Výroční zpráva Ústavu jaderné fyziky AV ČR za rok 2005

 

1. Vědecká činnost a uplatnění jejích výsledků

a) Stručná charakteristika vědecké činnosti

Posláním Ústavu jaderné fyziky AV ČR je výzkum v jaderné fyzice a souvisejících oborech, v uplatňování jaderných metod v interdisciplinárním a aplikovaném výzkumu, i v přenosu  jaderných metod do praxe. V základním výzkumu zahrnuje činnost ústavu studium srážek těžkých jader, jader vzdálených od linie stability, jadernou astrofyziku, beta rozpad a problematiku hmotnosti neutrina, teoretickou a matematickou fyziku.  V interdisciplinárním a orientovaném výzkumu se ústav věnuje jaderným analytickým metodám, neutronové difrakci, fyzice urychlovačem řízených technologií a fúzních systémů, dozimetrii ionizujícího záření, vývoji radiofarmak a urychlovací technice.

 

b) Nejdůležitější výsledky

Vybrané výsledky navržené na anotace

1.       Ukázali jsme, že v deformovaných kvantových vlnovodech může docházet k Boseho-Einsteinově kondenzaci a odhadli podmínky pozorovatelnosti, jež jsou na hranici současných experimentálních možností. [P. Exner et al.,J. Phys. A38(2005), L463] (B) Anotace

2.       Byla vypracována nová metoda NAA s radiochemickou separací pro stanovení esenciálního prvku křemíku v biologických materiálech v koncentracích, které nelze jinými analytickými metodami stanovit. [J. Kučera et al., J. Radioanal. Nucl. Chem. 263(2005), 811] (C) Anotace

3.       Byly studovány fázové transformace v moderních vícefázových ocelích. Nová experimentální metoda kombinující vysokoteplotní mechanické testy materiálů a neutronovou difrakci s vysokým rozlišením byla úspěšně využita při zkoumání deformačních a transformačních charakteristik nově vyvíjených typů ocelí. [P.G. Xu et al., Acta Materialia, v tisku] (C) Anotace

 

Další  výsledky v jednotlivých tématických okruzích

Silně interagující hmota ve srážkách těžkých jader

4.       Výsledky studia jádro-jaderných srážek během prvních tří let experimentů na RHIC (Brookhaven) ukazují, že ve srážkách Au+Au dochází k produkci husté a rychle termalizované hmoty s počáteční hustotou energie dostačující k produkci kvark-gluonového plazmatu. Tato hmota má vlastnosti ideální kapaliny a je prakticky neprůzračná pro jety vznikající v počátečních tvrdých srážkách. [J. Adams et al., Nucl. Phys. A757(2005), 102] (B)

5.       Byly studovány změny vlastností hadronů v jaderné hmotě v závislosti na její hustotě a teplotě. Byla změřena produkce vektorových mezonů v Ar40+KCl 1.75 A.GeV relativistických jádro-jaderných srážkách pomocí dileptonového spektrometru HADES. [P. Salabura et al., Nucl. Phys. A749(2005), 150] (B)

 

Jádra vzdálená od linie stability

6.       V oblasti neutrono-bohatých jader byla pro jádra 44S a 42Si poprvé objevena koexistence různých tvarů téhož jádra s výskytem nízkoležícího izomerního stavu 0+2 přecházejícího do základního stavu 0+1. [Eur. Phys. J. A25(2005), 111] (B)

7.       Při studiu míchání izospinu v základním stavu 71As bylo určeno znaménko magnetického momentu tohoto jádra. [N. Severijns et al., Phys. Rev. C71(2005), 6] (B)

 

Jaderná astrofyzika

8.       Na cyklotronu ÚJF bylo za účasti pracovníků Texas A&M University dokončeno měření reakce 20Ne(p,g)21Na, která je výchozí reakcí vodíkového hoření v Ne-Na cyklu typického pro hvězdná prostředí těžší než Slunce. Dominujícím vkladem v této reakci je záchyt do základního stavu prostřednictvím  podprahové rezonance. [Phys. Rev. C, v tisku] (B)

 

Jaderná spektroskopie beta

9.       Vypracovali jsme kapitolu 9 „Energy stability, monitoring and calibration“ pro projektovou zprávu o experimentu KATRIN (245 stran). Byla vyvinuta nová metoda pro kalibraci vysokonapěťového děliče, významná i pro experiment KATRIN. [N. Dragounová, IEEE Trans. Instr. Meas. 54(2005), 1911] (B)

10.   Byl dokončen výzkum chování vodného roztoku generátoru 83Rb/83mKr v nosičích ionexový papír a zeolit. Výsledky jsou důležité pro praktické využití generátoru a též v projektu KATRIN pro kalibraci spektrometru pomocí 83mKr. [D. Vénos et al., Appl. Rad. Isot. 63(2005), 323] (C)

 

Teoretická a matematická fyzika

11.   Navrhli jsme mechanismus spontánního generování fermionových hmot silnou Yukawovou interakcí,  doložili  existenci nenulových hmot a určili důležité charakteristiky nehmotné kolektivní excitace. Analyzovali jsme efekty chemického potenciálu na spontánní narušení spojité vnitřní symetrie lineárního sigma modelu, zformulovali jsme obecné pravidlo pro stanovení počtu Goldstoneových excitací. [T. Brauner et al., Phys. Rev. D72(2005), 045007] (B)

12.   Odvodili jsme dvounukleonový operátor pionové produkce, který společně s novým nukleon-nukleonovým potenciálem umožnil velmi přijatelný popis účinných průřezů ve všech izospinových kanálech. Ukázali jsme, jak požadavky chirální invariance a absence 'double-countingu' jednoznačně určují tvar pionového potenciálního příspěvku do axiálního výměnného proudu. [V. Malaifa et al., Phys. Rev. C71(2005), 034002] (B)

13.   Byly studovány vázané stavy antikaonu v jádře. Přítomnost silně interagujícího antikaonu způsobí výrazné smrštění jádra, a tedy zvýšení jeho centrální hustoty. Předpověděli jsme existenci exotického hyperjádra 6HL, které může být identifikováno v experimentu na Nuklotronu SÚJV Dubna. [J. Mareš et al., Phys. Lett. B606(2005), 295] (B)

14.   Byl nalezen kvantově mechanický model, jehož fyzikální vlastnosti jsou charakterizovány dvěma nehermitovskými komutujícími operátory pozorovatelných, interpretovaných jako energie a spin. Modelu byla přiřazena standardní pravděpodobnostní interpretace s vhodným skalárním součinem v prostoru stavů. [M. Znojil, J. Phys. A39(2006), 441] (B)

 

Jaderné analytické metody

15.   Při studiu difúze Li a B v materiálech pro iontové zdroje experimentálního systému ISOLDE v CERNu metodou neutronového hloubkového profilování byly poprvé pozorovány významné odchylky od klasické Fickovské difúze. Výsledky naznačují, že chování dopantů je silně ovlivňováno přítomností nespecifikovaných pastí v povrchových vrstvách vzorků, s velkou pravděpodobností generovaných zpracováním a stárnutím materiálů. [J. Vacík et al., Nucl. Instr. Meth., v tisku] (B)

16.   Studium monokrystalických materiálů (LiNbO3, LiTaO3) metodou RBS-channeling a XRD ve spolupráci s Forschungszentrum Rossendorf. LiTaO3 vykazuje celou řadu zajímavých anomálií ve srovnání s LiNbO3 při modifikaci protonovou výměnou. Tyto vlastnosti jsou spojeny s rozdílnými optickými vlastnosti těchto dvou jinak téměř identických materiálů. (B)

 

Neutronová difrakce

17.   Ve spolupráci s Institute Laue-Langevin (ILL) v Grenoblu byla vyvinuta nová verze software pro Monte Carlo simulace neutronových spektrometrů RESTRAX, která je jednou z několika málo verzí ve světě a jejíž autor patří ke klíčovým účastníkům projektu FP6-NMI3-JRA6.  [J. Šaroun et al., Physica B, v tisku] (B,C)

18.   Ve spolupráci s GKSS Geesthacht byly poprvé studovány silné vícenásobné reflexe neutronů  buzené elastickým ohybem v dokonalém krystalu křemíku. Bylo nalezeno několik silných reflexí, které mohou být využity k monochromatizaci neutronového svazku pro difraktometrii a spektrometrii termálních neutronů. [P. Mikula et al., Z. f. Kristallographie, v tisku] (B)

19.   Pomocí maloúhlového rozptylu neutronů (SANS) byly určovány parametry porézního kovu vytvořeného odleptáním jedné fáze z termomechanicky exponované niklové superslitiny. Výsledná mikrostruktura pórů závisí kromě jiného na době leptání. (C) 

 

Jaderná fyzika pro budoucí energetické technologie

20.  Program validace neutronových databází IEAF (Obninsk/Karlsruhe) a EAF (European Activation File) pokračoval experimentálním výzkumem  aktivačních charakteristik příměsí a složek konstrukční oceli Eurofer-97 pro experimentální reaktor ITER. Experimenty probíhaly na neutronovém zdroji p+D2O cyklotronu ÚJF simulujícím spektrum projektovaného generátoru neutronů IFMIF (International Fusion Material Irradiation Facility). Bylo validováno celkem 96 reakcí, pro řadu z nich indikována nutnost podstatné revize průřezových charakteristik v následné verzi databáze EAF 2007 evropského aktivačního systému EASY. [P. Bém et al., Fus. Eng. and Design 75-79(2005), 829] (C)

 

Dozimetrie ionizujícího záření

21.   Byly stanoveny základní dozimetrické a mikrodozimetrické charakteristiky ve svazcích jader uhlíku (nuklotron SÚJV Dubna) s nominální energií 500 MeV/amu, potenciálně vhodných pro hadronovou terapii, a to od vstupu do tkáni ekvivalentního prostředí až po oblast Braggova píku. Výsledky experimentálních studií byly srovnány s výpočty programem SRIM. [F. Spurný et al., Rad. Meas., v tisku] (B).

22.   Byl spojen program pro modelování přímých a nepřímých účinků ionizujícího záření. Byla vypočtena spektra poškození DNA nabitými částicemi (elektrony, protony, alfa částice) s odhadem podílu různých jednoduchých a komplexních poškození DNA Byl upraven programu pro modelování radiolýzy vody (rozšíření na 24 chemických reakcí včetně reakcí s kyslíkem) a provedena série výpočtů kinetiky radiačně-chemických výtěžků radikálů při radiolýze vody (s rozpuštěným kyslíkem) elektrony, protony a alfa částicemi. [M. Davídková et al., Rad. Prot. Dosim., v tisku] (B).

23.   Ve spolupráci s Archeologickým ústavem (ARÚ) AV ČR byla zahájena činnost radiouhlíkové datovací laboratoře. Byl jí přidělen mezinárodní kód CRL a je zahrnuta v oficiálním seznamu těchto datovacích pracovišť, vedeném Universitou v Arizoně. V r. 2005 byly datovány zejména různé vzorky zuhelnatělého dřeva. [I. Světlík et al., Archeologické rozhledy, v tisku] (C)

 

Radiofarmaka

24.   Byl realizován způsob značení nanočástic se stříbrným jádrem pomocí 211At – jde o účinnou látku budoucího radiofarmaka, kterou lze koncentrovat v nádorových tkáních jednak přímo díky schopnosti zvýšeného průniku částic do nádoru, jednak modifikací jejich povrchu skupinami specifickými vůči nádorovým tkáním. [J. Kučka et al., Appl. Rad. Isot. 64(2006), 210] (B)

25.   Bylo uskutečněno testování radioaktivně označené monoklonální protilátky TU-20 (marker rozpadu neuronů) a jejího imunoreaktivního fragmentu na standardním myším modelu in vivo. Výsledkem je určení biodistribuce protilátky a její kinetiky v organizmu zdravých myší. Byl nalezen významný rozdíl mezi chováním kompletní protilátky a scFv fragmentu. (B)

26.   Podařilo se připravit O-2-[18F]fluoroethyl-L-tyrosin ([18F]FET)  jako fluorovanou aminokyselinu, která vykazuje vysokou  krevní permeabilitu ve  tkáni mozkového  nádoru. (B)

27.   Pokračovaly studie  komplexace bifunkčních ligandůbeznosičovým  yttriem pro použití v nukleární medicíně. Komplexační experimenty byly prováděny s nosičovým  90Y a 111In. Byl navržen terč pro produkci yttria 86, jako radionuklidu pro přípravu prekurzorů PET radiofarmak. (B)

28.   Úspěšně proběhly klinické zkoušky dvou nových radioafarmaceutických přípravků [18F]fluorid sodný, injekce a (166Ho) holmiunboromakroagregáty.  Ukončeny byly předklinické zkoušky 3´-deoxy-3´-[18F]fluorothymidinu, injekce pro diagnostiku rychle rostoucích nádorů. Pracoviště získalo povolení výroby tohoto přípravku, dále rozšířené o povolení výroby přípravků pro klinická hodnocení. (C)

 

Technika urychlovačů

29.   Byly zprovozněny a ověřeny iontové zdroje s hlavičkami ze slitiny W-Cu, zprovozněn náhradní napájecí zdroj pro hlavní vinutí cyklotronu, navržen a zprovozněn bočník pro měření proudů do 600A se stabilitou lepší než 10-4. Byly zahájeny práce na bezeztrátovém přenosu vyváděných iontů do trasy H. Byly rozšířeny programové prostředky matematické simulace urychlovacího procesu a extrakce iontů z cyklotronu U120-M. (C)

30.   Výroba radionuklidu 18F pro PET byla zcela převedena na trasu H, provoz a zejména reprodukovatelnost výtěžků se stabilizovala. Byl navržen prototyp nového terče pro výrobu 123I. (C)

 

c) Nejvýznamnější popularizační aktivity

Čtyři témata výzkumu ÚJF byla prezentována v cyklu „České hlavy“ České televize. Pracovníci ústavu přednesli řadu populárních přednášek pro širokou veřejnost a pro středoškolské studenty, napsali několik vědeckopopulárních článků a asi 10 publicistických článků v novinách (zejména o jaderné energetice). Projektu AV ČR „Otevřená věda“ se v ústavu zúčastnilo více než pět středoškolských studentů. V exkursích pro žáky a studenty různých škol a během „Dnů otevřených dveří“ navštívilo ústav několik set osob (z toho přes 50 ze zahraničí). Velká část popularizačních aktivit byla součástí Mezinárodního roku fyziky 2005.

 

d) Domácí a zahraniční ocenění pracovníků ústavu

J. Dittrich byl jmenován čestným členem Slovenské fyzikální společnosti.

 
e) Další specifické informace o pracovišti
Byla postavena experimentální hala a v ní instalován nový urychlovač TANDETRON 4130 MC. Laboratoř 
po uvedení do provozu v r. 2006 značně rozšíří možnosti ÚJF v oblasti jaderných analytických metod a materiálového 
výzkumu. Bude přístupná i externím zájemcům.
 
2. Vědecká a pedagogická spolupráce pracoviště s vysokými školami
a) Nejvýznamnější vědecké výsledky spolupráce v vysokými školami

Linka pro elektrolytickou koncentraci   vzorků tritia byla užívána společně s PřF UK, byly zpracovány vzorky srážkových, podzemních a glaciálních vod. Ve spolupráci s FJFI ČVUT byly prováděny radiochemické neutronové aktivační analýzy s použitím pevných extrahentů. Kontaminace zemědělských produktů prvky vzácných zemin, U a Th byla studována ve spolupráci se Zemědělskou a farmaceutickou universitou v Brně

Ve spolupráci s  ÚTEF ČVUT byly testovány detektory soustavy ATLAS (CERN) v poli rychlých neutronů.  Bylo zkoumáno radiační poškození GaAs detektorů a  šumové efekty detektorů typu Silicon Counter Tracker (SCT).  Hybridní detektor CdTe-Medipix-2 byl testován na svazku termálních neutronů, výsledky souhlasí s očekávanými na základě simulací. 

Vlastnosti polymerů, polymerních kompozitů, optických monokrystalických materiálů a SiBCN vrstev byly zkoumány ve spolupráci s VŠCHT Praha, UJEP Ústí nad Labem, MFF UK Praha, ZČU Plzeň.

Ve spolupráci s PřF UK bylo realizováno značení nanočástic 211At, s 3. FVL UK připraveny klinické   zkoušky  (166Ho) HoBMA, s VŠCHT a PřF UK vyvíjena nová radiofarmaka  značená 166Ho a 90Yt.

 
b) Společná pracoviště s vysokými školami: ---
 
c) Spolupráce na uskutečňování studijních programů 
Na ÚJF jsou rozšířeny akreditace 3 doktorských studijních programů: MFF UK – program Fyzika, obory Subjaderná fyzika, 
Jaderná fyzika, Fyzika kondenzovaných látek a materiálový výzkum, Teoretická fyzika, astronomie a astrofyzika; 
FJFI ČVUT – program Aplikace přírodních věd, obory Fyzikální inženýrství, Matematické inženýrství, Jaderná chemie; 
VŠCHT – program Chemie a technologie materiálů, obor Materiálové inženýrství. ÚJF dále spolupracuje s těmito fakultami 
a s PřF UK, PřF UJEP, 3. FVL UK na uskutečňování magisterských i bakalářských studijních programů vedením studentů 
a jejich účastí na práci ústavu (např. diplomové práce) a přednáškami.
 
3. Spolupráce s dalšími českými institucemi a s podnikatelskou sférou
a) Společné projekty výzkumu a vývoje podpořené z veřejných prostředků: 6
AVČR: projekt CVV „Příprava nových radiofarmak na bázi monoklonálních a rekombinantních protilátek a peptidů značených 
alfa a beta radionuklidy“, vypracován soubor metod radioaktivního značení protilátek a soubor kontrolních metod; grant GA AV 
ČR „Vývoj neutronové difrakční metody pro studium reziduálních pnutí v silně ozářených reaktorových konstrukčních 
komponentách“, příjemce ÚJF AVČR, spolupříjemce Ústav jaderného výzkumu Řež a.s.
MPO: projekty „Využití progresivních metod detekce neutronů a fotonů v aplikovaném výzkumu pro potřeby monitorování a 
hodnocení bezpečnosti a spolehlivosti jaderných zařízení“ a „Materiály a technologie pro komponenty fúzních reaktorů“, 
příjemce ÚJV Řež a.s., měřena neutronová odezva materiálů pro termojaderné technologie.
MPO: projekt TANDEM „Cílená superkancerostatika nové generace pro léčbu leukémií“, příjemce Azacycles s.r.o. (Kladno).

MŠMT: projekt EUREKA „Diagnostický přípravek pro zobrazování periferních neuropatií“,  příjemce ÚJV Řež a.s. Ověření stability a biologických vlastností jednovláknového fragmentu TU-20 (scFv) označeného radioaktivními izotopy.

 
b) Výsledky pro ekonomickou sféru nebo s ní dosažené na základě hospodářských smluv: 7

ČSA, a.s.; Travel Service, s. r.o.; Fischer air, s.r.o., ABA air a.s.: provedena osobní dozimetrie posádek letadel, výsledky předány jednotlivým leteckým společnostem. Posádky letadel jsou vzhledem k výškám letů vystaveny většímu ozáření než pozemní pracovníci. U českých leteckých společností je průměrná hodnota ozáření nižší než je limit ozáření pro profesionální pracovníky se zářením, ale přibližně dvakrát vyšší než povolený limit ozáření obyvatelstva, u transatlantických letů ještě větší. Jedná se při tom o vysokoenergetické záření, které nelze účinně odstínit.

SÚRO: sledování radionuklidů v plynných výpustích jaderných elektráren a v přízemní atmosférické vrstvě.

ČEZ a.s.:  byla vyvinuta a otestována metodika stanovení C-14 ve vzorcích chladiva primárního okruhu JE Temelín.

V Autorizovaném metrologickém středisku K 111 Ústavu jaderné fyziky AV ČR bylo v roce 2005 provedeno celkem 21 ověření, z toho 14 dozimetrických systémů a 7 operativních  dozimetrů.

Spolupráce s firmou ITEST  na preklinických zkouškách holmiových přípravků.

Dodávky FDG pro PET Centrum Homolka, Onkologický ústav sv. Alžběty Bratislava, MOÚ Brno, PET centrum Bratislava (Biont)   a FN Olomouc. Dodávky generátorů 81m-Kr k diagnostice plic českým a slovenským distributorům léčiv.

Expertní prvkové analýzy povrchů pro AEG componets s.r.o. (Jičín ) a Robert Bosch s.r.o. (České Budějovice).

 
c) Nové firmy vzniklé na základě výsledků ústavu: ---
 
d) Odborné expertizy pro státní orgány a instituce: 2
Oponentské posudky úkolů pro Český hydrometeorologický ústav a Český metrologický institut.
 
4. Mezinárodní vědecká spolupráce
a) Projekty mezinárodních vědeckých programů
EU: 5FP – 4 projekty, 6FP – 4 projekty, Marie Curie Incoming Fellowships - 1 projekt, 
INTAS – 1 projekt, JRC – 1 projekt.
V tabulce přílohy IIB je uvedeno jen 6 z těchto projektů s vydělenou dotací EC pro ÚJF, ostatní byly financovány prostřednictvím zahraničních pracovišť.
IAEA: 2 projekty.
Pracovník ÚJF P. Exner byl jmenován členem vědecké rady European Research Council.
 
b) Nejvýznamnější vědecké výsledky mezinárodní spolupráce
Většina výsledků ÚJF je dosahována v mezinárodní spolupráci. Za nejvýznamnější výsledek mezinárodní spolupráce 
považujeme zjištění nečekaných vlastností kvark-gluonového plazmatu v experimentu STAR na zařízení RHIC 
Brookhavenu, USA za účasti skupiny ÚJF (bod 1.b.4). Přehled výsledků v odstavci 1.b obsahuje řadu dalších 
příkladů. Z tam neuvedených jmenujme např. spolupráci s Ruskou akademií věd, v níž byly vyvinuty 
dvojstupňové odstředivkové extraktory pro separaci yttria 90.
 
c) Akce s mezinárodní účastí

Central Europe Nuclear Physics, Praha, 14.-16.3.2005 (20 účastníků, z toho 13 zahraničních).

XVIIth Indian-Summer SchoolEffective Field Theories“, Řež, 9.-13.9.2005 (35 účastníků, z toho 14 zahraničních).
International WorkshopPseudo-Hermitian Hamiltonians in Quantum Physics III“,  Istanbul, 20.-22.6.2005 (80 účastníků, z toho 75 zahraničních).
International WorkshopPseudo-Hermitian Hamiltonians in Quantum Physics IV“, Stellenbosh, 22.-25.11.2005 (40 účastníků, z toho 39 zahraničních).

Workshop analyzační skupiny spolupráce HADES, Řež, 10.-13.12.2005 (22 účastníků, z toho 19 zahraničních).

35th International Symposium on Multiparticle Dynamics, Kroměříž,  9.-15.8.2005 (134 účastníků, z toho 116 zahraničních).

Workshop on Particle Correlations and Femtoscopy, Kroměříž, 15.-18.8.2005 (64 účastníků, z toho 56 zahraničních)

 
d) Nejvýznamnější zahraniční návštěvníci ústavu

F. De Corte (Gent University, držitel Hevesyho medaile za rozvoj jaderných analytických metod), A. Gal (Hebrew University, Jerusalem), S. P. Kapitza (RAV, Moskva).

 
e) Počet meziústavních dvoustranných dohod: 7