Відділ ядерної фізики

Начальник відділу - д.ф.-м.н.,М. П. Дикий

Тел.: +38(057)700-51-60

E-mail: ndikiy@kipt.kharkov.ua

Відділ ядерної фізики був створений в 1950 році для вирішення фундаментальних та прикладних задач ядерної фізики. Співробітники відділу за цей період виконували роботи більш ніж в 10 різних наукових напрямках. Наукова продукція відділу виражена в значній кількості статей. За останні 5 років було опубліковано понад 155 наукових праць, отримано 40 патентів на винаходи. На даний час в штаті відділу 1 доктор фіз.-мат. наук, 6 кандидатів фіз.-мат. наук, 1 кандидат тех. наук, 1 кандидат біол. наук.

Основні напрямки наукової діяльності

Вивчення М1-резонансу.
Дослідження в галузі ядерної астрофізики.
Радіаційні силові функції.
Ядерно-фізичні дослідження для потреб ядерної енергетики і медицини.

1. Вивчення М1-резонансу.

Найбільш повну інформацію про спінову та iзоспiнову залежність ядерних сил дають М1-переходи. Магнітні дипольні М1-переходи дають унікальні можливості у вивченні мезонних обмінних струмів у ядрах, оскільки мезонні струми не дають внесок в електричні квадрупольні та інші переходи. У реальних ядрах М1−сила розподілена по прилеглих станах, що дозволяє вивчати зв'язок одночасткового руху з колективним. Для ядер sd-оболонки роль колективного руху невелика, тому магнітний дипольний резонанс (МДР) чітко виявляється в цих ядрах. Встановлено, що основний механізм, відповідальний за збудження МДР − це переходи між спін-орбітальними партнерами. За допомогою вивчення непружного розсіювання електронів і γ−квантів накопичено значні експериментальні дані про положення МДР у парно-парних ядрах sd-оболонки. У непарно-непарних ядрах (²²N, ²⁶Al, ³⁰P) дані отримані тільки у ХФТІ [1] за допомогою реакції радіаційного захоплення протонів (це зв'язано з тим, що непарно-непарні ядра нестабільні). Було виявлено нове явище, яке пов’язане з існуванням триплетного спарювання між непарним нейтроном і протоном, що знаходяться на одній орбіті. Це явище проявляється в тому, що положення центра ваги (ЦВ) МДР у непарно-непарних ядрах знаходиться на 3 МеВ нижче по енергії збудження, ніж у парно-парних (4N) ядрах, і на 1,5 МеВ нижче, ніж у парно-парних (4N +2n) ядрах. Запропоновано модель для пояснення цього явища і зроблено оцінки положення і повної сили МДР у ядрах, дані про яких відсутні [2]. Для підтвердження і подальшого розвитку модельних представлень природи МДР і механізмів його збудження необхідно отримати нові експериментальні дані про положення, тонку структуру і повну силу МДР у ядрах, в яких він ще не виявлений [3,4]. Це непарно-непарні ядра і непарні ядра 1d2s-та 1f2p- оболонок.

Залежність положення центра ваги M1 - резонансу від A в парних ядрах sd-оболонки: ⨯ – 4N ядра, ● – 4N+2n ядра, △ – 4N+np ядра

2. Дослідження в галузі ядерної астрофізики.

У відділі розвиваються дослідження в галузі ядерної астрофізики - нової науки, одним з напрямків якої є вивчення процесів утворення хімічних елементів та їх ізотопів, з яких складається матерія.
Інтерпретація розповсюдженості в природі р-ядер викликає чи не найбільші складнощі. Експериментальним та теоретичним дослідженням зіркового синтезу р-ядер приділяється велика увага в багатьох науково-дослідницьких центрах Європи, Сполучених Штатів Америки, Японії. Якщо для дослідження утворення r- та s-ядер потрібні швидкості (що через астрофізичний S-фактор розраховуються при використанні поперечних перерізів) (n, γ)-реакцій, то для моделювання р-процесу найважливішими реакціями вважаються реакції з низькоенергетичними протонами (це (р, γ) і (р,n)-реакції) та фотоядерні реакції типу (γ, n), (γ ,р) і (γ ,α) в припороговій області.
В ІФВЕЯФ був виконаний цикл вимірювань поперечних перерізів (р, γ) та (р,n)−реакцій на ізотопах цинку та селену, з використанням пучка протонів електростатичного прискорювача ВГ-4М з енергіями до 3 МеВ. Ці експериментальні дані будуть сприяти моделюванню зіркового утворення р-ядра ⁷⁴Se та сусідніх ядер. При належній роботі прискорювача такі дослідження можуть бути розширені на більш розтягнений діапазон масових чисел атомних ядер.
Інтегральні виходи (γ, n)-реакцій вперше були виміряні на ряді ізотопів рутенію (Ru), паладію (Pd) та олова (Sn), серед яких налічується 6 р-ядер. В цих експериментах було застосоване гальмівне випромінювання лінійного прискорювача електронів (ЛПЕ- 30).
Отримані експериментальні ядерні дані доповідались на ряді міжнародних конференцій, симпозіумів, опубліковані в статтях і включені в загальну (EXFOR) та спеціалізовану (KADONIS) бази ядерних даних.
В цих експериментальних дослідженнях підтримується співпраця з такими закордонними науковими центрами як Інститут Ядерних Досліджень м. Дебрецена (Угорщина), Об'єднаний Інститут Ядерної Астрофізики США, а в теоретичному аналізі - з Інститутом Астрофізики м. Базеля (Швейцарія).

Поперечний переріз (ліва колонка) і астрофізичні S-фактори (права колонка) для реакцій ⁷⁴Se(p, γ), ⁷⁵Br(верхній ряд), ⁷⁶Se(p, γ), ⁷⁷Br (середній ряд) і ⁷⁷Se(p, γ), ⁷⁸Br (нижній ряд). Точки − експериментальні значения, криві − передбачення статистичної теорії ядерних реакцій.

3. Радіаційні силові функції.

Актуальність дослідження парціальних перетинів (ПП) реакцій радіаційного захоплення протонів ядрами pf-оболонки (від ізотопів скандію до ізотопів цирконію) та енергетичної залежності радіаційних силових функцій (РСФ) визначається декількома факторами. Перший - фундаментальний. ПП і РСФ необхідно використовувати при вивченні ядерної структури, механізмів ядерних реакцій, обчисленні повних перетинів реакцій, а також для тестування і перевірки теоретичних модельних підходів. Другий аспект - прикладний. Експериментальні дані про перерізи і РСФ складають значну частину бази ядерних даних, які необхідні для атомної енергетики, для дослідження поведінки конструкційних матеріалів під впливом випромінювання, в астрофізичних дослідженнях та інших практичних завданнях. Актуальність дослідження ядер 45 <А<90 полягає ще і в тому, що більшість ядер елементів, що входять до складу конструкційних матеріалів, використовуються в реакторобудуванні, атомній енергетиці та космічній техніці, відносяться саме до цієї групи ядер.
В області pf-оболонки знаходиться 44 стабільних ядра, на більшості з яких були проведені експериментальні вимірювання парціальних перетинів (р, γ)-реакції на прискорювачі ЕСП-5 ННЦ ХФТІ в діапазоні енергій протонів 1...3 МеВ. На підставі виміряних перерізів були проведені розрахунки експериментальних радіаційних силових функцій (РСФ) для кінцевих ядер (р, γ)-реакції.
Теоретичні розрахунки парціальних перерізів і РСФ проведені за допомогою комп'ютерного коду TEPEL, розробленого в ННЦ ХФТІ. Цей код в рамках статистичної теорії атомних ядер і формалізму Хаузера-Фешбаха враховує різні сучасні модельні описи РСФ. Порівняння експериментально виміряних і теоретично розрахованих РСФ показує хороший збіг.
На цей час заплановано проведення експериментальних вимірювань ПП (р, γ) − реакції на окремих ядрах pf-оболонки, з метою отримання нових і уточнення раніше отриманих даних та розширення енергетичного інтервалу. Експерименти проводитимуться на прискорювачі протонів ЕСП-5 ННЦ ХФТІ. Теоретичні розрахунки РСФ будуть виконуватися за допомогою комп'ютерного коду TEPEL.
Отримані експериментальні дані ПП і теоретичні оцінки енергетичної залежності РСФ в різних ядрах pf-оболонки будуть направлені для розміщення в базі ядерних даних NNDC (Брукхевен, США).

Радіаційна силова функція в ядрі ⁶⁰Ni.

4. Ядерно-фізичні дослідження для потреб ядерної енергетики і медицини

Важливою проблемою для України є поводження з ядерним паливом після відпрацювання на атомних електростанціях (АЕС) та радіоактивними відходами (РАВ), які накопичуються при роботі АЕС, а також створення ефективних сорбентів для вилучення радіонуклідів. В зв’язку з цим були проведені комплексні дослідження властивостей природних мінералів (граніт, туф, цеоліт) та наночастинок оксидів металів, які можуть бути використані у якості проміжних бар’єрів при захороненні РАВ та іммобілізації радіонуклідів. Експериментально відпрацьовані оптимальні умови гама-активації гальмівним випромінюванням природних мінералів та наночастинок оксидів металів з метою подальшого прогнозування їхньої поведінки при тривалому опроміненні та можливості використання їх у якості проміжних бар’єрів при захороненні РАВ. Показано, що використання селективних природних мінералів, збагачених наночастинками оксидів металів, дає змогу отримати високий процент сорбції, наприклад, для цезію-132 до 99.8%.
На лінійних прискорювачах ННЦ ХФТІ розроблено фотоядерні технології отримання ізотопів Tc-99m, Cu-67 та Pt-195m для радіонуклідної діагностики з використанням різних носіїв, радіонуклідної терапії та радіо-імунного аналізу. Одержано патенти та акти проведення доклінічних випробувань на ізольованих клітинах пухлин та організмах тварин. Спільно з харківським Інститутом медичної радіології розроблено нові методи отримання медичних препаратів, які містять ізотопи (Sm-153, Yb-175, Pm-149) на основі наночастинок оксидів цих елементів для лікування метастазів в кістках онкохворих.
Розроблена фотоядерна технологія визначення відношення ⁴⁴Са/⁴⁸Са у волоссі дітей, що мешкають в Харківському регіоні, для визначення «групи ризику» по захворюваності на остеопенію та остеопороз.
Ця ж технологія була застосована для вивчення патогенезу одонтогенних захворювань у населення Харківського регіону. В зубах хворих було зареєстровано такі актиноїди, як Ra-226, K-40, Pb-212 та ін., що вказує на ланцюжок, по якому ці радіонукліди потрапляють в організм людини (повітря-вода-ґрунт-рослини-людина).

Основні публікації

1. А.С.Качан, Б.А.Немашкало, В.Е.Сторижко //М1–резонанс в ядрах sd–оболочки // ЯФ. 1989. Т. 49. С. 367.

2. А.С. Качан, И.В. Кургуз, И.С. Ковтуненко, В.М. Мищенко, С.Н. Утенков. Структура и полная сила магнитного дипольного резонанса в ядре ³⁵Cl // Известия РАН. Сер. физическая, 2011, т.75, № 2. c.239-243.

3. A.S. Kachan // Magnetic dipole resonance in light nuclei. // LAP LAMBERT Academic Publishing. 2015. (2015-03-13)-ISBN-13:978-3-659-32541-0.

4. А.С. Качан, И.В. Кургуз, В.М. Мищенко, С.Н. Утенковю Резонансноподобная структура, наблюдаемая в реакции ²⁵Mg(p,γ) ²⁶Al // Известия РАН. Сер. Физ. 2017. Т. 81. №10. С. 1303- 1307.

5. Ye. Skakun, S. Utenkov, V. Mishchenko, J. Farkas, Zs. Fülöp, Gy. Gyürky, G. G. Kiss, E. Somorjai, T. Rauscher Сross sections of low energy (p, γ) and (p,n)-reactions on selenium isotopes for the astrophysical γ-process. Proceedings of the 3-rd International Conference “Current Problems in Nuclear Physics and Atomic Energy”, 7-12 June 1910, p.207.

6. В.Н. Бондаренко, А.В. Гончаров, В.И. Сухоставец, С.Н.Утенков Сечение генерации γ– квантов с энергией 90,6 кэв из реакции ⁴⁸Ti(p,γ) ⁴⁹V в области энергий протонов 0,95-2,8 МэВ // EEJP, 2014, 1(4), c.64-68.

7. N.P. Dikiy, A.N. Dovbnya, N.V. Krasnoselsky, Yu.V. Lyashko, E.P. Medvedeva, D.V. Medvedev, V.L. Uvarov, I.D. Fedorets The use of molybdenum oxide nanoparticles for production of free isotope Мo-99 // Problems of atomic science and technology. Series: NPI (100).- 2015.- №6(65).- P.154-156.

8. N.P. Dikiy, Yu.V. Lyashko, E.P. Medvedeva, E.N. Bodnar, A.V. Grushka, N.V. Krasnoselsky, O.N. Paskevich Kinetics of ¹⁵³Sm oxabiphor in the blood of cancer patients undergoing complex therapy for bone metastases // Problems of atomic science and technology. Ser.: NPI.- 2015.- №3(64).- P.73-75.

9. E.N. Bodnar, M.P. Dikiy, E.P. Medvedeva Photonuclear production and antitumor effect of radioactive cisplatin (^195mPt) // J. Radioanal. Nucl. Chem. – 2015. -vol.305. – P.133-138.

10. A.S. Wagh, S.Y. Sayenko, V.A. Shkuropatenko, R.V. Tarasov, M.P. Dikiy, Y.O. Svitlychniy, V.D. Virych, Е.А. Ulybkina Experimental study on cesium immobilization in struvite structures // J. Hazard. Mater. – 2016. – vol.302. – P.241-249.

Міжнародне співробітництво

Проєкт МАГАТЕ UKR-22435 «Production of Tc-99m on Electron Accelerators», 2017-2020 рр.