История Лаборатории

Из жизни позитрониев

Подробно о мюонах

Подробно о позитронах

Начальник лаборатории: Степанов Сергей Всеволодович, доктор физико-математических наук

Лаборатория физической химии была основана в 1947 году. В настоящее время основным направлением работ является исследование конденсированных сред методами мюонной и позитронной спектроскопии.

Методы позитронной и мюонной спектроскопии получили широкое распространение для изучения трансформации первичных продуктов взаимодействия излучения со средой. Позитрон (мюон) в среде можно рассматривать как зонд, внедренный в трек ионизирующей частицы (собственный трек). Параметры аннигиляции позитронов и деполяризации мюонов в конденсированных средах тесным образом связаны как со свойствами среды, так и со свойствами первичных продуктов радиолиза среды, окружающих позитрон (мюон) на конечном участке собственного трека.

Использование позитронной и мюонной методик для изучения твердого тела дает информацию о кристаллической структуре твердого тела, ее дефектах, включая и те, которые вызваны радиацией, состоянии поверхности и свойствах приповерхностных слоев твердых тел, о слоистых структурах, распределении валентных электронов и электронов зоны проводимости по импульсам и локальных микрополях.

В лаборатории разработаны теоретические модели аннигиляции позитронов в жидкостях, металлах, ионных кристаллах и полупроводниках.

Позитронный метод основан на экспериментальном определении параметров аннигиляции позитронов и позитрония (временное и угловое распределение аннигиляционных фотонов) в среде при варьировании состава среды, напряженности внешнего электрического поля, температуры и иных термодинамических условий.

Рис.1. Схема установки для наблюдения угловой корреляции аннигиляционных g-квантов
1—подвижный детектор;
2—источник позитронов
3—образец;
4—неподвижный детектор;
5—сцинтиллятор;
6—усилитель;
7—дискриминатор;
8—схема совпадений;
9—счетчик

Рис.2. Угловые распределения аннигиляционных фотонов в пористых образцах кремния: Si — пористый; <111>; (2-гаусса + парабола), 1—суммарный спектр (сумма спектров 3, 4, 5), 2—экспериментальные точки, 3—первая гауссовская составляющая спектра, 4—параболическая составляющая спектра, 5—вторая гауссовская составляющая спектра, обусловленная аннигиляцией термализованного пара позитрония в объеме пор. По оси абсцисс отложены каналы анализатора (цена канала 0,2 мрад), по оси ординат — число событий.

В мюонном методе ведется наблюдение за поляризацией и прецессией мюона в среде при наложении магнитных полей. Оказавшись в среде, позитрон и мюон с заметной вероятностью образуют экспериментально наблюдаемые водородоподобные атомы позитрония (Ps) и мюония (Mu).

Рис. 3. Прецессия мюония в кристаллическом кварце.
По оси абcцисс — номер канала,
по оси ординат — число отсчетов, исправленное на экспоненциальный распад мезона.

Получено два диплома на открытие:
№259 — «Свойство одноэлектронных атомов в кристаллических полупроводниках быть глубокими донорами». (Д.Г. Андрианов, Е.В. Минайчев, Г.Г. Мясищева, Ю.В. Обухов, В.С. Роганов, Г.И. Савельев, В.Г. Фирсов, В.И. Фистуль);
№161 — «Явление существования мюония в конденсированных средах». (А.И. Бабаев, М.Я. Балац, Г.Г. Мясищева, Ю.В. Обухов, В.С. Роганов, В.Г. Фирсов).

С использованием позитронной спектроскопии в лаборатории выполнено большое число как экспериментальных, так и теоретических работ. Кратко приведем наиболее интересные результаты:

• концентрации электронов проводимости в металлах, определенные позитронным методом УРАФ (угловое распределение аннигиляционных фотонов), находятся в хорошем согласии с результатами расчетов по модели свободного электронного газа;
• позитроны в металлах аннигилируют как на свободных электронах, так и на остовных электронах;
• в металлах взаимодействие позитронов с электронным газом приводит к локальному повышению концентрации электронов вокруг позитрона;
• в металлах позитроны могут образовывать со свободными электронами комплексы Уилера (e⁻e⁺e⁻);
• в полупроводниках позитронная спектроскопия обладает высокой чувствительностью к точечным дефектам (примесные атомы, первичные радиационные дефекты и т.п.);
• в кремнии, облученном протонами, определены размеры радиационных дефектов и их концентрация;
• получено экспериментальное доказательство возможности существования термализованного позитрония в пористом кремнии (см. рис. 2);
• выявлен механизм образования позитрония в жидких средах — путем рекомбинации позитрона с одним из квазисвободных электронов позитронного трека;
• установлено сходство механизмов образования позитрония, мюония и радиолитического водорода;
• экспериментально определено время образования позитрония в полярных средах (несколько пикосекунд);
• установлен механизм сольватации электронов в полярных средах;
• создана количественная модель образования позитрония и радиолитического водорода в водных растворах;
• на основе позитронной спектроскопии предложен экспресс-метод выявления канцерогенов.

В лаборатории в разные годы был выполнен ряд важных прикладных исследований:

1. Физико-химические процессы в водных растворах делящихся материалов (урана и тория).
   


2. Повышение экологической безопасности при эксплуатации ядерных энергетических установок в нормальных и аварийных условиях. Созданная модель радиолиза позволила описать практически все имеющиеся на сегодняшний день экспериментальные данные по радиолизу чистой воды и воды, насыщенной водородом и кислородом.
   


3. Накопленный опыт позволяет рассчитывать скорость газовыделения в реальных условиях эксплуатации ядерных энергетических установок. Радиационно-химический синтез этиленгликоля. В лаборатории разработан радиационно-химический способ получения этиленгликоля. На созданной экспериментальной установке синтезировано значительное количество этиленгликоля. Полученный этиленгликоль свободен от радиоактивных и других побочных примесей. Он соответствует марке А (высшего качества) ГОСТа 11033-64 и пригоден, в частности, для производства лавсана.
   Разработанная технология пригодна также для синтеза пропилен- и бутиленгликолей.
   


4. Очистка выбросных газов от диоксида серы. Основным загрязнителем атмосферы в отходящих газах ТЭЦ и металлургических производств, представляющим наибольшую экологическую опасность, является диоксид серы SO₂. В лаборатории разработан процесс удаления SO₂ из газовых смесей посредством радиационно-каталитического окисления диоксида в концентрированную (30-50%) серную кислоту.
   


5. Очистка тяжелой воды от органических веществ. Для очистки D₂O от органических примесей разработан и опробован простой и эффективный каталитический способ.
   


6. Радиопротекторы. Было высказано и обосновано предположение, что одним из основных факторов первичного биологического действия ионизирующих излучений является повышение кислотности в треках заряженных частиц, и развит его количественный механизм. Важным следствием развитых представлений является новый взгляд на защитное действие радиопротекторов. Оно должно определяться в первую очередь их способностью акцептировать ионы водорода. Проделанные эксперименты по импульсному облучению водных растворов ряда эффективных радиопротекторов (цистеин, цистеамин, аминоэтилизотиоуроний) подтвердили их высокую реакционную способность по отношению к ионам водорода.
   


7. Раздельная дозиметрия реакторного n, g-излучения. Разработана методика и экспериментально измерены мощности поглощенных доз раздельно от нейтронного и g-излучений в активной зоне реактора.
   


8. Механизм образования нефти и угля. Исследования показали, что, вопреки распространенному мнению, механизм образования угля и нефти на Земле есть процесс, который наряду с температурой управляется вторым важным параметром — интенсивностью ионизирующего излучения от диспергированных в веществе радиоактивных элементов. Получено уравнение углефикации природного органического вещества