Публикации по работе:

1). М.Л.Горелик, Б.А.Тулупов, М.Г.Урин “Асимметрия углового распределения

( , n) - реакции в области энергий изовекторного электрического квадрупольного

гигантского резонанса”. Известия РАН, сер.физ. 67, № 5, с. 733 (2003);

2). M.L.Gorelik, B.A.Tulupov, M.H.Urin “On the asymmetry of the ( n) reaction angular distribution

in the energy region of the isovector electric quadrupole resonance”, Proceedings of the X Int.

Seminar “Electromagnetic Interactions of Nuclei at Low and Medium Energies”, Moscow,

April 16-18, 2003 (стр.31).

3) Исследование полных сечений фотопоглощения и фотонейтронных реакций в средних ядрах в области гигантских резонансов низших мультипольностей

Руководитель – к.ф.-м.н. Б.А.Тулупов

Работа выполнена в рамках проекта РФФИ 01-02-16478.

Цель проекта - уточнение и развитие существующих представлений о механизмах формирования и модах распада гигантских мультипольных (электрических) резонансов.

Проведено измерение полных и некоторых парциальных фотонейтронных сечений в области средних ядер ( 52Cr и 51V). Проведен анализ результатов в рамках теории конечных ферми-систем с учетом остаточных взаимодействий, зависящих от скорости.

На рисунке представлены некоторые результаты выполненных исследований [1]. Они демонстрируют достаточно большие возможности использованных экспериментальных и теоретических методов. Однако, вопрос об объяснении структуры в полном сечении фотопоглощения, в частности, в области максимума ДГР остается открытым. В использованном варианте теории ни при каком разумном выборе параметров возникновение подобной структуры невозможно. Тем не менее, существование определенной коррелированности структур в экспериментальном полном сечении поглощения и в силовой функции частично-дырочных возбуждений явно наблюдается. Поэтому для ее объяснения необходимо дальнейшее развитие теории.

Публикации:

1. V.Kouznetsov, S.Merkulov, G.Solodukhov, Yu.Sorokin, B.Tulupov. Proc. Of the X International

Seminar “Electromagnetic Interactions of Nuclei at Low and Medium Energies”, Moscow,

April 16 – 18 2003, p.276

4) «Изучение спиновых эффектов в процессах фоторождения мезонов и фоторасщепления легких ядер при средних и высоких энергиях»

Руководитель – к.ф.-м.н. В.Ю.Гришина.

Работа поддержана грантом РФФИ 02-02-16783

Цель работы - разработка нового непертурбативного подхода к фотон-адронным и адрон-адронным реакциям в области средних и высоких энергий с использованием обобщенной кварк-глюонной струнной модели (КГСМ) с учетом спиновых переменных. Расширенная версия КГСМ была успешно применена для анализа целого ряда реакций, таких как: фоторасщепление дейтрона, рождение пионов, каонов и очарованных D мезонов в пион-нуклонных и нуклон-нуклонных столкновениях, а так же рождение мезонов в процессах pn  dM. Последовательный учет спиновых переменных позволил детально исследовать как дифференциальные сечения так и поляризационные наблюдаемые для указанных реакций.

В качестве примера на рисунке показано угловое распределение для конечных протонов в реакции фоторасщепления дейтрона. Предсказанный в КГСМ эффект асимметрии вперед-назад (штрихованная кривая) подтвержден в недавнем эксперименте Jlab США (черные треугольники).

Результаты теоретического рассмотрения в рамках КГСМ анализировались и сопоставлялись с нашими расчетами, выполненными с использованием метода эффективного Лагранжиана на уровне мезон-нуклонных степеней свободы а также модели реджезованной борновской амплитуды для мезонных и нуклонных обменов. Также сравнивались новые предсказания, полученные в рамках КГСМ, с ранее известными результатами, полученными в рамках пертурбативной КХД.

Результаты данных теоретических исследований cоответствуют высокому мировому уровню и находят применение при анализе новых экспериментальных данных, полученных на ускорителях ведущих исследовательских центров (TJNAF(США), GRAAL (Франция), COSY-Juelich (Германия), а также используются при подготовке физической программы исследований на проектируемом ускорительном комплексе в Дармштадте (Германия).

Список литературы:

1. V.Yu. Grishina (Moscow, INR), L.A. Kondratyuk (Moscow, ITEP), M. Buscher (Julich, Forschungszentrum), Near threshold omega and phi meson production in pndM reactions and OZI-rule violation. ЯФ 63 (2000) 1913-1919.

2. V.Yu. Grishina (Moscow, INR), L.A. Kondratyuk (Moscow, ITEP), E.L. Bratkovskaya (Giessen U.), M. Buescher (Julich, Forschungszentrum), W. Cassing (Giessen U.), Production of a_0 mesons in the reactions pi N  a_0 N and pp  d a_0^+ at GeV energies. Eur.Phys.J.A9 (2000) 277-285.

3. V.Yu. Grishina (Moscow, INR), L.A. Kondratyuk (Moscow, ITEP), M. Buscher (Julich, Forschungszentrum), C. Hanhart (Washington U., Seattle), J. Haidenbauer, J. Speth (Julich, Forschungszentrum), Eta and eta-prime meson production in the reaction pn  dM near threshold. Phys.Lett.B475 (2000) 9-16.

4. V.Yu. Grishina (Moscow, INR), L.A. Kondratyuk (Moscow, ITEP), W. Cassing (Giessen U.), A.B. Kaidalov (Moscow, ITEP), E. De Sanctis, P. Rossi (Frascati), Deuteron photodisintegration within the quark-gluon strings model and QCD motivated Nonlinear Regge trajectories. Eur.Phys.J.A10 (2001) 355-364.

5. E.L. Bratkovskaya (Giessen U.), V.Yu. Grishina (Moscow, INR & Moscow, ITEP), L.A. Kondratyuk (Moscow, ITEP & Julich, Forschungszentrum), M. Buscher (Julich, Forschungszentrum), W. Cassing (Giessen U.), Production of a_0 mesons in pp and pN reactions. J.Phys.G28 (2002) 2423-2442.

6. V.Yu. Grishina (Moscow, INR), L.A. Kondratyuk (Moscow, ITEP & Julich, Forschungszentrum), M. Buscher (Julich, Forschungszentrum), W. Cassing (Giessen U.), H. Stroher (Julich, Forschungszentrum), a_0(980)-f_0(980) mixing and isospin violation in the reactions pn  d a_0, pd  He-3/H-3 a_0 and dd  He-4 a_0. Phys.Lett.B521 (2001) 217-224.

7. A.M. Gasparyan (Julich, Forschungszentrum & Moscow, ITEP), V.Yu. Grishina (Moscow, INR), L.A. Kondratyuk (Julich, Forschungszentrum & Moscow, ITEP), W. Cassing (Giessen U.), Exclusive and semiinclusive strangeness and charm production in pi N and NN reactions. Eur.Phys.J.A18 (2003) 305-307.

8. L.A. Kondratyuk (Moscow, ITEP), E.L. Bratkovskaya (Frankfurt U.), V.Yu. Grishina (Moscow, INR), M. Buscher (Julich, Forschungszentrum), W. Cassing (Giessen U.), H. Stroher (Julich, Forschungszentrum), Near threshold production of a_0(980) mesons in pi N and NN collisions and a_0/f_0 mixing. ЯФ 66 (2003) 155-174.

9. V. Kleber (Julich, Forschungszentrum), M. Buscher, V. Chernyshev, S. Dymov, P. Fedorets, V. Grishina, C. Hanhart, M. Hartmann, V. Hejny, A. Khoukaz, H.R. Koch, V. Komarov, L. Kondratyuk, V. Koptev, N. Lang, S. Merzliakov, S. Mikirtychiants, M. Nekipelov, H. Ohm, A. Petrus, D. Prasuhn, R. Schleichert, A. Sibirtsev, H.J. Stein, H. Stroher, K.H. Watzlawik, P. Wustner, S. Yaschenko, B. Zalikhanov, I. Zychor (Julich, Forschungszentrum & Moscow, ITEP & Dubna, JINR & Moscow, INR & Munster U. & St. Petersburg, INP & ZEL, Julich & Soltan Inst., Swierk), a_0^+(980) resonance production in pp  dK^+ \bar K^0 reaction close to threshold. Phys.Rev.Lett.91 (2003) 172304.

10. V.Yu. Grishina (Moscow, INR), L.A. Kondratyuk (Moscow, ITEP), W. Cassing (Giessen U.), E. De Sanctis, M. Mirazita, F. Ronchetti, P. Rossi (Frascati), Forward-backward angle asymmetry and polarization observables in high-energy deuteron photodisintegration. Eur.Phys.J.A19(2004)117-123.

5) Исследование фотоделения и фотопоглощения ядер – актинидов в области нуклонных резонансов.

Руководитель – д.ф.-м.н. Недорезов В.Г.

Работа поддержана РФФИ № 04-02-16696 .

Часть результатов получена в сотрудничестве с ИЯФ СО РАН (Новосибирск) и TJNAF (США), а также РНЦ «Курчатовский институт».

Защищена одна кандидатская диссертация.

По тематике подготовлен обзор в УФН [1].

До недавнего времени многочисленные экспериментальные данные по полным сечениям фотопоглощения ядер от ⁷Li до ²³⁸U полученные при энергиях выше порога рождения пионов указывали на универсальный характер зависимости полных сечений от атомного номера ядра мишени (см., например, обзор [1]). При этом влияние ядерной среды (Ферми – движение нуклонов, принцип Паули, внутриядерные каскады) выражается в деформации кривых дифференциальных сечений, изменении положения максимума нуклонных резонансов и других модификациях , но в интегральных сечениях заметной разницы между полным фотопоглощением на свободном и связанном нуклоне нет .

Первые работы, проведенные на пучке комптоновских фотонов в Новосибирске [2-3], и новые эксперименты , выполненные недавно в Канаде и США совместно с сотрудниками ЛФЯР [4-5] показали, что для ядер-актинидов полные сечечния фотопоглощения лежат существенно (на 20%) выше универсальной кривой. Следовательно, можно сделать предположение о существовании дополнительных механизмов взаимодействия фотонов с ядрами, которые не связаны с фоторождением мезонов.

Дополнительная информация о процессе фотовозбуждения ядер, в частности о средней энергии возбуждения делящихся ядер после прохождения в нем внутриядерного каскада была получена путем измерения массовых распределений осколков деления. Известно, что асимметрия в массовом распределении осколков связана с оболочечными эффектами, которые играют заметную роль при низких энергиях возбуждения и становятся пренебрежимо малыми выше, примерно, 50 МэВ. Измерения вероятности симметричного и асимметричного деления были выполнены в Новосибирске для ядер ²³⁸U и ²³⁷Np [3]. Показано, что доля симметричного деления по отношению к полному выходу не превышает 40% для обоих ядер, то есть доминирует асимметричное деление ядер. Поэтому можно сделать качественный вывод о том, что доля процессов с низкой энергией возбуждения делящегося ядра довольно велика. Другим качественным указанием на то, что средняя энергия возбуждения делящихся ядер невелика по сравнению с энергией падающего фотона является относительно большая вероятность возбуждения спонтанно делящихся изомеров фотонами и электронами в области энергий до 1,2 ГэВ (см.обзор [|1]. Как известно, изомерные состояния в делящихся ядрах возникают благодаря оболочечным эффектам, ответственным за формирование двугорбого барьера деления. С ростом энергии возбуждения выше примерно 30 МэВ барьер становится одногорбым (жидко-капельным) и вероятность образования изомеров (по данным реакций с нуклонами) падает до нуля. Таким образом, естественно предположить, что существует дополнительные механизмы возбуждения ядер, связанные с малой передачей энергии импульса. Однако, поиски таких механизмов пока не дали положительных результатов.

По этой тематике лаборатория фотоядерных реакций ведет совместную работу на установке “ГАММА» накопителя электронов «Сибирь-2» в РНЦ «Курчатовский Институт». Первые эксперименты по изучению полных сечений фотопоглощения ядер – актинидов в области нуклонных резонансов, проведенные в 2003 году, имели, в основном, методический характер. Однако, полученные данные позволили определить верхнюю границу вероятности «быстрого деления», или фрагментации ядер ²³⁸U под действием фотонов с энергией до 2.5 ГэВ, что имеет отношение к вопросу об отличии полных сечений фотопоглощения ядер - актинидов от «универсальной кривой».

В настоящее время готова начальная часть канала ГАММА, позволяющая выводить тормозной пучок с максимальной энергией 2, 5 ГэВ из прямолинейной секции накопителя с интенсивностью около 10⁵ /сек (излучение на остаточном газе). В перспективе при использовании лазеров возможны два различных варианта создания -пучков, различающихся диапазоном энергий и интенсивностью. Аргоновый лазер позволит иметь пучок с энергией от 100 МэВ до 500 МэВ с интенсивностью до 10⁷ /сек и энергетическим разрешением около 10 МэВ. Использование длинноволновых лазеров типа СО₂ позволит иметь пучок с энергией от 1 до 20 МэВ с интенсивностью до 10⁹ /сек. В перспективе возможно создание пучка в том же диапазоне энергий, но более высокой интенсивностью (до 10¹²/сек), на базе лазера на свободных электронах.

В первых экспериментах использовалось тормозное излучение с максимальной границей спектра 2,5 ГэВ. Были проведены измерения параметров пучка с использованием мишеней из U-238 и твердотельных трековых детекторов. Измерена вероятность образования длиннопробежных осколков деления для ядер U-238. Показано, что она не превышает 10^-4 по отношению к вероятности обычного деления. Это означает, что фрагментация ядер – актинидов не может приводить к заметному увеличению полного сечения фотопоглощения.

Основные публикации:

1. В.Г.Недорезов, А.А.Туринге , Ю.А.Шатунов. «Фотоядерные эксперименты на пучках гамма-квантов,

получаемых методом обратного комптоновского рассеяния». УФН 174, 4 (2004), 353-370.

2. A.S.Iljinov, D.I.Ivanov e.e. Nucl.Phys. A539 (1991) 263.

3. Д.И.Иванов, Г.Я.Кезерашвили, С.И.Мишнев, В.Г.Недорезов, А.С.Судов, А.А.Туринге, Г.М.Тумайкин.

Ядерная физика,.55 (1992)907, 55 (1992)2623.

4. J.S.Sanabria, B.L.Berman, C.Getina, P.L.Cole, W.R.Dodge, V.G.Nedorezov, A.S.Sudov, G.

Ya.Kezerashvili, NIM A441 (2000) 525-534.

5. .J.S.Sanabria, B.L.Berman,... C.Getina, P.L.Cole, W.R.Dodge, ...V.G.Nedorezov, A.S.Sudov, G.

Ya.Kezerashvili, Phys.Rev. C61 (2000) 034604.

6. А.Д.Беляев, В.Г.Недорезов, Н.В.Руднев, А.А.Туринге. Создание интенсивного пучка гамма-квантов на

накопителе электронов «Сибирь-2» КЦСИ РНЦ КИ». Тезисы докладов РСНЭ -2003. , ИК РАН,

Москва (2003), стр. 486.

7. А.Д.Беляев, В.Г.Недорезов, А.А.Туринге и др. Тр.Х Семинара по Эл.м. взаимод. ядер. (2003) Москва,

изд.ИЯИ РАН под ред.Г.М.Гуревича, 2003.

8. А.Д.Беляев, В.Г.Недорезов, Н.В.Руднев, А.А.Туринге. «Фотоделение ядер-актинидов в области

нуклонных резонансов». ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 67 (2004) 8, 1-5.

6) Исследование барионных резонансов в сечениях фотопоглощения при

энергиях 0.2-1.2 ГэВ на нуклонах и ядрах.

Рук. – к.ф.-м.н. Долбилкин Б.С.

Цель работы - изучение барионных резонансов, возбуждаемых в сечениях фотопоглощения

протоном и ядрами. Проведен дополнительный анализ данных Международной Коллаборации А2, базирующейся на микротроне MAMI B, Майнц, ФРГ в работе которой ИЯИ РАН участвует с 1988 г. по Соглашению между РАН и Немецким Научно-Исследовательским Обществом(DFG).

В области барионных резонансов до энергий 1.2 ГэВ сечение фотопоглощения в ядрах, начиная с Li, описывается плавной «универсальной кривой», что означает независимость сечения от массового числа А и соотношения числа протонов и нейтронов в ядрах. Это предполагает преобладание некогерентного механизма фотопоглощения в резонансной области и равенство в ядерной средепротонных и нейтронных сечений. Однако, новые данные на малонуклонных системах, в том числе изотопах гелия, показали существенные отличия от универсальной кривой формы сечения на протоне, где отчетливые резонансы видны при энергиях фотонов 320, 720, 1000 МэВ. В малонуклонных системах (дейтрон, гелий) форма сечений имеет переходный характер от протона к сложным ядрам, в которых из всей структуры остается лишь размытый - резонанс. Ранее многократно обсуждались причины размытия формы сечений, предполагалось уменьшение силы резонансов, начиная с дейтрона, и как следствие неравенство сечений нуклонов.

Анализ совокупности данных показал, что хотя универсальная кривая при А = 1 - 4 не выполняется для σ /A, интегральное сечение поглощения, деленное на А, сохраняется в пределах ошибок экспериментов в области энергий 0.2-1.2 ГэВ как для протона, так и малонуклонных систем и сложных ядер вплоть до урана. Отсюда вытекает равенство сечений нуклонов для всей области А массовых чисел. Желательны теоретические расчеты как для полного, так и парциальных сечений фоторождения, до сих пор они существенно отличаются от результатов экспериментов.

Ниже приведены полное и парциальные сечения фоторождения на протоне в области энергий 200-800 МэВ, где они измерены с наилучшей точностью в настоящее время. Видно, что резонанс при 720 МэВ формируется в основном за счет двойного фоторождения пионов с шириной на полувысоте ~ 350 МэВ., значительно большей, чем у- резонанса, поэтому в ядерной среде он становится значительно шире, чем последний, и практически исчезает при А больше 4.

Основные публикации:

1. B. Dolbilkin, Proc. INPC, International Nucl.Phys. Conf., Geteborg ( 2004) p.36.

2. Б.С.Долбилкин и др., Препринт ИЯИ-0934/96.

Публикации:

1. B. Dolbilkin, Proc. INPC, Int. Nucl. Phys. Conf., Geteborg ( 2004) p.36.

2. M. MacCormic,..B.Dolbilkin, A.Zabrodin et al, Phys. Rev.C53(1996)41

3. B. Dolbilkin, Proc. Int.Conf. ElМ Int with nucleons and nuclei, Greece(1999), 15

4. Б.С. Долбилкин, А.Е. Забродин и др, Препринт ИЯИ-0934/96.

7) Изучение структуры нуклонов и малонуклонных систем реальными фотонами

Руководитель – к.ф.-м.н. Лисин В.П.

Работа ведется по соглашению о международном сотрудничестве между ИЯИ РАН и Институтом ядерной физики (Майнц, ФРГ).

По материалам сотрудничества защищены три кандидатские диссертации.

Цель проекта - проведение высокоточных измерений фотоядерных сечений для проверки справедливости различных теоретических моделей нуклона. В экспериментах используется один из лучших в мире ускорителей своего класса – разрезной микротрон MAMI (Mainz Microtron) c непрерывным во времени пучком электронов. Новизна и актуальность работы обеспечена также использованием поляризованных мишеней (H, D, He) и поляризованных гамма квантов (циркулярно (радиатор из ферромагнетика) или линейно (радиатор из алмаза)). Основные усилия были сосредоточены по двум главным направлениям: измерение комптоновского рассеяния на протоне и измерение сечений полного фотопоглощения и парциальных реакций фоторождения на протоне и нейтроне с поляризованными пучком и мишенью.

Среди основных результатов можно отметить измеренные впервые, либо уточненные значения ряда фундаментальных констант, характеризующих структуру нуклона:

- интеграл Герасимова-Дрелла-Хирна (ГДХ) в области энергий 200 – 1800 МэВ (впервые);

- прямая спиновая поляризуемость протона (g0) (впервые);

- обратная спиновая поляризуемость протона gp ( это измерение не подтвердило полученное

впервые американской группой значение gp, и согласуется с большинством теоретических

предсказаний (второе измерение);

- спиновые зависимости дифференциальных сечений фоторождения и полного фотопоглощения на

протоне при энергиях 200-1800 МэВ (впервые);

- дипольные электрическая и магнитная поляризуемость протона (уточнены).

В настоящее время завершен набор статистики и начат анализ данных по измерению спиновых зависимостей дифференциальных сечений фоторождения и полного фотопоглощения на нейтроне при энергиях 200-800 МэВ (интеграл Герасимова-Дрелла-Хирна на нейтроне) (измеряется впервые). Ведется подготовка к экспериментам в области энергий до 1.6 ГэВ с детектором Crystal Ball. Первый эксперимент посвящен измерению дипольного магнитного момента D+ (1232)-изобары (измеряется впервые).

Вклад сотрудников ЛФЯР в работы в Майнце:

- Изготовление активной (сцинтилляционные детекторы) и пассивной (₆Li) защиты большого детектора

NaI, служившего основным детектором в нескольких экспериментах по комптоновскому рассеянию на

протоне и дейтроне.

- Разработка программных средств моделирования экспериментов по комптоновскому рассеянию.

- Обработка части результатов эксперимента по измерению сечений фоторождения на

неполяризованном и поляризованном протоне.

- Наладка и матобеспечение работы Мёллеровского поляриметра, позволяющего измерять поляризацию

пучка в течение эксперимента.

- Обслуживание жидководородной мишени и поляризованной мишени с замороженным спином.

- Сборка и отладка фотонного плеча эксперимента LARA (комптоновское рассеяние на протоне в

широком диапазоне углов и энергий).

- Моделирование, планирование и выставка оборудования эксперимента LARA.

- Полная обработка результатов эксперимента LARA.

- Моделирование и исследование характеристик детекторов BaF в эксперименте по измерению

дипольных поляризуемостей протона.

- Разработка части матобеспечения для анализа эксперимента по проверке правила ГДХ на нейтроне.

- Изготовление и обслуживание жидководородной мишени для планируемого эксперимента по

измерению дипольного магнитного момента D+ (1232)-изобары.

- Участие в сборке и наладке нового детектора Crystal Ball.

- Подготовка части матобеспечения для анализа данных экспериментов с новым детектором Crystal Ball.

- Моделирование некоторых возможных экспериментов с детектором Crystal Ball.

Основные публикации:

1. J. Ahrens, … R. Kondratiev, … V. Lisin, … I. Preobrajenski, … Eur. Phys. J. A 17 (2003) 241

2. J. Ahrens, … R. Kondratiev, … V. Lisin, … I. Preobrajenski, … Phys. Lett. B 551 (2003) 49

3. H. Dutz, … R. Kondratiev, … V. Lisin, … I. Preobrajenski, … Phys. Rev. Lett. 91(2003)192001

4. A. Polonski . Proceedings of the 10t-h International Seminar “Electromagnetic Interactions of Nuclei at Low

and Medium Energies”, Moscow, April 16-18, 2003.

5. R. Kondratiev, V. Lisin . Proceedings of the 10th seminar “Electromagnetic Interactions of Nuclei at Low and

Medium Energies”, Moscow, April 16-18, 2003.

6. M. Camen, … R. Kondratiev, … V. Lisin, … Phys. Rev. C 65 (2002) 032202

7. J. Ahrens, … R. Kondratiev, … V. Lisin, … I. Preobrajenski, … Phys. Rev Lett. 88 (2002) 232002

8. V. Olmos de León, … A. Polonski, … EPJ A10 (2001) 2079

9. J. Ahrens, … R. Kondratiev, … V. Lisin, … I. Preobrajenski, … Phys. Rev. Lett. 87(2001)022003

10. S. Wolf, V. Lisin, R. Kondratiev, … I. Preobrajenski, … Nucl. Phys. A690 (2001) 310

11. G. Galler, V. Lisin, R. Kondratiev, … I. Preobrajenski, … Phys. Lett. B503 (2001) 245

12. S. Wolf, V. Lisin, R. Kondratiev,… I. Preobrajenski, … Eur. Phys. J. A12 (2001) 231

13. I.Preobrajenski Proc. GDH2000, Mainz 2000, World Sci., ed. D. Drechsel & L. Tiator, 2001, p. 109.

13. F. Wissmann, … R. Kondratiev, … V. Lisin, … A. Polonski, I. Preobrajenski, …Nucl. Phys. A663(2000)397

14. J. Ahrens, … R. Kondratiev, … V. Lisin, … I. Preobrajenski, … Phys. Rev. Lett. 84(2000)5950

15. F. Wissmann, … R. Kondratiev, … V. Lisin, … A. Polonski, I. Preobrajenski, Nucl. Phys. 663(2000)397

16. Preobrajenski Czech. J. of Phys. 50(2000)315

17. S. Altieri, …, I. Preobrajenski, … Nucl. Inst. Meth. A452(2000)185

18. V. Lisin . Proc. of the 9^th seminar “Electromagnetic Interactions of Nuclei at Low and Medium Energies”,

Moscow, September 20-22, 2000, pp.120-128

19. I. Preobrajenski. Proc. of the 9^th seminar “Electromagnetic Interactions of Nuclei at Low and Medium

Energies”, Moscow, September 20-22, 2000, pp.239-248

20. Zabrodin, … Phys. Rev. C60(1999)055201

21. F. Wissmann, … R. Kondratiev, … V. Lisin, … A. Polonski, I. Preobrajenski, …Nucl. Phys. A660(1999)232

22. F. Wissmann, … R. Kondratiev, … V. Lisin, … A. Polonski, I. Preobrajenski, …Nucl. Phys. A660(1999)232

23. M. MacCormick, … A. Zabrodin. Phys. Rev. C55(1997)1033

24. A. Zabrodin, … B. Dolbilkin, …Phys. Rev. C55(1997)R1617

25. Hünger, … B. Dolbilkin, … R. Kondratiev, … V. Lisin, … Nucl. Phys. A620(1997)385

26. M. MacCormick,… B. Dolbilkin, A. Zabrodin. Phys. Rev. C53(1996)41

27. Hünger, … B. Dolbilkin, R. Kondratiev, V. Lisin, A. Polonski. Nucl. Instr. Meth. A372(1996)135

28. J. Peise, … B. Dolbilkin,… R. Kondratiev,… V. Lisin,… Phys. Lett. B384(1996)37

29. A. Hünger, … B. Dolbilkin, R. Kondratiev, V. Lisin, A. Polonski. Nucl. Instr. Meth. A372(1996)135

30. C. Molinari, … B. Dolbilkin, R. Kondratiev, V. Lisin,… Phys. Lett. B371(1996)181

Детектирующая система эксперимента по проверке правила сумм ГДХ.

Элементы оборудования поляризованной мишени (протонной и дейтронной) с замороженным спином

Часть электронного оборудования эксперимента по измерению электрической и магнитной дипольных поляризуемостей протона.

Готовящийся детектор Crystal Ball -- 672 кристалла NaI с фотоумножителями, собранные

в сферу, готовы к подключению электроники

8) Исследование фоторождения тяжелых мезонов .

Руководитель – д.ф.-м.н. Недорезов В.Г.

Работа ведется по соглашению о международном сотрудничестве между ИЯИ РАН и коллаборацией GRAAL на ускорителе ESRF (Гренобль, Франция) и в рамках соглашения между Центром научных исследований (CNRS, Франция) и Российской Академией наук.

Научная цель: Экспериментальное исследование сечений и спиновой асимметрии процессов фоторождения пионов и тяжелых мезонов на нуклонах и ядрах в области нуклонных резонансов (500 – 1500 МэВ). Получение на этой основе данных о статических и динамических свойствах нуклонных резонансов, включая массы, ширины, амплитуды, парциальные ширины. Измерение правил сумм и определение аномального магнитного момента нуклонов.

Российская сторона обеспечила изготовление электромагнитного ливневого калориметра, участие в подготовке и проведении эксперимента, обработке данных. В 1997 году установка GRAAL запущена в эксплуатацию на пучке меченых поляризованных фотонов с энергией от 500 до 1500 МэВ. Измерения проводятся с жидководородной и дейтериевой мишенью, а начиная с 2004 года – с поляризованной мишенью.

Продолжительный набор статистики при низком уровне фона обеспечил корреляционный анализ полученных данных по фоторождению тяжелых мезонов, включая полные сечения и редкие парциальные процессы, асимметрии фоторождения пионов и тяжелых мезонов. В качестве примера на рисунке показаны полные парциальные сечения фоторождения мезонов в области энергий от 500 до 1500 МэВ.

Основные публикации:

1. A. Ajaka e.a. GRAAL: a polarized gamma beam at ESRF. Nucl.Phys. A622 (1997) 110--124.

2. A.Ajaka e.a. Measurement of beam assymetry for eta meson photoproduction on the proton from

threshold to 1.1 GeV. Phys.Rev.Lett. 81 (1998) 1797.

3. C. Schaerf. The GRAAL beam at the ESRF: results and prospects. UAP (2001) 145-150.

4. O. Bartalini, Photoproduction at GRAAL and baryon resonances. Physics A A699, (2002) 218c.

5 .F. Renard e.a., Differential cross section measurement of eta photoproduction on the proton from

threshold to 1100 MeV. Physics Letters B 528 (2002) 215-220.

6. V.Kouznetsov e.a., A large acceptance lead-scintillator time-of-flight wall for neutral and charged

particles, Nuc. Instr. and Meth. A487 (2002) 396.

7. A.Mushkarenkov e.a., Coherent and quasifree pi-0 production on the deuteron”. EMIN-2002, Moscow,

p. 154 - 162.

8. N.Rudnev e.a., Total photoabsorption off the proton and deuteron. EMIN-2002, Moscow, p.162-171.

9. Y.Assafiri, et al.(GRAAL Collaboration), ``Double pi0 photoproduction on the proton at GRAAL “

Phys. Rev.Lett. 90:222001(2003).

ПРИКЛАДНЫЕ И ИННОВАЦИОННЫЕ РАБОТЫ

1) Радиационный технологический комплекс ИЯИ РАН

Руководитель – к.ф.-м.н. Г.В.Солодухов

Разработка и использование ускорительной техники в фундаментальных и прикладных целях – одно из основных направлений деятельности Лаборатории фотоядерных реакций ИЯИ РАН. На основе ускорителя электронов с мощностью в пучке до 5 кВт и энергией ускоренных электронов до 8 МэВ здесь создан радиационный технологический комплекс. Максимальная энергия ускорителя лежит ниже порогов ядерных реакций, благодаря чему снимается проблема наведенной активности. Облученные образцы безопасны с этой точки зрения сразу после окончания процесса.

Радиационная обработка с помощью пучка ускоренных электронов является общепринятой методикой, обеспечивающей обработку материалов за время, измеряемое десятками секунд, и гарантирующей реальную экспрессность, экологическую чистоту и надежность результатов. Созданная установка может быть использована: в медицине - как способ стерилизации материалов и инструментария, включая материалы и инструменты одноразового пользования, стерилизация лекарственных препаратов, стерилизация отходов, в промышленности – для направленного изменения физических свойств веществ, в том числе пластмасс, например, для получения полиэтилена, обладающего «термической памятью», Этот материал находит широкое применение в кабельной промышленности и строительной индустрии.

Радиационный комплекс обеспечивает любую заданную степень обеззараживания или любую степень воздействия на структуру материала. Предлагаемый технологический процесс и установленное оборудование обеспечивают высокое качество стерилизации изделий медицинского назначения, экологическую чистоту процесса, отсутствие остаточной радиоактивности в обработанных изделиях, возможность обработки изделий в потребительской таре и выдачи готовой продукции в товарном виде. Время стерилизации одной стандартной упаковки размером 30х40х60 см составляет 1 мин.

На рисунке – ускоритель электронов ЛУЭ-8-5 и часть конвейера, с помощью которого обрабатываемые материалы подаются под пучок для двухсторонней обработки.

2) Разработка основных решений для проектирования разрезного микротрона непрерывного действия на энергию до 200 МэВ с использованием сверхпроводящих ускоряющих структур.

Руководитель – к.ф.-м.н. Г.В.Солодухов

В 1990-х годах ИЯИ РАН совместно с НИИЯФ МГУ развернули работу по сооружению разрезного микротрона непрерывного действия на энергию ускоренных электронов до 175 МэВ. Был выполнен большой комплекс работ по проектированию и, отчасти, сооружению основных узлов и систем ускорителя: изготовлен и запущен предускоритель-инжектор на энергию 6 МэВ, изготовлены и оттестированы поворотные магниты, подготовлены некоторые экспериментальные стенды, адаптированы имеющиеся в ИЯИ РАН технологические помещения. Однако, известные трудности с финансированием науки привели к сворачиванию этих успешно начатых работ. С учетом потребности в современной ускорительной базе и имеющихся заделов эта работа сейчас возобновлена при поддержке РФФИ (гранты 00-02-16069 и 03-02-16476).

Для выбора оптимальной конструкции разрезного микротрона проведено детальное исследование важнейших его характеристик. Выполнен расчёт динамики пучка, из которого вытекают необходимые физические требования к системам ускорителя. Для расчёта оптимальной формы распределения магнитного поля использован пакет программ POISSON LANL. Исследования динамики пучка проводились с помощью математических программ MathCad.

Смоделировано распределение поля в магнитах микротрона РМ–175, разработанных в НИИЯФ МГУ, с регулируемым противополем. Составлены и решены численным методом уравнения движения пучка в заворачивающих магнитах системы рециркуляции. Получены траектории пучка для всех орбит, ускоряемых в микротроне.

Составлена программа и разработана методика, которая позволяет проводить исследования фокусирующих свойств элементов системы рециркуляции с помощью трассировки поперечных эмиттансов пучка и расчёта матриц перехода в поворотных магнитах. Методика расчёта фокусирующих элементов системы рециркуляции микротрона, позволяет определить условия устойчивого прохождения пучка по всем орбитам.

Составлено разностное уравнение для расчёта наибольшей области фазового и энергетического разбросов инжектируемого пучка допускающей устойчивое ускорение. Промоделировано ускорение пучка, имеющего максимальный фазово-энергетический эмиттанс, последовательно через все орбиты микротрона .Определена минимальная энергия инжекции при которой сохраняется достаточный продольный фазовый объём и которая позволяет эффективно и без потерь ускорять интенсивный пучок электронов.

На рисунке приведено расположение первых 5 равновесных орбит в медианной плоскости, начало и конец которых находятся на оси X при z = 0.

Ось х направлена параллельно зазору, ось z – вглубь зазора магнита. Зазор начинается при z = 25 см. Энергия орбит:

1 – 20 МэВ, 2 – 29,54 МэВ, 3 – 39,08 МэВ, 4 – 48,62 МэВ, 5 – 58,16 МэВ.

3) Создание ускорительных установок прикладного назначения.

Руководитель – к.ф.-м.н. Г.В.Солодухов

Совместно с ООО «Интроскан» и компанией «ScanTech Holding», США, развертывается работа по созданию испытательных ускорительных стендов для отработки узлов и систем установок, предназначенных для радиационной обработки и стерилизации материалов и изделий медицинского и промышленного назначения и неразрушающего контроля содержимого крупногабаритных грузовых контейнеров.

Предполагается создание и исследование и оптимизация параметров импульсных электронных ускорителей на энергию до 10 МэВ с мощностью в пучке до 10 кВт. Работа находится в организационной стадии и рассчитана на несколько лет.

4) Разработка детекторов для медицинской станции МЕДИАНА Курчатовского Центра коллективного пользования Синхротронного Излучения (КЦСИ) РНЦ КИ.

Руководитель д.ф.-м.н. Недорезов В.Г.

Работа проводится по программе модернизации научно – технической базы РАН и поддерживается Фондом содействия инновационных проектов.

Использование синхротронного излучения (СИ) для медицинской диагностики и терапии дает важные преимущества по сравнению с обычным рентгеновским излучением [1]. В РНЦ «Курчатовский институт» на базе такого пучка создана медицинская станция МЕДИАНА, в работе которой лаборатория принимает участие с 1995 года. Основная задача - создание детекторов нового типа для получения изображений на пучке СИ. Детектирующая система такого типа создана на основе ПЗС - матриц [2].

Детектор на базе ПЗС-матрицы состоит из толстого монокристалла – сцинтиллятора CsI(Tl) толщиной 8 мм, объектива и Пелтье-охлаждаемой ПЗС-матрицы размером 1024×1024 элемента размером 13 мкм. Пространственное разрешение детектора составляет 30 мкм, эффективность регистрации близка к 100%. Эксперименты проводились с объектами нескольких типов. Для примера внизу показаны образцы костной ткани (размером 1,5 х 1 см), предоставленные ЦИТО МЗ РФ.

а) б)

Изображение биоптата костной ткани человека, полученное а) с помощью двухкристального спектрометра методом рефракционной интроскопии; б) традиционным методом поглощения.

Другим примером использования СИ в медицине является маммографическая диагностика.

Рак молочной железы занимает первое место в структуре заболеваемости женщин, а частота его неуклонно растет. Каждый год в мире регистрируется более 650000 новых случаев рака молочной железы. Рак молочной железы является одной из лидирующих причин смерти среди женщин в возрасте 40-55 лет. В 40-х годах прошлого века только 72% женщин с раком молочных желез проживали более 5 лет после установления диагноза. В настоящее время при выявлении на ранних стадиях около 97% женщин живет более 5 лет. В частности, это связано с развитием диагностических методов раковых заболеваний на ранней стадии, в частности маммографии.

Объектами маммографии являются либо микрокальцинаты, т.е. мелкие частицы соединений кальция, либо кальцинированные каналы, либо опухоли, отличающиеся по плотности от окружающих тканей. Для аттестации маммографических установок используют стандартизованные фантомы, представляющие собой восковую матрицу с залитыми в нее модельными объектами . Модель микрокальцинатов обычно делается из частиц Al₂O₃ размером 160 - 540 мкм, каналы и опухолевую массу моделируют пластиковыми включениями соответствующей формы. В данной работе были использованы как модели собственного изготовления, так и фрагменты стандартного маммографического фантома RMI156.

Изображения имплантантов были получены методом рефракционной рентгеновской интроскопии. Внизу показаны снимки разных фрагментов маммографического фантома

Фрагменты маммографического фантома: а) фрагмент 2 (диаметр 0.89мм) б) фрагмент 7(диаметр 0.4 мм)

В результате работы показано, что в настоящее время на станции МЕДИАНА диагностируются включения размером от 0.16мм, что не достигается на стандартных маммографах. Таким образом, создана рентгенооптическая установка, позволяющая при времени экспозиции меньше 1 сек получать рефракционные радиограммы объектов со средней плотностью около 1 г/см³ и толщиной несколько сантиметров, имеющих включения с плотностью, отличающейся от средней на несколько процентов. На базе этой установки может быть создан прибор, предназначенный для маммографического обследования пациентов с целью ранней диагностики заболеваний молочной железы.

На станции МЕДИАНА начаты разработки метода рентгено – флюоресцентного анализа с использованием СИ (совместно с ВНИИЭФ). Цели и задачи:

- Использование техники микропучка монохроматического синхротронного рентгеновского излучения (СИ) в задаче локального элементного анализа микрообъектов.

- Внедрение нового метода медицинской диагностики – структурного и элементного анализа дегидратированных биожидкостей с целью массового обследования населения, испытавшего воздействие вредных экологических факторов.

Возбуждение флуоресценции микропучком монохроматического синхротронного излучения с целью локального рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) характерных областей образцов биожидкостей. РФА с помощью полупроводникового спектрометра с разрешением около 150 эВ, при использовании собственных методик обработки результатов измерений.

Для проведения работ требуется пучок монохроматического СИ размером около 100 мкм, энергия в диапазоне 20-50 кэВ, разрешение по энергии 0.1%, интенсивность 10⁷ фотонов/сек.

Достигнута чувствительность обнаружения кальция и других среднетяжелых элементов на уровне 5. 10^-5 г/г. Для получения более высокой чувствительности (до 10^-6 г/г) начаты работы с монохроматическим пучком на станции «МЕДИАНА». Измерен спектр отраженного излучения от Si кристалла (линии 8, 21, 23 кэВ). Ширины этих линий оказались близкими к 1 кэВ.

Для примера на рисунке показан РФА спектр тестовых образцов использовались биологические пленки с дегидратированными биожидкостями, предоставленные Институтом геронтологии МЗ РФ.

Публикации:

1. Недорезов В.Г. Использование синхротронного излучения в медицине.

Рукопись.на сайте www.inr.ac.ru/pnlab/report_bucklet

2. А.Н.Артемьев, А.А.Манушкин, В.Г.Недорезов, А.А.Туринге, С.Ш.Шильштейн //препринт ИАЭ-60

5/15 1998 .

3. Н.К.Кононов, А.Д.Беляев, С.М.Игнатов, В.Г.Недорезов, Н.В.Руднев, А.А.Туринге. «Цифровой сцинтилляционный детектор для медицинской диагностической станции МЕДИАНА». ПТЭ 2004 (принято к печати)

5. Разработка цифрового рентгеновского денситометра (совместно с ЦИТО МЗ РФ).

Руководитель д.ф.-м.н. Недорезов В.Г.

Разработан диагностический прибор (цифровой рентгеновский денситометр), который позволяет проводить оценку массы костной ткани вокруг имплантантов, в частности, эндопротезов суставов в предоперационном и послеоперационном периодах. Непосредственное функциональное значение изделия состоит в неинвазивном измерении минеральной плотности костной ткани вокруг эндопротеза с одновременным получением изображения исследуемого отдела скелета. Кроме того, данный прибор может быть использован для диагностики остеопороза с исследованием минеральной плотности кости в проксимальном отделе бедра. Разработка может быть использована в массовом обследовании населения с целью ранней диагностики остеопороза и других костных заболеваний, обследований качества протезирования и других применениях, связанных с заболеваниями костей. Денситометр представляет собой автономный прибор, позволяющий в стационарных условиях производить рентгеновское обследование костей человека, определять плотность костной ткани в заданном месте со статистической точностью не хуже 1%, моментально получать рентгеновское изображение с высоким качеством, производить анализ этого изображения и передавать его в любые медицинские центры для консультаций. Стоимость установки в несколько раз ниже, чем у существующих зарубежных аналогов. Российских аналогов не имеется.

Общий вид прибора показан на рис.1. Основными конструктивными элементами денситометра «ДЕНИС» являются люминисцентный экран размером 240 х 210 мм, на котором под действием рентгеновского облучения образуется видимое изображение выбранного объекта, короткофокусный объектив «Зенитар –М» и ПЗС-матрица производства НПО «Светлана» с числом ячеек 1200 х 1000, размер которых равен 16 х 16 мкм. Сверху расположена рентгеновская трубка, справа видно рабочее место оператора.

В соответствии со стандартной процедурой снимок в области протеза разбивается на зоны, как показано на рис.2. При этом оператор указывает на снимке границу протеза, после чего операция выполняется автоматически. Затем оператор указывает границы (контур) области кости по зонам, где требуются измерения плотности.

Статистическая ошибка измерений определяется количеством отсчетов в заданной точке. После усреднения по 9-ти пикселям она составляет величину, близкую к 1%. Систематическая ошибка оценивалась с помощью повторных измерений и не превышала 3 %.

С помощью денситометра «ДЕНИС» было обследовано более 100 пациентов. Для сравнения часть пациентов проходила дополнительное контрольное обследование на денситометре западного производства «ЛУНАР». Результат сравнения измеренного на денситометре «ДЕНИС» значения плотности костной ткани с результатами аналогичных измерений проведенных на денситометре «ЛУНАР» показан на рис.3. Видно, что значения, полученные на денситометре «ДЕНИС», отличаются на 8% от значений, полученных на денситометре «ЛУНАР». Отклонения от среднего для 90% событий не превышают 4% (полуширина на полувысоте), что включает в себя систематические ошибки обоих денситометров.

Рис.3.

Таким образом, клинические испытания и сравнение с данными, полученными на денситометре ЛУНАР, подтверждают вывод о том, что полная ошибка измерений на денситометре ДЕНИС не превышает 3% при статистической точности около 1%.

Среди зарубежных аналогов, обладающих близкими параметрами и обеспечивающих решение аналогичных диагностических задач, наиболее распространены аппараты сканирующего типа («LUNAR-DPX-L»)[1]. Стоимость таких аппаратов достигает 200,000 USD, поэтому их применение в российских клиниках ограничено.