Отчет о выполнении исследовательской программы (проекта) по теме «Разработка и создание элементов экспериментальных станций на источниках нейтронов импульсного или постоянного типа» (промежуточный) Этап 1

Основные задачи первого этапа исследовательской программы в основном состояли в обосновании и поиске технических решений, для создания новых детекторов тепловых и холодных нейтронов для применения их на различных станциях нейтронного рассеяния и на источниках нейтронов разного типа. Для этой цели был выполнен ряд научных и научно-методических работ, которые заложили основы для непосредственного производства детекторов на следующих этапах исследовательской программы. Одно из основных направлений исследований в рамках проекта состоит в изучении эффективности использования различных конвертеров нейтронного излучения в детекторных технологиях. Одним и перспективных направлений рассматриваются тонкопленочные структуры, содержащие слои гадолиния (Gd) или кадмия (Cd). На первом этапе исследований было важно исследовать характеристики тонкопленочных структур, содержащих указанные элементы. Для этой цели был синтезирован ряд образцов и проведена их структурная характеризация методами рентгеноструктурной дифракции, рефлектометрии, магнитометрии. Исследованиями подтверждено высокое качество создаваемых структур, которые обладают толщинами напыляемых слоев, соответствующих номинальным, низкими значениями межслойных шероховатостей. Установленное высокое качество полученных тонкопленочных структур позволяет заключить, что рассматриваемые системы могут быть использованы в качестве элементов детекторных технологий в дальнейшем. Следует отметить, что использование тонкопленочных структур в качестве конвертера нейтронного излучения пока не реализовано нигде в мире. Поэтому данная работа, выполняемая в рамках проекта, является уникальной. За отчетный период была проведена масштабная работа по подготовке инфраструктуры для создания опытно-экспериментального участка по нанесению тонкопленочных бор содержащих покрытий. Создание детекторов с конвертером из карбида бора B4C является существенно частью всех исследований. До настоящего времени в России нет массового производства детекторов с борным конвертером, поэтому развитие соответствующей инфраструктуры является особенно важным. В рамках этой части исследований проведена значительная научно-методическая работа, которая состояла из следующих разделов: 1. Исследовано влияние режимов вакуумного магнетронного распыления на характеристики пленки карбида бора B4C, осаждаемой на металлические подложки (алюминиевые листы, пластины из нержавеющей стали, алюминиевая и медная фольга). По результатам исследования определены оптимальные толщины слоя карбида бора, которые с одной стороны сохраняют качество покрытия, с другой стороны обеспечивают максимальную степень конверсии нейтронного излучения. 2. Разработана конструкция магнетрона, имеющего высокий коэффициент использования материала мишени – карбида бора B4C. Полученный результат важен с точки зрения экономической эффективности использования данной технологии для массового производства детекторов нейтронов. Мишень для магнетрона, обогащенная изотопом 10В, является довольно дорогим продуктом, в связи с чем условия для его максимально эффективного использования представляются чрезвычайно важными. 3. Проведены тестовые напыления карбида бора B4C на полимерные пленки из лавсана (Mylar) и полиимида (Kapton). Использование полимерных основ для конвертера нейтронов из карбида бора B4C в детекторах нейтронов является нетривиальной технологической задачей, поскольку добиться устойчивого покрытия не удавалось пока никому. Успешные результаты, полученные в этой части исследовательского проекта, являются прорывными и позволят создавать детекторы с уникальными характеристиками. 4. Для дальнейшего развития техники напыления карбида бора B4C на полимерные основы начата реконструкция действующей вакуумной напылительной установки VSR300 под магнетронное нанесение на рулонные материалы. На первом этапе разработана конструкторская документация. 5. Начата реализация планов по созданию и внедрению детекторов тепловых нейтронов с конвертером из карбида бора B4C на станциях нейтронного рассеяния, на различных источниках в России и за рубежом. Разработаны конструкторские документации на производство детектора с конвертером из карбида бора B4C на алюминиевой подложке и позиционно-чувствительным мониторным детектором медленных нейтронов с конвертером из карбида бора B4C. 6. В части развития детекторных технологий для регистрации тепловых нейтронов, основанных на использовании газа 3Не в качестве конвертера, была разработана конструкторская документация для создания позиционно-чувствительного детектора с резистивной нитью. Данная технология уже используется в мировых нейтронных центрах и зарекомендовала себя как надежная и эффективная. В рамках исследовательского проекта ставится задача достичь лучших показателей для пространственного разрешения вдоль анодной нити на уровне 1-1.5 мм. 7. Проведены теоретические и экспериментальные исследования по определению оптимальной конструкции регистрирующего газоразрядного модуля с твердотельным конвертером. Рассмотрены твердотельные тонкопленочные детекторы тепловых и холодных нейтронов на основе изотопа 10В и детекторы с высоким временным разрешением с тонкопленочным изотопом 10В для резонансной нейтронной эхо-спектрометрии. Выполненный анализ показывает, что целесообразно для внедрения в на экспериментальные станции по нейтронному рассеянию следующие технические решения: 1) Строу-трубки, работающие на продув, причем малого диаметра, например, 2 mm, с 10В4C на катоде, т.к. относительно легко изготавливаются намоткой на стержень длиной 1 метр и более. 2) Проволочные пропорциональные камеры (MWPC). 3) Перспективными являются микроструктурные детекторы GEM и MicroМegas (MМ), они превосходят строу-трубки и MWPC по многим характеристикам, прежде всего – по быстродействию и временному разрешению. 8. В части развития сцинтилляционных детекторов тепловых и холодных нейтронов разработан прототип одномерного позиционно-чувствительного счетчика нейтронов на основе сцинтилляторов ZnS/6LiF и твердотельных фотоэлектронных умножителей. Разработана программа и методики испытаний прототипа одномерного позиционно-чувствительного счетчика нейтронов на основе сцинтилляторов ZnS/6LiF и твердотельных фотоэлектронных умножителей. Проведены испытания прототипа одномерного позиционно-чувствительного счетчика нейтронов на основе сцинтилляторов ZnS/6LiF и твердотельных фотоэлектронных умножителей. Успешная реализация всех поставленных в промежуточный отчетный период задач демонстрирует высокий исполнительский уровень участников проекта. 9. В рамках исследовательского проекта создается уникальный сцинтилляционный детектор СФЕРА для нового дифрактометра, создаваемого на импульсном источнике "РАДЭКС" на базе линейного ускорителя ИЯИ РАН. Методом Монте-Карло моделирования определены оптимальные параметры детектора и его основных узлов. Разработана конструкторская документация для создания детектора и изготовлены некоторые его узлы. Проект сцинтилляционного детектора для нейтронного дифрактометра реализуется впервые. 9. Проведена научно-техническая работа по изучению возможности увеличения эффективности регистрации нейтронов нейтронными детекторами на основе сцинтиллятора и кремниевого фотоумножителя. Создано 5 тестовых образцов, которые будут протестированы на пучке нейтронов в течение следующих этапов реализации исследовательского проекта. Значительное место в отчетном периоде заняли работы в области образования и подготовки кадров. В Московском физико-техническом институте совместно с Объединенным институтом ядерных исследований создана научно-образовательная лаборатория перспективных технологий для установок и экспериментов мегасайенс. В задачи лаборатории будет входит: - проведение фундаментальных и прикладных научных исследований мирового уровня в области физики, техники и технологий для установок и экспериментов мегасайенс, а также в смежных областях; - интеграция лаборатории в национальные и международные коллаборации с целью усиления экспертизы в области деятельности лаборатории; - концентрация на базе лаборатории ведущих ученых и их участие в образовательном процессе МФТИ, включая руководство научно-исследовательской работой студентов, аспирантов, молодых исследователей. Проведено ресурсное и инфраструктурное обеспечение в отчетном периоде научно-образовательной лаборатории для реализации выполнения научно-исследовательских практик студентов и аспирантов, реализуемых в рамках работы научно-образовательной лаборатории. В 2022 году будет произведен набор обучающихся из числа студентов и аспирантов физтех-школы физики и исследований им. Ландау МФТИ для участия в научно-исследовательских практиках и выполнении научно-исследовательских работ. С этой целью за отчетный период сформирован и утвержден перечень научно-исследовательских работ и руководителей научно-исследовательских практик студентов и аспирантов В процессе выполнения проекта за отчетный период разработано три программы дополнительного профессионального образования, нацеленных на формирование новых компетенций у специалистов естественнонаучного, биомедицинского и археологического профиля. Разработаны учебные планы и календарные учебные графики программ дополнительного профессионального образования, фонд оценочных средств и система оценки знаний, методические текстовые и видеоматериалы. Основные преимущества разработанных программ – это возможность охвата широкого круга профессий для подготовки специалистов в области работы с синхротронным и нейтронным излучением, а также при необходимости возможность применения дистанционных образовательных технологий для части аудиторных занятий. Реализована образовательная программа для подготовки специалистов в области разработки, проектирования и строительства источников синхротронного и нейтронного излучения, а также научных кадров для проведения синхротронных и нейтронных исследований (разработок) в целях получения результатов мирового уровня: Модуль 1 «Нейтронные детекторы» Модуль 2 «Прикладная нейтронная физика» Модуль 3 «Проектирование интеллектуальных систем» Модуль 4 «Электроника и автоматика физических установок» По итогам обучения слушатели, успешно выполнившие все требования образовательной программы и прошедшие итоговую аттестацию (ведомость итоговой аттестации в ПРИЛОЖЕНИИ Н) отчислены приказом от 01.12.2021 №4061к с последующей выдачей удостоверений о повышении квалификации установленного образца. Проведена Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых «Задачи и методы нейтронных исследований конденсированных сред» проведена 2-3 декабря 2021 года в университете «Дубна». В работе конференции приняли участие 70 молодых ученых университета «Дубна», ОИЯИ, высших учебных заведений Российской Федерации и ближнего зарубежья. Программа конференции включала 31 доклад по тематике исследований.