В период до 1980 г. под руководством М.В. Стабникова был создан ряд трековых детекторов, а также была разработана и изготовлена необходимая аппаратура для просмотра и измерения фильмовой информации, получаемой с этих детекторов.  С использованием этих детекторов на синхроциклотроне ПИЯФ был выполнен цикл работ по исследованию  адрон-адронных и адрон-ядерных взаимодействий. Большой объем накопленной информации, полученной в экспериментах с пузырьковыми камерами,  позволяет группе сотрудников под руководством К.Н. Ермакова и в настоящее время продолжать измерения на пленках с водородной пузырьковой камеры ОФВЭ (совместно с группой В.В. Саранцева) с использованием модифицированного измерительного микроскопа.

Ионизационные камеры для измерения параметров пучков протонов

Исследования радиационного воздействия излучений на изделия микроэлектроники потребовали создания детекторов, способных в режиме реального времени измерять  параметры протонного пучка  при величинах плотностей потока  в диапазоне 105÷109 см^-2·с^-1. Эта задача была успешно решена О.В. Лобановым и В.В. Пашуком. Ими предложена  двухсекционная ионизационная камера (ДИК), на принципе действия которой разработан и изготовлен ряд новых мониторов, позволяющих проводить измерения абсолютных величин и радиальных распределений потоков, плотности потока и флюенса протонов с энергиями в интервале 100 ÷1000 МэВ. Основными достоинствами данных мониторов являются:

возможность измерения параметров пучков протонов с различными пространственно-временными характеристиками без их предварительной градуировки абсолютными детекторами;

работа на воздухе при минимальных толщинах электродов на пути пучка в ИК с продольным электрическим полем и без электродов на пути пучка в ИК с поперечным электрическим полем;

Мониторы испытаны в диапазоне потоков протонов 106÷5·109 с^-1 при поперечных размерах пучков до 15 см.  Указанный диапазон  потоков протонов может быть изменен как в одну, так и в другую сторону путем модификации измерительной аппаратуры и технологии изготовления ИК. Перспективным представляется использование таких мониторов в протонной терапии при энергиях протонов 60-250 МэВ. Разработанные мониторы защищены патентами.

Исследование отказов изделий микроэлектроники под действием отдельных нуклонов

В современных интегральных схемах возможно ухудшение параметров или полная потеря работоспособности изделий микроэлектроники под действием протонов и ионов космического излучения и нейтронов ближней атмосферы. Такие эффекты были исследованы сотрудниками лаборатории при воздействии протонов с энергией 1000 МэВ и нейтронов атмосферного спектра с максимальной энергией 1000 МэВ на:

датчики изображения на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС - матрицы), которые широко используются в авиакосмической аппаратуре для изучения и контроля электромагнитного излучения в рентгеновском, видимом и инфракрасном диапазонах;

мощные МОП (металл-оксид-полупроводник) транзисторы, которые являются ключевыми элементами источников питания в космической электронике.

Для анализа механизмов повреждения таких устройств были разработаны программы и проведены расчеты массовых и энергетических спектров продуктов ядерных реакций протонов с ядрами кремния и пространственного распределения энергии, выделяемой этими продуктами в полупроводниковых материалах. 

В результате проведенных исследований было установлено:

• возникновение в ПЗС-матрицах пикселей с большими темновыми токами и пробоя в мощных МОП-транзисторах обусловлено остаточными ядрами, образующимися в чувствительном объеме изделий в результате ядерных реакций нуклонов с ядрами атомов кремния;
• в ПЗС- матрицах, облученных нуклонами, обнаружены кластеры, включающие до 14 пикселей с большими темновыми токами;
• плотность потока нуклонов влияет на эффективность повреждения ПЗС-матриц под действием отдельных частиц.

Формирование офтальмологического пучка протонов

Для лечения онкологических заболеваний в мире все шире применяются пучки протонов и более тяжелых ионов, облучение которыми прошли уже более 80 000 пациентов. В онкоофтальмологии протонная терапия меланомы часто является единственной альтернативой удалению глаза и позволяет сохранить пациенту не только жизнь, но и зрение.

В рамках работ по созданию в ПИЯФ на базе циклотрона Ц-80 центра протонной терапии заболеваний глаза Ж.С. Лебедевой проводятся исследования с целью разработки оптимальной методики формирования под действием протонов с энергиями ~60 МэВ дозных распределений в области опухоли. Основными критериями при выборе схемы формирования являются следующие: 

• неравномерность величины поглощенной дозы в облучаемой области менее 2 %;
• большие значения градиентов поглощенной дозы на границах области;
• максимальная доля числа протонов, попадающих в облучаемую область, от числа протонов на входе в зал облучения.

С использованием программного комплекса Geant4 выполнено моделирование различных вариантов формирования пучка на основе метода пассивного рассеяния.

Схема формирования офтальмологического пучка протонов в зале облучения

Рассчитано несколько вариантов системы формирования и оценены оптимальные характеристики пучка на входе в зал облучения. Предложен вариант «широкого» пучка протонов, диаметр которого на входе в зал облучения соответствует размерам опухоли. Показано, что широкий пучок с малым угловым расхождением позволяет получить требуемую однородность поглощенной дозы в облучаемой области, а также упростить систему формирования медицинского пучка и повысить ее надежность. 

Важным достоинством применения широкого пучка является возможность значительного (в несколько раз) снижения радиационного фона в зале облучения, в том числе уменьшения потока вторичных нейтронов, которые, в свою очередь, способствуют развитию вторичного рака при протонной терапии, в частности в детском возрасте. На рисунке приведено распределение потока вторичных нейтронов в зале облучения для «узкого» и «широкого» пучков протонов.

Распределение потока вторичных нейтронов в зале облучения для «узкого» - а и «широкого» - б пучков протонов. Стрелкой указано направление хода пучка от входа в зал облучения к пациенту.