№ 8 (2023)

Интенсивные пучки фотонов и нейтронов в МэВ-ном диапазоне энергии являются эффективными инструментами во многих областях исследований, таких как диагностика вещества в экстремальных состояниях, ядерная физика и материаловедение, а также в медицинских и биофизических приложениях. Представлена концепция создания эффективных источников γ-излучения и нейтронов, основанная на генерации релятивистских электронов в режиме прямого лазерного ускорения при взаимодействиях лазерного импульса с интенсивностью 10¹⁹ Вт/см² с протяженной плазмой с плотностью, близкой к критической.

Исследованы размер и интенсивность лазерно-плазменных источников на основе импульсных газовых струй аргона, работающих на длине волны 13.84 нм. Газовую струю возбуждали лазерным излучением на длине волны 1064 нм с длительностью импульса 4.4 нс, частотой повторения 10 Гц и энергией в импульсе 0.5 Дж. Изучали два способа формирования струи импульсной газовой мишени: с помощью форсунки со сверхзвуковым соплом и с помощью капилляра. Капиллярный источник коммерчески доступен. Аттестацию источников проводили на зеркальном микроскопе, работающем в области экстремального ультрафиолета на длине волны 13.84 нм. Было установлено, что за счет возможности подачи большего давления рабочего газа на вход форсунки, увеличения плотности и уменьшения угла выхода газовой струи в сверхзвуковом сопле по сравнению с капилляром пиковая интенсивность излучения на длине волны 13.84 нм повышается в шесть раз. Ширина на полувысоте диаметра источника на основе форсунки составил 250 ± 10 мкм с профилем, близким к гауссовому. В поле зрения микроскопа 25 × 25 мкм неравномерность засветки от “источника на форсунке” составляет около 1%, в поле зрения 50 × 50 мкм – около 4%. Ширина на полувысоте диаметра источника на основе коммерческого клапана с капиллярным источником составила 330 ± 10 мкм с профилем, близким к П-образному. На основе результатов сравнения в модернизированной версии микроскопа с повышенным до 350 крат увеличением будет использован источник на основе форсунки.

Описано применение метода фазово-амплитудных функций к задачам расчета процессов распространения нейтронов в слоистых средах, содержащих сильнопоглощающие элементы. Данный метод позволяет одновременно рассчитать коэффициенты отражения, прохождения и поглощения нейтронов. Он требует меньше вычислительных ресурсов, чем другие алгоритмы. Представлено также обобщение метода на матричные уравнения, которые возникают в рефлектометрии поляризованных нейтронов. Приведены примеры расчетов различных характеристик распространения нейтронов для слоистых систем резонаторного типа с потенциальной ямой.

Приведены результаты тестирования многослойных гетероструктур Ti/Ni_xMo_y с малым периодом подслоев на предмет практического применения квазиоднородного подхода с варьированием плотности эффективной длины рассеяния тонких (толщина <100 нм) пленок в экспериментах методом нейтронной рефлектометрии зеркального отражения с изменяющейся границей раздела. С помощью изменения эффективной плотности длины рассеяния пленок предлагается варьировать контраст между компонентами сложных границ раздела (состоящих из нескольких компонентов, в том числе имеющих коллоидную природу), повышая таким образом чувствительность и информативность нейтронного эксперимента, проводимого в режиме in situ. Структуры с разным соотношением толщин подслоев Ni_xMo_y и Ti синтезированы магнетронным напылением. На основе анализа кривых зеркального отражения нейтронов сделан вывод о применимости однородного приближения.

В настоящее время актуальной задачей является разработка наноструктур тройной оксидной системы Zn–Sn–O, представляющих практический интерес для различных областей, включая газовые сенсоры и фотокатализаторы, литий-ионные аккумуляторы, солнечные элементы. Наностержни станната цинка были синтезированы при гидротермальной обработке в растворе станната калия и карбамида предварительно полученных наностержней оксида цинка. С помощью методов растровой электронной микроскопии и дифракции обратно рассеянных электронов установлено, что полученные образцы имеют структуру Zn₂SnO₄, а их геометрические размеры по сравнению с исходными наностержнями оксида цинка не изменяются. Диаметр полученных структур составляет около 300 нм, а длина порядка 2 мкм. По данным рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, в результате гидротермальной обработки структура поверхности изменяется, атомы олова встраиваются в кристаллическую структуру оксида цинка. Исследование газочувствительных свойств слоев Zn₂SnO₄ показало, что они более эффективны при детектировании паров изопропилового спирта по сравнению с исходным наностержнями оксида цинка. Слои Zn₂SnO₄ позволяют детектировать пары изопропилового спирта уже при температурах порядка 150°С. Сенсорный сигнал по отношению к 1000 млн^–1 C₃H₇OH составляет 3.79.

Исследованы микроструктура, механические и акустические свойства образцов меди в исходном состоянии и после барокриодеформирования в разных режимах. Показано, что криогенные температуры способствуют значительному измельчению зерен за счет активизации процессов механического двойникования, формируется однородная структура со средним размером зерна 5–8 мкм. Барокриодеформирование при температурах до 125 К приводит к снижению пластичности и значительному увеличению твердости. Дальнейшее понижение температуры, наоборот, способствует существенному увеличению пластичности, а также уменьшению твердости. Отмечена корреляция медианной частоты акустической эмиссии со значением твердости при всех температурах барокриодеформирования.

Методом линеаризованных присоединенных плоских волн в рамках теории функционала плотности в приближении обобщенного градиента проведено моделирование электронной структуры нанопленок диоксида олова (001) в широком диапазоне толщин. Рассчитаны спектры полной и локальных парциальных плотностей электронных состояний, характеризующих электронное строение атомов, распложенных в различных слоях рассматриваемых пленок. Показано, что влияние поверхности приводит к возникновению энергетических особенностей плотности состояний, локализованных в запрещенной зоне. Предложена модель, описывающая послойную трансформацию электронной структуры при переходе от поверхности к объему кристалла SnO₂. В качестве модельного объекта рассмотрена пленка SnO₂(001) толщиной в 8 элементарных ячеек. Обнаружено, что поверхностные электронные состояния, возникающие в запрещенной зоне в пленках SnO₂(001), пространственно сильно локализованы – их плотность спадает практически до нуля уже к третьему от поверхности атомному слою. Рассмотрена применимость совместного использования метода слоистой сверхрешетки и метода остовной дырки для моделирования спектров поглощения рентгеновского излучения в нанопленках. Установлено, что при расчете спектров вблизи края поглощения рентгеновского излучения для атомов в поверхностном слое нанопленок SnO₂ влияние, оказываемое поверхностью, значительно больше влияния, оказываемого остовной дыркой. Поэтому при расчете спектров для атомов в поверхностном слое нанопленок в первом приближении остовной дыркой можно пренебречь.

С использованием сравнительно экономичного метода порошковой металлургии изготовлена двухслойная композиционная керамика на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом кальция, и упрочненного оксидом алюминия (Ca-ATZ). Один из слоев содержал добавку диоксида кремния (Ca-ATZ + SiO₂). Исследованы структура, элементный и фазовый состав, а также комплекс механических свойств образцов в окрестности границы раздела слоев Ca-ATZ/Ca-ATZ + SiO₂. Показано, что наличие резкой границы раздела слоев с разным элементным составом не вызывало структурных нарушений (появления пор, трещин и других макроскопических дефектов, способствующих ухудшению прочностных свойств) или изменений фазового состава (более 90% диоксида циркония в обоих слоях находилось в тетрагональной фазе, что обеспечивало высокую роль трансформационного механизма упрочнения). Продемонстрированное сохранение структурной целостности и соотношения моноклинной, тетрагональной и кубической фаз диоксида циркония при формировании резкой границы раздела указанных слоев, обеспечивает возможность изготовления керамики на основе диоксида циркония с тонким (100–200 мкм) модифицированным слоем. С учетом различия механических свойств Ca-ATZ и Ca-ATZ + SiO₂ керамики, это обеспечивает основному материалу (содержащему SiO₂) повышенную вязкость разрушения (с коэффициентом интенсивности напряжений не менее 12 МПа · м^1/2), а приповерхностному слою (не содержащему SiO₂) – высокую нанотвердость (не ниже 14 ГПа).