Национальная академия наук Украины

Национальный научный центр "Харковський физико-техничнский институт"

Институт физики высоких энергий и ядерной физики

ОТДЕЛ ФИЗИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ И МНОГОКАНАЛЬНЫХ ТРЕКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ

НАЧАЛЬНИК ОТДЕЛА – к.ф.-м.н. Н.И. Маслов

Тел./факс: +38(057)3356654/+38(057)3356120

E-mail: nikolai.maslov@kipt.kharkov.ua; Nikolai.Maslov@cern.ch

  Отдел физики излучения и многоканальных трековых детекторов был создан в начале девяностых на основе части комплексного отдела 32-00, которым руководил профессор Н.Ф. Шульга, и основными направлениями научной деятельности которого были реконструкция экспериментального зала прямого выхода ускорителя ЛУЭ-2000 и исследование взаимодействия ультрарелятивистских электронов с кристаллами. Сотрудники комплексного отдела 32-00 Ганенко В.Б., Гриненко А.А., Касилов В.И., Маслов Н.И., Мороховский В.Л., Трутень В.И., Фомин С.П., Шраменко Б.И., а также Довбня А.Н. и Коваленко Г.Д. были награждены в 2012 году званием лауреатов государственной премии в области науки и техники за цикл работ«ДИНАМИКА ПУЧКОВ ЧАСТИЦ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ В КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЕ: УПРАВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРАМИ ПУЧКОВ И СВОЙСТВА ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ».

Основные направления научной деятельности

1. Многоканальные трековые детекторы. Создание и исследование.
2. Исследование взаимодействия ультрарелятивистских электронов (позитронов) с кристаллами.
3. Разработка кремниевых неохлаждаемых планарных детекторов и детектирующих систем для ядерной физики, ядерной энергетики и ядерной медицины. Развитие детекторных технологий.
4. Создание харьковской универсальной тестовой платформы для разработки и тестирования кремниевых детекторов.

1. Многоканальные трековые детекторы. Создание и исследование.

   Сотрудники отдела с 1994 года принимают участие в подготовке и проведении международного суперколайдерного эксперимента на тяжелых ионах "ALICE" CERN (г. Женева). Для внутренней трековой системы экспериментальной установки "ALICE" были разработаны, созданы и исследованы однокоординатный микростриповый детектор (750 детектирующих элементов) и двукоординатный микростриповый детектор (1536 детектирующих элементов). В ННЦ ХФТИ создано уникальное оборудование для тестирования детекторов: микропозиционное автоматическое оборудование, многоканальные спектрометрические стенды, автоматизированное оборудование для исследования долгосрочной стабильности и других характеристик детекторов.

Установка барреля дрейфовых детекторов во внутреннюю трековую систему эксперимента ALICE

   Механизмы гамма излучения электронов в кристаллах зависят от динамики частиц в сильных полях кристаллических осей и плоскостей. Характер движения частиц определяется ориентацией кристалла относительно пучка налетающих электронов. При проникновении пучка вглубь кристалла происходит перестройка характера движения частиц., причому основні зміни відбуваються на відстанях до ~ 10 мкм при початковій енергії електронів ~ 200 MеВ.
   Исследования механизмов гамма излучения электронов в кристаллах при энергии электронов ~ 200 MэВ были выполнены на установке MAX-лаборатории г. Лунд (Швеция), в которых были проведены измерения спектров гамма излучения электронов в кристаллах алмаза толщиной 100 и 50 мкм при различных углах падения пучка относительно кристаллической оси <100>При поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты №H.4.45.90.11, 1080 и №13-02-90434), дирекции ГНЦ ИФВЭ (Протвино, Россия) и государственного фонда фундаментальных исследований Украины (проекты № Ф40.2/092 и № Ф53.2/107) российско-украинской коллаборацией на ускорител У- 70 ДНЦ ИФВЕ (Протвино, Россия).
Изучена эффективность поворота протонов с энергией 50, 15 и 1,3 ГэВ изогнутым кристаллом кремния за счет планарного каналирования и за счет стохастического механизма, предложенного академиком НАН Украины Н.Ф. Шульгой с коллегами. Эффективность стохастического механизма возрастает с уменьшением энергии протонов, тогда как эффективность плоскостного каналирования падает.

Зависимость эффективности поворота пучка протонов с энергией 50 ГэВ (слева) и 1.3 ГэВ (справа) изогнутым кристаллом кремния в зависимости от начального угла между средним импульсом частиц и плоскостью кривизны кристалла.

   Для проведения экспериментов по измерению асимметрии сечений фотоядерных реакций, по инициативе сотрудников отдела, в период с 2002 по 2007 год в лаборатории MAX (Лунд, Швеция) был создан пучок линейно поляризованных меченых фотонов, на основе процесса когерентного тормозного излучения электронов в кристалле алмаза. Пучок электронов выводился из накопительного кольца МАХ - 1, работающего в режиме растяжителя. Эта работа была поддержана:
• 6-рамочной программой ЕС «адронная физика» - JRA3: проект EuroTag – «Европейские установки меченных фотонов»;
• проeкт УНТЦ – 3239
На созданном пучке с 2007 по 2011 году были выполнены эксперименты по измерению сечений и асимметрии сечений реакций фоторасщепления ядер гелия-4, ⁴Не(γ,n) ³Не, и углерода, ¹²С(γ,p)¹¹В, с разделением основного и низко-возбужденных состояний ядра отдачи ¹¹В. Асимметрия сечений   реакций, ⁴Не(γ,n)³Не і ¹²C(γ,p)¹¹B измерялись одновременно.
В настоящее время идетобработка результатов измерения. Набранний экспериментальний материал позволяет получить информацію одновременно про диференциальное сечение и ассиметрию сечений реакций фоторасщепления атомних ядер. Результаты измерения асимметрии сечений реакции ¹²C(γ,p)¹¹B приведены на рисунке.

    Полученные в CERN знания и опыт и созданное уникальное оборудование используются как в области физических исследований, так и для исследований и разработок в области ядерной энергетики и других областях техники в Украине. Для таких исследований и разработок вместе с микростриповыми детекторами разработан и изготовлен одноканальный кремниевый детектор и спектрометрический фотодиод.
  

Ядерная медицина и развитие техники медицинского приборостроения.

  Параллельно с работами по ядерной физике проводятся исследования, направленные на решение задач ядерной медицины и развитие техники медицинского приборостроения. На основе разработок группы ННЦ ХФТИ по детекторам и спектрометрической электронике был создан, аттестован и прошел испытания в Институте медрадиологии в Харькове компактный аналоговый радиометр для раннего выявления рака по накоплению радионуклидов в лимфатических узлах. Сейчас изготовлен и исследуется цифровой радиометр.
  Для регистрации тепловых нейтронов разработаны детектирующий модуль на основе двух неохлаждаемого кремниевого детектора с металлическим гадолиниевим конвертором и двухканальная спектрометрическая система. Двудетекторная спектрометрическая система позволяет выполнять регистрацию тепловых нейтронов по выходу конверсионных электронов из конвертора с возможностью учета фонового излучения.

Методика экспресс-анализа концентрации медицинских радионуклидов в широком интервале энергии излучения.

  Разработана методика для экспресс определения концентрации медицинских радионуклидов ^99mTc, ⁶⁷Cu с использованием спектрометра на основе неохлаждаемого планарного кремниевого детектора. Методика экспресс-анализа обеспечивает измерение спектров гамма излучения медицинских радионуклидов с помощью детектирующего модуля на основе неохлаждаемого кремниевого планарного детектора и детектирующего модуля типа "сцинтиллятор–кремниевый фотосенсор". Разработано спектрометрическое устройство для экспресс-анализа концентрации радионуклидов и изготовлено его прототип, что подтверждает работоспособность устройства.

    В рамках проекту УНТЦ №9903 в тесном сотрудничестве с Харьковским Национальным Университетом им. Каразина (ХНУ) на территории ННЦ ХФТИ создается платформа для исследований и разработки одно- и многоканальных неохлаждаемых кремниевых планарных детекторов для ядерной медицины. Планируется создание комплекса устройств и методик, позволяющих проводить исследования и тестирование всех характеристик детекторов до создания детектирующего модуля со считывающей электроникой.
  Тестовая платформа разрабатывается и создается в следующем составе: автоматизированная тестовая станция для исследований и тестирования электрофизических характеристик кремниевых планарных детекторов (КПД); тестовая станция с ручным управлением для исследования электрофизических характеристик КПКД; одноканальное спектрометрическое устройство для исследований спектрометрических характеристик КПД; комплекс устройств для микропроволочного подсоединения КПД. Имеющееся оборудование, инструменты и материалы позволяют осуществлять полный цикл сборочных операций при изготовлении одно- и многоканальных детекторных устройств на основе КПД, включая микропроволочную УЗ сварку на кристаллы детекторов, платы и другие компоненты, приклеивания всех составных частей устройств, а также герметизацию корпусов детекторных устройств.
  Указанный комплекс предназначен не только для работ ННЦ ХФТИ, но и для использования в процессе обучения студентов ХНУ им. В.Н. Каразина, а также для проведения исследовательских работ в области детектирующих устройств на основе КПД другими заинтересованными университетами и исследовательскими организациями Украины и других стран.

Основные публикации

1. T.Horbatiuk, V.Kotlyar, M.Maslov, A.Safronov, Production of cc⁻ and bb⁻ Quark Pairs in pp Collisions at Energies of Experiments at the Large Hadron Collider, East European Journal of Physics, #1, 2019, p.40-45.

2. D.Burdeinyi, et al. The Coherent Bremsstrahlung Beam at MAX-lab Facility. Proceedings of the 51st Workshop of the INFN Eloisatron project "Charged and Neutral Particles Channeling Phenomena" Channeling 2008, Erice, Italy 25 October – 1 November 2008, p.49. World Scientific, The Science andCultureSeries – Physics.

3. V.B.Ganenko, D.D.Burdeinyi, V.I.Truten’, N.F.Shul’ga, K.Fissumd, J.Brudvik, K.Hansen, L.Isaksson, K.Livingston, M.Lundin, B.Nilsson, B.Schroder. Mechanisms of 200 MeV electron radiation in diamond crystal in the axial orientation. Nuclear Inst. and Methods in Physics Research B424 (2018) 17-25

4. В.К. Волошин, et al, «Многоканальная спектрометрическая система на основе считывающего чипа с самозапуском VA2TA», ВАНТ, серия «Ядерно-физические исследования», 2013, вып. 6(88), с.с.165-169.

5. Г.П. Васильев, В.К. et al, «Измерение энергии излучения спектрометрическими системами на основе неохлаждаемых кремниевых детекторов», Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования.- 2014, № 4, с. 94-100.

6. G.P. Vasiliev, et al, Measurement of Radiation Energy by Spectrometric Systems Based on the Uncooled Silicon Detectors, J. Surf. Investigation. X_ray, Synchrotr. and Neutron Techniques, 2014. v. 8, iss.2. p. 391-397.

7. G.P. Vasilyev, et al, Module for thermal neutrons registration based on uncooled silicon detectors and metal gadolinium converter, Problems of atomic science and technology. Series: Nuclear Physic Investigations, 2016, № 3, p. 99-104.

8. G.L.Bochek, et al, Registration of the thermal neutrons using uncooled Si planar detector, Problems of atomic science and technology. Series: Physics of radiation damages and effects in solids, 2016, №4(104), р. 107-112.

9. V.N.Dubina, , et al, Thermal neutrons detection module capable of electron and gamma-separation and background suppression, Problems of atomic science and technology. Series: Nuclear Physic Investigations, 2016, N5(105), p.88-93.

10. O.S. Deiev, et al, Method for express determination of medical radionuclides^99mTc, ⁶⁷Cu concentration using spectrometer based on Si planar detector, Problems of Atomic Science and Technology, 2017, № 6(112), Series: Nuclear Physic Investigations, p.117-121

11. O. S. Deiev, et al, Effective thickness of the planar detector in measurements of electrons energy loss, Problems of Atomic Science and Technology, 2017, N3(109), Series: Nuclear Physic Investigations (68), p.45-49

12. O.S. Deiev, , et al, Registration of thermal neutrons using two-detector module based on silicon detectors and metallic gadolinium, Sep. 24, 2018 - e-Print: arXiv:1809.08803 [physics.ins-det]

13. G.L. Bochek, , et al, Low-energy X-ray radiation after the biological shielding of electron accelerators, Problems of Atomic Science and Technology, 2018. №3(115) Series: Nuclear Physic Investigations p.172-177.

14. G.P. Vasilyev, et al, Technique of thermal neutrons registration by two-channel spectrometric system based on uncooled Si-detectors and gadolinium converter, Problems of Atomic Science and Technology, 2018, № 3(115), Series: Nuclear Physic Investigations, p. 111-117.

Международное сотрудничество

1. ALICE” CERN (г. Женева).

2. Колаборация МАХ-TAG = MAX-lab г. Лунд (Швеция).

3. Институт Физики Университети г. Хельсинки (Финляндия).

4. Финский Метеорологический Институт г. Хельсинки (Финляндия).