Отдел ядерной физики

Начальник отдела - д.ф.-м.н.,Н. П. Дикий

Тел.: +38(057)700-51-60

E-mail: ndikiy@kipt.kharkov.ua

Отдел ядерной физики был создан в 1950 году для решения фундаментальных и прикладных задач ядерной физики. Сотрудники отдела за этот период выполняли работы более чем в 10 различных научных направлениях. Научная продукция отдела, отражена в значительном количестве статей. За последние 5 лет было опубликовано более 155 научных работ, получено 40 патентов на изобретения. В настоящее время в штате отдела 1 доктор физ.-мат. наук, 6 кандидатов физ.-мат. наук, 1 кандидат тех. наук, 1 кандидат биол. наук.

Основные направления научной деятельности

Изучение М1-резонанса.
Исследования в области ядерной астрофизики.
Радиационные силовые функции.
Ядерно-физические исследования для нужд ядерной энергетики и медицины.

1. Изучение М1-резонанса.

Наиболее полную информацию о спиновой и изоспиновой зависимости ядерных сил дают М1-переходы. Магнитные дипольные М1-переходы предоставляют уникальные возможности в изучении мезонных обменных токов в ядрах, поскольку мезонные токи не дают вклад в электрические квадрупольные и другие переходы. В реальных ядрах М1- сила распределена по прилегающим состояниям, что позволяет изучать связь одночастичного движения с коллективным. Для ядер sd-оболочки роль коллективного движения невелика, поэтому магнитный дипольный резонанс (МДР) отчетливо проявляется в этих ядрах. Установлено, что основной механизм, ответственный за возбуждение МДР - это переходы между спин-орбитальными партнерами. С помощью изучения неупругого рассеяния электронов и γ−квантов накоплены значительные экспериментальные данные о положении МДР в парно-четных ядрах sd оболочки. В непарно-нечетных ядрах (²²N, ²⁶Al, ³⁰P) данные получены только в ХФТИ [1] с помощью реакции радиационного захвата протонов (это связано с тем, что четно-нечетные ядра нестабильны). Было обнаружено новое явление, которое связано с существованием триплетного спаривания между нечетным нейтроном и протоном, находящимися на одной орбите. Это явление проявляется в том, что положение центра тяжести (ЦТ) МДР в четно- нечетных ядрах находится на 3 МэВ ниже по энергии возбуждения, чем в парно-парных (4N) ядрах, и на 1,5 МэВ ниже, чем в парно парных (4N + 2n) ядрах. Предложена модель для объяснения этого явления и сделаны оценки положения и полной силы МДР в ядрах, данные о которых отсутствуют [2]. Для подтверждения и дальнейшего развития модельных представлений природы МДР и механизмов его возбуждения необходимо получить новые экспериментальные данные о положении, тонкой структуре и полной силе МДР для ядер, в которых он еще не обнаружен [3,4]. Это непарно-нечетные ядра и нечетные ядра 1d2s- и 1f2p- оболочек.

Зависимость положения центра тяжести M1 – резонанса от A в парных ядрах sd оболочки: ⨯ – 4N ядра, ● – 4N+2n ядра, △ – 4N+np ядра

2. Исследования в области ядерной астрофизики.

В отделе развиваются исследования в области ядерной астрофизики - новой науки, одним из направлений которой является изучение процессов образования химических элементов и их изотопов, из которых состоит материя.
Интерпретация распространенности в природе р-ядер вызывает едва ли не самые большие сложности. Экспериментальным и теоретическим исследованиям звездного синтеза р-ядер уделяется большое внимание во многих научно-исследовательских центрах Европы, Соединенных Штатов Америки, Японии. Если для исследования образования r- и s-ядер нужны скорости (рассчитываются с помощью астрофизического S- фактора при использовании поперечных сечений) (n, γ)-реакций, то для моделирования р-процесса важнейшими считаются реакции с низкоэнергетичными протонами (это (р, γ) іи (р,n)-реакции) и фотоядерные реакции типа(γ, n), (γ ,р) и (γ ,α) в припороговой области.
В ИФВЭЯФ был выполнен цикл измерений поперечных сечений (р, γ) и (р,n)−реакций на изотопах цинка и селена, с использованием пучка протонов электростатического ускорителя ВГ-4М с энергиями до 3 МэВ. Эти экспериментальные данные будут способствовать моделированию звездного образования р-ядра ⁷⁴Se и соседних ядер. При надлежащей работе ускорителя такие исследования могут быть расширены на более растянутый диапазон массовых чисел атомных ядер.
Интегральные выходы (γ, n)-реакций впервые были измерены на ряде изотопов рутения (Ru), палладия (Pd) и олова (Sn), среди которых насчитывается 6 р-ядер. В этих экспериментах использовалось тормозное излучение линейного ускорителя электронов (ЛУЭ-30).
Полученные экспериментальные ядерные данные были доложены на ряде международных конференций, симпозиумов, опубликованны в статьях и включены в общую (EXFOR) и специализированную (KADONIS) базы ядерных данных.
В этих экспериментальных исследованиях поддерживается сотрудничество с такими зарубежными научными центрами как Институт Ядерных Исследований г. Дебрецена (Венгрия), Объединенный Институт Ядерной Астрофизики США, а в теоретическом анализе - с Институтом Астрофизики г. Базеля (Швейцария).

Поперечное сечение (левая колонка) и астрофизический S-фактор (правая колонка) для реакций⁷⁴Se(p, γ), ⁷⁵Br(верхний ряд), ⁷⁶Se(p, γ), ⁷⁷Br (средний ряд) та ⁷⁷Se(p, γ), ⁷⁸Br (нижний ряд). Точки - экспериментальные значения, кривые - предсказания статистической теории ядерных реакций.

3. Радиационные силовые функции.

Актуальность исследования парциальных сечений (ПС) реакций радиационного захвата протонов ядрами pf-оболочки (от изотопов скандия до изотопов циркония) и энергетической зависимости радиационных силовых функций (РСФ) определяется несколькими факторами. Первый - базовый. ПС и РСФ необходимо использовать при изучении ядерной структуры, механизмов ядерных реакций, исчислении полных сечений реакций, а также для тестирования и проверки теоретических модельных подходов. Второй аспект - прикладной. Экспериментальные данные о сечениях и РСФ составляют значительную часть данных баз ядерных данных, которые необходимы для атомной энергетики, для исследования поведения конструкционных материалов под воздействием излучения, в астрофизических исследованиях и других практических задачах. Актуальность исследования ядер 45 <А<90 заключается еще и в том, что большинство ядер элементов, входящих в состав конструкционных материалов, используемых в реакторостроении, атомной энергетике и космической технике, относятся именно к этой группе ядер.
В области pf-оболочки находится 44 стабильных ядра, на большинстве из которых были проведены экспериментальные измерения парциальных сечений (р, γ)-реакции на ускорителе ЭСУ-5 ННЦ ХФТИ в диапазоне энергий протонов от 1 до 3 МэВ. На основании измеренных сечений были проведены расчеты экспериментальных радиационных силовых функций (РСФ) для конечных ядер (р, γ)-реакций.
Теоретические расчеты парциальных сечений и РСФ проведены с помощью компьютерного кода TEPEL, разработанного в ННЦ ХФТИ. Этот код в рамках статистической теории атомных ядер и формализма Хаузера-Фешбаха учитывает различные современные модельные описания РСФ. Сравнение экспериментально измеренных и теоретически рассчитанных РСФ показывает хорошее совпадение.
В настоящее время запланировано проведение экспериментальных измерений ПС (р, γ) − реакции на отдельных ядрах pf-оболочки с целью получения новых и уточнения ранее полученных данных и расширения энергетического интервала. Эксперименты будут проводиться на ускорителе протонов ЭСП-5 ННЦ ХФТИ. Теоретические расчеты РСФ будут выполняться с помощью компьютерного кода TEPEL.
Полученные экспериментальные данные ПС и теоретические оценки энергетической зависимости РСФ в разных ядрах pf-оболочки будут направлены для размещения в базе ядерных данных NNDC (Брукхевен, США).

Радиационная силовая функция для ядра ⁶⁰Ni.

4. Ядерно-физические исследования для нужд ядерной энергетики и медицины

Важной проблемой для Украины является обращение с ядерным топливом после отработки на атомных электростанциях (АЭС) и радиоактивными отходами (РАО), которые накапливаются при работе АЭС, а также создание эффективных сорбентов для извлечения радионуклидов. В связи с этим были проведены комплексные исследования свойств природных минералов (гранит, туф, цеолит) и наночастиц оксидов металлов, которые могут быть использованы в качестве промежуточных барьеров при захоронении РАО и иммобилизации радионуклидов. Экспериментально отработаны оптимальные условия гамма активации тормозным излучением природных минералов и наночастиц оксидов металлов с целью дальнейшего прогнозирования их поведения при длительном облучении и возможности использования их в качестве промежуточных барьеров при захоронении РАО. Показано, что использование селективных природных минералов, обогащенных наночастицами оксидов металлов, позволяет получить высокий процент сорбции, например, для цезия-132 до 99.8%.
На линейных ускорителях ННЦ ХФТИ разработаны фотоядерные технологии получения изотопов Tc-99m, Cu-67 и Pt-195m для радионуклидной диагностики с использованием различных носителей, радионуклидной терапии и радио-иммунного анализа. Получены патенты и акты проведения доклинических испытаний на изолированных клетках опухолей и организмах животных. Совместно с харьковским Институтом медицинской радиологии разработаны новые методы получения медицинских препаратов, содержащих изотопы (Sm-153, Yb-175, Pm-149) на основе наночастиц оксидов этих элементов для лечения метастазов в костях онкобольных.
Разработанна фотоядерная технология определения отношения ⁴⁴Са/⁴⁸Са в волосах детей, проживающих в Харьковском регионе, для определения «группы риска» по заболеваемости остеопенией и остеопорозом.
Эта же технология была применена для изучения патогенеза одонтогенных заболеваний у населения Харьковского региона. В зубах больных были зарегистрированы такие актиноиды, как Ra-226, K-40, Pb-212 и др., что указывает на цепочку, по которому эти радионуклиды попадают в организм человека (воздух-вода-почва-растения-человек).

Основные публикации

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.

Международное сотрудничество

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