Лаборатория ядерной гамма-резонансной спектроскопии

В соответствии с решением 8-го Всесоюзного координационного совещания по исследовательским реакторам (Алма-Ата, 1974) в Институте ядерной физики на реакторе ВВР-К для задач радиационного материаловедения должны были быть развернуты нейтронографические исследования.

А.К. Жетбаеву, в то время ученому секретарю Института и руководителю группы ядерной гамма-резонансной спектроскопии, было поручено создать такую лабораторию. Летом 1975 года лаборатория нейтронографических исследований была организована. В ее состав вошли все шесть сотрудников его группы.

К 1979 году лаборатория пополнилась новыми людьми и ее численность достигла 17 сотрудников. На выведенных пучках нейтронов атомного реактора были смонтированы установка для исследований дифракции медленных нейтронов, а также установка нейтронной радиографии «АГАВА».

Установка нейтронной радиографии «АГАВА»
Установка нейтронной радиографии «АГАВА»
На мессбауэровской установке с электродинамической системой движения М.Ф. Верещак, А.К. Жетбаев, Д.К. Каипов
На мессбауэровской установке с электродинамической системой
движения М.Ф. Верещак, А.К. Жетбаев, Д.К. Каипов

К концу 70-х в лаборатории была полностью сформирована научно-экспериментальная база, составленная из нейтронографической и нейтроно-радиографической установок, пяти мессбауэровских спектрометров и дополнительного оборудования, позволяющего проводить эксперименты в широком температурном интервале (от 4 до 2500 К) в инертной, окислительно-восстановительной атмосфере, или в условиях глубокого вакуума.

В связи с приостановкой работы атомного реактора в конце 80-х годов в 1991 лаборатория была переименована в лабораторию ядерной гамма-резонансной спектроскопии.

Первый успешный эксперимент по наблюдению эффекта Мессбауэра в Казахстане был осуществлен А.К. Жетбаевым летом 1964 года на изотопе 182W с источником 182Ta, активированным на реакторе Института ядерной физики АН УзССР в Ташкенте, на установке с механической системой допплеровского смещения энергии гамма-квантов.

Одновременно была создана установка с электродинамической системой движения источника и электронная аппаратура к ней. Осваивалась методика получения изотопа 57Co на циклотроне Уральского (Свердловского) политехнического института. С вводом новой установки начались интенсивные исследования соединений железа химического и геологического происхождения.

В те годы сотрудниками лаборатории был сделан ряд методических разработок, позволивших коллективу завоевать международное признание

  • метод селективной регистрации гамма-резонансных спектров продуктов ядерных реакций для избирательного зондирования микроскопических (на уровне атомного масштаба) областей торможения атомов в твердых телах
  • технология изготовления источников мессбауэровского излучения 6,25 кэВ, испускаемого при распаде ядра 181W, и резонансных поглотителей из металлического тантала (впервые в СССР). Наблюдение эффекта Мессбауэра на тантале-181, обладающем сверхчувствительностью к любым изменениям внутренних полей на ядрах
  • мессбауэровский спектрометр с магнитным энергоанализатором конверсионных и вторичных электронов и позиционно-чувствительным детектором для послойного зондирования приповерхностных слоев исследуемого объекта
Коллектив лаборатории на праздновании своего пятилетнего юбилея

При поддержке международной организации IUPAC (InternationalUnionofPureandAppliedChemistry) в Алма-Ате с 26 сентября по 1 октября 1983 г. была проведена Международная конференция по применениям эффекта Мессбауэра (ICAME-83). Определение Алма-Аты в качестве места проведения конференции стало возможным благодаря «… большим успехам Казахстанских ученых в области радиационной физики и физики твердого тела, металлургии и химии с применением эффекта Мёссбауэра …» (из распоряжения Президиума АН СССР).



Международная конференция по применению эффекта Мессбауэра, Алма-Ата, 1983

Коллектив лаборатории на праздновании своего пятилетнего юбилея

На представленных фотографиях запечатлены некоторые рабочие моменты и встречи конференции, активным участником которой стал и сам первооткрыватель, лауреат Нобелевской премии по физике 1961 года, Рудольф Мессбауэр.Сотрудниками лаборатории за годы ее существования защищены две докторские (Жетбаев А.К., Донбаев К.М.) и двенадцать кандидатских диссертаций (Верещак М.Ф., Ливерц Е.З., Досмаганбетов Т., Озерной А.Н., Шоканов А.К., Жантикин Т.М., Донбаев К.М., Серикбаева З.Т., Мукушева М.К., Керимов Э.А., Жубаев А.К., Суслов Е.Е).

Ученики А.К. Жетбаева

За последнее десятилетие лаборатория была переоснащена новой экспериментальной техникой. По европейским стандартампроизведен ремонт лабораторных помещений и созданы все условия для проведения научно-исследовательских работ на самом высоком экспериментальном уровне.

Профессор Кадыржанов К.К. и профессор Жетбаев А.К.

Лаборатория располагает двумя современными спектрометрами, позволяющими проводить исследования с помощью методов ядерной гамма-резонансной спектроскопии в геометрии «на пропускание» – с регистрацией гамма-квантов в интервале температур от комнатной до температуры жидкого азота, и в геометрии обратного рассеяния – с регистрацией электронов внутренней конверсии. Основное экспериментальное оборудование лаборатории можно увидеть на следующих фотографиях:

Экспериментальный комплекс для термических испытаний материалов
Стойка универсального мессбауэровского спектрометра

Обработка экспериментальных мессбауэровских спектров проводится с помощью программных комплексов MS Tools и SpectrRelax, позволяющих решать следующие задачи:

  • повышение разрешения и эффективное шумоподавление в спектре;
  • модельная расшифровка мессбауэровских спектров с использованием априорной информации об условиях опыта и объекте исследования;
  • восстановление функций распределения сверхтонких параметров парциальных спектров;
  • количественный и качественный фазовый анализ с использованием спектров эталонных образцов.

По результатам исследований в период с 2008 по 2011 гг. сотрудниками лаборатории ядерной гамма-резонансной спектроскопии опубликовано свыше 30 статей в ведущих отечественных и зарубежных журналах.

Лаборатория в третьем тысячелетии

Проводится определенная работа по подготовке специалистов высшей квалификации по физике твердого тела. В лаборатории периодически проходят преддипломную практику и на основе выполненных работ защищают дипломные проекты студенты КазНТУ им. К.И.Сатпаева, Евразийского национального университета им. Л.Н.Гумилева и КазНУ им. аль-Фараби.

Для них в 2010 году на базе ДГП ИЯФ НЯЦ РК была организована и успешно проведена Школа-семинар «Современные применения мессбауэровской спектроскопии», на которой перед студентами с лекциями по актуальным проблемам ядерной гамма-резонансной спектроскопии выступили ведущие мировые специалисты, профессора В.С.Русаков (Россия), D. Nagy (Венгрия), M. Miglerini(Словакия).

18-19 октября 2010 года была проведена Школа-семинар «Современные применения мессбауэровской спектроскопии»

Основное научные результаты лаборатории (1975-2012)

  • Предложен метод регистрации первично-выбитых атомов (ПВА) и их конечных состояний, что позволило расширить применение ядерной гамма-резонансной спектроскопии на объекты, которые в исходном состоянии не содержат мессбауэровского элемента. Метод внедрен в научно-исследовательскую программу «Аморфные материалы» НПО «Красная звезда».
  • Исследовано состояние цементита в различных по составу Fe-C и Fe-Al-C сплавах в зависимости от облучения. Определены условия и предложен механизм распада цементита под облучением, изучена кинетика фазовых и химических превращений в окислах и смешанных окислах железа.
  • Развиты методы расчета градиента электрического поля (ГЭП) на ядрах 57Fe. Получены формулы, упрощающие расчеты решеточных сумм. Разработана методика расчета ГЭП на ядрах трехвалентного железа с учетом обменных эффектов в железо-кислородных комплексах.
  • Впервые освоена методика измерения угловой корреляции резонансно- рассеянных g-квантов 14,4 кэВ от 57Fe, с помощью которой дано объяснение природы уширения резонансных линий сплавов и химических соединений железа.
  • Впервые исследовано взаимодействие примеси с радиационными дефектами в ниобии и молибдене.
  • На атомарном уровне исследован механизм радиационно-стимулированных процессов упорядочения-разупорядочения и фазовых превращений в сплавах Fe, Mn, Ni, Al и аморфных материалах.
  • Впервые в Советском Союзе освоена технология изготовления источников мессбауэровского излучения 6,25 КэВ, испускаемого при распаде ядра вольфрама-181, и резонансных поглотителей из металлического тантала. Налажена методика наблюдения эффекта Мессбауэра на тантале-181, который обладает сверхчувствительными к внутренним полям ядерными параметрами и поэтому казавшийся ранее недоступным экспериментальному обнаружению.
  • Разработан мессбауэровский спектрометр с магнитным энергоанализатором конверсионных и вторичных электронов и позиционно-чувствительным детектором для послойного зондирования приповерхностного слоя материала.
  • Дано экспериментальное обоснование концепции «термических пиков» в различных классах твердых тел: химические соединения, металлы, сплавы и металлические стекла.
  • Описаны на атомном уровне механизмы воздействия и диффузии точечных дефектов, первичные проявления фазообразования и упорядочения-разупорядочения под облучением.
  • Обнаружено новое явление радиационной стабилизации магнитных свойств ферритов.
  • Применена нейтронная радиография в исследованиях по прямому преобразованию ядерной энергии в электрическую. С помощью нейтронной радиографии проведена диагностика состояния термоэмиссионных преобразователей «ТЭП», прошедших длительные ресурсные испытания в активной зоне реактора, что позволило получить качественно новые, ранее недоступные сведения о работе ТЭП. Детально прослежен процесс переконденсации паров цезия в электрогенерирующем канале и перераспределение топлива в нем.
  • Впервые в Советском Союзе синтезирован сверхпроводник на основе таллия с самой высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние: 125 К. Технология синтеза передана на Пышминский опытный завод «ГИРЕДМЕТ».
  • Отработана технология изготовления мессбауэровских источников 57Co(Rh), что позволило многие годы проводить мессбауэровские исследования с использованием собственных источников.
  • Впервые методами мессбауэровской спектроскопии на ядрах 57Fe с привлечением рентгеноструктурного анализа и методов резерфордовского обратного рассеяния протонов проведены систематические исследования термически индуцированной диффузии и фазовых превращений в слоистых системах железо-бериллий в широком концентрационном интервале.
  • Отработана технология изготовления мессбауэровских источников 57Co(Rh), что позволило многие годы проводить мессбауэровские исследования с использованием собственных источников.
  • Обнаружено g-a-превращение в нержавеющей стали при бериллизации, пластической деформации и облучении. Установлен механизм этих превращений.
  • Впервые проведены исследования термически индуцированных процессов диффузии и фазовых преобразований в слоистых системах на основе железа и алюминия. Установлена кинетика процессов диффузии и фазовых преобразований в этих системах.
  • Впервые проведены исследования термически индуцированных процессов в слоистых системах железа и титана при изохронном и изотермическом отжигах.
  • Предложен метод инжекции радиоактивных «меченых» атомов 57Co в наноразмерные защитные металлические покрытия в ходе их формирования путем электролитического соосаждения с основным материалом покрытия.
  • Впервые у ферромагнетика FeBe2 наблюдали изменение его магнитных свойств после облучения ионами гелия и криптона, а их возврат в исходное состояние – после отжига при температуре 650ºC, тем самым показав возможность управления магнитными свойствами материала воздействием пучка ускоренных ионов.
  • Проведенные испытания изучаемых объектов на радиационную устойчивость показали, что в диапазоне рабочих температур 600-650ºC созданная система Be-Fe-Be остается не только термически-, но и радиационно-стойкой.
  • Изготовлены радиоактивные источники 57Co(Cr) высокого качества, необходимые для проведения работ в паре с резонансным детектором, существенно сокращающим время мессбауэровского эксперимента и заметно поднимающим разрешающую способность экспериментальной установки.

В настоящее время коллективом лаборатории в ходе реализации научно-технической программы «Развитие атомной энергетики в Республике Казахстан» выполняются научно-исследовательские работы по теме «Исследования по созданию многослойных наноразмерных металлических покрытий для применений в ядерной энергетике и промышленности».

Заведующий лабораторией Озерной А.Н.