И. О. Директора имф поликарпов М. А

Вид материала

Документы

Содержание Лазерные методы диагностики. Применения перестраиваемых ДЛ для дистанционного мониторинга компонентов ракетных топлив. Экспресс-измерения для изотопной дыхательной диагностики. Физика твердого тела Мессбауэровская спектроскопия кристаллов в условиях резонансной лазерной накачки. Теоретические исследования Теория майорановских нейтрино.

Подобный материал:

• Комплекс по дисциплине философия для всех образовательных, 1707.32kb.
• Комплекс по дисциплине отечественная история для всех образовательных, 1413.79kb.
• 23-24. Социальные и философские проблемы применения биологических знаний и их анализ, 181kb.
• Должностная инструкция директора по производству общие положения > Заместитель генерального, 40.78kb.
• Публичный доклад, 1280.65kb.
• Задачи, мероприятия Сроки Ответственный   Утверждение плана работы, решение организационных, 131.83kb.
• Феномен человека вчера и завтра, 6667.44kb.
• Программа развития средней общеобразовательной школы №1 города Черняховска Калининградской, 1249.11kb.
• Справка по итогам самообследования учебного плана муниципального бюджетного общеобразовательного, 5173.9kb.
• Открытый школьный доклад директора моу сош №2 Ждановой, 118.75kb.

ЛАЗЕРНЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ.


Изучение процесса гидролиза UF₆ в атмосфере с помощью диодных лазеров ближнего и среднего ИК-диапазонов. Одним из наиболее опасных компонентов аварийных выбросов на объектах ЯТЦ является газообразный UF₆, представляющий собой наиболее химически активное соединение из всех известных фторсодержащих соединений урана. В случае аварийного выброса UF₆ активно взаимодействует с атмосферной влагой, в результате чего образуются газообразный HF и аэрозоль твердых частиц UO₂F₂. Причем весьма важно то обстоятельство, подтвержденное предварительными экспериментами, что после выброса (утечки) UF₆ в атмосферном воздухе в течение довольно длительного времени (40-50 ч) на уровне нескольких сотен ppb может оставаться негидролизованный гексафторид урана.

Для оперативного получения информации о концентрации и химическом составе выбросов в условиях активного их взаимодействия с различными составляющими атмосферы одним из наиболее перспективных в настоящее время является применение методов лазерного зондирования с использованием диодных лазеров (ДЛ) ближнего и среднего ИК-диапазонов.

Методами криогенной ИК-спектроскопии уточнены интегральные коэффициенты поглощения (А∙10^-8 см²∙молек.^-1∙с^-1) ряда колебательных полос UF₆: А(v₃) = 446, А(v₁+v₃) = 0.75, А(v₂+v₃) = 0.98, А(v₃+v₅) = 0.25, А(3v₃) = 0.009.

Проведено исследование процесса гидролиза UF₆ в условиях, максимально приближенных к условиям реальной атмосферы. Принципиальная блок-схема спектрометра для изучения гидролиза UF₆ приведена на рис. 1. Для имитации этих условий использовался закрытый бокс из нержавеющей стали емкостью 370 л, снабженный вентилятором и наполненный атмосферным воздухом (Р=720 мм.рт.ст., Т=299 К, влажность 60 %), в который впрыскивалась заранее приготовленная в отдельной емкости (Р=4 атм, V=5 л) смесь UF₆ и чистого азота, после чего давление в боксе возрастало



Рис.1. Принципиальная блок-схема ДЛ спектрометра для изучения гидролиза гексафторида урана. Здесь: (ДЛ)––диодные лазеры, (ФП)–фотоприемники, (PCI и Fire Ware)-шины передачи данных, (ПУ)–предусилители.


до Р=750 мм рт.ст. Сразу после подачи смеси UF₆-N₂ на 10 с включался вентилятор. Измерения концентраций UF₆ и образовавшегося в процессе гидролиза HF проводились по двум отдельным оптическим каналам. Для точного определения концентрации UF₆ и HF каждый канал снабжался реперными кюветами длиной 10 см. Для анализа HF использовался перестраиваемый диодный лазер (ДЛ) с λ~1,31 мкм (P2 линия HF), снабженный волоконным выводом излучения. Для анализа UF₆ использовался перестраиваемый ДЛ с λ ~7.68 мкм (центр поглощения полосы v₁+v₃ UF₆). Длина оптического пути детектирования для каждого из каналов составляла 1,5 м.

В ходе экспериментов было установлено, что после впрыска UF₆ в боксе происходило быстрое (≈ 2 с) перемешивание смеси UF₆-N₂ с исходной атмосферой бокса. При этом давление UF₆ в боксе достигало 0.9 мм рт.ст. В течение 25 с давление UF₆ падало до 0.1-0.2 мм рт.ст., тогда как давление HF возрастало от 0 до ≈ 4 мм рт.ст (см. рис.2).



Рис. 2. Результаты эксперимента по гидролизу гексафторида урана


Таким образом, приблизительно наблюдается баланс концентраций UF₆ и HF в процессе гидролиза, который описывается уравнением UF₆ + 2H₂O Û UO₂F₂ (тв)+ 4HF.

Проведение дальнейших экспериментов с использованием квантово-каскадных ДЛ с λ=16 мкм (ν=626 см^-1) позволит снизить предел обнаружения UF₆ в реальной атмосфере до уровня нескольких десятков ppt, поскольку в этом диапазоне расположен центр полосы v₃ UF₆, интегральный коэффициент поглощения которой почти на 3 порядка превышает ту же величину для полосы v₁+v₃ гексафторида урана.

Применения перестраиваемых ДЛ для дистанционного мониторинга компонентов ракетных топлив. Ранее работы по дистанционному контролю компонент ракетных топлив (КРТ), такие как несимметричный диметилгидразин (гептил, НДМГ), нитрозодиметиламин (НДМА), тетраметилтетразен (ТМТ), которые являются сильнодействующими ядовитыми веществами, развивались на основе использования перестраиваемых ДЛ среднего ИК диапазона (халькогениды свинца, олова и др.) с регистрацией сигнала на основных частотах поглощения молекул КРТ. Однако необходимость глубокого охлаждения (в частности, жидким азотом) препятствовала практическому внедрению этих систем, в том числе и в мониторинге окружающей среды. Переход к неохлаждаемым лазерам ближнего ИК диапазона позволил преодолеть этот недостаток, но при этом регистрация происходит в области существенно менее интенсивных составных частот и обертонов, что приводит к некоторой потере чувствительности, которая компенсируется накоплением сигнала.

Следует отметить перспективность использования этого диапазона длин волн, а именно: относительно малый коэффициент поглощения в полосе составных частот и обертонов компенсируется накоплением сигнала в приемнике лидара и высокой частотой следования импульсов, а также тем, что селективность распознавания многокомпонентных газо-аэрозольных смесей значительно увеличивается в результате отличия ангармонизма С-Н колебаний для разных молекул КРТ.

При использовании лидара в трассовом режиме (уголковые отражатели типа катафотов) при мощности перестраиваемого диодного лазера (λ=1,5–1,75 мкм) 3 мВт длина трассы составляет 5 км, чувствительность – на уровне ПДК КРТ. Вариант использования лидара воздушного базирования (вертолет) с отражением излучения от подстилающих поверхностей обеспечивают обнаружение КРТ на уровне ПДК с расстояний 100…500 м при чувствительности фотоприемников 1,2510^-12 Вт/смГц^1/2 (Ge при 30^оС), диаметре приемного зеркала телескопа 10 см и мощности перестраиваемого ДЛ 10 мВт. При увеличении мощности ДЛ с помощью усилителя до 1 Вт дальность зондирования при отражении от подстилающей поверхности может составить 15 км.

Таким образом, с точки зрения аппаратурной реализации бортового лидара и его аналитических и эксплуатационных характеристик, а также стоимости лидара на основе ДЛ и квантовых счетчиков является наиболее конкурентоспособным в решении задач дистанционного мониторинга КРТ в приземной атмосфере и на поверхности земли.

Экспресс-измерения для изотопной дыхательной диагностики. Исследовалась возможность создания прототипов малогабаритных приборов для экспресс-измерения изотопного соотношения Н₂¹⁸О/Н₂¹⁶О, а также ¹²СО₂/¹³CO₂ для изотопной дыхательной диагностики. Для достижения максимальной чувствительности при анализе изотопов воды в режиме «исчерпывание» использовался модуляционный режим генерации ДЛ. Он осуществляется с частотой оцифровки платы NI DAQ 200 кГц, и представляет собой разбиение массива точек импульса накачки на две составляющие (четную и нечетную). При этом глубина модуляции импульса выбрана таким образом, чтобы обеспечить частотный сдвиг в моде ДЛ, равный полуширине линии поглощения Н₂¹⁸О (W~0,007 см^-1). Далее производится вычисление натурального логарифма отношения четной и нечетной составляющих сигнала. Для достижения максимальной воспроизводимости измерений концентрации ¹⁸О, давление паров воды в кювете поддерживалось на уровне 9,2 Торр с точностью 0,05 Торр.

Для уменьшения влияния на результат измерения фликкерных компонентов шума, на следующем этапе обработки сигнала дополнительно производилось численное дифференцирование и фильтрация. Фильтрация осуществлялась программным путем с использованием полосового фильтра Батерворда с параметрами: порядок фильтра-2, частота -200 кГц, полоса-35 кГц. При этих параметрах фильтрации не происходит искажения контура спектральной линии поглощения. Для перевода сигнала из временной шкалы в частотную использовалась линейная функция преобразования, тангенс угла наклона которой оптимизируется с применением процедуры подгонки контура спектральной линии гауссовой функцией. Применяемый алгоритм измерения ¹⁸О позволяет получать величину концентрации Н₂¹⁸О в широком диапазоне (от 0,12% до 3,0 %) со случайной погрешностью не более 5%.

Для проверки правильности измерения концентрации Н₂¹⁸О было специально изготовлено несколько образцов воды с различной концентрацией Н₂¹⁸О. Относительная концентрация ¹⁸О была предварительно измерена на масс-спектрометре. Проведенный анализ показал, что результаты, полученные с помощью ДЛ-спектрометра и масс-спектрометра, отличались не более чем на 0,5%.

В режиме «обогащение» производилась регистрация участка спектра, в котором представлены линии изотопомеров H₂¹⁷O, H₂¹⁸O, HD¹⁶O, H₂¹⁶O.

Регистрация спектров поглощения изотопов воды и их последующая обработка производилась с использованием платы ввода-вывода NI DAQ и драйверов графического пакета LabVIEW. Время единичного интервала измерения относительных концентраций изотопомеров ~0.2 сек. При 100-кратном накоплении и усреднении относительная случайная ошибка при измерении концентрации H₂¹⁸O не превышает 0.3 %.

В настоящий момент прибор работает в режиме регулярных измерений проб с разделительных колонн. Запуск прибора значительно облегчил задачу контроля технологического режима комплекса «Вода».

Принимая во внимание требуемую точность измерений изотопного состава углекислого газа ~0.5 ‰, можно прийти к выводу, что необходимая точность измерения поглощения должна быть не хуже 3 10^–6. В выбранном частотном диапазоне сечение поглощения ¹³СО₂ в 46 раз слабее основного.

Программа, написанная в среде графического программирования LabWIEV, позволяла в режиме реального времени управлять процессом измерения и вычислять величину δ. Время единичного измерения δ составляло не более 0.2 сек. При 100 кратном накоплении и усреднении результатов единичных измерений относительная погрешность δ не превышала 0.7 ⁰/₀₀, что является приемлемым для клинической практики.

Проведенный статистический анализ полученных данных позволяет оценить величину систематической ошибки по разным циклам измерений одной и той же пробы, которая не превышала 1.2 ‰. Для настоящей методики измерений она определяется погрешностью определения давления газовой смеси, составлявшей 0.5 Торр. Однако при определении значения величины δ, систематическая ошибка частично компенсируется и тогда, как уже говорилось, относительная погрешность δ не превышает 0.7 промилле (⁰/₀₀).

Таким образом, разработаны аппаратные и программные средства для экспресс измерения концентрации ¹³СО₂ по спектру поглощения СО₂ в ближнем ИК диапазоне.

Были проведены сравнительные тесты пациентов на макете ДЛ газоанализатора и на приборе HeliView. Лабораторный макет ДЛ газоанализатора может стать основой для разработки серийного анализатора для изотопной дыхательной диагностики.


ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА


Разработка и создание новых материалов твердотельной электроники, необходимых для осуществления роста обработки и передачи информационных объёмов. Проведен анализ научно-технической литературы, патентный поиск для выбора направлений создания дискретных магнитных сплавов и двухфазных систем для спинтроники – области квантовой электроники, в которой для физического представления информации наряду с зарядом используется спин частиц. Решая задачу интеграции магнитных систем в полупроводниковую электронику совместно с Гиредметом, ФТИ им. Иоффе и НИФТИ (при Нижегородском Университете им. Лобачевского), изготовлены комбинированные структуры с магнитными слоями и обладающие магнитными свойствами при комнатной температуре.

В частности, изготовлены дискретные сплавы на основе систем Mn/GaAs и Mn/GaSb и структуры, содержащие в матрице полупроводника квантовые ямы и -слои магнитных примесей, путем совмещения метода эпитаксии полупроводников А³В⁵ из металлоорганических соединений и гидридов и метода нанесения материала из лазерной плазмы.

Исследования электрических и магнитных характеристик изготовленых опытных образцов дискретных структур Mn/GaAs показали наличие ферромагнитного упорядочения по измерениям эффекта Керра и специфическую зависимость электрического сопротивления от температуры измерений. Продемонстрировано, что дискретные структуры Mn/GaSb обнаруживают аномальный эффект Холла при комнатной температуре измерений. Разработана лабораторная методика (технологический процесс, последовательность операций) формирования квантово-размерных структур на основе GaAs с Mn-слоем (квантовые ямы). Полученные структуры демонстрируют достаточно высокое структурное (эпитаксиальное) качество. Показано, что носители заряда (дырки) в таких структурах имеют достаточно высокую эффективную подвижность, что позволяет использовать эти структуры для низкотемпературных исследований спин-поляризованного транспорта носителей.

Изготовлены гибридные магнитные структуры ферромагнетик-полупроводник с различными ферромагнитными металлами, наносимыми магнетронным распылением. Проведена оптимизация условий нанесения ферромагнитных пленок, толщин материалов для обеспечения спиновой инжекции. На серии пленок Со и Ni на подложках из GaAs и кварца толщиной от 75 нм до 3 нм обнаружена петля гистерезиса намагниченности с полушириной в ~50 Гс (коэрцитивная сила).

Изучено влияние рассеянных полей ферромагнитных пленок на оптическую ориентацию электронных спинов в полупроводнике GaAs. Показано, что рассеянные поля у поверхности арсенида галлия вызывают спиновую релаксацию оптически ориентированных электронов полупроводника вследствие прецессии их спинов во флуктуирующих в пространстве магнитных полях, обусловленных доменной структурой ферромагнетика.

Установлены условия и разработана лабораторная методика получения двухфазных полупроводниковых пленок n– и p– типа на основе оксидов титана с примесями 3d – переходных металлов, обладающих ферромагнетизмом при комнатной температуре.

Разработана технология получения композитных систем со смешанными полупроводниковыми наночастицами CdS и Cu₂S n- и p- типа проводимости в одной полимерной пленке и имеющих p-n гетеропереход. Cовместно с университетом штата Вирджиния (США) проводились исследования эффекта переключения и памяти в наноструктурах с наночастицами CdS в матрице Al₂O₃. Проводятся исследования электрических и магнитных свойств (магнитосопротивления, намагниченности, ВАХ) магнитных нанокомпозитов на основе наночастиц Fe₃O₄ в полимерных матрицах.

Проведены исследования газочувствительности полупроводниковых газовых сенсоров на основе SnO₂ к метану и к аммиаку в широкой области температур, концентраций и влажности газовой среды. Разработана система легирующих добавок в чувствительный слой датчика, подобраны оптимальные рабочие режимы, при которых динамические параметры достигают свои лучшие значения, а потребляемая мощность не превышает 70 мВт.

Продолжаются исследования динамики конденсированного электронного состояния – волн зарядовой плотности в квазиодномерном проводнике o-TaS₃. Проведенная расшифровка спектра электрического сигнала, порождаемого движущейся волной зарядовой плотности, вплоть до 16-ти гармоник показала некогерентность временных особенностей гармоник.

Проведено подробное ЯМР-исследования на ядрах ⁶³Cu и ¹⁷O монокристаллов Sr_14-xCa_xCu₂₄O_41+ с дырочным допированием_, в том числе при высоких давлениях (до 32 кбар). В условиях, когда сверхпроводимость в системе была стабилизирована высоким давлением, были обнаружены низколежащие моды спиновых флуктуаций, сосуществующие с возбуждениями со спиновой щелью. Было показано, что теоретически предложенные двух- и трехмагнонные механизмы достаточно хорошо объясняют поведение спин-решеточной релаксации, при этом величина зависящей от давления щели в спектре магнонов бралась из данных по измерению сдвига Найта. В сильно допированных образцах можно было наблюдать кроссовер между спин-щелевым и парамагнитным режимами Гейзенберговских цепочек по температурной зависимости динамических структурных факторов при волновых векторах q~(pi, pi ) и q~(0,0).

Исследования изотопических эффектов. Проведено экспериментальное исследование температурной зависимости теплопроводности монокристаллов кремния с двумя разными изотопическими составами: природным и обогащенным по изотопу ²⁸Si до 99.983% в интервале температур от 0.5 K до 300 K. Обогащенный кристалл имеет очень высокое значение в максимуме (при 26.5 К) теплопроводности - 290 Вт см^-1K^-1, что в 7.5 раз выше, чем теплопроводность природного кремния. Изотопический эффект уменьшается с ростом температуры и составляет 10  2% при комнатной температуре.

Рассмотрено влияние изотопического беспорядка на поглощение ультразвука в кристаллах германия, кремния и алмаза. Предсказан «гигантский» изотопический эффект в коэффициенте поглощения ультразвука (в отличие от изотопического эффекта в теплопроводности и термоэдс).

Исследованы свойства аморфных сплавов редкоземельных металлов Gd и Y с кремнием для выяснения природы отрицательного магнетосопротивления а-Gd_xSi_1-x вблизи перехода металл-диэлектрик. Была предложена теоретическая модель, объясняющая как транспортные, так и магнитные свойства аморфных сплавов а-Gd_xSi_1-x. В рамках концепции локального фазового перехода было показано, что магнитное упорядочение более вероятно в нанокластерах, чем в окружающей матрице и существует в широком диапазоне температур.

Проведено исследование методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) соединения CdGeAs₂, легированного Mn. Анализ экспериментальных данных выполнен в предположении образования в системе магнитных центров двух типов: Mn_Cd - ионов Mn, замещающих Cd²⁺ и имеющих спин S=5/2, и Mn_Ge - ионов Mn, замещающих Ge⁴⁺ и образующих с двумя «тяжелыми» дырками комплекс Mn²⁺+2p со спином S=1/2. Отсутствие сигналов от изолированных центров и лоренцева форма кривой поглощения свидетельствуют о сильном обменном сужении спектра и о распространении изотропного обменного взаимодействия с участием Mn_Ge на расстояния, существенно превышающие параметр решетки. Показано, что обменное взаимодействие между комплексами Mn²⁺+2p является ферромагнитным и на 3÷4 порядка превосходит величину характерного суперобменного взаимодействия с участием центров Mn_Cd. Вид температурной зависимости восприимчивости указывает на образование при температуре около 250 K слабо взаимодействующих областей наноскопических масштабов с ферромагнитно упорядоченными комплексами Mn²⁺+2p.

Мессбауэровская спектроскопия кристаллов в условиях резонансной лазерной накачки. В исследованиях использовался экспериментальный метод управления ядерными гамма-переходами – двойной оптико-гамма резонанс, сочетающий в себе преимущества лазерной и мессбауэровской спектроскопии. Эксперименты проводились на самоактивированных кристаллах трихлорида европия EuCl₃.6H₂O, в оптическом спектре которых имеется узкая (~0.02 нм) бесфононная линия 580.7 нм, отвечающая переходу ⁷F₀ – ⁵D₀, при комнатной и гелиевой температуре. При низких температурах для ядер ¹⁵¹Eu наблюдается систематическое уширение мессбауэровской линии примерно на 3%, свидетельствующее о частичном (около 10%) заселении возбужденного уровня ⁵D₀, предсказываемого теорией.


ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ


Экспериментальные факты, связанные с наблюдением нейтринных осцилляций, свидетельствуют о наличии у нейтрино массы и стимулируют детальное изучения свойств массивных нейтральных фермионов. Центральной проблемой физики частиц является сегодня поиск безнейтринных 2-переходов ядер и развитие теории 2-распада с участием майорановских нейтрино. Такие исследования охватывают, с одной стороны изучение майорановских свойств нейтрино, а с другой развитие ядерных моделей 2-распада.

Теория майорановских нейтрино. По программе теоретического исследования физики нейтрино и слабого взаимодействия основное внимание было уделено развитию принципиально новой модели майорановских свойств нейтрино, основанной на симметрии паулиевского SU(2)xU(1)-типа, впервые представленной Ю.В. Гапоновым в журнале ДАН 2004 г.. В модели рассмотрены майорановские свойства свободного нейтрального фермиона, имеющего левые и правые состояния, как в случае безмассовых частиц, когда паулиевская симметрия является точной, так и для массивных нейтральных фермионов, когда паулиевская симметрия нарушена таким образом, что в лагранжиане модели возникают вклады дираковской и майорановской массы. Особенностью исследуемой схемы является то, что в ней для массивных частиц всегда существуют два решения, отвечающие разным по знаку, но одинаковым по величине майорановским массам левых и правых состояний, причем осцилляции между состояниями, описываемым этими решениями, отвечают бесконечно большой осцилляционной длине.

Принципиально новым моментом исследуемой модели является использование в ней, наряду с киральными, преобразований нового типа - паулиевских, смешивающих частичные и античастичные состояния. Эти преобразования интерпретируются как повороты в специальном изопространстве и связывают между собой состояния, отвечающие различной относительной величине майорановских и дираковских масс. Показано, что в такой модели существует сохраняющееся квантовое число, обобщающее понятие лептонного заряда, причем z-компонента обобщенного заряда связана с дираковскими свойствами частицы, а x- и y-компоненты - с майорановскими. Особенностью схемы является то, что в ней майорановские свойства зависят от инверсного класса частиц (характеристики, определяющей фазовый множитель при операции пространственного отражения), при этом рассмотрены как физические частицы инверсных A-B классов, к которым относят сегодня нейтрино, так и гипотетические частицы инверсных C-D классов, до сих пор в литературе не изучавшиеся.

В целом модель приводит к выводу о том, что в рамках современной феноменологической схемы описания майорановских свойств нейтральных частиц существует принципиальная возможность введения дополнительной симметрии, обобщения лептонного заряда и использования вводимых на этой базе новых квантовых чисел для описания майорановских свойств частиц - чего нет в применяемом сегодня феноменологическом подходе. При этом оператор обобщенного заряда и оператор, задающий структуру массовых слагаемых общего лагранжиана модели, могут интерпретироваться как вектора в специальном изопространстве, а известные майорановские соотношения обобщаются и связываются с проекционными условиями для собственных функций этих операторов. Их форма обусловлена выбором базовых операторов представления и зависит от инверсного класса частиц: в общем случае физических частиц инверсных A-B - классов это - оператор массового слагаемого лагранжиана, в случае гипотетических частиц инверсных C-D-классов - оператор обобщенного лептонного заряда.