ЭГ-5

Ответственный за установку

Дорошкевич Александр Сергеевич
e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
тел. +79165002157

Основные направления исследований

Ядерная физика
- Исследования индуцированных нейтронами реакций с вылетом заряженных частиц.
Радиационное материаловедение
- Исследование стойкости к воздействию нейтронного и протонного излучений, перспективных для создания радиационно-стойких соленоидов сверхпроводящих сплавов; высокоэнтропийных сплавов, перспективных для изготовления корпуса разрабатываемого термоядерного реактора;
- Уникальные исследования деградации полупроводниковых гетеропереходов солнечных элементов (SiO2/TiO2) под действием космогенных излучений;
- Физическая и химическая модификация материалов пучком высокоэнергетических ионов.
Радиационная биология
- Исследование радиационного мутагенеза рисовых культур.
Физика конденсированного состояния
- Исследование элементного состава и глубинных профилей металл-оксидных керамик.

Схема установки

Электростатический ускоритель ЭГ-5

Созданный на основе генератора Ван де Граафа электростатический ускоритель (ЭСУ) ЭГ-5 стационарно действует в ОЯФ ЛНФ ОИЯИ (Дубна) с 1965 года*. На данный момент он остается единственным работающим ЭСУ в ОИЯИ. Благодаря относительной простоте и надежности конструкции, а также, характерным для ускорителей прямого действия: уникальным параметрам ускоренного пучка ионов (высокая энергетическая стабильность (0.01%) при относительно высокой интенсивности) ускоритель ЭГ-5 безальтернативно остается одним из наиболее эффективных и удобных ядерно-физических инструментов для решения широкого спектра актуальных научных задач физики ядра, физики конденсированных сред, биологии, электроники, медицины и др.

Электростатический ускоритель ЭГ-5

Основные характеристики ускорителя ЭГ-5

Диапазон тока ионного пучка	0,01 – 10 мкА
Диапазон энергии ионного пучка	1 MэВ – 3 MэВ
Энергетическое разрешение (H⁺, He⁺)	не хуже, чем 15 кэВ
Поток заряженных частиц (H⁺, He⁺)	10¹² частиц /с·см⁻²
Поток нейтронов	5·10⁷ частиц /с·см²
Максимальная энергия нейтронов	5,5±0,1 MэВ (Дейтронный ток - 2-10 мкA, энергия дейтронов – 2,5 MэВ)

Уникальность ускорителя и комплекса спекрометров

Наряду с экспериментальным ядерным реактором и импульсным ускорителем ИРЭН, ЭСУ ЭГ-5 занимает свою уникальную нишу в составе комплекса ядерно-физических установок ЛНФ. Пучки высокоэнергетических частиц, получаемые с помощью ЭГ-5 имеют наиболее высокую энергетическую стабильность (±15кэВ на 2МэВ), благодаря чему имеется возможность проведения уникальных исследований элементного состава твердых тел, включая глубинное профилирование, проведение исследований ядерных реакций на быстрых нейтронах и т.д. ЭСУ ЭГ-5 является универсальным исследовательским прибором, позволяющим проводить как исследования элементного состава, так и физическую, химическую и биологическую модификацию объектов неживой и живой природы, соответственно. В частности, имеется уникальная возможность облучения материалов ионами водорода, гелия и быстрыми нейтронами, возможность создавать посредством ионной имплантации в приповерхностных слоях материалов структуры с послойной вариацией фазового и химического состава, вызывать мутагенез в биологических объектах.

Диапазон энергий до 2,5МэВ – 4,1МеВ (после модернизации) позволяет проводить имитацию радиационных условий ближнего космоса, активной зоны ядерных реакторов. Отсутствие в спектре, производимых установкой нейтронов медленных нейтронов позволяет проводить облучение без индуцирования наведенной радиоактивности, что крайне важно при исследовании уникальных образцов типа объектов культурного наследия.

С использованием установки ЭГ-5 на пучках ионов гелия проводятся уникальные неразрушающие экспериментальные исследования элементных глубинных профилей с разрешением по глубине около 10 нанометров. (Метод RBS). Имеется уникальная возможность исследования слоистых структур. Предел чувствительности метода позволяет, например, определять содержание примеси тяжёлых элементов или распознать вещество в виде слоя толщиной до 1 нм. При комплексном использовании методы неразрушающего контроля: Метод протонов отдачи (Elastic Recoil Detection, ERD), Метод ядерных реакций (Nuclear Reaction Analysis, NRA), Метод индуцированного частицами излучения в рентгеновском диапазоне (Particle Induced X-Ray Emission, PIXE), базирующиеся на пучках протонов и ионов гелия с энергиями от 1 до 3,1 МэВ позволяют определять с высокой точностью элементный состав и глубинное распределение в приповерхностном слое всех элементов таблицы Менделеева и их изотопов (включая легкий водород).

В 2022г с замены утратившей свои рабочие характеристики высоковольтной трубки начнется модернизация основных функциональных узлов ЭГ-5. Силами ИТР при участии специалистов компании «High Voltage Engineering Europa B.V.» планируется провести ее замену фирменным аналогом с последующей адаптацией сервисного оборудования и выполнением рекомендаций фирмы – поставщика по части технических условий эксплуатации новой трубки. Параллельно начнутся работы по автоматизации систем управления ускорителем и апгрейд экспериментального оборудования, включая установку новых приборов, комплементарно дополняющих имеющийся спектр исследовательских методов.

На базе восстановленного ускорителя в среднесрочной перспективе (2023-2026гг) будет создан уникальный микропучковый спектрометр – ядерный микрозонд (на момент 2021 г существует всего 2 единицы подобных приборов в РФ и странах участницах ОИЯИ), который позволит проводить исследование элементного состава с микроскопических областей поверхности физических объектов, исследование объектов с шероховатой поверхностью, проводить сканирование по площадям, локальное облучение органоидов живых клеток. Кроме высокоточного микропучкового спектрометра на базе нейтрон – продуцирующей мишени в следующей семилетке на каналах ЭГ-5 будут созданы несколько новых установок, включая интенсивный источник быстрых нейтронов с энергией нейтронов до 16 МэВ и радиоуглеродный спектрометр.

Кроме модернизации и расширения приборной базы ускорительного комплекса будет проведена закладка кадрового потенциала на ближайшие 20-30 лет. В настоящий момент в составе сектора СИНЯВ ОЯФ создана отдельная группа «Установка ЭГ-5», укомплектованная помимо высококлассных специалистов, активными ребятами – студентами из Университета Дубна. В настоящий момент проводится их обучение исследовательским методам и правилам эксплуатации ускорителя.

Модернизация ЭГ-5 в ОИЯИ, где имеются высококвалифицированные специалисты, хорошая детектирующая аппаратура и ценные наработки по исследованию атомных ядер нейтронами, даст возможность проведения в краткосрочной перспективе ряда новых, уникальных экспериментов по измерению энергетических спектров и угловых распределений заряженных частиц из реакций (n, α) и (n, p) / (α, n) и (p, n), интегрального и дифференциального сечений последних в интервале энергий нейтронов до ~20 МэВ, процессов деления атомных ядер быстрыми нейтронами, активационного анализа и др.

Использование микропучковых спектрометров и, собственно, ионных пучков в качестве источников ионизирующего излучения, позволит существенно продвинуться в разработке новых функциональных материалов, приборов и технологий для ряда областей народного хозяйства, включая технологии высокотехнологичного здравоохранения, технологии производства функциональных продуктов питания, которые входят в перечень задач приоритетного научно-технического развития РФ. Тем не менее, проект модернизации ЭГ-5 нужно рассматривать, скорее, как важный, но промежуточный этап большой работы. Чтобы в рамках ОИЯИ успешно развивать рассмотренные выше направления и в дальнейшем занимать лидирующие позиции, требуется покупка в перспективе дополнительно нового современного электростатического ускорителя с энергиями до 6 МэВ.

Основные направления исследований

Ядерная физика

- исследования индуцированных нейтронами реакций с вылетом заряженных частиц

В перспективе (1-2года) после модернизации установки ЭГ-5 планируется проведение экспериментальных работ в области физики ядра в включая:

- исследование МНД и ТКЕ в реакциях ²³⁵U(n,f), ²³⁸U(n,f), ²³⁷Np(n,f) в области энергий нейтронов 1-5 МэВ (ЭГ-5) в геометрии с малой эффективностью регистрации МНД;

- исследование множественности МНД в реакциях ²³⁵U(n,f), ²³⁸U(n,f), ²³⁷Np(n,f) на быстрых нейтронах в геометрии с высокой эффективностью регистрации МНД;

- исследование процесса в реакции ²³⁹Pu(n_res,f);

- исследование счетных характеристик камеры деления в токовом и шумовом (Кеммбелла) режимах в применении к измерению времени жизни нейтрона

Радиационное материаловедение

- Исследование стойкости к воздействию нейтронного и протонного излучений Al₂O₃ – ZrO₂ – Y₂O₃ – керамик, перспективных для создания радиационно-стойких соленоидов сверхпроводящих NiTi сплавов; высокоэнтропийных сплавов, перспективных для изготовления корпуса разрабатываемого термоядерного реактора,

- Уникальные исследования деградации полупроводниковых гетеропереходов солнечных элементов (SiO₂/TiO₂) под действием космогенных излучений,

- Физическая и химическая модификация материалов пучком высокоэнергетических ионов, в частности, ведутся разработки технологии сопряжения материалов с существенно различными температурными коэффициентами расширения посредством создания гелиевой или водородной пористости (Poland – JINR Cooperation Project PPPB/120-26/1128/2022).

Радиационная биология

- Исследование радиационного мутагенеза рисовых культур. На примере сортов «Сыр сулуы», «АйКерим» и «Лидер» в сотрудничестве с Казахским НИИ Рисоводства им. Жахаева исследуются возможность получения засухоустойчивого cорта риса с помощью нейтронного и протонного облучения.

Физика конденсированного состояния:

- Исследование элементного состава и глубинных профилей металл-оксидных керамик на основе ZrO₂, Al₂O₃, CuO, ZnO, SnO₂, высоко энтропийных металлических сплавов, боридов, нитридов, полупроводников на основе Si, SiO₂, ZnO₂, GaAS, Многослойные полупроводниковые архитектуры типа (TiO₂/SiO₂/Si, SiO₂/TiO₂/Si, GaAs и др.; - Металлические (Fe, Cu) и (ZrO₂,) твердые растворы, нанопорошковые и микропорошковые системы (алмазы, сфалериты, перовскиты, ферриты), (методики разрабатываются в настоящий момент).

На пучках ионов гелия проводятся уникальные неразрушающие экспериментальные исследования элементных глубинных профилей с разрешением по глубине около 10 нанометров. (Метод RBS). Имеется уникальная возможность исследования слоистых структур. Предел чувствительности метода составляет 10¹⁵ ат. × см^-2, что позволяет, например, определять содержание примеси тяжёлых элементов в количестве 0,001 ат.% или распознать вещество в виде слоя толщиной до 1 нм. При комплексном использовании методы неразрушающего контроля: Метод протонов отдачи (Elastic Recoil Detection, ERD), Метод ядерных реакций (Nuclear Reaction Analysis, NRA), Метод индуцированного частицами излучения в рентгеновском диапазоне (Particle Induced X-Ray Emission, PIXE), базирующиеся на пучках протонов и ионов гелия с энергиями от 1 до 3,1 МэВ позволяют определять с высокой точностью элементный состав и глубинное распределение в приповерхностном слое всех элементов таблицы Менделеева и их изотопов (включая легкий водород).

В перспективе (1-2 года):

Радиоизотопное датирование (изотопы ¹⁴С и ¹⁸О)

Определение количественного состава легких элементов при неупругом взаимодействии с веществом потоков быстрых нейтронов.

Окружение образца

В состав измерительного комплекса ЭГ-5 входит

Модуль ионно-лучевых спектрометров (RBS, ERD и PIXE. NR), укомплектованный двумя α детекторами и γ – детектором;
Газовая нейтрон – производящая мишень с нейтронным монитором и приборным комплексом;
Камера для облучения образцов;
Установка для исследования гелиевой пористости (совместный с ЛЯР эксперимент);
Установка для определение количественного состава легких элементов при неупругом взаимодействии с веществом потоков быстрых нейтронов (в процессе отладки).
Ячейки образцов для границ разделов сред: твердое тело/жидкость, воздух/жидкость, воздух/твердое тело.
Электрохимическая ячейка образца
Термостат: (-20 ÷ +180) °С
Антивибрационный стол.
Потенциостат/гальваностат (с опцией импедансной спектроскопии) Bi-logic SP-20
Ванночка Ленгмюра-Блоджетта ООО «Микротестмашины» LT-2211

Публикации

Электростатический ускоритель ЭГ-5: возможности и перспективы

Kulik, Z. Surowiec, W. Rzodkiewicz, J. Filiks, A. Drozdziel, „Effect of N+2 ion implantation and thermal annealing on near-surface layers of implanted GaAs”, Acta Physica Polonica A 128 (5), 918-922 (2015)
Kulik, D. Kołodyńska, A.P. Kobzev, F.F. Komarov, Z. Hubicki, K. Pyszniak, “Chemical composition of native oxides on noble gases implanted GaAs”, Thin Solid Films 616, 55-63 (2016)
Horodek, J. Dryzek, A.G. Kobets, M. Kulik, V.I. Lokhmatov, I.N. Meshkov, O.S. Orlov, V. Pavlov, A.Yu. Rudakov, A.A. Sidorin, K. Siemek and S.L. Yakovenko, “Slow Positron Beam Studies of the Stainless Steel Surface Exposed to Sandblasting” Acta Physica Polonica A, 125 (3) 714-717 (2014)
Horodek, K. Siemek, A.G. Kobets, M. Kulik, I.N. Meshkov, “Positron beam and RBS studies of thermally grown oxide films on stainless steel grade 304”, Applied Surface Science, 333 96–103 (2015)
Rzodkiewicz, M. Kulik, A. Pans, A.P. Kobzev, Nuclear and Optical Analyses of MOS Devices, ACTA PHYSICA POLONICA A Volume: 123 (5) 851-853 (2013)
Vasilenko, A. Kirillov, A. Islamov, A. Doroshkevich. (2021). Study of hierarchical structure of fossil coals by small-angle scattering of thermal neutrons // Fuel 292. 120304. 10.1016/j.ceramint.2020.09.151(Q1, IF= 5.578).
AsifA. Nabiyev, AndrzejOlejniczak, AkhmedKh. Islamov, AndrzejPawlukojc, OleksandrI. Ivankov, MariaBalasoiu, AlexanderZhigunov, MusaA. Nuriyev, FovziM. Guliyev, DmytroV. Soloviov, AidosK. Azhibekov, AlexanderS. Doroshkevich, OlgaYu. Ivanshina, AlexanderI. Kuklin. (2021). CompositeFilmsofHDPEwithSiO₂ and ZrO₂ Nanoparticles // Nanomaterials. 11(10), 2673; 3390/nano11102673 (Q1, IF=5,07).
Danilenko Igor, Gorban Oksana, Shylo Artem, Volkova Galina, Yaremov Pavlo, Konstantinova Tetyana, Doroshkevych Oleksandr, Lyubchyk Andriy.(2021).Humidity to electricity converter based on oxide nanoparticles. JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE. 1007/s10853-021-06657-9 (Q1, 4.22)
B. Asgerov, A. I. Beskrovnyy, N. V. Doroshkevich, C. Mita, D. M. Mardare, D. Chicea, D. Lazar, A. A. Tatarinova, V. A. Alexandrov, S. I. Lyubchyk, S. B. Lyubchyk, A. I. Lyubchyk, A. S. Doroshkevich. (2022). Martensitic phase transition in yttrium-stabilized ZrO₂ nanopowders by adsorption of water // Nanomaterials 12. 435. 10.3390/nano12030435 (Q1, 4.03).
Maletsky A.V., Belichko D.R., Konstantinova T.E., Volkova G.K., Doroshkevich A.S., Lakusta M.V., Lyubchyk A.I., Burkhovetskiy V.V., Aleksandrov V.A., Mardare D., Mita C., Chicea D, L.H.Khiem. (2021). STRUCTUREFORMATIONANDPROPERTIESOFCERAMICSBASEDONθ-ALUMINIUMOXIDEDOPEDWITHSTABILIZEDZIRCONIUMDIOXIDE" // CeramicsInternational1016/j.ceramint.2021.03.286(Q1, IF=3,83).
StanculescuAnca, SocolMarcela, RasogaOana, BreazuCarmen, PredaNicoleta, FlorinStanculescu, GabrielSocol, LoredanaVacareanu, MihaelaGirtan, AlexanderS. Doroshkevich. (2021). Arylenevinylene oligomers based heterostructures on flexible AZO electrode for electronic applications // Materials 14. 10.3390/ma14247688. (Q1, 3.62).
AlisaA. Tatarinova, А.S. Doroshkevich, O.YuIvanshina, O.S. Pestov, M. BalasoiuandP.P. Gladyshev. (2021). Development of siloxane coating with oxide fillers for kesteritic (CZTS) photovoltaic systems. // Energies 14. Issue 8. 2142- 3390/en14082142(Q2, IF=2,7).
ArtemShylo, IgorDanilenko, OksanaGorban, OleksandrDoroshkevich, IgorNosolev, TetyanaKonstantinova, AndriyLyubchyk. (2022). Hydrated zirconia nanoparticles as media for electrical charge accumulation // J Nanopart Res 24:18 1007/s11051-022-05407-5. (Q2, IF=2.53).
D.R.Belichko, T.E.Konstantinova, A.V.Maletsky, G.K.Volkovaa, A.S.Doroshkevich, M.V.Lakusta, M.Kulik, A.A.Tatarinova, D.Mardare, C.Mita, N.Corneie. (2020) InfluenceofhafniumoxideonthestructureandpropertiesofpowdersandceramicsoftheYSZ–HfO₂composition. // Ceramics International 1016/j.ceramint.2020.09.151. (Q1, IF=3,83).
Artem Shylo, Aleksandr Doroshkevich, Andriy Lyubchyk, Yuri Bacherikov,·Maria Balasoiu, Tetyana Konstantinova. (2021). Electrophysical properties of hydrated porous dispersed system based on Zirconia nanopowders // Applied Nanoscience. 1007/s13204-020-01471-2. (IF=3.2).
DoroshkevichA., BurkhovetskiyV.V., NabiyevAsif , Vasilenko, T., IslamovAkhmed, CrausM.L. andels. (2019). Self-organization processes in nanopowder dispersed system based on zirconia under pressure action. Results in Physics. 10.1016/j.rinp.2019.102809.(IF=3.5).
Tran Van Phuc, M. Kulik, A. P. Kobzev, Le Hong Khiem, Study of MOS structures using nuclear analytical methods, Communications in Physics, Vol. 27, No. 4 (2017), pp. 279-289. https://doi.org/10.15625/0868-3166/27/4/10825
V. Phuc, M. Kulik, A. P. Kobzev, L. H. Khiem, Study of elemental depth distribution in the material TiO2/SiO2/Si by Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS), Communications in Physics, Vol. 29, No. 3SI (2019), pp. 393-400. http://dx.doi.org/10.15625/0868-3166/29/3/14328
T.V. Phuc, M. Kulik, D. Kołodyńska, L.H. Khiem, P.L. Tuan, J. Zuk, M. Turek, Investigations of elemental depth distribution and chemical compositions in the TiO₂/SiO₂/Si structures after ion irradiation, Surface & Coatings Technology, 387 (2020), 125494. http://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125494 (Q1, IF=4.16)
L. Tuan, M. Kulik, J. Nowicka-Scheibe, J. Żuk, P. Horodek, L.H. Khiem, T.V. Phuc, Nguyen Ngoc Anh, M. Turek, Investigations of chemical and atomic composition of native oxide layers covering SI GaAs implanted with Xe ions, Surface and Coatings Technology, Volume 394, 25 July (2020), 12587. http://dx.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125871 (Q1, IF=4.1)
T.V. Phuc, Miroslaw Kulik, Afag Madadzada, Le Hong Khiem, Marcin Turek, Dorota Kołodyńska, Phan Luong Tuan, Nguyen Ngoc Anh, Mai Quynh Anh, Nguyen Van Tiep, Krzysztof Siemek, Variation of TiO2/SiO2 mixed layers induced by Xe+ ion irradiation with energies from 100 to 250 keV, Materials Science and Engineering: B, Volume 277, (2022), 115566. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2021.115566 (Q1, IF=4.05).

Постеры

*Тестовый режим