70 ступеней к великим тайнам мироздания

Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ имени М.В. Ломоносова вступил в восьмое десятилетие своего пути.

Задачу организации в МГУ современного образования в области радиоактивности и физики атомного ядра сразу после окончания Великой отечественной войны для решения сугубо оборонных задач поставил С.И. Вавилов (в то время Президент АН СССР). Он выдвинул и поддержал разрабатывающего это направление Д.В. Скобельцына. НИИЯФ МГУ, образованный в феврале 1946 г. специальным Постановлением Правительства СССР, стал первым в нашей стране научноисследовательским институтом нового типа, где впервые реально была осуществлена интеграция фундаментальной науки и высшего образования. С самого основания в НИИЯФ МГУ, который возглавил Д.В. Скобельцын, стали разрабатываться важнейшие научные проблемы и осуществляться подготовка специалистов по нескольким направлениям, тесно связанным с ядерной физикой. Не случайно директор НИИЯФ МГУ всегда совмещал обязанности заведующего Отделением ядерной физики физфака МГУ.

Сегодня Институт представляет собой научный центр мирового уровня в области фундаментальных исследований по физике космического пространства и ядерной физике. Институт также проводит теоретические и экспериментальные исследования фундаментального и прикладного характера по физике процессов взаимодействия излучения с веществом, наноэлектронике, развитию телекоммуникаций и информационных технологий, внедряет современные физические методики в студенческие практикумы на Отделении ядерной физике физического факультета МГУ.

Академик, Лауреат Ленинской и Государс-твенной премий, Герой Социалистического труда Дмитрий Владимирович Скобельцын (1892–1990)

Академик, Лауреат Ленинской и Государс-твенной премий, Герой Социалистического труда Сергей Николаевич Вернов (1910–1982)

Профессор, Лауреат Государственной премии, Игорь Борисович Теплов (1928–1991)

Директорами НИИЯФ МГУ и заведующими Отделением ядерной физики физфака МГУ были академики Дмитрий Владимирович Скобельцын (1946–1960), Сергей Николаевич Вернов (1960–1982), профессор Игорь Борисович Теплов (1982–1991).

С 1992 года институт и Отделение ядерной физики физфака МГУ возглавляет профессор Михаил Игоревич Панасюк.

Космофизические исследования положили начало НИИЯФ МГУ. Можно считать счастливым стечением судьбы, что в одно и тоже время были запущены в СССР первые искусственные спутники Земли (ИЗС), а НИИЯФ МГУ уже был способен создать уникальные приборы для регистрации излучений в космосе, которые работали уже на втором ИЗС. Это обеспечило прорыв в физике космических лучей, ознаменовавшимся выдающимся научным открытием — обнаружением радиационных поясов Земли.

Директор НИИИЯФ МГУ, профессор М.И. Панасюк и ректор МГУ, академик В.А. Садовничий

Институт по праву гордится своими достижениями в изучении физических явлений в межпланетной среде и околоземном пространстве, исследования которых продолжает и сегодня и является лидером в этом направлении. Созданная в НИИЯФ аппаратура для радиационного контроля уже в течение четырёх десятилетий вплоть до настоящего времени осуществляет мониторинг радиационной обстановки на различных космических аппаратах — ГЛОНАСС, «Экспресс», «Метеор», «Галс», «Горизонт» и др., а также на пилотируемых орбитальных станциях «Салют», «Мир» и Международной космической станции (МКС).

Разработка в НИИЯФ МГУ в середине 1950-х годов ионизационного калориметра, который и до настоящего времени является наиболее точным и надёжным прибором для измерения энергии частиц и активно используется в экспериментах на наземных установках, спутниках и ускорителях высоких энергий, сделало возможным изучение энергетического спектра непосредственно первичной компоненты космических лучей. С помощью ионизационных калориметров (установленных на третьем ИЗС) и рентнгено-эмульсионных камер были выявлены особенности энергетического спектра протонов и других ядер, входящих в состав комических лучей, и получены уникальные данные об адрон-ядерных взаимодействиях в области энергий свыше 1017 эВ.

Частицы космических лучей при взаимодействии с околоземной средой создают потоки частиц — широкие атмосферные ливни (ШАЛ). При активном участии НИИЯФ построен ряд установок для регистрации ШАЛ. В их числе крупномасштабная установка мирового класса «Тунка-133», регистрирующая черенковское излучение ШАЛ. Она предназначена для детального исследования спектра первичных космических лучей в интервале энергий 1015–1018 эВ. Заслуживает упоминания глубоководный нейтринный телескоп на озере Байкал для регистрации потоков нейтрино — именно на нем были получены наиболее сильные в настоящее время ограничения на диффузный поток нейтрино. Для исследования гамма-всплесков с целью изучения раннего периода развития Вселенной в НИИЯФ была создана лаборатория экстремальной Вселенной под руководством лауреата Нобелевской премии Джорджа Ф. Смута.

Установка «Тунка-133» (Иркутская область), которая содержит 175 детекторов черенковского излучения, размещенных на площади около 3 кв. км, и схема регистрации широких атмосферных ливней

Исследования магнито-ионосферных взаимодействий и природы полярных сияний привело к открытию авроральных сияний, постоянно окружающих северный и южный полюса колец полярного сияния, названных авроральными овалами. Впервые показана важная роль ионосферной плазмы в формировании кольцевого тока и дано теоретическое обоснование механизма инжекции частиц из ионосферы. В институте создана динамическая модель магнитосферы Земли, позволяющая исследовать динамику магнито-ионосферных токовых систем и их вклад в вариации геомагнитного поля.

Уже при подготовке первого полёта человека в космос на НИИЯФ МГУ возлагались ответственные задания в обеспечении радиационной безопасности космонавтов и приборов в открытом космосе. Для их решения использовались уникальные достижения института в исследовании солнечных, галактических и внегалактических космических лучей, изучении плазменных и электромагнитных процессов на Солнце и в гелиосфере, создании теоретических моделей радиационных и электромагнитных процессов в космическом пространстве, нейтринной астрофизике и изучении взаимодействия космических аппаратов с окружающей средой.

Кроме того, запуск первых искусственных спутников Земли послужил началом активного развития в институте космического материаловедения. В его основе — экспериментальное и теоретическое изучение процессов, протекающих в материалах и элементах оборудования космических аппаратов под действием факторов космической среды, и связанных с ними изменений их свойств. Одновременно решалась задача создания новых материалов, разработка методов и технических средств защиты космических аппаратов от неблагоприятного воздействия космической среды.

В результате выполненных в НИИЯФ исследований в этой области получены новые фундаментальные знания о поведении материалов в условиях космического пространства, методах их защиты от неблагоприятного воздействия космической среды и технологиях создания перспективных материалов для космической техники, включая наноматериалы. Разработанная в институте физико-математическая модель электризации космических аппаратов легла в основу программного обеспечения для моделирования эффектов электризации. Созданные в НИИЯФ модели радиационных полей в космическом пространстве широко используются специалистами в области конструирования космической техники.

В рамках космической научно-образовательной программы были созданы и отработали свой ресурс многоцелевые спутники «Университетский–Татьяна» и «Университетский–Татьяна-2». Приборы с высоким временным разрешением, установленные на спутнике «Университетский–Татьяна», позволили детально изучить мощные вспышки ультрафиолетового излучения в верхней атмосфере — «транзиентные световые явления». На стартовой площадке космодрома новый университетский спутник «Ломоносов», нацеленный на исследования экстремальных физических явлений в атмосфере, ближнем космосе и во Вселенной.

Участники эксперимента на стартовой площадке №31 космодрома Байконур перед запуском спутника «Университетский-Татьяна-2» 17 сентября 2009 г.

В НИИЯФ создана уникальная, полностью автоматизированная система хранения данных, получаемых с научной аппаратуры на спутниках (smdc.sinp.msu.ru). Центр обеспечивает доступ к данным измерений космической радиации, полученным в течение последних 20 лет в ходе космических экспериментов института. Совместно с моделями космической среды, разработанными в НИИЯФ, базы данных космических экспериментов образуют единую систему космического мониторинга для хранения, обработки, научного анализа и отображения космофизических данных. НИИЯФ сыграл большую роль в разработке ряда стандартов физических явлений в космосе и продолжает активно участвовать в процессе создания международных стандартов.

С момента создания института и до настоящего времени ядерная физика является одним из ключевых научных направлений НИИЯФ. Институт проводит фундаментальные исследования по физике атомного ядра и ядерных реакций при низких и средних энергиях; по развитию теории атомного ядра и исследованию атомных и мезоатомных процессов; по применению ядерно-спектрометрических методов к исследованию конденсированных сред. В институте создан Центр по применению новых информационных технологий в области данных по физике ядра и ядерных реакций. Особое внимание уделяется созданию электронных ускорителей нового поколения и разработке новых методов получения радиофармацевтических препаратов.

НИИЯФ МГУ располагает уникальным ускорительным комплексом, в котором сосредоточены и активно используются в фундаментальных и прикладных исследованиях ускорители электронов с максимальными энергиями до 70 МэВ и ускорители ионов в диапазоне энергий от 102–107 эВ. В настоящее время подобной экспериментальной базой не располагает ни один научный центр России. Комплекс включает в себя следующие ускорители: электронные ускорители (линейный ускоритель непрерывного действия на энергию 1,2 МэВ; импульсный линейный ускоритель на энергию 10 МэВ; импульсный разрезной микротрон с большой яркостью пучка на энергию 35 МэВ; импульсные разрезные микротроны на энергию 55 МэВ и 70 МэВ); ускорители ионов (вертикальный и горизонтальный ускорители ионов с энергией частиц до 2,5 МэВ; каскадный генератор с энергией ускоренных протонов до 500 кэВ; 120-см циклотрон для ускорения лёгких ионов до максимальной энергии 7,8 МэВ/нуклон). Исследования проводятся также на установке для измерения угловых ??-корреляций и мессбауэровских спектрометрах.

На ускорителях, созданных в НИИЯФ, получены результаты мирового уровня: обнаружена промежуточная структура гигантского дипольного резонанса средних и тяжёлых ядер; экспериментально открыто конфигурационное расщепление гигантского дипольного резонанса; получены уникальные результаты по фотоядерным реакциям с многочастичным конечным состоянием (с вылетом до 7 нуклонов); впервые определены параметры изоспинового расщепления гигантского резонанса.

Лауреат Ломоносовской премии,

профессор Б.С. Ишханов читает лекцию по уникальным результатам по фотоядерным реакциям с многочастичным конечным состоянием (с вылетом до 7 нуклонов)

Созданный в отделе ОЭПВАЯ (зав. отделом профессор Б.С. Ишханов) мощный промышленный ускоритель (с высотой ? 2 м) с энергией электронов 1,2 МэВ и максимальной мощностью пучка 60 кВт. Возможные применения: материаловедение, радиационная химия, радиационные процессы в промышленности, стерилизация, дезинсекция

Центр данных фотоядерных экспериментов НИИЯФ — участник международной сети центров ядерных данных МАГАТЭ — занимается обработкой, анализом и распространением данных по реакциям под действием фотонов низких и средних энергий. В Центре созданы и поддерживаются функционирующие в Интернет (cdfe.sinp.msu.ru) базы данных, содержащие полную информацию обо всех известных атомных ядрах и огромном количестве ядерных реакций под действием фотонов, нейтронов, заряженных частиц и тяжёлых ионов.

При исследовании рассеяния частиц монокристаллами в НИИЯФ было открыто новое физическое явление, получившее название «эффект теней»: при облучении монокристаллов потоком ускоренных ядерных частиц в угловых распределениях рассеянных частиц и продуктов ядерных реакций появляются характерные минимумы интенсивности (тени), контрастно воспроизводящие структуру кристалла. Это открытие послужило толчком для целого направления в физике взаимодействия излучений с веществом — физики ориентационных эффектов. Среди обнаруженных в НИИЯФ явлений, тесно связанных с «эффектом теней», — возрастание выхода ядерных реакций при использовании монокристаллической мишени, охлаждение или нагрев ионного пучка при каналировании, нулевые энергетические потери при скользящем движении протонов относительно поверхности изолятора.

При использовании «эффекта теней» в НИИЯФ развиты многочисленные методы диагностики структуры и состава кристаллов. Среди них — методы резерфордовского и ядерного обратного рассеяния, метод спектрометрии рассеяния ионов средних энергий, методика ядер отдачи. Совместно с каналированием ионов в кристаллах эти методы активно применяются для анализа структурных и композиционных свойств тонких приповерхностных слоев и многослойных структур в различных областях. На их основе в институте был разработан ряд новых подходов для изучения пространственной локализации примесных атомов в решётках полупроводниковых кристаллов.

Эффект теней и метод измерения длительности ядерных реакций с помощью эффекта теней: ? — направление падающих частиц, ? угол вылета продуктов реакции относительно кристаллической оси; зависимость выхода реакции от угла ?

Схема распределения распадов в потенциа-льной яме тяжелых ядер с двугорбым барьером деления, ? — ширина распада по разным каналам

На основе открытого в НИИЯФ «эффекта теней», связанного с прохождением быстрых ионов через кристаллы, предложен новый метод измерения времени протекания ядерных реакций в диапазоне 10–14–10–19, обнаружено неизвестное ранее физическое явление дополнительной временной задержки в канале деления, обусловленное временем жизни возбуждённых состояний во второй потенциальной яме.

Выполнен цикл работ по теории гигантских резонансов в ядрах, создана теория кластеризации и квазиупругого выбивания нуклонов и нуклонных кластеров, единая теории ядерных реакций и объяснены особенности тяжёлого кластерного распада средних и тяжёлых ядер. В рамках единой теории прямых и резонансных процессов взаимодействия частиц и излучения с атомами и ядрами получены приоритетные результаты, касающиеся структуры системы и механизмов протекания реакций.

Предложен и разработан метод квазиупругого выбивания электрона электроном высокой энергии из атомов, молекул и твердотельных плёнок, который был широко реализован во многих ядерно-физических лабораториях мира.

Исследованы особенности в упругом рассеянии и поляризации протонов низких и средних энергий ядрами, что позволило дать новое объяснение изотопическому эффекту в рассеянии протонов. В НИИЯФ теоретически разработан и экспериментально реализован принципиально новый метод определения характеристик ориентационных характеристик возбужденных ядер — продуктов ядерных реакций. Этот метод основан на измерении угловых корреляций продуктов реакции в разных плоскостях их регистрации, что позволило получить комплекс новых экспериментальных данных для лёгких ядер и впервые определить их поляризационные характеристики.

Успешно развиваются в НИИЯФ исследования в области взаимодействия излучения с веществом с использованием ядерно-физических методов. К ним относятся:

● изучение взаимодействия ускоренных ионов с веществом, неупругих и упругих столкновений быстрых ионов в различных средах; разработка методов исследования и диагностики тонкопленочных и многослойных гетерогенных структур, поверхностных защитных и упрочняющих слоёв на металлах и сплавах;

● изучение взаимодействия синхротронного, лазерного и радиочастотного излучений с веществом; разработка и изучение свойств твердотельных лазеров, создание высокочувствительных магнитометров с оптической накачкой;

● изучение воздействий ионизирующих излучений на материалы и устройства космической техники и промышленных установок;

● исследование воздействия излучений на биологические объекты.

Установка по ускорению кластерных ионов

Экспериментальная база для проведения исследований включает ускорители НИИЯФ; ионный имплантатор HVEE 500, установку по ускорению кластерных ионов; масс-монохроматоры; специализированные монохроматоры; установки для изучения возбуждения люминесценции в широкой области спектра, установленные на российских синхротронах; систему колец Гельмгольца и гипомагнитные камеры; сканирующие электронные и атомно-силовые микроскопы; спектрометрию комбинационного и ионного рассеяния.

Ионный имплантатор для исследования радиационных воздействий на материалы и элементы электроники

В результате выполненных на ускорителях НИИЯФ экспериментов по взаимодействию ионов с твёрдым телом были установлены основные закономерности и особенности в сечениях однократной и многократной ионизации и перезарядки быстрых ионов и атомов. При исследовании отражения медленных ионов от поверхности кристаллов впервые был обнаружен ряд сильных ориентационных эффектов — например, эффекты двукратного рассеяния и ионной фокусировки. На основе изучения отражения ионов от поверхностей с неупорядоченным расположением атомов теоретиками НИИЯФ были разработаны и апробированы теории многократного рассеяния ионов поверхностями твёрдых тел, что способствовало становлению и развитию спектрометрии рассеянных ионов средней и низкой энергии.

Сделанное в НИИЯФ открытие анизотропии ионно-электронной эмиссии монокристаллов вместе с другими обнаруженными ориентационными эффектами взаимодействия ионов с кристаллами легло в основу одного из важных направлений радиационной физики твёрдых тел. Это открытие дало возможность развития методов непрерывного контроля радиационных дефектов в твёрдых телах, а также контроля ориентации монокристаллов, в частности, в технологии изготовления полупроводниковых устройств методом ионно-лучевого легирования.

Совместно с институтами РАН в НИИЯФ проводится изучение воздействия излучений и гипомагнитных условий на биологические объекты. В результате выполненных исследований созданы новые типы дозиметров космической радиации, получены важные данные для прогнозирования безопасности экипажей космических кораблей при межпланетных перелётах.

При создании НИИЯФ МГУ такого понятия, как физика высоких энергий, вообще не существовало, поскольку не существовало ускорителей, способных разогнать частицы до энергий хотя бы 100 МэВ/нуклон. Однако в настоящее время именно физика высоких энергий является одним из наиболее быстро и продуктивно развивающихся научных направлений. Основная задача этого направления — получение уникальных сведений о фундаментальных свойствах материи на расстояниях 10–16–10–18 см и менее. В НИИЯФ исследования по физике высоких энергий с использованием ускорителей начались в 1960-х годах по инициативе и широкой поддержке академиков С.Н. Вернова и А.А. Логунова. Огромную роль в становлении и развитии этого научного направления в НИИЯФ сыграли профессора В.Г. Шевченко, П.Ф. Ермолов, В.С. Мурзин и Л.И. Сарычева.

Основные направления исследований в физике высоких энергий в НИИЯФ:

● разработка теоретических моделей фундаментальных взаимодействий элементарных частиц на основе суперсимметричных теорий, теорий в пространстве с дополнительными измерениями и теории струн;

● экспериментальные исследования по физике тяжёлых кварков и электрослабых взаимодействий, по поиску новых частиц и новых фундаментальных ввзаимодействий;

● экспериментальное и теоретическое исследование структуры и эволюции адронов в экстремальных состояниях при высоких энергиях;

● создание новых автоматизированных методов расчётов характеристик процессов и моделирования ожидаемых событий в условиях реального эксперимента;

● разработка программно-аппаратных средств для экспериментов в физике высоких энергий, разработка кремниевых полупроводниковых сенсоров и их технологии массового производства, создание новой электроники считывания сигналов;

● развитие телекоммуникационных сетей для обеспечения полноценного участия учёных в различных международных экспериментах.

Основная информация о структуре материи на предельно малых достижимых расстояниях получается на основе экспериментов на сверхмощных ускорителях и коллайдерах заряженных частиц с использованием крупномасштабных детекторов для регистрации частиц, образующихся в процессах столкновений. Сотрудники НИИЯФ принимают самое активное участие в работе ведущих мировых коллабораций, созданных для выполнения экспериментов на крупнейших мировых ускорителях:

● Большой адронный коллайдер(CERN, Швейцария) с энергией соударений протон-протонных пучков 7, 8 и 14 ТэВ — коллаборации CMS, ATLAS, LHCb;

● протон-антипротонный коллайдер Tevatron (FermiLab, США) с энергией около 2 ТэВ — коллаборация D0;

● электрон-протонный ускоритель HERA (DESY, Германия) с энергией около 300 ГэВ — коллаборация ZEUS.

Институт участвует в экспериментах на установках в крупнейших научных центрах России: Институте физики высоких энергий (Протвино), Объединённом институте ядерных исследований (Дубна) и Институте теоретической и экспериментальной физики (Москва).

В 1995 году в эксперименте D0 на коллайдере Tevatron при активном участии сотрудников НИИЯФ была открыта самая тяжёлая из известных на сегодняшний день элементарных частиц — топ-кварка — с массой около 173 ГэВ в процессе парного рождениея. В 2006 г. также на коллайдере Tevatron топ-кварк был обнаружен в одиночной моде рождения. Вклад сотрудников ННИЯФ МГУ в достижение этого результата в эксперименте D0 получил международное признание.

Детектор ATLAS Большого адронного коллайдера

Регистрация распада частицы детекторами Большого адронного коллайдера © CERN

В июле 2012г. в экспериментах общего назначения ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере была открыта новая частица — бозон Хиггса. Это открытие увенчало двадцатилетие напряженного труда по разработке и созданию детекторных установок ATLAS и CMS, формированию физической программы исследований, активного участия в запуске и эксплуатации детекторов, проведении физического анализа экспериментальных данных большого международного коллектива, в составе которого успешно работали физики НИИЯФ МГУ. Исследования бозона Хиггса в 2013-2014 г. были направлены на подтверждение соответствия его свойств предсказаниям Стандартной модели взаимодействий частиц. Более точные измерения сечений рождения бозона Хиггса в различных каналах показали, что его квантовые числа (спин и четность) полностью согласуются со Cтандартной моделью, а вероятности распада по различным каналам в целом соответствуют ей на хорошем уровне достоверности. Масса бозона Хиггса измерена с точностью лучше одного процента. Сотрудники НИИЯФ МГУ работают в экспериментах ATLAS и CMS с самого начала (1992 г.). Был проделан значительный объем работ на всех стадиях проектов, в том числе развитие физической программы и методики эксперимента, разработка и поддержка программного обеспечения, разработка и создание экспериментального оборудования отдельных подсистем детекторов, физические и методические измерения в сеансах на БАК, обработка и физический анализ данных, модернизация детекторных подсистем и компьютерной инфраструктуры.

Огромную роль в постановке и проведении этих экспериментов сыграло компьютерное моделирование процессов рождения частиц, которое выполнялось с помощью разработанного в НИИЯФ и получившего мировое признание пакета программ CompHEP. При анализе экспериментальных данных об одиночном рождении топ-кварка и бозона Хиггса применялись новые методы оптимизации и многомерные методы выделения сигнала из фона, разработанные при активном участии сотрудников института.

Теоретики НИИЯФ внесли значительный вклад в изучение актуальных задач релятивистской квантовой теории поля и физики высоких энергий. Широко известны их результаты в области построения и развития новых моделей и теорий за рамками Стандартной модели.

Для обработки информации, поступающей от сверхмощных ускорителей заряженных частиц, впервые в России в НИИЯФ МГУ совместно с рядом научно-технических предприятий создана комплексная система по разработке, проектированию, серийному производству и испытанию больших кремниевых сплошных и микростриповых детекторов. За последние годы было выпущено и протестировано более 20 тыс. таких детекторов, которые использовались при создании адрон-электронного сепаратора для установки ZEUS, элементов вершинных детекторов в установках D0, LHCb, СВД, а также при проведении экспериментов ATIC и НУКЛОН по изучению космических лучей высоких энергий.

НИИЯФ МГУ был одним из первопроходцев в создании в России узла высокоскоростной телекоммуникационной связи с выходом на российские и мировые научно-образовательные сети с пропускной способностью на уровне нескольких Гбит/с, а также в развитии системы распределённых интенсивных вычислений на основе грид-технологий для обработки и хранения экспериментальных данных с Большого адронного коллайдера. Значение этих работ можно сформулировать словами Генерального директора ЦЕРН Р.-Д. Хойера, что «система грид является одним из важнейших компонентов, без которых открытие бозона Хиггса было бы невозможно». За последнее десятилетие в НИИЯФ выполнено более 10 проектов на стыке информационных технологий и физики высоких энергий. Это поставило институт в ряд ведущих российских научных организаций в области распределенных информационно-вычислительных систем и их применении в научных исследованиях.

В НИИЯФ совместно с ФИАН был создан первый в нашей стране и один из первых в мире квантовый парамагнитный усилитель. На основе экспериментальных исследований были найдены новые механизмы релаксации энергии. Механизмы возбуждения люминесценции фотонами высоких энергий были установлены для различных широкозонных диэлектриков. В исследовании сцинтилляторов и в разработке их применения в физике высоких энергий (например, в калориметре на детекторе CMS Большого адронного коллайдера), в ядерной физике и в медицине НИИЯФ занимает ведущие позиции. Экспериментально обнаружены волна поглощения лазерного излучения в объёме прозрачных сред и перколяция в плотной плазме лазерного факела. В исследованиях нелинейной динамики непрерывно действующих твердотельных лазеров институт занимает одно из ведущих мест в мире.

Методами мессбауэровской спектроскопии проведены исследования искусственных радиоактивных изотопов. Разработан метод измерения времени жизни короткоживущих состояний ядер, метод изучения угловых распределений γ-лучей ориентированных ядер при сверхнизких температурах и получены данные о магнитных моментах некоторых радиоактивных ядер и сверхтонких полях на ядрах. Методами мессбауэровской спектроскопии был обнаружен эффект «магнитного подавления» электрического квадрупольного взаимодействия в ряде интерметаллических соединений.

В институте впервые в мировой практике создан функционирующий в режиме удалённого доступа интерактивный учебно-научный комплекс на базе уникального мёссбауэровского спектрометра. Разработанный комплекс обеспечивает удалённый доступ как для студентов, так и для исследователей и разработчиков. Он позволяет производить измерения для различных материалов, включая наноматериалы, а также предоставляет уникальные возможности для изучения принципов работы спектрометра и методы анализа структуры материалов в режиме удалённого доступа.

В НИИЯФ активно ведутся работы по созданию радиофармацевтических препаратов, используемых в радионуклидной диагностике. Разработанный в институте кардиотропный препарат «Таллия хлорид» рекомендован Минздравом РФ к применению для диагностики и оценке тяжести ряда заболеваний.

В сотрудничестве с кафедрой общей ядерной физики физического факультета МГУ в институте создан специализированный веб-сайт nuclphys.sinp.msu.ru, который содержит большое количество разнообразных материалов и электронных ресурсов, ориентированных на подготовку современных специалистов в области ядерной физики.

«Исследование наноструктур: физика, технологии, применение» является самым молодым научным направлением в НИИЯФ и развивается стремительно с использованием уникальной экспериментальной базы и методик исследований, разработанных для ядерной и атомной физики, физики плазмы и взаимодействия излучений с веществом. Экспериментальная база включает современное технологическое, диагностическое и измерительное оборудование для изготовления твердотельных и молекулярных наноструктур и устройств на их основе: установку КГ-MEIS для исследования поверхности материалов, приповерхностных слоёв и ультратонких многослойных структур; единственный в России ионно-пучковый экспериментальный комплекс, позволяющий проводить неразрушающие исследования покрытий с разрешением по глубине порядка атомного слоя; ускоритель газовых кластеров, ускоряющий ионы кластеров с массой от несколько сотен до нескольких тысяч массовых единиц; установки магнетронного, пиролитического, газофазного и плазменно-дугового осаждения.

Основные направления исследований в этом направлении состоят в исследовании объемных и поверхностных процессов в неравновесной низкотемпературной плазме; изучении физических свойств наноструктур ядерно-физическими методами; разработке новых методов синтеза нано структурированных материалов, включая полимерные нанокомпозитные материалы; разработке и создании сенсоров магнитных слабых полей; развитии новых методов ионно-пучкового нано структурирования и модификации материалов и их поверхности, в том числе и на основе пучков ускоренных атомных кластеров; исследовании слоистых структур методом нейтронографии поверхности на установках ОИЯИ.

Изучение физики низкотемпературной плазмы, направленные на создание нового класса приборов физической электроники, были начаты в НИИЯФ в 1960-х гг. В этих работах открыт и объяснён физический механизм развития плазменных неустойчивостей, влияющих на параметры газоразрядных лазеров, что позволило создать принципиально новые типы газоразрядных лазеров, возбуждаемых несамостоятельными разрядами. Разработки были успешно использованы на ряде промышленных предприятий страны. В последние десятилетия развиваются новые подходы в создании плазмохимических реакторов на основе проводимых исследований электродинамики и плазмохимической кинетики в сложных газовых смесях.

Экспериментальный стенд для исследования фотоиндуцированной плазмы и плазмы постоянного тока

Автоматизированный комплекс для анализа заряженных и нейтральных частиц плазмы на основе квадрупольного масс-спектрометра и анализатора энергий ионов

Крайне актуальной задачей современной электроники является внедрение новых изолирующих материалов с ультранизкой величиной диэлектрической проницаемости (ultra-low-k материалы), используемых для изготовления многослойных межуровневых соединений в технологиях создания сверхбольших интегральных схем с топологической нормой 32 нм и менее. Проводимые в НИИЯФ исследования направлены на выявление механизмов образования дефектов в нанопористых ultra-low-k материалах под воздействием низкотемпературной плазмы и разработку технологии их бездефектного плазменного травления. В 2012 году эти работы были поддержаны международным консорциумом SRC, который впервые выделил грант для проведения исследований, осуществляемых российским научным центром.

Большое внимание уделяется теоретическим и экспериментальным исследованиям процессов электронного транспорта в наноструктурах, содержащих сверхпроводящие, нормальные и ферромагнитные материалы. Комбинация эффекта Джозефсона с эффектом квантования магнитного потока в замкнутых сверхпроводящих контурах открывает возможность создания высокоточных сверхпроводящих квантовых интерферометров и устройств сверхбыстрой обработки информации. Развивается новое направление — сверхпроводниковая спинтроника, наука управления параметрами сверхпроводниковых устройств посредством изменения магнитного состояния входящих в их состав ферромагнитных компонентов. Разрабатываются и исследуются оригинальные наноразмерные устройства, в которых транспорт тока и хранение информации осуществляется отдельными электронами («одноэлектроника») — прототипы будущих цифровых и аналоговых устройств квантовой электроники, биомолекулерных анализаторов, реализуются оригинальные методы изготовления и исследования наноструктур широкого класса.

Активно ведутся исследования по созданию наноструктур и нано структурированных материалов. В НИИЯФ разработан новый материал — нано кристаллический графит, обладающий уникальными автоэмиссионными свойствами. Созданные на его основе автоэмиттеры значительно превосходят лучшие мировые аналоги на основе алмазоподобных плёнок и углеродных нанотрубок. Их отличают высокая стабильность работы, большие величины плотности эмиссионных токов, низкий уровень шума, рекордный ресурс работы в широком диапазоне вакуумных условий. Основные направления применения материала включают создание семейства рентгеновских трубок различного назначения, приборов вакуумной электроники, экологически чистых источников света, катодов-компенсаторов положительного заряда ионных пучков для использования в электроракетных двигателях на малых космических аппаратах.

Развиваются методики синтеза массивов высококачественных многослойных углеродных нанотрубок в плазме тлеющего разряда и с помощью пиролитического газофазного осаждения. Полученные массивы ориентированных углеродных нанотрубок используются при создании полимерных нанокомпозитов с целью получения новых материалов с высокими функциональными анизотропными характеристиками. С помощью метода магнетронного напыления создаются многослойные спин-диодные наноструктуры, которые предполагается использовать в качестве высокочувствительных сенсоров магнитных полей.

Активно развивается многомасштабное компьютерное моделирование процессов, происходящих в наноструктурах. Для этих задач применяются как самостоятельные программные разработки, так и современные крупные программные комплексы (Vienna Ab Initio Software Package, Accelrys Materials Studio и др.).

НИИЯФ был создан и остаётся учебной базой отделения ядерной физики (ОЯФ) физического факультета МГУ. Ежегодно на ОЯФ обучаются около 350 студентов и 90 аспирантов. Студентам старших курсов и аспирантам ежегодно читается около ста спецкурсов, к чтению которых, помимо преподавателей ОЯФ и сотрудников НИИЯФ, привлечены сотрудники ведущих российских институтов: ОИЯИ, ИФВЭ, ИЯИ РАН и других академических и ведомственных институтов. Порядка 70% аспирантских и дипломных работ выполняется в научных подразделениях НИИЯФ.

За 70 лет ОЯФ и НИИЯФ подготовлено около 6000 специалистов. Среди них 2 академика и более 20 членов-корреспондентов АН СССР и РАН. Выпускники ОЯФ внесли достойный вклад в создание ядерного аспекта ракетно-ядерного щита страны, всестороннее развитие фундаментальных исследований в области ядерной физики, физики космоса, физики высоких энергий, атомной физики, нанофизики, квантовой электроники.

НИИЯФ и ОЯФ — единый научно-педагогический коллектив. Заведующим ОЯФ является директор НИИЯФ профессор М.И. Панасюк. ОЯФ объединяет 8 кафедр: квантовой теории и физики высоких энергий; физики элементарных частиц; физики космоса; общей ядерной физики; физики атомного ядра и квантовой теории столкновений; нейтронографии; физики ускорителей и радиационной медицины; атомной физики, физики плазмы и микроэлектроники. Обсуждение разных аспектов учебного процесса на кафедрах Отделения ядерной физики является «дежурным» вопросом на заседаниях Учёного совета НИИЯФ и Отделения ядерной физики физфака МГУ. В состав совета всегда входили и входят представители всех кафедр ОЯФ. Трудно представить более эффективную площадку для дискуссий и принятия решений по актуальным вопросам учебного процесса на ОЯФ, чем заседания Учёного совета НИИЯФ и ОЯФ, где учёные НИИЯФ и сотрудники кафедр ОЯФ присутствуют «на равных».

Учебные лаборатории НИИЯФ представляют собой уникальные научно-образовательные комплексы, включающие в себя около 100 реальных экспериментальных установок, оснащённых современными электронными и компьютерными средствами обработки и отображения информации. В отличие от физических практикумов большинства российских университетов в практикумах НИИЯФ студенты работают с реальными объектами ядерно-физических исследований (спектральными и радиоактивными источниками, лазерами различных типов), а также имеют возможность выполнять лабораторные работы на ускорителях института. Кроме студентов физического факультета МГУ в последние годы на базе практикумов проходят обучение студенты Костромского, Ульяновского и других университетов.

Лабораторный комплекс «Ядерная электроника»

Благодаря выделению значительных средств университетом и институтом за последние годы была произведена масштабная модернизация практикумов НИИЯФ и приобретены новые современные экспериментальные установки: лазер на «YAG-Nd», ЭПР-спектрометр, криогенный германиевый детектор, сцинтилляционный и черенковский детекторы космических излучений. В рамках реализуемой Программы развития МГУ был создан лабораторный комплекс «Ядерная электроника» на 10 рабочих мест. В настоящее время в практикумах используются самые современные методы и системы обработки результатов физического эксперимента.

В ходе реализации образовательной программы уникального космического проекта «МГУ–250» в НИИЯФ было организовано новое учебное подразделение — лаборатория «Космический практикум», в которой с сентября 2005 года начались регулярные занятия студентов кафедры физики космоса и астрономического отделения физического факультета МГУ. Задачи лаборатории «Космический практикум», основанные на реальной научной информации со спутников «Университетский-Татьяна» и других научно-образовательных аппаратов, используют в учебном процессе многие российские университеты.

Учебная лаборатория «Компьютерный класс» была организована в 1990-е гг. с целью разработки и внедрения в учебный процесс новых компьютерных и информационных технологий, а также для обеспечения доступа к вычислительным и телекоммуникационным мощностям НИИЯФ для студентов и аспирантов ОЯФ. С момента создания лаборатории в ней ведётся активная работа над разработкой и внедрением новых компьютерных технологий в обучение: уже много лет во многих российских и зарубежных университетах широко используется пакет обучающих программ «Физика микромира на компьютере». В настоящее время реализуется проект по созданию учебных установок нового типа — учебных лабораторных комплексов. Относительно дешёвые и абсолютно безопасные установки-тренажёры, включающие в себя управляемую модель реального прибора, обширную базу экспериментальных данных, полученную на современных исследовательских установках и программное обеспечение для управления прибором и математической обработки результатов эксперимента, уже сегодня работают в атомных практикумах многих классических, технических и педагогических университетов России. На базе НИИЯФ функционирует программа повышения квалификации по курсу «Искусственные нейронные сети и генетические алгоритмы». Слушателями этой программы являются специалисты самых разных профессий — от физиков и инженеров до сотрудников банковских и страховых структур.

В рамках Национального проекта «Образование» в 2006 г. на базе института создан Инновационный научно-образовательный центр коллективного пользования «Космические технологии и образование». Центр предусматривает развитие исследований по физике космоса и технологиям создания новых материалов для ракетно-космической отрасли, а также профессиональную подготовку и переподготовку специалистов в космической области, включающую в себя как изучение физики космического пространства, так и использование информации, получаемой с космических аппаратов, для технических, геофизических, астрономических и иных исследований.

В Дубне действует Межфакультетский Центр МГУ «Строение вещества и новые материалы», учредителями которого являются НИИЯФ, физический факультет, факультет наук о материалах и ОИЯИ. Центр создан для организации целевой подготовки студентов, аспирантов и повышения квалификации специалистов по направлению «Исследования конденсированных сред ядерно-физическими методами (твёрдые тела и жидкости, химические соединения и реакции, биологические объекты, новые материалы)».

Одним из важных направлений деятельности НИИЯФ в Дубне, где в течение многих лет находился Филиал НИИЯФ, является созданный на базе Отдела ядерных исследований институт прикомандированных студентов, аспирантов и стажеров периферийных вузов. К учебной работе необходимо отнести и подготовительные курсы МГУ, которые уже одиннадцать лет успешно действуют на базе филиала и способствуют увеличению на физическом факультете студентов из числа выпускников дубненских школ.

НИИЯФ является одним из организаторов проведения чемпионата «CanSat в России» среди школьных команд. Основными задачами участников является проектирование и запуск мини-спутников с разработанной специально для этого чемпионата аппаратурой. Первый чемпионат «CanSat в России» прошёл в 2012 году, среди его участников было более 40 команд. Институт принимает активное участие в организации ежегодного Фестиваля науки, который проходит в Москве с 2006 года. Сотрудники НИИЯФ рассказывают о своих исследованиях в различных областях, проводят экскурсии по экспериментальным установкам института, дают возможность школьникам познакомиться с учебными лабораториями и самостоятельно осуществить некоторые физические эксперименты.

Научные и педагогические достижения НИИЯФ фактически с момента его основания оценены самыми высокими наградами. В их числе 3 Ленинские премии, 5 Сталинских премий, 11 Государственных премий СССР, премия Президента РФ, 4 премии Правительства РФ, 22 премии имени М.В. Ломоносова, 3 премии имени И.И. Шувалова, 5 премий АН СССР, премия АН СССР и ЧССР, премия Совмина СССР. 3 премии Ленинского комсомола, 8 свидетельств об открытии и другие награды. Многие сотрудники института за доблестный многолетний труд награждены орденами и медалями.

Наш институт уже не молод, сейчас в нем трудится уже третье поколение тех, кто в 50-х годах начинал работать в НИИЯФ. За эти годы НИИЯФ действительно превратился в научно-образовательный центр мирового значения со многими научными школами и научными направлениями, число которых постоянно возрастает. В институте работают и наши замечательные ветераны, которыми мы гордимся, и прекрасная молодежь, перенимающая у старших коллег не только знания, но и отношение к работе, стремление продвигаться вперед в своих поисках и исследованиях. «Вперед и выше» — именно этот девиз наиболее подходит к НИИЯФ, и мы надеемся, что этот девиз будет определять его научный поиск еще на многие годы.

М.И. Панасюк, директор НИИЯФ МГУ,

С.И. Страхова, Учёный секретарь НИИЯФ МГУ,

Н.С. Зеленская, главный научный сотрудник НИИЯФ МГУ

Назад