ФЦП «Развитие инфраструктуры

наноиндустрии в Российской Федерации

на 2008 – 2010 годы»

ПИЯФ РАН как узловой центр сети

«Нейтронные исследования для

наноиндустрии, методологическое и

образовательное обеспечение»

(Пояснительная записка)

Гатчина - 2008

1

Историческая справка

Институт основан в 1971 г. на базе филиала Физикотехнического института им. А. Ф. Иоффе. Он носит имя

академика Б. П. Константинова, крупнейшего Российского физика-ядерщика, сыгравшего определяющую роль как в становлении и развитии института, так и в формировании программы его научных исследований. Институт представляет собой комплексное научное учреждение, в котором были сосредоточены фундаментальные и прикладные ядерно-физические, биофизические и теоретические исследования. К настоящему времени ПИЯФ РАН им. Б. П. Константинова является крупнейшим академическим институтом, имеющим замечательные научные результаты, сформировавшийся коллектив и ясные перспективы развития.

Основные направления научных исследований • Нейтронная физика • Физика элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий • Ядерная физика • Физика конденсированного состояния • Теоретическая физика • Физика и техника реакторов и ускорителей • Молекулярная и радиационная биофизика • Медицинские прикладные исследования • Оптические методы измерений • Распределенные вычисления и информационные технологии • Новые методы и аппаратура для научных исследований Кадровый состав института В институте работает около 2000 сотрудников. Среди них 600 научных и 800 инженернотехнических сотрудников. В том числе 300 кандидатов и 70 докторов наук. За последние годы семь сотрудников института были избраны членами-корреспондентами Академии наук, а двое академиками.

Международное сотрудничество Институт проводит совместные исследования и участвует в подготовке крупных проектов в области фундаментальной и прикладной физики с крупнейшими международными организациями – • Европейский центр ядерных исследований, Швейцария • Национальная лаборатория им. Э. Ферми, США • Брукхейвенская национальная лаборатория, США • Международный Институт им. Лауэ-Ланжевена, Франция • Лаборатория им. Л. Бриллюэна, Франция • Исследовательский центр DESY, Германия • Исследовательский центр GSI, Германия • Институт Гана – Мейтнер, Германия • Институт им. П. Шерера, Швейцария и др.

Наиболее крупные международные проекты • эксперименты ATLAS, CMS, ALICE, LHCb на большом адроном коллайдере в ЦЕРН • эксперимент D0 во ФНАЛ • эксперимент ФЕНИКС на релятивистском коллайдере RHIC • коллаборация HERMES на ускорителе HERA • эксперименты с ультрахолодными нейтронами в ILL.

Основные экспериментальные установки • Исследовательский реактор ВВР–М • Протонный синхроциклотрон • Критический стенд • Малые ускорители • Лазерно-ядерный комплекс исследования короткоживущих ядер • Комплекс протонной терапии • Строящийся высокопоточный исследовательский реактор ПИК ПИЯФ РАН обладает уникальным оборудованием, которое позволяет проводить комплексные исследования, как новых материалов и наноструктур, новых технологий и устройств в области наноизмерительных систем, так и сложных биологических и живых систем. Без проведения подобных исследований немыслима разработка новых наноматериалов, нано- и биотехнологий. Многолетний опыт и имеющееся дорогостоящее оборудование, основные параметры которого находятся на уровне лучших мировых образцов, а зачастую и превосходят их, предоставляют уникальные возможности для развития технологий атомной энергетики, ядерного топливного цикла, безопасного обращения с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом, а также технологий водородной энергетики и биоинженерии.

Основные уникальные базовые установки ПИЯФ РАН (реактор ВВР-М, протонный синхроциклотрон и малые ускорители) оснащены специальным экспериментальным, диагностическим, метрологическим, научно-технологическим и производственным оборудованием, а также иными приборами и устройствами, которые позволяют обеспечивать успешное проведение широчайшего круга исследований в области нанотехнологий и наноматериалов.

На действующем реакторе средней мощности ВВРМ-М размещено более уникальных инструментов, которые позволяют проводить исследования практически во всех тематических направлениях деятельности национальной нанотехнологической сети. Большинство этих инструментов не имеет аналогов в России, а сам реактор ВВР-М после остановки реактора ИБР в Дубне на реконструкцию, остался практически единственным эффективно используемым исследовательским реактором в России. Все эти уникальные инструменты включены в состав центра коллективного пользования Ядерно-физические исследования и инновации (ЦКП ПИЯФ ЯФИИ) и доступны всем исследователям России.

Только за последние годы в ПИЯФ РАН с использованием нейтронов проведен широкий круг наноструктурных исследований, результаты которых носят принципиальный характер для разработки новых материалов:

1) Исследование магнетизма и структуры материалов в «ограниченной геометрии»

(И.В.Голосовский) 2) Исследование наноструктур (лаб. В.П.Плахтия, В.В.Рунова) 3) Получение нового класса эндофуллеренов – триметаллонитридов и исследование химических последствий (n,) – реакции в них (лаб. Ю.С.Грушко) 4) Исследованы особенности вихревой структуры критического состояния в гранулированных высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалах (гр.

О.В.Геращенко) 5) Исследуются материалы с памятью формы (лаб. В.В.Рунова, гр. Р.Ф.Коноплевой) 6) Разрабатываются нейтрон-захватные методы получения радиометаллофуллеренов для целей ядерной медицины (лаб. Ю.С.Грушко) 7) Исследуются катализаторы химических реакций (лаб. В.А.Трунова) a) На основе проведенных структурных исследований феноксииминных комплексов Ti и Zr дано объяснение функциональных свойств современных катализаторов для эффективного синтеза полиэтилена низкого давления, изготавливаемых на их b) Установлена необычная кластеризация меди и водорода в ZnO матрице, образующейся в результате отжига в атмосфере водорода соединений типа Zn1xCuxO (катализаторы при производстве метанола). Оказалось, что водород находится внутри медного кора (кластера) и адсорбирован на его повехности с существенно меньшей плотностью. Новые данные о структуре катализатора являются очень важными для выяснения механизма его действия.

8) Исследуются фотонные кристаллы которые рассматриваются в качестве оптических аналогов электронных полупроводников, а значит, могут являться основой создания новых приборов квантовой электроники и телекоммуникационной индустрии.

9) Ведется исследование функциональных материалов, т.е. материалов, обладающих заданными физическими или химическими свойствами, используемыми в приборостроении или в других областях человеческой деятельности, является приоритетным направлением, определяющим научно-технический прогресс общества.

10) Объединение в нейтронных исследованиях в единое направление методов и техники малоуглового упругого и квазиупругого рассеяния позволяет изучать структуру и динамику огромного разнообразия молекулярных систем в растворах и твердой фазе:

a) Синтетические и биополимеры в растворах и блоке b) Атомные кластеры и производные (фуллерены, нанотрубки) c) Гибридные структуры полимеров и наночастиц с валентными и невалентными связями между компонентами (звездообразные полимеры, комплексы сложных ароматических молекул – порфиринов, дифталоцианинов, фуллеренов с d) Полимерные сетки и мембраны из амфифильных макромолекул (иономеры, полиэлектролиты) e) Феррожидкости, стабилизированные олигомерными и полимерными поверхностно-активными веществами (носители лекарственных и других функциональных препаратов в клетки).

11) Дифрактометр «Мембрана-2» является единственным в России крупномасштабным прибором малоуглового рассеяния на стационарном источнике нейтронов для решения широкого круга задач физики полимеров, молекулярной биологии.

12) Спин-эхо спектрометр на оригинальном принципе модуляции спектра фазой прецессии нейтрона не имеет аналогов в мире и позволяет решать задачи анализа квазиупругого ядерного и магнитного рассеяния с разделением при спиновой зависимости рассеяния, что позволяет изучать не только динамику молекулярных, но и магнитных систем.

Столь широкий круг исследований на реакторе ВВР-М обусловлен тем, что за последние 15 лет в мире произошел качественный скачок в области нейтронной физики.

Нейтроны вышли из области фундаментальных исследований и получили широкое применение в совершенно неожиданных сферах человеческой деятельности. Сфера их применения практически неограниченна. Она простирается от исследования прочности материалов, исследований в области водородной энергетики и нанотехнологий до изучения сложнейших биологических систем и медицины. Их применяют в моторостроении, контроле сложнейших химических процессов, создании новых косметических препаратов и нанотехнологий, даже в археологии. К сожалению, Россия, бывшая до сих пор законодателем мод в нейтронной физике, оказалась на обочине этого бурного мирового процесса. Обусловлено это тем, что в то время как во всем мире за последние 15 лет введены в строй десятки первоклассных исследовательских реакторов, в России были остановлены практически все интенсивные исследовательские нейтронные источники.

Комплекс исследовательского реактора ВВРМ предназначен для проведения широкого круга работ в области физики твердого тела и ядерной физики, физики конденсированного состояния и биологии, химии, геофизики и материаловедения, а также для решения многих прикладных задач в интересах экономики страны. В последние годы использование нейтронов в промышленности претерпело качественный скачок, который обусловлен бурным развитием нанотехнологий и биотехнологий, созданием новых наноматериалов и развитием технологий водородной энергетики.

Область использования нейтронов простирается от размеров < 0.05 нм до 1000 нм.

Благодаря своим уникальным свойствам (электронейтральности и слабому поглощению в большинстве материалов) нейтроны позволяют проводить неразрушающий контроль качества выпускаемой продукции и структуры материалов. Возможности их применения простираются от контроля химических реакций в батарейках и качества закалки коленчатых валов автомобильных двигателей до создания новых биотехнологий и медицинских препаратов. Нейтроны – уникальный инструмент для исследования структуры и свойств различных молекулярных объектов при развитии биокаталитических, биосинтетических и биосенсорных технологий. В водородной энергетике они позволяют «увидеть» легкие атомы водорода на фоне тяжелых атомов, что особенно важно при создании топливных элементов, в которые атомы водорода внедряются, как в резервуар для хранения. Нейтроны также незаменимы при развитии технологий атомной энергетики, ядерного топливного цикла и безопасного обращения с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом.

Нейтроны – идеальный инструмент для исследования различных веществ. Их высокая эффективность обусловлена уникальными свойствами нейтронов:

• Нейтроны электрически нейтральны, поэтому их проникающая способность значительно превышает проникающую способность электронов и даже рентгеновских лучей. Это позволяет проводить неразрушающий контроль деталей и материалов, находящихся в экстремальных условиях, например, внутри ячейки сверхвысокого давления, в высокотемпературной печи или внутри • Рентгеновское излучение рассеивается электронной оболочкой, в то время как нейтроны взаимодействуют только с ядрами. Поэтому они позволяют с большей точностью локализовать положение атомов.

• Нейтроны обладают магнитным моментом, поэтому они являются великолепным инструментом для исследования магнитной структуры вещества.

• Энергия тепловых нейтронов близка к энергии колебаний атомов, поэтому они являются также уникальным инструментом для изучения межатомных взаимодействий и динамики атомов внутри вещества.

Благодаря этим и другим, не перечисленным выше особенностям, нейтронное излучение имеет весьма широкую сферу применения как в фундаментальной науке, так и в прикладных исследованиях.

Наноматериалы. Нейтронное излучение позволяет получать информацию о магнитной и молекулярной структуре наночастиц и нанокластеров, включая молекулярные магниты, эффективные катализаторы, фуллерены и металлофуллерены.

Водородная энергетика. Благодаря высокой чувствительности нейтронов к легким атомам (таким как водород) нейтронное излучение позволяет исследовать структуру накопителей водорода, водородных топливных элементов и их поведение при многократном использовании (циклировании).

Магнитная электроника. Наличие у нейтронов магнитного момента позволяет их использовать при исследовании магнитных материалов, сверхпроводников, магнеторезисторов и т. д.

Материаловедение. Высокая проникающая способность нейтронов дает возможность использовать нейтронное излучение для определения (без разрушения конструкций) упругих напряжений в деталях, обнаруживать дефекты на первой стадии их зарождения. Это особенно важно для конструкций, работающих в экстремальных условиях.

Биотехнологии. Зарядовая нейтральность нейтронов и их избирательная чувствительность к изотопному составу дают возможность локализовать атомы водорода (дейтерия), кислорода и углерода в органических молекулах белков и их биологически активных производных, что крайне важно при разработке лекарственных препаратов.

К этому надо добавить традиционно используемые методы производства радиоизотопов, нейтронного активационного и радиационного анализа, нейтронной терапии рака и др.

Действующие установки на реакторе ВВР-М Лаборатория физики неупорядоченного состояния Малоугловой дифрактометр "Вектор" Мультидетекторная установка малоуглового рассеяния поляризованных нейтронов с анализом поляризации рассеянных нейтронов. Используется для исследования надатомных ядерных и магнитых структур масштаба 100-5000.

Основные исследования ведутся в области физики магнитных критических явлений • диапазон переданных импульсов образцов в диапазоне 4-1000 К;

(5·10-3-10-1) -1;

• средний поток тепловых нейтронов на образце 1.7·104 н/см2/сек • максимальный размер пучка на • поляризация падающих на образец нейтронов 95%;

Лаборатория физики неупорядоченного состояния Заведующий лабораторией В.В.Рунов, канд. физ.-мат. наук, снс для изучения надатомной структры коденсированных сред масштаба 200-1000.

Основные направления исследований:

полимеры, коллоидные системы, материаловедение.

• спектры падающего на образец пучка:

монохроматический спектр:

• поляризация на образце • диапазон упругих переданных