Фундаментальні дослідження:

• Квантова електродинаміка в сильних електромагнітних полях.
• Взаємодія зарядженої частинки із замагніченим електронним газом.
• Дослідження умов виникнення та протікання високовакуумних високоградієнтних пробоїв у прискорювальних елементах.
• Плазмові процеси в джерелах іонів і магнетронів імпульсного типу.
• Дослідження зміни мікроструктури та еволюції дефектної структури мультикомпонентних сплавів реакторної техніки у процесі довгострокового нейтронного опромінення багаторівневим числовим моделюванням
• Інтегроване багаторівневе моделювання механічних властивостей конструктивних реакторних матеріалів під дією опромінення.
• Процеси взаємодії прискорених іонів і електронів МеВ-них енергій з речовиною.
• Іонна імплантації та імітаційні експерименти з дослідження впливу опромінення на конструкційні матеріали ядерної енергетики.
• Фізичні принципи генерації та формування інтенсивних пучків як позитивних так і негативних газових та металевих іонів для високоенергетичних іонних прискорювачів.
• Дослідження процесів нерівноважної плазми і розробка плазмових технологій виробництва водню для інтегрованих ядерно-водневих систем
• Дослідження фізико-хімічних властивостей водень-абсорбційних матеріалів перспективних для гібридних енергетичних систем і відновлювальних джерел енергії

Прикладні дослідження

• Рентгенівський фазовий контраст на базі компактних джерел рентгенівського випромінювання.
• Технологія і застосування ядерного скануючого мікрозонду.
• Технологія і застосування протонно-променевої літографії.
• Дослідження механізмів впливу водню на фізичні властивості конструкційних матеріалів для атомної енергетики.
• Розробка нових високодисперсних композиційних матеріалів з високими характеристиками радіаційної стійкості та фізико-хімічними властивостями
• Ядерно-фізичні методи локального аналізу для виконання задач ядерної криміналістики, характеризації, датування та збереження артефактів культурної спадщини.

Науково-технічні розробки

• Установка фазоконтрастної томографії для ранньої діагностики онкологічних, серцево-судинних захворювань.
• Експериментальна установка для отримання водню шляхом розщеплення природного газу в високочастотному (ВЧ) та над-високочастотному (НВЧ) розрядах при атмосферному тиску.
• Зондформуючі системи з корекцією аберацій для установок протонно-променевої літографії, що дасть можливість поліпшити їх роздільну здатність за рахунок зменшення сфокусованого пучка до розмірів <10 нм
• Рентгенівські дифракційні ґратки для фазоконтрастних томографів наступного покоління, які створюються з метою дослідження радіаційних дефектів реакторних матеріалів та ранньої діагностики онкологічних захворювань.
• Експериментальний стенд і відпрацювання технології для модифікації поверхні каналу повномірного ствола калібру 30 мм для підвищення його ресурсу живучості методом магнетронного розпилення імпульсами високої потужності.
• Інжектор іонів берилію (та іонів інших металів), його впровадження в іонний імплантер та прискорення пучка іонів берилію до енергії 20-120 кеВ для забезпечення технологічного процесу виготовлення фотоприймачів в діапазоні ІЧ спектру для систем наведення.
• Випробування технології магнетронного розпилення туго-плавких матеріалів імпульсами високої потужності у вакуумі для отримання зносостійких та корозійностійких покриттів з покращеними фізико-механічними властивостями.

Ядерна фізика, фізика високих енергій і фізика плазми

Вперше побудовано релятивістську теорію резонансів, пов'язаних з виходом віртуальної частинки на масову оболонку, для процесів спонтанного гальмового випромінювання електрона у полi ядра та розсіювання електрона на електроні (позитроні, мюоні) в імпульсному лазерному полі. Показано, що висота та ширина резонансних піків у відповідних поперечних перерізах  визначається частотою, часом імпульсу й інтенсивністю лазерної хвилі. Показане, що для типових імпульсних лазерів, використовуваних на прискорювачі SLAC (Princeton Rochester, SLAC, Tennessee collaboration), а також у Брукхейвенскiй національнiй лабораторії (Brookhaven National Laboratory) резонансні перерiзи можуть на декілька порядків величини перевищувати відповідні поперечнi перерізи без зовнішнього поля.

(С.П. Рощупкiн, О.А. Лебедь, О.О. Падусенко)

Залежність відносини резонансного диференціального перерізу СТВ електрона на ядрі до перерізу гальмового випромінювання ( без зовнішнього поля) від швидкості електрона при фіксованому положенні його імпульсу в початковому  й кінцевому станах і спонтанного фотона (θ́ = 120˚, φ́ = 10˚ -  суцільна лінія; θ́ = 120˚, φ́ = 60˚– штрихована лінія). Частота зовнішньої хвилі ω = 2,35  еВ, тривалість імпульсу τ = 1,5 ps, напруженість поля в піку імпульсу F0 = 6·109 В/см, відношення часу спостереження до тривалості імпульсу ρ = 5.

Розроблено безцезієве джерело негативних іонів водню на основі трубчатого розряду, що підтримується плазмовою інжекцією з інверсного газомагнетрону. В конструкції джерела реалізовано транспортування негативних іонів з об’єму плазми до емісійного отвору, що дозволило суттєво покращити емісійні характеристики іонного джерела. Одержано рекордні значення емісійної густини  струму іонів Н- (600 мА/см²) для безцезійових джерел з об'ємною генерацією іонів.

При напрузі екстракції 22 кВ одержано струм Н- іонів 60 мА. Довжина імпульсу 1,2 мс, частота ~10 Гц.

Досягнуті значення густини іонного струму та струму іонів Н-, являються кращими серед джерел негативних іонів водню з обємною генерацією що використовується в провідних лабораторіях США та Европи.

(В.А. Батурін, П.А. Литвинов, С.О. Пустовойтов, О.Ю. Карпенко)

Безцезієве джерело негативних іонів водню

Вперше теоретично досліджено народження електрон-позитронної пари електроном в зовнішньому магнітному полі поблизу порогу процесу. Вивчено кінематику процесу та знайдено порогові значення імпульсів частинок. Показано, що переважає процес з орієнтацією спіну початкового електрона вздовж магнітного поля. Знайдена оцінка імовірності процесу в одиницю часу складає 10¹³ c^-1 Процес утворення електрон-позитронної пари електроном ультрарелятивістської енергії спостерігався в полі інтенсивної лазерної хвилі на прискорювачі SLAC і досі не має повного теоретичного опису. Як відомо, за умови ультрарелятивістської енергії частинок конфігурація зовнішнього електромагнітного поля не суттєва, тому процес в магнітному полі буде мати подібні характеристики.

(чл.-кор. НАН України П.І.Фомін, Р.І.Холодов, О.П.Новак).

Пряма (а) та обмінна (б) фейнманівські діаграми процесу народження електрон-позитронної пари електроном в магнітному полі. Суцільні лінії представляють розв’язки рівняння Дірака в постійному магнітному полі.

Радіаційне матеріалознавство, фізика конденсованого стану

В Інституті прикладної фізики НАН України виконано цикл робот по моделюванню нерівноважних процесів, що проходять у матеріалах підданих опроміненню. Для самоузгодженого опису мікроструктурних перетворень у матеріалах реакторної техніки використовується мультимасштабний підхід, який включає розрахунки ab-initio, молекулярну динаміку та підходи Монте-Карло.

Проведено моделювання електронної структури стопів Zr – Nb, та Zr, що містить вакансії при нульовій температурі з перших принципів. Досліджено структурні та енергетичні властивості двох елементарних упорядкованих структур: Zr – Nb та Zr + вакансії. Встановлено оптимальні значення параметрів границі досліджуваних структур, визначено вплив ніобія та вакансій на характер зміни енергетичних характеристик (густини станів, енергетичного спектра та рентгенівських спектрів). Встановлено, що у стопу Zr – Nb, який містить вакансії, з більшою ймовірністю будуть утворюватися елементарні структури, що містять ніобій ніж елементарні структури з вакансіями. При дослідженні гідриду цирконія за низьких температур встановлено, що гідрид цирконія (ZrH2) може бути реалізований у двох конфігураційних варіантах: об’ємно-центрованої та гранецентрованої структурах. Обидві структури можуть бути як кубічними, так і тетрагональними. Оптимізація таких структур дозволила виявити, що енергетично вигідними будуть структури зі структурними співвідношеннями періодів с/а=0,885 та с/а=1,11. Встановлено, що гідрид цирконія, який характеризується гранецентрованою кубічною структурою є найвигіднішим (повна енергія кристалу Е=-98,3 кеВ), гідрид цирконія з об’ємно-центрованої структурою характеризується с/а<1 (E=-97,927 кеВ).