Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирского государственного университета (НГУ) провели первый эксперимент по исследованию радиационного старения материалов на установке для бор-нейтронозахватной терапии онкологических заболеваний (БНЗТ) в режиме генерации быстрых нейтронов. Освоение нового режима работы открывает новые возможности по исследованию радиационной стойкости материалов для крупных проектов в физике элементарных частиц и установок для термоядерного синтеза. В частности, результаты работы будут востребованы при модернизации Большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРН.

Детектор CMS (Compact Muon Solenoid) — один из четырех детекторов БАК, работающего в ЦЕРН (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям). Новосибирские физики в эксперименте CMS занимаются лазерной калибровкой электромагнитного калориметра детектора, анализом данных, набранных в этом эксперименте, а также разработкой новой системы MTD (MIP Timing Detector — детектор для измерения отлета минимально-ионизирующих частиц) для модернизируемого детектора CMS. НГУ является участником коллаборации CMS.

В данный момент идет подготовка к масштабной модернизации БАК, направленной на увеличение его светимости и энергии. Для работы с высокой светимостью модернизируются все четыре детектора, работающие на этом коллайдере. Поскольку светимость установки и энергия протон-протонных пучков увеличатся, возрастет и радиационная нагрузка на системы детекторов. Это требует проверки радиационной стойкости материалов, из которых изготовлено как уже используемое оборудование, так и новое, предназначенное для модернизации.

Одним из важных компонентов радиационной нагрузки в детекторах, работающих на адронных коллайдерах, является нейтронное облучение — облучение, состоящее из потока нейтронов. Характер взаимодействия нейтронов со средой зависит от их энергии. Если тепловые нейтроны в основном захватываются атомными ядрами вещества, то быстрые нейтроны с энергией порядка МэВ фактически разрушают их. Примером разрушающего воздействия быстрых нейтронов является изменение характеристик сцинтиллирующих материалов и световодов, которые используются в электромагнитном калориметре. Под воздействием облучения потоком нейтронов они темнеют из-за разрушения их структуры, особенно в местах максимально близких к пучку, где создается наибольший радиационный фон.

«Нашей целью было проверить, как материалы ведут себя под воздействием больших потоков нейтронного излучения — до 10¹⁴ neq/cm². Например, в лазерной калибровке детектора CMS используется оптоволокно для передачи света от кристаллов к фотонным детекторам. Радиационная стойкость оптоволокна к нейтронному излучению является одним из критических параметров при модернизации системы лазерной калибровки детектора CMS для работы на модернизированном коллайдере. Эта задача, как оказалось, может быть очень хорошо решена в Институте ядерной физики. Мы проверили на установке БНЗТ, как меняется прозрачность оптоволокна в результате облучения быстрыми нейтронами», — рассказал старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, заведующий лабораторией НГУ кандидат физико-математических наук Юрий Сковпень.

Установка для бор-нейтронозахватной терапии онкологических заболеваний (БНЗТ).

Команда БНЗТ предложила для генерации мощного потока быстрых нейтронов использовать действующий ускорительный источник нейтронов, заменив водородный пучок дейтериевым, и внутри радиационно-защищенного зала соорудить дополнительный бункер из бетонных блоков с карбидом бора. Так было положено начало эксперименту, который длился ровно месяц.

«Если вы хотите получить мощный пучок быстрых нейтронов, то наиболее эффективно использовать именно дейтериевый пучок и литиевую мишень. Литиевая мишень — это наша фишка, мы ее разрабатываем уже двадцать лет и обладаем уникальными компетенциями в этой области. Да и сам ускоритель за прошедшие годы был оснащен таким широким набором диагностических средств, что нам удалось получить пучок дейтронов в максимально короткие сроки», — прокомментировал заведующий сектором ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Сергей Таскаев.

По мнению ученых, результаты получились хорошими для исследуемых образцов оптоволокна. Их прозрачность, способность передавать свет, под воздействием излучения уменьшилась на 20% при облучении потоком нейтронов 10¹⁴ neq/cm², это довольно высокий показатель качества материала. «Особенностью работы является то, что мы могли измерять прозрачность оптоволокна в процессе набора необходимой интегральной дозы и тем самым изучать процесс старения в зависимости от величины набранной дозы. Было продемонстрировано, что установка БНЗТ обеспечивает возможность набора интегральной дозы более 10¹⁴ neq/cm². Это большая доза, достаточная для проверки радиационной стойкости материалов, планируемых для использования на детекторе CMS. Мы впервые продемонстрировали, что можем работать с такими дозами на ускорительном источнике нейтронов. Это уникальный инструмент для исследования радиационной стойкости материалов», — подчеркнул Юрий Сковпень.

Изменение прозрачности оптоволокна в процессе облучения. Резкое падение и восстановление прозрачности при включении и выключении потока нейтронов. Показаны результаты для трех образцов оптоволокна, расположенных на разных расстояниях от мишени.

Работа проводилась силами нескольких научно-исследовательских групп: ИЯФ СО РАН, НГУ, а также группы из Центра ядерных исследований Сакле (Франция), которая предоставила образцы оптоволокна и оборудование для измерения его прозрачности. В рамках текущего эксперимента помимо оптоволокна были облучены еще полупроводниковые ФЭУ и dc-dc конвертеры другого детектора БАК, алмазный детектор нейтронов и пластины из карбида бора для Международного термоядерного реактора ИТЭР, неодимовые магниты для мощного линака Института теоретической и экспериментальной физики (Москва), газовые сенсоры на основе фталоцианинов титанила для НГУ.

«Эта красивая работа — результат сотрудничества лабораторий ИЯФ и НГУ, — прокомментировал заведующий лабораторий ИЯФ СО РАН и декан ФФ НГУ Владимир Блинов. — Она проводилась в рамках подписанного между РФ и ЦЕРН Соглашения и в рамках Соглашения о сотрудничестве между НГУ и коллаборацией CMS. Работа была инициирована лабораторией НГУ и поддержана группой из Сакле, которая тоже состоит в коллаборации. Для облучения элементов системы лазерной калибровки электромагнитного калориметра команда БНЗТ наладила режим генерации быстрых нейтронов ускорителя, что стало нетривиальной научно-технической задачей. Результаты совместных экспериментов ИЯФ и НГУ высоко оценены руководством группы электромагнитного калориметра детектора CMS и руководством коллаборации. Также радует, что в результате сотрудничества университета и ИЯФ создана уникальная научная инфраструктура, которая будет широко востребована при реализации проекта Супер С-тау фабрики и в других направлениях, например, радиационных тестах в термоядерном синтезе».

Источник: Институт ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН