Член-корреспондент РАН, профессор В.Л. Аксенов
Нейтронография – это исследование структуры и динамики конденсированного вещества с помощью рассеяния нейтронов низких энергий. Методически она имеет четыре раздела: дифракция, малоугловое рассеяние, рефлектометрия и спектроскопия. Эксперименты проводятся в ведущих нейтронных центрах России и Европы. Базовыми научными организациями являются Объединенный институт ядерных исследований (г. Дубна, Московской обл.) и Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт (исследовательские ядерные реакторы в Москве и Гатчине Ленинградской обл.)
Основные научные направления:
Нейтронная оптика магнитных и сверхпроводящих многослойных наноструктур
Руководитель направления:
Член-корр. РАН В.Л. Аксенов
Современная диагностика наносистем (или нанодиагностика) активно использует различные виды излучений для получения информации о структуре нанообъектов в объеме и на поверхностях. Особые свойства нейтронов низких энергий (менее 1 эВ) позволяют эффективно применять их рассеяние в исследованиях твердых тел, жидкостей, коллоидных систем, тонких пленок. Сегодняшний интерес к наносистемам обуславливает интенсивное развитие методов нейтронографии, чувствительных к особенностям структурной организации на уровне 1-100 нм. Особая возможность нейтронографии связана с использованием поляризованных нейтронов при исследовании магнитных наносистем.
На кафедре развит новый метод нейтронной оптики при скользящем падении – метод усиленных стоячих нейтронных волн при полном отражении. Метод позволяет измерять пространственный профиль заданного изотопа в тонкой слоистой структуре, что важно при определении природы взаимодействия разного типа атомов на границах раздела. Он основан на одновременной регистрации интенсивности зеркально отражённых от слоистой структуры тепловых нейтронов (рис. а) и вторичного излучения (рис. б) (заряженные частицы, гамма-кванты, нейтроны, испытавшие переворот спина рассеянные нейтроны), исходящего соответственно из ядер изотопа, магнитно-неколлинеарной структуры, неоднородной структуры и т.д.
Член-корр. РАН В.Л. Аксенов
Современная диагностика наносистем (или нанодиагностика) активно использует различные виды излучений для получения информации о структуре нанообъектов в объеме и на поверхностях. Особые свойства нейтронов низких энергий (менее 1 эВ) позволяют эффективно применять их рассеяние в исследованиях твердых тел, жидкостей, коллоидных систем, тонких пленок. Сегодняшний интерес к наносистемам обуславливает интенсивное развитие методов нейтронографии, чувствительных к особенностям структурной организации на уровне 1-100 нм. Особая возможность нейтронографии связана с использованием поляризованных нейтронов при исследовании магнитных наносистем.
На кафедре развит новый метод нейтронной оптики при скользящем падении – метод усиленных стоячих нейтронных волн при полном отражении. Метод позволяет измерять пространственный профиль заданного изотопа в тонкой слоистой структуре, что важно при определении природы взаимодействия разного типа атомов на границах раздела. Он основан на одновременной регистрации интенсивности зеркально отражённых от слоистой структуры тепловых нейтронов (рис. а) и вторичного излучения (рис. б) (заряженные частицы, гамма-кванты, нейтроны, испытавшие переворот спина рассеянные нейтроны), исходящего соответственно из ядер изотопа, магнитно-неколлинеарной структуры, неоднородной структуры и т.д.
Одним из последних успешных примеров применения метода является изучение эффектов взаимодействия ферромагнитного и сверхпроводящего параметров порядка в слоистых гетероструктурах. Сосуществование ферромагнетизма (ФМ) и сверхпроводимости (СП) в тонких многослойных структурах приводит к ряду интересных, как с фундаментальной, так и с практической точек зрения, эффектов: нетривиальное триплетное спариванию электронов в сверхпроводящем состоянии, намагничивание сверхпроводников, суперпарамагнитный эффект в сверхпроводниках. Рефлектометрия поляризованных нейтронов позволяет наблюдать и исследовать данные явления. Результат таких измерений для структуры СП/ФМ/СП схематически показан на рисунке
Магнитное состояние структуры в диапазонах Т = 1.6 – 10 К и Н = 10 Э – 1 кЭ, следующее из экспериментальных данных нейтронного рассеяния: а) магнитные моменты кластеров ориентированы против поля, магнитные моменты доменов ориентированы перпендикулярно магнитному слою; б) магнитные моменты кластеров разупорядочены, размер доменов увеличился по сравнению с состоянием (1); в) кластеры подмагничены полем, магнитные моменты доменов ориентированы вдоль магнитного поля; г) моменты кластеров ориентированы по направлению магнитного поля.
Литература:
[1] Никитенко Ю.В., Петренко А.В., Гундорин Н.А., Гледенов Ю.М., Аксенов В.Л. Изотопно-идентифицирующая рефлектометрия нейтронов. Кристаллография. 2015. Т. 60. № 4. С. 518-532.
[2] Жакетов В.Д., Никитенко Ю.В., Раду Ф., Петренко А.В., Чик А., Борисов М.М., Мухамеджанов Э.Х., Аксёнов В.Л. Магнетизм в структурах с ферромагнитными и сверхпроводящими слоями. Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2017. Т. 151. № 1. С. 132-150.
Литература:
[1] Никитенко Ю.В., Петренко А.В., Гундорин Н.А., Гледенов Ю.М., Аксенов В.Л. Изотопно-идентифицирующая рефлектометрия нейтронов. Кристаллография. 2015. Т. 60. № 4. С. 518-532.
[2] Жакетов В.Д., Никитенко Ю.В., Раду Ф., Петренко А.В., Чик А., Борисов М.М., Мухамеджанов Э.Х., Аксёнов В.Л. Магнетизм в структурах с ферромагнитными и сверхпроводящими слоями. Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2017. Т. 151. № 1. С. 132-150.
Самоорганизация в полимерах и коллоидах
Руководитель направления:
Профессор кафедры, д.ф.м.н. М.В. Авдеев
Тонкие пленки полимеров и полимерных нанокомпозитов в настоящее время используются в электронике, фотовольтаиках, сенсорных устройствах. В рамках данной темы выполняется экспериментальные исследования и теоретическое описание стеклования полимеров и их нанокомпозитов. Структурная организация наночастиц внутри тонких полимерных пленок исследуется с помощью рассеяния нейтронов. Метод нейтронной рефлектометрии позволяет исследовать структуру и динамику структурных изменений пленок в окрестности перехода жидкость-стекло.
Профессор кафедры, д.ф.м.н. М.В. Авдеев
Тонкие пленки полимеров и полимерных нанокомпозитов в настоящее время используются в электронике, фотовольтаиках, сенсорных устройствах. В рамках данной темы выполняется экспериментальные исследования и теоретическое описание стеклования полимеров и их нанокомпозитов. Структурная организация наночастиц внутри тонких полимерных пленок исследуется с помощью рассеяния нейтронов. Метод нейтронной рефлектометрии позволяет исследовать структуру и динамику структурных изменений пленок в окрестности перехода жидкость-стекло.
Типичный вид изменения термодинамической характеристики (объем, энтальпия) при стекловании системы с разной скоростью охлаждения и кривая зеркального отражения тепловых нейтронов от тонкой (< 100 нм) полимерной пленки при ее стекловании.
На импульсном реакторе ИБР-2 (ОИЯИ, Дубна) начаты исследования на новом времяпролетном нейтронном рефлектометре ГРЭИНС с горизонтальной плоскостью образца, позволяющем изучать границы раздела типа «твердое тело – жидкость» и свободные жидкие поверхности. Исследования включают в себя анализ зеркального отражения и диффузного рассеяния на адсорбционных слоях из различных сред: растворы наночастиц, полимеров, поверхностно-активных веществ; электрохимические границы с жидкими литийсодержащими электролитами и др.
На импульсном реакторе ИБР-2 (ОИЯИ, Дубна) начаты исследования на новом времяпролетном нейтронном рефлектометре ГРЭИНС с горизонтальной плоскостью образца, позволяющем изучать границы раздела типа «твердое тело – жидкость» и свободные жидкие поверхности. Исследования включают в себя анализ зеркального отражения и диффузного рассеяния на адсорбционных слоях из различных сред: растворы наночастиц, полимеров, поверхностно-активных веществ; электрохимические границы с жидкими литийсодержащими электролитами и др.
Отслеживание образования/разрушения адсорбционного слоя наночастиц из магнитных жидкостей на кремниевой подложке с помощью нейтронной рефлектометрии. Наблюдается резкое изменение кривых зеркального отражения при добавлении в магнитную жидкость полимера для повышения ее биосовместимости.
Литература:
[1] Тропин Т.В., Шмельцер Ю.В.П., Аксенов В.Л. Современные аспекты кинетической теории стеклования. Успехи Физических Наук. 186. (2016) 47–73.
[2] Авдеев М.В., Боднарчук В.И., Петренко В.И., Гапон И.В., Томчук А.В., Нагорный А.В., Ульянов В.А., Булавин Л.А., Аксенов В.Л. Нейтронный времяпролетный рефлектометр “ГРЭИНС” с горизонтальной плоскостью образца на реакторе ИБР-2: возможности и перспективы. Кристаллография. 2017, том 62, № 6, с. 986–993.
Литература:
[1] Тропин Т.В., Шмельцер Ю.В.П., Аксенов В.Л. Современные аспекты кинетической теории стеклования. Успехи Физических Наук. 186. (2016) 47–73.
[2] Авдеев М.В., Боднарчук В.И., Петренко В.И., Гапон И.В., Томчук А.В., Нагорный А.В., Ульянов В.А., Булавин Л.А., Аксенов В.Л. Нейтронный времяпролетный рефлектометр “ГРЭИНС” с горизонтальной плоскостью образца на реакторе ИБР-2: возможности и перспективы. Кристаллография. 2017, том 62, № 6, с. 986–993.
Комплексные нейтронные исследования функциональных материалов
Руководитель направления:
Профессор кафедры, д.ф.-м.н., профессор А.М. Балагуров
Тематика направления на исследование широкого круга материалов методами нейтронной структурной диагностики: нейтронной дифракции, в том числе при высоких давлениях, малоуглового рассеяния нейтронов, нейтронной радиографии и томографии. В качестве объектов исследования выступают сложные магнитные оксиды, оптические материалы, объекты культурного наследия и конструкционные материалы. Выбор методов исследования обуславливает получение детальной структурной информации на кристаллическом, наноструктурном и микронном уровнях структурной организации, что позволяет понять структурный аспект формирования тех или иных физических свойств исследуемых материалов.
Исследования структурных фазовых превращений в функциональных материалах изучаются в режиме реального времени при изменении параметров системы. Направления исследований такого рода материалов включают: структурные фазовые переходы в широком диапазоне температур, кинетика переходов, когерентное кластерное упорядочение атомов структуры, корреляция микроструктурных особенностей и макроскопических физических свойств. К перспективным материалам относятся упорядочивающиеся интерметаллические сплавы на основе железа, такие как недавно открытый сплав Fe-27Ga (Galfenol) с рекордной магнитострикцией. Также активно изучаются электродные материалы для Li-ионных аккумуляторов в процессах разряда-заряда. Дифракционные данные позволяют определять и контролировать пути и кинетику миграции лития, структуру и количество образующихся фаз, деградацию микроструктуры материалов в ходе многократного циклирования.
Профессор кафедры, д.ф.-м.н., профессор А.М. Балагуров
Тематика направления на исследование широкого круга материалов методами нейтронной структурной диагностики: нейтронной дифракции, в том числе при высоких давлениях, малоуглового рассеяния нейтронов, нейтронной радиографии и томографии. В качестве объектов исследования выступают сложные магнитные оксиды, оптические материалы, объекты культурного наследия и конструкционные материалы. Выбор методов исследования обуславливает получение детальной структурной информации на кристаллическом, наноструктурном и микронном уровнях структурной организации, что позволяет понять структурный аспект формирования тех или иных физических свойств исследуемых материалов.
Исследования структурных фазовых превращений в функциональных материалах изучаются в режиме реального времени при изменении параметров системы. Направления исследований такого рода материалов включают: структурные фазовые переходы в широком диапазоне температур, кинетика переходов, когерентное кластерное упорядочение атомов структуры, корреляция микроструктурных особенностей и макроскопических физических свойств. К перспективным материалам относятся упорядочивающиеся интерметаллические сплавы на основе железа, такие как недавно открытый сплав Fe-27Ga (Galfenol) с рекордной магнитострикцией. Также активно изучаются электродные материалы для Li-ионных аккумуляторов в процессах разряда-заряда. Дифракционные данные позволяют определять и контролировать пути и кинетику миграции лития, структуру и количество образующихся фаз, деградацию микроструктуры материалов в ходе многократного циклирования.
а) 3D изображение зависимости интенсивности рассеяния нейтронов в зависимости от температуры в реальном времени;
б) карта интенсивности.
Литература:
[1] Балагуров А.М., Бобриков И.А., Бокучава Г.Д., Журавлев В.В., Симкин В.Г. Корреляционная Фурье-дифрактометрия: 20-летний опыт эксплуатации на реакторе
ИБР-2. ЭЧАЯ, 2015, т. 46(3), с. 453-501.
[2] Балагуров А.М., Бобриков И.А., Самойлова Н.Ю., Дрожжин О.А., Антипов Е.В. Применение рассеяния нейтронов для анализа процессов в Li-источниках электрического тока. Успехи химии 83 (12) (2014) с.1120-1134.
б) карта интенсивности.
Литература:
[1] Балагуров А.М., Бобриков И.А., Бокучава Г.Д., Журавлев В.В., Симкин В.Г. Корреляционная Фурье-дифрактометрия: 20-летний опыт эксплуатации на реакторе
ИБР-2. ЭЧАЯ, 2015, т. 46(3), с. 453-501.
[2] Балагуров А.М., Бобриков И.А., Самойлова Н.Ю., Дрожжин О.А., Антипов Е.В. Применение рассеяния нейтронов для анализа процессов в Li-источниках электрического тока. Успехи химии 83 (12) (2014) с.1120-1134.
Структура везикулярных нанолекарств
Руководитель направления:
Доцент кафедры, д.ф.-м.н. М.А. Киселев
Направление связано со структурными исследованиями методами дифракции и малоуглового рассеяния нейтронов и рентгеновских лучей лекарств и нанолекарств, в частности сконструированных на основе соевых фосфолипидов (фитолекарства). Дифракция рентгеновских лучей применяется для исследования лекарства «Фосфоглив», а комбинированное применение нейтронного и синхротронного излучения позволяет получать информацию о структуре и свойствах нанолекарств. Лекарственные препараты разрабатываются в Институте биомедицинской химии (г. Москва). Эксперименты проводятся в ведущих нейтронных и синхротронных центрах России и Германии в коллаборации с Университетом Мессины, Италия.
Доцент кафедры, д.ф.-м.н. М.А. Киселев
Направление связано со структурными исследованиями методами дифракции и малоуглового рассеяния нейтронов и рентгеновских лучей лекарств и нанолекарств, в частности сконструированных на основе соевых фосфолипидов (фитолекарства). Дифракция рентгеновских лучей применяется для исследования лекарства «Фосфоглив», а комбинированное применение нейтронного и синхротронного излучения позволяет получать информацию о структуре и свойствах нанолекарств. Лекарственные препараты разрабатываются в Институте биомедицинской химии (г. Москва). Эксперименты проводятся в ведущих нейтронных и синхротронных центрах России и Германии в коллаборации с Университетом Мессины, Италия.
Определение структуры липидного бислоя многослойных везикул фосфолипидов по распределению плотности длины рассеяния фотонов (рис. А) и нейтронов (рис. В). В верхней части рисунка изображена многослойная фосфолипидная везикула в избытке воды и структура соседних бислоев с водным межмембранным пространствам. Дифракционные эксперименты на синхротронных и нейтронных источниках позволяют сделать расчеты рассеивающей плотности и определить как положение молекул фосфолипида в липидном бислое, так и рассчитать толщину периода повторяемости многослойной мембраны d, толщину липидного бислоя dlip и толщину водной прослойки dw.
Литература:
[1] Киселев М.А. Методы исследования липидных наноструктур на нейтронных и синхротронных источниках. Учебное пособие. Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, 2014.
[2] Lombardo D., Calandra P., Barreca D., Magazu S., Kiselev M.A. Soft Interaction in Liposome Nanocarriers for Therapeutic Drug Deliver. Nanomaterials. 6, 125 (2016) 2-26.
[1] Киселев М.А. Методы исследования липидных наноструктур на нейтронных и синхротронных источниках. Учебное пособие. Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, 2014.
[2] Lombardo D., Calandra P., Barreca D., Magazu S., Kiselev M.A. Soft Interaction in Liposome Nanocarriers for Therapeutic Drug Deliver. Nanomaterials. 6, 125 (2016) 2-26.
Физика ядро-ядерных взаимодействий при низких и средних энергиях
Руководитель направления:
Профессор кафедры, д.ф.-м.н. С.А. Гончаров
Развитие и применение потенциального подхода в теории столкновений ядер с ядрами при низких и средних энергиях. Исследование явления ядерной радуги и его использование для изучения свойств экзотических состояний легких ядер.
Литература:
[1] Ogloblin A.A., Danilov A.N., Demyanova A.S., Goncharov S.A., Belyaeva T.L., Trzaska W. “Nuclear Size Isomers: The Excitedstates Of Light Nuclei With Cluster Structure And Nonstandard Sizes”, in Nuclear Particle Correlations and Cluster Physics, World Scientific, 2017 Ch. 11 pp. 311-338.
[2] Brandan M.E., Satchler G.R. “The interactions between light heavy ions and what it tells us”, phys. Reports, 285, 143 (1997).Литература:
[1] Киселев М.А. Методы исследования липидных наноструктур на нейтронных и синхротронных источниках. Учебное пособие. Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, 2014.
[2] Lombardo D., Calandra P., Barreca D., Magazu S., Kiselev M.A. Soft Interaction in Liposome Nanocarriers for Therapeutic Drug Deliver. Nanomaterials. 6, 125 (2016) 2-26.
Профессор кафедры, д.ф.-м.н. С.А. Гончаров
Развитие и применение потенциального подхода в теории столкновений ядер с ядрами при низких и средних энергиях. Исследование явления ядерной радуги и его использование для изучения свойств экзотических состояний легких ядер.
Литература:
[1] Ogloblin A.A., Danilov A.N., Demyanova A.S., Goncharov S.A., Belyaeva T.L., Trzaska W. “Nuclear Size Isomers: The Excitedstates Of Light Nuclei With Cluster Structure And Nonstandard Sizes”, in Nuclear Particle Correlations and Cluster Physics, World Scientific, 2017 Ch. 11 pp. 311-338.
[2] Brandan M.E., Satchler G.R. “The interactions between light heavy ions and what it tells us”, phys. Reports, 285, 143 (1997).Литература:
[1] Киселев М.А. Методы исследования липидных наноструктур на нейтронных и синхротронных источниках. Учебное пособие. Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, 2014.
[2] Lombardo D., Calandra P., Barreca D., Magazu S., Kiselev M.A. Soft Interaction in Liposome Nanocarriers for Therapeutic Drug Deliver. Nanomaterials. 6, 125 (2016) 2-26.
Методы регистрации ионизирующих излучений
Руководитель направления:
к.ф.-м.н. В.Н. Швецов
Современные детекторы ионизирующего излучения применяются во многих областях науки и техники, начиная от традиционной ядерной физики, в которой они и начали применяться с момента зарождения этого научного направления, до медицины, геологии, астрофизики и планетологии.
В рамках данного курса рассматриваются основные источники ионизирующего излучения, теоретические основы процессов взаимодействия ионизирующего излучения с веществом и их применение в современных детекторах. Рассматриваются также принципы обработки сигналов с детекторов, биологическое воздействие ионизирующих излучений и методы защиты.
к.ф.-м.н. В.Н. Швецов
Современные детекторы ионизирующего излучения применяются во многих областях науки и техники, начиная от традиционной ядерной физики, в которой они и начали применяться с момента зарождения этого научного направления, до медицины, геологии, астрофизики и планетологии.
В рамках данного курса рассматриваются основные источники ионизирующего излучения, теоретические основы процессов взаимодействия ионизирующего излучения с веществом и их применение в современных детекторах. Рассматриваются также принципы обработки сигналов с детекторов, биологическое воздействие ионизирующих излучений и методы защиты.
Детектор нейтронов высоких энергий FREND, работающий на борту орбитального аппарата совместной миссии РосКосмоса и Европейского космического агентства EXOMARS.
Основное внимание уделяется детекторам нейтронов и гамма-квантов, включая позиционно-чувствительные детекторы, детекторы для исследований на борту орбитальных и спускаемых космических аппаратов и в системах контроля и обеспечения безопасности.
Основное внимание уделяется детекторам нейтронов и гамма-квантов, включая позиционно-чувствительные детекторы, детекторы для исследований на борту орбитальных и спускаемых космических аппаратов и в системах контроля и обеспечения безопасности.
Исследования с ультрахолодными нейтронами
Руководитель направления:
к.ф.-м.н. Е.В. Лычагин
Ультрахолодные нейтроны (УХН) – нейтроны с очень малой кинетической энергией (<100 нэВ) обладают уникальным свойством – они испытывают полное упругое отражение от границы вакуум-вещество при любом угле падения на границу. В результате, появляется принципиально новая возможность для экспериментаторов – хранить нейтроны в замкнутом объёме и наблюдать за ними в течение длительного времени ~103 с. В процессе хранения УХН взаимодействуют только с небольшим слоем вещества порядка длины волны нейтрона (~150 Å). Из-за малой кинетической энергии УХН, на их поведение в экспериментальной установке могут существенным образом влиять гравитационное взаимодействие с Землёй, внешние магнитные поля, проявляться волновые свойства нейтрона.
к.ф.-м.н. Е.В. Лычагин
Ультрахолодные нейтроны (УХН) – нейтроны с очень малой кинетической энергией (<100 нэВ) обладают уникальным свойством – они испытывают полное упругое отражение от границы вакуум-вещество при любом угле падения на границу. В результате, появляется принципиально новая возможность для экспериментаторов – хранить нейтроны в замкнутом объёме и наблюдать за ними в течение длительного времени ~103 с. В процессе хранения УХН взаимодействуют только с небольшим слоем вещества порядка длины волны нейтрона (~150 Å). Из-за малой кинетической энергии УХН, на их поведение в экспериментальной установке могут существенным образом влиять гравитационное взаимодействие с Землёй, внешние магнитные поля, проявляться волновые свойства нейтрона.
Перечисленные особенности делают УХН эффективным инструментом как в области исследования фундаментальных взаимодействий и симметрий, поиску проявления новых гипотетических типов взаимодействий, проверки положений классической квантовой механики, так и при изучении свойств поверхности. Эффективность использования УХН в прецизионных исследованиях можно проиллюстрировать успехами в повышении точности измерения времени жизни нейтрона, полученным ограничением на существование электрического дипольного момента нейтрона, наблюдением квантования энергии нейтрона в гравитационном поле, обнаружения водородных загрязнений на поверхности веществ и т.д. Надежды на развитие данной области исследований связаны в первую очередь с созданием новых высокоинтенсивных источников УХН.
Литература:
[1] Cтрелков А.В. «Хранение нейтронов» УФН, 174, 565 (2004).
[2] Несвижевский В.В. «Приповерхностные квантовые состояния нейтронов в гравитационном и центробежном потенциалах» УФН, 180 673–707 (2010).
[3] Серебров А.П. «Исследования фундаментальных взаимодействий в ПИЯФ НИЦ КИ с нейтронами и нейтрино на реакторах» УФН, 185, 1179–1201 (2015).
[1] Cтрелков А.В. «Хранение нейтронов» УФН, 174, 565 (2004).
[2] Несвижевский В.В. «Приповерхностные квантовые состояния нейтронов в гравитационном и центробежном потенциалах» УФН, 180 673–707 (2010).
[3] Серебров А.П. «Исследования фундаментальных взаимодействий в ПИЯФ НИЦ КИ с нейтронами и нейтрино на реакторах» УФН, 185, 1179–1201 (2015).