ЭГ-5 – долгожитель среди установок Объединенного института, который остается на переднем крае науки благодаря своим уникальным характеристикам. На этой установке решается целый спектр фундаментальных и прикладных задач в области ядерной физики, физики твердого тела, радиационных технологий.
В 2022 году на этом многофункциональном ускорителе в Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ получены яркие результаты в области альтернативной энергетики, а также перспективной электроники, например, впервые зафиксирован эффект «выпрямляющего» контакта двух наночастиц. Установка развивается и ставит перед собой задачи, охватывая новые области знания.
Этот надежный инструмент, который работает с 1965 года, сегодня позволяет проводить исследования ядерных реакций нейтронов с твердым телом, сопровождающихся вылетом заряженных частиц, исследования элементных глубинных профилей многослойных полупроводниковых архитектур, а также облучение материалов.
Среди ускорительных установок Объединенного института ЭГ-5 занимает свою уникальную нишу, так как обеспечивает достаточно интенсивные (1012 частиц/см2) потоки квазимоноэнергетических ускоренных (до 1-2,5 МэВ) заряженных частиц (однозарядные ионы водорода, гелия или дейтерия) и быстрых нейтронов (4,1 ± 0,1 МэВ). «Такой малый энергетический разброс нельзя получить с использованием относительно недорогих перезарядных – тандемных — электростатических ускорителей, не говоря уже об ускорителях, построенных на других физических принципах», — подчеркивает руководитель научной группы ЭГ-5 ЛНФ ОИЯИ Александр Дорошкевич. Ионный пучок ускорителя при относительно высоком токе (до 100 мкА) обладает очень высокой энергетической стабильностью, благодаря чему установка ЭГ-5 может работать как в режиме нейтронного генератора, так и ионного источника для ионно-лучевого анализа. Ускоряемый пучок ионов раздается по ионопроводам на один из шести каналов, оснащенных терминальными устройствами. Терминальные устройства — это отдельные ядерно-физические установки, каждая из которых по-своему уникальна как в пределах ОИЯИ, так и в странах-участницах. Да и сам ЭГ-5 на данный момент выступает единственным в ОИЯИ одноступенчатым электростатическим ускорителем.
В совокупности такие характеристики позволяют каждый год получать на ускорителе яркие результаты. В 2022 году значимые результаты получены группой ученых ЛНФ в области порошковых нанотехнологий. Речь идет о разработке новых приборов для перспективной электроники и альтернативной энергетики. В частности, специалистам ЛНФ впервые удалось зафиксировать четкий эффект «выпрямляющего» контакта двух наночастиц разного размера. Это абсолютно новое слово в развитии электроники, поскольку данное явление позволяет перейти к так называемой гомогенной электронике. Такая электроника будет лишена базового недостатка легированных полупроводников — диффузионной неустойчивости, из-за которой любой полупроводниковый прибор рано или поздно выходит из строя. Очевидно, изменятся и привычный вид устройств, и режимы их работы.
Группа ЛНФ ОИЯИ в сотрудничестве с НИТУ МИСИС провела ряд успешных экспериментов по облучению полупроводниковых кристаллов водородом. Как следствие была достигнута договоренность с крупнейшим производителем электроники в России — АО «Микрон» — о подготовке оборудования и проведении в будущем технологической операции имплантации ионов водорода при производстве мощных высоковольтных диодов.
Такая же ситуация в возобновляемой энергетике: совместно с другими международными исследовательскими группами специалисты лаборатории работают над разработкой приборов на основе нанопорошков оксида циркония. Такие порошки способны преобразовывать энергию адсорбции влаги в электрический вид. Энергия адсорбции влаги — довольно серьезный и перспективный источник энергии. Например, здание весом в 1000 тонн, примерно 6-этажный дом, при адсорбции из атмосферы всего 5 весовых % влаги выделяет 15 МДж тепла. Такое выделение энергии будет происходить, например, при смене суточного цикла день – ночь. Выработка энергии достаточна, чтобы использовать ее в активной энергетической инфраструктуре зданий нового поколения. «Основная проблема на данном этапе состоит в крайне низком КПД адсорбционных гидроэлектрических преобразователей, — отмечает Александр Дорошкевич. — Мы работали по данной тематике в составе международного проекта по программе ГОРИЗОНТ 2020. Сейчас работы в области порошковых технологий для альтернативной энергетики и перспективной электроники продолжаются уже самостоятельно силами наших молодых ученых».
На ЭГ-5 ведутся работы и по другим тематикам, например, в области ядерной физики, биологии, радиационного материаловедения. Научная группа наметила к развитию несколько научных направлений, среди которых, в частности, разработка приборов перспективной электроники (гомогенной наноэлектроники), выведение засухоустойчивых сортов риса и исследования астрофизических процессов звездного нуклеосинтеза.
Ускоритель ЭГ-5 развивается: техническая подгруппа выполняет большой объем работ не только по ремонту узлов, но и по их модернизации. На 2-м канале ускорителя начаты подготовительные работы к монтажу уникального микропучкового спектрометра. Эта исследовательская установка позволит проводить анализ микроскопических объектов с шероховатых поверхностей и облучать отдельные органоиды клеток. Такой спектрометр может быть использован при производстве устройств микросистемной техники, наноэлектроники. Его появление открывает целый спектр возможных междисциплинарных исследований.
После модернизации на ЭГ-5 также обзаведется нейтронным генератором. Дополнительно к газовой нейтронно-производящей мишени будут установлены твердотельные литиевые мишени. Это позволит проводить нейтронный активационный анализ на быстрых нейтронах, облучать объекты до относительно больших флюенсов с вариацией температуры, давления или магнитных полей. Такой функционал, безусловно, будет привлекательным для исследователей не только из ОИЯИ, но и других научных институтов. В связи с этим на ЭГ-5 планируется организация программы пользователей.
«С учетом высокого потенциала приборного комплекса и работающей на нем команды мы претендуем на роль серьезного игрока на научном поле ЛНФ», — подчеркнул Александр Дорошкевич.