Открытый доступ
Доступ предоставлен
Только для подписчиков
№ 8 (2024)
Статьи
Разработка линейного позиционно-чувствительного сцинтилляционного детектора нейтронов на основе ZnS(Ag):6Li и кремниевых фотоумножителей
Аннотация
Разработан линейный позиционно-чувствительный детектор нейтронов на основе двух кремниевых фотоумножителей и органического световода. Определение координаты регистрации нейтрона на детекторе происходит из анализа амплитуды сигнала, получаемого с двух кремниевых фотоумножителей, расположенных в торцах световода. Приведены результаты измерений с использованием коллимированного источника 252Cf и двух типов детекторов на основе кремниевых фотоумножителей фирмы SensL с диффузионным отражателем и фирмы Hamamatsu без диффузионного отражателя и с ним. Сигналы от кремниевых фотоумножителей записаны с помощью аналого-цифрового преобразователя. Анализ координаты попадания нейтрона проводили по амплитудной характеристике фотосигнала. Для детектора на основе кремниевых фотоумножителей фирмы SensL не выявлено явной зависимости амплитуды сигнала от координаты регистрации нейтрона, в отличие от детекторов фирмы Hamamatsu. Разрешение детектора, покрытого диффузионным отражателем, составило около 10 мм, без диффузионного отражателя — примерно 5 мм.
3-10
Первые нейтронные измерения на рефлектометрах ТНР и NERO-2
Аннотация
В работе кратко описаны основные узлы нейтронных рефлектометров ТНР и NERO-2, установленных в зале горизонтальных экспериментальных каналов нового высокопоточного исследовательского реактора “ПИК” (НИЦ “Курчатовский институт” — ПИЯФ) в рамках программы по вводу в эксплуатацию первых пяти станций приборной базы этого реактора. Нейтронные рефлектометры ТНР и NERO-2 предназначены для проведения исследований магнитных и немагнитных многослойных наносистем, включая аттестацию нейтронно-оптических элементов для нейтронных станций. На ТНР реализована возможность работы в режимах (модах) измерений с “белыми” неполяризованным/поляризованным пучками и с монохроматическими неполяризованным/поляризованным пучками нейтронов (длины волн 0.09–0.50 нм). NERO-2 — рефлектометр высокого разрешения с фиксированной длиной волны излучения и возможностью работы как с неполяризованным, так и с поляризованным монохроматическим пучком нейтронов. В работе обсуждены результаты первых измерений нейтронно-оптических образцов на стеклянных подложках, проведенных на рефлектометрах ТНР и NERO-2 при запуске реактора “ПИК” на мощности 7 МВт. На ТНР выполняли измерения с суперзеркалом, представляющим собой апериодическую многослойную наносистему из 171 пары чередующихся слоев Ni и Ti (m = 2.5). На NERO-2 использовали зеркальный монохроматор, представляющий собой периодическую многослойную наносистему из 60 пар чередующихся слоев NiMo и Ti толщиной 60 Å каждый.
11-19
Электроника для детекторов тепловых нейтронов на основе сцинтиллятора ZnS(Ag)/LiF
Аннотация
Разработанные в ИЯИ РАН сцинтилляционные детекторы нейтронов на основе ZnS(Ag)/LiF, твердотельных фотоумножителей и световода из органического стекла успешно применяют в нейтронографических установках ИЯИ РАН как замену стандартных счетчиков на основе гелий-3. В этих детекторах используют световоды с диффузным отражением, что позволяет многократно увеличить регистрируемый сигнал (до 95 фотоэлектронов) по сравнению с детекторами, использующими в качестве световода спектросмещающие волокна. В работе описаны два вида схем смещения для работы с кремниевыми фотоумножителями. Предложен метод динамического смещения кремниевых фотоумножителей, который позволяет уменьшить их время восстановления и увеличить загрузочную способность детекторов нейтронов в восемь раз. Проведено моделирование и сравнение двух видов предусилителей, показано увеличение загрузочной способности. Использование новой электроники позволяет повысить загрузочную способность детекторов до 400 кГц. Разработана и описана схема цифрового управления порогами предусилителей. Разработана новая система сбора данных для времяпролетных нейтроннографических установок на 80 детекторов.
20-26
Разработка векторного магнита на основе высокотемпературных сверхпроводников для работы с поляризованными нейтронами
Аннотация
Рефлектометрия поляризованных нейтронов — экспериментальный метод исследования металлических тонких гетерофазных слоистых материалов, полимерных пленок, биологических систем, свободной поверхности жидкости, магнитных жидкостей — требует экспериментального оборудования, включающего в себя специальную магнитную систему. Описанная в настоящей работе магнитная система — векторный магнит — позволит изменять направление магнитного поля в трех направлениях, позволит разместить внутри устройство термостатирования при низких и сверхнизких температурах, и будет иметь апертуру, позволяющую разместить снаружи систему детектирования нейтронов и гамма-квантов. Согласно расчетам, криомагнит позволит прикладывать максимальное поле в вертикальной плоскости до 3 Тл, а в горизонтальной плоскости до 1 Тл. Для изготовления векторного магнита в настоящей работе предложено использовать ленту из высокотемпературного сверхпроводника шириной 4 мм. Криостат с векторным магнитом будет установлен на рефлектометре “РЕМУР” на восьмом канале реактора “ИБР-2”.
27-35
Многопроволочный позиционно-чувствительный детектор нейтронов с двумя слоями бора-10
Аннотация
Разработан многопроволочный позиционно-чувствительный детектор нейтронов с двумя слоями из бора-10, предназначенный для регистрации как тепловых, так и быстрых нейтронов. Чувствительные размеры детектора для измерения двух координат нейтрона составляют 50 × 50 мм. Его характеристики приведены в сравнении с параметрами детектора 100 × 100 мм, построенного и используемого нами ранее в измерениях пространственного распределения нейтронного потока. Плоскопараллельная конструкция нового детектора имеет симметричную структуру относительно проволочного анода и включает в себя также две промежуточные сетки и два катода из параллельных проволок с шагом 2 мм и две кремниевые подложки с нанесенными на них слоями из бора-10 толщиной по 0.003 мм. Геометрия детектора, состав и давление рабочего газа подобраны так, чтобы обеспечить поглощение вторичной альфа-частицы из реакции с тепловым нейтроном в половине толщины газовой среды детектора. Координаты нейтрона определены из измеренных величин амплитуд ионизационных потерь вторичных ядер. Ожидаемая эффективность детектора к тепловым нейтронам составляет около 5%. Детектор можно применять в установках малоуглового и дифракционного рассеяния в физике конденсированного состояния.
36-41
Поворотная магнитная гравитационная ловушка для хранения ультрахолодных нейтронов
Аннотация
В работе предложена стратегия проведения эксперимента по измерению времени жизни нейтрона при хранении ультрахолодных нейтронов в поворотной магнитной ловушке. Магнитная ловушка представляет собой набор постоянных магнитов NdFeB. Путем поворота ловушки вокруг горизонтальной оси можно осуществить гравитационный захват ультрахолодных нейтронов и их удержание. Представлен вариант конструкции, когда в одной установке расположены сразу две ловушки на одной оси: материальная и магнитная. Проведена оценка чувствительности магнитной ловушки в сравнении с материальной при равных условиях проведения измерений. Одним из факторов, влияющих на систематическую погрешность эксперимента, будет процесс деполяризации нейтронов в магнитном поле. Поэтому в работе рассмотрен вопрос разработки магнитной системы, которая минимизирует вероятность деполяризации нейтрона. Также рассмотрен так называемый турбинный эффект, который может проявляться в изменении энергии ультрахолодных нейтронов при повороте из-за взаимодействия с плоскими гранями ловушки. Предложенный гравитационный захват ультрахолодных нейтронов магнитной ловушкой является принципиально новым подходом, который до этого никогда не осуществлялся. Эксперимент может быть проведен на строящемся источнике ультрахолодных нейтронов на реакторе “ПИК”.
42-49
Взаимосвязь локально неоднородных, упругих и магнитных полей в Mn–Zn ферритах
Аннотация
Методами рентгеноструктурного анализа, рентгеновской спектроскопии и теоретической физики исследованы закономерности изменения атомной, электронной и магнитной подсистем в ферритах переменного состава MnxZnyFezO4, связанные с образованием кластеров, различающихся составом катионов. Экспериментально обнаруживаемые кластеры, проявляющиеся на рентгенограммах в виде гало, характеризуются определенной суперпозицией состояний ионов, магнитный момент которых зависит не только от спина электрона, но также и от его орбитального момента и спина ядра. Обнаружен фазовый переход в мезоскопической кластерной структуре от марганецсодержащих кластеров, обусловленных взаимодействием трехвалентных ионов марганца с ионами кислорода, к кластерам с преобладанием двух- и трехвалентных ионов марганца с ионами кислорода. Обнаружено, что кластеризованная структура марганец-цинковых ферритов ответственна за появление магнитных свойств экстремального характера, максимум соответствует изменению доминирующего вида кластеров. Обнаружено, что при увеличении массовой плотности происходит перезаселенность энергетических состояний — уменьшение количества состояний низкоэнергетической электронной группы и увеличение высокоэнергетической в виде седловины поверхности Ферми. Установлено, что особенности конденсации основных и мягких мод комплексов (кластеров), содержащих ионы марганца и кислорода, приводят к изменениям физических параметров образцов.
50-60
Анализ структуры фосфолипидной транспортной наносистемы методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей
Аннотация
Методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей изучена структура водных дисперсий фосфолипидной транспортной наносистемы (ФТНС) на основе соевых фосфолипидов, разработанной в Институте биомедицинской химии (Москва, Россия). Концентрация ФТНС в воде составляла 20, 25, 31.25 и 37.5%. Определены структурные параметры везикул (внутренний радиус, толщины областей гидрофобных хвостов и полярных голов) в приближении модели “вложенных сфер” с вариацией плотности длины рассеяния в разных частях везикулы, а также раствора, который находится внутри и вне везикулы. Между объемом раствора и внутренней областью везикул обнаружена разница плотностей длин рассеяния фотонов, обусловленная неравномерным процессом растворения мальтозы, которая входит в состав ФТНС. При практически неизменной толщине липидного бислоя наблюдалось уменьшение радиуса везикул от ~150 до ~130 Å с увеличением концентрации системы вследствие возрастающего осмотического давления. Определен гидрофобный объем везикул: 7.45 × 106 Å3 при наименьшей концентрации 20% и 5.85 × 106 Å3 при наибольшей концентрации 37.5%.
61-68
Топологические особенности в агрегации фуллерена С60 в матрице изотактического полипропилена
Аннотация
На основании данных малоуглового рассеяния нейтронов от нанокомпозита, составленного из фуллерена C60 (16.5 мас. %) в матрице изотактического полипропилена, получена информация о кластеризации наночастиц C60 и определены их геометрические параметры и размерность. В настоящей работе предложена интерпретация агрегации частиц со свойствами поверхностного фрактала в диапазоне размеров до 80 нм, наблюдаемой в эксперименте по малоугловому рассеянию нейтронов. На основании известных теорий о дефектной структуре молекулы фуллерена C60 в неевклидовых метриках, в частности, дисклинациях и монополе в двумерном сферическом пространстве Геделя, мы формулируем решеточную версию действия модели монопольного газа, в рамках которой методом Монте-Карло на решетке с использованием абелевой проекции оцениваем энергии монопольных токов при различных концентрациях монополей. В рамках предлагаемой модели можно вычислить фрактальные свойства наночастиц фуллерена C60 в полимерном композите, а также интерпретировать эволюцию дисклинаций.
69-77
Скирмионы и флуктуации спиновых спиралей в сильно коррелированных Fe1–хCoхSi с нецентросимметричной кубической структурой
Аннотация
Исследованы сильно коррелированные твердые растворы Fe1–хCoxSi с нарушенной кубической структурой типа В20. В рамках спин-флуктуационной теории и в модели плотности электронных состояний, вытекающей из первопринципных расчетов в рамках обобщенного градиентного приближения с учетом сильных кулоновских корреляций (GGA+U), рассмотрены температурные переходы в сплавах Fe1–хCoxSi (на примере x = 0.2, 0.3) со взаимодействием Дзялошинского–Мория. Показано, что в рассмотренных соединениях реализуется “размытый” по температуре магнитный фазовый переход первого рода, при котором имеет место изменение знака параметра межмодовой связи в функционале Гинзбурга–Ландау. Получено, что при таком переходе в ограниченных интервалах температур и внешних магнитных полей возникают скирмионные A-фазы, за пределами которых происходят экспериментально наблюдаемые флуктуации магнитных моментов спиновых спиралей. Построены (h–Т)-диаграммы, на которых указаны область с дальним порядком, флуктуационная и скирмионной фазы, Fe1–хCoxSi при х = 0.2 и 0.3 согласуются с экспериментом.
78-84
Сравнительный анализ морфологии поверхности плотных мембранных фильтров составов Pd95Pb5 И Pd93.5In6.0Ru0.5
Аннотация
Методами атомно-силовой и растровой электронной микроскопии в настоящей работе изучены особенности морфологии поверхности плотных мембранных фильтров на основе палладия с элементным составом Pd95Pb5 и Pd93.5In6.0Ru0.5 (числовые коэффициенты здесь и далее определяют состав в мас. %). Толщина плотных мембранных фильтров составляла 50 и 70 мкм соответственно. Изготовлены образцы из металлов высокой степени чистоты методами электродугового сплавления в защитной атмосфере и холодного проката с несколькими этапами промежуточного вакуумного отжига. В морфологии поверхности фильтров отмечены различия, обусловленные элементным составом сплавов. Установлены проявления кавитации в виде микроворонок при легировании палладия свинцом и отсутствие оных для сплава палладия с индием и рутением. Показаны различия шероховатости поверхности образцов. В режиме контраста латеральных сил методом атомно-силовой микроскопии установлено наличие участков поверхности различной твердости. Полученные результаты важны не только при проектировании элементного состава мембранных фильтров с целью оптимизации их эксплуатационных свойств при использовании в современных наукоемких технологических процессах, но и в индустрии контактов и микросхем с целью увеличения их износоустойчивости.
85-93
Атомное и электронное строение кремнийорганических полимеров производных ацетилена: рентгеноспектральное и теоретическое исследование
Аннотация
Изучено атомное и электронное строение двух кремнийорганических полимеров [–Ph2Si–(C≡C)2–]n (Р1) и [–Ph2Si–(C≡C–C≡C)2–]m (Р2) (где Ph — фенильная группа) ацетиленового и диацетиленового типа методами теории функционала плотности и рентгеновской эмиссионной спектроскопии. Полученные рентгеновские эмиссионные спектры SiKβ1 этих полимеров интерпретированы на основе анализа распределения парциальных электронных состояний, полученных из квантово-химических расчетов. Количественные характеристики параметров химического взаимодействия атомов, такие как заселенности, натуральные заряды и электронные конфигурации в исследованных полимерах получены на основе анализа гибридных натуральных связевых орбиталей. Полученные значения поляризационных коэффициентов натуральных связевых орбиталей указывают на локализацию электронной плотности преимущественно на атомах углерода. Электронные конфигурации для атомов углерода, входящих в различные фрагменты, существенно отличаются. Для атомов С этинильных (диэтинильных) фрагментов они близки к линейной σ-связи sp1.03 (Р1) и sp0.95 (Р2) типа, тогда как для атомов С фенильных фрагментов конфигурация является sp2.42, промежуточной между sp2 и sp3, в соответствии с молекулярной геометрией. Натуральные заряды на Si в обоих полимерах практически одинаковы: +1.58e, +1.59e (e – заряд электрона), тогда как натуральные заряды на атомах углерода диэтинильной группы меньше по сравнению с зарядом атомом углерода этинильной группы от –0.42e до –0.36e.
94-101
Кинетика гидролиза борогидрида натрия в сравнении с амминбораном с использованием кобальтовых катализаторов
Аннотация
Исследована кинетика каталитического гидролиза борогидрида натрия с кобальтовыми катализаторами Co3O4/ZnO, Co/ZnO, Co3O4/цеолит, Co/цеолит, Co(OH)2, Co3O4, Co–B и проведено сравнение кинетических характеристик процесса с такими же характеристиками при каталитическом гидролизе амминборана. Концентрации борогидрида натрия и NaOH в водном растворе во всех случаях составляли 0.064 и 0.06 М соответственно. Определены в каждом случае кажущаяся энергия активации и скорость выделения водорода в процессе гидролиза борогидрида натрия в области температур 35–80°C. Обработку кинетических данных проводили с использованием моделей реакции нулевого, первого порядка и Ленгмюра–Хиншельвуда. Величины кажущейся энергии активации в процессе гидролиза борогидрида натрия находятся в интервале от 37.0 для Co3O4 до 72.6 кДж/моль для Co3O4/ZnO. Эти величины превышают аналогичные значения при гидролизе амминборана, которые находятся в интервале 26.0–47.4 кДж/моль. Наблюдается более высокая скорость выделения водорода при гидролизе борогидрида натрия в сравнении с амминбораном при использовании этих катализаторов, за исключением катализаторов Co–B и Co/ZnO. Максимальная скорость выделения водорода наблюдается при использовании катализаторов Co(OH)2 и Co–B и составляет 3510 и 3140 мл H2 (г-кат)–1 мин–1 соответственно.
102-111
Влияние импульсных пучково-плазменных воздействий в установке плазменный фокус на псевдосплав вольфрам–медь
Аннотация
Представлены результаты исследования совместного влияния на псевдосплав W–Cu импульсных потоков ионов дейтерия с плотностью мощности qi ≈ 1 × 109 Вт/см2 при длительности воздействия τi = 20 нс и дейтериевой плазмы с параметрами qpl ≈ 1 × 108 Вт/см2 и τpl = 20 нс, создаваемых в установке Плазменный фокус “Вихрь”. Показано, что в реализованном режиме облучения характер повреждаемости поверхностного слоя тестируемого материала зависит от состояния поверхности облучаемых образцов и числа импульсных воздействий потоков энергии. Воздействие импульсного облучения на полированную поверхность образцов псевдосплава приводит к появлению протяженных медных капель на поверхности вольфрама и к образованию множества пор, наблюдаемых как в Cu каплях, так и в W основе. Кроме того, на поверхности W появляются микротрещины, а также островки медной пленки произвольной конфигурации. Многократное облучение образцов исследуемого материала с неполированной поверхностью приводит к образованию цепочек капель вольфрама, расположенных в верхних частях протяженных гребней и сформированных при шлифовании исходных образцов. На облученной поверхности видны также лопнувшие пузыри, которые возникли в результате кипения медных включений и пленки меди, осажденной на вольфрам. Скопления таких пузырей часто локализованы вдоль гребней на поверхности вольфрама. Полученные результаты обсуждаются, путем применения численных расчетов и анализа термического влияния на рассматриваемый псевдосплав импульсного облучения.
112-122
Влияние фосфорсодержащей диспергирующей добавки на микроструктуру и оптические свойства сцинтилляционной керамики (Gd, Y)3(Al, Ga)5O12:Ce со структурой граната
Аннотация
Эфир фосфорной кислоты, типичный компонент диспергирующих добавок, влияет на функциональные свойства керамики Gd1.494Y1.494Ce0.012Al2Ga3O12. В спеченной керамике остаточная концентрация фосфора может достигать до 40–70% от введенного количества. Примесь фосфора, находящаяся на поверхности частиц, ускоряет рост зерен при спекании и приводит к образованию вторичных фаз фосфатов редкоземельных элементов. С увеличением концентрации фосфора плотность и светопропускание керамики уменьшаются. Относительно небольшие количества фосфора могут улучшить люминесцентные свойства керамики, но большое количество увеличивает фосфоресценцию и снижает световыход сцинтилляций.
123-132