Отчёт сибирского центра синхротронного

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН

ОТЧЁТ СИБИРСКОГО ЦЕНТРА СИНХРОТРОННОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ ЗА 2003 ГОД.

НОВОСИБИРСК - 2004

В настоящем отчете в краткой форме изложены основные направления и результаты деятельности Сибирского центра синхротронного излучения в 2003 году. Описаны существующие и разрабатываемые экспериментальные станции на пучках синхротронного излучения из накопителя ВЭПП-3, обсуждаются результаты исследований, проведенных на этих станциях в 2003 году. Описаны результаты деятельности Сибирского центра СИ по направлениям: разработка и создание новой экспериментальной аппаратуры, создание специализированных накопителей – источников СИ и специальных генераторов СИ – вигглеров и ондуляторов, работы по лазерам на свободных электронах и созданию Сибирского центра фотохимии, сведения о коллективе и научном сотрудничестве Центра. В конце отчета помещен список публикаций с участием сотрудников Сибирского центра СИ, вышедших в 2003 году, и авторский указатель. Мы благодарны всем сотрудникам Сибирского центра и других организаций, предоставившим свои материалы для этого отчёта.
Редакторы–составители: В.Б.Барышев и К.В.Эпштейн.

СИБИРСКИЙ МЕЖДУНАРОДНЫЙ ЦЕНТР СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

630090 Новосибирск, пр. Лаврентьева 11 , ИЯФ им. Г.И.Будкера СО РАН

Факс: (3832) 34 21 63 INTERNET http://ssrc.inp.nsk.su
Директор Центра, зам. директора Института ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, академик РАН КУЛИПАНОВ Геннадий Николаевич

Тел. (3832) 39 44 98 email: [email protected]

РУКОВОДИТЕЛИ ПОДРАЗДЕЛЕНИЙ СИБИРСКОГО ЦЕНТРА СИ:
ВИНОКУРОВ Николай Александрович, д.ф.м.н., зав. лабораторией 81

Тел. (3832) 39 40 03

email: [email protected]
МЕЗЕНЦЕВ Николай Александрович, д.ф.м.н., зав. сектором 812

Тел: (3832) 39 41 55

email: [email protected]
КОРЧУГАНОВ Владимир Николаевич, д.ф.м.н., зав сектором 813

Тел. (3832) 39 42 38

email: [email protected]

Введение.
Сибирский центр синхротронного излучения организован на базе лабораторий Института ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, Он является одним из основных мест проведения исследований с синхротронным излучением (СИ) и лазерами на свободных электронах (ЛСЭ) в России. Программа работ Сибирского центра синхротронного излучения в 2003 году включала в себя следующие направления:

проведение исследований и разработка новых технологий с использованием синхротронного излучения накопителя ВЭПП–3, подготовка к проведению работ на ВЭПП-4М;
создание экспериментального оборудования для работы с СИ (каналы, экспериментальные станции, рентгеновская оптика, монохроматоры, детекторы);

разработка и создание ускорителей  специализированных источников СИ,
разработка и создание вигглеров и ондуляторов;
создание лазеров на свободных электронах и Сибирского центра фотохимии.
обучение и профессиональная подготовка студентов и аспирантов.

В 2003 г. работы Сибирского центра СИ, помимо небольшого бюджетного базового финансирования, проводились за счёт:

а) государственной научно–технической программы "Синхротронное излучение, лучевые применения";

б) целевых программ Минпромнауки;

в) российских источников: Интеграционные проекты СО РАН и РАН, Приборная комиссия СО РАН, гранты РФФИ, гранты Президента РФ, фонд Бортника;

г) международных грантов (МНТЦ, ИНТАС, CRDF, NATO);

д) доходов от работ, выполненных по договорам с организациями России;

е) доходов от работ, выполненных по контрактам с организациями зарубежных стран (основной источник доходов):
1. Работа на накопителях ИЯФ СО РАН.
В 2003 г. работы на пучках СИ были сосредоточены на накопителе ВЭПП-3. На эксперименты с синхротронным излучением на ВЭПП–3 (включая совместную работу с “Дейтроном”) было выделено 2874 часа из 3672 часов общего полезного времени работы комплекса. В экспериментах на ВЭПП-3 были задействованы 11 станций на 7 каналах вывода СИ (Таблица 1). Работы на пучках СИ на ВЭПП-4М в 2003 г. не проводились в связи с проведением эксперимента по физике высоких энергий на низкой (1.5 ГэВ) энергии.

Таблица 1. Экспериментальные станции на пучках СИ из накопителя ВЭПП-3

ИЯФ СО РАН, на которых проводились работы в 2003 г.

0	LIGA–технология (работает).
0	“Взрыв” - изучение процессов детонации и свойств вещества при прохождении детонационного фронта (новая станция, работает).
2	Дифрактометрия с высоким разрешением и аномальное рассеяние (работает)
3	“Байкал” - рентгенофлуоресцентный элементный анализ–1 (работает).
4	Дифрактометрия в области 30 – 34 кэВ, дифрактометрия при высоких давлениях (работает).
5b	Дифрактометрия с временным разрешением – дифракционное “кино” (работает).
5c	Макромолекулярная кристаллография (работает).
5d	Неупругое рассеяние, малоугловое рассеяние (работает).
5f	Рентгенофлуоресцентный элементный анализ–2 (в процессе освоения)
7	Технический канал. Стабилизация положения пучка СИ (работает).
8	EXAFS–спектроскопия (работает).
10	Метрология и EXAFS-спектроскопия в мягком рентгеновском излучении (в процессе создания), исследования газовой десорбции под пучком СИ (работает).

Следует отметить некоторые новые, в том числе развиваемые только в Сибирском центре СИ, направления исследований. Следующим шагом в методике рентгенодифракционного кино и “in situ” исследований этим методом стала разработанная в последние годы в Сибирском центре СИ уникальная методика субмикросекундной дифрактометрии, которая позволяет изучать процессы детонации и поведения вещества в детонационном фронте. Другой развиваемый в СЦСИ новый метод - сканирующего рентгенофлуоресцентного анализа донных осадков озер для реконструкции состояния окружающей среды в прошлом. Этим методом получены, в частности, данные о климатических условиях в прошлом на отрезках от сотен до миллиона лет. Предложен и опробован новый метод измерения высокой температуры в процессах, идущих с выделением большого количества тепла, например, горение или СВС. Метод связан с использованием пробного кристаллика, помещенного внутри исследуемого образца, дающего дифракционное пятно в белом пучке СИ. Новое перспективное направление – создание и исследование наноструктур, самоорганизующихся или получаемых в процессах рентгеновской литографии. В прошедшем году, в частности, был разработан и опробован XAFS-метод исследования структуры германиевых квантовых точек на кремнии. Среди других работ можно упомянуть: исследования поверхности и структуры многослойных рентгенооптических элементов с использованием новой методики - рентгеновского диффузного рассеяния и XAFS-исследования новых катализаторов для холодных топливных элементов.

2. Основные результаты исследований на пучках синхротронного излучения.
2.1. Дифрактометрия с наносекундным временным разрешением. Исследования детонации и поведения вещества в детонационных процессах.
Рентгеновское излучение давно используется для исследования взрыва. Однако, низкая интенсивность рентгеновских трубок ограничивала возможности метода, и некоторые из задач оставались нерешенными. В частности, недостаток интенсивности не позволял исследовать распределение плотности позади фронта взрыва из-за слишком больших экспериментальных ошибок.

Следующим шагом в методике “in situ” исследований этим методом стала разработанная в последние годы в Сибирском центре СИ уникальная методика субмикросекундной дифрактометрии, которая позволяет изучать процессы детонации и поведения вещества в детонационном фронте. Использование СИ изменило ситуацию – динамический диапазон измерения интенсивности, проходящей через образец, увеличился до 10⁴ , и точность определения плотности улучшилась до 1%. Обработка полученных изображений аксиально-симметричных образцов позволила получать трехмерное распределение плотности за фронтом взрыва.

Сравнение полученных экспериментальных результатов с гидродинамическим моделированием показало, что вычисления по принятой методике не учитывали много параметров и использовали ошибочные константы (рис. 1).

Рис. 1. Реконструкция 3-х мерного распределения плотности за фронтом детонации системы тротил-гексоген (50/50).
Исследования образования зародышей микротрещин при воздействии ударной волны на исследуемое вещество методом малоуглового рентгеновского рассеяния.

В качестве объекта исследования выбран полиметилметакрилат (ПММА - плексиглас), обладающий при интенсивных нагружениях комплексом разнообразных физических и механических свойств. В зависимости от условий нагружения этот материал может быть упругим, упруго-вязко-пластическим, упруго-хрупким. В последнем случае может происходить его разрушение в форме волны хрупкого разрушения, распространяющейся по сжатому образцу.
Измерения проводились с помощью записи интенсивности проходящего через образец рентгеновского луча, меняющейся с изменением плотности материала и 2) рассеянного, малоуглового излучения. Нагружение цилиндрических образцов из ПММА высотой 10 мм с одного из торцов производилось взрывом заряда взрывчатого вещества (ВВ) ТГ 50/50 такой же формы, высотой 70 мм. Противоположный торец образца контактировал со стальным цилиндром длиной 20 мм. Диаметры всех элементов экспериментальной сборки 10 мм. Область наведения пучка СИ представляла собой прямоугольник 20 х 0.1 мм. Интенсивность проходящего и рассеянного излучения фиксировалась с помощью микрострипового детектора. Размер стрипов в напрвлении оси образца 0,1 мм, в экспериментах использовались 256 стрипа (канала).

Рис. 2. Прохождение ударной волны по ПММА в разные моменты времени: C – волна проходит по взрывчатому веществу, D – волна вошла в образец, E – волна подошла к торцу образца. На каждой кривой интенсивности СИ наблюдается две волны сжатия ПММА, разнесённых на растояние 1.2 мм. Обнаружено, что вторая волна сжатия дает интенсивное малоугловое рентгеновское рассеяние, свидетельствующее об образовании микротерещин ангстремных размеров. Ранее образование микротрещин наблюдалось только в волнах разгрузки.
Результат измерения интенсивности проходящего излучения (плотности материала) записывался в форме: 256 последовательных файлов зависимости изменения интенсивности от времени с интервалом измерений 0,25 мкс. На записи четко фиксируется сжатие во фронте ударной волны (скачку интенсивности соответствует скачок плотности), за которым через некоторый промежуток времени следует волна разрушения. Далее следует увеличение интенсивности (уменьшение плотности), соответствующее разлету образовавшихся осколков в волнах разрежения.

Полученные данные позволяют провести количественные оценки параметров наблюдаемого процесса. Как следует из данных, в волне разрушения, следующей за ударной волной через 1,25 мкс, происходит дальнейший рост плотности. Эффект уплотнения хрупких материалов в волне разрушения известен, однако для ПММА, по-видимому, наблюдается впервые.

Полный профиль изменения плотности при прохождении УВ и волны разрушения, построенный по результатам измерений качественно соответствует профилю изменения напряжений в стекле, наблюдавшемуся в аналогичном процессе.

В момент прохождения УВ облучаемого пучком СИ участка наблюдается незначительное уменьшение малоуглового рассеяния. При подходе 2-й волны сжатия, ещё до волны разрушения фиксируется быстрое увеличение малоуглового рассеяния, амплитуда которого на порядок превышает фоновое значение (рассеяние от исходного образца). При подходе волны разрушения скорость нарастания МУРР уменьшается. Зафиксированная кривая малоуглового рентгеновского рассеяния (МУРР) несёт информацию о размерах микротрещин и о динамике изменении их колличества и размеров. В настоящее время ведётся математическая обработка полученных данных.

Впервые зарегистрирована динамика изменения во времени кривой распределения МУРР при детонации системы тротил-гексоген (Рис.3). Обработка кривых МУРР позволил восстановить динамику образования и роста частиц алмаза за детонационным фронтом. Обнаружено, что у ВВ различного диаметра динамика роста частиц различна – у ВВ малого диаметра частицы достигают размера 50 А за 500 нс, а при росте диаметра ВВ соответственно пропорционально возрастает и время нарастания роста частиц, хотя конечный размер частиц одинаковый и не зависит от диаметра ВВ.

Известно, что у прессованного ТЭНа величина сигнала МУРР минимальна. Она в несколько раз меньше, чем у ТГ 50/50 (сравнима с шумами). Поэтому представляет интерес проведение исследований именно с этим взрывчатым веществом в смеси со стеаратом серебра, чтобы выяснить, возможно ли образование металлического серебра в детонационной волне. Эксперименты проводились также с добавками тефлона и парафина. Тефлон в количестве 5% не влияет на сигнал МУРР. Такое же количество парафина увеличивает сигнал до заметной величины, а добавка 5% стеарата серебра ещё вдвое увеличивает МУРР. Кроме того, сигнал долго (более 15мкс) не спадает. Столь значительное возрастание интенсивности МУРР при добавке стеарата серебра позволяет с уверенностью утверждать, что в этом случае действительно образуются частицы металлического серебра, на которых и происходит МУРР. При контакте с воздухом металлическое серебро не окисляется, что свидетельствует об образовании защитного слоя на его поверхности. Это поведение необычно, так как мы исследовали поведение алюминиевых частиц микронных размеров за фронтом детонационной волны – они полностью сгорели. Даже частицы алмаза, образовавшиеся при взрыве сгорают полностью. Введённые во взрывчатку частицы алмаза также полностью сгорают.

По видимому металлические частицы серебра образуются при выходе из высокотемпературной зоны взрыва, и сразу покрываютя защитной плёнкой углерода.поэтому взаимодействие с кислородом не происходит как у частиц алюминия или алмаза, которые подвергаются воздействию максимальной температуры и кислорода.

Дифракционные и электронномикроскопические исследования продуктов детонации подтвердили наше предположение об образовании частиц серебра и аморфного слоя углерода на его поверхности (рис.4).

Рис.3. Поведение малоуглового рентгеновского рассеяния (МУРР) от зоны химической реакции системы тротил-гексоген (50/50 диаметр 19 мм) во время взрыва. МУРР несёт информацию о динамике образования наночастиц алмаза.

Рис.4. Образование капсулированных наноразмерных частиц серебра.
2.2. Исследование полупроводниковых сверхрешеток.
На станции “Дифрактометрия с высоким разрешением и аномальное рассеяние” исследована тонкая структура рентгеновского диффузного рассеяния вблизи отражения 002 и его сателлитов от AlAs/GaAs сверхрешетки. Были получены дифракционные карты рентгеновского рассеяния вблизи отражения (002) и его сателлитов от AlAs/GaAs сверхрешетки, выращенной с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии на [001]-ориентированном кристалле GaAs. Полученные экспериментальные данные выявили наличие как квази-брэгговского рассеяния, вызванного конформным поведением границ раздела, так и особенностей, возникающих в том случае, когда, либо входной, либо выходной угол равен углу Брэгга. Наблюдаемая тонкая структура диффузного рассеяния объяснена в рамках борновского приближения искаженных волн. Тем не менее, показано, что это приближение не годится для количественного анализа диффузного рассеяния. В частности, показано, что наблюдаемое доминирование в интенсивности «входной» брэгговской особенности над «выходной» отражает темп распада когерентной волны в диффузный канал, сечение которого может быть сравнимо или превышать сечение когерентной дифракции. Результаты опубликованы в Acta Crystallographica (2003).

Рис. 5. Обложка журнала Acta Crystallographica (Section A. Foundations of Crystallography. Volume 60, Part 1, January 2003) с одной из картинок, демонстрирующих результаты исследований диффузного рассеяния рентгеновских лучей от AlAs/GaAs сверхрешетки на GaAs подложке.
2.3. Работы на станции «Дифрактометрия с высоким разрешением и аномальное рассеяние». Исследование формирования мезоструктурированных силикатных материалов.
Наряду с уже упомянутыми исследованиями тонкой структуры диффузного расскяния, в 2003 году на станции «Аномальное Рассеяние» (канал вывода СИ №2) были выполнены работы по исследованию:

Структуры и фазового состава тонких карбонитридных пленок с различными примесями, нанесенных на поверхность кремния. Пленки были получены методами ионно-плазменного напыления и химического осаждения из газовой фазы с использованием различных кремний-органических соединений-предшественников. Пленки используются в качестве материала для микроэлектроники.
Фазового состава исходных смесей взрывчатых веществ и продуктов детонационного синтеза. Работы проводились в рамках программы по исследованию поведения вещества в экстремальных условиях сверхвысоких температур и давлений.
Структуры и фазового состава смешанных оксидов, используемых в качестве катализаторов для процессов изотопного обмена.
Угловой зависимости интенсивности сигнала MLD (Magnetic Linear Dichroizm). Образцы были приготовлены в Институте физики им. Киренского, г.Красноярск.
Структуры мезоструктурированных силикатов и каталитических систем на их основе. Синтезированные и исследованные материалы демонстрируют упорядоченное расположение мезопор нанометрового диапазона и могут быть использованы в катализе, фармакологии, оптике, микроэлектронике и т.д. Последнему вопросу уделим в данном отчете дополнительное внимание.

Мезоструктурированные материалы демонстрируют упорядочение структурных единиц – мезопор нанометрового диапазона – при возможном отсутствии дальнего порядка в атомной структуре. Синтез таких материалов производят смешением растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ) как структурообразующих агентов и водорастворимых форм неорганических компонентов. Мезоструктурированные материалы (как правило, силикаты или алюмосиликаты) могут иметь гексагональную или кубическую упаковку мезопор, обладают чрезвычайно высокой удельной поверхностью и удельным объемом мезопор и могут быть использованы в различных областях науки и технологии, от химии и катализа до микроэлектроники и оптики.

Методами прецизионной дифрактометрии и дифрактометрии с временным разрешением были проведены исследования механизма формирования мезоструктурированных силикатных материалов с двумерно-гексагональной упаковкой мезопор на всех этапах синтеза. Показано, что образование мезоструктурированного композита «ПАВ–неорганический компонент» происходит сразу же после начала смешения реагентов. Уже на начальном этапе синтеза формируется продукт, структура которого не претерпевает каких-либо изменений со временем (Рис.6), меняется только степень поликонденсации силикатной стенки. Далее, при изменении кислотности среды происходит ускорение поликонденсации неорганического компонента, а последующая гидротермальная обработка способствует поликонденсации силиката по всему объему стенок материала.

По полученным данным проведено моделирование распределения электронной плотности в материале на всех этапах синтеза. Результаты моделирования свидетельствуют, что построение мезофазы происходит, по-видимому, по мицеллярному механизму, т.е. образующиеся в растворе ПАВ мицеллы при взаимодействии с раствором силиката покрываются слоем силиката, а конечный продукт формируется в виде упаковки таких силикатно-мицеллярных образований в двумерно-гексагональную структуру.

Рис.6. Синтез мезоструктурированного силиката типа SBA-15, двумерно-гексагональная упаковка, диаметр мезопор ~10 нм, толщина стенки ~3 нм.


а) первый этап, смешение исходных растворов	б) второй этап, добавление силиката натрия	в) старение продукта в течение 7 дней	г) гидро-термальная обработка	д) прокаливание