Руководитель Отделения – д. ф.-м. н. А. В. Титов
Отделение перспективных разработок (ОПР) – состоит из шести отделов.
Об Отделении
Отделение перспективных разработок – самое молодое научно-техническое подразделение Института. Решение о его организации было принято в 2013 году в связи с необходимостью более эффективного использования научного-инновационного потенциала отделов, вошедших в его состав.
В настоящий момент приборная база ОПР представлена базовыми ускорительными установками Института эксплуатацией которых занимается ускорительный отдел (УО). В первую очередь это уникальный по своим характеристикам синхроциклотрон СЦ-1000 на энергию 1 000 МэВ, с током выведенного пучка 1 мкА. Он позволяет проводить широкий круг научных и прикладных исследований в различных областях – от ядерной физики до медицины.
Задачами ускорительного отдела являются:
Совершенствование космической и авиационной техники в значительной степени связано с использованием элементов микро- и наноэлектроники. Одним из основных условий их успешного использования является способность надежно функционировать в радиационных полях космического пространства и верхних слоев атмосферы в течение длительного времени. Сотрудниками отдела разработаны, реализованы, аттестованы и запущены в эксплуатацию испытательные стенды по исследованию радиационной стойкости электронной компонентной базы (ЭКБ) в протонных и нейтронном пучках. С 2015 г. на базе этих стендов функционирует специализированный центр радиационных испытаний радиоэлектронной аппаратуры на протонах с энергией 60–1000 МэВ и нейтронах (с участием ОПЯФ, см. ниже) со спектром, повторяющим спектр атмосферных нейтронов, что позволяет провести комплексное испытание радиоэлектроники за один цикл тестирования.
Силами ускорительного отдела ОПР и НИИЭФА им. Д.В. Ефремова в 2016 г. запущен изохронный циклотрон Ц-80 с переменной энергией протонов 40–80 МэВ и током выведенного пучка до 100 мкА. Высокая энергия ускоренного пучка в сочетании с высокой интенсивностью позволяет производить радиоизотопы и радиофармпрепараты высокого качества, недоступные для ядерных реакторов, в частности генераторные изотопы. Генераторные изотопы открывают путь для проведения позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) в отдаленных от циклотрона медицинских центрах.
В данный момент проводятся работы по реализации проектов по созданию онкоофтальмологического и радиоизотопного комплекса на основе Ц-80 («ОКО» и «ИЗОТОП»). В проекте «ИЗОТОП» также предусмотрено развитие метода создания сверхчистых медицинских изотопов с помощью магнитного сепаратора. Энергетический диапазон протонного пучка (60–70 МэВ) циклотрона Ц-80 позволяет создать единственный на сегодня в России офтальмологический центр для протонной терапии онкологических заболеваний органов зрения.
Лаборатория физики и техники ускорителей (ЛФТУ) ускорительного отдела специализируется в расчетах магнитных полей различных систем, расчетах магнитных структур, изучении динамики заряженных частиц в ускорителях, создании программ для оптимизации трактов транспортировки заряженных частиц. Создаются программные продукты. Так ЛФТУ выполнила расчеты, на основании которых была создана установка изменения энергии выведенного пучка СЦ-1000 в диапазоне энергий 60-900 МэВ и оптимизирован тракт транспортировки пучка. На основе расчетов ЛФТУ было сформировано магнитное поле циклотрона Ц-80, рассчитана система вывода пучка из циклотрона Ц-80, спроектированы и предложены тракты транспортировки к мишенным станциям для наработки изотопов и тракт протонного пучка для медицины в проектах «ОКО» и «ИЗОТОП».
В 2023 году была расширена область распространения сертифицированной системы менеджмента качества (СМК) ускорительного отдела и в настоящее время СМК соответствует требованиям ГОСТ Р ИСО 9001-2015, ГОСТ РВ 0015-002-2020 и стандартов СРПП ВТ, ОСТ 134-1028-2012 с изм. 2. Внедрение и сертификация системы менеджмента качества стало стратегическим решением руководства Отделения, направленного на реализацию проводимой политики в области качества.
Основными задачами отдела прикладной ядерной физики (ОПЯФ) являются:
Отдел наноструктурированных материалов (ОНСМ) сформирован в 2023 году с целью объединения работ по синтезу, изучению свойств и применению материалов разнообразного состава, физико-химические свойства которых определяются наличием особых форм (кристаллических дефектов, агрегатов, кластеров, слоев, пор и т. п.) с характерным размером 1-100*10-9 м. Отдельное внимание уделяется работам, посвященным особой аллотропной форме углерода – фуллеренам, полым сферическим структурам, состоящим из углеродных атомов. Фуллерены и их производные (фуллеренолы, эндоэдральные фуллерены и т. п.) являются перспективными материалами для применения в таких областях науки, как органический синтез, различные направления медицины (ядерная медицина, рентгеноконтрастная диагностика, тераностика, стентирование), технология радиопоглощающих покрытий и другие приложения.
В лаборатории химии и спектроскопии углеродных материалов (ЛХСУМ) разрабатываются новые производные фуллеренов и эндометаллофуллеренов, исследуются их физико–химических свойства, радиационная стойкость и самоорганизации в водных растворах.
Группа композитных материалов (ГКМ) сосредоточена, прежде всего, на исследовании новых производных эндометаллофуллеренов лютеция с фолиевой кислотой для целевой доставки к опухолевым клеткам.
Группа радиационного модифицирования материалов (ГРММ) проводит работы по радиационно-индуцированному синтезу комплексов фуллеренов с биополимерами. В частности, в 2023 году группой осуществлен пробный радиационно-химический синтез биосовместимых полимеров на основе поливинилпирролидона (ПВП) и сополимеров с фуллереном С60.
Группа технологии синтеза новых материалов (ГТСНМ) непрерывно совершенствует существующие методы и разрабатывает новые подходы к синтезу фуллеренов, эндофуллеренов, нанотрубок и других углеродных наноструктурированных наноматериалов.
В отделе оптических и информационных технологий (ООИТ) развиваются три основных направления научных исследований.
Группа лазерных и голографических информационно–измерительных систем (ГЛГИИС) специализируется в области прецизионных измерений на масштабах нанометров. Для проведения этих исследований в лаборатории имеется уникальная подземная безвибрационная лаборатория. На базе этой лаборатории и стендов для синтеза линейных и радиальных голографических дифракционных решеток к настоящему времени выпущено 14 наименований нанотехнологических устройств и приборов, среди которых: фотоэлектрические преобразователи линейных и угловых перемещений, длинномеры, двух-, трех-, четырех- и более координатно-измерительные машины, радиусомеры, плоскомеры, поворотные столы для измерения с разрешением 10 нм и сотых долей секунды.
Группа фотофизики (ГФФ) выполняет передовые научные исследования по следующим направлениям:
Группа теплового взрыва (ГТВ) на основе методологии математического моделирования выполняет исследования в области технологий прогнозирования, предупреждения и снижения тяжести последствий аварий и катастроф, вызванных тепловым взрывом энергонасыщенных веществ и материалов, в опасных объектах промышленности, транспорта, ракетно-космической и оборонной техники.
Отдел информационных технологий и автоматизации (ОИТА) уже много лет принимает активное участие в проекте ATLAS Большого адронного коллайдера в ЦЕРН. Сотрудники лаборатории информационно-вычислительных систем (ЛИВС) заняты в разработке и поддержке различных программных комплексов для системы контроля детектора (DCS) эксперимента ATLAS. Отдел также занимается поддержкой локальной вычислительной сети Института, различных информационно-вычислительных систем на базе веб-технологий, а также информационных систем для обеспечения административно-хозяйственной деятельности Института. Конструкторско-технологическая группа отдела принимает участие в проектировании и изготовлении опытных образцов устройств и компонентов для экспериментальных физических установок, в разработке и изготовлении которых участвует Институт. В их числе работы по программе ПРОТОН для проведения исследований на мюонном пучке PS1(ЦЕРН) с использованием установки ИКАР, создание системы регистрации ИК для проекта FAIR(Дармштадт), эскизная проработка установки FISCO в рамках программы исследований на реакторе ПИК.
Основным направлением работы отдела квантовой физики и химии (ОКФХ) является развитие методов расчета электронной структуры молекул и материалов, содержащих тяжелые атомы, включая актиноиды, лантаноиды и тяжелые переходные металлы. Целью является разработка методик и программ, которые дают возможность выполнять очень точные расчеты при наименьших вычислительных затратах. Это может быть достигнуто с помощью «двухшаговых» подходов, в которых расчет электронной структуры молекул с тяжелыми атомами и их физико-химических свойств разбит на два последовательных расчета: сначала в валентной области химического соединения (с использованием прецизионных релятивистских псевдопотенциалов, см. сайт ОКФХ), а затем ‒ в остовах тяжелых атомов (с использованием процедур восстановления четырехкомпонентной волновой функции). Эта работа была инициирована в начале 80-х годов прошлого века в ПИЯФ профессором Л.Н. Лабзовским и обусловлена важностью расчета и экспериментальных поисков эффектов несохранения временнóй инвариантности (Т) и пространственной четности (P), включая поиски гипотетического «электрического дипольного момента электрона» (eЭДМ). Поиски проявлений «новой физики» за пределами Стандартной модели продолжаются и в настоящее время в исследованиях, выполняемых сотрудниками лаборатории квантовой химии (ЛКХ) и группы физики ядра и элементарных частиц в молекулах (ГФЯЭЧМ). Уже на протяжении более 30 лет точность, достигаемая в этих расчетах, является рекордной в мире.
За прошедшее с начала первых расчетов время номенклатура систем, планируемых для поиска еЭДМ изменилась. В настоящее время, помимо двухатомных она включает и многоатомные молекулы. Как впервые показано в работах ЛКХ физика Т,Р-нечетных эффектов в таких системах более сложная и в настоящий момент является предметом дальнейшего исследования. Разрабатываемая в ЛКХ теория молекул во внешних переменных полях оказалась очень плодотворной для изучения систематических эффектов в экспериментах по поиску Т,Р-нечетных эффектов.
Другим важным направлением работы ЛКХ является построение прецизионных «обобщенных» релятивистских эффективных потенциалов остова (ОРЭПО) (или «гатчинских» релятивистских псевдопотенциалов, ГРПП) для атомов, включая варианты ГРПП со «сверхмалым остовом» для актиноидов и с «пустым остовом» для легких элементов. Это предложенное нами ранее обобщение метода релятивистского псевдопотенциала, активно используемого для сокращения вычислительных затрат в расчетах электронной структуры и физико-химических свойств молекул, кластеров и кристаллов, позволило на порядок и выше поднять точность расчетов с псевдопотенциалами. К настоящему времени гатчинские псевдопотенциалы построены для всех элементов Периодической таблицы Д.И. Менделеева и доступны на сайте ОКФХ.
И наконец, в ЛКХ активно выполняются теоретические исследования электронной структуры и свойств металлоорганических соединений, функциализированных эндоэдральных фуллеренов для ядерной медицины, МРТ и других приложений.
ГФЯЭЧМ также занимается исследованиями нейтральных и малозарядных атомов и молекул, которые направлены на получение информации о свойствах атомного ядра: среднеквадратичный зарядовый радиус, мультипольные моменты, распределение намагниченности и др. Полученные теоретические и программные разработки позволяют интерпретировать эксперименты по измерению изотопических сдвигов и сверхтонкой структуры, выполненные в том числе на установках в НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ, в терминах этих фундаментальных свойств ядер, а также предлагать новые эксперименты.
В последнее десятилетие сотрудники отдела не ограниваются исследованиями различных физико-химических свойств в молекулах и кластерах небольшого размера, они перешли к изучению более широкого круга физико–химических свойств и более сложным структурам, а именно к расчетам электронной структуры материалов с тяжелыми атомами в качестве примесей или атомов элементарной ячейки. Разработанный группой квантовой механики (ГКМ) на основе «двухшаговых» подходов метод «подстроенного под соединение» потенциала внедрения (ПСПВ) для выбранного фрагмента кристалла позволяет с очень высокой точностью описать действие окружения на данный фрагмент, и, соответственно, электронная структура самого фрагмента кристалла также воспроизводится с хорошей точностью. По сравнению с методами расширенной ячейки, в рамках кластерного расчета с ПСПВ относительно просто рассматриваются и точечные дефекты, причем с точностью, недостижимой для методов расчета с периодическими граничными условиями. С погрешностью менее 0.1 эВ для валентных энергий в таких расчетах можно учитывать локальное нарушение симметрии кристалла, релятивистские эффекты (включая брейтовские и квантовоэлектродинамические), межэлектронную корреляцию в рамках теории волновой функции, корректно рассматривать заряженные фрагменты кристалла, в том числе включающие атомы с незаполненными и локализованными в остове оболочками, локализованные (нелинейные) квантовые процессы и т. д.
Основное направление деятельности группы релятивистских многочастичных систем (ГРМС) ‒ создание новых средств прецизионного моделирования электронной структуры и свойств соединений тяжелых элементов на основе развития теории релятивистских многоэлектронных систем, в первую очередь релятивистских вариантов теории связанных кластеров и многочастичной теории возмущений для многомерных модельных пространств. Новые разработки направлены прежде всего на описание характеристик возбужденных электронных состояний и электронных переходов. Технологии моделирования, разработанные сотрудниками ГРМС, ГФЯЭЧМ, ГКМ и ЛКХ, позволили проводить систематическое исследование свойств молекул и материалов, содержащих лантаноиды, актиноиды и тяжелые переходные металлы, а также выполнять наиболее точные исследования химических и спектроскопических свойств соединений сверхтяжелых элементов из «острова стабильности» с использованием наиболее продвинутых вариантов теории связанных кластеров и гатчинского релятивистского псевдопотенциала.
Мюонная группа (МГ) разрабатывает методы и программные пакеты для описания взаимодействия мюонов с ионами, атомами и твердыми телами. Моделирование взаимодействия кластеров с мюонами необходимо для интерпретации экспериментальных данных по исследованию локальных магнитных свойств материалов, проводимых на muSR установках. В частности, для исследований на muSR установке, действующей в НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ.
МГ также проводит моделирование матричной изоляции атомов и молекул методами квантовой химии. Данное направление является критически важной областью исследований, нацеленной на проведение прецизионных спектральных измерений и оценки реакционной способности исследуемых химических элементов в матрицах. Решение этих задач требует специфических численных подходов в рамках теории многочастичных взаимодействий, позволяющих выполнять аккуратные расчеты при сравнительно небольших временных затратах. Влияние матричного окружения инертных газов на спектральные характеристики может быть эффективно учтено лишь при комплексном использовании численных методов и программного софта. Изучение данного круга вопросов играет существенную роль в интерпретации экспериментальных данных для отдельных атомов и молекул в матрицах.
Группа квантовой электродинамики атомных систем (ГКЭДАС) занимается квантовоэлектродинамическими исследованиями свойств многозарядных ионов (уровни энергий, вероятности переходов, сечения процессов столкновения ионов с элементарными частицами и легкими атомами). Другие направления группы – это исследования возможностей наблюдения спонтанного рождения электрон-позитронных пар в сверхкритических полях, релятивистские расчеты электронной структуры сверхтяжелых элементов, разработка алгоритмов расчета электронной структуры на высокопроизводительных компьютерах и другие задачи.
ОКФХ публикует более 30 статей в год в ведущих международных и российских научных журналах.
