ОТЧЕТ
ПО ПРОГРАММЕ НЕЙТРОННАЯ ФИЗИКА И
СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ


Н а п р а в л е н и е 1:
Исследование фундаментальных свойств нейтрона


Проект 1.1:
Прецизионное измерение времени жизни нейтрона
Проект 1.2:
Поиск электрического дипольного момента  (ЭДМ) нейтрона
Н а п р а в л е н и е 2:
Поиск эффектов отклонения от Стандартной модели
Н а п р а в л е н и е 3:
Исследование динамики индуцированного нейтронами процесса деления тяжелых ядер при низких энергиях возбуждения.
Н а п р а в л е н и е 4:
Исследование структуры, динамики и неординарных свойств вещества нейтронными методами
Н а п р а в л е н и е 5:
Разработка и создание приборной базы новых нейтронных источников

Направление 1:
Исследование фундаментальных свойств нейтрона

Проект 1.1:
Прецизионное измерение времени жизни нейтрона

Подпроект 1.1.1:
Измерение tn методом хранения ультрахолодных нейтронов в материальной криогенной ловушке с гравитационным клапаном.

Научный руководитель проф. А.П.Серебров

   В течение 2001 года выполнены следующие работы:

  • проведена модернизация экспериментальной установки для измерения времени жизни нейтрона:
      а) установка оборудована устройством для обрезания высокоэнергетической части спектра УХН;
      б) проведена модернизация нейтроноводной системы, что позволило в 2,3 раза увеличить количество УХН, находящихся в ловушке хранения;
  • на высокопоточном реакторе Института Лауэ-Ланжевена в Гренобле (Франция) начаты и в настоящее время продолжаются измерения времени жизни нейтрона по методу экспериментальной калибровки потерь. В качестве сосуда для удержания УХН используется ловушка, изготовленная из нержавеющей стали. Внутренняя поверхность ловушки имеет покрытие из напыленного Ве.
Подпроект 1.1.2:
Измерение tn методом хранения ультрахолодных нейтронов в магнитной ловушке.

Научный руководитель кандидат физ.-мат. наук В.Ф.Ежов

   В 2001 г. проведены расчеты магнитных полей в ловушке для хранения ультрахолодных нейтронов из постоянных магнитов, которая будет использована в эксперименте по измерению периода полураспада нейтрона. Завершено проектирование и начато изготовление магнитов.
   Целью данного проекта является измерение периода полураспада нейтрона при хранении ультрахолодных нейтронов (УХН) в магнитных ловушках из постоянных магнитов.
   В последние годы имеется большой прогресс при проведении прецизионных экспериментов по измерению периода полураспада нейтрона. В основном он достигнут благодаря применению метода хранения УХН в ловушках. Основное ограничение точности всех этих экспериментов связано с наличием аномальных потерь УХН, возникающих при отражении нейтронов на стенках. Провести учет потерь с необходимой для измерения периода полураспада нейтрона точностью (на уровне 10-3) чрезвычайно трудно. В настоящем проекте предлагается исключить аномальные потери нейтронов в стенках за счет хранения УХН в магнитных ловушках.
   Магнитная ловушка должна представлять собой магнитную систему, в которой магнитное поле нарастает от центра во всех направлениях. На нейтрон, спин которого ориентирован противоположно направлению магнитного поля, при движении в градиенте магнитного поля действует сила, направленная в сторону убывания поля. Магнитный барьер величиной 1 Т отражает нейтроны, имеющие скорость 3,4 м/с.
   На основе современных постоянных магнитов в НИИ "Домен" в России разработаны мультипольные магнитные системы, позволяющие создавать магнитную стенку с полем около 1 Т вблизи поверхности магнита, причем поле спадает на расстоянии порядка 1 см от стенки до сотен эрстед. Такое быстрое падение поля практически вдвое увеличивает эффективный объем хранения нейтронов по сравнению с ловушкой квадрупольного типа, в кото-рой поле спадает линейно по радиусу.
   Ловушка представляет собой вертикальный сосуд с почти квадратной апертурой полости для хранения УХН. Напуск и выпуск нейтронов осуществляется через отверстие в нижней части сосуда. Магнитное поле в области напуска создается запирающим соленоидом. Для исключения нулевых значений магнитного поля в объеме ловушки поле соленоида замыкается отдельным внешним магнитопроводом через верхнюю часть ловушки и ее внутреннюю полость. При этом во всем объеме ловушки появляется вертикальная компонента магнитного поля. И, поскольку магнитное поле стенок замыкается в горизонтальной плоскости, то таким образом исключается возможность появления нулей магнитного поля.
   На рис. изображены поперечное сечение четверти магнитной ловушки и распределение магнитного поля.
   Вся конструкция целиком размещается в вакууме. Объем ловушки около 20 л. При плотности нейтронов 5 см-3 это позволяет напускать до 105 нейтронов. Наличие управляемого магнитного барьера, перекрывающего вход, позволяет хорошо очистить спектр хранящихся УХН от надбарьерных нейтронов. А изменением тока в соленоиде можно менять граничную энергию хранящихся нейтронов, что чрезвычайно важно при поиске возможных систематических эффектов.
   Существенным плюсом является также то, что использование постоянных магнитов сводит к минимуму потребление электроэнергии.
   Необходимо заметить, что подобная ловушка позволяет изучать также явление малого нагрева УХН, поскольку в ней имеется возможность дифференциального измерения спектра УХН путем плавного изменения высоты барьера с уменьшением тока в выпускном соленоиде.

   Публикации:

Ежов В.Ф., Базаров Б.А., Гельтенборт П., Коврижных Н.А., Крыгин Г.Б., Рябов В.Л., Серебров А.П. "Магнитная ловушка из постоянных магнитов для хранения ультрахолодных нейтронов". Письма ЖТФ, 27, вып. 4 (2001) 64.

Подпроект 1.1.3:
Измерение tn методом дифференциальной изотопной масс-спектрометрии.

Научный руководитель член-корр. РАН Б.А.Мамырин

   Трехнуклонное b-активное ядро трития представляет собой весьма удобный объект для экспериментальной проверки теоретических представлений о внутриядерном взаимодействии. Однако, до последнего времени попытки анализа моделей взаимодействия и вычисления их параметров по данным о b-распаде трития не приводили к успеху, поскольку определяемые в экспериментах значения периода полураспада и граничной энергии b-спектра трития зависят от типа используемого химического соединения трития. Это не позволяло согласовать между собой имеющиеся экспериментальные оценки периода полураспада и граничной энергии b-спектра и препятствовало точному вычислению приведенного периода полураспада 1 свободного тритона - фундаментальной характеристики b-перехода, используемой при вычислении ядерных констант.
   Разработка в лаборатории масс-спектрометрии ФТИ гелиевого дифференциального изотопного метода измерения химических сдвигов постоянной распада и проведение экспериментов по измерению разности постоянных b-распада для атомарного и молекулярного трития радикально изменили ситуацию в вопросе об определении временных характеристик b- распада трития.
   Суть метода состоит в том, что для двух образцов, каждый из которых содержит гелий-4 и некое химическое соединение трития, сопоставляются скорости роста отношений содержания радиогенного гелия-3 к содержанию гелия-4. Важным преимуществом такого подхода является полное исключение абсолютных измерений и существенное упрощение учета потерь гелия - тем самым устраняются основные источники систематической погрешности в использовавшихся ранее методах.
   Простейшая схема эксперимента предполагает создание в момент времени t = 0 двух образцов идентичного состава и последующее воздействие на один из них с целью изменения состояния электронного окружения ядра трития. Уравнение для величины химического сдвига постоянной распада Dl = l1 - Dl2 в этом случае имеет вид: (3Не/4Не)1/(3Не/4Не)2 = t1/t2.Dl /l2+1). Здесь (3Не/4Не)1,2 - измеряемые масс-спектрометрически отношения содержания изотопов гелия в первом и втором образцах; t1, t2 - времена экспонирования образцов. Безразмерный параметр Р определяет, какая доля распадов в образце 1 действительно происходит с постоянной l1, отвечающей распаду тритона при модифицированном электронном окружении.
   Применение гелиевого метода позволило впервые определить абсолютное значение периода полураспада для атомарного трития. Весьма важным обстоятельством при этом является то, что в качестве базового значения на абсолютной шкале была использована надежно определенная величина - среднее взвешенное последних по времени опубликования и хорошо согласующихся между собой оценок периода полураспада для молекулярного трития (одна из которых получена а лаборатории масс-спектрометрии ФТИ ранее с использованием разработанного изотопно-гелиевого метода).
   Наличие экспериментального значения периода полураспада для атомарного трития дало возможность использовать теоретические данные о химических сдвигах периода полураспада при переходе от атома к положительному иону трития (тритону) и таким путем определить абсолютное значение периода полураспада свободного тритона как для случая образования только электронов сплошного спектра, так и с учетом роли дополнительного канала реакции - распада в связанные состояния в ионе 3Не+. Определение значения периода полураспада тритона без учета распада в связанные состояния дало возможность при вычислении приведенного периода полураспада использовать весьма точно определенное значение разности масс ядер трития и гепия-3. Это позволило вычислить приведенный период полураспада тритона с малой погрешностью, (T1/2)t = (1129,6 ± 3,0) с, и дало возможность вычислить время жизни свободного нейтрона (tn). Величина tn была определена из соотношений, связывающих приведенные периоды полураспада нейтрона и тритона с известными матричными элементами гамильтониана b-распада этих ядер, а также векторной (GV) и аксиально-векторной (GA) константами слабого взаимодействия. Критическим параметром в данном методе определения tn является значение отношения констант GA и GV для b-распада тритона и нейтрона. В предположении равенства (GA/GV)t и (GA/GV)n получаем tn = (891,7 + 3,9) с.
   Вместе с тем, определенное в настоящей работе значение (GA/GV)t = - 1,2646 ± 0,0035 отличается от значения (GA/GV)n = -1,2670 ± 0,0035, полученного в экспериментах по измерению электрон-нейтронной угловой корреляции. Это может свидетельствовать о частичном подавлении аксиально-векторного взаимодействия в присутствии пионного обмена в трехнуклонном ядре трития. При данном предположении получаем tn = 888,9 с; таким образом, сводный результат может быть представлен в виде: (890,3 ± 3,9 (стат,) ± 1,4 (сист.)) с, где третье слагаемое - систематическая составляющая погрешности, обусловленная неопределенностью в вопросе о влиянии сильного взаимодействия в форме пионного обмена на слабое при b-распаде.

   По результатам работы подготовлены и отправлены в печать 2 публикации.

Проект 1.2:
Поиск электрического дипольного момента (ЭДМ) нейтрона

Подпроект 1.2.1:
Поиск ЭДМ нейтрона магнитно-резонансным методом
    Новый ЭДМ-спектрометр для Фабрики ультрахолодных нейтронов (“UCN Factory”) Института Пауля-Шерера (PSI)

Научный руководитель проф. А.П.Серебров

   Эксперимент по поиску электрического дипольного момента нейтрона является одним из наиболее прецизионных экспериментов в физике и отражает результат 50-летних усилий экспериментаторов. Настоящий экспериментальный предел на электрический дипольный момент нейтрона составляет 6,3.10-26 е.см (90%). Тем не менее, улучшение чувствительности ЭДМ-эксперимента в настоящее время является, как никогда ранее, актуальным. Многие из предложенных теорий CP-нарушения уже отвергнуты настоящим пределом на ЭДМ нейтрона, но сегодня уже имеется новый класс моделей, которые предсказывают ЭДМ нейтрона в пределах чувствительности новых экспериментов.
   Один из наиболее элегантных путей объяснения СР-нарушения в системе нейтральных К-мезонов состоит в постулировании ненулевого значения фазы в Кабибо-Кобаяши-Маскава матрице смешивания кварков в Стандартной Модели электрослабых взаимодействий. Такая фаза приводит к комплексному матричному элементу и поэтому нарушает СР- и Т- инвариантность. Предполагая, что значение фазы выводится из К-мезонной системы, можно получить в рамках Стандартной Модели СР-нарушения очень низкие значения для ЭДМ нейтрона dn10-31 е.см, которые недоступны современному эксперименту. Однако Стандартная Модель СР-нарушения не может объяснить барионную асимметрию Вселенной. Суперсимметричные теории с СР-нарушением дают нужное значение барионной асимметрии Вселенной и, с другой стороны, ЭДМ нейтрона в рамках SUSY должен быть 10-26-10-28 е.см. Таким образом, при торжестве суперсимметричных теорий имеется определенный шанс экспериментального обнаружения ЭДМ нейтрона. И наоборот, отсутствие ЭДМ нейтрона на указанном выше уровне снижает шансы найти суперсимметричные частицы на коллайдерах.
   На "UCN Factory" при PSI планируется постановка нового эксперимента по поиску ЭДМ нейтрона. Увеличение чувствительности нового ЭДМ-спектрометра возможно благодаря более высокой плотности УХН и увеличению объема спектрометра. Схема экспериментальной установки показана на рисунке. Ультрахолодные нейтроны поступают в ловушки (12) ЭДМ-спектрометра по горизонтальному нейтроноводу (14) через поляризатор (11). Нейтроны удерживаются в ловушке при закрытых клапанах (13), расположенных в заземленных электродах спектрометра.
   На входе в спектрометр установлен клапан-распределитель (3), который обеспечивает режим напуска УХН в спектрометр или выпуска УХН на анализатор и детектор. Система анализа поляризации УХН позволяет регистрировать обе спиновые компоненты поляризации одновременно. УХН с одной спиновой компонентой проходят ферромагнитную пленку анализатора (2) и регистрируются детектором (1). УХН с другой спиновой компонентой отражаются от анализатора и регистрируются детектором (1').

Рис. "Схема ЭДМ-спектрометра для "UCN Factory"
1 и 1' - детекторы УХН, 2 - анализатор, 3 - клапан-распределитель, 4 - магнитные экраны, 5 - заземленный электрод, 6 - канал для магнетометров, 7 - радиочастотные катушки, 8 - изолятор ловушки УХН, 9 - высоковольтные электроды, 10 - вакуумная камера с катушкой постоянного магнитного поля, 11 - поляризатор, 12 - ловушки УХН, 13 – клапаны ловушек УХН, 14 – нейтроновод

   Важной особенностью новой схемы является её многокамерность, которая позволяет не только увеличить статистическую точность измерений, но и подавить возможные систематические ошибки. Каждая пара камер имеет противоположные направления электрического поля, что подавляет однородные магнитные флуктуации. Противоположная полярность высоковольтного потенциала между соседними парами камер позволяет компенсировать в первом приближении неоднородные магнитные флуктуации. Наконец, между парами высоковольтных камер расположены камеры без электрического поля, которые позволяют вести контрольный эксперимент за всеми флуктуациями магнитного поля в ходе измерений. В целом такая схема значительно подавляет коррелированные изменения магнитного поля, связанные с токами утечки.
   Для обеспечения высокой стабильности резонансных условий при проведении эксперимента планируется использовать 16 Cs-магнетометров, которые будут размещены по всему объему вакуумной камеры спектрометра и будут генерировать необходимую частоту для нейтронного резонанса.
   Проведенные оценки показывают, что при плотности УХН 2,5.103 см-3на "UCN Factory" при PSI предлагаемый эксперимент позволит достигнуть точности измерений 1.10-27 е.см. Достижение такой точности измерений является исключительно важным для ЭДМ-эксперимента и суперсимметричных теорий СР-нарушения.

Поиск ЭДМ нейтрона методом УХН на магнитно-резонансном спектрометре ПИЯФ

Научный руководитель член-корр. РАН В.М.Лобашев

    Главным препятствием для увеличения точности измерения ЭДМ нейтрона и источником систематических ошибок являются вариации магнитного поля в рабочей области спектрометра, коррелирующие с переключением полярности электрического поля, в особенности.
   Разработка и создание новых высокочувствительных магнитометров на оптической накачке ядер 3Не с ячейками большого размера даст возможность улучшить контроль над ложными систематическими эффектами, вызванными изменениями магнитного поля в спектрометре. Для повышения точности измерений ЭДМ до уровня лучше 10-26 е.см требуется мониторирование среднего магнитного поля в объеме несколько десятков литров с точностью лучше 10-13 Т.
    Наш подход к решению этой задачи заключается в применении дифференциального ЭДМ-спектрометра с дополнительным контролем магнитного поля и его вертикального градиента с помощью двух 3Не-магнитометров с рабочими ячейками в виде плоских дисков, диаметр которых превышает диаметр камер хранения УХН. ЭДМ-спектрометр размещается между ячейками магнитометра.
     Предложена схема магнитометра с принудительной транспортировкой и компрессией поляризованного 3Не из области магнитного резонанса в область измерения поляризации и оптической лазерной накачки. В созданном устройстве для измерения поляризации 3Не оптическим методом удалось достичь пренебрежимо малого дрейфа нуля и уровня шума, определяемых, в основном, дробовым шумом фотоэлектронов в фотодетекторе. Получено рекордное отношение сигнал/шум порядка 106 в измерениях поляризации 3Не за 20 с усреднения. Эмпирические оценки показывают возможность достижения чувствительности 3Не - магнитометра порядка 10-14 Т, что на порядок лучше, чем у ртутного магнитометра, созданного в ИЛЛ (Франция) для аналогичного эксперимента.
   Нами был создан макет магнитометра, включающий в себя стеклянные ячейки объемом 6 л и 60 мл, соединенные с диффузионным насосом посредством стеклянных трубок, вентилей и азотной ловушки. Макет был помещен в сравнительно однородное магнитное поле, создаваемое кольцами Гельмгольца. Оптическая накачка ячейки, в которой возбуждался безэлектродный тлеющий разряд, осуществлялась циркулярно-поляризованным светом диодного лазера SDL 6702-H1 мощностью ~50 мВт. Для измерения поляризации был создан более удобный в работе новый оптический поляриметр, у которого вместо вращающейся четверть-волновой пластинки используется жидкокристаллический модулятор, вращающий на 90° плоскость поляризации света под воздействием электрического поля.
    Для автоматизации сбора данных и управления в персональный компьютер установлена многофункциональная плата ACL-8112pg фирмы ADLink Technology Inc, на которой расположен 12-разрядный АЦП типа ADS774 с управляемым коэффициентом усиления. Разработано программное обеспечение, позволяющее регистрировать, наблюдать на экране монитора и исследовать аналоговые сигналы 3Не - магнитометра (с оптического поляриметра, датчиков давления и температуры) по нескольким каналам одновременно в режиме on line.
     На макете проведено много циклов, имитирующих работу магнитометра: оптическая накачка 3Не в малой ячейке, выпуск и хранение газа в большой ячейке и обратная транспортировка и компрессия 3Не и т.д. Была показана принципиальная возможность транспортировки и компрессии поляризованного 3Не при помощи диффузионного паромасляного насоса без значительной потери поляризации.
    Работа над 3Не-магнитометром продолжается.
    Значительное увеличение интенсивности УХН и создание совместной с ИЛЛ экспериментальной установки позволят достичь рекордной чувствительности в измерениях ЭДМ нейтрона.

Подпроект 1.2.2:
Поиск ЭДМ нейтрона методом дифракции нейтронов в нецентрально-симметричном кристалле

Научный руководитель доктор физ.-мат. наук В.В Федоров

Показано, что при прохождении нейтронов через нецентросимметричный кристалл в направлениях, далеких от брэгговских (на ~ (104 - 105) брэгговских ширин), нейтрон, тем не менее, "чувствует" кристаллическую структуру, в результате возникает эффект вращения спина нейтрона за счет швингеровского взаимодействия с межплоскостным электрическим полем отражающих плоскостей кристалла.
    Расчеты, сделанные нами, показали, что величина угла поворота спина проходящего нейтрона может достигать (10-3 - 10-4) рад/см, а величина электрического поля, действующего на проходящий нейтрон Esum ~106 B/cм при степени монохроматичности пучка ~10-2.
    Проведены первые эксперименты, в которых такое вращение спина обнаружено для нейтронов, проходящих через кристалл альфа-кварца. Измерена спектральная зависимость угла поворота спина для нескольких ориентаций кристалла кварца. Эта зависимость имеет ярко выраженный резонансный характер. При переходе через брэгговский резонанс меняется знак угла поворота спина.
    Это явление можно использовать для измерения электрических полей нецентросимметричных кристаллов. Возникает своего рода новая спиновая нейтронография кристаллографических плоскостей, для которых существует ненулевое электрическое поле. Заметим, что нейтронно-оптические эксперименты имеют очень высокую светосилу, поскольку интенсивность проходящего пучка нейтронов на много порядков выше интенсивности продифрагировавших пучков.

    Публикации:

    1. Воронин В.В., Лапин Е.Г., Семенихин С.Ю., Федоров В.В.
    "Вращение спина нейтрона при прохождении через нецентросимметричный кристалл".
    Письма в ЖЭТФ, 74, вып. 5 (2001) 279.
    2. Fedorov V.V., Lapin E.G., Semenikhin S.Yu., Voronin V.V.
    Set-up for searching a neutron EDM by the crystal-diffraction method: first measurements, Physica B: Physics of Condensed Matter., 297, No 1-4 (2001) 293.

Направление 2:
Поиск эффектов отклонения от Стандартной модели

Проект 2.1:
Поиск и исследование эффектов нарушения четности в реакциях взаимодействия нейтронов с легкими ядрами

Научный руководитель член-корр. РАН В.М.Лобашев

   На пучке PF1B поляризованных нейтронов реактора института Лауэ-Ланжевена 14.10 - 5.12. 2001 г. были проведены измерения Р-нечетной асимметрии гамма-квантов aPN(sn, Pg) в реакции 10B (n,a)7Li* g 7Li(g.s.).
    Пучок имел следующие характеристики: длина волны нейтронов l = 4,7 , поляризация нейтронов Р=(94 ± 2) %. Интенсивность поляризованных нейтронов, которую удалось получить с помощью фокусирующего нейтроновода-поляризатора в точке расположения мишени, составляла величину N ~ 3.1010 1/с.
    Искомый коэффициент Р-нечетной асимметрии (предварительный результат) с учетом нулевых тестовых экспериментов оказался равен: a0PN = + (25,8 ± 6,5).10-8
    Появление эффекта на столь высоком уровне заставило нас большое время уделить контрольным экспериментом, а не получать декларируемую точность измерений ~10-8. Работоспособность системы и знак полученной асимметрии проверялась измерением известных величин Р-нечетных эффектов в интегральных спектрах g-квантов в реакциях поляризованных нейтронов с 35Cl, natBr, где знаки эффектов многократно проверены. Величины тестовых полученных эффектов соответствовали ранее измеренным.
    Это первая реакция с участием сверхлегкого ядра, где обнаружен Р-нечетный эффект.

Проект 2.2:
Исследование рассеяния реакторных антинейтрино на электроне.

Научный руководитель кандидат физ.-мат. наук Л.А.Попеко

   Закончен подготовительный этап работы по измерению рассеяния на электроне реакторных нейтрино на Красноярском подземном реакторе.
    Создана новая установка с кремниевым полупроводниковым детектором массой 80 кг (см. рис.). В центре сборки кремниевых детекторов установлен германиевый спектрометр массой 650 г с энергетическим разрешением 2 кэВ. В октябре 2001 установка массой 2500 кг охлаждена до температуры жидкого азота. Определен стационарный расход жидкого азота, который составляет 50 л в день, что требует одной заливки в десять дней и соответствует проекту. Проведены испытания германиевого спектрометра, начаты измерения фоновых условий в кремниевой сборке. Получены энергетические спектры германиевого спектрометра с включенным и выключенным реактором. Без тяжелой низкофоновой внешней защиты уровень фона в диапазоне энергии 0,05 - 3,5 МэВ составил 2 отсчета в минуту, что существенно ниже уровня фона в условиях проведения эксперимента на поверхности земли. Этот фон определяется внешней загрязненностью камеры детектора и будет подавлен имеющейся внешней защитой толщиной 200 г/cм2, что соответствует уменьшению интенсивности g-квантов в 16000 раз.
   Воспроизводится градуировка кремниевых спектрометрических каналов по энергии. Включена активная защита детектора, окружающая камеру нейтринного детектора и состоящая из 130 сцинтилляционных детекторов.

Направление 3:
Исследование динамики индуцированного нейтронами процесса деления тяжелых ядер при низких энергиях возбуждения.

Проект 3.1:
Изучение величин деформации и энергий возбуждения осколков спонтанного и наведенного медленными нейтронами деления путем измерения распределений множественностей быстрых нейтронов для индивидуального акта.

Научный руководитель проф. Г.А.Петров

   Современный этап экспериментальных исследований в области физики деления тяжелых ядер связан с получением новой информации о динамических характеристиках различных делящихся систем вблизи точки разрыва. К таким характеристикам относятся, прежде всего, деформация осколков и распределения между ними энергии возбуждения в каждом отдельном акте деления.
    С целью получения такой информации ранее в ОНФ ОНИ ПИЯФ в коллаборации с Радиевым институтом им. В.Г.Хлопина была создана экспериментальная установка для одновременных многопараметрических измерений кинетических энергий парных осколков и множественности быстрых нейтронов, испускаемых каждым отдельным осколком пары.
    В 2000-2001 годах были завершены многопараметрические измерения этих величин для трех спонтанно делящихся изотопов 252Cf, 244Cm и 248Cm, причем два последних изотопа были исследованы впервые.
    В результате обработки экспериментальной информации получены распределения множественности нейтронов деления для различных масс и кинетических энергий осколков, дисперсии этих распределений и их ковариации (см. рис).
    Анализ всех полученных данных в рамках различных существующих теоретических представлений о процессе деления тяжелых ядер при низких энергиях возбуждения позволил сделать важные выводы о деформациях осколков вблизи момента разрыва делящейся системы и распределениях энергий возбуждения между ними.

Рис. Энергетическая и массовая зависимость средней множественности нейтронов <n>, дисперсии s2 и ковариантности (n1,n2) вместе с массовым и энергетическим распределением
Публикации:

    1. V.A.Kalinin, V.N.Dushin, B.F.Petrov, V.A.Jakovlev, A.S.Vorobyev, I.S.Kraev, A.B.Laptev, G.A.Petrov, Yu.S.Pleva, O.A.Shcherbakov, V.E.Sokolov, F.-J.Hambsch, Correlation between fission neutron multiplicity, mass and kinetic energy of fission fragments for spontaneous fission of 252Cf, 244Cm and 248Cm. In book "IX Inter-national Seminar on Interaction of Neutrons with Nuclei "Neutron Spectroscopy, Nuclear Structure, Related Topics", ISINN-9, Dubna, May 23-26, 2001. Dubna, JINR, E3-2001-192, 2001, p.276.
    2. V.A.Kalinin, V.N.Dushin, B.F.Petrov, V.A.Jakovlev, A.S.Vorobyev, I.S.Kraev, A.B.Laptev, G.A.Petrov, Yu.S.Pleva, O.A.Shcherbakov, V.E.Sokolov, F.-J.Hambsch, Fission neutron multiplicity for spontaneous fission of 252Cf, 244Cm and 248Cm. In book "IX International Seminar on Interaction of Neutrons with Nuclei "Neutron Spectroscopy, Nuclear Structure, Related Topics", ISINN-9, Dubna, May 23-26, 2001. E3-2001-192, 2001, p. 288
    3. V.A.Kalinin, V.N.Dushin, F.-J.Hambsch, V.A.Jakovlev, I.S.Kraev, A.B.Laptev, B.F.Petrov, G.A.Petrov, Yu.S.Pleva, O.A.Shcherbakov, V.E.Sokolov, A.S.Vorobyev, Measurements of Prompt Neutron Multiplicity Distributions in Correlation with Mass-Energy Distribution of Fission Fragments in Spontaneous Fission of 252Cf, 244Cm and 248Cm. In book "International Conference on Nuclear Data for Science and Technology, Oct. 7-12, 2001, Tsukuba, Japan. Abstracts", p. 1.3-P-32

Проект 3.2:
Изучение природы и механизма формирования Т-нечетной корреляции в тройном делении актинидов поляризованными нейтронами. Поиск тройной корреляции продуктов реакции 10В(n,ag)7Li нейтронами

Научный руководитель проф. Г.А.Петров

    Новый эффект, так называемой Т-нечетной асимметрии вылета легких заряженных частиц относительно плоскости векторов импульсов осколков и поляризации нейтронов, вызы-вающих тройное деление 233U, был впервые исследован и обнаружен по предложению Г.В.Даниляна (ИТЭФ) в 1998 году. С целью продолжения исследований в ПИЯФ РАН была спроектирована, изготовлена и испытана на реакторе ВВР-М экспериментальная установка на базе газовых ионизационных камер различных типов. В 1999 году в при дальнейших исследованиях аналогичный эффект был обнаружен при делении 235U. Соответствующие средние экспериментальные значения коэффициентов асимметрии для a-частиц и тритонов оказались равными: для случая деления 233U: <Da> = - (2,35 ± 0,05).10-3. <Dt> = - (2,00 ± 0,45).10-3, для случая деления 235U: <Da> = + (0,40 ± 0,08).10-3. <Dt> = + (0,59 ± 0,29).10-3. Абсолютные величины эффектов во всех случаях растут с энергией легких частиц. Эти данные позволили В.Е.Бунакову и др. (ПИЯФ) выдвинуть гипотезу объяснения эффекта, связанную с динамикой делящейся системы вблизи точки разрыва. Однако полная картина природы и механизма формирования тройной корреляции была еще далека до завершения. С целью получения дополнительной информации были продолжены многопараметрические исследования Т-нечетной асимметрии при делении 233U, а также были впервые исследованы эффекты асимметрии при делении 239Pu и 245Cm. Величина коэффициента асимметрии для 239Pu оказалась неожиданно малой: (0.08 ±0.23).10-3, a для 245Сm: <DCm> = + (1,30 ± 0,48).10-3. Этот результат для 239Pu в настоящее время не находит простого объяснения и требует отдельных исследований. В дополнение к этому на высоко-поточном реакторе института Лауэ-Ланжевена в в Гренобле апреле-мае 2001 года были выполнены поисковые измерения эффекта Т-нечетной корреляции в более простой реакции 10В(n,ag)7Li . Для коэффициента Т-нечетной корреляции в этом случае был получен только верхний предел эффекта, равный <D> = (0,5±0,6).10-4.

Публикации:

    1. Bunakov V.E., Petrov G.A. A Possible Explanation of the Triple Correlation Origin in Ternary Fission. // In book "VIII International Seminar on Interaction of Neutrons with Nuclei" Neutron Spectroscopy, Nuclear Structure, Related Topics, "ISINN-8, Dubna, May 17-20, 2000". Dubna, JINR, E3-2000-192, 2000, p.100
    2. Barabanov A.L., Bunakov V.E., Guseva I.S., Petrov G.A. T-odd correlations in nuclear reactions with seguential particle emission. // In book"IX International Seminar on Interaction of Neutrons with Nuclei" Neutron Spectros-copy, Nuclear Structure, Related Topics, "ISINN-9, Dubna, May 23-26, 2001". E3-2001-192, Dubna, JINR, 2001, p.104
    3. Gagarski A., Goennenwein F., Gusena I., Jesinger P., Mutterer M., Petrov G., Petrova V., Pleva Yu., Bunakov V., Val`ski G., Baranova T., Zavarukhina T., Soloviev S. Recent results of the triple correlation investigations in ternary fission and 10В(n,ag)7Li reaction. // In book "IX International Seminar on Interaction of Neutrons with Nuclei" Neutron Spectroscopy, Nuclear Structure, Related Topics, ISINN-9, Dubna, May 23-26, 2001".E3-2001-192, Dubna, JINR, 2001, p.214
    4. Jesinger P., Goennenwein F., Mutterer M., Gagarski A.M., Petrov G.A., Trzaska W.H., Nesvizhevsky V., Kuznetson I., Geltenbort P., Khlebnikov S.V., Tiourine G.P., Evsenin A.V. Left-right asymmetry in ternary fission. // In book "IX International Seminar on Interaction of Neutrons with Nuclei" Neutron Spectroscopy, Nuclear Structure, Related Topics, Abstracs of the "ISINN-9, Dubna, May 23-26, 2001".E3-2001-192, Dubna, JINR, 2001, p.241
    5. Bunakov V.E., Goennenwein F., Jesinger P., Mutterer M., Petrov G. Asymmetry in ternary fission induced by polarized neutrons and the fission mechanizm. ILL Report. ILL 01BU03T, Institut Laue-Langevin, Grenoble, France, May 14, 2001

Проект 3.3:
Измерение сечений деления младших актинидов резонансными нейтронами на спектрометре по времени замедления в свинце (СВЗ)

Научный руководитель доктор физ.-мат. наук А.Д.Перекрестенко

   Получены предварительные результаты по теоретическому моделированию импульсного пучка нейтронов в свинце от мишени к разным экспериментальным каналам 100-тонного спектрометра по времени замедления нейтронов в свинце, удаленных на различные расстояния от мишени. По результатам сеанса проводки протонного пучка от линейного ускорителя протонов на свинцовую мишень спектрометра (при среднем токе протонов 1 мкА, частоте импульсов 50 Гц) оценена интенсивность нейтронов в спектрометре, соответствующая ~1013 н/с. Полученные интенсивность и энергетическое разрешение (28%) свидетельствуют о том, что созданный в ИЯИ РАН спектрометр по своим параметрам превосходит другие аналогичные установки в мире. Проведены измерения энергетических зависимостей сечений деления 235U и 240Pu в резонансной области. Результаты, полученные на 235U, находятся в хорошем согласии с ранее измеренными. Исследования энергетических зависимостей сечений деления 240Pu показали наличие четко выраженных двух групп резонансов - одна вблизи энергии нейтронов 800 эВ и другая - вблизи 1200 эВ, что свидетельствует о подбарьерном делении 240Pu. Для регистрации, сбора и анализа данных и для существенного улучшения характеристик спектрометра разработана и создана быстродействующая многоканальная электроника, включающая как аналоговые (предусилители), так и цифровые (усилители-дискриминаторы, временные кодировщики с памятью) блоки. Ожидаемые результаты: измерение сечений 239Pu, 235U, 241Am, 243Cm и др. (2001-2002гг.).

Направление 4:
Исследование структуры, динамики и неординарных свойств вещества нейтронными методами

Проект 4.1:
Исследование сильно коррелированных фермионных систем с помощью дифракции нейтронов и синхротронного излучения

Научный руководитель проф. В.П.Плахтий

   Слоистые купраты R2CuO4 (R - Nd, Pr, Sm, Eu, Gd), которые вначале рассматривались как основа для создания электронных высокотемпературных сверхпроводников, сейчас привлекают к себе особое внимание как квазидвумерные квантовые магнетики с уникальными свойствами. Долгое время загадкой оставалась природа упорядочения спинов Cu2+ образующих ортогональную структуру. Сотрудником ПИЯФ С.В.Малеевым в качестве механизма этого упорядочения было предложено псевдодипольное взаимодействие. Наиболее подробно был исследован теоретически Pr2CuO4, причем было показано, что параметры псевдодипольного взаимодействия внутри плоскости (P) и между плоскостями (Q) могут быть определены как из спектра спиновых волн, так и из дифракционных измерений в магнитном поле. Мы определили эти параметры из величин полей спин-флоп перехода при различных ориентациях внешнего магнитного поля, а также из полевой зависимости угла поворота двух антиферромагнитных подсистем при различных температурах. В частности, при Т = 18 К, P = 0,486(7) меВ и Q = 0,188 меВ. Если величина P находится в хорошем согласии с результатами неупругого рассеяния нейтронов при той же температуре, P = 0,45(4) меВ, то параметр межплоскостного взаимодействия Q существенно превышает значение 0.023(1) меВ, полученное в неупругом рассеянии нейтронов. Критические поля спин-флоп перехода входят в выражение, из которого определяется параметр Q в четвертой степени. Поэтому даже малые квантовые поправки могут сильно сказаться на величине этого параметра.

   Одномерным объектам в кристалле соответствуют перпендикулярные им плоскости в импульсном пространстве. Поэтому интенсивность рассеяния одномерными объектами на несколько порядков слабее, чем трехмерными и даже двумерными объектами, которым соответствуют в импульсном пространстве точки и стержни. В связи с этим исследование спиновых корреляций в такой уникальной сильно коррелированной одномерной системе как медь-кислородные цепочки в высокотемпературной сверхпроводящей системе YBCO требует кристаллов предельно большого размера. В сотрудничестве с лабораторией кристаллографии CNRS - Grenoble получен монокристалл YBa2Cu3O6.93 объемом около двух кубических сантиметров. Проведенные предварительные нейтронографические исследования этого кристалла показали, что он имеет мозаичность 1,5°, что является рекордом для кристалла YBCO большого размера. Примесь так называемой зеленой фазы, которая обычно сопутствует YBCO, сравнительно невелика (около 10 %). Кроме того, она не будут давать помех, так как магнитное упорядочение в ней происходит при температуре ниже 20 К, в то время как наши исследования будут проводиться при температуре около 100 К. В результате, в следующем году мы надеемся получить первые сведения о сильно коррелированной одномерной системе, единственным известным примером которой являются цепочки Cu - O в YBCO.

Проект 4.2:
Исследование спиновых корреляций поляризованными нейтронами

Научный руководитель проф. А.И.Окороков

Инварный эффект

   Продолжены исследования Fe-Ni инваров. В последних экспериментах на нейтронных пучках была исследована спиновая динамика в ферромагнитной области. Одна из нерешенных проблем динамики инваров - это несоответствие спин-волновой жесткости D (или энергии спиновых волн e=Dq2, где q - импульс магнона), полученной нейтронными методами (Dn), и следующей из Блоховской зависимости намагниченности M(Dm), полученной в магнитных измерениях. Разница достигает фактора 1,5 - 2 по разным литературным источникам. При этом Dn > Dm. Измерения Dn по неупругому рассеянию нейтронов, как правило, проводятся при e > 1 мэВ, и есть гипотезы, по которым при меньших энергиях Dn уменьшается (другая гипотеза - чисто нейтронная: Dn завышена при достаточно больших q из-за пересечения магнонной ветви с фононной, чего не может быть при малых q ).

   Нами проведены измерения в гидродинамической области энергий (10 - 100 мкэВ и q < 0.04 -1) и измерили Т-зависимость намагниченности для того же образца. Нейтронные измерения были проведены на инварном сплаве Fe65Ni35 с Tc = 485 K в магнитных полях 0,05 - 0,5 Т с выделением асимметричного трехспинового чисто динамического малоуглового рассеяния. Обсуждаемое несоответствие (Dn > Dm ) подтверждается, хотя температурная зависимость спиновой жесткости получена в соответствии с теоретическим предсказанием для изотропного ферромагнетика Dn (T/Tc)5/2.

Cпиновые корреляции в Ni-Mn-Ga системе с эффектом магнитно-контролируемой памятью формы

   Проведены [1] измерения малоуглового рассеяния и деполяризации нейтронов в моно-кристалле Ni49,1Mn29,4Ga21,5 в диапазоне температур 15 < T < 400 K и магнитных полей 0 < H < 4,5 кЭ. Тройной интерметаллический сплав Гейслера Ni2MnGa испытывает мартенситный переход из кубической фазы типа L21 в тетрагональную фазу с соотношением осей c/a=0,94. Уникальность этого сплава в том, что мартенситные превращения происходят в ферромагнитном состоянии, поэтому его обычно относят к классу "smart material", т.е. является одним из материалов, в которых широко исследуется эффект магнитно-контролируемой памяти формы (MSME), магнитоупругие свойства и доменная структура ферромагнитной фазы. Характерные температуры и структура мартенситной фазы крайне чувствительны к отклонению состава сплава от стехиометрического, например, температура мартенситного перехода может меняться на сотни градусов, что важно для возможного технического применения. Помимо MSME и сложной структуры в мартенситной фазе в сплаве наблюдаются и другие интересные физические явления, такие как смягчение фононной моды и изменение в распределении спиновой плотности при мартенситном переходе. Дефекты мезоскопического масштаба рассматриваются в этих материалах наряду с атомарной структурой для объяснения наблюдаемых в системе предмартенситных явлений. Что касается спиновых корреляций и спиновой динамики, то они, конечно, взаимосвязаны с атомарной структурой, однако, насколько нам известно из литературных данных, этот вопрос экспериментально не исследовался.
    Определены характерные температуры сплава: TC=373,7 K и мартенситного перехода Tm=301 - 310 K. Найдено, что магнитное критическое рассеяние вблизи TC и рассеяние при T < TC удовлетворительно описываются зависимостью Im=A(q2 + k2)-2 (q- переданный волновой вектор, Rc=1/K - корреляционный радиус), получены температурные зависимости параметров рассеяния A и Rc. Обнаружена лево-правая асимметрия в рассеянии нейтронов, поляризованных по и против приложенного поля при 150<T<Tm, обусловленная неупругим магнитным взаимодействием нейтронов в образце. Обсуждаются вопросы намагничивания сплава вблизи Tm, критического рассеяния при T ~ TC, аномалии в рассеянии и смягчение магнитных возбуждений при 150<T<Tm.

[1] В.В.Рунов, Ю.П.Черненков, М.К.Рунова, В.Г.Гаврилюк, Н.И. Главатская. Спиновые корреляции в Ni-Mn-Ga системе (мезоскопика), Письма в ЖЭТФ (декабрь 2001)

Сплавы с гигантским магнитосопротивлением

   Выполнены измерения малоуглового рассеяния поляризованных нейтронов на следующих марганцевых перовскитах: Sm0,5Sr0,5MnO3; Sm0,32Pr0,18MnO3; LaMnO3+d, (нестехиометрия образца, d, менялась термической обработкой состава при разных температурах) и Nd1-xBaxMnO3 при x=0.23, 0,25 и 0,3. Получены данные по изменению малоуглового рассеяния и поляризации в диапазоне векторов рассеяния 0 < q < 3.10-2 -1 и температур 15 < T < 320 K. Данные обрабатываются.

Мезоструктура магнитных жидкостей

   C помощью нейтронной рефлектометрии изучалась структура магнитных жидкостей (МЖ) в окрестности границы Si-МЖ. Использовались МЖ с разными концентрацией (2-7%) и размерами частиц. Измерялось зеркальное отражение и незеркальное рассеяние нейтронов как в отсутствии внешнего магнитного поля, так и в полях до 100 Э, приложенных параллельно границе. Получена информация о поведении ядерной и магнитной структур МЖ в окрестности границы в зависимости от расстояния от границы вглубь слоя МЖ.

   Результаты работы доложены на международной конференции по нейтронному рассеянию ICNS'2001 в г.Мюнхене.

Проект 4.3:
Исследование физических свойств кристаллов и магнитных структур сложных оксидов и интерметаллоидов редкоземельных элементов.

Научный руководитель доктор физ.-мат. наук В.А.Трунов

    В 2001 г. проведены исследования манганитов на основе Sm методом нейтронной порошковой дифракции высокого разрешения. В комплексе с нейтронами применялись методики измерения сопротивления и магнитосопротивления, линейной восприимчивости, второй гармоники намагниченности, электронной дифракции и электронной микроскопии. Sm-Sr система исследовалась при концентрациях х = 0,4, 0,45, 0,5, т.е. в области дырочного допирования, где и проявляются эффекты "гигантского магнитосопротивления". Sm-Ca система исследовалась при концентрациях х = 0,9, 0,85, 0,8 в области электронного допирования, где на Ca манганитах проявляется "гигантское магнитосопротивление". Показано, что при комнатной температуре все соединения обладают орторомбической структурой Pbnm-типа. При понижении температуры, в зависимости от концентрации Sr или Ca, происходит (или не происходит) целый ряд структурных изменений, связанных с появлением моноклинных искажений, кооперативного эффекта Яна - Теллера, спинового и/или зарядового упорядочения и разупорядочения, электронно- и макроскопического разделения фаз, переходом металл-диэлектрик. Все эти эффекты были тщательно изучены и связаны с проявляющимся при низких температурах магнитным упорядочением. Показано, что Sm-Sr манганиты при х = 0,4 и 0,5 являются антиферромагнетиками А-типа, как и недопированное SmMnO3 соединение. При промежуточной концентрации х = 0,45 - это коллинеарный ферромагнетик. Sm-Ca манганиты при х = 0,9 образуют ферромагнитные кластеры в антиферромагнитной матрице G-типа (недопированный CaMnO3 является чистым G-типа антиферромагнетиком). При х = 0,85 при Т = 10 К соединение представляет собой смесь 6% G-типа антиферромагнетика и 94% С-типа антиферромагнетика, проявляя при этом максимальный эффект "гигантского магнитосопротивления". При х = 0,8 Sm-Ca система есть чистый антиферромагнетик С-типа с очень малым эффектом "гигантского магнитосопротивления".
    Bce полученные данные имеют существенное значение для развития теоретических представлений об изучаемом явлении, так при интерпретации результатов по Sm0,4Sr0,6MnO3 показано, что динамические эффекты должны привлекаться для объяснения результатов экспериментов.

Публикации:

    Luzyanin I.D., Ryzhov V.A., Chernyshov D.Y., Kurbakov A.I., Trounov V.A., Lazuta A.V., Khavronin V.P., Larionov I., Dunaevsky S.M., Crystal structure and magnetic properties of the unique Jahn-Teller system 154Sm0.6Sr0.4MnO3, Phys.Rev., B.64 (2001) 094432.

Проект 4.4:
Исследование физических свойств материалов с различной степенью разупорядочения, созданного нейтронами реактора

Научный руководитель доктор физ.-мат.наук Р.Ф.Коноплева

   Выполнены сравнительные исследования кинетики отжига радиационных повреждений в материалах (TiNi и CuMn) с мартенситными превращениями, облученных при температурах 120 К - 400 К. Показано, что скорость изменения сопротивления с увеличением дозы в TiNi не зависит от предварительной термообработки и на один-два порядка выше, чем в сплаве CuMn. Установлено, что процесс отжига TiNi может быть описан кинетическим уравнением первого порядка с энергией активации Ea=1,5 ± 0.2 eV в диапазоне температур 350 - 450 К.    Облучение сплава CuMn нейтронами при температурах в интервале 120 - 350 K и флюенсах до 7.1018см-2 не вызывает изменения его физических и функциональных свойств и не приводит к изменению температуры мартенситного превращения.    Для сплава CuAlNi действие облучения на мартенситные превращения зависит от фазового состояния материала в момент облучения. Воздействие нейтронов реактора в аустенитном состоянии не вызывает заметного прироста электросопротивления и практически не сказывается на температурной кинетике превращения. Иная реакция сплава наблюдается при облучении в мартенситном и двухфазном состояниях. В этих случаях при облучении быстро возрастает электросопротивление и понижаются температуры мартенситных переходов. После облучения всегда реализуется задержка превращения по температуре на 3 - 30 K, то есть облучение стабилизирует то фазовое состояние, в котором находится сплав в процессе облучения. Такая стабилизация имеет место только при первом изменении температуры после облучения. В ходе последующих термоциклов температурная кинетика фазового превращения восстанавливается и последствия облучения исчезают. Таким образом, нейтронное облучение CuAlNi приводит к изменению функциональных параметров материала.
   Полученные данные, по-видимому, свидетельствуют об изменении структуры и подвижности межфазных границ при облучении. Одним из возможных механизмов таких изменений является стимулированный точечными дефектами выход дислокаций из объема материала на межфазные границы. При этом степень когерентности границ уменьшается и теряется их подвижность. В результате, для инициирования мартенситного перехода требуется увеличение термодинамического стимула, то есть перегрев или переохлаждение.

Проект 4.5:
Анализ структуры и динамики макромолекулярных комплексов методом нейтронного рассеяния

Научный руководитель кандидат физ.-мат. наук В.Т.Лебедев

   1. Динамика комплексов поли (-2,6-диметилфениленоксида) (ПДМФ) с фуллереном C60 и C70 исследована в связи с явлениями долговременной структурной релаксации в системах комплекс+ CCl4 при различных температурах в диапазоне Т= 20 - 60 С, что позволило сделать выводы о разной степени стабильности комплексов с C60 и С70.
    Принципиальный интерес к соединениям ПДМФ с фуллеренами вызван тем, что ПДМФ принадлежит к наиболее термостойким полимерам. Он имеет систему сопряженных углерод-углеродных связей в основной цепи, что приводит к делокализации электронов и потенциальной возможности получить низкоразмерную проводящую полимерную систему (проблема сверхпроводящих полимеров). Взаимодействие электронных подсистем фуллерена и ПДМФ происходит путем переноса заряда с полимера на фуллерен, за счет которого и возникает донорно-акцепторный комплекс (Д-А).
    Исследуя комплексы, мы сконцентрировали внимание на проблеме воздействия Д-А-комплекса на динамические конформационные свойства полимера в условиях растворения в полярной низкомолекулярной среде (ССl4) или в неполярном растворителе (дейтеро-бензоле).
   Нейтронными экспериментами установлено:

  • в полярном окружении происходит аномальное структурирование системы за характерные времена ~104 c образованием низкоразмерных (цепных) кластеров из комплексов (усиление когерентных эффектов в рассеянии в области переданного импульса порядка обратного диаметра комплекса), что свидетельствует о сильном возмущении структуры полярного растворителя под действием фуллерена C60 (в случае неполярной среды подобные явления не наблюдались);
  • фуллерен C60, поляризуя цепь ПДМФ, вызывает сжатие клубка на ~25% относительно невозмущенного диаметра;
  • фуллерен C70 оказывает лишь слабое влияние на размер макромолекулы, который уменьшается на ~10%;
  • соответственно, комплексы ПДМФ+C60 стабильны и образуют упорядоченные структуры в ССl4 при температурах 20 - 60 С, тогда как C70 дает нестабильные комплексы, разрушающиеся уже при 40 - 60 С;
    Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что сравнительно небольшое нарушение сферической симметрии формы молекулы фуллерена при переходе от C60 к C70 приводит к резкому изменению комплексообразующих свойств фуллерена (заметному ослаблению его акцептрных свойств).
    2. Анализ поведения Д-А комплексов поли(N-винилпирролидона) с C60 в водном растворе, проведенный методом динамического рассеяния света, упругого и неупругого рассеяния нейтронов, показывает определенное сходство с явлениями, обнаруженными для ПДМФ+C60. Установлено:
  • комплексы ПВП+C60 стабильны в водном окружении при температурах 20 - 65 С даже при исключительно низких концентрациях фуллерена в них (были изучены комплексы, содержавшие от 0,01 до 1,0 % вес. C60 в сухом полимере);
  • вместе с тем, молекулярная архитектура собственно комплексов и полимерного окружения в водном растворе резко отличаются от структур в случае ПДМФО+C60;
  • вместо сжатия полимера фуллереном происходит обратное явление - распрямления цепей, которые не конденсируются на поверхности C60, а стремятся в раствор, взаимодействуя с ПВП-молекулами, что ведет к росту ветвящихся структур типа дендримеров;
  • в динамическом отношении раствор комплексов проявляет свойства упорядоченного микрогеля, в котором подавлена трансляционная диффузия отдельных макромолекул и преобладают коллективные мягкие релаксационные моды с характерными периодами и временами затухания ~0,1 - 1,0 нс. Количественные динамические модели для таких структур в настоящее время уточняются на основе совокупности данных, полученных методом нейтронного спин-эхо.
    3. Методами вискометрии, электронной спектроскопии, динамического рассеяния света и дифракции нейтронов в водных растворах изучены комплексы поли-N-винилпирролидона с "сэндвичевым" соединением дифталоцианина самария. Обнаружена ассоциация молекул комплекса, устойчивая при комнатной температуре. Размер ассоциатов зависит от концентрации полимера: в разбавленном растворе (С = 0,1 мас.%) преобладают крупные ассоциаты с гидродинамическим диаметром dA ~ 200 нм, а при C = 3 мас.% , близкой к порогу перекрывания клубков в D2O, радиус инерции ассоциата RGA ~ 5 нм - порядка размера отдельной цепи ПВП.
    Таким образом, установлено, что фуллерены обладают аномально высокой способностью создавать молекулярные сверхструктуры в растворах, что кардинально отличает их от ранее известных наночастиц ("сэндвичевых" соединений и др.).
    4. Исследованы полимер-гидратные комплексы на основе поли-N-винилкапролактама (ПВКЛ), обладающего уникальными физико-химическими свойствами. Полимер способен образовывать комплексы с различными органическими и неорганическими молекулами, причем эти свойства у него выражены сильнее, чем у поли(N-винилпирролидона). Кроме этого, ПВКЛ испытывает фазовый переход первого рода, близкий ко второму - переход клубок-глобула в водном растворе в области физиологических температур TS = 32 - 34° С. Данное свойство активно применяется для микрокапсулирования биологических макромолекул (белков, ферментов) и живых клеток, что позволяет сохранить их функциональные свойства даже при нагревании комплекса до 70°С. Поэтому изучение механизма гидратации ПВКЛ и разрушения комплекса при фазовом переходе имеет фундаментальное и прикладное значение. Данная проблема исследована методами малоугловой дифракции нейтронов и спин-эхо в системах ПВКЛ-D2O в широком диапазоне концентраций полимера от С = 0,27 мас.% до С = 50 мас.%. Микрофазное расслоение системы при T > TS ведет к росту поверхностного фрактала (sponge-structure) с размерностью DS = 2,52 - 2,58. Динамика цепей внутри фрактала обнаруживает необычный характер: хотя в результате коллапса трансляционная диффузия звеньев подавлена, наблюдаются низкочастотные поперечные моды в цепях в наносекундном диапазоне (stretched modes).

Публикации:

  1. Gy.Torok, V.T.Lebedev, L.Cser, D.N.Orlova, Gy.Kali, A.I.Sibilev, V.L.Alexeev, V.A.Bershtein, V.P.Budtov, V.N.Zgonnik, L.V.Vinogradova, E.Yu.Melenevskaya, NSE-study of fullerene-containing polymers, Physica B 297 (2001) 45-49.
  2. Gy.Torok, V.T.Lebedev, L.Cser, D.N.Orlova, A.I.Sibilev, V.N.Zgonnik, L.V.Vinogradova, E.Yu.Melenevskaya, M.A.Sibileva, Dynamics of complexes of poly(N-vinylpyrrolidone)-C60 in aqueous solutions, Intern. Conf. On Neutron Scattering, Munchen, 9-13 Sept. 2001, Abst.B-75, p. 112 (J.Appl. Phys.A. in press).
  3. V.T.Lebedev, Gy.Torok, L.Cser, Gy.Kali, A.I.Sibilev, Molecular dynamics of poly(N-vinylcaprolactam) hydrate, Intern. Conf. On Neutron Scattering, Munchen, 9-13 Sept. 2001, Abst.B-74, p. 111 (J.Appl. Phys.A. in press).
  4. Gy.Torok, V.T.Lebedev, L.Cser, D.N.Orlova, O.K.Kaboev, A.I.Sibilev, M.A.Sibileva, V.N.Zgonnik, E.Yu.Melenevskaya, L.V.Vinogradova, Association of DNA with poly(N-vinylpyrrolidone)-C60 complex in D2O, Intern. Conf. On Neutron Scattering, Munchen, 9-13 Sept. 2001, Abst.B-191, p. 138 (J.Appl. Phys.A. in press).
  5. Gy.Torok, V.T.Lebedev, L.Cser, D.N.Orlova, V.P.Budtov, A.I.Sibilev, M.A.Sibileva, V.V.Klyubin, E.A.Kelberg, V.N.Zgonnik, E.Yu.Melenevskaya, L.V.Vinogradova, Neutron Study of poly(N-vinylpyrrolidone)-complex with C60 as related to their biological activity: interaction with DNA, thermal stability and structural peculiarities in aqueous solutions, 5th biennial Intern. Workshop in Russia "Fullerenes and Atomic Clusters", July 2-6, 2001, St.Petersburg, Russia, Abstr. P.60 (Solid State Phys., March 2002, in press,).
  6. Gy.Torok, V.T.Lebedev, L.Cser, D.N.Orlova, Anomalous Clustering of C60 in Toluene by Small-angle Neutron Scattering, Abstr. P.270 (Solid State Phys., March 2002, in press).
  7. M.A.Sibileva, A.I.Sibilev, V.V.Klyubin, Study of the Temperature Behavior of Hydrodynamic Dimensions of Poly(N-vinylcaprolactam) Polymer Coils in Light and Heavy Water. Polymer Science A 43 (2001) 751-757.
  8. V.T.Lebedev, Gy.Torok, L.Cser, Gy.Kali, Yu.E.Kirsh, A.I.Sibilev, D.N.Orlova, NSE-study of Poly(N-vinylcaprolactam) by coil-globule transition, Physica B 297(2001) 50-54.

Проект 4.6:
Изучение молекулярной структуры и молекулярной динамики пресинапрического комплекса рекомбиназы методами малоуглового рассеяния нейтронов и нейтронного спинэхо

Научный руководитель доктор биологических наук В.Л.Калинин

   Контрастирование объектов для получения прямых экспериментальных данных о структуре и динамике исследуемых молекулярнобиологических объектов в их различном функциональном состоянии позволяют связать получаемые методами нейтронной физики экспериментальные результаты с современными теоретическими подходами (например, коллективное координатное пространство) при молекулярнодинамическом компьютерном моделировании изучаемых биологических объектов. В ПИЯФ проводятся следующие исследования с применением нейтронов: изучение белка RecA, ядер клеток высших и гликопротеинов.
    Белок RecA играет ключевую роль в таких фундаментальных биологических феноменах как рекомбинация, репарация и радиорезистентность и является тем связующим звеном, которое позволяет рассматривать эти явления в совокупности как клеточный механизм, обеспечивающий баланс стабильности и изменчивости генетической информации.
    В 2001г. на установках малоуглового рассеяния нейтронов "Мембрана" (ПИЯФ) и "YuMO" в (Дубна) проведены работы по сравнительному изучению спиральной структуры нуклеопротеидного филамента (предсинаптического комплекса) белков RecAEc из E. coli и RecAPa из P. aeruginosa. Полученные данные показывают, что если в буфере существует либо двойной комплекс RecAЕс::Mg2+ или RecAPa::Mg2+, либо тройной, в виде RecAЕс::Mg2+::онДНК или RecAPa::Mg2+::онДНК, то параметры спирального филамента (его диаметр и шаг) отличаются у этих двух белков. Если же в буфере создается тройной комплекс вида RecAЕс::Mg2+::ATPgS или RecAPa::Mg2+::ATPgS, либо полный предсинаптический RecAЕс::Mg2+::ATPgS::онДНК или RecAPa::Mg2+::ATPgS::онДНК, то тогда и шаг спирали и ее диаметр для обоих белков одинаков.
    Из данных малоуглового рассеяния нейтронов на белке RecAEc из E. coli в условиях существования двойного комплекса RecAЕс::Mg2+ и предсинаптического RecAЕс::Mg2+::ATPgS::онДНК. получено, что в первом случае очень хорошо разрешен второй дифракционный максимум, положение которого связано с шагом спирали и, что структура предсинаптического комплекса имеет больший шаг спирали.
    Полученные результаты позволяют расширить исследования белков RecA и им подобных с использованием нейтронов как в структурном, так и динамическом аспектах, используя упругие, квазиупругие и неупругие методы рассеяния нейтронов, с одной стороны. При этом возможности ОМРБ в получении белков RecA как из других организмов, так и методами генной инженерии, мутантных по тем или иным признакам, позволили бы связать структурные и динамические изменения с изменениями функции белка RecA и тем самым продвинуться в понимании механизмов гомологичной рекомбинации.
    Ядра клеток эукариот, находясь в интерфазном состоянии, содержат ДНК в высокоорганизованном и плотно упакованном состоянии. Упаковка эта осуществляется белками, среди которых ключевую роль играют гистоны. В результате образуется комплексная структура, которая называется хроматин.
    Способы регистрации и оценки такого рода упорядоченности в организации генетического материала представляют фундаментальный интерес, демонстрируя характер упаковки хроматина. С этой целью на установках малоуглового рассеяния "Мембрана" в ПИЯФ и YuMO в ОИЯИ была предпринята попытка исследовать структуру ядер эритроцитов курицы. Полученные результаты позволяют сделать предположение о существовании в ядрах фрактальных структур, размер минимального элемента которых сопоставим с нуклеосомным размером. Обнаружение такого рода организации генетического материала в клетках представляет не только фундаментальный интерес, но и прикладное значение, связанное с изменениями организации генетического материала при различных функциональных и патологических состояниях клеток.
    В связи с этим будет продолжено исследование малоуглового рассеяния нейтронов ядрами клеток в различном функциональном состоянии и подвергнутых различным обработкам, влияющим на организацию хроматина.
    Гликопротеины - это гликоконьюгаты, которые представляют собой полипептидную цепь, к которой, путем гликозилирования, ковалентно присоединены углеводные цепи, гликаны. Гликозилирование есть разновидность пост-трансляционной модификации белков, чрезвычайно широко распространено и встречается практически во всех эукариотических организмах, от дрожжей до человека. Углеводные структуры гликопротеинов весьма разнообразны как по моносахаридным остаткам, так и по конфигурациям связей и по размерам углеводных цепей, что делает гликозилирование одним из самых тонких механизмов посттрансляционного процессинга.
    На сегодняшний день является полностью доказанным, что аномальное изменение углеводных компонент гликопротеинов сопровождает ряд заболеваний и, прежде всего, онкологические патологии. Проблема повышения стабильности и функциональной активности ферментов путем получения их новых гликоформ является важной проблемой для биотехнологии и фармокопии и успешно решается сегодня. Таким образом, структурнофункциональное изучение гликопротеинов является на сегодня одной из наиболее актуальных задач физико-химической биологии.
    В наших исследованиях было применено малоугловое рассеяние нейтронов для выяснения особенностей структуры субъединичных гликопротеинов на примере белка биотехнологического значения - арабитол фосфат дегидрогиназы. Этот белок относительно небольшого молекулярного веса (Mr ~ 41 kDa) в нативной форме существует как тетрамер. Фермент для своего функционирования требует присутствия двухвалентных ионов и может быть ингибирован добавлением в раствор EDTA. Для проверки гипотезы о том, что присутствие EDTA приводит к диссоциации тетрамера на мономеры были зарегистрированы спектры малоуглового рассеяния нейтронов для арабитол фосфат дегидрогиназы в нативной форме и в присутствии EDTA на установках "Мембрана" в ПИЯФ и YuMO в ОИЯИ.
    Из полученных данных следует, что удаление двухвалентных ионов не приводит к существенным структурным изменениям, хотя активность фермента при этом подавлена почти полностью.
    Эти исследования являются необходимым этапом для перехода к изучению динамических аспектов указанных молекулярно биологических систем. Развитие молекулярной биологии в фундаментальном и прикладном смысле, биотехнологии и фармакопии в высшей степени будет определяться реактором ПИК, при наличии парка современных установок упругого, квазиупругого и неупругого рассеяния нейтронов, позволяющих на высоком уровне получать структурную и динамическую информацию об изучаемых биологических системах в нативных условиях.

Направление 5:
Разработка и создание приборной базы новых нейтронных источников

Проект 5.1:
Разработка программы научных исследований и концептуального проекта приборного оснащения реактора ПИК

Научный руководитель член-корр. РАН В.А.Назаренко

   Пусковой комплекс высокопоточного исследовательского реактора ПИК вступил в завершающую стадию его создания - физический пуск реактора ожидается в конце 2003 года.    Пусковой комплекс включает в себя:

    - собственно реактор с его основными технологическими системами, необходимыми для физического пуска,
    - зал горизонтальных экспериментальных каналов,
    - зал наклонных экспериментальных каналов.
Ввод в строй источников горячих, холодных и ультрахолодных нейтронов, как и нейтроноводного зала, планируется осуществить на втором этапе, который начнется непосредственно после пуска реактора.
   При таких обстоятельствах особенно актуальным становится вопрос о Программе научных исследований на реакторе, о приборной базе, обеспечивающей использование экспериментальных возможностей реактора ПИК. Первый вариант такой программы был разработан ПИЯФ РАН еще в середине 80х годов прошлого столетия, но за прошедшие 15 лет он в значительной степени устарел, и поэтому потребовалась его корректировка или модернизация.
    Такая работа проделана, и в результате выпущен сборник "Реактор ПИК. Проекты экспериментов и оборудования. Выпуск 1.". Сборник содержит краткое описание научной программы, проектов и установок первой очереди, предлагаемых для реализации на пучках реактора; объем издания - около 150 страниц.
    Сборник включает разделы "Физика конденсированных сред", "Физика ядра и элементарных частиц", "Исследования в приоритетных направлениях развития науки и техники", "Электронное, программное и информационное обеспечение исследований. Нейтроноводы реактора ПИК". В основном, это - предложения ПИЯФ. Они находятся на разной стадии готовности: часть этих проектов обеспечена экспериментальным оборудованием, изготовленным и испытанным на пучках действующего реактора ВВРМ ПИЯФ и требующим лишь адаптации к условиям пучков ПИК'а, другая часть прошла этап разработки, но соответствующее оборудование еще не изготовлено или изготовлено не полностью, и третья - включающая наиболее сложные установки, такие как источники нейтронов разной части спектра, нейтроноводы, позиционночувствительные детекторы и т.п., требует для реализации серьезных финансовых средств.

    В разделе "Физика конденсированных сред" указаны следующие темы, по которым предполагается вести исследования:
1. Кристаллическая структура;
2. Атомная динамика;
3. Магнитные явления;
4. Фазовые переходы;
5. Жидкости, аморфные вещества;
6. Физика полимеров;
7. Молекулярная биофизика;
8. Физика атомных кластеров и наноструктур (фуллеренов, нанотрубок) ;
9. Физика поверхности;
10. Материаловедение;
11. Радиационная физика;
12. Материалы общеприкладного значения;
13. Материалы ядерных технологий;
13.1. Жидкометаллические теплоносители;
13.2. Конструкционные и реакторные материалы;
13.3. Неразрушающий контроль материалов;
13.4. Экология.
   В разделе "Физика ядра и элементарных частиц" рассмотрены проекты:
1. Эксперимент по поиску электрического дипольного момента нейтрона с помощью ультрахолодных нейтронов;
2. Исследование b-распада нейтрона:
 2.1. Корреляционный спектрометр для измерения всех коэффициентов асимметрии (А, В, а) нейтронного b-распада;
 2.2. Измерение времени жизни нейтрона в гравитационной ловушке ультрахолодных нейтронов;
 2.3. Измерение периода полураспада нейтрона в магнитной ловушке.
3. Исследование эффектов несохранения пространственной четности при взаимодействии холодных поляризованных нейтронов с протонами g, fg):
 3.1. Эксперимент по измерению асимметрии Ag из реакции n+p d+g;
 3.2. Эксперимент по измерению вращения спина нейтрона в водороде;
 3.3. Измерение P-нечетной асимметрии в реакциях поляризованных холодных нейтронов с легкими ядрами для определения слабой нейтральной константы.
4. Дифракция нейтронов и нейтронная оптика в нецентросимметричных кристаллах. Применения в фундаментальной физике:
 4.1. Поиск ЭДМ нейтрона дифракционным методом;
 4.2. Нейтронная оптика в нецентросимметричных кристаллах;
 4.3. Спиновые эффекты в нейтронной оптике и дифракции.
5. Поиски и исследования Р- и Т-неинвариантных эффектов в нейтронных реакциях с тяжелыми ядрами:
 5.1. Поляризирующий кристалл-дифракционный монохроматор;
 5.2. Четырехроторный прерыватель-монохроматор резонансных нейтронов.
6. Исследования динамики процесса деления при низких энергиях возбуждения:
 6.1. Масс-спектрометр незамедленных осколков деления;
 6.2. Времяпролетный спектрометр продуктов деления;
 6.3. Установка для корреляционных исследований в делении.
7. Проект нейтринного эксперимента с использованием реактора ПИК;
8. Ядерная спектроскопия на реакторе ПИК:
 8.1. Кристалл-дифракционный фокусирующий гамма-спектрометр по Кошуа ГСК2М;
 8.2. Двухкристальный дифракционный спектрометр МАДИС;
 8.3. Прецизионный призменный бета спектрометр;
 8.4. Ядерно-спектроскопический комплекс на поляризованном пучке медленных нейтронов.

    Раздел "Исследования в приоритетных направлениях развития науки и техники" включает вопросы:

  1. Возможности применения реактора ПИК для исследований в приоритетных направлениях развития науки и современных технологий;
  2. Исследования элементного и изотопного состава материалов методами нейтронного активационного и радиационного анализа;
  3. Высокопоточный центральный экспериментальный канал реактора ПИК;
  4. Источник горячих нейтронов реактора ПИК.
Последний раздел - "Электронное, программное и информационное обеспечение исследований. Нейтроноводы реактора ПИК". Решение о реализации этих проектов, как и всех последующих, будет принимать межведомственный Координационный совет, исходя из научной значимости и наличия финансирования.

Проект 5.2:
Создание первой очереди Нейтронного центра ИЯИ для изучения конденсированных сред

Научный руководитель доктор физ.-мат. наук А.Д.Перекрестенко

    На одном из нейтронных каналов ИН-06 смонтирована часть многокомпонентной установки ДИАС, включающая четыре дифрактометра, счетчик прямого пучка, мониторный блок, коллиматоры. Подключено электронное оборудование. Работа всех счетных каналов установки проверена на постоянном источнике нейтронов. Смонтированное оборудование подготовлено к работе на импульсном пучке нейтронов от ИН-06.
    На другом канале частично собран многофункциональный спектрометр МНС, включающий зеркальный вакуумированный нейтроновод, юстировочный стол для измерения образцов, дифрактометр в обратной геометрии рассеяния высокого разрешения. Подключено электронное оборудование. Работа собранной композиции также проверена на постоянном источнике нейтронов. Смонтированная часть МНС подготовлена к работе на импульсном пучке нейтронов ИН-06.
    Для регистрации, сбора и анализа данных по рассеянию сконструирована и создана многоканальная как аналоговая (предусилители), так и цифровая (усилители-дискриминаторы, временные кодировщики с памятью) электроника.

    Ожидаемые результаты:
    На импульсном нейтронном источнике ИЯИ РАН (ИН-09) будут смонтированы до конца 2002 года дифрактометрические и спектрометрические установки ДИАС, МНС, ПДФП.

На начало страницы


На главную страницу ОНИ