Výsledky v rámci starého výzkumného záměru a návrh nového výzkumného závěru ÚJF AVČR

Návrh výzkumného záměru:
 

Kód poskytovatele

AV0

Identifikační kód VZ

Z10480505

 

Název výzkumného záměru

Jaderná fyzika a příbuzné obory v základním, aplikovaném a interdisciplinárním výzkumu

Uchazeč

Ústav jaderné fyziky AV ČR, 250 68 Řež

Vykonavatel

Ústav jaderné fyziky AV ČR

Řešitel

Ing. Jan Dobeš, CSc., ředitel ÚJF AV ČR

Seznam součástí návrhu výzkumného záměru:
 

Č.

Obsah

Médium/ Počet stran

1.

Textová část v češtině – elektronicky

disketa

2.

Textová část v angličtině – elektronicky

disketa

3.

Textová část v češtině – tištěná

73

4.

Textová část v angličtině – tištěná

75

5.

Tabulková část – elektronicky

disketa

6.

Tabulková část – tištěná 

16

7.

Výroční zprávy o činnosti uchazeče za roky 1999-2003

48

8.

Ověřená kopie zřizovací listiny, zakládací listiny nebo jiného dokladu o zřízení nebo založení uchazeče ne starší 90 kalendářních dnů

 

9.

Ověřená kopie dokladu o vzniku uchazeče jako právnické osoby ne starší 90 kalendářních dnů

 

10.

Ověřená kopie dokladu o oprávnění k činnosti

 

11.

Čestné prohlášení k prokázání způsobilosti uchazeče podle § 18, odst. 4, písm. b) zákona č. 130/2002 Sb.

 

12.

Čestné prohlášení k prokázání způsobilosti uchazeče podle § 28, odst. 3, písm. d) až f) a h) zákona č. 130/2002 Sb.

 


 

Výzkumný záměr byl projednán ve vědecké radě uchazeče dne

20.11.2003


 

V

Řeži

dne

28.11.2003

 

Ing. Jan Dobeš, CSc.

ředitel ÚJF AV ČR

 

 

 

 

 

razítko a podpis statutárního zástupce uchazeče

  1. Základní informace o uchazeči
    1. Organizační schéma uchazeče s počtem zaměstnanců

Ředitel ï Vědecká rada

Zástupce ředitele ï Vědecký tajemník

Útvar ředitele: 

sekretariát ředitele, ROBP, VTI, zahraniční styky, obrana a ochrana, počítačová síť, ADTT a chemie transuranů

přepočtený stav pracovníků: 12,44

Oddělení teoretické fyziky:

hadrony a baryonové systémy, jaderná struktura a subnukleární fyzika, málonukleonové systémy a nenukleonové stupně volnosti, matematická fyzika

přepočtený stav pracovníků: 18,60

počet doktorandů (fyzických osob, případné úvazky zahrnuty v předchozím údaji): 4

Oddělení jaderné spektroskopie:

elektronová spektroskopie, relativistické těžké ionty, ultrarelativistické těžké ionty, exotická jádra (část), jaderné analytické metody 

přepočtený stav pracovníků: 38

počet doktorandů (fyzických osob, případné úvazky zahrnuty v předchozím údaji): 7

Oddělení neutronové fyziky:

neutronová difrakce, jaderné analytické metody a radiační záchyt neutronů

přepočtený stav pracovníků: 23,20

počet doktorandů (fyzických osob, případné úvazky zahrnuty v předchozím údaji): 3

Oddělení jaderných reakcí:

reakce lehkých jader, exotická jádra vzdálená od oblasti stability (část)

přepočtený stav pracovníků: 15,53

počet doktorandů (fyzických osob, případné úvazky zahrnuty v předchozím údaji): 1

Oddělení dozimetrie záření:

biofyzika a mikrodozimetrie, dozimetrie životního prostředí

přepočtený stav pracovníků: 20,84

počet doktorandů (fyzických osob, případné úvazky zahrnuty v předchozím údaji): 5

Oddělení radiofarmak:

radiofarmaka pro PET a endoradioterapeutika, radiofarmaka založená na 81mKr, 211At a 123I, kontrolní laboratoř

přepočtený stav pracovníků: 24,50

počet doktorandů (fyzických osob, případné úvazky zahrnuty v předchozím údaji): 3

Oddělení urychlovačů: 

cyklotron U-120 M

přepočtený stav pracovníků: 21,35

Technicko-hospodářská správa:

rozpočet a evidence majetku, PaM a osobní agenda, materiálně technické zásobování, finanční a národohospodářská evidence, provozní referát

přepočtený stav pracovníků: 23,32

    1. Orgány uchazeče a jejich jmenovité složení


 

Ředitel: Ing. Jan Dobeš, CSc.

Zástupce ředitele: RNDr. Petr Lukáš, CSc.

Vědecký tajemník: RNDr. Jaroslav Dittrich, CSc.

Vedoucí technicko-hospodářské správy: Ing. Milada Lindnerová

Předseda vědecké rady: Doc. Ing. Jan Kučera, CSc.

Vědecká rada - další členové: 

RNDr. Pavol Mikula, DrSc. (místopředseda), RNDr. Vladimír Wagner (tajemník), 

RNDr. Jaroslav Dittrich, CSc., RNDr. Vladimír Havránek, CSc.,

Prof. RNDr. Jiří Hořejší, DrSc. (MFF UK), Prof. Jiří Chýla, CSc. (FZÚ AV ČR),

Doc. Ing. Jan John, CSc. (FJFI ČVUT), RNDr. Andrej Kugler, CSc., 

Prof. RNDr. Jan Kvasil, DrSc.( MFF UK), Ing. Rostislav Mach, DrSc.,

Prof. Ing. František Spurný, DrSc.

Vedoucí oddělení

teoretické fyziky: Ing. Jiří Hošek, CSc.

jaderné spektroskopie: RNDr. Andrej Kugler, CSc.

neutronové fyziky: RNDr. Pavol Mikula, DrSc.

jaderných reakcí: Ing. Václav Kroha, CSc.

dozimetrie záření: Prof. Ing. František Spurný, DrSc.

radiofarmak: Ing. Rostislav Mach, DrSc.

urychlovačů: Ing. Jan Štursa

    1. Přehled, resp. charakteristika všech činností, kterými se uchazeč zabývá


 

Vědecký výzkum v oblasti jaderné fyziky a v příbuzných oborech a využívání jaderně fyzikálních metod v interdisciplinárních oblastech vědy a výzkumu, a to zejména v biologii, ekologii, lékařství a radiofarmacii. Výzkum a vývoj radiofarmak, vývoj nových metod přípravy radioisotopů, poskytování ozařovacích služeb. Vyhledávání možností využití výsledků výzkumu a účast na realizaci těchto výsledků v praxi. Předmětem jiné činnosti je výroba a distribuce radiofarmak a radiochemikálií. 


 
 
 

    1. Podíl výzkumu a vývoje na celkové činnosti uchazeče

Ukazatel

2002

2003

Počet zaměstnanců uchazeče zabývajících se výzkumem a vývojem

127

117

Počet přepočtených pracovních úvazků realizovaných ve výzkumu a vývoji

111,26

97,61

Podíl výdajů na výzkum a vývoj na celkových výdajích uchazeče v procentech *)

100

92,7

*) popřípadě použijte jiný ukazatel, který finančně kvantifikuje podíl výzkumu a vývoje na celkové činnosti uchazeče
 

  1. Informace o výzkumné a vývojové činnosti uchazeče/vykonavatele
    1. Specifikace hlavní výzkumné a vývojové činnosti uchazeče/vykonavatele

Zaměření ÚJF v základním výzkumu v jaderné fyzice zasahuje do oblastí hlavních současných trendů. Řeší se problémy, vesměs v rámci mezinárodní spolupráce, v tématických okruzích:

  1. srážky těžkých jader, 
  2. jádra vzdálená od linie stability, 
  3. jaderná astrofyzika, 
  4. beta rozpad a hmota neutrina, 
  5. teoretická fyzika, 
  6. matematická fyzika. 


 

 
 
 
 
 

V interdisciplinárním a orientovaném výzkumu se činnost ÚJF rozděluje do tématických okruhů, které mají své přirozené souvislosti, vazby a společenskou objednávku:

  1. jaderné analytické metody, 
  2. neutronová difrakce, 
  3. urychlovačem řízené technologie a fúzní systémy, 
  4. dozimetrie záření, 
  5. radiofarmaka, 
  6. cyklotron. 

Základní výzkum

Jaderná fyzika přináší fundamentální poznatky pro porozumění struktury světa. Má rovněž  důležité dopady do řady dalších přírodovědných oblastí. Většina zásadních projektů jaderné fyziky je natolik náročná, že jsou realizovatelné pouze v nejširší mezinárodní spolupráci. Proto ústav zaměřuje své aktivity v základním výzkumu především na účast ve špičkových mezinárodních experimentech. Přitom jsou významně  využívány i domácí zařízení.

Srážky těžkých jader. Aktivity jsou směrovány především na mezinárodní projekty HADES v GSI Darmstadt, STAR v BNL a ALICE v CERNu. Jedná se o velké a špičkové mezinárodní projekty, které studují chování a změny jaderné hmoty v extrémních podmínkách vzniklých při srážkách těžkých jader s vysokou energií. 

Jádra vzdálená od linie stability. Výzkum se opírá o spolupráci s SÚJV Dubna a GANIL Caen. Jsou zkoumány vlastnosti jader s extrémní hodnotou isospinu, kdy dochází k výrazným změnám a zcela novým projevům v jaderné struktuře.

Jaderná astrofyzika. Tématika je řešená ve spolupráci s Texas A&M University, experimenty probíhají v Texasu i na cyklotronu ÚJF. Jsou studovány jaderné reakce důležité pro pochopení vývoje a chování hvězd. 

Beta rozpad a hmotnost elektronových neutrin. Fyzikové ÚJF se stali v roce 2001 spoluzakladateli mezinárodního projektu KATRIN, jehož cílem je sestrojení unikátního elektronového spektrometru a následné měření beta spektra tritia s dosažením desetinásobného zvýšení citlivosti na hmotnost neutrina. 

Teoretická fyzika. Aktivity jsou soustředěny především na studium nenukleonových aspektů hadronových systémů – mezonové výměnné proudy v málonukleonových systémech, fyziku hyperjader, interakce hadronů s jádry. Existují zde četné mezinárodní spolupráce včetně návrhů experimentů na špičkových zahraničních pracovištích.

Matematická fyzika. Výzkum je zaměřen především na kvantově mechanické systémy v geometricky netriviálních oblastech, např. tvaru kvantových vlnovodů. Dále na studium PT-symetrických teorií s nehermiteovskými hamiltoniány. Rozsáhlá mezinárodní spolupráce.

Interdisciplinární a orientovaný výzkum 

Jaderná fyzika a příbuzné obory mají zásadní interdisciplinární a aplikační aspekty, a to zejména v oblasti energetického a materiálového výzkumu, v průmyslových a ekologických aplikacích i v medicíně. Svými důsledky významně přispívají k zvyšování kvality života a k rozvoji hospodářství v moderní společnosti. Výzkum a vývoj v jaderných aplikačních oblastech má vysokou společenskou objednávku a jeho perspektiva je dlouholetá.

Jaderné analytické metody. Šíře zavedených a kvalitně zvládnutých jaderných analytických postupů činí z ÚJF unikátní pracoviště i v mezinárodním měřítku. Skupiny zde pracující jsou orientovány na materiálový, ekologický a medicínský výzkum a mají rozsáhlou domácí i mezinárodní spolupráci. 

Neutronová difrakce. Činnost je zaměřena především na materiálový výzkum, dále pak na vývoj neutronooptických prvků a neutronodifrakčních technik a také na vývoj programových balíků (software packages) pro evropskou neutronodifrakční komunitu. Výhledově se předpokládá zvýšení podílu orientovaných aktivit.

Urychlovačem řízené technologie a fúzní systémy. V druhé polovině 90. let byly v ústavu zahájeny výzkumné práce zaměřené na studium fyzikálních aspektů perspektivních energetických systémů. Pracovníci ústavu se zapojili do národního programu urychlovačem řízených transmutačních technologií. Probíhá významná spolupráce s SÚJV Dubna a jsou navazovány další mezinárodní kontakty. Ve fúzním programu je skupina ÚJF zahrnuta do evropských aktivit v rámci EURATOMu a řeší úlohy pro  celosvětové projekty ITER a IFMIF. 

Dozimetrie záření. Základní výzkum v této oblasti je zaměřen na mikrodozimetrii a radiační biofyziku. Jedná se o vysoce interdisciplinární tématiku řešenou ve spolupráci s domácími pracovišti, s SÚJV Dubna i v rámci evropských programů. Nadále budou pokračovat i výzkumné práce v oblasti radioterapie a životního prostředí, které mají vysokou společenskou objednávku. 

Radiofarmaka. Aktivity v této oblasti byly v ústavu zahájeny v 90. letech. Jsou zaměřeny zejména na výzkum, vývoj a produkci krátkodobě žijících radioizotopů pro aplikaci v diagnostických a terapeutických procesech. 

Cyklotron. Výzkumná a vývojová činnost na cyklotronu je především zaměřena na generaci, urychlování a formování svazků nabitých částic, které jsou využívány pro experimenty základního výzkumu i aplikace. Podstatným momentem činnosti oddělení je zajištění spolehlivého provozu cyklotronu.

    1. Přínos uchazeče/vykonavatele k rozvoji poznání v oblastech uvedených v bodě B1 v národním a mezinárodním kontextu


 

Ústav jaderné fyziky AV ČR hraje přirozenou roli centrální domácí instituce v jaderné fyzice. Jeho existence zaručuje a musí i nadále zaručovat udržení kvality a další rozvoj znalostí, zkušeností, dovedností a technik v jaderné fyzice v České republice. Úzce spolupracuje s vysokými školami vychovávajícími nové odborníky v  jaderných oborech (MFF UK, FJFI ČVUT) a s českými institucemi, zabývajícími se dalšími jadernými obory, především s Ústavem jaderného výzkumu Řež , a.s.

Plnění těchto úkolů umožňuje přístrojové vybavení. Základním, v České republice unikátním, zařízením ústavu je cyklotron. Dále Van de Graaffův elektrostatický urychlovač (jeden ze dvou v České republice) a od r. 2003 mikrotron převedený z FJFI ČVUT. Ústav najímá neutronové kanály výzkumného jaderného reaktoru patřícího ÚJV Řež a.s. Má vybavení pro neutronovou difraktometrii a elektronovou spektroskopii s vysokým mezinárodním standardem. Zařízení ústavu jsou přístupná nejen skupinám ÚJF ale i dalším domácím i zahraničním skupinám (zejména materiálový výzkum neutronovou difrakcí a výzkum astrofyzikálně významných jaderných reakcí na cyklotronu). Šíře zvládnutých jaderných analytických metod činí z ústavu unikátní pracoviště i v mezinárodním měřítku. Tyto jsou využívány pro interdisciplinární výzkum v různých oborech ve spolupráci s českými i zahraničními partnery.

Účast na řešení klíčových otázek základního výzkumu umožňuje zapojení skupin ústavu do velkých mezinárodních experimentů v CERN, Brookhaven National Laboratory, GSI Darmstadt, GANIL Caen, SÚJV Dubna. Ústav je jednou ze zakládajících institucí připravovaného experimentu KATRIN pro měření hmotnosti neutrin. Ústav participuje na evropských projektech v oblasti materiálového výzkumu neutrony, dozimetrie ionizujícího záření a perspektivních metod jaderné energetiky. Rozsáhlé mezinárodní spolupráce existují i v teoretické a matematické fyzice, některé v oblastech v nichž pracovníci ÚJF vykonali průkopnické práce (např. teorie kvantových vlnovodů) a v nichž podstatným způsobem určují směr spolupráce (např. fyzika hyperjader).


 

    1. Nejvýznamnější výsledky výzkumu a vývoje uplatněné uchazečem/ vykonavatelem v oblastech uvedených v bodě B1 za posledních 5 let (souhrnná charakteristika)

Studium silně interagující hmoty ve srážkách těžkých iontů:

Pomocí srážek těžkých iontů (jader) je možné vytvořit, a následně studovat velké oblasti silně interagující hmoty ve velkém rozsahu teplot a tlaků. V srážkách relativistických jader se dosahuje nejvyšších baryonových hustot a na druhé straně v srážkách ultra-relativistických jader se dosahuje velmi vysokých teplot (hustot energie) a tudíž pravděpodobně dochází k volnému pohybu kvarků (quark deconfinment) uvolněných z hadronů. 

Uspořádaný pohyb hadronů do určitých směrů se označuje jako ”flow” a jde o projev kolektivního chování hmoty v prostoru rychlostí. ”Flow” je charakteristický pro jádro-jaderné srážky, tento efekt se nevyskytuje v nukleonových srážkách. Při nižších energiích je rychlost expanse ”fireballu”, horké oblasti hmoty vytvořené v kolizní zóně, srovnatelná s rychlostmi srážejících se jader. V tomto případě hraje podstatnou roli zastínění fireballu zbytky jader – pozorovateli, vedoucí k potlačení emise částic v srážkové rovině, dochází k ”squeeze-out” jevu, který byl pozorován při produkci neutrálních mezonů v experimentu TAPS v GSI SIS. Při vyšších energiích jsou rychlosti zbytků jader podstatně vyšší než rychlost expanse fireballu, ke stínění nedochází a azimutální rozložení emitovaných hadronů odráží prostorovou deformaci kolizní zóny (experiment NA45/CERES v CERN SPS a experiment STAR v BNL RHIC). Odpovídající eliptický flow tedy umožňuje studium raných stádií kolize.

Slabě interagující sondy, jako jsou elektron-positronové páry nejsou ovlivněny později produkovanými hadrony a tedy mohou poskytnout informaci o nejhustší fázi vytvořené na začátku kolize jader a umožnit tak například studium případných změn vlastností hadronů vyvolaných hustotou media. Tyto studie byly prováděny v rámci experimentů NA45/CERES v CERN SPS a HADES v GSI SIS pomocí precizních dileptonových spektrometrů. 

Partonové stupně volnosti začínají určovat produkci částic při nejvyšších ultra-relativistických energiích (experiment STAR v BNL RHIC) a příslušné ”mini-jet” (spršky) poskytují unikátní sondu kvark-gluonového stavu hmoty. 

Skupiny z ÚJF ze zúčastňují studií jádro-jaderných srážek jako členové následujících mezinárodních spoluprací: TAPS a HADES v GSI, NA45/CERES v CERN, a STAR v BNL. Dále se také aktivně zapojily do výstavby experimentálního zařízení v rámci rozsáhlé mezinárodní spolupráce ALICE, která buduje spektrometr na budoucím urychlovači Large Hadron Collider v CERN.

Flow neutrálních pionů a eta mezonů - TAPS 

V rámci mezinárodní skupiny TAPS jsme dokončovali analýzu experimentů provedených před rokem 1999 s cílem studovat produkci neutrálních mezonů ve srážkách relativistických těžkých iontů [A1-3, A1-62]. Naším příspěvkem byl hlavně rozvoj metod pro určení centrality a roviny srážky a analýza azimutálního rozdělení produkce neutrálních mezonů vůči rovině srážky. Jako první jsme pozorovali existenci asymetrie v produkci mezonů pí vůči rovině srážky - potlačení jejich produkce v rovině srážky [D1-2]. Vymizení asymetrie v produkci mezonů π0 s nízkou hodnotou hybnosti a ve srážkách těžkých iontů s energiemi 2 AGeV a vyššími ve srovnání s energiemi nižšími (např. 1 A.GeV) může být spojeno se změnou relace mezi dobou po kterou emise mezonů probíhá a dobou průletu srážejících se jader (respektive jejich pozůstatků) kolem sebe [A1-63]. 

Vlastnosti vektorových mezonů při vysoké baryonové hustotě - HADES

Mezinárodní projekt HADES je složen z 16 skupin z 9 evropských zemí. Jeho úkolem je vybudování a využití spektrometru pro studium produkce párů elektron a pozitron pro ověření oznámeného přebytku těchto párů v oblasti invariantních hmotností menších než hmotnost mezonů ró a omega, který je spojen s nastolováním chirální symetrie v husté hadronové hmotě. Budování spektrometru HADES (http://www-hades.gsi.de/) pro detekci párů pozitronu a elektronu v GSI Darmstadt bylo téměř dokončeno v období 1999-2001. Český příspěvek se zaměřoval hlavně na dodání všech šesti sektorů stěny ze scintilačních detektorů určené pro měření doby letu (TOF), provozování tohoto sub-detektoru a rozvoj algoritmu pro identifikaci částic z dat získaných ze všech sub-detektorů spektrometru HADES. Časové rozlišení dosažené sub-detektorem TOF je stof ≈ 150 ps, což odpovídá polohovému rozlišení sxTOF  ≈ 25 mm [A1-32,64,65]. V přípravném experimentu, který proběhl v listopadu 2001, se studovala reakce C+C při energii 2 AGeV. Analýza 50 mil. událostí z 80 mil. vybraných trigrem LVL1 první úrovně (Mch.>3) tohoto experimentu ukázala, že HADES je schopen identifikovat leptonové páry na velmi intenzivním pozadí nabitých hadronů, hlavně protonů a nabitých mezonů pí. První fyzikální měření se uskutečnila v listopadu 2002 a podařilo se získat 20x větší statistiku než v předchozím metodickém experimentu. Tedy okolo 109 srážek, což je počet, který by měl být podle simulací založených na vlastnostech vektorových mezonů ve vakuu dostatečný k určení přebytku di-leptonových párů v oblasti invariantních hmotností nižších než je hmotnost mezonu ró a omega ve vakuu. Analýza těchto dat již začala a první předběžné výsledky byly prezentovány na mezinárodní konferenci o jádro-jaderných srážkách v Moskvě v srpnu 2003 [E1-1]. 

Vlastnosti hadronů při vysoké teplotě - CERES

Analýzou výtěžků a rozměrů oblasti emise -mezonů produkovaných ve srážkách jader olova s jádry zlata bylo zjištěno [A1-48], že k vymizení interakcí mezi piony dochází již na vzdálenostech, které jsou podstatně menší než charakteristické rozměry oblasti R z níž jsou tyto částice emitovány. Byla navržena nová univerzální charakteristika - střední volná dráha pionů v horkém a hustém hadronovém plynu lambdaf. Analýza dat ze srážek těžkých iontů, včetně těch jež byly v letech 1999-2000 změřeny experimentem NA45/CERES (http://www.physi.uni-heidelberg.de/physi/ceres/) na urychlovači SPS v CERN, ukázala, že v oblasti 5 GeV ≤ ÖsNN ≤ 200 GeV nezávisí lambdaf na energii a centralitě srážky. Překvapivě malá hodnota lambdaf ≈ 1fm svědčí o malé propustnosti horkého a hustého rychle expandujícího systému. Dodatečnou informaci o vlastnostech hustého systému přinesla měření produkce e+e- párů [A1-66], která ukázala, že při nižších energiích (ÖsNN ≤ 17 GeV), vlastnosti hadronů silněji závisí na baryonové hustotě než na teplotě systému.

Příspěvek české skupiny k výše zmíněným výsledkům spočíval především ve vývoji centrálního trigru založeného na údajích křemíkového driftového detektoru (CERES silicon drift vertex detectors), údržbě a provozování těchto detektorů včetně účasti na experimentech během let 1998-2000 v CERN. Při analýze dat skupina odpovídala především za analýzu produkce otevřeného půvabu (open charm). Tato analýza v současnosti probíhá. 

Vlastnosti silně interagujícího media při velmi vysokých teplotách - STAR

Studium srážek AuAu, dAu a pp při energiích ÖsNN = 130 GeV a 200 GeV provedené v letech 2000-3 v rámci experimentu STAR (http://www.star.bnl.gov ) na urychlovači RHIC v BNL, USA ukázalo, že v počátečním stádiu centrální srážky těžkých jader dochází k produkci husté, disipativní, silně interagující hmoty, která vykazuje kolektivní chování doprovázené silnými tlakovými gradienty. Tyto závěry, jež nemohou být vysvětleny na základě obvyklé hadronové dynamiky, byly učiněny z naměřeného silného potlačení produkce částic s velkou příčnou hybností (AuAu vzhledem k dAu a pp) [A1-67], vysokého stupně azimutální anizotropie přetrvávající až do velkých pt [A1-53], rychlé radiální expanze systému (<vr> = 0.55c) a velice krátké a pozdní doby emise hadronů [A1-52]. Poprvé ve srážkách ultra-relativistických iontů lze popsat spektra emitovaných částic pomocí hydrodynamické expanze vycházející z rovnovážného stavu. Hustota energie na počátku expanze převyšuje více než 20´kritickou hodnotu fázového rozhraní mezi hadronovým plynem a kvark-gluonovým plazmatem. 

Český příspěvek se zatím koncentroval na provozování, údržbu, kalibraci, simulaci a analýzu dat se systému složeného z křemíkových driftových detektorů, takzv. Silicon Vertex Tracker. Česká skupina se při analýze koncentrovala na studium mnohočásticové korelace (HBT, voids, intermittency)

Nové studie silně interagujícího media při velmi vysokých teplotách - ALICE

Rozsáhlé testy křemíkových driftových detektorů pro Inner Tracker System experimentu ALICE (http://www.cern.ch/ALICE) proběhly v letech 1999-2002 [A1-56]. Bylo zjištěno, že nehomogenity v koncentraci dopantu vyvolávají lokální změny elektrického pole vedoucí k odchylkám od ideálních drah elektronů a tudíž k podstatnému zhoršení prostorového rozlišení detektorů [A1-61]. Efektivita sběru náboje se studovala pro šikmé průchody částic detektorem. Testy prototypů křemíkových driftových detektorů (SDD), které byly vyvinuty v ČR pro ALICE byly provedeny v nedávno dokončené polovodičové laboratoři v Řeži. Proběhly první dlouhodobé testy nízkovoltových zdrojů vyvinutých a vyrobených v ČR pro vyčítací elektroniku SDD. V rámci ALICE Software Project byl vyvinut koncept Virtual Monte Carlo (VMC), který umožňuje použití různých Monte Carlo simulačních kódů bez nutnosti znovu psát část kódu popisující geometrii detektoru, jeho response funkci atd. [C1-6]. Studovali jsme závislost na energii multiplicity nabitých částic až po energie předpokládané na LHC pomocí tří různých Monte Carlo generátorů popisujíc proton-protonové [D1-15]. Bylo zjištěno, že HIJING a PSM, na rozdíl od modelu NEXUS, preferují self-similar characteristiky multi-hadronové produkce.

Skupiny jsou zapojeny do projektů ALICE ITS, Offline a Physics Performance Report. 
 

Jádra vzdálená od linie stability:

Vlastnosti jader, které závisí na isospinu jsou lépe pozorovatelné ve stavech s extrémními hodnotami isospinu, tj. v jádrech ležících v blízkosti protonové èi neutronové dripline v grafu Z/N. Cílem experimentù byla nejen syntéza neutrono-bohatých èi neutrono-deficitních jader v oblasti dripline, ale také získání základních znalostí o tìchto jádrech jako je jejich èásticová stabilita, hustota a hmotnost a také informací o jejich struktuøe. Hlavní dùraz byl kladen na studium jader s extremální konfigurací hmoty a unikátními vlastnostmi, které nejsou pozorovány u jader v blízkosti linie stability, jako je jaderné halo nebo skin, èi zmìny v magických èíslech, které byly nedávno pozorovány v neutrono-bohatých jádrech v blízkosti dripline. Naše skupina se úèastnila experimentù s radioaktivními svazky zejména v rámci spolupráce GANIL-Orsay-Dubna-Øež-Bucharest. Další studie jaderné struktury se týkají experimentù v ISOLDE/CERN, spolupráce s LMU a TU Mnichov a reakcí záchytu neutronù mìøené na reaktoru v Øeži.

Mapování limity stability v neutrono-bohatých jádrech

Hledání limity stability na neutronové straně tabulky isotopů v nedávné době významně pokročilo. V roce 2002 jsme referovali [A2-16] o důkazech částicové stability 31F, 34Ne a 37Na získané při fragmentaci 48Ca při energii 65AMeV/n na novém spektrometru LISE2000 v GANIL. Tyto isotopy byly též pozorovány v RIKENu. Na druhé straně měření ukázalo, že 40Mg pravděpodobně nemá vázaný stav a permanentní oslabování uzavřené slupky N=28 je výzvou pro teorii.

Studium neutronového halo a skin

Úèinné prùøezy, rozdìlení hybností a úhlová rozdìlení neutronù byly mìøeny pro reakci 11Be + Si, a by byla urèena struktura halo [A2-4]. Redukované pravdìpodobnosti pøechodù a deformace v 30,32Mg [A2-8,10] byly studovány pro vysvìtlení chování neutrono-bohatých jader okolo N=20. Aby byl urèen potenciál interakce byl studován elastický rozptyl radioaktivního svazku 6He na tekutém vodíkovém terèi a mìøen úèinný prùøez reakce [A2-6,21]. Byly mìøeny úèinné prùøezy reakce fusion-fission 6He (neutronový skin) na tìžkých jádrech [A2-17,18].

Měření hmotností jader

Hledání vázaného stavu 10He, které by bylo nejlehčím dvojitě magickým jádrem mezi neutrono-bohatými jádry vyústilo v r.1993 v potvrzení jeho částicové nestability. V roce 1997 jsme získali v laboratoři GANIL důkazy o částicové nestabilitě dalšího kandidáta na dvojitě magické jádro - neutrono-bohatý isotop kyslíku 28O. Poté byl tento fakt potvrzen v laboratoři RIKEN. Pro vysvětlení slábnutí neutronových slupek při N=20 a také při N=28 byla v GANIL provedena měření hmot 31 neutrono-bohatých jader s A=29-47 [A2-6] a byla zvýšena přesnost změřených hmotností pro 19 jader a u 12 jader - jmenovitě 35,36 Mg, 38,39 Al, 39,40,41 Si, 42,43 P, 44,45S a 46Cl byla hmotnost změřena vůbec poprvé. Zvláště u neutrono-bohatých isotopů Cl, S a P se zvláště výrazně projevuje oslabení slupky N=28. Srovnání se slupkovým modelem a výpočty RMF demonstrují, že pozorované efekty mají původ v pozitivně deformovaných konfiguracích základního stavu spojených s koexistencí tvarů (shape coexistence) [A2-14,C2-51].

Nová neutronová magická čísla N=6, 16 namísto N=8 a 20 pro neutrono-bohatá jádra

Jádra velmi vzdálená od linie stability s velkým počtem neutronů vykazují unikátní vlastnosti jako je nestabilita dvojitě magických jader s neutronovými čísly N=8 a 20, koexistence tvarů a narušení magičnosti u uzavřené slupky N=20. Pro hlubší porozumění těmto vlastnostem jsme se pokusili vyjasnit závislost chování separační energie dvou neutronů S2n v oblasti C-Cl.

Graf S2n v závislosti na N a rovněž na Z nám umožnil nejen pozorovat vymizení slupky N=20 pro Z<14, ale též získat konečný důkaz o novém neutronovém magickém čísle N=16 pro jádra v blízkosti limity stability [A2-11,12,C2-38]. Použili jsme faktu, že v tomto regionu bylo nalezeno několik částicově stabilních jader a ačkoliv jejich hmoty nejsou dosud známy, hodnota separační energie dvou neutronů musí být pozitivní. Proto jsme mohli začlenit do grafu očekávané pozitivní hodnoty nejtěžších isotopů 23N, 22C a 29,31 F. Začlenění hodnot isotopů fluoru nám umožnilo určit "magické chování" těchto isotopů při N=16, díky náhlému propadu zmíněné hodnoty pro 27F následované jejím mírným klesáním pro 29F a 31F. Podobné chování, potvrzující uzavřenou slupku N=16 může být rovněž pozorováno i u isotopů neonu jakož i u izotopů uhlíku, dusíku a kyslíku [A2-15,27,29]. Tato slupka se objevuje mezi orbitami 1s1/2 a 0d3/2 v dobrém souhlasu s výpočty skupiny Otsuky a kol. 

Studium struktury neutronově-bohatých isotopů pomocí implantace iontů a gamma spektroskopie ve svazku.

Měření vzbuzených stavů neutrono-bohatých sudo-sudých isotopů v oblasti uzavřených slupek N=20 a N=28 je slibnou metodou pro určení deformace a magických čísel v této oblasti. Na toto téma jsme publikovali -záření pro 7 jader, konkrétněvýsledky měření beta-zpožděného  24O, 25-27F, 28-30Ne [A2-1,3]. Jádra byla produkována kvazifragmentací svazku 36S při energii 2.8 GeV a separována pomocí měření doby života a energetických ztrát v soustavě křemíkových detektorů, které byly použity též -částic, emitovaných při následném radioaktivnímpro detekci  rozpadu jádra. Pro jádra v blízkosti limit stability byly změřeny doby života a pravděpodobnosti emise neutronů.

V dalších experimentech byly svazky 36S a 48Ca používány k indukování Coulombické excitace a fragmentaci [A2-13,20,30].Tyto experimenty byly zaměřeny na zjišťování poměru E4/E2 v 30,32Mg a v 26Ne a k určení prvního excitovaného stavu se spinem 2+ v jádrech vzdálených od stability jako 28Ne a 22O. Deexcitované ionty byly detekovány spektrometrem SPEG. Měření gama-kvant, ke kterému bylo použito Chateau de Cristal a HPGe segmentovaných clover detektorů, poskytlo komplementární informaci o excitovaných stavech jader, jejichž prekurzory nejsou vázané. Tyto experimenty poskytly další podporu pro tezi o existenci magického čísla N=16 v neutrono-bohatých jádrech jako 26Ne a zejména 24O, které lze nyní považovat za dvojitě magické jádro v záměnu za 28O.

Rovněž jsme začali s prvními experimenty s použitím multidetektorového systému TONNERRE pro spektroskopii b -zpožděných neutronů v GANILu. Studium beta rozpadu okolo slupky N=28 bylo pomocí kompletní beta-gama-n spektroskopie 43P, 44S a 47Cl. Výsledky experimentů doplňují informace získané z experimentů s Coulombickou excitací a potvrzují deformaci v této oblasti [A2-28]. 

Studium magicity při N=40 and 50.

V oblasti neutrono-bohatých jader v blizkosti jaderných slupek Z=28 s-isomery pomocí fragmentacea N=40 byly studovány  86K [60 A.MeV][A2-5]. V dalším experimentu byla studována systematika isomerních stavů v neutrono-bohatých N=48 isotonech, včetně 78Zn, kde byl nalezen izomerní stav 8+ [A2-7] a byl rovněž potvrzen dvojitě magický charakter 78Ni. Ve dvou experimentech bylo celkem nalezeno 20 nových isomerů. Neutrono-bohaté isotopy 68,70Ni byly rovněž produkovány v GANILu pomocí interakce 70Z (66 AMeV) na terčíku 58Ni [A2-19]. Jejich redukovaná pravděpodobnost přechodu B(E2;0+->2+) byla pro tato jádra měřena poprvé a byla přitom použita metoda Coulombické excitace na terči 208Pb při střední energii. Pro 68Ni40 byla nalezena neočekávaně malá hodnota B(E2;0+->2+). Analýza v rámci large scale shell model podtrhuje důležitost excitace protonů v kóru a indikuje narušení harmonické podslupky N=40 rozptylem párů neutronů [A2-22,23].

Studium jaderné struktury a vlastností středně-těžkých jader

Vývoj nových technik měření (jako rychlé BaF2 detektorové systémy) spolu s dostupností exotických svazků otevírá nové pole pro podrobné studium struktury exotických jader. Doby života [A2-24] byly změřeny v oblasti N=40, Z=28, kde je očekáváno semimagické chování jader. Pět dob života pro isotopy 67,69,70Ni a 71Cu bylo změřeno za pomoci spektrometru LISE3 v GANIL. Změřené hodnoty (v oblasti s) jsou v dobré shodě s teoretickými předpověďmi. V oblasti0.1-1 nejtěžšího známého dvojitě magického N=Z jádra 100Sn byly změřeny dvě doby života v 96Pd, přičemž doba života stavu 4+ je řádově větší, než očekává teorie. Tento rozpor čeká na své objasnění.

Isospinová struktura v blízkosti linie N=Z

Pro studium isospinové struktury jader blízko linie N=Z byly v CERN a Leuvenu připraveny originální experimenty. Hodnoty příměsí isospinu v jaderných stavech byly odvozeny z měření úhlových rozdělení nabitých částic, emitovaných orientovanými jádry. Pouze úspěšný vývoj a konstrukce vhodných HPGe detektorů v ÚJF Řež [A4-30] nám umožnil provést tyto experimenty. Bylo rovněž nezbytné provést extenzivní výpočty zeslabovacích koeficientů pro analýzu dat [A4-32].

Měření beta asymetrie polarizovaného isotopu 71As odhalila v základním stavu příměs isospinu T=7/2 v T=5/2, která je mnohem menší, než je předpovězeno [E4-1]. V měřeních 59Cu na svazku v ISOLDE byla metodou beta-NMR-ON poprvé zjištěna hodnota magnetického momentu [E4-2], která je v příkrém rozporu s teoretickou předpovědí, ukazující na možné narušení slupky N=28 v oblasti dvojitě magického jádra 56Ni.

Jaderná struktura lichých isotopů Te

Ve spolupráci s LMU a TU Mnichov, University of Latvia, SÚJV Dubna a IPNE Bucharest jsme provedli systematické studium jaderné struktury dlouhého řetězce lichých isotopů teluru 121-131Te [A2-34,35,32,37,38]. Studium využilo experimentální údaje z (n,g) reakcí a z reakcí s nabitými částicemi. Tyto rozsáhlé spektroskopické informace umožnily testovat Interacting Boson-Fermion model (IBFM) a Quasiparticle Phonon Model (QPM). Získaná data navíc vedou k lepšímu pochopení mechanismu reakce (n,gg) na těchto jádrech, k vysvětlení anomální populace isomerů [A2-31] a k upřesnění účinných průřezů pro termální neutrony [I.Tomandl et al., submitted to Phys. Rev. C].
 

Jaderná astrofyzika:

Hvězdy se vyvíjejí spalováním svého jaderného paliva prostřednictvím cyklů jaderných reakcí. Tyto cykly zahrnují posloupnost reakcí přímého a rezonančního záchytu částic spolu s rozpady beta jejichž intenzita musí být známa pro vytvoření spolehlivých předpovědí. Základním cílem jaderné astrofyziky je určování intenzit resp. astrofyzikálních S-faktorů těchto reakcí. Avšak uvažované reakce často zahrnují radioaktivní svazky a terče což činí odpovídající měření velmi obtížná máme-li použít konvenčních metod. Kromě toho, vzhledem k velmi malým účinným průřezům procesů při astrofyzikálních energiích, přímá laboratorní měření jsou prakticky vyloučena. Proto je důležité vyvíjet alternativní metody měření intenzit nepřímo. Donedávna však nebyla známa nepřímá metoda měření přímé komponenty částicového radiačního záchytu. Situace se v posledním období změnila tím, že jsme takovou metodu vhodnou jak pro stabilní tak i nestabilní svazky a terče, vyvinuli. Tato metoda,založená na využití přímých periferijních reakcích částicového přenosu, umožňuje určit astrofyzikální S-faktory pomocí jediné veličiny – tzv. Asymptotických Normalizačních Koeficientů. 

Všechny níže uvedené výsledky byly získány v rámci úzké spolupráce s Texaskou A&M Universitou.V experimentech byly využívány cyklotrony jak v A&M tak i UJF v Řeži. 

Během roku 2003 se k naší spolupráci připojil INFN Catania. 

Vývoj nové metody nepřímého určování astrofyzikálních S – faktorů

Nová metoda nepřímého určování astrofyzikálních S-faktorů pro reakce syntézy ve stelárních cyklech byla vyvinuta ve spolupráci s Texas A&M Universitou (TAMU) [A3-1,13,18]. Tato metoda je dnes již všeobecně známá jako metoda Asymptotických Normalizačních Koeficientů (ANC) a byla ověřena v řadě laboratoří. Její hlavní výhoda spočívá v tom, že tyto koeficienty , které mají povahu univerzálních konstant, lze určovat při mnohem vyšších energiích. 

Základní test metody byl realizován v ÚJF AV ČR na cyklotronu U-120M ve společném experimentu studia reakce 16O(3He,d)17F . Bylo zjištěno, že nová metoda určování astrofyzikálních S – faktorů přímé syntézy pomocí ANC získaných z periferních reakcí protonového přenosu typu (3He,d),dovoluje tyto veličiny určovat s přesností lepší než 8 – 9 %. Metoda je používána v mnoha světových laboratořích a patří k principiálním nepřímým metodám.

Určení S – faktoru syntézy jádra 8B

Tato práce byla realizována na radioaktivním svazku 7Be supravodivého cyklotronu partnerského pracoviště v TAMU jako společný experiment. Byly studovány zejména reakce 10B(7Be,8B)9Be a 14N(7Be,8B)13C. Nezbytná komplementární měření v reakcích 9Be(3He,d)10B a 13C(3He,d)14N byla provedena na svazku 3He cyklotronu v ÚJF. Změření astrofyzikálního S- faktoru reakce přímého záchytu 7Be(p,g )8B pro solární energie znamenalo vklad k řešení známého problému neutrinového deficitu, neboť potvrdilo nižší hodnotu příslušného S – faktoru než se očekávalo [A3-2,3,12,17,24]. 

Určení intenzity syntézy 14N + p ® 15O

Tato reakce je klíčovou v celém CNO cyklu neboť určuje energetický výstup cyklu. Dominuje v ní mechanizmus přímého záchytu do podprahového vázaného stavu v jádře 15O. Reakce 14N(3He,d)15O byla studována na cyklotronu ÚJF při energii svazku 3He 26.3 MeV. 

Byla získána zatím nejpřesnější hodnota celkového astrofyzikálního S – faktoru radiačního záchytu 14N(p,g )15O. Aplikace ANC metody jej umožnila určit pro astrofyzikální oblast energií [A3-26,27,29]. 

Měření S – faktoru reakce 11C + p ® 12N

Astrofyzikální S – faktor pro syntézu 11C(p,g )12N byl určen metodou ANC pomocí reakce 14N(11C,12N)13C [A3-25]. V syntéze 11C + p ® 12N dominuje při energiích v astrofyzikální oblasti nerezonanční záchyt protonu. Vliv vzdálenějších rezonancí byl analyzován v rámci R – maticové aproximace. Bylo zjištěno, že hodnota celkového S– faktoru je značně větší než současné teoretické předpovědi což zvyšuje pravděpodobnost postupného generování CNO cyklů i v supermasivních hvězdách a jejich stabilizaci proti gravitačnímu kolapsu do černé díry. Takovéto hvězdy ve své finální fázi vývoje explodují jako supernovy.
 
 

Jaderná spektroskopie nízkoenergetických elektronů:

Při radioaktivním rozpadu jsou často emitovány částice bvzniklé v atomovém jádru a konverzní elektrony uvolněné z vázaných atomových stavů. Spektroskopie těchto elektronů je účinnou metodou určování kvantových charakteristik základních a vzbuzených stavů jader. Spektroskopie záření b kromě toho nabízí principiální možnost určit hmotnost neutrina způsobem, který je zcela nezávislý na modelových představách. Při své práci jsme využili tři vzájemně se doplňující elektronové spektrometry našeho ústavu, SÚJV v Dubně a ÚJV v Debrecínu a získali jsme nové poznatky v obou uvedených oblastech.

Hledání příměsi těžkých neutrin v jaderném rozpadu b

Informace o existenci těžkého neutrina s hmotností asi 17 keV, které je v rozpadu b nepatrně přimíšeno k obvyklému lehkému neutrinu, podnítila intenzivní experimentální výzkum.Ten však vedl k rozporným výsledkům, neboť interpretace měřených spekter b se často neobešla bez umělých volných parametrů. Díky naší zkušenosti v jaderné elektronové spektroskopii a ve výpočtech pružného i nepružného rozptylu nízkoenergetických elektronů v pevných látkách jsme přispěli k objasnění zmíněných rozporů. Naším elektrostatickým spektrometrem jsme měřili 13 000 hodin b-spektrum 241Pu [A4-4]. Náš přístup k výpočtu energetických ztrát elektronů v radioaktivním zdroji umožnil analyzovat toto spektrum bez umělých parametrů. Prokázali jsme, že příměs hypotetického neutrina s hmotností okolo 16 keV nemůže převýšit 0,1 %. Tento závěr je srovnatelný s nejlepšími publikovanými výsledky. 

Zdokonalení popisu energetických ztrát elektronů v pevných radioaktivních zdrojích

Nedostatečná znalost rozptylu elektronů a jejich energetických ztrát v radioaktivních zdrojích může vést k mylnému vyhodnocení měřených spekter. Drastickým příkladem je dnes již vyvrácené tvrzení o existenci neutrina s hmotností 30 eV, způsobené nesprávným zpracováním spektra b tritia. Energetické ztráty rovněž ovlivňují energii i intenzitu měřených konverzních elektronů a tak vedou k chybným údajům o jaderných elektromagnetických přechodech. V období 1999-2003 jsme dále rozvinuli náš způsob popisu jednotlivých pružných i nepružných interakcí nízkoenergetických elektronů v pevných látkách a tento způsob jsme experimentálně ověřili.

V naší studii [A4-19,20] průniku elektronů s energií 7,3 a 13,6 keV řadou zlatých absorbátorů s postupně narůstající tloušťkou od 2,7 do 21 nm jsme dosáhli mimořádně dobrý souhlas mezi našimi změřenými a vypočtenými spektry energetických ztrát elektronů. To nám umožnilo zavést novou metodu určení relativní účinnosti detektorů nízkoenergetických elektronů, která je založena na měření spekter záření b[A4-2]. Provedli jsme též jedno z prvních měření fotoelektronového spektra radioaktivního zdroje a zjistili jsme stopové příměsi nečistot na jeho povrchu [A4-20]. 

Při měření spojitých spekter b241Pu a 63Ni jsme poprvé pozorovali [A4-10], neočekávané čáry monoenergetických elektronů s energií 260 a 510 eV. Zjistili jsme, že jde o Augerovy elektrony KLL uhlíku a kyslíku. Původní vakance na slupce K přitom vznikly nárazovou ionizací částicemi b, které pronikaly kontaminační uhlovodíkovou vrstvou o tloušťce několika nm. Tato vrstva je přítomna na povrchu prakticky všech pevných vzorků. Při měření s obvyklým přístrojovým rozlišením mohou tyto čáry vyvolat zdánlivé anomálie ve spektrech záření b.

Spolehlivost teoretických koeficientů vnitřní konverze záření g

Na žádost představitelů mezinárodního projektu "Vyhodnocování jaderných dat" jsme využili své zkušenosti získané při  výpočtech koeficientů vnitřní konverze a  analyzovali jsme kvantitativně vliv různých jaderných a atomových efektů na tyto veličiny [A4-7]. Naše odhady neurčitosti tabelovaných teoretických koeficientů vnitřní konverze umožní zpracovatelům jaderných dat přiřadit spolehlivou celkovou neurčitost k jaderným veličinám určeným z experimentálních dat. To je důležité nejen pro správné sestavení jaderných rozpadových schemat, ale i pro srovnání odvozených maticových elementů s předpověďmi jaderných modelů.

První výpočty koeficientů vnitřní konverze záření g pro supratěžké prvky

Vypočítali jsme [A4-9] první koeficienty vnitřní konverze pro prvky s atomovým číslem 104≤ Z ≤ 126. Tato teoretická data usnadní plánování experimentů se supratěžkými jádry. Umožní předpovědět energetické oblasti, ve kterých bude možné identifikovat elektromagnetické přechody v těchto jádrech spektroskopií záření g . Z našich výpočtů vyplývá,že nejnižší členy rotačních pásů v supratěžkých jádrech bude možné zkoumat jen spektroskopií konverzních elektronů. Naše simulace metodou Monte Carlo ukazují, že rozptyl elektronů a jejich energetické ztráty v současných terčících nebrání spektroskopii konverzních elektronů až do energie 10 keV. Totální konverzní koeficienty [A4-17] také umožní stanovit celkové intenzity přechodů ze změřených intenzit fotonů nebo konverzních elektronů.
 

KATRIN – experiment nové generace, který dosáhne při měření spektra btritia  citlivost na hmotnost elektronového neutrina rovnou desetinám eV

V roce 2001 jsme se stali spoluzakladateli mezinárodního projektu KATRIN [D4-7], jehož cílem je řádové zvýšení citlivosti na hmotnost elektronového neutrina až k hodnotě 0,2 eV. Naším úkolem je energetická kalibrace budovaného spektrometru záření b , překonávajícího svými parametry všechny dosavadní přístroje. Zejména musíme dosáhnout stabilitu energetické stupnice s relativní přesností lepší než 2 ´ 10-6. Tento požadavek vyplývá z naší podrobné analýzy [J. Kašpar et al., Nucl. Instr. Meth. A, submitted] vlivu všech možných nedokonalostí energetické stupnice na výslednou hmotnost neutrina. Ukázalo se, že nezaznamenaná změna analyzačního napětí 18,6 kV o 50 mV by způsobila systematickou chybu ve stanovení hmotnosti neutrina rovnou 0,04 eV, což je 20 % hmotnostní citlivosti experimentu KATRIN. Přesné standardy energie elektronů dosud neexistují a proto jsme přesněji určili energii zdroje konverzních elektronů 83mKr. Nedávno jsme navrhli originální způsob kalibrace a monitorování spektrometru KATRIN fotoelektrony o energii 18,6 keV vyražených fotony 26 keV, které vysílá 241Am, z atomové slupky K kobaltu. Simulace metodu Monte Carlo předvídají vynikající vlastnosti navrhovaného standardu. V současné době ověřujeme v naší laboratoři jeho realizovatelnost. 

Dále jsme navrhli dokonalejší způsob měření spektra b tritia a prokázali jsme zanedbatelně malý vliv nenulové orientace tritiových jader v magnetických polích o intenzitě několik Tesla na měřenou hmotnost neutrina [D4-6].. Ukázali jsme, že konverzní elektrony 83mKr lze využít ke zjištění případného nabíjení plynného zdroje tritia. Zkušenosti s vývojem přesných děličů vysokého napětí jsme spolu s popisem původní metody jejich kalibrace popsali v práci [D4-4]. Ověřili jsme radioaktivní čistotu nerezové oceli, ze které bude vyrobena vakuová komora spektrometru KATRIN [D4-3]. 
 
 

Teorie:

Vlastnosti silné interakce - a fyzika hadronů obecně - představují v současnosti jeden z hlavních teoretických problémů. Zároveň je zkoumání hadronových systémů nezbytné k zodpovězení naléhavých otázek, které nutně vznikají při současných experimentech. V tomto širokém rámci jsme se zabývali řadou konkrétních témat: hadronovou dynamikou v jaderných systémech, fyzikou systémů obsahujících podivné částice, nízkoteplotními fázemi QCD, fenomenologii srážek při vysokých energiích, systémy s několika či mnoha nukleony a fyzikou slabých interakcí. 

Hadrony a baryonové systémy

Studium vlastností hadronových systémů za různých kinematických podmínek má velký význam pro naše chápání silných interakcí. Mezi nejdůležitější otázky, které si naše skupina klade patří: interakce hadronů s atomovými jádry a vlastnosti hadronů v jaderném prostředí, relativistické efekty v jaderné fyzice při středních a vysokých energiích, struktura, produkce a rozpady hyperjader, meze fyziky hadronů a možné projevy kvarkových a gluonových stupňů volnosti.

Interakce mezonů K- s atomovými jádry

Studium chování antikaonů v jaderném prostředí je věnována velká pozornost. Mezi nejzajímavější otázky patří možná kondenzace mezonů K v neutronových hvězdách nebo modifikace vlastností těchto mezonů v jaderném prostředí, tak jak o ní svědčí podprahová produkce K- ve srážkách těžkých iontů. Systematické údaje o interakci mezonů K- v jaderném mediu pocházejí v současné době téměř výlučně z experimentálního studia efektů silné interakce v kaonových atomech. 

Naše výpočty [A5-1,45] kaonových atomů vedou v zásadě ke dvěma různým předpovědím pro hloubku potenciálu K- - jádro při jaderných hustotách. Protože optický potenciál mezonu K- nemůže být určen pouze ze studia kaonových atomů, navrhujeme využít pro tento účel reakci (K-stop, pí) vedoucí ke vzniku hyperjader v dobře definovaném stavu. Zjistili jsme, že produkční průřezy této reakce jsou velmi citlivé k parametrům optického potenciálu mezonů K-. Studium produkce hyperjader v reakci (K-stop,pí) může tedy rozhodnout mezi různými modely interakce K- s atomovými jádry.

Slabé rozpady hyperjader

Nedávno [A5-5,6] jsme navrhli využít jedinečnou vlastnost jádra 9Be : po odstranění jednoho neutronu ze základního stavu tohoto jádra lze pozorovat několik skupin alfa částic z rozpadu různých excitovaných stavů residuálního jádra 8Be. Detekce korelované dvojice alfa částic ve vzdálenosti cca 40 cm od terčíku by sloužila jako jednoznačný signál bezmezonového rozpadu relativistického hyperjádra 10Belambda(=> alfa + alfa + n + n) nebo 10Blambda(=> alfa + alfa + n + p). V těchto specifických případech lze určit exkluzivní rozpadové šířky (do různých excitovaných stavů jádra 8Be*). Tím se otevírá možnost fenomenologické analýzy slabé interakce čtyř baryonů. Příslušný experiment [A5-46] byl schválen pro nový urychlovač Nuklotron v SÚJV Dubna, Rusko.

Elektromagnetická produkce podivnosti

Pokračovalo naše studium elektromagnetické produkce podivných mezonů K+ a K0 na úrovni elementárního procesu a na středně těžkých a těžkých atomových jádrech. V těsné součinnosti s experimentátory (INFN Řím) jsme se aktivně zúčastnili přípravy elektroprodukčního experimentu E 98-108 v JLab (volba vhodných kinematických podmínek, odhady očekávaných diferenciálních průřezů) a předběžné interpretace získaných dat. Analyzovali jsme izobarické modely a Reggeho model elektromagnetické produkce kaonů na protonu v rezonanční oblasti [C5-10,D5-13].

Lehká, středně těžká a těžká hyperjádra byla studována s cílem vytvořit teoretický základ pro interpretaci experimentálních dat z nedávno dokončeného experimentu E 89-009 (Jlab, USA) a pro přípravu schválených experimentů E 94-107 (INFN, Itálie) [A5-7] a E 01-011 (Tohoku Univ., Japonsko) [C5-10]. Cílem těchto experimentů, které proběhnou v r. 2004, je studium chování hyperonů lambda v jaderném prostředí (přesné určení jednočásticových energií lambda, spin-orbitální rozštěpení těchto hladin, interakce hyperon – nukleon).

Studium srážek protonů s protony, protonů s jádry a jader s jádry při vysokých energiích

Škálovací zákon nového typu, z-škálování, byl navržen pro jaderné reakce s velkými předávanými impulsy. Je založen na samopodobnosti a fraktalitě hadronových interakcí. Srovnání s experimentálními údaji ukazuje, že z-škálování platí ve srážkách protonů s protony a protonů s jádry v široké oblasti hodnot těžišťové energie, impulsů inkluzivních částic a jejich úhlů výletu [A5-3]. Univerzální charakter z-škálování bzl ukázán ve srážkách pA pro sekundární piony, kaony a antiprotony [A5-8].

Nezávislost škálovacího chování na počáteční energii a emisním úhlu byla prokázána rovněž pro inkluzivní produkci jetů. Možné narušení z-škálování při energiích urychlovačů RHIC a LHC by mohlo svědčit o nových fyzikálních jevech.
 

Málonukleonové systémy a mezonové stupně volnosti

Naše skupina se zapojila do studií dynamiky málonukleonových systémů a jejich chování ve vnějším poli, včetně slabých a elektromagnetických procesů a procesů mezonové produkce. Zabývali jsme se rovněž relativistickým popisem kvantově mechanických vázaných stavů.

Obecným cílem je přispět k ustanovení efektivního modelu pro hadronovou dynamiku, jenž by rozšířil modelově nezávislé výsledky chirální poruchové teorie na oblast středních energií a přenesených impulsů. Toto úsilí se dobře doplňuje s intenzivním experimentální aktivitou prováděnou v řadě experimentálních zařízení světové úrovně: Jeffersonova laboratoř, COSY, MIT BATES, Celsius, JHF, MAMI Mainz a jiné.

Kovariantní popis dvoučásticových a tříčásticových systémů

a) systémy dvou a tří nukleonů - dlouhodobá spolupráce s teoretickými skupinami v Jeffersonově laboratoři a Lisabonu.Už dříve jsme vyvinuli obecný formalismus pro popis vazby vnějších proudů na dvoučásticový systém v kovariantním kvazipotenciálovém formalismu [A5-47]a zkoumali jsme některé jevy opakovaného rozptylu pro pionovou produkci v proton-protonových srážkách [A5-48]. Bylo ukázáno, že příspěvky od propagace nukleonu se zápornou energií jsou značně potlačeny (faktorem zhruba 5) ve srovnání s obvykle používaným poruchovým přístupem. V současné době jsme rovněž dokončili (spolu s experimentátory z Jeffersonovy laboratoře, P. Ulmer, experiment E01-020) první část rozsáhlého studia deuteronové elektrodezintegrace. Nyní dokončujeme rozšíření našeho formalismu na tříčásticový systém (což není vůbec triviální) a provádíme mnohem propracovanější výpočty pro deuteron. 

b) Schwinger-Dysonovy a Bethe-Salpeterova rovnice v Minkowského prostoru – modelová studia založená na spektrálním rozkladu Greenových funkcí [A5-17,49,50].Bylo ukázáno, že spektrální přístup je schopen řešit skalární Betheho-Salpeterovu rovnici dokonce i s “oblečenými” propagátory a nestejnými hmotnostmi konstituentů.

Kvantově-mechanický popis systému tří nukleonů

Protože nebude možné v dohledné době použít kovariantní metody pro systémy složitější než vázaný stav tří částic, studujeme rovněž některé vlastnosti třínukleonových systémů v tradičním kvantově-mechanickém formalismu:

a) Fotoreakce a elektroreakce na třínukleonovém systému – provedli jsme sérii výpočtů (v těsné spolupráci s hannoverskou skupinou) [A5-15,16], založených na dřívějším postgraduálním výzkumu M. Oelsnera prováděném v našem ústavu. (M. O. se naučil naši techniku obecného odvození a multipólového rozvoje různých mezonových výměnných proudů, které jsme potom implementovali do souboru programů v Hannoveru.) Byla spočtena řada pozorovatelných pro fotodezintegraci a elektrodezintegraci třínukleonových vázaných stavů (včetně některých polarizačních pozorovatelných) a bylo ukázáno, že výsledky výpočtů jsou v rozumném souhlase s daty (jež jsou bohužel až dosud spíše vzácná).

b) Třínukleonové síly a pionová produkce - byly studovány krátko-dlouhodosahové třínukleonové síly a jejich nízkoenergetická limita byla srovnávána [D5-14] s modelově nezávislými omezeními plynoucími z chirální poruchové teorie. Ukazuje se, že nukleonový bornovský příspěvek s výměnami mezonů ρ, σ a ω není dostatečný k saturaci nízkoenergetických konstant, ačkoliv jejich příspěvek k vazbové energii tritonu je znatelný a jejich spinovo-izospinová struktura naznačuje, že mohou silně ovlivňovat některé nepříliš dobře pochopené třínukleonové spinové pozorovatelné.

Konstrukce a studium vlastností efektivních hadronových lagrangiánů

V přístupu skrytých lokálních symetrií byl zkonstruován anomální [A5-13] lagrangián popisující interakce v systému hadronů N-π-ρ-ω-a1 a vazbu na vnější elektroslabá pole. Tento lagrangián je dynamickým východiskem pro další studia slabých a elektromagnetických elementárních amplitud:

a) elektroprodukce nabitých pionů na protonu – amplituda této reakce byla odvozena z normální části hadronového lagrangiánu a z nízkoenergetického teorému. Tato reakce poskytuje v režimu měkkých pionů informaci o chování slabého axiálního nukleonového formfaktoru FA(k2). Lze z ní rovněž extrahovat elektromagnetický poloměr nabitého pion, ale nikoliv – přes některá nedávná tvrzení v literatuře - indukovaný pseudoskalární formfaktor gP(k2)

b) radiačního mionového záchytu ve vodíku – byla zkonstruována elementární amplituda pro tento proces. Amplituda obsahuje normální a anomální část a rovněž část popisující excitaci izobary N*(1236). Uvažovaný model (s hodnotou gP předpověděnou PCAC) je schopen vysvětlit data pro fotonové spektrum. 

c) kalibračně symetrická vazba izobary N*(1236) - standardní vazby pí-N-N*(1236) a gama-N-N*(1236) obsahují členy s mimoslupkovými (“off-shell”) parametry. Následně se v přechodových amplitudách popisujících procesy s excitací N*(1236) objevují kontaktní (nepólové) členy. Nedávno byly předloženy kalibračně symetrické vazby, jež žádné mimoslupkové parametry neobsahují. Vztah těchto vazeb k vazbám standardním nyní zkoumáme. 

Slabé axiální mezonové výměnné proudy

Odvodili jsme slabé axiální mezonové výměnné proudy s výměnou jednoho mezonu π, ρ, ω nebo a1 v Bethe-Salpeterově formalismu [A5-51].Z nich byly nedávno zkonstruovány také slabé axiální jaderné výměnné proudy s účastí těžkých mezonů, které splňují jadernou rovnici kontinuity.

První důležitou aplikací těchto proudů je naše studium interakce neutrin a antineutrin s deuterony.Tyto reakce jsou důležitý pro pátrání po neutrinových oscilacích a pro astrofyziku. Hlavním cílem teoretických studií v poslední dekádě bylo obdržet účinné průřezy až do neutrinových energií 150 MeV. Současná studia porovnala výpočty standardní jaderné fyziky s výpočty založenými na efektivních polních teoriích. Byl konstatován souhlas v rámci odchylky 1 % až do neutrinových energií 20 MeV. Účinné průřezy obecně závisí na modelu mezonových výměnných proudů. 
 
 

Kvantová teorie pole a mnoha částic pro jaderné a subjaderné systémy

Algebraické modely jaderné struktury, proton-neutronové párování

V rámci přesně řešitelných algebraických modelů byl zkoumán problém proton-neutronového párování, který je v současnosti velmi aktuální v souvislosti s experimentální dosažitelností jader na N=Z linii. Bylo ukázána, že čtyřčásticové (alfa) korelace jsou důležité v režimu proton-neutronového párování, zatímco metody středního pole nejsou schopny popsat správně detaily problému [A5-19,29].Fyzikální veličiny kvadrupolových sumačních pravidel a magnetických momentů jsou málo citlivé na poměr mezi T=0 a T=1 párovacímí módy.

Analýza jader v přechodové oblasti ukázala, že interpretace v termínech fázové koexistence není jednoznačná. Některé experimentální B(E2) hodnoty by mohly vyjasnit tento problém [A5-21]. .

QCD hmota

Chladná QCD hmota při vysoké baryonové hustotě by se genericky měla chovat jako relativistický barevný supravodič. Měla by existovat v nitru kompaktních hvězd a optimisticky také v plánovaných laboratorních experimentech, které budou testovat vlastnosti chladné husté hmoty bohaté na baryony.

Vlastnosti barevných supravodičů studujeme v několika zajímavých případech:

  1. základní stav relativistických barevných supravodičů při středních baryonových hustotách – zopakovali jsme [C5-9] odvození izotropního disperzního zákona kvazikvarků a poprvé jsme odvodili disperzní zákon anizotropní fáze [C5-11]. 
  2. kondenzáty dvojflavorového barevného supravodiče při konečné teplotě – byla odvozena a analyzována soustava svázaných integrálních rovnic pro všechny kondenzáty dovolené symetrií [A5-43]. Ukazuje se, že barevné supravodiče s takovým množstvím kondenzátů mohou za jistých podmínek vykazovat efektivně nulový gap.
  3. anizotropní fáze (spin jedna) relativistického barevného supravodiče – analyzovali jsme vlastnosti spin-1 fáze relativistického barevného supravodiče [A5-44] a spočítali její kritickou teplotu. Pro nehmotné kvarky je energetická mezera plynu anizotropních kvazikvarků efektivně nulová a systém se stává efektivně dvojdimenzionálním. Následkem toho specifické teplo závisí kvadraticky na teplotě. Systém vykazuje elektromagnetický Meissnerův jev.
  4. barevně supravodivé fáze s barevně sextetním kondenzátem Cooperových párů [A5-52] – takový kondenzát může být v chladné kvarkové hmotě indukován výměnou kolektivních excitací nesoucích nulový spin a oktetní barevný index. Standardní BCS popis není schopen reprodukovat bohatou škálu fází odhalených efektivním Ginzburgovým-Landauovým popisem, který jsme pro tento účel použili. 
  5. chladná dekonfinovaná dvoubarevná QCD hmota s kvarky jedné hmotné vůně [C5-12,13] – byla provedena předběžná analýza fyzikálních vlastností tohoto systému. Ukazuje se, že fázová struktura Boseho-Einsteinova kondenzátu baryonů se spinem jedna je bohatá, zajímavá a vyžaduje další studium. Nesporná přitažlivost studia genericky neporuchových aspektů dvoubarevné QCD spočívá v možnosti okamžité kontroly detailními a realistickými numerickými experimenty na mříži.

Matematická fyzika:

Užitím rigorózních metod se zkoumají hlubší vlastnosti kvantově mechanických systémů. Rozsah námětů se prostírá od technických způsobů zacházení s pseudohermitovskými hamiltoniány, jež jsou důležité v jaderné fyzice, k odhalování vztahů mezi dynamikou kvantových systémů a jejich geometrickými a topologickými vlastnostmi, jež mají aplikace ve fyzice nanostruktur, atomových i elektromagnetických vlnovodů a v dalších oblastech.

”Měkké” kvantové grafy

představují modely of nanostruktur, jenž jsou realističtější než ty, jež se běžně používají v literatuře, berouce v úvahu kvantový tunelový jev. Byla odvozena řada výsledků o diskrétním spektru takových systémů: existence geometricky indukovaných vázaných stavů [A6-12,20,25,31,37,E6-2], jejich asymptotické chování v případě silné vazby [A6-21,30,34,37], existence persistentních proudů [A6-34,38], chování pod vlivem geometrických poruch [A6-45], jakož i approximační techniky vyšetřování takových vázaných stavů [A6-12,41]. První kroky byly vykonány v analýze rozptylových a resonančních jevů v takových modelech [A6-41]. 
 
 

Kvantové vlnovody

Teorie kvantových vlnovodů se rozvíjí po více než deset let, nicméně stále obsahuje řadu otevřených problémů. Vyšetřili jsme vlnovody s prostupnými hranicemi [A6-3,11] a kombinovanými hraničními podmínkami [A6-26,27]. Byly odvozeny zjemněné asymptotické vztahy pro kritické deformace a pro chování v okolí geometrických prahů [A6-15,35]. Diskrétní spektrum a resonanční rozptyl byly vyšetřeny pro otevřené magnetické kvantové tečky [A6-14] a zkřížené vlnody [A6-36]. Dále byly odvozeny Lieb-Thirringovy nerovnosti pro kvantové dráty a analyzovány vlnovody na zakřiveném pozadí [A6-42]. Byl vyšetřen jev typu Coulombovy blokády v ohnutých vlnovodech [A6-1] a dokázána absolutní spojitost ve spodní části spektra periodicky tvarovaných trubic [A6-46]. 

Kvantové vrstvy 

jsou analogií kvantových vlnovodů ve vyšší dimensi modelujíce různé struktury sestrojené z tenkých polovodičových vrstev. Byly nalezeny různé postačující podmínky, za nichž křivost vede ke vzniku netriviálního diskrétního spektra [A6-8,24]. Bylo nalezeno asymptotické chování vazbové energie v lehce deformovaných nebo zakřivených vrstvách [A6-15,16]. Vliv bodových poruch na plochou vrstvu byl vyšetřen v [A6-32,44], jak bez magnetického pole tak i s ním.

Magnetické vlastnosti nanostruktur

Tato oblast zahrnuje různé jevy významné jak teoreticky tak i z hlediska aplikací. Dokázali jsme například, že anomální magnetický moment mění Ahoronov-Casherovy stavy ve skutečné vázané stavy [A6-2,4] a analyzovali jsme obecný Aharonov-Bohmův systém s homogenním pozadím [A6-33]. Berryho fáze pro potenciálovou jámu přenášenou v magnetickém poli byla spočtena v [A6-6,10,18]. Co se týče problému magnetického transportu, nové kriterium absolutní spojitosti bylo nalezeno pro Iwatsukův model [A6-7]. Existence hranových stavů nemajících klasickou analogii byla dokázána v [A6-5], viz též persistentní proudy zmíněné výše [A6-34,38]. Byla vyšetřena stabilita hranových proudů v parabolickém kanálu vůči nečistotám [A6-23]. Byl zformulován model spin-orbitální vazby sloužící vysvětlení měřených oscilací ve spinové vodivosti [A6-13]. 

Rozptylující objekty geometrické povahy

jsou přirozenými modely systémů tvořených uhlíkovými nanotrubicemi, fullerenovými molekulami a podobnými objekty. Byly vyšetřeny konečně periodické takového typu a nalezena formule pro faktorizaci matice rozptylu [A6-17]. Dále bylo ukázáno, že spektrum periodických systémů kombinujících prvky různé dimense je dominováno lakunami při vysokých energiích [A6-40]. Na druhé straně byla nalezena potenciálová aproximace silně singulárních interakcí [A6-22]. Dále bylo ukázáno, že řídce rozmístěné bariéry mohou účinkovat jako ”řezačka” vlnových funkcí, jež maže jejich informační obsah [A6-9]. 

Tříčásticové systémy

Nový přístup ke konstrukci nízko ležící části spekter tříčásticových systémů byl rozvinut a otestován na přibližně řešitelných modelech. Schématický kvantově mechanický tříčásticový model byl navržen a vyšetřen v [A6-75]. Jeho fenomenologická přitažlivost [A6-62,49] a nestandardní poruchová řešitelnost [A6-76] jsou založeny na přítomnosti tvrdého jádra v dvoučásticových silách. Řešení získaná technikou aproximací s velkým L byla zobecněna na mnohočásticový případ a prověřena [A6-71,73,74]. Efektivita aproximace je založena na rozšíření Calogerovy identity užívající symbolické manipulace a byla systematicky zdokonalována [A6-77,78] jako součást studia Winternitz-Smorodinského a Calogero-Moser-Sutherlandova řešitelných modelů [A6-65,67,79]. 

PT symetrická kvantová mechanika

Byla prozkoumána nová role supersymetrie v PT symetrické kvantové mechanice. Nehermiticita byla užita jako nástroj vyjasňující souvislost mezi řešitelností a supersymetrií [A6-63]. V užším, matematičtějším smyslu vedla analýza důsledků zachování pseudonormy v pseudohermitovské kvantové mechanice k novému klasifikačnímu schématu pro řešitelné modely [A6-48,55,57,68,69,72,80]. Zvláštní pozornost byla věnována jednoduchým modelům [A6-56,58,70] a metodám [A6-64]. Jejich praktické použití inspirovalo různé explicitní konstrukce [A6-82,83] a mnohé konkrétní modely byly analyzovány touto cestou [A6-50,52,53] či inovovány tak, aby byly konsistentní s relativistickou kinematikou [A6-49,51]. Na hlubší úrovni tyto výzkumy inspirovaly svěží pohled na formalismus a metody kvantové mechaniky [A6-54,82,84,85,86,87,88].
 
 

Jaderné analytické metody:

Jaderné analytické metody jsou nepostradatelné v  moderním základním i aplikovaném výzkumu pro své jedinečné vlastnosti jako jsou vysoká citlivost, správnost, výborné hloubkové rozlišení a nedestruktivní charakter. Byly intenzívně rozvíjeny a jsou rutinně používány ve všech průmyslově vyspělých zemích. Široký komplex jaderných analytických metod používaných v ÚJF je unikátní i v mezinárodním měřítku. Jejich využití je zaměřeno na mezioborový výzkum zejména v oblasti materiálových, biologických a lékařských věd a pro kontrolu životního prostředí. Ústav úzce spolupracuje s mnoha domácími i zahraničními výzkumnými institucemi. Jako zdroj svazku protonů a alfa částic pro charakterizaci materiálů standardními metodami RBS (Rutherford back scattering), ERDA (elastic recoil detection analysis), PIXE (particle induced X-ray emission) a PIGE (proton induced gamma-ray emission) je používán letitý Van de Graafův generátor. Pro hloubkové profilování lehkých prvků se využívá techniky NDP (neutron depth profiling) na svazku tepelných neutronů vyvedeného z 6 m dlouhého neutronovodu z výzkumného reaktoru LVR-15. Tento reaktor je také používán pro prvkovou analýzu měřením promptního záření gama v neutronové aktivační analýze (prompt gamma neutron activation analysis). Tento reaktor obvykle provozovaný na výkonu 10 MW, který poskytuje hustotu toku tepelných neutronů až 1.1014 cm-2 s-1 je také velmi vhodným ozařovacím zdrojem pro neutronovou aktivační analýzu (NAA). Pro gama aktivační analýzu (GAA) byly použity 20-25 MeV mikrotrony v Ústavu nerostných surovin, Kutná Hora nebo ve Spojeném ústavu jaderného výzkumu, Dubna, Rusko s proudem svazku elektronů 10-15 μA. V metodách aktivační analýzy byly použity jak nedestrukční, tzv. instrumentální varianty (INAA, IGAA), tak radiochemické varianty (RNAA, RGAA), což je další unikátní způsob využívání nukleárních analytických metod v ÚJF.

Studium nano-kompozitů polymer-kov

Polymery dopované kovy jsou perspektivními materiály pro konstrukci nových paměťových prvků a vodivých spojů v mikroelektronice. Struktura a vlastnosti polyimidu (PI) implantovaného vysokými dávkami iontů Fe a Co při různých hustotách iontového proudu byly studovány různými metodami a bylo ukázáno, že implantované atomy vykazují anomální hloubkové profily s podpovrchovou, silně karbonizovanou vrstvou s cca 25 at.% kovu. Při zahřívání na teplotu skelného přechodu PI byla metodou RBS pozorována difůze kovových nano-částic. Z technologického hlediska je významný poznatek, že výsledná struktura kompozitu nezávisí na hustotě iontového proudu [A7-110,124]. Práce byla prováděna ve spolupráci se zahraničními pracovišti v Bělorusku, Rusku a Švédsku. 

Degradace polyimidu implantovaného různými ionty. 

Iontová implantace, která je významnou metodou modifikace povrchových vlastností syntetických polymerů, vede k nežádoucí radiační degradaci polymeru. Stupeň degradace závisí na energii, hmotnosti a toku iontů. Metodami RBS a ERDA byla studována degradace polyimidu (PI) implantovaného ionty vzácných plynů (He-Xe) při energii 100 keV. Poprvé byly podrobně prostudovány hloubkové profily vodíku a kyslíku v povrchové vrstvě PI ochuzené o těkavé produkty degradace a určena dynamika procesu degradace [A7-90]. Pro interpretaci získaných výsledků byl navržen nový fenomenologický model [E7-2]. Práce byla prováděna ve spolupráci s Hahn-Meitner Institute, Berlin.

Studium polohy laserově aktivních iontů v monokrystalu lithium niobátu 

Optické zesilovače a lasery založené na lithium niobátu LiNbO3 dopovaném vzácnými zeminami jsou velmi důležité především v oboru integrované optiky a mají velké možnosti využití. Vzorky řezů lithium niobátu objemově dopovaného atomy Er a vzorky dále modifikované pomocí vysokoteplotní protonové výměny (APE) byly studovány metodami RBS-kanálování a XRD. Měření prokázala, že APE metoda poškozuje perfektní krystal, způsobuje zvětšení buňky krystalické mřížky a tím i posun Er iontu z původní polohy v neporušeném krystalu. Poloha iontu Er v modifikovaném LiNbO3 nebyla dosud známa a proto je současné určení polohy Er v LiNbO3 neporušeném a modifikovaném metodou APE význačným výsledkem i v celosvětovém kontextu [A7-129]. Výzkum jsme prováděli ve spolupráci s VŠCHT Praha a Forschungzentrum Rossendorf, Německo. Simulace poškození krystalu LiNbO3 byly provedeny ve spolupráci s Schillerovou Universitou v Jeně, Německo. Studium struktury a stechiometrie krystalických materiálů KGW, YAP, YAG, safíru připravených laserovou ablací určených pro laserové zesilovače je rovněž významné výzkumné téma, na kterém spolupracujeme s FZÚ AV ČR [A7-109,120,132].

Sklo a jeho aplikace ve fotonice.

Sklo je velmi zajímavý materiál pro fotoniku, neboť je relativně levné, je výjimečně transparentní a dostupné v poměrné velkých částech. Inkorporace erbia do skla probíhá při středních teplotách pomocí difůze asociované elektrickým polem z taveniny obsahující Er. RBS je velmi vhodná metoda pro určení hloubkových profilů Er, zvláště v případě použitých skel typu GIL13K, které neobsahují žádné těžké stopové prvky. PIXE metoda je schopna určit nezávisle integrální množství zakomponovaného Er ve skle. Hloubkové profily Er ve skle jsou ovlivněny experimentálními podmínkami tj. použitým proudem, koncentrací Er v tavenině a difúzním časem [A7-133,134]. Velmi významným výsledkem je dosažení velké hloubky při inkorporaci erbia cca 800 nm, což dosud ani jinými technologiemi nebylo nikde ve světě dosaženo. Výzkum provádíme ve spolupráci s VŠCHT Praha.

Chalkogenidy obsahující stříbro.

Tenké vrstvy chalkogenidových skel s obsahem stříbra (systémy Ag-As-S a Ag-Sb-S) mají potenciální využití při přípravě mikrooptických prvků (mřížky, čočky) a jako materiály pro optické paměti (DVD disky). Vrstvy mohou být připravovány různými způsoby jako je opticky indukovaná difúze stříbra, nebo laserová ablace či konvenční “spin-coating” metoda z organických roztoků využívající odstředivé síly. Optické a teplotní vlastnosti a struktury vrstev jsou sledovány hlavně optickou spektroskopií a VASE elipsometrií. Pro měření prvkových profilů vrstvy a obsahu nečistot jsou nezastupitelné nukleární analytické metody RBS a ERDA. Ty umožňují buď ověřit homogenitu připravených vrstev nebo naopak sledovat difúzi stříbra do chalkogenidového skla v závislosti na osvětlení a tím určit vlastnosti difúzních koeficientů [A7-108,135].Tato práce je prováděna ve spolupráci s Pardubickou univerzitou.

Supertvrdé vrstvy Si-C-B-N připravované magnetronovým rozprašováním.

Nové materiály Si-C-B-N mají velmi perspektivní vlastnosti co se týče tvrdosti (50Gpa), teplotní odolnosti, chemické inertnosti a optické propustnosti v širokém oboru. Účelem našeho studia je sledovat korelaci mezi parametry přípravy, prvkovým složením a výslednými vlastnostmi. Složení je měřeno metodami RBS a ERDA [A7-131,136]. Práce je prováděna ve spolupráci se Západočeskou universitou. Spolupracujeme v  současnosti také s firmou Sulzer Innotec, Switzerland na průmyslových aplikacích tvrdých vrstev.

Analýza plasmaticky deponovaných polymerních vrstev.

Plasmaticky deponované polymerní vrstvy jsou velmi atraktivním materiálem, který má široké pole použití v průmyslu a aplikacích. Plasmatická polymerizace je nová ekonomicky výhodná metoda přípravy bariérových vrstev, tvrdých vrstev, voděodolných vrstev a biomateriálů používaných na pokryv např. kloubních náhrad. Studium složení, tloušťky a stopových prvků u těchto vrstev jadernými analytickými metodami [A7-101,102] je nezbytné pro další vývoj polymerních vrstev a jejich aplikovatelnost v průmyslu a medicíny [A7-99]. Tento výzkum provádíme ve spolupráci s řadou pracovišť (UJEP Ústí nad Labem, Masarykova Universita Brno, Katedra makromolekulární fyziky MFF UK Praha atd.) v rámci projektu COST 527.100 a následně bude zařazen do 6. Rámcového programu EU.Výzkum plasmaticky připravených polymerů je významným výsledkem v mezinárodním měřítku, neboť se jedná o prioritní směr v oblasti výzkumu nových progresivních materiálů v evropském kontextu, který je podpořen spoluprací s řadou prestižních evropských laboratoří.

Galium nitrid dopovaný erbiem, připravovaný magnetronovým rozprašováním

GaN je polovodič s pásem Eg ~ 3.4 eV vhodný pro konstrukci optických prvků. Trojmocné erbium Er3+ je efektivní luminiscenční centrum s emisí atomového typu při 1540 nm. Vrstvy GaN jsou obvykle připravovány chemickou deposicí z plynné fáze nebo epitaxním růstem. Složení připravených vrstev jsme ověřovali nukleárními analytickými metodami RBS a ERDA. Bylo dosaženo dostatečné koncentrace erbia pro optickou aktivitu, ale koncentrace vodíkové a kyslíkové nečistoty m. Struktura vrstevzřejmě způsobila zhášení luminiscence u 1.55  byla zkoumána rentgenovskou difrakcí, Ramanovou spektroskopií, absorpcí a fotoluminiscencí [A7-137]. Struktura vrstev odpovídá GaN (001). Dalším krokem ke zlepšení kvality bude použití pracovních plynů vysoké čistoty. Příprava vlnovodných struktur na bázi uhlíku je ve světě dosud ojedinělou technologií použitou pro opticky aktivní vrstvy. Výzkum provádíme ve spolupráci s ČVUT a VŠCHT.

Studium nových materiálů na uhlíkové bázi

Nové materiály na uhlíkové bázi byly syntetizovány a analyzovány v laboratořích JAERI - Japan Atomic Energy Research Institute. Metodou hybridizace přechodových kovů s fullerény byly poprvé syntetizovány tenké vrstvy kompozitů s ojedinělými vlastnostmi: kombinací Ni a C-60 vznikaly např. systémy periodických mesoskopických domén s kovovým jádrem a povrchovou vrstvou zpolymerovaných fullerénů, (ii) termálním žíháním se Ni/C-60 kompozity transformovaly v soustavy nanoskopických domén s extrémně vysokým poměrem stran (aspect ratio) uložených v epitaxně rostlé kovové mezivrstvě. Vzhledem ke své pravidelné periodické struktuře mají systémy meso- a nanoskopických domén vysoký aplikační potenciál. [A7-89,94,126, C7-93,94]
 
 

Studium LiNbO3 

LiNbO3 je vyhledávaným materiálem pro integrovanou optiku. V důsledku slabých vazeb atomů Li v mřížce lze povrch LiNbO3 poměrně snadno modifikovat. Vlnovodné vlastnosti na povrchu substrátu lze připravit např.: termálním žíháním, difuzí Ti do substrátu, metodou protonové výměny nebo iontovou implantací. V experimentech realizovaných ve spolupráci FÚ AVČR a VŠCHT Praha byly vzorky LiNbO3 exponovány v kyselině adipové a v radio-frekvenčním plazmatu. Metodou neutronového hloubkového profilování (NDP) a Rutherford Backscattering (RBS) bylo studováno složení a hloubková koncentrace prvků v modifikovaných vrstvách monokrystalů. Výsledky studia umožnily lepší porozumění procesů, které nastávají při protonové výměně a v důsledku RF ozáření. [A7-76,86,104,138, C7-95]

Nové metody pro studium latentních stop v polymerech

Studium vlastností latentních stop vznikajících při průchodu energetických iontů dielektriky má význam fundamentální i praktický pro detekci a dozimetrii nabitých částic a pro produkci nukleárních mikrofiltrů. V ÚJF byly vyvinuty nové metody pro studium latentních leptaných iontových stop v ozářených polymerech a procesu jejich leptání založené na hloubkovému profilováním atomů resp. molekul pronikajících do latentních stop nukleárními analytickými metodami a na sledování energetických ztrát nabitých částic procházejících vyleptanými stopami. Pro tento účel byla vyvinuta originální metoda tomografie tenkých, nehomogenních vrstev transmisí nabitých částic. Ve spolupráci s Hahn-Meitner Institute byly získány první 3-D profily latentních i leptaných stop. Získané experimentální údaje a počítačové simulace umožnily lepší porozumění transportu dopantů v latentních stopách a složitého procesu jejich leptání. [A7-44,51,57]

Studium polymerů ozářených energetickými ionty

Polymery ozářené resp. implantované ionty jsou zajímavým objektem studia vzhledem k jejich širokým aplikacím v mikroelektronice, optice, medicíně ap. Je proto důležité analyzovat vlastnosti a chování radiačně modifikovaných polymerů z  různých pohledů. V projektech probíhajícich dlouhodobě v ÚJF byly radiačně modifikované polymery studovány nukleárními analytickými metodami především z hlediska profilování poškození a změn složení povrchových vrstev v důsledku ozáření těžkými ionty, dopování ozářených polymerů atomy a molekulami, 3D distribuce dopantů, jejich termálně indukované difuze, aj. Byly získány originální, nové údaje o procesech v povrchových vrstvách modifikovaných polymerů. Studium radiačně modifikovaných polymerů bylo prováděno ve spolupráci s Hahn-Meitner Institute, Berlin. [A7-46,47,67,70,72,73,75,85,111,112,115]

Nová experimentální komora pro simultánní analýzy metodami PIXE, PIGE, RBS a PESA

Nová experimentální terčíková komora pro simultánní analýzy čtyřmi nezávislými metodami (PIXE, PIGE, RBS a PESA) byla nedávno uvedena do provozu [C7-96] v ÚJF AV ČR. Nová komora umožňuje stanovení většího počtu prvků ve srovnání s předchozím stavem, kdy byla k disposici pouze metoda PIXE. To se týká zejména stanovení lehkých prvků, Li, B, F, Na, Mg a Al, které se stanoví metodou PIGE a matricových prvků C, N, O metodou RBS a H metodou PESA (pouze pro tenké vzorky). Simultánní analýza také zjednodušuje interpretaci analytických dat a poskytuje nové informace o struktuře vzorků (tloušťka, homogenita, hloubkové profily prvků atp.). Od r.2003 je komora využívána pro rutinní analýzy aerosolů a byla také použita k  experimentálnímu ověření možností metody PIGE při analýze fluoru v biologických vzorcích a vzorcích odebraných z vnějšího prostředí [C7-30].

Standardizace a metodologie NAA

Pro zdokonalení metodologie NAA jako konkurenceschopného analytického nástroje využitelného v různých oborech vědy a techniky byl ve spolupráci s University of Gent, Belgie, DSM Research, Geelen, Holandsko, KFKI, Budapešť, Maďarsko a “Jožef Stefan” Institute, Ljubljana, Slovinsko [A7-13,17] zaveden nový a efektivní způsob k0-standardizace v INAA a RNAA. Pro kontrolu kvality při zavádění k0-standardizace v dalších laboratořích byl v EC JRC Institute of Reference Materials and Measurements (IRMM) připraven soubor nových referenčních materiálů (RM). V ÚJF byla testována radiační stabilita této sady RM [A7-43]. Pro hlubší poznání metodologie NAA a možností jejího dalšího zdokonalení byly ve spolupráci s Delft University of Technology, Holandsko, hodnoceny zdroje nejistot v INAA a RNAA v první práci tohoto typu [A7-6]. Pro minimalizaci nejistot při vyhodnocení spekter záření gama v NAA byl vyvinut soubor programů DEIMOS [A7-27], který předčí většinu komerčních produktů a je již využíván v řadě domácích i zahraničních laboratoří.

Analýza aerosolů pomocí INAA a PIXE a kontrola jakosti

Pro sledování koncentrací prvků v ovzduší, které pocházejí jak z lokálních zdrojů znečištění tak dálkovým transportem ze vzdálených zdrojů a ke studiu snížení obsahu toxických prvků ze spalovacích procesů použitím různých aditiv byly obě metody aplikovány pro stanovení téměř 40 prvků v atmosférických a spalovacích aerosolech v rámci několika rozsáhlých studií [A7-3,5,37,40,64,139,140,141,C7-4,82,98]. INAA byla též využita ke stanovení profesionální expozice znečišťujícím látkám v pracovním ovzduší provozu na výrobu konstrukcí z nerezové oceli [A7-20]. Vzhledem k tomu, že referenčních materiálů pro kontrolu jakosti tohoto typu analýzy je v celosvětovém měřítku nedostatek, obě metody byly uplatněny při přípravě nových referenčních aerosolů na filtru ve spolupráci s Mezinárodní agenturou pro atomovou energii (MAAE) ve Vídni [A7-15], U.S. National Institute of Standards and technology (NIST) [C7-32; U.S. National Institute of Standards and Technology, Certificate of Analysis, Standard Reference Material 2783, Air Particulate on Filter Media, Gaithersburg 2 January 2002] a Státním zdravotním ústavem [A7-22]. Zkušenosti s použitím INAA i RNAA pro přípravu referenčních materiálů byly nedávno publikovány v monografické publikaci [C7-1,2].

Radiochemická neutronová a gama aktivační analýza

Stanovení stopových a ultrastopových koncentrací toxických a esenciálních prvků ve studiích zabývajících se životním prostředím, zdravím pracovníků a výživou vyžadují v NAA i GAA pro dosažení nejnižších možných mezí detekce radiochemickou separaci (RNAA a RGAA). Proto byl vyvinut nový postup RNAA pro stanovení Cr a Mn, který byl využit pro stanovení zvýšených obsahů Cr a Mn ve tkáních a tělních tekutinách u profesionálně exponovaných svářečů nerezové oceli a porovnání s  kontrolním vzorkem populace [E7-3]. Po studiu postupů RNAA a RGAA pro stanovení nízkých hladin jódu v potravinách [A7-18], byla ve spolupráci s IAEA nově vyvinutá metoda RNAA široce aplikována při stanovení tohoto esenciálního prvku ve vzorcích asijské stravy [E7-4]. Ve spolupráci s NIST byla vyvinut unikátní postup stanovení nízkých koncentrací Si v biologických vzorcích a ve vzorcích životního prostředí, především za účelem objasnění koncentrací tohoto prvku v  referenčních materiálech [A7-14]. Pro kontrolu jakosti byla vypracována metoda RGAA pro simultánní stanovení Pb a Tl v biologických vzorcích a ve vzorcích životního prostředí [A2-17]. Dalším prvkem biologicky významným prvkem je fluor. Stanovení jeho nízkých obsahů v  biologických a environmentálních vzorcích je s použitím klasických analytických metod obtížné. Proto byly zkoumány možnosti jeho stanovení RGAA a také pomocí nedestruktivní metody PIGE [C7-30]. RNAA je vhodná pro stanovení nízkých koncentrací radionuklidu 129I, vysoce radiotoxického štěpného produktu, v biologických vzorcích a v životním prostředí. S použitím postupu RNAA bylo ve spolupráci s RISØ National Laboratory, Rosklilde, Dánsko prokázáno, že obsahy tohoto radionuklidu v  mořské vodě i dalších vzorcích životního prostředí a biologických vzorcích rostou v důsledku vypouštění odpadů ze závodů na přepracování jaderného paliva nebo v důsledku nehod na jaderných zařízeních [A7-23,24,29].

Komplementární použití INAA a IPAA

Ačkoli INAA je metoda s obrovskými možnostmi multielementní analýzy, neumožňuje stanovení některých geochemicky a biologicky zajímavých prvků, jako je např. Y, Nb a Pb. Tyto prvky mohou být bez problémů stanoveny IGAA v různých matricích společně s dalšími prvky u nichž lze při použití IGAA dosáhnout nižších mezí detekce v porovnání s INAA, zejména Ni, Sr, Zr a Sn. Proto byly obě metody aplikovány při multielementní geochemické analýze zaměřené na objasnění geochemie cenozoidního vulkánu ve středních Čechách [A7-25], při prvkové charakterizaci nedávno dopadlého meteoritu “Morávka”, která přispěla k jeho charakterizaci jako běžného chondritu H6 [A7-26,D7-23], a též při studiu těžkých kovů v houbách. Posledně zmíněná studie ukázala, že houby volně rostoucí v přírodě mohou sloužit jako biomonitory znečištění prostředí, a že koncentrace těžkých kovů v jedlých houbách mohou překračovat maximální přípustné limity pro potraviny [E7-5,6]. 

Průmyslové aplikace, stopovací studie a XRF

Ve výčtu průmyslových aplikací INAA lze jmenovat stanovení ultrastopových nečistot v syntetickém safíru, a stanovení Re a Ir ve slitinách Mo a W. Pro IAEA byla vypracována přehledná práce o aplikacích NAA v průmyslu a v oblasti životního prostředí [D7-10]. Radioaktivní stopovače připravené ozářením v reaktoru LVR-15 byly použity ke studiu retence vybraných dlouhodobých štěpných produktů v různých jílech uvažovaných do budoucnosti jako obsypový materiál pro úložiště vyhořelého paliva z jaderných elektráren [C7-99] a také při výzkumu interakce Eu, Co a Cs s huminovými látkami [E7-7]. Metoda rentgenfluorescenční analýzy (XRF) byla použita převážně v archeologickém výzkumu [M7-3, D7-8]. 
 
 

Neutronová difrakce:

Neutronový rozptyl hraje nezastupitelnou roli při studiích strukturních a dynamických vlastností kondenzovaných látek. Specifické vlastnosti interakce neutronů s hmotou umožňují získat důležité komplementární a doplňková data k těm, které byly získány jinými metodami. Vysoká hloubková pronikavost a selektivní absorpční vlastnosti neutronů činí neutronový rozptyl jedinečným pro nedestruktivní analýzu a testování vlastností materiálů. Právě studium zbytkových napětí v polykrystalických materiálech a strukturních nehomogenit metodou maloúhlového rozptylu neutronů jsou v této oblasti výzkumu mimořádně užitečné. Získané informace mají významný dopad na materiálový výzkum (zlepšení kvality výrobků, předpověď jejich životnosti, optimalizaci konstrukčních návrhů, optimalizaci výrobního procesu, ochranu povrchů materiálů, jaderné inženýrství atd.). Experimenty neutronové difrakce jsou prováděny skupinou neutronové difrakce ÚJF AVČR na několika vlastních difrakčních zařízeních, která jsou instalovaná u horizontálních kanálů výzkumného reaktoru LVR-15. Reaktor jmenovitého výkonu 10 MW je provozován Ústavem jaderného výzkumu, a.s. Metoda měření mřížkových deformací neutronovou difrakcí a maloúhlový rozptyl neutronů mohou být úspěšně využívány na vysoké úrovni i u neutronového zdroje středního výkonu. Některé experimentální studie ovšem vyžadují komplementární měření na zařízeních v zahraničí, např. v HMI Berlin, LLB Saclay, GKSS Gesthacht. 

Studium mřížkových deformací neutronovou difrakcí

Metody neutronové difrakce mohou poskytnout klíčové informace o vnitřních napětích, jmenovitě o makro- a mikronapětích v jedno a vícekomponentních materiálech. Difrakční měření poskytuje hodnoty lokální mřížkové deformace, které jsou následně transformovány na napětí použitím odpovídajících Youngových modulů. Mřížková deformace je definována jako e = d/do, kde do je mezirovinná vzdálenost referenčního vzorku bez deformace. Vnitřní napětí, nebo napětí vyvolaná vnější sílou, způsobují změnu mezirovinné vzdálenosti do o d a tím i mřížkovou deformaci e. Použitím Braggovy rovnice 2dsin (theta) = lamda, theta je Braggův úhel a lambda je vlnová délka difraktovaných neutronů) určení hodnoty e je pak založeno na měřeních malých změn úhlových poloh difrakčních maxím. Na druhé straně informace o mikronapětích způsobenými mikrostrukturními defekty nebo aplikací vnější termo-mechanické zátěže lze získat použitím profilové analýzy difrakčních linií rozšířených napěťovými polí. To ovšem vyžaduje dostatečně vysoké přístrojové rozlišení difraktometru. Právě in-situ měření mřížkové odezvy na vnější zátěž aplikovanou deformačním strojem (na tah a tlak) v kombinaci s tepelným ohřevem patří k nejcennějším. Neutronové difraktometry provozované v ÚJF Řež, které jsou specializované na měření vnitřních deformací metodou úhlové analýzy polohy a profilu difrakčních linií rozptýlených neutronů od zkoumaného vzorku poskytují dostatečně vysoké rozlišení a světelnost k provádění takových experimentálních studií.

In-situ neutronové difrakční studie deformačních mechanismů v nanokrystalických perlitických ocelích

Nová experimentální metoda kombinující konvenční mechanické testy materiálů a neutronovou difrakci s vysokým rozlišením byla využita při zkoumání deformačního chování nově vyvíjených superpevných nanokrystalických perlitických ocelí. Difrakční experiment poskytuje řadu mimořádně cenných informací o vývoji struktury materiálu v průběhu plastické deformace, které jsou korelovány se současně měřenou mechanickou odezvou materiálu. Plastická deformace ve studovaných ocelích probíhá kombinovaně dvěma mechanismy, dislokačním a skluzem po hranicích zrn. Deformace skluzem po hranicích zrn je typická pro nanokrystalické struktury, je ale důvodem malé houževnatosti těchto materiálů. To je možné vylepšit dislokačním zpevněním. Neutronová difrakce v tomto případě může rozlišit oba příspěvky a přispět tak k optimalizaci vlastností tohoto materiálu. Výzkum probíhal ve spolupráci s Ibaraki Universitou v Hitachi (Japonsko). [A8-39,99]

Studium martenzitické transformace ve slitinách s tvarovou pamětí

Slitiny s tvarovou pamětí jsou často využívány v nových typech hybridních funkčních kompozitů, řazených do kategorie tzv. inteligentních materiálů. Ve spolupráci s FZÚ AVÈR v Praze byl studovánprůběh martenzitické transformace ve slitinách s tvarovou pamětí CuAlMnZn a NiTi. Neutronová difrakce přináší strukturní informace z jednotlivých fází v průběhu transformace vyvolané vnějším termomechanickým působením. V případě CuAlMnZn slitiny byla studována zejména role elastické anizotropie na průběh martenzitické transformace, v případě slitiny NiTi byl studován jev ortorombické přechodové R-fáze. Experimentální výsledky byly využity při tvorbě mikromechanického modelu těchto slitin, získané poznatky a vyvinutá metoda se tak velmi dobře uplatní při vývoji těchto perspektivních materiálů. [A8-23,38,40,41,46,100,101,102, E8-1]

Studium kinetiky transformace v TRIP ocelích

Prakticky ze všech moderních průmyslových aplikací zaznívá stejný základní požadavek na ocelové konstrukční materiály - dosažení vysoké pevnosti při zachování dobré tvářitelnosti a obrobitelnosti. Optimalizace mechanických vlastností v kovech a slitinách může být dosaženo buď volbou chemického složení či vhodným termomechanickým zpracováním materiálu. V poslední době bylo dosaženo velmi slibných výsledků při vývoji tzv. TRIP (transformation induced plasticity) ocelí. Nově zavedená možnost ohřevu vzorků do vysokých teplot za současného mechanického namáhání a sběru neutronových difrakčních dat umožnila studovat transformační charakteristiky ve vybraných Si-Mn TRIP ocelích. In situ strukturní studie přinesly cenné informace o kinetice izotermálních transformací a o množství a stavu zbytkového austenitu ve výsledné mikrostruktuře. [C8-61,62]

Maloúhlový rozptyl neutronů

Každá experimentální metoda zkoumání mikrostruktury kondenzovaných látek je určitým způsobem jedinečná a předurčená k určitým typům studií. Např. elektronová mikroskopie je velice vhodná ke studiu lokální mikrostruktury a její použití k charakterizaci materiálu většího objemu by bylo zapotřebí obrovského množství experimentálních měření a studií. Maloúhlový rozptyl rtg. paprsků nebo neutronů jsou metody, které v porovnání se standartní Braggovou difrakcí využívají pro mcharakterizaci nehomogenit o velikosti přibližně od 10 Å do 5  (pory, klastery, precipitáty, částice v roztocích ap.) pružného rozptylu do oblasti malých úhlů. Maloúhlový rozptyl tak poskytuje informace o jejich velikosti, tvaru a relativním objemovém zastoupení. Pro většinu materiálů je absorpce neutronů velmi nízká a proto maloúhlový rozptyl neutronů (SANS) je skutečně měřící technikou pro charakterizaci vzorků velkých objemů 0.1-1 cm3. Problémem ale je, že je prakticky nemožné s jedním typem experimentálního zařízení pokrýt širokou oblast přenosu impulsu (Q), která je požadována při studiu strukturních vlastností kondenzovaných látek. Zatímco nejběžnější maloúhlové zařízení kolimátorového typu umožňují měření v oblasti Q>2x10-3Å-1, dvoukrystalové bezdispersní difraktometry jsou efektivnější v oblasti velmi malých hodnot Q, kde je nezbytně nutné podstatně vyšší rozlišení. V ÚJF AV ČR je provozován dvoukrystalový difraktometr DN-2, který využívá jedinečných neutronooptických vlastností cylindricky ohnutých dokonalých monokrystalů křemíku. Difraktometr DN-2 je velice vhodný ke studiu a charakterizaci nehomogenit větších rozměrů (>500 Å) a poskytuje o nich informace, které nemohou být získány jinými metodami. Difraktometr DN-2 a maloúhlové zařízení kolimátorového typu poskytují vzájemně komplementární experimentální data. Z tohoto důvodu jsou často prováděny kombinované experimenty na obou typech zařízení. 

Vysokoteplotní mikrostruktura niklových superslitin studovaná in-situ metodou maloúhlového rozptylu neutronů

Superslitiny na bázi Ni jsou technologicky významné materiály využívané v generátorech energie a jejich mikrostruktura je předmětem rozsáhlých výzkumů po celém světě. Vzhledem k ostatním metodám mikrostrukturní analýzy mají neutrony výjimečnou přednost: umožňují in-situ měření za extrémních podmínek (vysoko přes 1000oC), t.j. podmínek běžných při provozu součástek ze superslitin. Nicméně, tato přednost nebyla v minulosti příliš využívána. V nedávné době naše skupina významě přispěla k aplikacím in-situ SANS metody při studiu morfologie precipitátů v superlitinách [A8-24]. Mezi nejvýznamější výsledky patří popis optimální rozpouštěcí procedury pro experimentální slitiny Ni obohacené Re, s potenciálním využitím v leteckých turbinách [A8-74]. Za zmínku stojí též příspěvek k popisu vývoje mikrostruktury v superslitině IN706 (používané v pozemních turbínách) během tepelného zpracování [E8-2,3]. 

Studium porozity v superplastických keramikách metodou maloúhlového rozptylu neutronů

Využití maloúhlového rozptylu neutronů (SANS) při měření porozity v keramikách je obvykle omezeno na stanovení specifického povrchu pórů (kavit), zatímco informace o velikostech a jejich distribuci je ztracena vlivem přístrojových efektů a vícenásobného rozptylu. Nicméně, technika vysokého rozlišení SANS využívající dvoukrystalových difraktometrů jako je HK8-A v ÚJF Řež v kombinaci s pokročilými metodami analýzy dat [A8-7] dovoluje podstatně zredukovat tyto problémy a otevírá tak široké pole aplikací v materiálovém výzkumu. Během posledních tří let jsme jako první (ve spolupráci s Research Center for Superplasticity of the Ibaraki University in Japan) aplikovali tuto metodu na studium vývoje kavit během superplastické deformace keramiky [A8-56,64,67]. Unikátní výsledky získané kombinací metod SANS na komplementárních zařízeních umožnily studovat změny v objemu, distribuci velikostí i ve tvaru kavit a uvést je do vztahu k mechanickým vlastnostem materiálu. Konkrétně jsme tak mohli poprvé ukázat, že kvalitativně rozdílné deformační chování za podmínek nízkého resp. vysokého napětí souvisí s rozdílným procesem kavitace, který vede ve druhém z případů k homogennímu tvoření mikrotrhlin již v počátečním stadiu deformace. Tato metoda se tak stává velmi perspektivní a vede k řadě dalších aplikací např. při výše zmíněném výzkumu niklových superslitin, kde se též studuje porosita v keramikách používaných jako termální bariéry u vysoce namáhaných částí turbinových lopatek.

Neutronová optika

Experimentální studie v oblasti neutronové Braggovy difrakční optiky byly v tomto období prováděny v úzké spolupráci se zahraničními laboratořemi, jmenovitě PTB Braumschweig, JAERI Tokai, KEK Tsukuba a nejnověji s Hanaro Center ústavu KAERI Daejon (Korea). JAERI Tokai a KEK Tsukuba mají velký zájem na spolupráci při vývoji a testech nových difrakčních technik využívajících neutronooptické prvky a které mohou být využity u pulsních zdrojů. Souvislost s konstrukcí nového japonského spalačního neutronového zdroje je zřejmá. V případě laboratoře v KAERI Daejon, je to zase otázka rychle se rozvíjející neutronové laboratoře na asijském kontinentu. Velice důležitou spolupráci má skupina s ILL Grenoble v oblasti Monte Carlo simulací neutronových toků a rozlišení neutronových spektrometrů. U nás vytvořený program RESTRAX je jedním ze čtyř programů podobného druhu, které jsou používány v Evropě a díky tomu se účastníme Networku EU SCANS. Naše vědecké příspěvky v oblasti neutronové optiky byly několikrát vysoce hodnoceny v rámci programu ILL – Millenium a také v rámci naší účasti v Networku EU – PECNO a Networku SCANS, stejně jako pozváním na NOP2004 - Tokyo (P. Mikula – zvaná přednáška: Bragg Diffraction Optics Based on Cylindrically Bent Crystals in Neutron Scattering Instrumentation). V posledních letech se naše skupina významně angažovala také v pomoci při implementaci některých fokusačních technik u difrakčních zařízení v několika zahraničních laboratořích (ILL Grenoble, GKSS Geesthacht - ARES, KURRI Kumatori, JAERI Tokai, NFL Studsvik, FRM-II Munich - SPODI, LLB Saclay, HMI Berlin, Chalk River Lab. -L3. 

"Umweganregung” monochromátor na bázi vícenásobných reflexí

Ve spolupráci s PTB Braunschweig bylo provedeno systematické studium jevu vícenásobných reflexí Umweganregung v dokonalých krystalech křemíku, který může být značně zesílený elastickou deformací (v našem případě cylindrickým ohybem) a může simulovat zakázanou reflexi. V průběhu experimentálních měření bylo v termální oblasti vlnových délek 0.1 nm až 0.25 nm pozorováno několik velmi silných vícenásobných procesů, které mohou být využity k monochromatizaci neutronového svazku pro difrakční zařízení s velmi vysokým úhlovým a energetickým rozlišením, zejména u neutronových zdrojů s vysokým tokem. Monochromátor na bázi jevu Umweganregung umožňuje získat svazek monochromatických neutronů s delta(lambda) = 10-4 až 10-3 a kolimací řádově jednotek úhlových minut bez použití Sollerových kolimátorů (selfcollimation effect). Jeho výhodou je také jednoduchost a laditelnost pomocí nastavení vhodného poloměru ohybu krystalu. [C8-63,64]

Analyzátor pro TOF spektrometrii na bázi cylindricky ohnutého dokonalého krystalu křemíku

Ve spolupráci s KEK Tsukuba (Japan) byla na tamním pulsním neutronovém zdroji úspěšně testována naše originální idea použití cylindricky ohnutého krystalu křemíku v plně asymetrické difrakční geometrii v kombinaci s polohově citlivým detektorem jako analyzátoru s vysokým rozlišením pro spektrometrii TOF. Experimentální testy, první svého druhu vůbec, potvrdily, že s novým typem analyzátoru lze v omezeném pásmu vlnových délek šířky (delta)lambda/lambda přibližně 10-2 analyzovat rozptýlený neutronový svazek s přesností (delta)k/k≈10-4 nezávisle na časové délce pulsu. Problematika analyzátorů s vysokým rozlišením se stala aktuální v souvislosti s realizací projektů nových neutronových spalačních zdrojů (J-PARK, SNS, ESS, AUSTRON). [A8-108, C8-65,66]

Dispersní dvoukrystalový monochromátor s vysokým rozlišením

Ve spolupráci s KAERI Daejon (Korea) byl úspěšně testován dvoukrystalový monochromátor na bázi cylindricky ohnutých krystalů v dispersním uspořádání s využitím jevů Braggovy difrakční optiky. Cílem experimentu bylo prokázat možnost jeho efektivního využití v difraktometrech pro měření vnitřních napětí v polykrystalických materiálech. Po optimalizaci parametrů může mít difraktometr s takovým monochromátorem v oblasti nečastěji používaných rozptylových úhlů 2thetaS ≈ 90o jak dobrou světelnost, tak vysoké rozlišení (delta)d/d kolem 2x10-3. V porovnání s konvenčními monochromátory, předností dispersního monochromátoru je, že takto získaný monochromatický svazek neutronů má zanedbatelnou korelaci mezi vlnovou délkou a Braggovým úhlem . Díky této vlastnosti mohou být difrakční experimenty na studovaných vzorcích prováděny se srovnatelným rozlišením a detektorovým signálem jak v paralelní, tak antiparalelní geometrii současně. V případě měření vnitřních napětí to znamená, že dvě komponenty vektoru mřížkové deformace mohou být měřeny současně. Navíc, vysoké rozlišení difraktometru umožňuje nejen mapovat makronapětí, ale také získávat informace o mikronapětích využitím metody profilové analýzy. Je zřejmé, že dispersní monochromátor může být použit v práškové difraktomerii obecně. [A8-48, C8-63]

Vývoj software pro Monte Carlo simulace neutronových spektrometrů a analýzu dat

Vývoj software pro Monte Carlo simulace zařízení pro neutronový rozptyl je úzce spojen s výzkumem na poli neutronové difrakční optiky v ÚJF Řež. Za několik uplynulých let vyústil – ve spolupráci s Institute Laue Langevin (ILL) v Grenoblu – v pokročilý program RESTRAX [A8-104] široce využívaný jak při návrhu nových nebo rekonstruovaných zařízení, tak při analýze experimentálních dat, zejména v případě tříosých neutronových spektrometrů [A8-8,9,17,36,63]. Modelování vlastností spektrometrů pomocí RESTRAXu například přispělo k návrhu nových nebo modernizovaných přístrojů v rámci tzv. Millenium Programme [A8-8,9,17,63,66, C8-60]v ILL a zařízení u reaktoru FRM II [A8-17]. Lze říci, že v současnosti program RESTRAX patří k nejdokonalejším programům pro simulaci vlastností experimentálních zařízení neutronového rozptylu [A8-105]. Získané výsledky jsou velice uznávány a aktivita na tomto poli je také podporována v rámci Networku FP5 EU - SCANS.
 
 

Jaderná fyzika pokročilých energetických technologií:

Soudobý výzkum a vývoj pokročilých energetických systémů, k nimž patří především termojaderná technologie a rovněž budoucí koncepce bezpečných - urychlovačem řízených transmutačních reaktorů (ADTT) jsou významným způsobem závislé na souběžném rozvoji poznatků jaderné fyziky. Tyto aktivity jsou v ÚJF rozvíjeny v řadě projektů. 

V mezinárodním projektu IFMIF (International Fusion Material Irradiation Facility) je budováno zařízení pro radiační testy materiálů v neutronovém poli termojaderného reaktoru. Účast ÚJF na tomto projektu v rámci 5. a 6. Rámcového Programu EURATOM je soustředěna na kompletaci a testování jaderné databáze pro zdrojovou část IFMIF (reakce d+Li) a pro testy výpočetních postupů popisu interakce neutronů s konstrukčními materiály reaktoru při relevantních energiích IFMIF (do 50 MeV). Generátor rychlých neutronů cyklotronu ÚJF poskytuje - jako jediné zařízení v rámci zemí EU - neutronové pole se spektrálními charakteristikami simulujícími pole neutronů IFMIF. Rozsáhlý program experimentů, testujících neutroniku IFMIF je realizován v těsné spolupráci se specialisty FZ Karlsruhe, ENEA Frascati and CEA Cadarach. 

Program rozvoje transmutačních technologií v ČR je sledován v rámci působení Konsorcia vedoucích výzkumných pracovišť (při účasti ÚJF) a cílen na užití systému kritických/podkritických reaktorů s palivem ve formě roztavených fluoridových solí. Pro kompletaci neutronových dat, požadovaných touto koncepcí ADTT byl vybudován generátor rychlých neutronů cyklotronu ÚJF. Výzkumný program je korelován s obdobnými projekty, řešenými v SÚJV Dubna. 

Program validace jaderných dat pro termojaderné technologie 

Zdrojová část zařízení IFMIF 

S cílem kompletace dat zdrojové reakce Li(d,xn) byla poprvé měřena úhlová závislost spektrálního výtěžku neutronů a účinný průřez reakce v oboru deuteronových energií 16-17 MeV. Data byla měřena na externím svazku deuteronů cyklotronu ÚJF metodou scintilační neutronové spektrometrie a užita k testování modelů rozpracovaných specialisty FZK k výpočetní simulaci neutronového pole IFMIF [C9-39]. Data potvrdila neadekvátnost užití semi-empirických modelů a umožnila zpřesnit model, založený na Monte-Carlo simulaci pole pomocí kódu MCNP(X) a záměnou zabudovaného modelu ISABEL (popis kaskádních reakcí) parametrizovanou databází d+6,7Li reakcí [E9-1] Trvající neshoda predikce s daty v nízkoenergetické části spektra neutronů a ve struktuře spektra odpovídající excitaci stavů jádra 8Be 2.9 a 16-17 MeV je předmětem dalšího zpřesňování databáze. 

Simulace transportu neutronů

K simulaci neutronového spektra IFMIF na cyklotronu NPI jsme užili poprvé zkoumané reakce D2O(3He,xn) a D2O(p,xn). První z nich byla užita k integrálním testům výpočtů transportu neutronů v železe (hlavní komponentě materiálu testového modulu IFMIF). Spektra primární zdrojové reakce a spektra neutronů po průchodu vzorkem (disk 80x20 cm) byla měřena metodou scintilační spektrometrie [A3-21, C9-43] a srovnána s predikcí soudobého transportního kódu MCNP(X). Výpočty FZK prokázaly vyšší shodu s experimentem pro databází FZK/INPE (ve srovnání s databází LASL) a indikují nutnost doplňujících měření [C9-33,40]. Rozpor predikce modelu ISABEL a měřených spekter obou primárních reakcí vedla autorský tým LASL k revizi kódu MCNP(X) 

Testy prototypů štěpných komor pro monitorování neutronového toku 

Za účasti specialistů ENEA Frascati a CEA Cadarach byl zahájen program testování prototypů subminiaturních štěpných komor vyvinutých specialisty CEA jako on-line monitorů toku neutronů v testovém modulu IFMIF. K simulaci prostředí IFMIF byla užita zdrojová reakce p(37MeV)+D2O vysokovýkonného generátoru neutronů cyklotronu ÚJF [C9-31]. Provoz a řízení generátoru neutronů zajistil tým ÚJF, registrační aparatura detektorů byla dodána specialisty CEA a ENEA,. Velikost, rozsah nastavitelné intensity a digitální záznam časové struktury intensity pole generátoru neutronů umožnily provést jednoznačný test všech charakteristik prototypů v prostředí IFMIF a určit postup jejich dalšího vývoje [C9-41]. 

Experimentální test aktivačních dozimetrů

Kompletace a validace databáze neutronových aktivačních průřezů nad 20 MeV je prioritní úlohou nejen dozimetrie IFMIF. Ve spolupráci se specialisty ENEA Frascati a FZ Karlsruhe byly zahájeny aktivační testy souboru dozimetrických folií vybraných pro monitorování toku v testovém modulu IFMIF. K aktivaci bylo užito simulované IFMIF pole zdrojové reakce p(37MeV)+D2O. Souběžně byl zkoumán vliv geometrie soustavy terč-vzorek na spektrální charakteristiky neutronového pole v místě vzorku (původní metoda kalibrace zdroje). Výtěžky více jak 28 reakcí typu (n,p), (n,pn), (n,2n-4n) byly zkoumány metodou gama spektrometrie. S jejich užitím byl zahájen test aktivačního kódu ALARA (FZ Karlsruhe - Univ. of Wisconsin). [C9-44,45] 

Integrální aktivační testy slitin Eurofer-97 a CuCrZr 

Jako první z plánovaných integrálních testů Evropského Aktivačního Systému (EASY) s využitím generátoru neutronů ÚJF byla provedena aktivace vzorků slitin CuCrZr (komponenta vnitřní stěny reaktoru ITER) a Eurofer-97 (testový modul IFMIF) v poli zdrojových reakcí d(17MeV)+Be a p(37MeV)+D2O. Vzorky byly ozařovány v poli rychlých neutronů s hustotou do 4 1011 cm-2 s-1 a studovány metodou gama spektroskopie. Změřené specifické aktivity produktů aktivace jsou srovnávány s predikcí aktivačních kódů FISPACT a ALARA. Výpočty jsou prováděny ve spolupráci se specialisty FZ Karlsruhe. 

Urychlovačem řízené systémy transmutačních technologií

Vnější neutronový zdroj MSR blanketu 

S cílem experimentálního studia neutroniky urychlovačem řízených systémů ADS (Accelerator Driven Systems) byla terčová stanice neutronového generátoru cyklotronu ÚJF modifikována tak, aby sloužila jako řídící neutronový zdroj modulu blanketu podkritického reaktoru . Blanket na bázi fluoridových solí byl vyvinut na Katedře jaderných reaktorů FJFI ČVUT Praha. V rámci zemí EU se soustava řadí k významným výzkumným kapacitám v oboru ADS [C9-17,24]. 

Souběžně byl zahájen program aktivačních testů pro licenční proceduru slitiny MONICR, vyvinuté na pracovišti ŠKODA J.S.a.s. jako odolný materiál pro technologii transmutorů na bázi fluoridových solí. 

Tříštivé reakce 

Výzkumný tým ÚJF se podílí na řešení projektu SÚJV “Energy and transmutation" využívající urychlovače v SÚJV Dubna k experimentálního studiu tříštivých reakcí jako potenciálních vnějších zdrojů soustav ADS. Hlavním cílem experimentů je testování modelů a knihoven účinných průřezů používaných v příslušných Monte Carlo simulacích produkce neutronů. Byly zkoumány toky neutronů emitovaných Pb terčem ozařovaným protony s energií 0.9, 1.3, 1,5 a 2.5 GeV synchrofázotronu  SÚJV. Prostorové rozložení a energetické spektrum neutronů bylo měřeno pomocí aktivačních detektorů. Získaná experimentální data testují M-C simulace programů typu LAHET+MCNP, MCNPX a dalších. V těchto experimentech byla rovněž studována transmutace dlouhodobě žijících izotopů jodu [A9-21]. Tým se podílel rovněž na provedení a analýze experimentů s násobící soustavou Pb/U (olověný terč v blanketu ze 103.2 kg přírodního uranu) ozářenou vysokoenergetickými protony ze synchrofázotronu nebo nuklotronu v SÚJV Dubně [A9-20].

Mezioborové aplikace rychlých neutronů 

Testy radiační resistence opto-elektronických a mikroelektronických prvků 

Neutronové zdroje cyklotronu ÚJF byly užity k ověření možnosti testování radiační odolnosti prvků spojových a výpočetních technologií. Ve spolupráci se specialisty Vojenské Akademie Brno byly experimentálně zkoumány radiační účinky rychlých neutronů na optické spoje (LED, světlovod a fototranzistor) a prvky s vysokou hustotou integrace (RAM). Údaje o závislosti vratných a nevratných poruch jednotlivých funkčních charakteristik na intenzitě neutronové radiace byly systematizovány [C9-30], předány kooperujícímu pracovišti a zobecněny ve formě informačního dokumentu [D9-26] pro potenciální uživatele. 
 
 

Dozimetrie ionizujícího záření:

Dozimetrie ionizujícího záření má zejména za úkol stanovovat kvantitativní i kvalitativní charakteristiky přenosu energie ionizujícího záření látkovému prostředí. Je široce multidisciplinárním vědeckým odvětvím. Zabývá se charakteristikami procesu přenosu energie od primárních dějů fyzikálního, chemického a biologického charakteru až po posuzování důsledků tohoto přenosu pro lidskou populaci vůbec a pro některé aplikace zvláště (ochrana před zářením, radioterapie, kosmický výzkum, aj.). Kapacity oddělení dozimetrie ionizujícího záření (ODZ) ÚJF AV ČR dovolují se věnovat jen některým vybraným otázkám. Zaměřujeme se zejména na oblast nízkých úrovní ozáření, zabýváme se primárními procesy přenosu energie na buněčné úrovni, koncentrujeme pozornost na takové typy záření o jejichž účincích je zatím známo jen málo.

K hlavnímu přístrojovému vybavení ODZ patří:

  • Počítačem řízené zařízení pro automatické vyhodnocování mikroskopického obrazu LUCIA G;
  • Dva kapalné scintilační spektrometry (TriCarb 1050, Quantulus 1220);
  • Svazky fotonů (60Co, 137Cs) a zdroje neutronů pro metrologii;
  • Nízkopozaďová a aktivní laboratoře pro specializované práce; a
  • Přístrojové vybavení pro metrologii a měření v komplexních polí záření, včetně neutronů a záření vysokých energií.

Radiační biofyzika

Teoretické modelování je doplňujícím zdrojem informace, dávajícím možnost pohledu na výtěžky poškození v důsledku absorpce energie IZ, jejich složení, rozlohu, strukturální a funkční důsledky. Zvláštní pozornost byla věnována v poslední době nepřímému účinku IZ na biomolekuly. Současná verze programu Radack [A10-24] dovoluje předpovědět posloupnostní, strukturální a ligandově podmíněné modulace poškození zapříčiněné účinkem radikálů v DNA, proteinech a jejich komplexech [A10-1,12,13,14]. Model byl nedávno použit k předpovědi radiolýzy DNA ”lac operator – lac repressor” protein komplexů [A10-23,35] a DNA komplexů s glycosylázami Fpg a HOGG1 zapojenými do opravování poškození DNA. Teoretické výpočty byly analyzovány a porovnány s experimentálními daty získanými ve spolupráci s Centrem molekulární biofyziky CNRS v Orléans, Francie. Výsledky vysvětlují, jak přítomnost proteinů vázaných k DNA mění charakter zlomů v DNA změnou její struktury nebo sterickým či chemickým maskováním míst pro radiolytické působení. Bylo zjištěno, že nepřímé radiační poškození proteinů závisí více na reaktivitě specifických aminokyselin v peptidech než na terciální struktuře proteinů.

Experimentální mikrodozimetrie

Mikrodozimetrie charakterizuje přenos energie IZ takovým způsobem, který umožňuje stanovit nejen kvantitativní ale i kvalitativní aspekty tohoto procesu. To dovoluje oceňovat pro různé aplikace biologickou a další účinnosti IZ. Průběžně jsme se snažili prohloubit znalosti o jednotlivých metodách experimentální mikrodozimetrie a zlepšit jejich charakteristiky. Ve spolupráci se skupinou radiační biofyziky byla vyvinuta metoda teoretické analýzy vlivu rozměru citlivé oblasti na distribuci energie na úrovni nano- a mikrometrů a použita ke srovnání odezvových charakteristik metod experimentální mikrodozimetrie [A10-22]. Vlastnosti spektrometru LPE (lineárního přenosu energie) a dalších metod byly dále zlepšeny na základě kalibrací ve svazcích vysokoenergetických těžkých iontů (NIRS Chiba, JINR Dubna) a při pilotovaných kosmických letech [D10-72,89,95]. Současnějsme takto zlepšené metody využili ke stanovení mikrodozimetrických charakteristik nových radioterapeutických zdrojů záření: zpomalených neutronů pro bórovou záchytovou terapii, rychlých neutronů zdroje 252Cf a vysokoenergetických protonů [A10-19,21,28, C10-63]. V případě protonů byla kvalita záření odvozená z fyzikálních měření přímo, s dobrou shodou, srovnána s experimentální radiobiologickou účinností. Obdobné studie byly prováděny také v jiných svazcích nabitých částic a na palubách kosmických lodí [A10-4,5,18,29,30]. Všechny tyto výsledky byly získány v široké mezinárodní spolupráci (NIRS Chiba, JINR Dubna, NRPB Chilton, DIAS Dublin, Univ. California, DLR Köln, NASA, MIT).

Radioekologie – studie antropogenních vlivů v životním prostředí

Práce, vycházející z radioekologie, byly zaměřeny zejména na studium antropogenních vlivů ve složkách životního prostředí [B10-11,16,17]. V období let 1999 až 2003 byly zaváděny a validovány nové metody stanovení radionuklidů, především metody stanovení uhlíku 14 v různých chemických formách a různých typech vzorků (s měřením uhlíku 14 ve formě benzenu či karbonátů kapalinovou scintilační spektrometrií) [C10-56,82,109]. Stanovení využívá námi navrženého malého benzenového syntetizátoru s potlačeným paměťovým efektem. Stanovení C-14 cestou syntézy benzenu ze vzorků životního prostředí bylo použito pro studium vlivu jaderných elektráren na navýšení úrovně aktivity C-14 v jejich okolí v letech 2002 až 2003 (tato studie nebyla dosud v naší zemi provedena). Výsledky sledování tritia ve srážkových vodách prováděné od roku 1991 (pro naše území nejsou k dispozici žádné další srovnatelné časové řady) byly statisticky vyhodnocovány a porovnávány s údaji ze zahraničních monitorovacích stanic. Byl doložen statisticky významný vliv antropogenních zdrojů tritia v Praze a byly rovněž získány nové poznatky o dlouhodobých trendech aktivit tritia na našem území [B10-9, C10-17,37,80,104]. V období let 1999-2002 byl řešen, rozvíjen a validován postup měření Sr-90 spolu se Sr-89 kapalinovou scintilační spektrometrií, který umožňuje indikaci přítomnosti některých rušivých radionuklidů [C10-36,83, D10-82,83].

Vnější ozáření přírodními zdroji záření

Nejdůležitější výsledky týkající se vnějších expozic přírodnímu záření byly získány pro kosmické záření, jak na zemském povrchu tak v jeho ”blízkém” okolí (v letadlech a kosmických lodích): 

  • Podařilo se uskutečnit dlouhodobá a jiná měření na palubách letadel ČSA (více než 1000 letů) a nashromáždit cenná nová data. Experimentální výsledky byly vždy srovnávány s výsledky výpočtů pomocí transportních kódů [A10-32].
  • Při těchto měřeních se nám podařilo po 30 letech ”zachytit” na palubě letadla mimořádně intenzívní sluneční erupci (GLE60, 15/04/01), a několik ”Forbushovských propadů” [A10-26,30,39]. 
  • Tyto výsledky dovolily významně zlepšit odhady expozic v podobných situacích během ”klidné” periody sluneční aktivity i za extrémních situací, významné zejména pro ochranu před zářením. Bylo uveřejněno několik přehledných článků k této problematice [A10-3,15,25, C10-107]. 
  • Několik měření bylo provedeno i na palubách kosmických lodí, s cílem upřesnit příspěvek jednotlivých komponent k celkové zátěži [A10-5,29,34]. 

Průběžně byly hledány nové a zlepšovány existující metody měření:

  • Hlavní pozornost byla věnována metodám využitelným na palubách letadel a družic, byl navržena a ověřena nová metoda [A10-33,36,37,38].
  • Metody využitelné pro další typy přírodní expozice, zvláště detektory stop v pevné fázi byly zlepšeny (úhlové a energetické závislosti odezvy) a použity k řešení některých specifických otázek(Rn, rychlé neutrony, fyzika pro lékařství) [A10-16,27, B10-3].

Nejdůležitější mezinárodní spolupráce v této oblasti souvisely s řešením projektu DOSMAX (5th FWP, 2000-2004; 13 institucí z 9 zemí), přispěly i další mezinárodní spolupráce(CERN, NIRS Chiba, JINR Dubna, IMBP Moskva, INRNE BAS Sofia, INR HAS Debrecen). 
 
 

Radiofarmaka:

V rámci tohoto tématu se zaměřujeme na skupinu radiofarmak, kterou lze obecně popsat jako léčivé přípravky určené pro cílenou diagnostiku a terapii. Tato perspektivní kategorie léčiv je charakterizována snahou o přípravu preparátů se specifickou afinitou ke zvolené orgánové struktuře nebo k suborgánovým třídám buněk daných vlastností. To je důležité zejména pro záchyt nebo léčení primárních fází řady závažných onemocnění, které se často klinicky neprojevují. V případě radiofarmak jsou takové preparáty značeny vhodnými radioaktivními prvky, které umožňují cílovou strukturu buď zobrazovat (v případě diagnostik), anebo ji vhodným způsobem ovlivňovat (v případě terapeutik). Naše metodika na tomto poli je obecně charakterizována následujícími prvky:

  • Vstupující radioaktivní látky (výchozí suroviny) jsou získávány jadernými reakcemi s využitím cyklotronu U-120M, reaktoru LVR-15, anebo nejnověji z generátorů radionuklidů. Možnost získávat radionuklidy přímo na pracovišti je důležitá zejména v případě, kdy pracujeme s krátce žijícími radioizotopy, určenými pro diagnostiku (často se jedná třeba jen o desítky minut). 
  • Výzkum, vývoj a výroba radiofarmaceutických preparátů nebo jejich složek probíhá v čistých radiofarmaceutických prostorách v souladu se zásadami správné výrobní praxe (GMP) (čistota stupně “C” až “A” podle náročnosti technologií), zpravidla za použití stíněných “polohorkých komor”. 
  • Kontrola kvality vstupujících látek, mezioperační kontrola a výstupní kontrola finálních produktů je zajišťována kontrolní laboratoří vybavenou potřebným zařízením (chromatografie různých typů, technika pro stanovení endotoxinů). Tuto kontrolu kvality je třeba provést ve velmi krátkém časovém úseku, pokud pracujeme s krátce žijícími izotopy.

Radiofarmaka založená na 81mKr, 211At a 123I

Výzkum s pomocí značených monoklonálních protilátek 

Věnovali jsme se vývoji metody, vhodné pro  radioaktivní značení vybraných monoklonálních protilátek (MaB). Prvním značeným substrátem byla nedávno připravená monoklonální protilátka TU-20 proti beta tubulinu třídy III, což je protein, specifický pro neuronální cytoskelet. K  označení biomolekuly jsme použili izotopy jodu 125I a 123I. Technikami značení in vitro na vzorcích mozkových tkání bylo potvrzeno, že vazebná specifičnost pro cílový molekulární typ zůstává zachována.

Výzkum byl zaměřen na vývoj nových typů diagnostických přípravků, které mohou dovolit in vivo zobrazení strukturálního poškození neuronů v lidském mozku. Dlouhodobým cílem tohoto výzkumu je vývoj přímé a efektivní metody zobrazování strukturální degradace neuronové tkáně pomocí postupů SPECT.

V posledních dvou létech jsme úspěšně ukončili vývoj jodačních procedur nejenom pro TU-20, nýbrž i pro další monoklonální protilátku s afinitou k antigenu TRAIL. Imunoreaktivita jodovaných biomolekul byla ověřována imunochemickou metodou ELISA, která byla vyvinuta firmou VIDIA v rámci společného výzkumného programu. Vazbové vlastnosti obou jodovaných monoklonálních protilátek ke specifickým typům buněk byly testovány pomocí in vitro inkubace v tenkých řezech mozků myší. V obou případech jsme mohli úspěšně optimalizovat syntézu. Imunoreaktivita označených protilátek byla v těchto případech 0,7-0,9 původní hodnoty. Vysoká specifičnost značených MaB k neuronové tkáni byla potvrzena autoradiografií mozkových řezů nejen u normálních myší, nýbrž i u myších mutantů Weaver, u nichž je možné pozorovat geneticky způsobenou neurodegeneraci v cerebelu.

Ačkoliv původním účelem studie bylo prozkoumání neurologických poměrů charakterizovaných zhroucením mozkové krevní bariéry např. u sklerosy multiplex a u Lymské boreliózy, studie byla postupně rozšiřována, aby zahrnovala i fyziologické poměry, nastávající při degeneraci periferních neuronů (různé typy periferních neuropatií), kdy degradované buněčné skelety mohou být monoklonálním protilátkám volně přístupné. V nedávné době jsme rovněž zahájili experimenty se značenými scFv fragmenty TU-20 na úrovni in vitro.

Studie je částí mezinárodního výzkumného programu, na němž se účastní čtyři partneři: Vidia s.r.o. (CZ), ÚJF AV ČR, Pharmacon Research inc. (D) a Oddělení neurologie 2. LF UK (CZ). [A11-3, C11-5, D11-5, E11-1]

Vývoj radiofarmak značených pomocí 81mKr, 123I a 211At

Byly vyvinuty recyklovatelné plynové terče určené pro produkční linky 81Rb a 123I. Princip obou systémů je stejný: kryogenicky recyklovaná náplň izotopově obohacených terčových plynů. Systémy poskytují beznosičové radiochemikálie 81RbCl/81mKr a Na123I s vysokou izotopickou čistotou. První radiochemikálie je v současnosti používána k výrobě 81Rb/81mKr generátorů, druhá slouží ke značení konvenčních radiofarmak (generické přípravky NAI, OIH, MIBG) a k výzkumu nových léčivých látek (psychofarmaka, MaB’s).

Ve vývoji nového terčového systému určeného pro pravidelnou výrobu 211At na vnitřním svazku cyklotronu U-120M bylo dosaženo významného pokroku. Výtěžek 211At byl ve srovnání s předchozími terči zvýšen přibližně dvakrát a tenká terčová podložka pokrytá tenkou vrstvou vizmutu dovoluje separaci astatu bez dalšího zpracování těla teče. Byla zkonstruována nová aparatura pro suchou destilaci astatu. [A11-1,2,5,6,7, B11-1, C11-1,2,3,4,6, D11-6]

Radiofarmaka pro PET

Vývoj diagnostik pro PET kamery

Bylo ukázáno, že [18F] fluorid sodný se vychytává v skeletu velmi selektivně a umožňuje velmi přesnou diagnostiku kostních metastáz na PET kamerách [C11-10]. 

Dále byl studován [18F] FLT- fluorothymidin, kterýje možné využít jako indikátor změn růstu nádorů při vyšetření “in vivo” na PET kamerách. Ukazuje se, že FLT je zabudován do DNA stejně jako thymidin a radiofarmaceutický přípravek FLT je vhodným kandidátem pro vizualizaci především rychle rostoucích nádorových buněk. Byla zvládnuta syntéza FLT v podmínkách správné výrobní praxe a s příslušnou kontrolou kvality.

Zavedení rutinní pravidelné produkce [18F]fluorodeoxyglukózy, [18F]FDG

Při jejím zavádění byl ve skupině vypracován a uveden do praktického užívání systém správné výrobní praxe – SVP. Produkt byl schválen k výrobě a registrován Státním úřadem pro kontrolu léčiv v roce 1999 a skupina doposud plně pokrývá jeho potřebu v ČR a na Slovensku s výjimkou PET kamer v Nemocnici na Homolce, kde v roce 2002 naběhla vlastní výroba preparátu. Na základě provedené studie spojené s řadou experimentů [A11-8, C11-9] byla technologie výroby v roce 2001 modifikována a výtěžky výroby byly podstatně zvýšeny. Dále bylo publikováno několik původních klinických sdělení, kde byla použita námi produkovaná [18F]FDG [A11-12,13,14].

Terapeutické zářiče β

Pro radiační synovektomii velkých kloubů b -zářením byl vyvinut přípravek [166Ho]boromakroagregáty a byla schválena jeho produkce [A11-9,11].

Další studie byla zaměřena na přípravu radiofarmaceutických přípravků , které jsou biodegradabilní a lze očekávat jejich použití mimo radiační synovektomii při léčbě onkologických onemocnění – např. primárních jaterních nádorů . Především se výzkumné práce zaměřily na studium přípravy komplexu [166 Ho]CHITOSAN a mikrosféry polymléčné kyseliny obsahující 166 Ho ([166Ho]-Poly(l-lactic acid)microspheres (PLA-MS)). Provedeny již byly nezbytné preklinické testy pro přípravu klinických studií [C11-7]. 

Cyklotron:

Izochronní cyklotron U-120M je základním experimentálním zařízením Ústavu jaderné fyziky. Slouží k urychlování lehkých iontů v širokém rozsahu energií (protony/H-: 10-38MeV, deuterony/D-: 10-20MeV, 3He+2: 17-54MeV, 4He+2: 20-40MeV). Proudy vnitřních urychlených iontů dosahují řádově stovek mikroA a proudy vyvedených iontů, v závislosti na typu režimu a energii, několika desítek mikroA. Cyklotron byl intenzívně využíván jak v základním výzkumu (např. astrofyzikální experimenty, generace rychlých neutronů pro ADTT a pro aplikace v termojaderných technologiích), tak pro výzkum, vývoj a rutinní výrobu radionuklidů pro potřeby nukleární medicíny. 

V letech 1999 až 2002 bylo hlavním cílem vývojových prací zlepšení parametrů urychlených svazků a modernizace vybraných podsystémů cyklotronu, které mimo jiné rovněž přispěly ke zvýšené provozní spolehlivosti.

Během povodní v srpnu 2002 byly téměř všechny technologické podsystémy a zařízení cyklotronu zaplaveny a došlo k jejich částečnému zničení. Po této události byla veškerá činnost soustředěna na odstranění následků povodní a zprovoznění jednotlivých technologických uzlů cyklotronu. Cyklotron byl provizorně spuštěn na začátku roku 2003. 

V současné době probíhají intenzívní práce na náhradě všech zaplavených technologických uzlů a napájecích zdrojů cyklotronu.

Zlepšení parametrů vyvedených svazků cyklotronu U-120M

Hlavním cílem obsáhlé modernizace a přestavby cyklotronu bylo zvýšení proudů vyvedených svazků až na desítky A a dosažení efektivního vývodu iontů s maximálními energiemi. V rámci tohoto projektu byl cyklotron přestavěn na urychlovač záporných iontů H-a D- a k jejich extrakci bylo využito metody přebíjení. V období 1999-2000 byl vyvinut vnitřní radiální iontový zdroj typu PIG se studenou katodou pro produkci jak kladných, tak záporných iontů. Jeho optimalizace probíhala na experimentálním zařízení [D12-4] vyvinutém pro tyto účely. Byla rovněž dokončena modernizace vakuového systému [D12-2]. Na základě výpočtů trajektorií přebitých iontů byl stanoven operační prostor pro polohy přebíjecích folií, které zajistí vývod H- a D- iontů v plném rozsahu energií. Byl navržen a vyroben mechanismus nesoucí přebíjecí folie a vyvinuta ovládací elektronická jednotka včetně řídícího software. Všechny kroky byly experimentálně ověřeny.

Projekt a zprovoznění nové ionto-optické trasy

Nová ionto-optická trasa pro svazky vyvedené metodou přebíjení rozšiřuje experimentální možnosti cyklotronu jak pro fyzikální experimenty, tak pro vývoj nových radionuklidů. Realizaci trasy předcházela měření parametrů a vlastností přebitého a vyvedeného svazku a měření rozptylových magnetických polí cyklotronu. Vytvořenými programovými prostředky [D12-7] byl simulován přenos přebitých iontů na vstup do trasy. Byl navržen a vyroben korekční magnet a podrobně změřena jeho topografie pro několik úrovní rozptylového pole cyklotronu. Pro optimalizaci ionto-optických prvků tras a přenos iontů byl použit program AGILE. Konstručně byla upravena a nainstalována optická lavice včetně korekčního magnetu a kvadrupólových čoček. Byl zrealizován projekt vakua, napájení a ovládání ionto-optických prvků a vyřešena diagnostika svazku. V roce 2001 byla trasa uvedena do provozu. Vyvedené proudy se zvýšily A.o řád a dosahují desítek

Matematická simulace dynamiky urychlených svazků 

Matematická simulace dynamiky svazku v izochronním cyklotronu U-120M sehrála významnou roli při jeho obsáhlé modernizaci. Vyvinuté programové prostředky umožňují optimalizovat parametry a studovat pohyb urychlovaných iontů během urychlovacího procesu. Výpočty trajektorií přebitých iontů byly použity při návrhu nových terčů a byly klíčové při realizaci nové ionto-optické trasy. Výpočty elektrických polí a trajektorií iontů v třírozměrném prostoru byly použity při optimalizaci geometrie centrální oblasti cyklotronu. Programy jsou provozovány v interaktivním režimu s operátorem a jsou rovněž používány pro přípravu urychlovacích režimů. Kromě zlepšené kvality urychlených svazků přinášejí díky kratší době ladění cyklotronu i snížení provozních nákladů. [D12-7]

Vývoj nových terčů a výroba nových radionuklidů 

Metodika ozařování a návrh terčů je zásadní věcí při vývoji a následné efektivní produkci nových radionuklidů. V období 1999 - 2003 byl vyvinut nový tangenciální terč pro produkci radionuklidu 211At. ÚJF se stal jedním z pěti evropských pracovišť, kde je tento radionuklid rutinně získáván. Na různých typech terčů byly získány komerčně nedostupné radionuklidy 44Ti, 208Po, 73As. V období 1999 - 2001 byl ve spolupráci s LFUK v Hradci Králové a s ORF ÚJF řešen projekt využití radioaktivních Palmaz-Schatzových stentů pro vaskulární brachyterapii. Stenty aktivované protonovým svazkem [D12-3], byly použity k potlačení restenosy pomocí lokální přesně definované radiační dávky [D11-5]. Během klinických zkoušek bylo provedeno 14 aplikací radioaktivních stentů [E12-1] pacientům na LFUK v Hradci Králové. 

 


 

    1. Mezinárodní spolupráce uchazeče/vykonavatele ve výzkumu a vývoji
      1. Účast uchazeče/vykonavatele na uskutečňování mezinárodní spolupráce ve výzkumu a vývoji realizovaná na základě mezinárodních smluv uzavřených ČR

CERN Ženeva (projekty NA45/CERES, ALICE, GRID, Virtual Monte Carlo)

SÚJV Dubna 


 

      1. Kolektivní členství uchazeče/vykonavatele v nevládních mezinárodních organizacích výzkumu a vývoje

European Centre for Theoretical Studies in Nuclear Physics and Related Fields (ETC*) Trento: ÚJF pověřen gescí pro Českou republiku.

EURADOS, skupina založená v r. 1981 s cílem stimulovat evropskou spolupráci v dozimetrii a spolupracující s DG RTD Evropské komise: Oddělení dosimetrie záření ÚJF AV ČR je hlasujícím členem

      1. Individuální členství zástupců uchazeče v nevládních mezinárodních organizacích výzkumu a vývoje

Individuální členství v mezinárodních vědeckých organizacích

American Mathematical Society: J. Dittrich, P. Exner, M. Znojil

American Neutron Scattering Association: P. Mikula

European Association of Nuclear Medicine: F. Melichar

European Mathematical Society: P. Exner

European Neutron Scattering Association (ENSA): P. Mikula

German Neutron Scattering Society: P. Strunz

Institute of Physics (United Kingdom): J. Dittrich, P. Exner

International Association of Mathematical Physics: J. Dittrich, P. Exner, H. Kovařík, D. Krejčiřík

Swiss Neutron Scattering Society: P. Strunz 
 
 

Členství ve výborech mezinárodních vědeckých organizací

Austrian Neutron Spallation Source (AUSTRON) International Scientific Advisory Committee: P. Mikula

Budapest Neutron Centre (BNC) International Scientific Advisory Committee: P. Mikula

EURADOS Council: F. Spurný

EURATOM – Pracovní skupina 5 připravující dokument Komisi o článku 31 smlouvy EURATOM týkající se harmonizace postupů v individuální dozimetrii profesně exponovaných osob: F. Spurný

European Fusion Development Agreement (EFDA) Steering Committee: J. Dobeš

European Fusion Development Agreement (EFDA) Financial and AdvisoryCommittee: V. Burjan

European Mathematical Society Executive Committee: P. Exner

European Physical Society (EPS) Council: J. Dittrich (delegát České fyzikální společnosti JČMF) 

European Physical Society (EPS) Nuclear Physics Board: V. Hnatowicz (do r. 1999), A. Kugler (od r. 1999, předseda v letech 2002-2003) 

ICRU/ICRP Tasking group preparing the recommendations on the reference data in the field of aircrew radiation dosimetry: F. Spurný

Institute Laue-Langevin (ILL) MENI Steering Committee: P. Mikula

International Union for Pure and Applied Physics (IUPAP) Commission for Mathematical Physics (C18): P. Exner (tajemník)

ISO WG 21 připravující normu o instrumentaci a interpretačních postupech pro radiační měření na palubách letadel a kosmických lodí: F. Spurný

Nuclear Physics European Collaboration Committee (NuPECC): J. Dobeš

OECD Nuclear Energy Agency, Expert Group on Isotope Supply and Demand: F. Melichar

ALICE: Collaboration Board: M. Šumbera

HADES, Rada projektu: A. Kugler

KATRIN, Rada projektu: O. Dragoun
 
 


 

      1. Smlouvy nebo společné projekty uchazeče/vykonavatele se zahraničními organizacemi zabývajícími se výzkumem a vývojem

FP5 EU, project PECNO – Perfect Crystal Neutron Optics, ERB FMR XCT 96-0057, 1997-2001.

FP5 EU, project SCANS - Software for Computer Aided Neutron Scattering (HPRI-CT-1999-50013), 2000-2003

FP5 EU, project BIOGRAD - Increasing the Performance of Total Hip Replacement Prostheses through Functionally Graded Material Innovation and Design (GRD1-2000-25332), 2002-2004.

FP5 EC, project DOSMAX (2000-2004): aircrew dosimetry and its implication to radiation protection and health effects of ionizing radiation

FP6 EU, Project NMI3 – Neutron, Muon – 3

FP6 EU - Marie Curie Program: MULTIMAT - Multi-scale modelling and characterisation for phase transformations in advanced materials

EUROATOM-IPP/NPI.CR

EFDA Technology Workprogramme, Tritium Breeding and Material, IFMIF Test Facilities

TW0-TTMI-003, 1999-2002:

D8, Activation foils and subminiature fission chambers: experimental test, 

D13, D-Li reaction source term: experimental verification of neutron yield 

D14, Cross Section Measurements and Benchmark Tests of IFMIF Neutronics, Neutron Transport on Iron 

TW3-TTMI-002, 2003-2006 

D5a, Experiments for the validation of cross-sections up to 55 MeV in an IFMIF-like neutron spectrum: Activation experiment on EUROFER 

D6a, Activation experiment on EUROFER constituents

Fusion Underlying Technology Workprogramme, Nuclear Data – IFMIF, 2003-2005

D5, Measurement and analysis of induced activation in CuCrZr irradiated in a d(17MeV) + D2O/Be white neutron spectrum 

D6, Development of monoenergetic neutron field, Tests of activation cross section measurement on tungsten, Activation cross section measurements on EUROFER constituents
 
 

ESF project Spectral Theory and Partial Differential Equations (SPECT; 2002-2006)

Brookhaven National Laboratory – experiment STAR (NSF grant, 2001-2004)

KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino experiment) – společný projekt BRD (Karlsruhe, Mainz, Bonn, Fulda), USA (Seattle), Ruska (Troick), Velké Britanie (Swansea, Daresbury) a ČR (Řež) s cílem určit hmotnost elektronového neutrina s citlivostí 0.2 eV.

Groupe de Récherche Européen Mathematics and Quantum Physics (2000-2003)

NET - Network on Neutron Techniques Standardization for Structural Integrity, Coordination of JRC-IE Petten.

COST 527.100 ”Analysis of polymer layers by nuclear analytical methods” VFN - grant IGA MZ NC-6473-3/2001

COST project X-Ray and Neutron Optics, 2004-2007.

Swedish-Czech Joint Research Project Bound states and resonances in quantum systems and waveguides

Účast v programu modernizace experimentálních zařízení (The Millenium Programme Proposals for ILL’s 5-year Development Programme ) zahájeném v r. 1999. Spolupráce s ILL Grenoble.

Spolupráce s Freie Universität Berlin v rámci mezinárodního projektu EUREKA ”NEUROTUB”, 2001-2003.

Centre de Biophysique Moleculaire CNRS, Orléans, France – experimentální studium radiačních poškození DNA, proteinů and jejich komplexů

Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire, Fontenay-aux-Roses, France: dozimetrie na palubách letadel a kosmických lodí, individuální dozimetrie, ”accidental dosimetry”

Institute of Medico-Biological Problems, RAS, Moscow – dozimetrie kosmického záření a radiační ochrana

Research and Test Center for the Radiation Safety of Cosmic Objects, Moscow – dozimetrie životního prostředí, dozimetrie kosmického záření a radiační ochrana 

Institute of Nuclear Research and Nuclear Energy, Solar-Terrestrial Influence Laboratory (both BAS, Sofia) – dozimetrie životního prostředí, individuální dozimetrie v komplexních radiačních polích, detekce a dozimetrie kosmického záření

Institute of Nuclear Research of the HAS, Debrecen – dosimetrické aplikace TED

Institute of Transuranium Elements, Karlsruhe – příprava projektu pro FP6 EU

Institute of Nuclear Physics, Krakow – dozimetrie kosmického záření, biofyzika, projekt od r. 2004

Česko-Japonská dvoustranná spolupráce: Projects ME170 Quantum Dynamics, Geometry and Topology (1998-2001) and ME482 Quantum Dynamics, Integrable and Chaotic Systems (2002-2004) v rámci programu KONTAKT MŠMT

Česko-americká dvoustranná spolupráce: Project ME 643 Asymptotic Normalisation Coefficients in Nuclear Astrophysics (2003-2006) v rámci programu KONTAKT MŠMT
 
 
 
 


 

      1. Další formy mezinárodní spolupráce

Neformální smluvně nepodložená spolupráce téměř ve všech oblastech činnosti ÚJF.

Dlouhodobé pobyty pracovníků ÚJF na zahraničních pracovištích (6 měsíců a delší)

J. Adam (st.), P. Čaloun, Z. Hons, A. Kovalík, L. Michajlov, J. Vincour, I. Zvára: SÚJV Dubna (mnohaleté pobyty trvající v současnosti)

M. Běgusová: společná doktorantura University v Orléansu a ÚJF AV ČR, pobyt v Centre de Biophysique Moléculaire CNRS, Orléans (26 měsíců, ukončen v prosinci 1999)

M. Běgusová: Radiation Laboratory, University of Notre Dame, Indiana, USA (16 měsíců, duben 2000 - červenec 2001)

I. Hřivnáčová: CERN (6 měsíců, červenec 1999 – prosinec 1999 a 24 měsíců duben 2000 – březen 2002, pak požádala o skončení pracovního poměru v ÚJF)

H. Kovařík: postdoktorální pobyt v Departement de Physique Mathématique, EPFL Lausanne, (7 měsíců, říjen 2001 – duben 2002)

H. Kovařík: Mathematisches Institut A, Universität Stuttgart (od května 2002 dosud, zatím 18 měsíců)

D. Krejčiřík: společná doktorantura Univerzity v Toulonu a Varu a Univerzity Karlovy v Praze, pobyt v CPT CNRS Marseille-Luminy (15 měsíců v letech 1999-2001)

D. Krejčiřík: Laboratoire de Mathématiques, Université de Reims (12 měsíců, říjen 2001-září 2002)

D. Krejčiřík: postdoktorální pobyt v Departamento de Matemática, Institut Superior Técnico, Lisbon (od února 2002, zatím 9 měsíců)

J. Kulda: ILL Grenoble (mnohaletý trvající pobyt)

P. Navrátil: Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, USA (mnohaletý trvající pobyt)

K. Němcová: stipendium Marie Curie, Department of Mathematics, Sussex University, Brighton (6 měsíců, říjen 2002 – březen 2003)

F. Pernička: MAAE Vídeň (mnohaletý trvající pobyt)

V. Petráček: Institute of Physics, University of Heidelberg (několikaletý trvající pobyt)

J. Rak: Institute of Physics, University of Heidelberg, nyní Iowa State University, Ames, Iowa, USA (několikaletý trvající pobyt)

P. Strunz: HMI Berlin (36 měsíců, leden 1999 – prosinec 2001) 

P. Strunz: PSI Villigen (18 měsíců, říjen 2002 – březen 2004)

J. Vacík: Advanced Science Research Center of Japan Atomic Energy Research Institute, Japonsko (36 měsíců v letech 1999-2001 a 6 měsíců v r. 2002) 

Dlouhodobé pobyty zahraničních pracovníků v ÚJF (6 měsíců a delší)

S. Kondej (Wroclaw University): 13-ti měsíční postdoktorální pobyt na Oddělení teoretické fyziky ÚJF (leden 2002 - leden 2003)

V. Kušpil, S. Kušpilová (SÚJV Dubna): mnohaletý trvající pobyt na Oddělení jaderné spektroskopie ÚJF (od r. 1997 dosud)

M. Suleymanov (SÚJV Dubna): 2-letý pobyt na Oddělení jaderné spektroskopie ÚJF (červenec 2001 – červen 2003)
 
 

Zahraniční doktorandi školení v letech 1999-2003 v ÚJF

Bulharsko 1, Rusko 2, Slovensko 5, Ukrajina 2 

Vyslání pracovníků ÚJF na Expertní mise Mezinárodní agentury pro atomovou energii

J. Kučera: Expertní mise MAAE ”Neutron activation analysis for food and environmental monitoring”, Libye, 1 týden, 2001.

J. Kučera: Expertní mise MAAE ”Evaluation of the NAA capabilities for arsenic determination”, Bangladeš, 1 týden, 2003.

P. Mikula: Expertní mise MAAE ”Establishment of SANS: Improvement of existing spectrometers”, Pákistán, 1 týden, 2000. Oceněná generálním ředitelem dr. Nisarem Ahmadem medailí PINSTECH.

Z. Řanda: Expertní mise MAAE ”Assessment of possibilities for isotope production”, Armenie, 1 týden, 2003.

J. Šaroun: Expertní mise MAAE ”Establishment of SANS: Improvement of existing spectrometers”, Pákistán, 2 týdny 2003.

Členství v redakčních radách mezinárodních časopisů

J. Dobeš, V. Hnatowicz: Czechoslovak Journal of Physics - členové mezinárodního poradního sboru 

P. Exner: Journal of Physics A: Mathematical and General (Institute of Physics, UK)

F. Spurný: Radioprotection (SFRP, France)

F. Spurný: Radiation Protection Dosimetry (Nuclear Technology Publishing, UK)

F. Spurný: Radiation Measurements (Elsevier, USA) , associated editor

F. Spurný: Nuclear Energy Safety (Česká republika a Slovenská republika)

Pořádané a spolupřádané mezinárodní akce

3rd International Conference on Accelerator Driven Transmutation Technologies and Applications, Průhonice, 7.-11.6.1999.

12th Indian-Summer School, Relativistic Heavy Ion Physics (RHIP-99), Praha, 30.8.-3.9.1999.

Two Arms Photon Spectrometer Collaboration Workshop (TAPS-99), Řež, 4.-8.9.1999.

Prague Quantum Spring (workshop), Praha, 13.3.-18.6.2000.

CERES – spring 2000 (CERES collaboration meeting), Praha, 1.-2.6.2000.

ČS - HADES Workshop, Třebíč, 10.-12.7.2000.

13th Indian-Summer School of Physics ”Understanding the Sructure of Hadrons”, Praha, 28.8.-1.9.2000.

CERN Accelerator School, Particle Accelerators for Medicine and Industry, Průhonice, 9.-17.5.2001.

8th International Conference ”Mesons and Light Nuclei '01”, Praha, 2.-6.7.2001. 

14th Indian–Summer School of Physics ”Understanding the Structure of Hadrons”, Praha, 9.-13.7.2001.

Mezinárodní škola o jaderně fyzikálních metodách a urychlovačích v biologii a medicíně, Ratmino u Dubny, Ruská federace, 27.6-11.7.2001. ÚJF byl spolupořadatelem školy.

Joint Czech-Japan Workshop on Selected Topics in Hypernuclear Physics, Praha, 6.-9.1.2002.

14th International Radiochemical Conference, Mariánské Lázně, 14.-19.4. 2002.

Workshop ”Guided Quantum Particles: from Mathematics to Mesoscopics'', Praha, 

10.-14.6.2002.

European Activation File (EAF) 2003 International Workshop, Praha, 24.-26.6.2002.

11th Symposium on Capture Gamma-Ray Spectroscopy and Related Topics, Průhonice, 2.-6.9.2002.

Workshop projektu BIOGRAD, Praha, 3.-4.2.2003.

Czech-Taiwanese Workshop on the Intermediate- and High-Energy Physics, Praha, 

3.-5.3.2003.

4th KATRIN Plenary Sesion, Řež, 2.-4.6.2003.

Workshop ”Pseudo-Hermitean Hamiltonians in Quantum Physics”, Praha, 16.6.-17.6.2003.

15th Indian–Summer School of Physics ”Understanding Dense Matter”, Praha, 27.8.-1.9.2003.

Workshop ”Problems with Moving Boundaries”, Praha, 15.10.-18.10.2003.

 


 

    1. Rozpočet uchazeče/vykonavatele na výzkum a vývoj v předcházejících 5 letech v tis. Kč

Rok

Institucionální podpora ze stát. rozpočtu

Účelová podpora ze stát. rozpočtu

Jiné zdroje

Specifikace jiných zdrojů

1999

63 479

73 436

 

22 601

zahraniční granty, ostatní mimorozpočtové příjmy

2000

75 460

77 708

37 983

zahraniční granty, dary, ostatní mimorozpočtové příjmy

2001

78 386

84 586

49 006

zahraniční granty, ostatní mimorozpočtové příjmy

2002

96 577

55 946

43 861

zahraniční granty, pojistné plnění, ostatní mimorozpočtové příjmy

2003

(stav 31.10.2003)

123 700

 

36 216

31 230

zahraniční granty, fond solidarity EU, jiná činnost, ostatní mimorozpočtové příjmy

  1. Popis výzkumného záměru
    1. Vymezení předmětu výzkumné činnosti realizované ve výzkumném záměru


 

ÚJF AV ČR se orientuje na základní výzkum v oblasti hlavních trendů jaderné fyziky a dalších úzce souvisejících oborů. Dále na aplikace jaderné fyziky a jejích metod v interdisciplinárním a orientovaném výzkumu. Hlavní tématické okruhy základního výzkumu budou následující.

Studium silně interagující hmoty ve srážkách těžkých iontů 

Výzkum vlastností horké stlačené hadronové hmoty a jejich fázových přechodů, hledání partonových efektů a kvark-gluonové plazmy. Účast v experimentech na zařízení RHIC v Brookhaven National Laboratory, v projektu ALICE na urychlovači LHC v CERN, v projektech HADES a CMB v GSI Darmstadt.

Jádra vzdálená od linie stability

Výzkum exotických jader s velkým přebytkem neutronů a protonů. Účast v experimentech na urychlovači GANIL ve Francii a v SÚJV Dubna.

Jaderná astrofyzika

Výzkum jaderných reakcí lehkých jader důležitých pro astrofyziku. Experimenty na cyklotronu U-120M v ÚJF AV ČR a na cyklotronu A&M University v Texasu. 

Určení hmotnosti neutrina elektronovou spektroskopií

Rozvoj jaderné spektroskopie nízkoenergetických elektronů zaměřený na určení hmotnosti elektronového neutrina ze spektra záření beta tritia. Účast v mezinárodním projektu KATRIN v Karlsruhe. 

Teorie

Studium struktury jader a hyperjader, interakcí hadronů s jádry při nízkých i vysokých energiích, vlastností hadronů v jaderné hmotě. Studium hmoty na úrovni kvarků a gluonů. Studium elektroslabých interakcí.

Matematická fyzika 

Rozvoj a aplikace matematického aparátu kvantové mechaniky, která je základem jaderné fyziky a fyziky pevných látek. Matematicky přesně řešitelné geometricky netriviální modely inspirované problémy nanoskopické fyziky pevných látek. Studium teorií s nehermiteovskými hamiltoniány.

V interdisciplinárním a orientovaném výzkumu budou hlavní tématické okruhy následující. 

Jaderné analytické metody 

Rozvoj a implementace jaderných analytických metod využívajících jak svazky neutronů reaktoru tak svazky nabitých částic elektrostatického urychlovače. Užití jaderných analytických pro potřeby jiných oborů, např. materiálový výzkum, ekologii, biologii, chemii, archeologii.

Neutronová difrakce

Rozptyl neutronů na kondenzovaných látkách, studium jejich struktury, materiálový výzkum – např. studium ocelí. Neutronová optika. Experimenty u reaktoru LVR-15 v Řeži, včetně účasti zahraničních skupin, i v zahraničí.

Jaderná fyzika pro budoucí energetické technologie

Studium fyzikálních procesů důležitých pro nové perspektivní energetiké technologie- urychlovačem řízené transmutační systémy a fúzní systémy. Měření jaderně fyzikálních dat. Zapojení do národních, evropských a celosvětových výzkumných programů. 

Dozimetrie ionizujícího záření

Rozvoj dozimetrie a mikrodozimetrie ionizujícího záření. Měření záření přírodních zdrojů i produkovaného lidskou činností, pro účely ekologie i určení profesní expozice a radiační ochrany. Experimentální a teoretické studium biologických účinků ionizujícího záření. 

Radiofarmaka

Výzkum a vývoj radiofarmak na bázi isotopů fluoru, holmia, kryptonu, astatu a dalších prvků. Radiofarmaka s krátce žijícími isotopy pro užití v positronové emisní tomografii. Spolupráce s lékařskými pracovišti. 

Cyklotron U-120 M

Rozvoj cyklotronové techniky. Modernizace uzlů cyklotronu U-120M, zejména iontových zdrojů, vakuového systému, řídícího softwaru. Po získání nového elektrostatického urychlovače jeho instalace, instalace iontové trasy a terčíkových systémů. Dokončení zásadní rekonstrukce mikrotronu. 

 


 

Příloha k bodu C1: samostatný list "Klíčová slova"
 

    1. Současná úroveň dosaženého poznání a stav probíhajícího výzkumu v oblasti předmětu výzkumného záměru z mezinárodního a národního hlediska


 

Jaderná fyzika tvoří podstatnou součást moderní fyziky. Rozvoj současných a budoucích experimentálních zařízení přináší zcela nové možnosti studia jader a jaderné hmoty ve velmi extrémních podmínkách. Očekává se, že tento výzkum zásadním způsobem ovlivní naše chápání silných interakcí a silně interagujících systémů. 

Jaderná fyzika má rovněž významný vliv na jiné oblasti fyziky a zásadní aplikační dopady v mnoha oblastech vědy a technologie. V rozvíjejících se oborech nanotechnologií a nových materiálů budou mít jaderné techniky značný rozsah použití. Jaderné metody jsou nepostradatelné i v mnoha oblastech věd o živé přírodě a medicíny. 

Cílem základního výzkumu v jaderné fyzice je pochopení a popis složitých systémů interagujících silnou interakcí. V tomto ohledu se očekává, že studium jader vzdálených od linie stability a jaderné hmoty za extrémních podmínek přinese výrazně nové efekty a podstatně přispěje k pochopení vlivu nenukleonových a partonových stupňů volnosti. Studium jaderných reakcí má významný přínos pro popis astrofyzikálních procesů. Precisní elektronová spektrometrie nabízí jedinečnou možnost pro přímé stanovení hmotnosti neutrina, fundamentální veličiny současné fyziky. Popis hadronů a hadronových systémů je velkou výzvou pro oblasti teorie fyziky kvantových mnohočásticových systémů a kvantové teorie pole. Studium matematických základů kvantové teorie v rámci aparátu funkcionální analýzy v Hilbertových prostorech dává možnosti ověřování obecných postupů na rigorosních výsledcích v jednoduchých modelech. 

Významným rysem současné jaderné fyziky je rozvoj jejích aplikací a průnik do dalších oblastí základního i aplikovaného výzkumu. Jaderné analytické metody nacházejí široké uplatnění v oblasti od materiálového výzkumu po biologii a ekologii. Difrakce a rozptyl neutronů jsou neodmyslitelnými nástroji moderního výzkumu v oblasti kondenzovaných látek a materiálů. Nové perspektivní metody pro budoucí jaderné energetické systémy vyžadují podstatný vklad jaderné fyziky v oblasti jaderných dat a neutroniky. Pochopení biologických účinků ionizujícího záření a zdokonalení jeho dozimetrie má významný dopad v biologických a medicínských oborech. Podobně výzkum a vývoj radioizotopů a radiofarmak nabízí nové diagnostické a terapeutické prostředky pro medicínu. 

Vývoj v České republice odpovídá hlavním celosvětovým trendům. Zásadní experimenty probíhají dnes převážně na velkých zařízeních v rámci mezinárodních kolaborací. Česká fyzika je úspěšně zapojena do těchto aktivit. Význam mají nadále i aktivity na menších zařízeních, kterými Česká republika disponuje (cyklotron, reaktor), a to jak v oblasti základního výzkumu (jaderná astrofyzika), tak především v interdisciplinárních a aplikovaných oblastech. Ukazuje se, že zde lze provádět výzkum, vytvářet podmínky a budovat zařízení přitažlivé i pro zahraniční partnery.

 


 

    1. Vztah problematiky výzkumného záměru k výzkumnému zaměření uchazeče/vykonavatele a jeho souvislost s dlouhodobým výhledem rozvoje výzkumu a vývoje uchazeče/vykonavatele


 

Problematika výzkumného záměru se kryje s celkovým výzkumným zaměřením ÚJF – výzkumem v oblasti jaderné fyziky a v některých souvisejících oborech, včetně aplikací. Vychází z dlouhodobých tradic, zkušeností a předchozí činnosti ústavu. Bere ale plně ohled na současné světové trendy a požadavky aplikační sféry. Zcela odpovídá dlouhodobému výhledu ÚJF AV ČR.


 
 
 

    1. Dosavadní podíl uchazeče/vykonavatele na řešení problematiky výzkumného záměru v národním a mezinárodním kontextu


 

Pracovníci ÚJF se podíleli na řešení fundamentálních otázek jaderné fyziky v rámci mezinárodních spoluprací. Ve fyzice těžkých iontů se účastnili experimentů, které poprvé indikovaly možnou existenci kvark-gluonového plazmatu [A1-20] a určily charakteristiky expandující jaderné hmoty po srážce [A1-48]. Spolupracovali v experimentech vedoucích k objevení nových magických čísel pro jádra s přebytkem neutronů [A2-27 ]. Provedli měření jaderných reakcí důležitých pro astrofyziku [A3-29 ]. Přispěli k vyřešení otázky existence neutrin s hmotností v oboru 14-17 keV [A4-4 ]. Reakcemi (n,g) určili energetická spektra isotopů teluru [A2-38 ]. Provedli řadu výpočtů produkce a vlastností hyperjader [A5-6,46 ] včetně návrhů experimentů pro zahraniční experimentální skupiny [C5-10 ]. Vyvinuli kovariantní popis inelastického rozptylu elektronů na deuteronech [A5-14 ]. Tvořili jednu z vůdčích skupin v teorii kvantových vlnovodů.

Zásadní byl příspěvek ÚJF k rozvoji jaderných aplikací v České republice. Pracovníci ústavu získali neutronovou difrakcí poznatky o vývoji substruktury vybraných druhů ocelí, slitin a keramik během deformace. Rozvinuli jaderné analytické metody a užili je k řadě interdisciplinárních měření, mezi jiným ke studiu polymerů implantovaných ionty [A7-115 ]. Vyvinuli výkonný generátor rychlých neutronů a provedli sérii testů neutroniky fúzních systémů [A9-24]. Studovali radiační poškození DNA [A10-13,23,24]. Sledovali ionizující záření na palubách letadel včetně unikátního měření vlivu sluneční erupce [A10-26 ]. Stanovili 14C v životním prostředí, zejména v okolí jaderných elektráren a uvolněný spalováním fosilních paliv [C10-82 ]. ÚJF se podařilo zavést produkci krátkožijících radioizotopů pro pozitronovou emisní tomografii a stát se jejich klíčovým dodavatelem pro česká a slovenská lékařská pracoviště.


 

    1. Vymezení cílů výzkumného záměru


Studium silně interagující hmoty ve srážkách těžkých iontů:

Cílem jednoho z   hlavních směrů jaderné fyziky v současnosti je studium vlastností horkého a hustého silně interagujícího média (jaderné hmoty). Zatímco srážky těžkých iontů při relativistických energiích dávají informaci především o hadronové fázi jaderné hmoty při vysokých hustotách, ultra-relativistické energie umožňují studium jak hadronových tak i partonových stupňů volnosti při nízkých baryonových hustotách a vysoké teplotě. 

Flow (směrovaný výstřik) hadronů produkovaných během srážky je jev kolektivní povahy specifický pro srážky těžkých iontů oproti nukleon-nukleonovým srážkám. V nedávné době byl tento jev pozorován jak při relativistických (urychlovač SIS v GSI) tak při ultra-relativistických (urychlovač SPS v CERN a urychlovač RHIC v BNL) energiích. 

Změna klidových hmotností a dob života mezonů v jaderném médiu je další jev specifický pro srážky těžkých iontů. Z předchozích studií vyplývá, že souvisí pravděpodobně především se změnou baryonové hustoty media. Nejvyšší baryonová hustota media by měla být dosažitelná na urychlovačovém komplexu připravovaném v GSI, který má začít pracovat okolo roku 2010. 

Velmi důležitým aspektem je také ověření fázového přechodu z hadronové fáze jaderného media do takzvané kvark-gluonové plazmy, neboli partonové fáze, který se očekává při dosažení dostatečně vysoké teploty (hustoty energie). První náznaky existence kvark-gluonové plazmy byly pozorovány v datech z experimentu na urychlovači SPS v CERNu v roce 2000. Nedávné výsledky z urychlovače RHIC v BNL , mimo jiné i z experimentu STAR, dávají podstatně silnější důvody pro tvrzení, že kvark-gluonová plazma byla skutečně detekována. Je tedy velmi pravděpodobné, že bude možné studovat detailně tuto novou fázi jaderné hmoty na v současnosti budovaném urychlovači LHC v CERN v rámci experimentu ALICE. 

Od HADESu k CBM

Dlouhodobým programem skupiny HADES je systematické studium produkce di-leptonových párů ve srážkách hadronů a těžkých iontů s jádry a hledání předpokládaných projevů nastolování chirální symetrie. Během srážky relativistických těžkých iontů vzniká přechodný stav stlačené a horké jaderné hmoty. V oblasti energií urychlovačů SIS a Bevalac (1-2 A.GeV) se dosahují baryonové hustoty 2-3 ró0 a teploty okolo T=60-90 MeV na dobu trvající okolo 10 fm/c, zatímco pro energie dosahované na urychlovači SPS v CERNu (160-200 A.GeV ) jsou odpovídající hodnoty hustoty 4-5ró0, teploty T=130-160 MeV a doby trvání 5 fm/c. Předchozí studie oznámily přebytek di-leptonových párů v oblasti invariantních hmotností nižších než je hmotnost ró mezonu v obou zmíněných energetických režimech. Takový přebytek by mohl být spojen s předpovídaným poklesem klidové hmotnosti ró mezonu způsobeným vzrůstem baryonové hustoty okolního prostředí.

Předpokládá se mnohem lepší rozlišení v určování invariantní hmotnosti u spektrometru HADES než tomu bylo u předchozích zařízení. To by mělo v principu umožnit pozorování předpovídaného posunu úzkého píku odpovídajícího mezonu omega s relativně dlouhou dobou života (doba života 3.4 fm/c, šířka ~ 8.4 MeV/c2, Momega ~ 782 MeV/c2 ), který se rozpadá uvnitř nebo vně jádra. Protože výsledný tvar předpokládaného spektra di-leptonových párů je tvořen příspěvky z řady různých primárních zdrojů, je pro jeho plné kvantitativní popsání potřeba studovat jak elementární reakce (píp, pp) tak i jaderné reakce vyvolané hadrony (pípA) a srážky těžkých iontů (AA). 

Urychlení těžkých iontů na energie 8 AGeV na připravovaném urychlovačovém komplexu SIS100 v GSI umožní studovat ”in-medium” změnu vlastnosti Fmezonu pomocí upgradu HADESu. Pro studium vlastností open charm (půvabných) mezonů při ještě vyšších hustotách budou potřebné energie svazku okolo 36 AGeV dostupné na SIS300 a nový Compressed Baryon Matter (CBM) spektrometr s jiným rozsahem v rapiditě, vyšší granularitou v přední hemisféře a podstatně přesnějším ”trackingem” umožňujícím přesněji definovat polohu vertexu. Odpovídající aktivity při vývoji nových sub-detektorů, simulace experimentu i detektorů apod. začnou v nejbližší době, aby bylo možné spustit CBM detektor po roce 2010. 

Od STARu k ALICE 

Výsledky nedávných experimentů na RHIC naznačují, že v centrální oblasti rapidit dochází k formování extrémně ”neprůzračného” partonového media, kde dominují ”final state” interakce. Zdá se naopak že ve fragmentační oblasti rapidit dominují ”initial state” interakce a dochází k formování velmi hustého gluonového pole (color-glass-condensate). Na LHC se očekává podstatnější vliv saturace a tudíž ”initial state” interakce bude dominantní i při nižších hodnotách příčné hybnosti a v centrální oblasti rapidit Tento nový předpokládaný jev, který je velmi zajímavý z teoretického hlediska, jistě bude rozsáhle studován. Hlavní experimentální metody dostupné na ALICE v tomto kontextu jsou studia:

- inkluzivní produkce kolimovaných spršek částic pocházejících z  partonové fragmentace (jet) ve srovnání s ekvivalentními pp srážkami

- azimutální anizotropie (elliptic flow)

- dvoučásticové úhlové korelace

- produkce částic s obsahujících charm (půvabnými) a beauty (krásnými) kvarky

V detektorové oblasti je skupina zaměřena na křemíkové driftové detektory, které jsou též společným jmenovatelem jejích současných aktivit: studium produkce půvabných mesonů na SPS (experiment NA45/CERES, od roku 1997), studium mnoho částicových korelací na RHIC (experiment STAR, od roku 2000) a příprava experimentu s těžkými ionty na LHC (experiment ALICE, od roku 1993). 

V experimentu STAR se účastníme projektu Silicon Vertex Tracker (SVT) a aktivit ve fyzikálních pracovních skupinách HBT a Event Structure. Nejbližším cílem (2004-6) je prokázat, že hmota vytvořená ve srážkách těžkých iontů na RHIC má skutečně partonovou povahu. V dlouhodobějším plánu umožní zvýšení luminosity RHIC po roce 2007 měření produkce půvabných částic. Skupina se účastní programu inovace SVT, který umožní tato měření. S ohledem na množství a kvalitu současných i očekávaných výsledků STAR může být odůvodněné pokračovat v naší účasti na experimentu STAR i po spuštění LHC.. 

V ALICE se skupina účastní projektů Inner Tracker System a Offline. S blížícím se spuštěním urychlovače LHC v roce 2007 porostou nároky na naši účast v ALICE. To s největší pravděpodobností způsobí ukončení našich aktivit v NA45.
 
 

Jádra vzdálená od linie stability:

Silnou motivací pro revizi struktury jader vzdálených od linie stability je oèekávání, že prùzkum neznámých oblastí nuklidù bude mít dopad na celou jadernou fyziku. Znalosti jaderných vlastností v oblastech vzdálených stabilitì rovnìž pomáhají objasnit zpùsob, jakým pracují hvìzdné reaktory a jak byla vytvoøena hmota ve vesmíru. Narušení jaderných slupek pak souvisí s pozorovaným výskytem prvkù v pøírodì.

Nová zařízení pro výzkum jaderných reakcí a jaderné struktury s užitím radioaktivních svazků (RNB) jsou připravována jak v Evropě, tak v USA a Japonsku. Nový urychlovač je konstruován v GSI (NSR), na projektu RIA je pracováno v USA.

V GANILu bude vybudováno zařízení SPIRAL II, které bude určeno k produkci intenzivních radioaktivních svazků. Plně v provozu by mělo být v roce 2005 a bude mít pozici na špičce v tomto oboru zhruba do roku 2012. Spolu s novým experimentálním vybavením jako jsou magnetické spektrometry VAMOS a LISE2000, či 4p - gama detektor EXOGAM, který byl uveden do provozu minulý rok umožní detailně studovat nová exotická jádra a zkoumat jejich základní vlastnosti.

Náš výzkum bude zaměřen na následující problémy:

  • Hranice stability, která je dnes známa pro kyslík a lehčí prvky, bude hledána pro další jádra v této oblasti, se zvláštním důrazem na 33F a 40Mg.
  • Struktury halo a skin budou studovány na linii dripline v oblastech lehkých a středně těžkých jader.
  • Další studium v tomto regionu bude zaměřeno na měření hmot neutrono-bohatých jader a určení jejich separačních energií, což umožní určit změny v chování uzavřených slupek, analogické změnám pozorovaným u lehčích jader. Pozornost bude věnována nízkoležícím excitovaným stavům obtížně dosažitelných neutronobohatých jader pomocí Coulombické excitace a fragmentace. Energie hladin rovněž dávají velmi užitečnou informaci o jaderných slupkách a magických číslech v blízkosti hranice stability.
  • Doby života vzbuzených úrovní jader a jejich struktura bude studována u neutronobohatých jader v blízkosti některých dvojitě magických jader jako 78Ni a 132Sn pomocí svazků radioaktivních iontů urychlovačů GANIL a ISOLDE/CERN. Další měření isospinových příměsí v základních stavech některých isotopů bylo již schváleno v ISOLDE/CERN. Studium by mělo vyjasnit systematickou závislost isospinových příměsí na jaderných parametrech v blízkosti linie N=Z.

Jaderná astrofyzika:

Metoda Asymptotických Normalizačních Koeficientů (ANC), vyvinutá v ÚJF ve spolupráci s Texaskou A&M Universitou, se ukázala jako velmi užitečná technika pro určování intenzity přímého protonového radiačního záchytu v oblasti nejnižších energií kde běžné metody měře- ní jsou prakticky vyloučené. Cyklotron U-120M v ÚJF je svými parametry (optimální energetický rozsah, monochromatický svazek, možnost urychlovat těžší ionty atd.) velmi vhodným prostředkem astrofyzikálního výzkumu. Rovněž budou pokračovat společné experimenty s Texas A&M Universitou a LNS Catania. 

Astrofyzikální aktivity založené na interpretaci ANC metody budou zaměřeny na ověření její platnosti i pro reakce radiačního záchytu částic apři syntéze jader během heliového hoření ve stelárním prostředí. Důležitost tohoto výzkumu spočívá v tom, že přímá měření v astrofyzikální oblasti energií jsou prakticky vyloučena v důsledku extrémně nízkých účinných průřezů těchto reakcí.

Jiná nepřímá technika, Trojan-Horse metoda, byla v minulosti vyvinuta skupinou v LNS Catania. S použitím svazku 3He bude na našem cyklotronu studována možnost absolutizace této metody kombinací s metodou ANC. To by znamenalo nový trend rozvoje nepřímých metod v jaderné astrofyzice.

Reakce s přenosem částic budou realizovány rovněž na Texaském pracovišti v reakcích s těžkými ionty 8B, 12N a 13N, což umožní určit přímé komponenty záchytu v reakcích důležitých jak z hlediska vývoje supermasivních hvězd tak z hlediska relace mezi reakcemi v obyčejném a “horkém” HCNO cyklu. 

V laboratoři LNS v Catanii připravujeme studium reakcí a -částicového přenosu s využitím Li– svazků na tandemovém urychlovači. Pomocí reakce 13C(6Li,d)17O v subcoulombické oblasti energií plánujeme provést test naší ANC metody i pro případ záchytu částic a . Zároveň hodláme určit S – faktor reakce 13C(a ,n)16O která je hlavním zdrojem neutronů pro s – procesy syntézy těžkých elementů ve hvězdném prostředí. Spolehlivá hodnota intenzity této reakce dosud není známa.

Experimenty s přenosem protonů v reakcích CNO a NeNa cyklů budou pokračovat i na cyklotronu ÚJF v Řeži. Cílem je získat intenzity reakcí vedoucích k syntézám těžkých elementů.
 
 

Určení hmotnosti neutrina elektronovou spektroskopií:

Soustředíme se na mezinárodní neutrinový projekt KATRIN, jehož cílem je přesně změřit koncovou oblast spektra btritia a stanovit hodnotu nebo horní hranici hmotnosti elektronového neutrina na úrovni 0,2 eV. Nenulovost hmotnosti neutrina je nyní všeobecně přijatým faktem, ale její velikost zůstává zatím neznámou. Hmotnost neutrina má přitom zásadní důležitost pro řadu fyzikálních oborů. V kosmologii povede jednak k určení podílu neutrin na temné hmotě vesmíru jednak usnadní interpretaci budoucích měření mikrovlnného pozadí a měření galaktického rudého posuvu . V astrofyzice zlepší znalost hmotnosti neutrina popis budoucích výbuchů supernov. A v neposlední řadě je určení hmotnosti neutrina jednou z nejvýznamnějších úloh částicové fyziky. Hlavní předností experimentu KATRIN je jeho kinematická podstata, díky které neobsahuje nedostatky vyvolané nezbytností modelových představ (např. modelu atomového jádra či supernovy).

Naším úkolem je zajistit energetickou kalibraci spektrometru nové generace, který bude mít nevídané parametry. Ještě náročnějším úkolem je zajištění dlouhodobé stability energetické stupnice na úrovni miliontin. Při řešení těchto úloh budeme využívat své dlouholeté zkušenosti z přesných měření a vyhodnocování elektronových spekter.

Naši práci lze rozdělit do několik etap. V letech 2004-2006 dokončíme systematickou studii možných zdrojů systematických chyb a nalezneme nejvhodnější zdroje pro kalibraci a monitorování energetické stupnice spektrometru. Budeme se podílet na přípravě monitorovacího spektrometru v Mainzu (2004-2005) a jeho instalaci v Karlsruhe (2006). Zúčastníme se zkoušek celkové sestavy experimentu KATRIN (2007) a rovněž samotného experimentu (tj. sběru dat a jejich vyhodnocování), který bude probíhat od roku 2008 nejméně do roku 2010. 
 
 
 
 

Teorie:

Hadronová fyzika a neporuchová QCD se budou v následujících letech nepochybně dále rychle rozvíjet. Oddělení teoretické fyziky se bude na tomto vývoji aktivně podílet. Budeme přitom vycházet z dosažených výsledku a fungujících mezinárodních spoluprací. Zároveň je důležité včas reagovat na nově se objevující myšlenky a problémy. Proto musíme soustavně rozvíjet a prohlubovat naše znalosti moderních kvantově-mechanických, mnohočásticových a polních metod a přístupů. Z témat, které je žádoucí v následujících letech pozorně sledovat, lze uvést: efektivní polní teorie, fyziku confinementu, kvarkové modely a dualitu, hadronovou fenomenologii při vyšších energiích, fyziku systémů s nenulovou podivností, kovariantní popis systémů několika částic. 
 

Hadrony a baryonové systémy

Hadrony v jaderném prostředí

Chování a vlastnostem hadronů v jaderném prostředí je v posledních letech věnována mimořádná pozornost. Podivné částice (hyperony a kaony) mají speciální význam pro studium silných interakcí, protože představují jedinečnou sondu centrální oblasti atomových jader. Svědčí o tom probíhající a plánované experimenty v KEK, Jefferson Lab, GSI, DAFNE a Japan Hadron Facility. S ohledem na naše minulé aktivity a získané zkušenosti a na zájem, který naše výsledky vyvolávají, plánujeme pokračovat ve studiu chování podivných hadronů v jaderném prostředí. Tento program zahrnuje 

  • popis multibaryonových systémů a studium interakcí baryonů s baryony a mezonů s baryony
  • studium charakteristik exotických atomů (pionových, kaonových atd.)
  • studium potenciálů působících mezi hyperony (kaony) a atomovými jádry prostřednictvím reakcí vedoucích ke vzniku hyperjader nebo produkci kvazi-volných hyperonů
  • studium chování baryonových systémů s podivností při extrémních podmínkách

Slabé rozpady hyperjader

Studium exkluzivních rozpadů hyperjader 10BeL a 10BL nabízí jedinečnou možnost určit všechny nezbytné maticové prvky slabé interakce LN => NN. Bude pokračovat analýza schváleného experimentu (Nuklotron, SÚJV Dubna) věnovaného bezmezonovým slabým rozpadům těchto hyperjader a studium vlivu jaderné struktury na tyto rozpady. Předpokládáme, že se zúčastníme analýzy získaných dat (cca 2006) a možné přípravy podobných experimentů v Jefferson Lab (elektromagnetická produkce a následné bezmezonové slabé rozpady hyperjader) a na zařízení FINUDA (Frascati).

Elektromagnetická produkce podivnosti

Experimenty plánované v Jefferson Lab (urychlovač elektronů CEBAF 6 GeV), v KEK (velice kvalitní svazek pionů), BNL (svazek K-) a v DAFNE (svazek kaonů s nízkou energií) poskytnou nová, přesná data o fyzice podivných částic a jejich interakci s atomovými jádry. Plánovaná experimentální zařízení (zvýšení energie urychlovače CEBAF z 6 na 12 GeV, Japan Hadron Facility s kvalitními svazky kaonů a bohatým hyperjaderným programem) budou znamenat nový kvalitativní skok, umožňující studium QCD v neporuchovém režimu. Zúčastníme se teoretické analýzy nových experimentálních dat 

  • nová přesná data z fotoprodukce K+ˇzískaná nedávno na detektoru CLAS 
  • elektroprodukce hyperjader 9LiL, 12BL ,28AlL, 51TlL v r. 2004
  • fotoprodukce mezonů K0 na deuteriu (experiment probíhá na universitě Tohoku).

Extensivní studium struktury produkovaných hyperjader, polarizační jevy při elektroprodukci a zkoumání izobarických modelů elementární amplitudy ve světle nových experimentálních dat bude důležitou součástí našich budoucích aktivit.

Studium srážek protonů s protony, protonů s jádry a jader s jádry při vysokých energiích

Objem experimentálních údajů z relativistických jaderných srážek rychle roste. Již prvé výsledky relativistické jaderné fyziky svědčí o důležitosti studia škálové invariance (samopodobnosti) v jaderných srážkách a její souvislosti s kvark-gluonovým plazmatem. Obzvláštní zájem budí hledání nových regularit, které odrážejí tuto vlastnost a mohou být citlivé k průběhu fázového přechodu od hadronových ke kvarkovým a gluonovým stupňům volnosti. Porovnání z-škálování v proton-protonových a proton-jaderných srážkách s údaji ze srážek jader a jádry na urychlovačích RHIC a LHC může poskytnout cenné informace o exotických fyzikálních jevech, jako např. vznik kvark-gluonového plazmatu. 

V příštích letech se soustředíme na:

  • studium multiplicit a distribuce impulsů částic produkovaných při různých kinematických podmínkách
  • studium semiinkluzivních spekter a mnohočásticových korelací při vysokých energiích
  • zkoumání obecných vlastností produkce pionů ve srážkách pp, pA a AA, jejich vztah s fraktalitou a prověrka z-škálování
  • studium produkce těžkých mezonů v závislosti na transverzálním impulsu a vůni produkovaných částic
  • fenomenologická analýza nových experimentálních dat o mnohočásticové produkci.

Málonukleonové systémy a mezonové stupně volnosti

Naše aktivity v uplynulém období a naše fungující spolupráce dovolují stanovit dobře definované plány pro nadcházející období.

Jelikož máme už podrobně rozvinut propracovaný formalismus pro kovariantní popis dvoučásticových a tříčásticových systémů, musíme provést řadu aktuálních výpočtů pro jednotlivé reakce - dokončit studium deuteronové elektrodezintegrace a začít s kovariantními výpočty odpovědí třínukleonového systému (které předtím nikdy nebyly provedeny). Výsledky těchto výpočtů jsou předmětem bezprostředního zájmu rovněž pro experimentátory v Jeffersonově laboratoři a na ostatních experimentálních pracovištích (MIT BATES, TUNL, Groningen), kde je produkováno velké množství velmi přesných dat. Tato data tvrdě omezí teoretické modely hadronové dynamiky a popisu málonukleonových systémů. Vyvinutá technika – společně s přístupy založenými na spektrálním rozkladu – by mohla být také užita ke studiu struktury hadronů: k získání kovariantní vertex-funkci vázaného stavu pro kvarkovo-antikvarkový a tříkvarkový systém, a k studiu její modelové závislosti a souvislosti s partonovou distribuční funkci při malých Q2.

Protože zatím není jasné, jak konsistentně rozšířit kovariantní formalismus nad práh pionové produkce, budeme pokračovat ve studiu mezonového produkčního mechanismu (a souvisejících procesů generujících třínukleonové síly) rovněž v tradičnějším kvantově mechanickém rámci (v němž jsou relativistické efekty včleněny poruchově). Zajímavé aktuální problémy v této oblasti zahrnují stanovení role nebornovských kontaktních interakcí a energetickou závislost mechanismu rozptylu virtuálních pionů.

Studium struktury efektivních chirálních lagrangiánů se záměrem: (i) včlenit mezon sigma, aby lagrangián byl úplně kompatibilní s jadernými silami; (ii) následně zkonstruovat efektivní polní teorii zahrnující těžké mezony.

Budeme pokračovat ve zkoumání slabých interakcí v nejlehčích jádrech, zejména zahrneme kanál nabitého proudu do existujících výpočtů pro reakci neutrino–deuteron a prozkoumáme modelové závislosti mezonových výměnných proudů.
 

Kvantová teorie pole a mnoha částic pro jaderné a subjaderné systémy

Algebraické modely

Algebraické modely poskytují vhodný a často používaný rámec pro interpretaci a popis kolektivních jaderných stavů. Jejich přesná řešitelnost rovněž umožňuje studium různých aspektů obecného mnohočásticového popisu jader a dalších kvantových systémů.

Bude studován problém párování ve fermionových systémech s několika stupni volnosti, který má význam nejen pro jádra na N=Z linii, ale také pro vysokoteplotní nebo barevnou supravodivost. V těchto případech metody středního pole často selhávají a přesně řešitelné modely mohou poskytnout návod pro konstrukci aproximativních postupů. Algebraických modely budou rovněž aplikovány při fenomenologický popis kolektivních stavů v jádrech. 

Teorie pole subjaderných systémů

Chceme dále rozvíjet program studia chladných uspořádaných fází QCD hmoty. Protože QCD je správná teorie silných interakcí, požadavek na pochopení všech oblastí jejího fázového diagramu je velice oprávněný. Takové fáze mohou najít realizaci v nitrech kompaktních hvězd a také v budoucích experimentech (GSI), zaměřených na testování chladné hmoty bohaté na baryony. Protože formalismus kvantových kapalin je poměrně univerzální, budeme také sledovat vývoj v oblasti vysokoteplotní supravodivosti.

S využitím naší zkušenosti s modely konfinujícího média a s pomocí našeho nového náhledu na poruchové nestability QCD budeme studovat detailnější efektivní Ginzburgovy-Landauovy modely motivované QCD, které nakonec mohou být použity k popisu dat pro těžké ionty. 

Elektroslabé interakce

Chceme rozvinout nové semi-kvantitativní pochopení problému dynamického narušení symetrie do modelu generace hmoty. Věříme, že je přirozené zavést skalární pole s yukawovskými interakcemi s fermiony rozlišujícími mezi jednotlivými rodinami. Nicméně hmotu částic by mělo být možné generovat bez kondenzace skalárního pole, protože ta je nepřirozená. Jakýkoli model generace hmoty bude brzy konfrontován s výsledky LHC, které by měly podle očekávání objasnit původ hmoty částic. Zkoumán bude také model generace hmoty s ohledem na hmotu neutrin.
 
 

Matematická fyzika:

Aktivita skupiny se zaměří na rozvoj efektivních matematických metod pro použití v různých oblastech kvantové fyziky; především budeme mít na zřeteli aplikace ve fyzice pevných látek, zvláště pak pro mesoskopické a nanoskopické struktury, stejně tak jako nehermitovské hamiltoniány s možným využitím v jaderné fyzice atd. Zatímco obecné cíle můžeme bez pochyb formulovat, seznam konkrétních úkolů na následujících 5-6 let má do jisté míry zkusmý charakter, neboť zkušenost ukazuje, že priority se mohou měnit a s časem se mohou objevit přitažlivější náměty.

Zde je naše současná představa o problémech, jež si zaslouží zkoumání. Kvantové grafy beroucí v úvahu tunelový jev stojí za další studium; považujeme je za užitečný model, jenž už vedl k novým kvantovým jevům a může přinést další. Náš záměr je zaměřit se speciálně na takové struktury z hlediska rozptylu, vlivu vnějších polí a mnohočásticových jevů. Co se týče kvantových vrstev modelující polovodičové vrstvy na geometricky netriviálním substrátu, budeme studovat rozptyl, jakož i poruchovou teorii, řešitelné modely a isoperimetrické problémy. Pro geometrické rozptylové systémy je nejdůležitější otázkou podle našeho názoru, v jakém smyslu aproximují mnohomódové vlnovodné soustavy různé povahy, kvantové, elektromagnetické apod. Naším záměrem je též pokusit se o řešení některých dlouhodobě neřešených problémů jako jsou např. spektrální charakter Wannier-Starkových delta systémů, platnost Bethe-Sommerfeldovy hypotézy ve vlnovodech atd.; odpověď na kteroukoli z těchto otázek by jistě přitáhla pozornost všech, kdo se matematickou fyzikou zabývají.

Co se týče námětů s možnými aplikacemi v jaderné fyzice, astrofyzice apod., soustředíme se na pseudohermitovské hamiltoniány, zvláště v relativistickém kinematickém režimu, a jejich fenomenologické aplikace. Prozkoumáme též energetickou závislost efektivních hamiltoniánů v souvislosti se spontánním narušením PT-symetrie. Budeme se také zabývat přesnou řešitelností calogerovských mnohočásticových modelů nulového řádu a efektivitou nových aproximačních schémat (1/L rozvojů). Na fundamentálnější úrovni máme v úmyslu hledat a zkoumat nové role, jež může hrát supersymetrie.
 
 

Jaderné analytické metody:

Jaderné analytické metody jsou uznávány jako významné a dokonce nepostradatelné nástroje stopové a ultrastopové elementární analýzy v některých vědeckých a technických oborech vzhledem k jejich výhodným vlastnostem (nízké meze detekce, multielementní charakter, speciální potenciál pro správnost, atd.). Na druhé straně zaznamenalo použití těchto technik v posledních dvou desetiletích útlum, zvláště pak NAA v důsledku ukončení provozu některých experimentálních reaktorů v Evropě, nedostatku nových výzkumných pracovníků a také vzhledem k vzrůstající dostupnosti jiných metod stopové prvkové analýzy. Aby byly zachovány existující zkušenosti a znalosti jaderných analytických metod a udržena jejich současná pozice, je zapotřebí radikálního a jednotného přístupu. Toto téma bylo diskutováno také na zvláštním zasedání Mezinárodní agentury pro atomovou energii (MAAE) v červnu 2002 a na výroční konferenci MAAE za rok 2002. Jedním z  klíčových bodů společného postupu je vytvoření národních (regionálních) jaderných analytických center.

ÚJF již je národním centrem a je vhodným kandidátem na regionální (evropské) centrum vzhledem k jedinečnému arzenálu jaderných analytických technik (neutronová a gama aktivační analýza – NAA a GAA, rentgenová fluorescenční analýza – XRF, techniky s použitím iontového svazku - PIXE, PIGE, RBS, ERDA, PESA) a dostupných ozařovacích zařízení (experimentální reaktor 10 MW s licencí do r. 2014, mikrotron 20 MeV, starý VdG urychlovač, v  r. 2004 bude zakoupen nový 3 MV tandemový urychlovač. Navíc se ÚJF nedávno stal novým členem “Transnational Access Program” jako součástí 6. rámcového programu EC společně s NFL Studsvik pro využití 10 MW experimentálního reaktoru. MAAE již posílá do ÚJF uchazeče z rozvojových zemí k studijním pobytům v oboru NAA.

Činnost a výsledky skupiny jaderných metod jsou uznávány na národní i mezinárodní úrovni, což lze doložit např. účastí v mezinárodních výzkumných programech. Naše studie např. dokázala, že informační hodnota pro Mn a certifikovaná hodnota pro V v referenčním materiálu NIST SRM-1648 a informační hodnota pro F v NIST RM-8414 byly chybné. Odborníci ze skupiny jaderných metod také přispívají do monografií, účastní se konzultačních a poradních zasedání MAAE, expertních misí organizovaných MAAE do rozvojových zemí jako Libye, Bangladéš, Arménie, a prezentují vyzvané přednášky na mezinárodních konferencích. Spolupracují s řadou výzkumných institucí v zahraničí i v České republice.

V období 2005-2010 budou dále rozvíjeny i analytické metody na svazcích urychlených nabitých částic zejména s využitím nového tandemového urychlovače, jehož nákup a instalace se předpokládá v r.2005. Kromě zdokonalení již existujících metod (RBS, ERDA, PIXE, PIGE) se předpokládá vývoj a osvojení nových (analýza odražených atomů metodou doby letu - ERDA-TOF, RBS s kanálováním, urychlovačová hmotnostní analýza-AMS), které nejsou zatím v ČR k disposici. Dále budou rozvíjeny i promptní metody prvkové analýzy a hloubkového profilování na externím svazku neutronů z reaktoru VVR-15. Výzkumné aktivity budou zaměřeny zejména na: 

  1. Výzkum procesů v povrchových vrstvách pevných látek, významných pro vytváření nových struktur s potenciálními aplikacemi v bio-medicině (např. nové biokompatibilní materiály) a strojírenství (např.tvrdá pokrytí)
  2. Studium nových progresivních materiálů a nano-struktur s potenciálními aplikacemi v mikroelektronice a optoelektronice
  3. Studium kontaminace vnějšího prostředí s cílem identifikace hlavních zdrojů toxických látek a způsobů jejich šíření prostředím
  4. Prvková analýza pro bio-medicínský výzkum (vývoj a využití terapie zhoubných nádorů neutrony)
  5. Modifikace látek iontovými svazky s cílem vytváření nových struktur a nano-kompozitů s význačnými optickými, elektrickými a magnetickými vlastnostmi
  6. Studium interakce energetických iontů s pevnými látkami
  7. Studium jaderných reakcí významných pro astrofyziku

Předpokládá se spolupráce s tradičními a novými partnery v ČR a v zahraničí. Významná bude účast na projektu ISOLDE-CERN (studium difúze lehkých prvků v materiálech iontových zdrojů) a ITER (studium konstrukčních materiálů) a spolupráce v rámci programu EURATOM 6.FP pro vývoj a výzkum (plasmově deponované polymerní pokrytí pro aplikace v medicíně, vytváření bariérových vrstev a vrstev s význačnými tribologickými vlastnostmi).

V období 2005-2010 budou rovněž rozvíjeny metody NAA a PAA, tak aby bylo dosahováno vysoce přesných výsledků pro další prvky, zejména v  nanomolárních a sub-nanomolárních koncentrací. Toho bude dosaženo především vývojem nových metod RNAA a RGAA v kombinaci s pokročilými metodami měření aktivity, jako je např. měření aktivity s potlačením Comptonova pozadí. 

Je plánován vývoj nových metod RNAA pro stanovení chalkofilních prvků pro geo- a kosmochemický výzkum a pro stanovení Re ve vzorcích životního prostředí a v biologických vzorcích, neboť údaje o výskytu těchto prvků jsou v celosvětovém měřítku velmi neúplné. Bude pokračovat program “Použití jaderných analytických metod ke studiu expozice člověka toxickým prvkům z  potravin kontaminovaných průmyslovou činností” koordinovaný MAAE. Dalším důležitým okruhem zájmu bude vývoj metod NAA s  předaktivační separací pro speciaci (určení fyzikálně-chemické formy) prvků. Kombinace postupů předaktivační a radiochemické separace bude rozvíjena pro stanovení přirozených a umělých radionuklidů, např. ke stanovení 40Ar pro zpřesnění geologického datování K-Ar metodou, nebo 129I jako významného radiotoxického štěpného produktu se vzrůstajícím výskytem v životním prostředí. V geo- a kosmochemických aplikacích se bude souběžným použitím INAA a IGAA, patrně i RNAA a RGAA, pokračovat v objasnění původu vybraných geologických formací, tektitů a meteoritů. Očekává se, že porostou požadavky na použití INAA a RNAA v chemometrii, tj. pro kontrolu jakosti a přípravu referenčních materiálů ve spolupráci s jejich významnými producenty, např. U.S. NIST. ÚJF se také účastní v programu “Virtual Institute for Reference Materials”, který je součástí programu “Growth” 6. Rámcového programu EC. 
 
 

Neutronová difrakce:

Neutronový rozptyl představuje důležitou a nenahraditelnou metodu při studiu struktury a dynamiky kondenzovaných látek. V oblasti materiálového výzkumu dává jedinečnou možnost hloubkového nedestruktivního pohledu na strukturu průmyslových a nově vyvíjených komponent s dopadem na optimalizaci technologie výrobního procesu. Specifické vlastnosti interakce neutronu s hmotou umožňují získat komplementární a dodatkové informace k těm, které byly získány jinými metodami. Studované systémy jsou často poměrně komplexní (např. sváry, vícefázové, porózní a superplastické materiály, složité struktury), které jsou v praxi často vystaveny poměrně drsným (chemickým, mechanickým, tepelným a procesním) vnějším vlivům. V takových případech jsou neutrony velice vhodné k tzv. experimentům in situ. Jejich vysoká pronikavost většinou materiálů je předurčuje k nedestruktivním měřením reálných průmyslových komponent po výrobě nebo dokonce za provozních podmínek. Proto v experimentech na difraktometrech určených pro měření mřížkových deformací neutrony nám umožňují získat informace o napěťových podmínkách hluboko ve zkoumaném materiálu. Podobně, metoda maloúhlového rozptylu neutronů může poskytnout informace značného rozsahu o substrukturních objektech (např. precipitátech, pórech a jiných nehomogenitách), které jsou důležité jak pro výzkumné pracovníky, tak konstruktéry a pracovníky řízení výrobního procesu. Je zřejmé, že z tohoto pohledu hrají neutrony klíčovou roli při nedestruktivních testech, optimalizaci provozních technologií a k "zviditelnění" napěťových stavů materiálu. V souladu s nejnovějšími trendy výzkumu technologicky zajímavých materiálů v ČR a ve světě výzkumné problémy a úkoly řešené skupinou neutronové difrakce (nanokrystalické pearlitické oceli, TRIP-oceli, materiály s tvarovou pamětí, superslitiny na bázi niklu, plasmaticky stříkané materiály, superplastické keramiky) jsou vysoce aktuální. Dokladem toho je široká mezinárodní spolupráce. 

Neutronodifrakční studium zbytkových napětí v polykrystalických materiálech

Budou prováděny následující výzkumné aktivity: 

  • Studie deformačních mechanismů nanokrystalických perlitických ocelí in situ pod vlivem vnějšího mechanického zatížení (ve spolupráci s Ibaraki University v Hitachi, Japonsko a SÚJV Dubna).
  • Studie martensitické transformace v slitinách s tvarovou pamětí in situ pod vlivem vnějšího mechanického a tepelného zatížení (ve spolupráci s Fyzikálním ústavem AV ČR, Ibaraki University a Universitou v Loghborough).
  • Studie jevu TRIP (transformation induced plasticity) v kombinaci mechanické a tepelné zátěže in situ (ve spolupráci s Technickou Universitou Košice a COMTES FHT Plzeň).
  • Texturní měření a studie mřížkových mikrodeformací vyvolaných plastickou deformací (válcováním) kovových materiálů (ve spolupráci s Výzkumným a zkušebním ústavem U.S. Steel Košice).
  • Studie mřížkových deformací silně ozářených materiálů používaných ke konstrukci reaktorových nádob (ve spolupráci s Ústavem jaderného výzkumu, a.s.). 
  • Aktivní účast v mezinárodním Networku NET - Network on Neutron Techniques Standardization for Structural Integrity. 
  • Poskytování experimentálních difrakčních zařízení (difraktometry TKSN-400 a SPN-100) vnějším uživatelům evropské neutronové komunity v rámci programu Transnational Access, který je součástí projektu FP6 - NMI-3.

V budoucnosti skupina neutronové difrakce připravuje v oblasti materiálového výzkumu program umožňující získávání komplexních experimentálních dat, k čemuž plánuje provedení modernizace zastaralého texturního difraktometru a vybudování práškového difraktometru středního rozlišení. 

Neutronová optika

Jsou plánovány následující výzkumné úkoly:

  • vývoj a testy nových zejména dispersních monochromátorů a analyzátorů pro difraktometry a spektrometry s vysokým a ultravysokým rozlišením (meznárodní projekt COST - Action P7 (X-Ray and Neutron Optics), spolupráce s PTB Braunschweig a KAERI Daejon).
  • vývoj neuronooptických prvků na bázi Braggovy difrakční optiky pro zařízení měřící průletovou metodou TOF (spolupráce s JAERI Tokai a KEK Tsukuba).
  • zahájení nových studií a experimentálních testů tzv. “neutron phase transformers” na bázi ultrazvukově kmitajících krystalů (ve spolupráci s Hokaido University a KEK Tsukuba). 

Monte Carlo – vývoj programu RESTRAX

Budou prováděny následující výzkumné práce:

  • Spolupráce s autory dalších dvou programů podobného typu (McStas a VITESS) probíhala za podpory R&D projektu Evropské Unie (SCANS) a její pokračování v průběhu 6. rámcového programu (účast v projektu FP6 NMI3 - Joint Research Activities JRA7: Monte Carlo Simulation for Neutron Scattering Instruments (MCNSI)). 
  • Vývoj realistické simulace nových komponent užívaných u moderních spektrometrů (fokusující Braggova optika, multiplexní analyzátory pro rychlý sběr dat apod.) a nástrojů pro analýzu experimentálních dat, které by umožnily uživatelům vytěžit maximum fyzikálních informací z jejich měření. 
  • Sladění 3 programových balíkù (RESTRAX, McStas, VITESS), pøíprava úplné dokumentace, domovské stránky, uživatelské manuály a možnost pøipojení uživatelských pøíspìvkù. Snahou bude vytvoøit spoleèný formát dat, zabudovat realistické parametry vzorkù a možnost bezproblémového použití pro prùletové experimenty TOF. 

SANS – maloúhlový rozptyl neutronů

Budoucí aktivity na poli SANS budou zaměřeny hlavně na: 

  • Studium mikrostruktury materiálů pro vysokoteplotní aplikace (superslitiny, keramiky), kde rozptyl neutronů není jen doplňkovou ale spíše nevyhnutelnou metodou, neboť poskytuje informace, které nelze jinými metodami získat. Očekáváme rozšíření studia Ni superslitin během tepelného zpracování, které může vyústit v optimalizaci této procedury.
  • Studium keramických materiálů, kde lepší porozumění vztahům mezi mikrostrukturou a způsobem zpracování může také vést k optimalizaci mechanických a tepelných parametrů. V obou případech půjde o zkoumání in-situ za simulovaných provozních podmínek, což umožní přímo studovat procesy probíhající během zpracování a provozu těchto materiálů a pomoci tak spolehlivě předpovídat jejich životnost.
  • Studium porozity superplastických keramík.
  • Poskytování difraktometru DN-2 vnějším uživatelům evropské neutronové komunity v rámci programu Transnational Access, který je součástí projektu FP6 - NMI-3. 

Abychom zůstali na tomto poli konkurenceschopní s ostatními laboratořemi neutronového výzkumu v zahraničí, úsilí bude také zaměřeno na zlepšení vybavení pro tzv. ‘sample environment’ (prostředí vzorku). Konkrétně se jedná o pořízení vysokoteplotní pece pro měření in-situ na SANS a dalších neutronových přístrojích v ÚJF Řež. 
 
 

Jaderná fyzika pokročilých energetických technologií:

Soudobý výzkum a vývoj pokročilých energetických systémů, k nimž patří především termojaderná technologie a rovněž budoucí koncepce bezpečných - urychlovačem řízených transmutačních reaktorů (ADS), jsou významným způsobem závislé na souběžném vkladu a rozvoji poznatků jaderné fyziky. V ÚJF bude výzkum v této oblasti nadále tvořit významnou složku.

Termojaderné technologie

Neutronika a jaderná databáze mají podstatný význam v rozvoji Evropského Termojaderného Programu (viz P. Batistoni, U. Fischer and R.A. Forrest, Needs for Nuclear Data Development and Improvement in the Fusion Technology Program in 2002-2006 and Beyond, EFF-DOC 828). Z hlediska specifických požadavků projektu IFMIF (International Fusion Material Irradiation Facility) je prioritní úlohou program integrálních experimentálních testů pro ověřování a validaci jaderných dat v poli neutronů simulujícím IFMIF spektrum. Ve stejném energetickém oboru je požadována validace a kompletace databáze pro neutronovou aktivaci. 

V předchozích výzkumech realizovaných v ÚJF jsme poprvé prokázali vhodnost reakcí rozbití deuteronu svazky urychlených protonů a iontů 3He pro simulaci neutronového pole vysokých intenzit se spektrálním složením, simulujícím spektrum neutronového zdroje IFMIF. Vyvinutý terč s proudící těžkou vodou pro externí svazky cyklotronu ÚJF je originálním řešením vysokovýkonného generátoru rychlých neutronů, postrádajícím jak toxicitu terčového media, tak termo-technologická omezení výkonu jak je tomu v dosud tradičních cyklotronových zdrojích s Be terčem. V současné době je ÚJF jedinou laboratoří v rámci zemí EU, která disponuje neutronovým generátorem se spektrálními charakteristikami IFMIF. Průtočný těžkovodní terč umožňuje dosahovat pole rychlých neutronů s hustotou nedostupnou pro obdobné cyklotronem řízené zdroje. 

V programu dalšího rozvoje tematiky aplikace rychlých neutronů v energetických technologiích v UJF je připraven vývoj terčové stanice cyklotronu pro produkci pole monoenergetických neutronů středních energií (do 35 MeV). Má umožnit rozšíření tematiky integrálních testů na kompletaci databáze účinných průřezů interakce neutronů s látkou. K prioritním úlohám programu bude patřit průřezová databáze pro nuklidy (Be,Pb,W) materiálů typu keramických "množičů" termojaderného paliva, varianty aktivačně resistentních ocelí Eurofer a j. Rovněž aktivace příměsí v technologických prvcích reaktoru ITER a systému IFMIF je úlohou vysoké priority. Význam vytváření této databáze je posílen i signifikantní přítomností rychlých neutronů v systémech ADS. 

Výzkumné aktivity ÚJF v termojaderné problematice bude i nadále probíhat v těsné smluvní spolupráci se specialisty FZ Karlsruhe, ENEA Frascati, CEA Cadarach a UKAEA Culham v rámci účasti ÚJF v Technologickém Programu EFDA (European Fusion Development Agreement). 

Urychlovačem řízené transmutační technologie 

Výzkum v oboru neutroniky a jaderné databáze hraje významnou úlohu rovněž ve vývoji urychlovačem řízených systémů ADS (Accelerator Driven Systems). Projekt SAD (Subcritical Assembly in Dubna) je jedním z ambiciozních mezinárodních projektů tohoto oboru. Je zaměřen na výzkum charakteristik ADS v experimentech, využívajících svazek protonů Fazotronu SÚJV jako externího zdroje podkritického, uran-plutoniového MOX blanketu. 

V hodnoceném období se výzkumné týmy ÚJF podílely na experimentálních studiích ADS systému zejména v oboru spektroskopie záření gama, ve kterém patří k respektovaným specialistům. Jejich příspěvek k řešení projektu SAD a dalších projektů SÚJV je předpokládán i v dalším období. Prioritní úlohou zůstane výzkum produkce neutronů v tříštivých reakcí a účinných průřezů transmutace jader jako experimentálních testů vývoje a užití výpočetních kódů pro popis procesů vzniku a šíření tříštivých neutronů v prostředí ADS.

Vývoj terčové stanice cyklotronu pro produkci mono-energetických neutronů středních energií (do 35 MeV) je vedle termojaderného programu cílen rovněž na úlohy kompletace účinných průřezů neutronového transportu a aktivace neutrony v materiálech soustavy terč/blanket transmutoru na bázi fluoridových solí (projekt Konsorcia ADTT ČR) 

Rychlé neutrony v interdisciplinárních oborech

Ve srovnání se standardní neutronovou aktivační analýzou pomocí termálních neutronů jaderného reaktoru představují pole rychlých neutronů cyklotronu metodickou přednost ve variabilitě energie a tím v možnosti dosáhnout v analýze stopových prvků selektivní aktivace vybraného nuklidu a minimalizace interferujících procesů. Aktivační měření budou doplněny experimenty pro kompletaci dosud neúplné databáze. 
 
 

Dozimetrie ionizujícího záření:

Je několik problémů, jejichž řešení vyžaduje další úsilí v oblasti základního výzkumu v dozimetrii ionizujícího záření. Uvažují-li se zejména účinky záření na biologické úrovni a na člověka, pravděpodobně nejdůležitější problémy lze formulovat takto:

  1. Mechanismy účinků záření na molekulární a buněčné úrovni nejsou dobře známy pro žádný typ a energii záření.
  2. O účincích na člověka záření s vyšším lineárním přenosem energie ( nad řádově 1 až 10 keV/mm v tkáni) je známo jen velmi málo.
  3. Není dostatečně vyjasněno, jaký je vliv na člověka záření při nízkých dávkách (pod 10 mSv) či nízkých dávkových příkonech. 

Libovolná data, která pomohou zlepšit znalosti v těchto směrech budou vítány.

Posuzujeme-li z tohoto hlediska výše uvedené výsledky, získané v ODZ ÚJF AV ČR v období 1999-2003, lze konstatovat, že řada z nich se již zabývala výše uvedenými otázkami. Radiační biofyzika a experimentální mikrodozimetrie řešila některé problémy společné bodům 1 a 3, stanovení charakteristik expozice záření v životním prostředí pak ty, které se dotýkají společně bodů 2 a 3. Chceme proto v započaté orientaci pokračovat a dále ji rozvíjet i v letech 2005-2010.

Radiační biofyzika

Dlouhodobým cílem skupiny radiační biofyziky je vývoj teoretických a experimentálních prostředků pro studium biologických účinků ionizujícího záření na molekulární úrovni. Teoretické modelování bude nadále pokračovat. velké úsilí však bude směřováno k zavedení metodik experimentální radiobiologie. Účinky ionizujícího záření na molekulární úrovni, zejména na DNA a proteiny, budou studovány s využitím metod molekulární biologie, zejména agarosové a polyakrylamidové sekvenční elektroforézy. Případné experimentální studie biologických účinků ionizujícího záření na buněčné úrovni budou prováděny v úzké spolupráci s kompetentními biofyzikálními a medicínskými laboratořemi.

Experimentální mikrodozimetrie

V experimentální mikrodozimetrii budou práce v letech 2005-10 zaměřeny na charakteristiky polí a svazků záření se zvýšeným lineárním přenosem energie (>10keV/mm ve vodě). Radiobiologické efekty na člověka nejsou v této oblasti doposud dostatečně podrobně známy, jejich znalost je však důležitá v různých aplikacích (částicová radioterapie, expozice kosmickému záření při delších expedicích ap.). Byly již navázány mezinárodní kontakty s některými obdobně zaměřenými pracovišti (skupina pro dozimetrii na palubě ISS, NIRS Chiba, JINR Dubna, CERN, program ENLIGHT/EU, atd.). Některé společné experimenty s biofyzikálními pracovišti se také připravují.

Radioekologie – studie antropogenních vlivů v životním prostředí

Z hledisek radioekologie, radionuklidového datování nebo využití stopovacích technik rozšiřují informace o obsahu radionuklidů a jejich trendech ve složkách životního prostředí naše poznatky o životním prostředí a antropogenních vlivech při nízkých dávkách či nízkých dávkových příkonech. Studie zaměřené na antropogenní vlivy budou vycházet z nově zavedených a validovaných metod stanovení radionuklidů, zejména C-14. Radiouhlíkové datování bude využíváno v rámci řešení interdisciplinárních projektů. Část radiouhlíkové datovací kapacity laboratoře bude využita pro potřeby vědeckých pracovníků z oblasti archeologie, geologie, hydrogeologie a klimatologie.

Budou rozvíjeny, validovány metody stanovení radionuklidů a jejich chemických forem za účelem určení úrovní obsahu radionuklidů v rozličných typech složek životního prostředí (např. Pb-210 a jeho dceřinné radionuklidy v sedimentech), jejich trendů a jejich pohybu v rámci potravinového řetězce (umělé radionuklidy včetně alfa zářičů).

Vnější ozáření přírodními zdroji záření

Předpokládá se, že získávání a analýza nových dat o vnější expozici přírodnímu záření budou v letech 2005-10 rozšířeny. Jeho význam dále poroste v souvislosti s rozvojem některých lidských činností (letecká doprava, výzkum vesmíru). Úroveň ozáření na palubách letadel a družic se v období slunečního minima (2006-2007) zvýší, údaje v těchto podmínkách jsou doposud vzácné. Tato data o úrovních expozice záření vysokých energií a s vysokými hodnotami LPE při nízkých úrovních dávky či dávkového příkonu budou tvořit základ znalostí nezbytných pro vytváření koncepcí a přístupů z hlediska ochrany před zářením. Z metodického hlediska se předpokládá vypracování komplexního souboru informací o charakteristikách stopových detektorů a jejich aplikace v životním prostředí na Zemi, včetně vysokých nadmořských výšek, na palubách letadel a v kosmickém prostoru. Rovněž se očekává pokračování metrologické činnosti s cílem zlepšení postupů podle TRS No.398, MAAE (2002). Stávající mezinárodní spolupráce budou pokračovat a některé další, související se zmíněným rozšířením programu, jsou plánovány.
 
 

Radiofarmaka:

Oblast radiofarmak určených pro cílenou diagnostiku a terapii představuje celosvětově preferovanou výzkumnou kategorii s těsnou vazbou na vývoj a výsledky biotechnologií, jmenovitě v oblastech rekombinantních technik a genových manipulací. Poznatky farmacie a radiofarmacie zpětně ovlivňují směřování uvedených biologických disciplin, poskytujíce zároveň řadu nástrojů, použitelných k ověřování a kontrole výsledků těchto oborů.

Radiofarmaka založená na 81mKr, 211At a 123I

Výzkum nových radiofarmak a léčivých látek se bude soustřeďovat na značení biomolekul radioizotopy jodu a astatu pro cílenou diagnostiku a terapii. V souladu a výsledky našich předchozích výzkumu se budeme věnovat vybraným monoklonálním protilátkám, jejich scFv fragmentům a dalším perspektivním biologickým nosičům. 

Vývoj technologií cyklotronových terčů bude soustředěn na zjednodušování terčových systémů a zlepšování jejich efektivity v parametrech výtěžností, ztrát a odpadů. Tyto aktivity budou orientovány zejména na obohacené cyklotronové terče.
 
 

Radiofarmaka pro PET a Endoradioterapeutika

Vývoj nových radiofarmaceutik značených 18F pro PET diagnostiku představuje významný úkol, který může zvýšit specifiku a redukovat nejednoznačnosti, které v některých případech ovlivňují PET vyšetřování. 

Výzkum a vývoj nových terapeutik s aktivním beta nuklidem bude zaměřen na cílenou terapii onkologických onemocnění a neinvazivní léčení chorob kloubů. Bude rovněž prováděn výzkum a vývoj farmaceutik pro krvetvorné orgány, kde použitý radionuklid musí být v beznosičové formě.

Bude prováděn vývoj [18F]FLT (fluorothymidin) pro specializovanou onkologickou PET diagnostiku. Ukazuje se, že [18F]FLT – fluorthymidin je velmi vhodný diagnostický přípravek, který indikuje růstové změny tumorů při ”in vivo” diagnostice na PETu, poněvadž FLT se zabudovává do DNK stejně jako tymidin.

Rovněž bude vyvíjen a zaváděn do praxe nový přípravek založený na sloučeninách značených pomocí 166Ho pro radioterapii lokalizovaného jaterního tumoru [166Ho] (polymléčné kyseliny mikrosféry) a [166Ho]chitosan.

Bude dokončen vývoj a konstrukce nového extrakčního generátoru na výrobu beznosičového vysoce čistého 90YCl3 pro využití v radioterapii. Budeme se podílet na výzkumu a vývoji nových cílených radioimunoterapeutik, zejména monoklonálních protilátek značených beznosičovým 90Y, určených pro terapii vybraných onkologických onemocnění.
 
 

Cyklotron: 

Izochronní cyklotron U-120M je univerzálním urychlovačem, který je používán k urychlování kladných i záporných iontů v široce A.přeladitelném rozsahu energií. Vyvedené proudy dosahují desítek  V období 2005 - 2010 se předpokládá, že bude využíván jak pro fyzikální experimenty, tak pro výrobu dlouhodobě i krátkodobě žijících radionuklidů pro nukleární medicínu. Na základě požadavků interních i externích zákazníků se očekává, že celkový roční objem ozařovacích hodin (>3000hod./rok) nebude redukován. Modernizace vybraných podsystémů cyklotronu a zabezpečení bezporuchového a spolehlivého provozu se stabilními parametry urychlených svazků budou hlavními úkoly v období 2005 - 2010.

V září 2003 byla do ÚJF převedena mikrotronová laboratoř ČVUT FJFI, kde je provozován urychlovač elektronů - mikrotron MT25. V uvedeném období bude provedena jeho rozsáhlá modernizace a bude přestěhován do ÚJF v Řeži.

Zlepšení technických parametrů a obnovení spolehlivého provozu cyklotronu

Záměna téměř všech napájecích zdrojů cyklotronu za nové a modernizace celého technologického zázemí cyklotronu včetně obnovení provozu experimentálního zařízení pro testování iontových zdrojů, které byly postiženy povodněmi v roce 2002, představují značný objem prací. Jejich úspěšné dokončení bez přerušení provozu cyklotronu, bude hlavním úkolem v období 2004 - 2005. V následujících letech bude modernizován vysokofrekvenční systém, zlepšeno vakuum uvnitř duantu a bude modernizována diagnostika vyvedených svazků na ionto-optických trasách.

Nová ozařovací místa

V současné době jsou přebité záporné ionty vyváděny ionto-optickou trasou do jednoho ozařovacího místa, kde jsou alternativně instalovány terče jak pro produkci radionuklidů, tak pro fyzikální experimenty. Transport a záměna těchto složitých aparatur je časově náročná, zvyšuje riziko poškození a v neposlední řadě představuje zvýšené radiační dávky obslužného personálu. Návrhem a instalací nového rozdělovacího magnetu na konci ionto-optické trasy se vytvoří nová ozařovací místa, která uvedenou situaci podstatně zlepší. Projekt rozdělovacího magnetu a minimálně tří navazujících krátkých tras bude realizován do konce roku 2007.

Matematická simulace dynamických parametrů urychlených svazků

V uvedeném období bude vytvořen uživatelský soubor programů, který bude k dispozici obsluze cyklotronu. Těmito programovými prostředky bude možno simulovat dynamické procesy během urychlování a extrakci svazku s přímou vazbou na postupy ladění cyklotronu i ionto-optických tras.

Vývoj nových terčů a výroba nových radionuklidů

V období 2005 - 2010 bude realizován vývoj nových terčů a stanoveny ozařovací postupy pro produkci komerčně nedostupných radionuklidů (např. 236Pu, 86Y). Budou rovněž modernizovány stávající terče pro výrobu radionuklidů 18F a 211At. Cílem bude zvýšení a dobrá reprodukovatelnost dosahovaných výtěžků vyráběných radionuklidů.

Mikrotron MT25

Počátkem roku 2005 bude v současné lokalitě laboratoře provedena kompletní modernizace mikrotronu ve spolupráci s SÚJV Dubna. Starý 3 GHz magnetronový generátor a navazující VF systém bude odstraněn a nahrazen novým a výkonnějším, stará 400 Hz napájecí síť bude zrušena a všechny napájecí zdroje přejdou na 50 Hz. Cílem těchto prací je zvýšení středního elektronového proudu a zlepšení charakteristik primárního i sekundárních svazků mikrotronu.

Bude rovněž rekonstruován vakuový systém, instalován nový systém kontroly svazku, měření parametrů svazku a provoz mikrotronu bude automatizován.

Podstatné zlepšení bude dosaženo po přestěhování laboratoře mikrotronu ze současné lokality v Praze do ÚJF Řež, pravděpodobně na konci roku 2006. Extrakce svazku a jeho transportní systém bude zjednodušen, tím bude dosaženo vyšší provozní stability a zlepšení parametrů svazku a jeho kvality. Nová konfigurace stínění sníží radiační pozadí vznikající v urychlovači a jeho interferenci se studovanými efekty. Elektromagnetický šum bude snížen správnou dislokací a stíněním jeho hlavních zdrojů. Konečným záměrem je vytvořit příznivé podmínky pro aplikaci mikrotronu na polích jako je základní a aplikovaná dozimetrie, gama neutronová aktivační analýza, studie životního prostředí, biofyzikální a radiobiologické experimenty, modifikace vlastností látek, studie radiační odolnosti a radiačního poškození materiálů užívaných v elektronických zařízeních a obvodech a radiačních detektorů. Bude pokrýván požadovaný ozařovací servis v rámci spolupráce se Spojeným ústavem jaderných výzkumů v Dubně a CERNem.

    1. Strategie a metody řešení výzkumného záměru


 

Výzkum se soustředí na vybrané směry jaderné fyziky a dalších oborů, se zachováním nutné flexibility pro nová témata. Důraz bude kladen na účast v mezinárodních experimentech, rozvoj domácí experimentální základny, interdisciplinární výzkum a uplatnění jaderné fyziky.


 

    1. Časový harmonogram řešení výzkumného záměru


 

Výzkumný záměr je předkládán pro léta 2005-2010. Významnými mezníky budou spuštění nového elektrostatického urychlovače ÚJF v r. 2005 a dokončení rekonstrukce mikrotronu ÚJF v koncem r. 2005, otevírající novou etapu vývoje jaderných analytických metod v ÚJF. V roce 2007 se plánuje dokončení konstrukce a testů spektrometru KATRIN v Karlsruhe v r. a zahájení měření hmotnosti elektronových neutrin s přesností desetkrát převyšující dosavadní. V roce 2007 bude rovněž spuštěn urychlovač LHC v CERNu, kde se účastníme projektu ALICE zaměřeného na hledání kvark-gluonové plasmy.


 

    1. Předpokládané výsledky řešení výzkumného záměru (včetně specifikace jejich charakteru, věcného obsahu a harmonogramu jejich předpokládaného uplatnění)

Nové poznatky z oblasti jaderné, subjaderné a matematické fyziky publikované v předních mezinárodních časopisech. Výsledky materiálového výzkumu, užití jaderných analytických metod v různých oborech, výzkumu v dozimetrii ionizujícího záření publikované v mezinárodních časopisech a v řadě případů předané uživatelům k aplikaci. Uplatnění nově vyvinutých radiofarmak na lékařských pracovištích.


 

 
 
 

    1. Seznam nejvýznamnějších uplatněných výsledků výzkumu a vývoje členů řešitelského týmu, které se vztahují k problematice výzkumného záměru za období 1999-2003

Publikace uvedené na seznamu v příloze (není součástí tohoto dokumentu, seznam má 123 stran).

Pravidelné dodávky radiofarmak do českých a slovenských nemocnic.


 

  1. Popis prostorového a materiálně technického zabezpečení řešení výzkumného záměru
    1. Zabezpečení realizace výzkumného záměru v rámci stávajících prostorových a materiálně technických podmínek na pracovišti uchazeče/vykonavatele


 

Pracoviště disponuje cyklotronem, elektrostatickým VdG urychlovačem a mikrotronem. Najímá si neutronové kanály jaderného reaktoru ÚJV Řež a.s. Je vybaveno spektrometry, neutronovými difraktometry, radiochemickými laboratořemi a výpočetní technikou. V roce 2004 se předpokládá pořízení urychlovače tandemového typu. 


 

    1. Infrastruktura, přístrojové a technické vybavení, které je nutné pro realizaci cílů výzkumného záměru pořídit

rozšíření výpočetních kapacit 

ECR zdroj pro studium astrofyzikálních reakcí s těžkými ionty

modernizace elektronového spektrometru pro kalibrační úlohy projektu KATRIN

dokončení haly pro tandem HV 

mikrosonda, kanálovací a AMS zařízení pro tandem HV umožňující přesné jaderné analýzy povrchů a krystalických látek

anticomptonovský spektrometr a čistá laboratoř pro aktivační analýzy zejména v ekologii a geochemii modernizace texturního difraktometru

práškový difraktometr pro studium materiálů metodami neutronové difrakce 

polohorká komora pro radiochemické analýzy a syntézy 

spektrometr rychlých neutronů a detektor gama pro výzkum procesů v perspektivních energetických systémech polohově citlivý detektor pro neutronové metodiky studia pevných látek 

proporcionální detektor a alfa spektrometr pro úlohy mikrodosimetrie a radiobiologie

modernizace radiofrekvenčního zařízení a tras cyklotronu U-120 M

umístění mikrotronu MT25 do řežského areálu

  1. Finanční zabezpečení řešení výzkumného záměru
    1. Uznané náklady v tis. Kč


 

Rok 2005

Celkem

Z toho institucionální podpora

Mzdy a platy

B1

44 884

B2

44 884

Dohody o pracích konaných mimo prac. poměr

B3

250

B4

250

Povinné zákonné odvody

B7

15 710

B8

15 710

Příděl do FKSP

B9

898

B10

898

Náklady na pořízení majetku

B11

20 500

B12

20 500

Náklady na odpisy, údržbu a opravy majetku

B13

15 220

B14

15 220

Nákup materiálu, drobného majetku a zásob

B15

3 033

B16

3 033

Nákup služeb

B17

5 511

B18

5 511

Cestovní náhrady

B19

863

B20

863

Náklady na mezinárodní spolupráci

B21

927

B22

927

Náklady na zveřejnění výsledků a práv k výsledkům

B23

350

B24

350

Doplňkové (režijní) náklady

B25

23 424

B26

23 424

Celkem

E15

131 570

E16

131 570

 

Rok 2006

Celkem

Z toho institucionální podpora

Osobní náklady

E19

67 903

E20

67 903

Náklady na pořízení majetku

E21

39 680

E22

39 680

Provozní náklady

E23

9 702

E24

9 702

Cestovní náhrady

E25

1 722

E26

1 722

Náklady na mezinárodní spolupráci

E27

2 200

E28

2 200

Náklady na zveřejnění výsledků a práv k výsledkům

E29

385

E30

385

Doplňkové (režijní) náklady

E31

25 767

E32

25 767

Celkem

E33

147 359

E34

147 359

 

Rok 2007

Celkem

Z toho institucionální podpora

Osobní náklady

E37

74 680

E38

74 680

Náklady na pořízení majetku

E39

44 500

E40

44 500

Provozní náklady

E41

11 036

E42

11 036

Cestovní náhrady

E43

2 058

E44

2 058

Náklady na mezinárodní spolupráci

E45

4 000

E46

4 000

Náklady na zveřejnění výsledků a práv k výsledkům

E47

424

E48

424

Doplňkové (režijní) náklady

E49

28 344

E50

28 344

Celkem

E51

165 042

E52

165 042

 

Rok 2008

Celkem

Z toho institucionální podpora

Osobní náklady

E55

82 135

E56

82 135

Náklady na pořízení majetku

E57

52 140

E58

52 140

Provozní náklady

E59

12 576

E60

12 576

Cestovní náhrady

E61

2 352

E62

2 352

Náklady na mezinárodní spolupráci

E63

4 000

E64

4 000

Náklady na zveřejnění výsledků a práv k výsledkům

E65

466

E66

466

Doplňkové (režijní) náklady

E67

31 178

E68

31 178

Celkem

E69

184 847

E70

184 847


 
 
 
 

Rok 2009

Celkem

Z toho institucionální podpora

Osobní náklady

E73

90 334

E74

90 334

Náklady na pořízení majetku

E75

59 380

E76

59 380

Provozní náklady

E77

14 358

E78

14 358

Cestovní náhrady

E79

2 648

E80

2 648

Náklady na mezinárodní spolupráci

E81

5 500

E82

5 500

Náklady na zveřejnění výsledků a práv k výsledkům

E83

512

E84

512

Doplňkové (režijní) náklady

E85

34 296

E86

34 296

Celkem

E87

207 028

E88

207 028

 

Rok 2010

Celkem

Z toho institucionální podpora

Osobní náklady

E91

99 352

E92

99 352

Náklady na pořízení majetku

E93

69 100

E94

69 100

Provozní náklady

E95

16 423

E96

16 423

Cestovní náhrady

E97

2 708

E98

2 708

Náklady na mezinárodní spolupráci

E99

6 000

E100

6 000

Náklady na zveřejnění výsledků a práv k výsledkům

E101

564

E102

564

Doplňkové (režijní) náklady

E103

37 725

E104

37 725

Celkem

E105

231 872

E106

231 872


 

    1. Zdůvodnění položek a výše uznaných nákladů, specifikace finančních zdrojů

Osobní náklady odpovídají struktuře a počtu pracovníků na VZ. Předpokládá se zvyšování kvalifikačních stupňů pracovníků v průběhu řešení.

Náklady na pořízení majetku zahrnují zejména: rozšíření výpočetních kapacit, ECR zdroj pro studium astrofyzikálních reakcí s těžkými ionty, modernizaci elektronového spektrometru pro kalibrační úlohy projektu KATRIN, dokončení haly pro tandem HV, mikrosondu, kanálovací a AMS zařízení pro tandem HV umožňující přesné jaderné analýzy povrchů a krystalických látek, anticomptonovský spektrometr a čistou laboratoř pro aktivační analýzy zejména v ekologii a geochemii, modernizaci texturního difraktometru a pořízení práškového difraktometru pro studium materiálů metodami neutronové difrakce, polohorkou komoru pro radiochemické analýzy a syntézy, spektrometr rychlých neutronů a detektor gama pro výzkum procesů v perspektivních energetických systémech, polohově citlivý detektor pro neutronové metodiky studia pevných látek, proporcionální detektor a alfa spektrometr pro úlohy mikrodosimetrie a radiobiologie, modernizaci radiofrekvenčního zařízení a tras cyklotronu U-120 M, náklady na umístění mikrotronu MT25 do řežského areálu. Dále náklady na pořízení majetku zahrnují nákup časopisů a literatury, údržbu a odpisy odpovídající majetku ústavu.

V provozních nákladech jsou zahrnuty materiálové výdaje, areálové náklady a spoje.

Cestovní náhrady jsou určeny především pro zajištění mezinárodní spolupráce.

Náklady na mezinárodní spolupráci jsou určeny především pro zajištění účasti ústavu v mezinárodních experimentech ALICE, HADES, CBM a KATRIN.

Náklady na zveřejnění výsledků budou využity pro ústavní zprávy a výroční zprávy.

Režijní náklady zahrnují především energie a média a osobní náklady administrativních a hospodářských pracovníků.