Aplikovaná jaderná fyzika

Proč se zabývat jadernou fyzikou? Využíváme ji nejen pro získání energie z atomového jádra, ale např. v lékařské diagnostice a terapii, k přípravě nových materiálů a mikročipů metodou iontové implantace, při detekci nebezpečných materiálů na letištích, k testování elektroniky určené pro kosmický výzkum nebo ve forenzních aplikacích v biologii, umění či archeologii. Jaderné metody např. prokázaly, že Napoleon nebyl otráven arzénem, nebo pomohly odhalit zemi původu pašovaného materiálu.

Naše skupina má dvě zaměření:

EXPERIMENTÁLNÍ JADERNÁ FYZIKA

stanovení prvkového složení zkoumaných vzorků metodou neutronové aktivační analýzy
studium radioaktivity v životním prostředí pomocí spektrometrie gama záření
stanovení radiační zátěže osob ze zdrojů ionizujícího záření
měření poločasu rozpadu radioaktivních izotopů
modelování radiačních polí záření gama a neutronů pomocí Monte Carlo výpočetních postupů
modelování odezvy detektorů záření a jejich detekční účinnosti

TEORETICKÁ JADERNÁ FYZIKA

modelování struktury sférických a deformovaných jader pomocí modelu kvazičástice – fonon
studium deformace atomových jader v rámci mikroskopických modelů interakcí mezi nukleony
studium rotačních a vibračních stavů v atomových jádrech a elektromagnetických přechodů mezi nimi

Spolupráce

Ústav technické a experimentální fyziky ČVUT Praha
Centrum výzkumu Řež s.r.o.
Matematicko-fyzikální fakulta Univerzity Karlovy, Praha
Univerzita Erlangen, Německo
German Aerospace Center Institute of Aerospace Medicine, Kolín na Rýnem, Německo
Polytechnika v Grenoblu, Francie

Aktuální projekty

Projekt studentské grantové soutěže SP 2019/26 Charakterizace materiálů z hlediska jejich optických, magnetických a mechanických vlastností a jejich interakce se zářením, 2019

Pracovní skupina aplikované jaderné
fyziky v laboratoři

Potrubní pošta pro rychlou dopravu
aktivovaného vzorku k detektoru

EXPERIMENTÁLNÍ JADERNÁ FYZIKA

Neutronová aktivační analýza

Princip neutronové aktivační analýzy

Neutrony o energii 14 MeV z neutronového generátoru, ve kterém dochází k fúzi deuteria a tritia, produkují při interakcích s atomovými jádry zkoumaného vzorku radioaktivní izotopy. Tyto izotopy emitují při svém rozpadu charakteristické gama záření, které umožňuje určit prvkové složení vzorku.

Spektrum gama záření
aktivovaného etalonu železa

Spektrum gama záření
aktivovaného vzorku písku
pro stanovení obsahu
křemíku a hliníku

Fúzní neutronový generátor
v laboratoři neutronové
aktivační analýzy

Spektrometrie gama záření

Dva germániové polovodičové spektrometry gama záření a jeden scintilační detektor umožňují měření spekter rentgenového záření i záření gama v širokém rozsahu energií od 10 keV do cca 10 MeV. Tyto spektrometry se využívají v neutronové aktivační analýze, při zkoumání radioaktivity přírodních vzorků a stavebních materiálů i při kalibraci neutronového generátoru

Germániový spektrometr
gama záření

Meření poločasů rozpadu

Kromě uvedených spektrometrů gama záření používáme k měření poločasů rozpadu radioizotopů získaných ozařováním neutrony i speciálně upravený křemíkový multipixelový detektor. Tento detektor, který umožňuje detekovat i neutrony, je tvořen celkem 65536 nezávislými detektory a kromě energie detekovaných částic je schopen zaznamenat i jejich trajektorii. Stejný detektor se používá v CERNu a na mezinárodní vesmírné stanici ISS k dozimetrickým účelům.

Multipixelový detektor Timepix

Neutronová aktivační analýza

Metoda Monte Carlo umožňuje simulovat transport částic (např. elektronů , fotonů či neutronů ) materiálem na základě znalosti jeho hustoty, izotopového složení a pravděpodobnosti interakce s atomy či molekulami (jako je například pružný a nepružný rozptyl, fotoefekt či Comptonů v rozptyl). Používáme výpočetní kód MCNP6.2, jehož první předchů dci pochází ze čtyřicátých let minulého století a který byl vyvinut v Národní laboratoři Los Alamos (LANL) v USA.
V MCNP jsme simulovali např. neutronové pole a pole gama záření v naší laboratoři neutronové aktivační analýzy pro dozimetrické účely a spektrum neutronů emitovaných z neutronového generátoru pro různé úhly emise.

Efektivní dávka od neutronového pole v Laboratoři neutronové aktivační analýzy

Účinnost detektoru gama záření je dů ležitý parametr pro výpočet aktivity měře- ného vzorku a je možné ji měřit, je-li k dispozici etalon o stejné geometrii, jakou má vzorek. V MCNP simulujeme odezvu detektoru a následně počítáme jeho účinnost.

Struktura jader v modelu kvazičástice – fonon

Model umožňuje počítat strukturu deformova- ných atomových jader se sudým i lichým počtem nukleonů (energetické hladiny, odhad velikosti vibračních příměsí a jejich vlivu na pravděpodob- nosti elektromagnetických přechodů). Používá se při interpretaci experimentálních dat naměřených ve spolupracujících laboratořích (např. v ILL v Grenoblu).

Interprepace nízkoležících stavů Pr a Nd

Navržená interprepace nízkoležících stavů v 152Pr a β rozpad na 152Nd na základě modelových výpočtů

Mikroskopické modely deformace atomových jader

Charakteristické vlastnosti základního stavu atomových jader, jako jsou kvadrupólová, oktupólová nebo hexadekapólová deformace, můžeme získat pomocí přibližných metod kvantové teorie (např. Hartee-Fockova metoda). Důležité je vhodně zvolit interakci mezi nukleony v jádře. V naší skupině používáme různé parametrizace Skyrmeho interakce, které testujeme především v oblasti středně těžkých jader.

Rotační a vibrační stavy atomových jader

Rotační a vibrační stavy patří mezi kolektivní stavy charakterizované korelovaným pohybem většího počtu nukleonů. Rotační stavy pozorujeme pouze u deformovaných jader na rozdíl od vibračních stavů, se kterými se setkáváme jak u sférických tak i u deformovaných jader. Vibrační stavy ve sférických jádrech zkoumáme pomocí modelu intermediální vazby, v deformovaných jádrech pomocí modelu kvazičástice – fonon. Pro kvalitativní popis kolektivních stavů ve sférických, přechodových i deformovaných jádrech je vhodný fenomenologický algebraický kolektivní model, který využívá teorii grup a symetrie studovaných stavů.

Spektrum a elektromagnetické přechody v algebraickém kolektivním modelu pro 86Se a 88Se