Проекты XXI века

Коллаборация ARIADNA набирает силу

Новая страница в истории прикладных исследований ОИЯИ

Рекордный по длительности сеанс на строящемся ускорительном комплексе NICA дал старт новым исследованиям в рамках коллаборации ARIADNA (Applied Research Infrastructure for Advance Development at NICA fAcility). Облучение образцов проводилось с 11 декабря 2022 года по 30 января 2023 года на новом стенде в зоне установки BM@N. В совместных работах участвовали сотрудники Института медико-биологических проблем РАН (ИМБП РАН), Федерального исследовательского центра химической физики имени Н.Н.Семенова РАН (ФИЦ ХФ РАН), Медицинского радиологического научного центра имени А.Ф.Цыба - филиала ФГБУ "НМИЦ радиологии" Минздрава России (МРНЦ имени А.Ф.Цыба, г. Обнинск), Российского химико-технологического университета имени Д.И.Менделеева (РХТУ), Объединенного института высоких температур РАН (ОИВТ РАН). Ряд организаций участвовали опосредованно как разработчики тех или иных инновационных материалов или новаторских подходов к постановке эксперимента.

Прокомментировать ход эксперимента и результаты мы попросили заместителя начальника Отделения научно-методических исследований и инноваций ЛФВЭ по научной работе Олега Белова.

Исследовательская программа ARIADNA, на мой взгляд, развивается очень активно. Мы уже рассказывали в нашей газете о многочисленных обсуждениях и заинтересованности научного сообщества в этих работах. Во что "материализовались" эти идеи и планы?

- Около года назад на комплексе NICA было завершено создание станции СОЧИ (Станция Облучения ЧИпов) для облучения микросхем ионами относительно низких энергий - 3,2 МэВ/нуклон. Теперь же нам доступен пучок с энергиями на несколько порядков выше - 3,8 ГэВ/нуклон, что существенно расширяет возможности для проведения прикладных работ.

Для облучения образцов использовались возможности установки BM@N. Каким образом стало возможно это совмещение?

- Эксперимент BM@N нацелен на изучение свойств плотной барионной материи во взаимодействиях пучков тяжелых ионов с фиксированными мишенями. Этот эксперимент стал первым, который начал свою работу на ускорительном комплексе NICA. При этом конструкция BM@N позволяет дополнительно использовать пучок на выходе из установки. В целях реализации на этом пучке программы прикладных исследований был специально оборудован стенд, который дает возможность проводить облучение образцов параллельно с набором статистики по эксперименту BM@N и подходит для решения широкого спектра задач.

Хроника событий

В первые дни работы на новом стенде был выполнен ряд научно-методических задач по диагностике пучка и дозиметрии. Активная работа команды специалистов МРНЦ имени А.Ф.Цыба с использованием комплекса собственного дозиметрического оборудования, применяющегося для точной дозиметрии в области ионной терапии, позволила установить основные параметры пучка и спланировать схемы облучения для различных образцов.

Задачи ИМБП РАН в данном сеансе были связаны с исследованием защитных свойств, радиационной стойкости и радио­модификации композитных материалов для космической отрасли. Вторым экспериментом ИМБП РАН стали работы, связанные с определением влияния тяжелых ионов на всхожесть семян и особенности развития растений.

Специалистами ФИЦ ХФ РАН решались задачи по изучению структурной модификации и состояния вещества в результате воздействия пучков ускоренных ионов на искусственные сапфиры (Al₂O₃). Существенная часть программы ФИЦ ХФ РАН в данном сеансе была посвящена работам по изучению радиационных повреждений тонких полимерных пленок толщиной до 100 мкм, созданных на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ и терморадиационно-модифицированного ПТФЭ), полиэтилентерефталата, полиэтилена, полиимида, и облученных пучками ускоренных ионов ксенона с энергией 3,8 ГэВ/нуклон.

Одной из актуальных задач сеанса были работы по линии ОИВТ РАН, связанные с облучением лент из высокотемпературных сверхпроводников - ВТСП-лент 2-го поколения. Целью совместных исследований ученых ОИЯИ и ОИВТ РАН в данном направлении является разработка методов увеличения критического тока - максимального тока, который выдерживает сверхпроводник без потери сверхпроводимости - путем создания радиационных дефектов (центров пиннинга). В эксперименте проводилось облучение вертикально и горизонтально расположенных ВТСП-лент с покрытием медью и без меди.

В программу эксперимента также были включены работы по облучению мишеней из различных металлов и измерению спектров наведенной активности. В частности, в спектрах мишеней из алюминия, облученных ионами ксенона с энергией 3,8 ГэВ/нуклон, были идентифицированы изотопы ⁷Be, ²²Na и ²⁴Na. В настоящее время продолжаются работы по анализу всех полученных спектров и определению выходов обнаруженных нуклидов.

Надежный партнер ОИЯИ

ИМБП РАН - давний партнер ОИЯИ в области изучения биологического действия космической радиации в наземных экспериментах с использованием ускорителей заряженных частиц. Первые связи между ОИЯИ и этим научным центром возникли буквально с момента основания обеих организаций. В начале 60-х годов на синхроциклотроне ОИЯИ проводились исследования, которые уже тогда имели своей задачей моделирование радиационных условий на орбите Земли. В 70-е годы на территории ОИЯИ был построен исследовательский корпус и открыта лаборатория ИМБП РАН для изучения радиобиологических эффектов воздействия тяжелых ионов. В текущем году ИМБП РАН отмечает свое 60-летие, и юбилейный год ознаменован началом нового витка сотрудничества двух организаций в рамках коллаборации ARIADNA.

"Мы с большим нетерпением ждали начала этого сеанса, когда на комплексе NICA появятся частицы с "нашими" энергиями: до нескольких ГэВ на нуклон. Именно они позволяют имитировать космическую радиацию, получая потоки тех самых частиц: ядра углерода, азота, кислорода, железа, ксенона и других. Для нас NICA - это некий симулятор космического излучения, которое воздействует в том числе и на экипажи космических аппаратов", - прокомментировал заведующий отделом радиационной безопасности пилотируемых космических полетов ИМБП РАН Вячеслав Шуршаков.

Облучение композитных материалов

На Международной космической станции каюты космонавтов, где они проводят большую часть времени, выступают за основной объем станции. Как выяснил отдел радиационной безопасности пилотируемых космических полетов ИМБП РАН, в результате получаемая в них доза радиации оказывается на 20-30% больше, чем в других помещениях. Для решения этой проблемы ученые из Белгородского государственного технологического университета имени В.Г.Шухова предложили защитный материал, который был доставлен на МКС, где, начиная с февраля 2022 года, в левой каюте российского сегмента станции проходит эксперимент "Композит защитный".

Материал представляет собой композит на основе полимерной матрицы из фторопласта с модифицированным наполнителем - оксидом висмута и нанодисперсным наполнителем из карбида вольфрама. Композит изготовлен по инновационной технологии, благодаря чему приобрел механическую и радиационную стойкость. Однако в нем есть вкрапления вольфрама, титана и других тяжелых элементов, которые могут генерировать вторичные нейтроны.

Более усовершенствованная разработка белгородских ученых - новый композитный материал, который состоит из политетрафторэтилена. В него, помимо оксида висмута и карбида вольфрама, добавлены гидрид титана и карбид бора. Для защиты кают достаточно этого материала толщиной всего 3-4 см, что в меньшей степени сократит объем помещения. В перспективе его планируется использовать на Российской орбитальной служебной станции (РОСС) и на пилотируемых транспортных кораблях нового поколения.

Итоговая конфигурация Российской орбитальной служебной станции, изображение с сайта https://nplus1.ru

Эксперимент по облучению двух композитов на пучках тяжелых ядер проводился на NICA в течение нескольких суток. По итогам эксперимента готовится целая серия испытаний и тестов. Сотрудниками отделения научно-методических исследований и инноваций ЛФВЭ проведен анализ облученных образцов в целях определения степени активации элементов в составе материала под воздействием пучков ионов ксенона. Также будет проведена оценка структурных изменений в этих двух материалах.

Облучение семян

"Мы запускаем семена в космос, чтобы оценить пригодность их использования в следующих миссиях. Семена более устойчивы к радиации, чем люди, поскольку более просто устроены, тем не менее, изменения в них происходят. На ядрах ксенона мы получим уникальный результат", - рассказал Вячеслав Шуршаков.

Способность семян прорастать в условиях космоса, с одной стороны, - это прагматический аспект - космонавты во время длительных полетов смогут разнообразить свой рацион. Но вид оранжереи - это также и положительное психологическое воздействие - биологические объекты позволяют космонавтам на орбите скрашивать однообразие быта и одиночество.

Что касается получивших свою дозу ионизирующего излучения на NICA семян, ученые ИМБП РАН оценят их прорастание после облучения, а также определят всхожесть, размер листьев и иные параметры развития. При помощи современных методов микроскопии будут изучены хромосомные аберрации.

Задел на будущее

Помимо уже реализованных исследований, Институт медико-биологических проблем имеет большие планы по развитию сотрудничества с ОИЯИ. 11 января 2023 года был подписан меморандум о взаимопонимании между коллаборацией ARIADNA и ИМБП РАН.

Одним из направлений сотрудничества станет поиск оптимальных способов защиты от радиации в космосе. Сюда входят как биологические, так и физические аспекты, связанные с исследованием защитных свойств различных материалов. В 2028-2030 годах планируется развертывание первого этапа создания Российской орбитальной служебной станции на беспрецедентной высокоширотной орбите с повышенным уровнем радиации. В связи с этим, вопросы разработки перспективных методов снижения радиационного риска являются определяющими для успешной эксплуатации станции в будущем. Вячеслав Шуршаков рассказал, что в ИМБП сейчас разрабатывается локальная защита для космонавтов. Элементы этой амуниции также планируется испытать на пучках комплекса NICA. В очереди на исследования - новые дозиметры нейтронов высоких энергий для космических целей.

Олег Валерьевич, расскажите в целом об итогах сеанса.

- Хотелось бы отметить пионерский характер проведенных исследований, прежде всего ввиду использования тяжелых ионов относительно высоких энергий, при которых многие эффекты радиационного воздействия остаются слабо изученными. При этом определение корреляции между изменением свойств материалов и параметрами радиационного воздействия повышает надежность прогнозов радиационной стойкости изделий. Это важно для устройств, работающих в полях ионизирующих излучений: в космосе, ядерной медицине, атомной технике. Такие исследования позволяют оптимизировать режимы использования оборудования, улучшить массогабаритные характеристики устройств, разработать новые методы защиты от радиации.

Основной объем данных по состоявшемуся эксперименту еще только предстоит обработать - после сеанса образцы продолжают анализироваться в профильных институтах, входящих в коллаборацию ARIADNA. В целом текущий этап можно охарактеризовать как успешное начало работ. Хотелось бы подчеркнуть вклад сотрудников Отделения научно-методических исследований и инноваций ЛФВЭ в осуществление программы состоявшегося эксперимента и особо отметить усилия Ускорительного отделения, инженерных служб и других подразделений лаборатории в части обеспечения работы ускорительного комплекса в ходе всего сеанса.

(Продолжение следует)

По материалам Пресс-центра ОИЯИ