IFIN-HH: Fizica Nucleară Aplicată

FLORIN CONSTANTIN, Șef Departament Fizică Nucleară Aplicată, IFIN-HH

Departamentul de Fizică Nucleară Aplicată este orientat spre dezvoltarea de aplicații interdisciplinare cu baza în fizica nucleară, cu potențial în lărgirea bazei de cercetare și creșterea personalului cu abilități științifice competitiv internațional.

 

 

Domeniul de activitate

Departamentul de Fizică Nucleară Aplicată își centrează activitatea pe proiectarea și exploatarea facilităților experimentale pentru studii aplicative și interdisciplinare. Departamentul este implicat în mari colaborări internaționale la CERN-LHCb și FAIR-CBM.

Obiective strategice

  • Păstrarea unui înalt standard de pregătire profesională a personalului de cercetare cu selecționarea și cultivarea performanțelor constructive și aplicativ-interdisciplinare
  • Dezvoltarea continuă a bazei de cercetare prin construirea și achiziționarea de echipamente
  • Implicarea susținută în mari proiecte de colaborări internaționale
  • Angajarea de tineri absolvenți și implicarea lor de preferință în activitățile privind noile echipamente și în colaborările internaționale

Direcții de cercetare strategice

1). Studii de materiale prin spectroscopia de pozitroni

Folosirea pozitronului pentru studierea substanței constă în urmărirea anihilării acestuia cu un electron și emisia de cuante gamma. Timpul între emisia pozitronului și detecția cuantelor gamma de anihilare corespunde timpului de viață al pozitronului (Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy – PALS).

Atunci când pozitronii sunt injectați într-un solid, ei interacționează cu electronii din mediu; pentru substanțele care conțin electroni liberi (precum metalele și semiconductorii) pozitronii se vor anihila rapid cu excepția cazului în care sunt prezente goluri de genul vacanțelor în rețea. Dacă aceste goluri sunt prezente, pozitronii vor fi prinși în ele și vor avea un timp de viață mai îndelungat, de ordinul unei nanosecunde.

În cazul izolatorilor electrici, precum polimerii, pozitronii implantați pot interacționa cu electronii din material pentru a forma compuși binari numiți pozitronium; starea triplet pozitronium are un timp de viață extrem de lung în vid, de 142 nanosecunde. Anihilarea pozitronului are loc într-un mediu, iar distribuția electronică în vecinătatea locului de anihilare poate fi evidențiată prin studiul caracteristicilor cuantelor gamma emise.

Mai exact, distribuția impulsului longitudinal al perechii anihilate, electron – pozitron, poate fi pusă în evidență prin măsurători în coincidență a lărgirii Doppler a liniei de anihilare (Concidence Doppler Broadening Spectroscopy – CDBS).

Spre exemplu, folosirea spectroscopiei de pozitroni în studiul polimerilor; ea permite studiul comportării la îmbătrânire, la câmpuri de radiații, la solicitări fizice. Aplicații se regăsesc în membranele polimerice utilizate în realizarea de lentile de contact, în celule de combustie, în industria farmaceutică, în materiale compozite de tip solid-polimer cu aplicații în tehnologia auto, aeronautică și spațială.

2). Studii de arheometrie (Tomografia cu raze X, Fluorescență de raze X)

Tomografia cu raze X este o metodă nedistructivă larg răspândită pentru investigări în domeniul medicinei, industriei și mai nou în arheometrie. Prin tomografia computerizată se obțin secțiuni transversale ale corpului de studiat. Astfel artefacte prețioase pot fi examinate fără a li se afecta integritatea. Scanarea prin tomografie oferă imagini reconstruite cu o bună rezoluție spațială într-un interval de timp scurt; detalii structurale ascunse fiind astfel disponibile.

Analiza cu fascicule încărcate, fluorescența de raze X și spectrometria de masă sunt instrumente de analiză elementală; ele sunt folosite pentru determinarea compoziției artefactelor, în special aliaje de aur, argint sau bronz. Aceste aspecte sunt esențiale în expertizele privind proveniența și autentificare obiectelor de patrimoniu.

Originalul și secțiuni transversale printr-o „zornăitoare” neolitică realizată cu ajutorul tomografului de raze X realizat în cadrul departamentului.

3). Analize de mare sensibilitate prin spectrometria de masă și spectrometria de masă cu accelerator.

Spectrometria de masă accelerator (AMS) este o metodă de analiză modernă care are astăzi cea mai mare sensibilitate, până la 10-16 (raport izotop/element). Laboratorul AMS din cadrul Departamentului de Fizică Nucleară Aplicată are o experiență de 15 ani în realizarea de analize de mare sensibilitate în domenii interdisciplinare precum medicină, mediu, geologie, farmacologie și studii de materiale avansate cu aplicații în fuziunea nucleară.
Mai mult, grupul are o mare experiență în dezvoltările de metodică privind transportul fasciculelor de particule.

4). Aplicații nucleare în medicină (tomografia cu anihilare de pozitroni, terapia cu bor, hadronoterapie)

Tomografia cu anihilare de pozitroni este folosită pentru diagnosticarea cu succes a tumorilor. În cadrul departamentului fost dezvoltat un model experimental pentru detecția cuantelor gamma de anihilare format din 32 de detectori cu iodură de cesiu și fotodiode de suprafață cuplate la un sistem de achiziție.

O aplicație software permite preluarea, stocarea datelor și prelucrarea în timp real a poziției trasorului radioactiv emițător de pozitroni în interiorul fantomei/organismului de studiu. Sunt de asemenea în curs cercetări vizând folosirea bombardării cu protoni a tumorilor canceroase.

5). Sisteme avansate de detecție și achiziție

Acest domeniu de cercetare din cadrul departamentului are două grupuri țintă:

  • Marile experimente de fizica energiilor î­nalte, cu precădere viitorul accelerator FAIR de la GSI Germania și experimentul CBM (Complex Barionic Matter). Subdetectorii TRD (Transient Radiation Detectors) furnizează semnale analogice care trebuie digitizate în strânsa proximitate a detectorului și transmise mai departe către unitatea de stocare.
  • Imagistica nucleară medicală cu precădere Tomografia cu emisie (anihilare) de pozitroni, unde creșterea rezoluției spațiale a tomografelor este intrinsec legată de implementarea informațiilor de timp de zbor în algoritmii de reconstrucție de imagini.

Electronica de interfață (front end electronics) trebuie să răspundă unor cerințe deosebite precum:

  • fiecare canal trebuie să detecteze autonom componentele unui eveniment
  • o etichetă universală de timp, cu precizia la o fracțiune a perioadei de eșantionare trebuie să fie asociată fiecărui eveniment
  • toate evenimentele digitizate trebuie transmise și stocate în vederea prelucrării off-line.

Resursele Departamentului de Fizică Nucleară Aplicată

  1. accelerator de particule de tip Ciclotron
  2. spectrometru de masă
  3. facilitate pentru spectrometria de masă cu accelerator
  4. spectrometru de fluorescență de raze X
  5. tomograf de raze X
  6. microscop de forță atomică
  7. facilitate pentru spectroscopia de pozitroni
  8. facilitate de producție a pozitronilor lenți
  9. balanță de torsiune pentru detecția neutrinilor
  10. lanțuri spectroscopice multi-configurabile în standard NIM și VME
  11. sisteme de achiziție bazate pe FPGA.

Comentați pe Facebook