Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics
Lomonosov Moscow State University

Laboratory of nuclear processes research

The Laboratory of nuclear processes studies (LNPS) was organized in 1958 basing on the scientific group of the Laboratory of the nuclear reactions, which carried out experiments on the 120-cm cyclotrone started a year earlier. This cyclotrone accelerated protons, deutrons and alfa-particles up to the energy of 7.5 MeV/nucleon. In 1979 LNPS was incorporated into the Deaprtment of nuclear and space research. From the group's and the Laboratory's startup and to the end of his life (1991) it was headed by the Director of SINP MSU Professor Igor Teplov. From 1992 till 2012 Professor Natalia Zelenskaya was the Head of the Laboratory. Starting from 2013 Viktor Lebedev performs duties of the LNPS's Head.

For many years the scientists of the Laboratory specialized in the field of the studies of mechanism of reactions with alfa- and more complicated particles. This field is possible to be considered as a number of serial stages.

At the opening stage the studies produced significant experimental material on the angular dependences of the cross-sections of the reactions (α, р), (α, d) and (α, t) on nuclei from Lithium to Silicon within the energy range Е_α ≤25 MeV. Among the most important results, obtained during 1960-70s are the following: the basic characteristics of the reactions with alfa-particles on light nuclei (relation of cross-sections on the number of nucleons passed to the nucleus, their energy dependence, etc.) deduced from experiments and their quality analysis (in plane wave approximation), which allowed to evaluate the input of direct mechanisms (cluster break-down and substitution) to the reaction cross-section comparing to the mechanism of compound nucleation mechanism.

The following stage of the scientific research of the Laboratory included the studies of the cross-section of the reactions with α-particles in the area of large partciles escape angles. For the first time Igor Teplov has predicted that mechanism of substitution of heavy cluster explains large inverse maxima of cross-sections not only for the elastic scattering of complicated particles, but also for the reactions with their participation. For the experimental studies of the inverse maxima devices with specific geometry were developed, which allowed to measure differential cross-sections for the reactions with such particles escape angles.

В результате были впервые получены систематические экспериментальные данные о сечениях реакций (α, р), (α, d) и (α, t) в области больших углов на ядрах от лития до кобальта. Для теоретического анализа полученных результатов впервые в нашей стране был разработан аппарат обобщенного метода искаженных волн с ненулевым радиусом взаимодействия частиц (МИВОКОР). Теоретический аппарат МИВОКОР был реализован путем создания комплекса вычислительных программ, в то время не имеющих аналогов в мировой литературе.

Проведенный в рамках МИВОКОР анализ экспериментальных сечений реакций с α- частицами на легких ядрах показал, что определяющий вклад в них вносят относительно простые механизмы: прямые процессы, связанные с диссоциацией падающей частицы, и обменные процессы, обусловленные развалом ядра-мишени. Сечения прямых и обменных процессов сравнимы по величине и только в совокупности описывают экспериментальные угловые распределения. Обменные процессы количественно объясняют обратные максимумы сечения.

Следующий этап деятельности ЛИЯП – экспериментальное изучение функций угловых корреляций продуктов реакции (двойных дифференциальных сечений).
Первые эксперименты по измерению yγ-угловых корреляций в реакции А(х,у)В^*→В₀ + γ были выполнены в 70-х годах. Они показали, насколько сложны и трудоемки корреляционные измерения в силу малости двойных дифференциальных сечений, больших времен экспозиции и т.д. Задача получения достоверных экспериментальных данных по функциям угловых корреляций, также как и задача их корректного теоретического описания становилась одной из актуальных.

Эта задача была решена путем разработки, теоретического обоснования и практической реализации принципиально нового метода изучения свойств ориентированных ядер в возбужденных состояниях с помощью измерения угловых корреляций в различных плоскостях относительно плоскости реакции. Измерения угловых корреляций в различных плоскостях удалось осуществить в режиме on-line, благодаря созданию уникального измерительно-вычислительного комплекса. Без проведения дополнительных экспериментов были определены поляризационные характеристики возбужденных ориентированных ядер. Наконец, введена совершенно новая характеристика ориентированных ядер – их динамическая деформация и показано, что она может кардинально отличаться от статической.

Цикл экспериментальных и теоретических работ, в котором удалось получить приоритетные результаты, относящиеся к тонким деталям структуры возбуждаемых в ядерных реакциях ориентированных ядер (авторы Н.С. Зеленская, В.М. Лебедев, А.В. Спасский), в 2003 г. удостоен премии имени М.В. Ломоносова.

В последнее время в ЛИЯП большое развитие получили работы, связанные с исследованием нейтронно-избыточных легких ядер и определением структуры их нейтронной периферии. Изучена пространственная структура нейтронной периферии различных легких ядер. Показано, что структура нейтронной периферии этих ядер кардинально различается и ее проявление зависит от способа образования нейтронно-избыточного ядра.

Совместно с ИМБП (ГНЦ РФ ИМБП РАН), биофаком МГУ и ИБХФ РАН был проведен цикл экспериментальных исследований электрической активности ретины (сетчатки глаза) и изменения параметров возбуждения нервного волокна от дозы облучения, а также произведена оценка воздействия потоков галактических частиц и солнечных космических лучей на живой организм в условиях космического полета.

Облучение переживающей ретины и миелиновых нервных волокон проводились на циклотроне НИИЯФ МГУ. Величина линейной передачи энергии (ЛПЭ) частиц составляла около 6 кэВ/мкм и 24 кэВ/мкм и близка по величине ЛПЭ релятивистских ядер групп бериллия–углерода и неона–магния галактического космического излучения (ГКИ). При исследовании переживающей ретины объектом исследования служила изолированная сетчатка травяной лягушки Rana temporaria. Впервые установлено, что при облучении переживающей (изолированной) ретины импульсными потоками тяжелых заряженных частиц с высокой величиной ЛПЭ имеет место электрический ответ (ЭРГ), с параметрами аналогичными ее ответу на световую вспышку.

В следующей серии экспериментов исследовалась зависимость амплитуды и скорости проведения потенциала действия (ПД) миелинового нервного волокна (изолированные седалищные нервы травяной лягушки (Rana temporaria)) от поглощенной дозы дейтронов и альфа-частиц непосредственно в процессе облучения (“под лучом”).

Впервые, в отличие от всех известных работ, в которых частицами с высоким ЛПЭ облучалось все нервное волокно, в настоящей работе подвергался облучению лишь небольшой участок нерва (2 мм). В результате выполненных исследований было показано, что скорость проведения ПД “под лучом” убывает по мере набора поглощенной дозы, причем для дейтронов заметно быстрее, чем для альфа-частиц. В то же время оказалось, что амплитуда ПД убывает быстрее при облучении альфа-частицами.

Предварительные оценки радиационного риска показывают, что при длительных и дальних полетах сетчатка и, в особенности, такие ее структуры, как нервные волокна, могут оказаться одним из критических органов по отношению к галактическому космическому излучению. В отношении соматических нервных волокон можно предварительно утверждать, что радиационный риск обусловлен воздействием на нервную оболочку и, в особенности, на немиелинизированные участки (перехваты Ранвье). Однако соматические нервные волокна более устойчивы к ТЗЧ ВПИ, чем сетчатка.

Проведены исследования воздействия ионизирующего излучения на реакцию Белоусова–Жаботинского, моделирующую некоторые особенности биологических объектов. Наблюдения велись непосредственно в процессе облучения. Впервые наблюдалось возникновение ведущих центров в реакции Белоусова–Жаботинского под действием пучка альфа-частиц с энергией 30 МэВ.

Выполнено исследование комбинированного воздействия гипомагнитных условий (ГМУ) и ионизирующих излучений на некоторые биологические и модельные физико-химические системы. Величина поглощенной дозы изменялась от долей Гр до десятков кГр. С использованием методики облучения живых клеток in vitro изучалось воздействие ускоренных α-частиц на клетки эритроцитов крови крыс. Проведено исследование воздействия гипомагнитных условий на эмбрионы японских перепелов (перепела могут явиться важным элементом биорегенеративных систем жизнеобеспечения межпланетных кораблей). Установлены патологические изменения на ранних стадиях эмбриогенеза, некоторые из которых несовместимы с жизнью. Полученные результаты важны для проблемы обеспечения безопасности экипажей космических кораблей при дальних полетах и работы на будущей базе на Луне.