науки сейчас во многом определяется установками класса мегасайенс. Работа с пучками частиц высоких энергий, которых позволяет достичь такая установка, – это передний край современного радиационного материаловедения. Теперь мы получили выход на ГэВ-ные энергии комплекса NICA – энергии на два-три порядка более высокие по сравнению c энергией ранее применявшихся источников ионизирующих излучений», – считает ведущий научный сотрудник лаборатории функциональных нанокомпозитов отдела кинетики и катализа ФИЦ ХФ РАН Александр Смолянский.

Расположение стенда для облучения образцов в зоне установки BM@N

Специалисты ФИЦ ХФ РАН задействуют в своих экспериментах целую линейку излучений: гамма-, рентгеновское, протонное, ионы ксенона МэВ-ных (циклотронный комплекс ЛЯР ОИЯИ) и, с недавних пор, ГэВ-ных энергий (комплекс NICA, ЛФВЭ ОИЯИ).

Сегодня методы радиационной модификации фторполимеров привлекают все больше внимания, потому что радиационная модификация способна преодолеть некоторые недостатки материалов и сделать образцы прочнее. «Мы проводим исследования с помощью гамма-облучения и облучения тяжелыми ионами с различной мощностью дозы. Гамма-облучение воздействует на электронную структуру атомов, а при облучении тяжелыми ионами может измениться кристаллическая решетка: происходит смещение атомов, появляются различные дефекты, что представляет дополнительный интерес», – пояснил главный научный сотрудник, заведующий лабораторией функциональных нанокомпозитов ФИЦ ХФ РАН Леонид Трахтенберг.

Данные, полученные в ходе облучения большого количества полимерных пленок на NICA при различных условиях, сейчас обрабатываются, появились интересные результаты.

«В первую очередь, нас интересуют эффекты комбинированного воздействия различных факторов на фторсодержащие полимеры: фоторадиационные процессы и процессы, которые происходят при одновременном воздействии радиации и различных температур, что может привести к гораздо более эффективному результату. Так, совместное действие радиации и света приводит к качественно и количественно новым последствиям. С помощью радиации создаются те центры, которые могут поглощать свет – радикалы. Далее могут протекать фотопревращения радикалов, в частности, возникновение фоторадикальных цепей. В качестве другого примера, где излучение улучшает эксплуатационные свойства материала, можно привести увеличение критического тока в сверхпроводнике. Как известно, для этого необходимо закрепление вихрей, чтобы предотвратить их движение. А радиационные дефекты структуры как раз и являются такими центрами закрепления. В результате критический ток, который мы можем получить в высокотемпературном сверхпроводнике при облучении, может существенно возрасти», — отметил Леонид Трахтенберг.

«Было бы очень интересно проверить и возобновить исследования в этом направлении, прерванные около тридцати лет назад. NICA не только реанимирует эти исследования, но и придаст новый импульс в постановке новых задач, которых мы сейчас даже не представляем», – дополнил Александр Смолянский.

Ввод в эксплуатацию ускорительного комплекса NICA позволяет продолжить исследования в области радиационного материаловедения, которые ранее проводились в Научно-исследовательском физико-химическом институте имени Л. Я. Карпова, Институте химической физики им. Н. Н. Семенова АН СССР и его отделении в Черноголовке, а также в ряде других организаций. «В частности, в 80-х годах проводилось сотрудничество между ЛЯР ОИЯИ и Научно-исследовательским физико-химическим институтом имени Карпова по вопросам трековых мембран, или ядерных микрофильтров. Этим вопросом занимался лично академик Георгий Флеров. Это сотрудничество было весьма интенсивным вплоть до начала 90-х годов. Теперь же научные исследования в области ионно-трековых технологий возобновляются в ФИЦ ХФ РАН с использованием новой исследовательской инфраструктуры ОИЯИ. Мы вернулись сейчас к исследованию на новом уровне благодаря созданию комплекса NICA», – заключил Леонид Трахтенберг.

Сейчас ФИЦ ХФ РАН готовит новую программу по облучению образцов в следующем сеансе пусконаладочных работ на NICA.

Рис. 1. Строение латентного трека иона ксенона с энергией ~3,8 ГэВ/нуклон в объеме политетрафторэтилена, рассчитанного с помощью программного обеспечения GEANT4

Заместитель начальника Отделения научно-методических исследований и инноваций Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ Олег Белов подчеркнул, что совместная с ФИЦ ХФ РАН программа будет способствовать более полному раскрытию потенциала комплекса NICA не только как установки для решения актуальных задач фундаментальной физики, но и как уникальной исследовательской инфраструктуры для прикладных радиационных технологий. «Мы надеемся, что комплекс NICA послужит своего рода точкой конденсации для специалистов в области взаимодействия ускоренных тяжелых ионов высоких энергий с веществом и дозиметрии в таких задачах. Ситуация складывается таким образом, что ввиду слабой доступности тяжелоионных установок, работающих на энергиях порядка сотен МэВ на нуклон и нескольких ГэВ на нуклон, наблюдается существенный дефицит специалистов в этом направлении», — сказал Олег Белов. Вместе с тем, отметил он, такие работы уже ведутся, например, расчеты структуры латентных треков ускоренных ионов ксенона, образованных в полимере, выполненные сотрудником ЛФВЭ ОИЯИ Mихаелой Параипан (Рис. 1).

«Поэтому одной из задач коллаборации ARIADNA я вижу концентрацию усилий ее участников, работающих в данной области, в целях сохранения и поддержания в ряде стран-участниц ОИЯИ научной школы, связанной с тематикой взаимодействия тяжелых ионов высоких энергий с веществом. Комплекс NICA может стать опорой для привлечения аспирантов и молодых ученых по данной тематике, а также развития соответствующих целевых направлений подготовки студентов на базовых кафедрах вузов в ОИЯИ», – резюмировал Олег Белов.