Исследование эффекта Мессбауэра в монокристаллах при внешних физических воздействиях

Проблема создания оптимальных управляемых источников когерентного коротковолнового излучения является одной из самых важных в современной физике. После успешного освоения (с помощью создания лазерных источников излучения) видимого и ультрафиолетового диапазонов, логика развития науки требует создания оптимальных источников рентгеновского и гамма-излучения.

Существуют разные методы решения этой проблемы. Источником такого излучения могут быть рентгеновские трубки, электронные ускорителй, -системы возбужденных гамма-активных ядер, ядерные реакторы. В последнее время также проводятся достаточно интенсивные исследования по созданию изотопных источников вынужденного гамма-излучения. Среди других изотопов особое внимание (в силу специфики структуры ядерных переходов) уделяется ядрам Те, для которых рассматривается возможность осуществления вынужденного процесса типа Те125+у-> Те125+2у [1−4].

-¦'V" .

Как показывает практика применения коротковолнового излучения в задачах ядерной физики, физики твердого тела, прецизионной спектроскопии излучения высокой энергии и многих других прикладных областях науки, техники и технологии, наиболее перспективным является использование автономных, малогабаритных, узкополосных источников гамма-излучения на основе нестабильных изотопов. Особое значение использование таких источников связано с присущим им эффектом Мессбауэра, рекордные спектральные характеристики которого не имеют аналогов в современной экспериментальной физике [5−10].

Вместе с множеством несомненных преимуществ, мессбауэровским изотопньщ источникам присущ ряд недостатков, существенно препятствующих использованию их в перспективных ядерно-физических и ядерно-биологических исследованиях: наличие резонансной компоненты излучения таких источников ограничено областью существования эффекта Мессбауэра, что очень резко.

СП ограничивает круг потенциально пригодных изотопов (как правило, это Fe и Sn119), или требует использования очень низких температур и специальных матриц, причем в области энергий квантов, превышающих 100 КэВ, использование эффекта Мессбауэра становится практически невозможнымизлучение таких источников является изотропным (или слабоанизотропным) — частота излучения мессбауэровских источников строго фиксирована, что затрудняет использование мессбауэровского излучения в системах, требующих частотной подстройки (например, в системе кольцевого кристаллического резонатора, где необходимо изменение частоты гамма-излучения для выполнения условия замкнутости пути при рассеянии на отдельных кристаллических зеркалах) — частота резонансного поглощения системы резонансных ядер также строго фиксирована, что затрудняет использование таких ядер в системах детеетировандя мессбауэровского излучения в системах с частотным сдвигом.

Диссертация посвящена решению большей части перечисленных проблем.

В работе приведены результаты теоретического рассмотрения и экспериментальных исследований: процессов управления частотными и амплитудными характеристиками излучения мессбауэровских источников на основе монои поликристаллов парателлурита при наличии высокого статического давления или переменного динамического ультразвукового воздействийпроцесса брэгговской дифракции в монокристалле кремния при наличии ультразвукового возбуждения.

Актуальность исследований обусловлена тем, что их результаты решают ряд фундаментальных и прикладных задач общей проблемы управления амплитудными и частотными характеристиками резонансного гамма-излучения, гамма-поглощения и гамма-рассеяния.

Целью работы является: изучение характеристик эффекта Мессбауэра в изотопе Те125 и исследование свойств монои поликристаллов парателлурита (а-Те02) при высоком квазигидростатическом и гидростатическом давленияхизучение особенностей брэгговской дифракции мессбауэровского гамма-излучения в монокристалле кремния при наличии ультразвукового возбуждения.

Научная новизна. Впервые проведено исследование полии монокристаллов парателлурита и особенностей эффекта Мессбауэра при высоких давлениях. С помощью эффекта Мессбауэра в монокристалле (а-ТеОг) установлено наличие фазового превращения П рода при давлении 9 кбар и отсутствие других структурно-фазовых превращений 1 рода до давлений 110 кбар. Впервые проведено исследование процесса дифракции Брэгга в монокристаллических и мозаичных образцах при наличии интенсивного ультразвукового возбуждения на основе явления релеевского рассеяния мессбауэровского излучения.

Практическое значение. Впервые полученные данные по особенностям эффекта Мессбауэра под давлением в полии монокристаллах парателлурита открывают новые возможности в изучении структурных характеристик и анизотропии колебаний этих кристаллов, а также в изучении фазовых превращений в сегнетоэлектриках. Разработана методика мессбауэровских исследований полии монокристаллов под давлением. Впервые обнаружены осцилляции интенсивности рассеянного мессбауэровского гамма-излучения при дифракции Брэгга в присутствии ультразвуковой волны.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика исследований поликристаллических активных образцов в ячейке высокого давления при комнатной и низких температурахрентгенографический метод калибровки давления при комнатной и низких давлениях— методика изготовления монокристаллических мессбауэровских поглотителей для исследований в гидростатической камере высокого давления.

2. Результаты мессбауэровских исследований динамических характеристик кристалла (а-Те02) при нормальных давлениях и фазовых превращений при гидростатическом давлении до 110 кбар в поликристаллических образцах парателлуритаизучение параметров эффекта Мессбауэра при гидростатическом давлении до 53 кбар на монокристаллических образцах парателлурита в области фазового превращения.

3. Результаты мессбауэровских исследований процесса релеевского рассеяния мессбауэровского излучения в геометрии Брэгга на совершенных и мозаичных кристаллах при наличии ультразвукового возбуждения.

Апробация работы. Основные результаты диссертации изложены в 21 печатной работе и доложены на XIX Всесоюзном совещании по физике низких температур (Минск, 1976) — на Международной конференции по применению эффекта Мессбауэра (Алма-Ата, 1983) — Intern. Conf. on the application of the Mossbauer Effect (ICAME-95), Rimini, Italy, 1995; Conf. on Laser and Electro-optics CLEO/EUROPE — EQEC'96, Hamburg, 1996; The Sixth Intern. Conf. on Cold Fusion, 1996, Hokkaido, JapanFirst Intern. Induced gamma-emission Workshop, Predial, Romania, 1997; Thirteenth Intern.Conf. on Laser Interaction and Related Plasma Phenomena, 1997, Monterey, USAEuropean Conference on: «Advances in nuclear physics and related areas», Thessalonijki, Greece, 1997, International Conference on the Physics of Nuclear Science and Technology, New York, 1998.

выводы.

В диссертации решены некоторые вопросы, связанные с общей проблемой управления характеристиками мёссбауэровских гамма-источников.. Проведено исследование эффекта Мессбауэра на ядрах Те125 под давлением в полии монокристаллах парателлурита (а-ТеОг) в интервале внешних давлений от’йррмального до 110 кбар. Были измерены основные параметры спектров — изомерный сдвиг, ширина линии, квадрупольное расщепление, площадь спектра. Исследовано поведение вероятности эффекта Мессбауэра под давлением для полии монокристаллического парателлурита.

В процессе выполнения были решены следующие методические задачи: а) создана методика получения высоких квазигидростатических давлений (до 150 кбар) на радиоактивном образце — источнике мессбауэровского гамма-излучения: в качестве окна выходящего мессбауэровского излучения применена наковальня Бриджмена, изготовленная из поликристаллического. нитрида бора, который обладает большой прозрачностью для излученияб) создана ячейка высокого давления с наполнителем — порошком гексагонального нитрида бора, обладающего малой степенью сдвига, пригодная для мёссбауэровских исследований поликристаллических образцов и рентгеновской калибровки высокого давленияв) впервые в гидростатической камере высокого давления проведено мессбауэровское исследование монокристалловотработана методика приготовления монокристаллических образцов.

Исследование динамических характеристик парателлурита при нормальном давлении позволило измерить абсолютное значение вероятности резонансного поглощения для различной ориентации монокристалла парателлурита в диапазоне температур от 77 К до ЗООКопределить параметр анизотропии вероятности эффекта Мессбауэра, которые соответствует ^ом)/ ^по)=1−3±-0.1 при температурах 90 К и 200 К и. незначительно возрастает при комнатной температуре. Обнаружено, что величина среднеквадратичного смещения атомов парателлурита вдоль оси с меньше, -чем'-вдоль оси а.

— Исследование поликристаллических образцов парателлурита в гидростатической камере высокого давления, поликристаллических образцов в квазигидростатической камере давления, а также исследование под давлением монокристаллов парателлурита с разной ориентацией позволило обнаружить фазовое превращение в области давлений от 8 кбар до 14 кбар и отсутствие фазовых превращений вне этого интервала во всей области исследуемых давлений;

На основании измерений зависимости вероятности эффекта Мессбауэра,. изомерного сдвига и квадрупольного расщепления от давления можно сделать следующее заключение: а) экепериментальная зависимость вероятности эффекта Мессбауэра для поликристаллического парателлурита от давления имеет монотонный характер в диапазоне давлений от нормального до 110 кбар, увеличиваясь при этом на 80% при комнатной температуре и в диапазоне давлений от нормального до 70 кбар на 33% при температуре 77 Кб) установленна слабая зависимость изомерного сдвига от давления для а-ТеОг составляет не более (1.5±0.3) мм/сек, что хорошо согласуется с теоретическими расчетамив) величина квадрупольного расщепления мало зависит от давления и. равна (6.2 ±0.3) мм/сек. Этот результат косвенно указывает на сохранение ближайшего окружения атома теллураг) отношение компонент дублетного спектра практически не меняется при изменении подавления, что указывает на сохранение ориентации осей тензора ГЭП, так что ось Ъ ориентирована по направлению (110);

108 д) значение параметра анизотропии эффекта Мессбауэра в монокристаллах соответствует незначительному проявлению эффекта Гольданского-Карягина в поликристалле под давлением.

Проведено исследование явления релеевского рассеяния мессбауэровского излучения на основе дифракции Брэгга в совершенных и мозаичныз кристаллах кремния при наличии ультразвукового возбуждения.

Исследование явления РРМИ при наличии ультразвукового возбуждения кристалла кремния позволило: изучить частотные и амплитудные характеристики мессбауэровского гамма-излучения, рассеянного поверхностью совершенного монокристалла кремния в геометирии при наличии ультразвукового возмущения, исследовать явление упругого рассеяния поверхностью совершенного и мозаичного кристаллов кремния при наличии продольных и поперечных ультразвуковых колебаний, обнаружить явление осцилляций интенсивности упругого рассеяния мессбауэровского излучения в геометрии Брэгга при наличии ультразвукового возбуждения кристалла.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Корнилова A.A., Опаленко A.A., Хомич Н. П., Кузьмин Р. Н. Анизотропия колебаний атомов в монокристаллах а-Те02 //ФТТ, 1977, т. 19, вып. 6, с.1899−1901.

2. Корнилова A.A., Опаленко A.A., Кузьмин Р. Н., Шелагуров В.А.

Эффект Мессбауэра на ядрах Те при высоких давлениях //Межвузовский сборник «Физические методы исследования твердого тела», Свердловск 1982, с. 59−62.

3. Капитанов В. В., Корнилова A.A., Кузьмин Р. Н., Кухар Н. Б., Опаленко A.A., Яковлев E.H. Мессбауэровские исследования монокристаллов а-Те02 в условиях гидростатического сжатия до 50 кбар //ФТТ, 1982, т. 24, вып. 4, с 1208—1211.

4. Корнилова A.A., Опаленко A.A., Хомич Н. П., Кузьмин Р. Н. Анизотропия колебаний атомов в монокристаллах а-Те02//Х1Х Всесоюзное совещание по физике низких температур (НТ-19), Минск, 1976, тезисы докладов, с. 756.

5. Корнилова A.A., Опаленко A.A. Методика измерения эффекта Мессбауэра при высоких давлениях на ядрах теллура-125 //Вестник МГУ, серия физика, астрономия, 1983, т. 24, № 5, с. 85−88.

6. Корнилова A.A., Капитанов В. В., Кузьмин Р. Н., Опаленко А. А. Исследование эффекта Мессбауэра в парателлурите под давлением//Международная конф. по применению эффекта Мессбауэра, Алма-Ата, 1983, тезисы докладов, с. 240.

7. Корнилова A.A., Капитанов В. В., Кузьмин Р. Н., Опаленко A.A. Эффект Мессбауэра в парателлурите под давлением // Вестник МГУ, серия физика, астрономия, 1985, т. 26, № 3, с. 87−88.

8. Опаленко А. А., Корнилова АА. Анизотропия эффекта Мессбауэра в Sn при давлении // Сб. Взаимодействие мессбауэровского излучения с веществом (ред. Р.Н.Кузьмин), М., изд. МГУ, 1987, с. 88−90.

9. Vysotskii V.I., Kornilova А.А., Ikoyev Т. М The problem of the creation of point-like hight-active Mossbauer sourses at thermal impulse excitation of Mossbauer nuclei, Intern. Conf. ICAME-95, Rimini, Italy, 1995, (book of abstracts) topic 13−12.

10. Vysotskii V.I., Kuz’inin R.N., Kornilova A.A., Reiman S.I.On controlling the probability of Mossbauer nuclei decay (theory and practice), Intern. Conf. ICAME-95, Rimini, Italy, 1995, (book of abstracts) topic 13−19. ll. Opalenko A.A., Kornilova A.A., Leonov A.I., Sevastuanov J.G. Difraction of Mossbauer radiation under ultrasonic excitationof crystals, Intern. Conf. ICAME-95, Rimini, Italy, Sept. 1995, (book of abstracts) topic 06−5.

12. Vysotskii V.I., Bugrov V.P., Kuz’min R.N., Kornilova A.A. On the possibility and effectiveness of the excitation of Mossbauer nuclei during laser pulse heating of the active medium (the problem of the creation of point-like and line-like hight-active Mossbauer sources for gamma-laser with the help of the optical laser). Conf. on Laser and Electro-optics CLEO/EUROPEEQEC'96, topic QTuE6, Hamburg, September, 1996.

13. Vysotskii V.I., Bugrov V. P Kornilova A.A., Reiman S.I.The experimental discovery of-the phenomenon of controlling and changing probability and time of spontaneous decay and gamma-transmutation of excited nuclei statuses. //Progress in New Hydrogen Energy. The Sixth Intern. Conf. on Cold Fusion, Proceedings, v.2,1996, p. 680−686.

14. Опаленко A.A., Корнилова A.A., Кошелев О. Г. Дифракция мессбауэровского излучения в совершенном кристалле кремния при воздействии ультразвука //Вестник МГУ, серия физика, астрономия, № 2, 1996, с. 102−104.

15. Vysotskii V.I., Bugrov V. P Kornilova A.A. Kuz’min R.N., Reiman S.I. The problem of gamma-laser and controlling of Mossbauer nuclei decay (theory and practica). //Hyperfine Interactions, v. 107,1997, p.277−282.

16. Высоцкий В. И., Бугров В. П., Корнилова А. А., Максюта Н. В. Каналированный режим движения и особенности взаимодействия с ядрами быстрых ионизационных электронов, образуемых в кристаллической матрице при ее облучении мощным лазерным импульсом.

Г':' ' «^ :'Г ZlX*.

Поверхность, 1997, № 6, с.20−29.

17. Vysotskii V.I., Bugrov V. P Kornilova A. A, Reiman S.I. The experimental realization and investigation of the effect of controlling and changing the life-time of gamma-excited nuclei. //First Intern. Induced gamma-emission Workshop, Predial, Romania, August 16−20 1997. Technical Digest, p.83−84.

18. Vysotskii V.I., Bugrov V. P Kornilova A.A. The third (compromise) way of the creation of gamma-laser based on the experimental discovery of the phenomenon of controlling (changing) time of spontaneous decay of excited and radioactive nuclei states. Thirteenth Intern.Conf. on Laser Interaction and Related Plasma Phenomena, April 1997, Monterey, USA, p.55.

19b Vysotskii V.I., Bugrov V. P Kornilova A.A. On the effectiveness of the excitation of nuclei during laser pulse heating of the active medium (the problem of the creation of point-like and line-like high-active nuclear sources with the help of optical laser), Thirteenth Intern. Conf. on Laser Interaction and Related Plasma Phenomena, April 1997, Monterey, USA, p. l 14.

20. Vysotskii V.I., Bugrov V. P Kornilova A.A., Reiman S. I" .The problem of controlled radioactivity and nuclear decay: experimental realization the effect of controlling and changing the life-time of gamma-radioactive and excited nuclei". European Conference on: «Advances in nuclear physics and related areas», Thessaloniki, Greece, 8−12 July 1997. (Abstracts) p.165.

21. Высоцкий В. И., Бугров В. П., Корнилова A.A. Об эффективности возбуждения высокоактивных ядерных систем при импульсном лазерном нагреве гамма-резонансной среды //Физика плазмы, 1997, т.23, № 10, с.1−11.

2.2. VysotsKii V.J., bucjiov I/ Р.^ Kozm’iwa. AJ. t Rtiman S.I. The expetimen-гей-Нг^Лсоп cLhd? nvesti^aXioh of th*cf corfzoaftvfi-ihe sponta-neous nucfea. z — c/eea-ff w^faz -??me o/^arn/na.

Cxcite c? nociei. JntetnccUona? Con/et e/ice ofrt/?e P/?ys?cs of /i/u??eat Science a"c? Tcchnctofl, Octoeei tT-?, /9в£, YotK) Рг^еег/i^s 9.

МЛ t — Р. Н5Ъ-т5.

3, Opafe/^jco JfJ., fo%/??e?>)/CL AJ. Vi/bacilos? о/fifcss&-u/ei. tu-al/a.-tuon ancUi u? ticL$on?c exc??? LI?o/? о/ ctysta.?s //J.PhysCconcfertS. МШб1. — -V. в.-P. бзвг-бмо.