В Объединенном институте ядерных исследований в рамках состоявшегося четвертого сеанса пусконаладочных работ на ускорительном комплексе NICA впервые были начаты прикладные исследования с использованием пучков ускоренных ионов с энергиями порядка нескольких ГэВ на нуклон. Специалисты пяти научных центров, участвующих в работе коллабораций ARIADNA (Applied Research Infrastructure for Advance Development at NICA fAcility), выполнили серию облучений образцов на специально оборудованном стенде в зоне установки BM@N. Стенд дает возможность длительного облучения образцов параллельно с работой установки BM@N и подходит для широкого круга задач.

Расположение стенда для облучения образцов в зоне установки BM@N (Target Station for Applied Research – справа)

Расположение стенда для облучения образцов в зоне установки BM@N

Заместитель начальника отделения научно–методических исследований и инноваций Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ по научной работе Олег Белов сообщил, что полученный в ходе цикла пусконаладки пучок ¹²⁴Xe⁵⁴⁺ имел хорошую фокусировку и был достаточно стабильным, что позволило выполнить запланированную научную программу в части прикладных задач.

«Состоявшийся сеанс открыл новую страницу в истории прикладных исследований на выведенных пучках Нуклотрона и ознаменовал старт научной программы ARIADNA в установленные сроки. Чуть более года назад на комплексе NICA была введена в действие станция SOChI (Station Of Chip Irradiation) для облучения микросхем ионами относительно низких энергий – 3,2 МэВ/нуклон. Теперь же нам доступен пучок с энергиями на несколько порядков выше – 3,8 ГэВ/нуклон, что существенно расширяет возможности для проведения прикладных работ», – рассказал Олег Белов. Он отметил, что облучение образцов в зоне установки BM@N проводилось в период с 11 декабря 2022 года по 30 января 2023 года, и сеанс получился весьма насыщенным.

В совместных работах на пучках комплекса NICA участвовали сотрудники нескольких российских научных центров: Института медико-биологических проблем РАН (ИМБП РАН), Федерального исследовательского центра химической физики им. Н. Н. Семенова РАН (ФИЦ ХФ РАН), Медицинского радиологического научного центра им. А. Ф. Цыба – филиала ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России (МРНЦ им. А.Ф. Цыба, г. Обнинск), Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева (РХТУ), Объединенного института высоких температур РАН (ОИВТ РАН). Ряд организаций участвовали опосредованно как разработчики тех или иных инновационных материалов или новаторских подходов к постановке эксперимента.

След пучка ¹²⁴Xe⁵⁴⁺ с энергией 3,8 ГэВ/нуклон на радиохромной пленке (слева) и профиль пучка на детекторе OCTAVIUS 1500XDR (справа). Геометрические параметры области облучения: A = 34,2 мм, B = 29,3 мм; наиболее равномерная область: a = 12 мм, b = 9 мм

В первые дни работы на новом стенде был выполнен ряд научно-методических задач по диагностике пучка и дозиметрии. Активная работа команды специалистов МРНЦ им. А.Ф. Цыба с использованием комплекса собственного дозиметрического оборудования, применяющегося для точной дозиметрии в области ионной терапии, позволила установить основные параметры пучка и спланировать схемы облучения для различных образцов.

Задачи ИМБП РАН в данном сеансе были связаны с исследованием защитных свойств, радиационной стойкости и радиомодификации композитных материалов для космической отрасли, разработанных и произведенных в Белгородском государственном технологическом университете имени В. Г. Шухова.

Композит № 1 (слева) и композит № 2 (справа)

Вторым экспериментом ИМБП РАН в сеансе на комплексе NICA стали работы из области ресурсного обеспечения экипажей космических кораблей, связанные с определением влияния тяжелых ионов на всхожесть семян и особенности развития растений, которые представляют практический интерес с точки зрения выращивания в условиях космического полета.

Специалистами ФИЦ ХФ РАН решались задачи по изучению структурной модификации и состояния вещества в результате воздействия пучков ускоренных ионов на искусственные сапфиры (Al₂O₃).

Образцы облученных искусственных сапфиров (слева). Примеры более ранних результатов ФИЦ ХФ РАН (справа): фотографии миллиметровых пузырей из расплава оксида алюминия, образующихся при облучении поверхности сапфира в вакууме мощным лазерным импульсом

Существенная часть программы ФИЦ ХФ РАН в данном сеансе была посвящена работам по изучению радиационных повреждений тонких полимерных пленок толщиной до 100 мкм, созданных на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ и терморадиационно-модифицированного ПТФЭ), полиэтилентерефталата, полиэтилена, полиимида, и облученных пучками ускоренных ионов ксенона с энергией 3,8 ГэВ/нуклон.

Одной из актуальных задач сеанса были работы по линии ОИВТ РАН, связанные с облучением лент из высокотемпературных сверхпроводников — ВТСП-лент 2-го поколения, произведенных ООО «С-Инновации» (г. Москва).

ВТСП-лента (слева) и образцы лент разного состава для облучения (в центре и справа)

Целью совместных исследований ученых ОИЯИ и ОИВТ РАН в данном направлении является разработка методов увеличения критического тока – максимального тока, который выдерживает сверхпроводник без потери сверхпроводимости – путем создания радиационных дефектов (центров пиннинга). В эксперименте проводилось облучение вертикально и горизонтально расположенных ВТСП-лент с покрытием медью и без меди.

В программу эксперимента также были включены работы по облучению мишеней различных металлов и измерению спектров наведенной активности. В частности, в спектрах мишеней из алюминия, облученных ионами ¹²⁴Xe⁵⁴⁺ с энергией 3,8 ГэВ/нуклон, были идентифицированы изотопы ⁷Be, ²²Na и ²⁴Na. В настоящее время продолжаются работы по анализу всех полученных спектров и определению выходов обнаруженных нуклидов.

Слева: спектрометр гамма-излучения СЕГ-1КП-ИФТП для измерения наведенной активности с блоком детектирования БДЕГ-ОГК-3К и блоком защиты для размещения образцов. Справа вверху: мишень из алюминия, 3 шт x 1,5 x Ø70 мм. Справа внизу: Энергетический спектр мишени из алюминия, облученной ионами ¹²⁴Xe⁵⁴⁺ с энергией 3,8 ГэВ/нуклон. Показаны энергии некоторых максимумов в спектре, по которым идентифицировались изотопы

Подводя итоги состоявшегося сеанса, в котором существенную долю работ составляли задачи по изучению свойств материалов под воздействием ионов ксенона относительно высоких энергий, Олег Белов отметил пионерский характер многих из проводимых исследований, направленных на решение фундаментальной проблемы радиационного материаловедения – установления взаимосвязи между величиной радиационного эффекта и характеристиками используемых ионизирующих излучений. Определение корреляции между изменением свойств материалов и параметрами радиационного воздействия имеет принципиально важное значение для повышения надежности прогнозируемой радиационной стойкости материалов. Такие материалы используются в устройствах, работающих в полях ионизирующих излучений, – прежде всего, в космосе, ядерной медицине и атомной технике. Это позволяет оптимизировать режимы использования ракетно-космической и атомной техники, улучшить массогабаритные характеристики устройств, разработать новые методы защиты материалов от радиации.

Воздействие излучений высоких энергий может приводить к возникновению принципиально новых каналов диссипации поглощенной энергии ионизирующего излучения на физической, физико-химической и химической стадиях радиолиза. Поэтому в результате исследований, проводимых в рамках коллаборации ARIADNA, следует ожидать возникновения новых радиационно-химических и/или ядерно-физических технологий, а также решения актуальных задач в области биомедицинских исследований, в космической отрасли и связанных сферах.

«Основной объем данных по состоявшемуся эксперименту еще только предстоит получить — после сеанса образцы продолжают анализироваться в профильных институтах, являющихся членами коллаборации ARIADNA, с применением широкого круга аналитических методов. В целом текущий этап можно охарактеризовать как успешное начало работ. В настоящее время есть все возможности для дальнейшего развития исследований на созданном стенде в зоне установки BM@N и расширения научной программы на другие направления комплементарно тому, что сделано в области радиационного материаловедения. По результатам работ хотелось бы особо отметить усилия сотрудников Отделения № 5 ЛФВЭ и коллег из других подразделений и лабораторий, способствовавших осуществлению этого эксперимента», — заключил Олег Белов.