Коллектив и его дело

Новая жизнь ускорителя ЭГ-5

Электростатический ускоритель ЭГ-5 - долгожитель Лаборатории нейтронной физики, исправно работающий с 1965 года. Это надежный инструмент для решения широкого спектра задач в области ядерной физики, физики твердого тела, радиационных технологий. Ионный пучок ускорителя при относительно высоком токе (до 100 мкА) обладает очень высокой энергетической стабильностью, благодаря чему установка ЭГ-5 может работать как в режиме нейтронного генератора, так и ионного источника для ионно-лучевого анализа.
Сегодня при помощи ЭГ-5 проводятся исследования ядерных реакций нейтронов с твердым телом, сопровождающихся вылетом заряженных частиц, исследования элементных глубинных профилей многослойных полупроводниковых архитектур, а также облучение материалов. С последними результатами работы группы ЭГ-5 на семинаре Отделения ядерной физики ЛНФ 21 сентября выступил ее руководитель Александр Сергеевич Дорошкевич. А для нашего еженедельника он более подробно рассказал о группе, проводимых и будущих исследованиях, ходе модернизации установки.

Уникальная установка

Наша группа как отдельное подразделение в ЛНФ возникла относительно недавно, в 2019 году, и к настоящему моменту, по моему мнению и определенным объективным показателям, практически сформировалась. Сегодня группа включает 23 человека, они более чем на 100 процентов задействованы в обслуживании и модернизации относительно большого объема технологического оборудования ускорительного комплекса и проведении научных исследований с использованием соответствующей приборной инфраструктуры.

Напомню, что электростатический ускоритель представляет собой сложный аппаратный комплекс, включающий довольно непростые в обслуживании технологические системы, в частности высоковольтную (до 4 МэВ) газобаллонную систему высокого давления, вакуумную, электромагнитную систему управления ионным пучком, электронную систему контроля и автоматизации технологических процессов. Оборудование комплекса расположено в здании ускорительной "башни" корпуса №42 и помещениях двух прилегающих экспериментальных залов. Ускоряемый пучок ионов раздается по ионопроводам на один из шести каналов (по три на каждый экспериментальный зал), оснащенных терминальными устройствами. Терминальные устройства представляют собой отдельные ядерно-физические установки, каждая из них является по-своему уникальной как в пределах ОИЯИ, так и в странах-участницах. Да, и сам ЭГ-5, к сожалению, на данный момент является единственным в ОИЯИ одноступенчатым электростатическим ускорителем.

Естественно, что среди ускорительных установок Объединенного института ЭГ-5 занимает свою уникальную нишу, так как позволяет получать достаточно интенсивные (10¹² частиц/см²) потоки квазимоноэнергетических ускоренных (до 1-2,5 МэВ) заряженных частиц (однозарядные ионы водорода, гелия или дейтерия) и быстрых нейтронов (4,1±0,1 МэВ). Следует отметить, что такой малый энергетический разброс нельзя получить с использованием относительно недорогих перезарядных (тандемных) электростатических ускорителей, не говоря уже об ускорителях, построенных на других физических принципах.

На современном этапе научно-технической революции энергии частиц до 4-5 МэВ уже не имеют большого значения для фундаментальной ядерной физики, однако спектр разнообразных прикладных задач, где требуются наши пучки, быстро расширяется по мере развития бионанотехнологий и междисциплинарных научных направлений. Эти исследования востребованы, о чем свидетельствует спрос на наши результаты в международных рейтинговых журналах. Естественно, что "центр масс" спектра актуальных научных задач для ЭГ-5 за время с момента его создания (1965 г.) сместился в область прикладных исследований. В настоящий момент в группе наметились к развитию семь научных направлений, охватывающих широкий спектр наиболее актуальных задач современности: от разработки приборов перспективной электроники (гомогенной наноэлектроники) и выведения засухоустойчивых сортов риса до исследования астрофизических процессов звездного нуклеосинтеза.

Источник, инструмент, прибор

Ускорительный комплекс на базе электростатического ускорителя ЭГ-5 многофункционален. В соответствующих режимах он может использоваться как источник ионизирующего излучения, как инструмент для проведения физической и химической модификации материалов и, конечно же, как спектрометрический исследовательский прибор. Например, при помощи быстрых нейтронов с узкой энергетической дисперсией, получаемых по (d-d) - реакции на ускорителе ЭГ-5, можно сообщать испытуемым материалам относительно высокие дозы излучения без индуцирования в них наведенной радиоактивности. Имплантируя ионы инертного газа гелия, можно существенно изменять в локализованных объемах материалов (приповерхностные слои) поля механических напряжений, чем индуцировать структурно-фазовые превращения или создавать так называемую "гелиевую пористость". В последнем случае происходит изменение микроструктуры. Гелиевая пористость, как и другие радиационно-индуцированные дефекты, остается серьезной проблемой радиационных технологий и всегда была актуальным объектом исследования. Следует отметить, что в настоящее время ЭГ-5 - единственный в ОИЯИ ускоритель, позволяющий проводить такие исследования на гелии в диапазоне энергий 1-2,5 МэВ. Имплантация ионов водорода позволяет в строго локализованных областях материала проводить частичное химическое восстановление оксидов металлов, тем самым изменять стехиометрическое соотношение элементов, то есть проводить химическую модификацию материалов. Имплантация ионов в кристаллическую решетку материалов позволяет изменять также их электронную структуру и электрические свойства, что активно используется в электронной промышленности. Существенное достоинство ускорительных технологий имплантации - точная пространственная локализация имплантируемых ионов, причем наличие промежуточных слоев материала на пути ионного пучка не является для этого существенной помехой.

Облучение биологических объектов позволяет вызывать полезные мутации для новых сортов сельскохозяйственной продукции. Облучение быстрыми нейтронами определенных веществ вызывает ядерные реакции с вылетом заряженных частиц. Ядерные константы соответствующих реакций - предмет изучения группы профессора Ю.М.Гледенова (ЛНФ). Физика рассеяния моноэнергетических альфа-частиц атомами приповерхностных слоев вещества положена в основу методов ионно-лучевой спектрометрии, которые исторически составляют основное направление деятельности нашей группы. Уникальность данных методов обусловлена возможностью исследования многослойных планарных структур без их разрушения послойным утонением, как например, при использовании РФЭС (XPS) - метода. При этом предел чувствительности ионно-лучевого анализа как минимум на два порядка выше, чем с использованием XPS и составляет величину порядка 10^-3-10^-4 атмосферных %. Следует отметить, что ионно-лучевые методы анализа позволяют проводить количественный элементный анализ легких атомов, а также изотопов.

Кроме ионно-лучевой спектрометрии в группе активно используются комплементарные методы исследования физических свойств поверхности, в частности спектроскопической эллипсометрии, импедансметрии и вольт-амперометрии. Эти методы позволяют охарактеризовать электрические, электронные и оптические свойства исследуемых объектов.

Результаты работы группы в 2022 году

На семинаре я познакомил коллег с последними результатами наших работ в этом году.

На полупроводниковых материалах вместе с профессором кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников П.Б.Лаговым (НИТУ МИСИС, Москва) проведен ряд успешных экспериментов с облучением полупроводниковых кристаллов водородом, он же связал нас с крупнейшим производителем электроники в России - АО "Микрон". С ними уже достигнута договоренность о подготовке оборудования и проведении в будущем технологической операции имплантации ионов водорода при производстве мощных высоковольтных диодов.

Не менее значимые, по моему мнению, результаты получены нашей группой в области порошковых нанотехнологий. Речь идет о разработке новых приборов для перспективной электроники и альтернативной энергетики. В конкурентной работе с Институтом физики полупроводников имени В.Е.Лашкарева НАН Украины нам впервые удалось зафиксировать четкий эффект "выпрямляющего" контакта двух наночастиц разного размера. Это абсолютно новое слово в развитии электроники, поскольку данное явление позволяет перейти к так называемой гомогенной электронике. Такая электроника будет лишена базового недостатка легированных полупроводников - диффузионной неустойчивости, из-за которой любой полупроводниковый прибор рано или поздно выходит из строя. Это очень мешает при разработке устройств и систем критических технологий, поскольку с повышением температуры диффузионные процессы экспоненциально ускоряются, и вероятность выхода из строя таких приборов и оборудования в целом многократно повышается. Гомогенная электроника будет лишена этого недостатка, очевидно, изменятся и привычный вид устройств, и режимы их работы. На мой взгляд, это очень интересное направление, которое стоит развивать. Такая же ситуация в возобновляемой энергетике: совместно с другими международными исследовательскими группами мы пытаемся разрабатывать на основе нанопорошков оксида циркония приборы, преобразующие энергию адсорбции влаги в электрический вид. Энергия адсорбции влаги - довольно серьезный перспективный источник энергии. Например, здание весом 1000 тонн (6-этажный дом) при адсорбции из атмосферы, (например, при смене суточного цикла день - ночь) всего 5 весовых % влаги выделяют 15 МДж тепла. Это вполне себе ощутимая энергия, которая может быть использована в активной энергетической инфраструктуре зданий нового поколения. Основная проблема на данном этапе состоит в крайне низком КПД адсорбционных гидроэлектрических преобразователей или хемоконвертеров. Полугодом ранее мы работали по данной тематике в составе международного проекта по программе ГОРИЗОНТ 2020. Сейчас работы в области порошковых технологий для альтернативной энергетики и перспективной электроники продолжаются в основном студентами, уже вне проекта. Есть много других не менее интересных тематик, например в области ядерной физики, биологии, радиационного материаловедения и других. Я обязательно расскажу об этих работах при первой же возможности.

Несколько слов о группе

Буквально в этом году мы сформировались как группа: сформировались ее структура, внутренний регламент и, собственно, система получения научных данных. Коллектив дружный и работоспособный. Большая часть группы занимается наукой на нашем ускорителе. Сотрудники группы представляют семь стран: Азербайджан, Белоруссию, Болгарию, Вьетнам, Кубу, Россию, Украину. Работаем мы как в коллаборации со странами-участницами ОИЯИ, так и с научными коллективами из Испании, Португалии и других стран. Группа в большинстве своем молодежная. Все сотрудники стремятся повысить уровень своей квалификации: осваивают не только научные специальности, но и технические. Константин Студнев в этом году прошел подготовку в УНЦ ОИЯИ, подтвердил квалификацию такелажника и фрезеровщика, осваивает конструкторскую специальность. Илья Чепурченко поступил в магистратуру Московского политехнического института на конструкторскую специальность. Пятеро молодых сотрудников группы сейчас готовят кандидатские диссертации. Инженер Рафаэль Исаев, являясь по совместительству аспирантом МИФИ, развивает в группе направление по радиационному материаловедению. С приходом в группу старшего научного сотрудника Здравки Славковой (Болгария) мы планируем развивать исследования с липидными мембранами, использовать наши пучки для модификации этих мембран. Под руководством научного сотрудника Юлии Алексеенок проводится изучение мутагенеза клеток, биологических объектов, решается актуальная задача изучения влияния космической радиации на формирование объектов живой природы и их эволюцию. Энергия нашего ускорителя позволяет в некоторой степени имитировать вторичное космическое излучение. В рамках сотрудничества с Псковским университетом мы будем участвовать в работах по мутагенезу гриба вёшенки. Планируется сотрудничество с ЛРБ ОИЯИ после модернизации ускорителя. Сейчас ведется разработка новой камеры для исследований ядерных реакций, где ионным пучком будут облучаться мишени из тяжелых элементов с целью исследования ядерных констант. Наша сотрудница - студентка Анна Захарова заняла первое место в конкурсе работ по физике на молодежной конференции "Ломоносов-2022", стала лучшей из 600 претендентов. Она без экзаменов поступила на физфак МГУ на специальность "Нейтронография", сейчас учится и продолжает работать у нас. Наш коллега из Вьетнама Чан Ван Хук защитил кандидатскую диссертацию по исследованию влияния солнечной радиации на процессы деградации солнечных элементов. Механизм деградации связан с потоком быстрых частиц, которые приводят к размытию гетерофазной границы и снижению эффективности функциональных гетеропереходов. Наш ведущий научный сотрудник доктор физико-математических наук А.К.Кириллов в своей новой работе исследовал при помощи малоугловой нейтронной дифракции зависимость микроструктуры ископаемых углей от глубины залегания. Работа была опубликована в престижном журнале Fuel с импакт-фактором 8. У нас большая коллаборация со странами-участницами. Сейчас мы сотрудничаем в семи проектах с Польшей, Сербией, Белоруссией и Казахстаном.

В целом в этом году мы неплохо поработали - опубликованы 13 статей, из которых 12 в рейтинговых журналах. Средний импакт-фактор наших публикаций сегодня - 3,8.

Перспективы развития установки

Ведется модернизация ускорителя, большой объем работ выполняет наша техническая подгруппа не только по ремонту узлов, но и по их модернизации. В этом году проект модернизации был продлен, выделено соответствующее финансирование. Дирекция поставила четкие задачи и определила сроки их выполнения. В частности, на 2-м канале ускорителя планируется к монтажу уникальный микропучковый спектрометр. Для него уже заложен специальный фундамент. Таких приборов в странах-участницах всего несколько единиц. Микропучковый спектрометр позволит проводить анализ микроскопических объектов с шероховатых поверхностей, проводить облучение отдельных органоидов клеток, может быть использован при производстве устройств микросистемной техники, наноэлектроники, его появление открывает целый спектр возможных междисциплинарных исследований.

После модернизации у нас также появится опция нейтронного генератора. Дополнительно к газовой нейтроно-производящей мишени будут установлены твердотельные литиевые мишени. Мы сможем проводить нейтронный активационный анализ на быстрых нейтронах, облучать объекты до относительно больших флюенсов с вариацией температуры, давления или магнитных полей; планируется организация программы пользователей.

Сейчас идет ремонт экспериментальных залов, установка безмасляного вакуумного оборудования, замена мебели, - все будет сделано по последнему слову техники. Хочу отметить, что наше относительно успешное, на мой взгляд, продвижение вперед - результат поддержки дирекции ЛНФ и лично Валерия Николаевича Швецова. С учетом высокого потенциала приборного комплекса и самой группы мы претендуем на роль серьезного игрока на научном поле ЛНФ.

Материал подготовила Ольга ТАРАНТИНА